人工挖孔灌注樁和墩基礎(chǔ)設(shè)計比較

汪 志

(中國建筑設(shè)計研究院上海分院,上海 200000)

人工挖孔灌注樁和墩基礎(chǔ)設(shè)計比較

汪 志

(中國建筑設(shè)計研究院上海分院,上海 200000)

對人工挖孔灌注樁和墩基礎(chǔ)的設(shè)計進(jìn)行了比較,從概念、設(shè)計計算等方面進(jìn)行了對比分析。對人工挖孔灌注樁和墩基礎(chǔ)的區(qū)別和聯(lián)系進(jìn)行了一些探討。最后用工程設(shè)計實例進(jìn)行說明。

人工挖孔灌注樁; 墩基礎(chǔ); 設(shè)計

人工挖孔灌注樁和墩基礎(chǔ)是設(shè)計人員在設(shè)計中常常用到的基礎(chǔ)形式。這兩種基礎(chǔ)形式在概念、設(shè)計、受力機(jī)理等方面到底有些什么區(qū)別和聯(lián)系卻沒有進(jìn)行過對比和分析。本文從以上幾方面進(jìn)行一些初步的探討和對比。然后通過一個工程設(shè)計實例舉例進(jìn)行說明。

1 人工挖孔灌注樁和墩基礎(chǔ)的定義和受力機(jī)理

所謂墩基礎(chǔ)是指,長度大于 3m,直徑不小于800mm,且長度與墩身直徑比小于 6或長度與擴(kuò)底直徑的比值小于 4的獨(dú)立剛性基礎(chǔ)。墩身有效長度不宜超過 5m。

人工挖孔灌注樁顧名思義是一種以人工挖孔為施工方式的大直徑灌注樁。其樁身直徑d≥800mm,樁長不宜大于40m,也不宜小于 6m。樁長度小于6m的按照墩基礎(chǔ)考慮,樁長度雖然大于6m,但樁長度 L與擴(kuò)底直徑 D之比小于 3的,仍然按照墩基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計。

由此可見樁和墩基礎(chǔ)從構(gòu)造上是以長度是否大于 6m,長度L與擴(kuò)底直徑D之比是否大于3m區(qū)分的。

從地基變形破壞機(jī)理上看,兩種基礎(chǔ)是有區(qū)別的。從概念上說,中小直徑樁,特別是摩擦樁地基的受力主要是由于土的剪切滑動;大直徑(包括擴(kuò)底)樁的Q～S曲線是緩慢變形的,其變形主要是土的體積壓縮。所以在墩基礎(chǔ)設(shè)計中,地基承載力采用小直徑樁的端阻力值往往偏大,采用天然地基承載力特征值進(jìn)行深度往往偏小。所以在墩基礎(chǔ)的設(shè)計中一般采用修正后的地基承載力特征值或按抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基承載力,這種承載力的差別直接與樁徑(或擴(kuò)底直徑)相關(guān)。樁的擴(kuò)底直徑越大越接近天然基礎(chǔ)的承載力和破壞機(jī)制。這一點(diǎn)可以從大直徑樁承載力計算中看出。

2 人工挖孔灌注樁和墩基礎(chǔ)的設(shè)計計算方法對比

對大直徑(d≥800)干作業(yè)樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算:

對一般樁基按下式計算:

兩者的區(qū)別在于大直徑樁的端阻、側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)φP,φsi,見表 1。

以卵石地基為例,表 2對比了在不同的擴(kuò)底直徑和樁身直徑下,大直徑灌注樁的樁側(cè)阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)ψp和樁端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù) ψsi的變化。可見隨著樁徑(樁端擴(kuò)底直徑)的加大,尺寸效應(yīng)系數(shù)越小,即承載力折減越多。

根據(jù)樁的類型不同,是否對土有擠密作用,是否對土有擾動,其基礎(chǔ)的承載力也是不同的。以成都地區(qū)中密卵石地基為例。混凝土預(yù)制樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)到 8 000～9 000 kPa,而沉管灌注樁只能達(dá)到6 400～8 000 kPa,鉆(沖)孔灌注樁只能達(dá)到 2 000～2 500 kPa。人工挖孔灌注樁一般能達(dá)到3 500～5 000 kPa。

對于大直徑擴(kuò)底人工挖孔灌注樁,如果樁長不是很長,其承載力一般由樁端阻力提供,樁側(cè)阻力所提供的承載力很小,幾乎可以忽略。這是因為,擴(kuò)底段及其上 2 m范圍內(nèi)不可計入樁側(cè)阻力。這樣能夠計入側(cè)阻力的樁長實際上就很少了。以成都該項目為例,實際樁側(cè)阻力占總的樁承載力的百分比不足 2%,完全可以忽略。這樣樁的極限承載力計算可以簡化為下式:

樁基中承載力計算公式為:

R為單樁豎向承載力設(shè)計值:

其中 γsp為承載力抗力分項系數(shù)。該系數(shù)取值在 1.60～1.75之間。

一般,墩基礎(chǔ)的設(shè)計采用天然地基的設(shè)計計算方法。天然地基在軸心力作用下的承載力計算公式是:

基礎(chǔ)底面的平均壓力值按下式計算:

如果假設(shè)樁底擴(kuò)大頭面積和天然地基基礎(chǔ)底面積相等,這樣天然基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)的承載力的比較可以簡化為地基承載力的比較。

值得注意的是,天然地基承載力計算公式中,上部荷載使用的是標(biāo)準(zhǔn)值,地基承載力使用的是特征值。而樁基承載力計算公式中,上部荷載使用的是設(shè)計值,地基承載力使用的也是設(shè)計值。如果近似的認(rèn)為上部荷載標(biāo)準(zhǔn)值與上部荷載設(shè)計值之間的比值關(guān)系 k1大概為 1.25～1.30之間,不考

從表 3可以看出,對于大直徑樁與墩兩者的承載力差別不大;而對于小直徑的樁與墩兩者的承載力差別就比較大了,而且直徑越小差別越大。表面上看,樁端承載力比天然地基的承載力大很多,但是由于大直徑樁承載力的折減,兩者的差別減小。這種差別也隨直徑的加大而越來越小。也就是說,隨著樁直徑的加大,其受力性能越來越與天然基礎(chǔ)相接近,這從理論上也是合理的。而隨著直徑的減小,基礎(chǔ)的受力則越來越接近于樁,與天然基礎(chǔ)的受力機(jī)理差別就顯現(xiàn)出來了。事實上,墩基礎(chǔ)和天然地基也有一定的差別,墩基礎(chǔ)是介于樁基礎(chǔ)和天然基礎(chǔ)之間的一種基礎(chǔ)形式。所以,國內(nèi)一些地方規(guī)定,在設(shè)計墩基礎(chǔ)時,雖然采用天然地基的慮結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù),這樣天然地基承載力與樁基承載力的比較可以簡化為下列兩系數(shù)之間的比較,即:

比較 a,b二者的差別即可看出天然地基和大直徑樁基的差別,也就是未經(jīng)提高的墩基礎(chǔ)承載力與大直徑樁基礎(chǔ)承載力的比較。在眾多參考資料和設(shè)計實例中,設(shè)計墩基礎(chǔ)時使用了 1.1～1.2的提高系數(shù),即考慮墩基礎(chǔ)為界于樁與天然基礎(chǔ)之間的一種基礎(chǔ)形式,考慮其承載力的適當(dāng)提高。

3 工程實例對比

現(xiàn)在以成都高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)人民法院審判法庭綜合樓及成都高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)檢察院綜合樓基礎(chǔ)設(shè)計為例,可以比較兩種基礎(chǔ)計算上的差別和聯(lián)系。以下是兩種基礎(chǔ)在不同的擴(kuò)底直徑下的承載力對比。根據(jù)地質(zhì)報告,成都地區(qū)地質(zhì)條件基本情況,以中密卵石層為樁端持力層,中密卵石層的極限端阻值為 3 800 kPa,天然地基承載力特征值fak為 550 kPa,不考慮地基的寬度修正,僅考慮地基的深度修正。該項目有地下室,埋深約為 12.8m,設(shè)地下水位約為室外地面以下 2 m,這樣修正后的地基承載力特征值 fa約為1 118 kPa。即a值為1 118 kPa。b值可按式(9)計算,其中Χp可按表 2取,γsp取 1.65,k1取 1.25。計算結(jié)果見表 3。承載力進(jìn)行設(shè)計,但是可以適當(dāng)乘以 1.1～1.2左右的提高系數(shù)。在工程實踐中,應(yīng)當(dāng)注意它們的差別和聯(lián)系,安全經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行設(shè)計。

以上是筆者對人工挖孔灌注樁和墩基礎(chǔ)設(shè)計的一些體會。欠妥之處還望指正。

[1] GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

[2] DB 51/T5026-2001成都地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

TU473.1+1

A

2010-01-27

汪志(1973～),男,工學(xué)學(xué)士,國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師,四川省土木建筑學(xué)會會員。