樁端存在“孤石”的樁基的優(yōu)化設計

鄭利松

（廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州510060）

0 引言

樁基礎具有節(jié)省勞動力、提高機械化施工程度、縮短工期、減少土方量、降低工程成本、改善施工條件和提高建（構）筑物的抗震能力等優(yōu)點。按施工方法的不同，樁的類型可分為預制樁和灌注樁兩大類。而灌注樁有不下幾十個品種，大體可歸納為沉管灌注樁和鉆（沖、磨、挖）孔灌注樁兩大類。灌注樁的橫截面呈圓形，可以做成大直徑樁和擴底樁。大直徑灌注樁其承載力大，多用于高層建筑和橋梁工程；擴底樁是擴大樁底面積，能充分利用地基的承載力，提高灌注樁的單樁承載力，縮短樁長，降低建筑材料的消耗，可以獲得更顯著的經(jīng)濟效益。

在花崗巖分布區(qū)，在其殘積層及全、強風化帶中往往發(fā)育有球狀風化體（俗稱“孤石”）。球狀風化體分布不均勻，有的呈零星分布，有的呈群體狀、串珠狀分布。其大小不等，從幾十厘米到十幾米，甚至更大。球狀風化體一般呈中微風化狀態(tài)，裂隙不發(fā)育，完整性好，致密堅硬，在鉆（沖）孔灌注樁的成孔施工中要將其穿越難度極大。沖孔樁每小時一般只能沖進10 cm左右，有時只有采取爆破才能處理。增大了工程成本，延誤了工期。在某立交工程，把樁端的“孤石”視為樁的擴大頭，對樁端具有足夠大直徑“孤石”的基樁按擴底樁的原理作了優(yōu)化設計。降低了樁基工程的施工難度和成本，縮短工期，提高了經(jīng)濟效益。

1 設計的基本原理及條件

樁端具有足夠大直徑“孤石”的基樁按擴底樁設計是基于大直徑擴底樁的基本原理，將“孤石”視為樁端擴大頭，“孤石”的垂直投影面積視為樁端擴大的截面面積，“孤石”與樁身視為同一樁體。故樁端的球狀風化體（孤石）必須具備如下的基本條件：

（1）樁端的“孤石”必須具有足夠大直徑。以滿足樁基設計單樁承載力所需的樁端截面面積；并滿足樁基抗沖切破壞的厚度，一般不可小于3D（D為樁徑）。

（2）樁端的“孤石”必須裂隙不發(fā)育，完整性好。

（3）樁端的“孤石”其強度必須不低于樁身混凝土強度等級（規(guī)范規(guī)定不應低于C25）。

（4）樁身全斷面必須嵌入“孤石”大于0.50 m，以確保樁身與“孤石”的整體性。

2 設計和施工步驟

（1）首先根據(jù)設計單樁承載力和巖土設計參數(shù)反算設計擴底樁樁端截面面積。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG D63-2007），鉆（挖）孔灌注摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值的計算公式：

由（1）式得：

式中：[Ra]——單樁軸向受壓承載力容許值，kN；

u——樁身周長，m；

Ap——樁端截面面積，m2，對于擴底樁，取擴底樁截面面積；

n——土的層數(shù)；

li——承臺底面或局部沖刷線以下各土層厚度，m，擴孔部分不計；

qik——與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值，kPa；

qr——樁端處土的承載力容許值，kPa；

h%——樁端的埋置深度，m；h＞40 m時，按40 m計算；

k2——深度修正系數(shù)，按規(guī)范表3.3.4選用；

r2——樁端以上各土層的加權平均重度，kN/m3；

λ——修正系數(shù)，按規(guī)范表5.3.3-2選用；

m0——清底系數(shù)，取m0=1.0。

將有關巖土設計參數(shù)代入（3）式，即可求得設計擴底樁樁端截面面積。求得了設計擴底樁樁端截面面積，即可知設計所需樁端“孤石”的大小直徑。

（2）根據(jù)求得的設計擴底樁樁端截面面積，以樁孔為中心，在擴底樁樁端截面面積周邊布置適量鉆孔，查明“孤石”的大小、產(chǎn)狀、裂隙發(fā)育程度、完整性及其強度是否符合設計基本條件的要求。

（3）確定樁身嵌入“孤石”的深度。

（4）樁孔施工至設計標高后，應及時清孔撈渣（孔底不允許有沉渣），然后澆灌混凝土成樁。

3 工程實例

某立交橋工程位于廣州市東北部。場區(qū)的基巖為花崗巖，風化層厚度巨大，在殘積層和風化帶中球狀風化體發(fā)育，尤其以強風化帶最為發(fā)育。“孤石”的直徑為0.50～11.15 m不等，巖質致密堅硬，給樁基工程的成孔施工帶來了極大的困難。其中E30號樁經(jīng)鉆探揭示，于孔深32.25～39.30 m為“孤石”，揭露直徑7.05 m；巖石呈微風化，致密堅硬，天然極限抗壓強度Ra=44.90～105.80 MPa。E30號樁地層情況見表1所列。

表1 E30號樁地層情況表

E30號樁設計樁徑φ=1.50 m，設計單樁承載力9 000 kN。根據(jù)表1 E30號樁的地層情況，如果樁身不穿越“孤石”，按一般摩擦直孔樁計算，其單樁承載力未能滿足設計的要求，故應進行優(yōu)化設計。

（1）確定設計擴底樁樁端截面面積。設承臺厚度為3.00 m，取深度修正系數(shù)k2=3.0，修正系數(shù)λ=0.68，清底系數(shù)m0=1.0，和表1有關巖土設計參數(shù)代入（2）式和（3）式得樁端處土的承載力容許值qr=1 747.00 kPa，擴底樁樁端截面面積Ap=3.02 m，詳見表2所列。即樁端“孤石”的垂直投影直徑必須達到：d≥1.96 m。

表2 擴底樁樁端截面面積計算表

（2）查明“孤石”的大小及完整性。以樁孔為中心，在樁的周邊距樁中1.00 m處布置了4個勘探點。經(jīng)揭示，“孤石”的揭露厚度3.60～7.20 m，裂隙不發(fā)育，完整性好，滿足設計基本條件的要求。

（3）確定樁身嵌入“孤石”的深度。E30號樁設計樁身全斷面嵌入“孤石”1.00 m。

（4）樁孔施工至孔深33.25 m后，及時清孔撈渣，然后澆灌混凝土成樁。

經(jīng)檢測E30號樁的沉降變形滿足設計的要求。該立交橋工程已建成通車2 a,運營情況良好，未發(fā)現(xiàn)任何異常。

4 結語

樁端存在“孤石”的樁基的優(yōu)化設計，是基于大直徑擴底樁的基本原理，將“孤石”與樁身視為同一樁體，“孤石”視為樁端擴大頭，以提高樁基的單樁承載力，使樁身不必要穿越“孤石”的一種設計方法。該優(yōu)化設計降低了樁基工程的施工難度和成本，縮短工期，提高了經(jīng)濟效益。

[1]地基及基礎（新一版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.

[2]巖土工程治理手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1993.

[3]工程地質手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[4]JGJ 94-2008，建筑樁基技術規(guī)范[S].

[5]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].