浅谈人工挖孔桩基础设计和技术分析

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　　 摘要：本文笔者通过工作多年总结得出的设计经验，从经济分析和技术可行性分析；承载力计算和构造说明了人工挖孔桩基拙设计中应注意的几个问题。人工挖孔桩基础具有施工工期短，造价低廉，对周围建筑物无影响，施工操作方便等优点，所以在很多工程中被普遍采用。
　　关键词 人工挖孔桩可行性分析 桩身配筋率 桩身混凝土强度
　　引言
　　近年来，临沧市区各种大小直径的人工挖孔桩基础在多高层建筑、道路、桥梁、设备基础、深基础护坡等工程中应用较为普遍。人工挖孔桩基础施工设备简单，占用场地小，各桩孔可以同时进行施工，施工工期短;具有受力明确、承载力高、持力层检查直观、桩身质量有保证、无噪音、且较其它形式的基础更适于狭窄场地上施工、造价低等优点。
　　经过多年的设计和施工实践，根据国家相关的规程及规范，本文从人工挖孔桩基础的特点、设计计算、构造要求、施工要点等方面较详细地阐述了设计人员人工挖孔桩基础设计应注意的几个问题。
　　1 人工挖孔桩基础设计技术可行性分析
　　当设计人员面对任何一个实际工程的基础设计时，在确定采用人工挖孔桩基础前，应进行可行性分析。在充分掌握各土层的物理力学指标、地下水位的高低及周围建筑物分布情况下，综合技术和经济分析来决定是否适宜采用人工挖孔桩基础。
　　人工挖孔桩基础的采用有一定的局限性，一般在地下水位以上的粘土、亚粘土，含少量砂卵石的粘土层，特别是黄土层中，干作业成孔较为理想;对软土、流砂、地下涌水量大的土层，不宜选用。地下水位比较高，持力层比较深，持力层与地下水位之间存在较厚的砂层或高压缩性的土质，同时与邻近建筑物比较靠近，且拟建建筑物为多层建筑时，笔者认为不宜采用人工挖孔桩基础，尤其在经济和技术设备比较落后的地区。因为在人工挖孔桩基础施工时，遇到大量抽水要采用相应的打板桩或水泥压力灌浆等挡水措施，如果遇到流砂比较严重时还要采取钢筒护壁。一般多层住宅楼下荷载不会很大，无需要做单桩承载大的挖孔桩，会使在经济上投资增大，甚至影响工期。所以综合技术和经济分析是很有必要的。
　　2 地质资料和施工记录的判断分析
　　2.1钻孔数量不足
　　实际工程中，地质勘察钻孔数量经常会受到甲方投资不足的限制，往往只定了为数不多的控制孔，不能全面反映场地岩土层的构造及分布;有些场地地质非常复杂，特别是处于地层断裂带附近，相邻3m的桩底基岩有可能落差几米。
　　大量的工程实例证明:详细勘察的地质资料可以避免设计计算和工程验收的盲目性，增加对复杂地质的详细勘察的投资(如进行超前钻探等)是非常必要和经济的，否则可能造成极大的浪费、拖延工期或留下安全隐患。
　　2.2钻孔偏差
　　地质勘察放线一般在规划局正式放线之前。有些工程由于工期紧，建筑方案未经批复就进行钻探，导致孔位定位不准出现偏差。如临沧市区某高层工程，某桩对照勘察孔位挖掘，反映的地质情况与勘察资料相差很远，而与10 m外的钻孔情况一样，经现场对照查看，发现孔位偏差10 m多。又如某医院工程，由于勘察人员没有及时整理资料，将孔号颠倒，设计人员发现挖孔资料与地质资料相差很大，及时将钻孔调整过来，才避免了工程事故。
　　应对措施:设计人员在编写勘察任务书时，应要求勘察单位在现场用木桩制作孔号标志，以便正式放线后核实孔位的偏差度，距离相差太远的要加孔补钻。
　　2.3施工记录不真实
　　个别施工人员素质不高，可能对挖桩记录(桩长机底及穿过上层等情况)作假(如虚报桩长，不如实反映桩底岩层落差或软弱带的情况等)，误导设计人员对持力层的判断。
　　应对措施:除了对施工人员加强教育管理外，设计人员要对施工记录宏观加以分析，最好亲自到桩底察看孔壁及桩底上岩层的变化情况和性状。
　　3 人工挖空桩竖向承载力的计算
　　3.1计算参数与计算公式的选择问题
　　人工挖孔桩基础基础计算参考的规范有《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)、《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)，各规范所采用的计算理论和表达式不尽一致，所选择的参数也不一样，有极限承载力标准值(QSk、Qpk、Quk)、承载力标准值(qP,qsi)、承载力特征值(qP a,qsia)，有些参数是挖孔灌注桩选用的，有些是钻孔桩适用的。有关研究表明，虽然钻孔桩与挖孔桩同属非挤土桩，但由于成孔方法不同，其摩擦系数有些不同，对大多数土质来讲，挖孔桩的摩擦系数偏小，各公式的计算结果有时出入很大.笔者认为，应看清楚地质资料所提供的参数，根据相关地区工程特点、类似工程经验和试验数据，选择合理的计算参数和计算公式，其他公式则可作为参考和估算。
　　3.2短桩与深基础的区分问题
　　这是设计人员经常忽略的问题.对于桩长较短的人工挖孔桩基础，规范没有明确其端阻力该如何取值，有设计人员以6m为界限，桩长大于6m，采用桩极限端阻力，反之按深基础设计，如此得出的端阻力相差2- 3倍，这样并不科学。有研究资料表明:短桩基底的变形破坏模式既不同于浅基础的整体剪切破坏，也不同于一般桩基础的刺入破坏或深层剪切破坏，当桩的长径比H/D大于6-7时，桩端极限端阻力不再随深度增加而增加，达到最大值，可以认为挖孔桩按桩设计的最小桩长应为6-7倍扩大头直径，反之可根据桩的沉降影响系数(IP)的比值对极限端承载力标准值(Pu)进行折减，即
　　
　　其中IP为桩的沉降影响系数，与扩大头深度H、扩大头直径D、土泊松比u及计算沉降点与荷载中心点的距离r有关，PU10表示桩长径比为10的桩端极限承载力，IU10表示长径比为10的桩沉降平均影响系数，qPK为桩的极限端阻力标准值.
　　3.3桩周摩擦力对计算结果的影响
　　在单桩竖向承载力计算中应该考虑桩周摩擦力的作用，桩越长，长径比越大，桩周摩擦力所占单桩竖向承载力的比重也就越大。无论是摩擦型桩，还是端承型桩，桩周摩擦力始终存在，侧面阻力始终于端阻力发挥之前被发挥出来，桩周摩阻力是单桩承载力的一个重要组成部分。但是若在设计中忽略侧阻也是不合理的，因为这样会使单桩竖向承载力取值偏小，且桩端岩层的承载能力得不到充分地发挥。
　　桩周软土因自重固结、场地填土、地面大面积堆载、人工井点降水等原因引起土层沉降大于桩的沉降时，设计时应考虑桩侧负摩阻力对基桩承载力的不利影响。
　　3.4砖砌护壁的摩擦力
　　 有些地区的人工挖孔桩基础大多数采用砖砌护壁，许多设计人员偏于安全，不考虑砖砌体护壁的摩擦力。工程实测表明:砖砌体虽然与桩周土粘结较差，浇注桩混凝上时桩混凝土会对护壁产生侧向挤压力，导致护壁扩张产生对上的压应力，从而产生摩擦力(但比一般的混凝土护壁小，当桩较长时，桩周摩擦力也大)。
　　4 桩身混凝土强度等级
　　4.1从构造方面分析
　　《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规定:灌注桩的棍凝土强度等级不应低于C20;《建筑桩基技术规范》(JGJ94-1994)规定:桩的混凝土强度等级，不得低于C15，水下灌注桩混凝土不得低于C20;《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002 )耐久性要求，对于设计使用年限为50年的一般建筑物来说，人工挖孔桩基础的环境类别应为二类，最低混凝土强度等级为C25。

　　4.2从受力方面分析
　　4.2.1《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规定:桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求:
　　
　　式中.fc -混凝土轴心抗压强度设计值;
　　Q一相应于荷载效应基本组合的单桩竖向力设计值;
　　AP一桩身横截面面积;
　　 ψc一工作条件系数，灌注桩取0.6~0.7(水下灌注桩或长桩时用低值).
　　4.2.2《建筑桩基技术规范》(JGJ94-1994)规定:桩顶轴向压力应符合下式:
　　
　　式中，γo建筑桩基重要性系数，人工挖孔桩基础为柱下单桩时，应提高一级考虑:
　　N一桩顶轴向压力设计值;
　　 fc一混凝土轴心抗压强度设计值，对于灌注桩应折减(人工挖孔桩基础基桩施工工艺系数ψc=0.9);
　　A一桩身截面面积；
　　从以上两方面可以看出，人工挖孔桩基础的桩身混凝土强度等级最好采用C25及C25以上。从多年的设计经验来看，由于人工挖孔桩基础的桩身横截面面积一般较大，故桩身混凝土强度等级采用C20或C25以上，基本上都能满足桩身承载力的设计要求。但当上部荷载较大时，一定要验算桩身混凝土强度是否满足承载力设计要求。
　　5 人工挖孔桩基础配筋率和钢筋笼长度问题
　　5.1对于人工挖孔桩基础的“配筋率”，各有关规范规定如下:《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规定:桩的主筋应经计算确定，灌注桩最小配筋率不宜小于0.2%~0.65%(小直径桩取大值);《建筑桩基技术规范》(JGJ94-1994)规定:当桩身直径为300~2000mm时，截面配筋可取。0.65%~0.20%(小直径桩取大值，大直径桩取小值)。人工挖空桩由于桩身截面面积比较大，一般按照构造配筋即可，配筋率可取0.2%~0.3%，对于高层建筑中的大直径扩底桩基础，根据笔者个人经验，其配筋率应取0.4%。
　　5.2人工挖孔桩基础一般都是端承桩或端承为主的桩，故钢筋笼长度最好通长配置，纵向钢筋一直伸到底。《建筑桩基技术规范》(JGJ94-1994)中指出:端承桩宜沿桩身通长配筋，位于坡地岸边的桩桩应通长配筋;《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)中提到:坡地岸边的桩、8度及8度以上地震区的桩、抗拔桩、嵌岩端承桩应通长配筋。设计和施工中应根据具体工程的持力层深度来选择钢筋长度。
　　6施工可行性与方案比较
　　人工挖孔桩基础在挖孔施工时抽水造成水位“漏斗”效应，上层压缩和下沉会引起周边浅基础的建筑物不均匀沉降、倾斜、开裂等，降水引起的工程事故屡见不鲜。设计人员应预先估计降水对环境的影响，合理设计防护措施和处理方案，并进行基础施工技术交底。
　　同一地质可能有多种可选的基础型式，设计人员应与其他桩型进行经济技术指标的比较，论证基础施工的可行性、安全性及经济指标，使基础方案因地制宜，经济合理，行之有效，质量可靠。
　　结束语
　　影响人工挖孔桩基础设计质量的因素很多，设计时应考虑各方面有利和不利的因素，既不能留下安全隐患，也不能过于浪费材料和财力。应用人工挖孔桩基础设计有关规范时不能生搬硬套，应根据本地区的岩土力学性质选择相应的技术参数和计算公式，以提高桩基设计的可靠度和经济技术指标。

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