大直徑鉆孔灌注擴(kuò)底樁設(shè)計(jì)與施工

計(jì)敏敏 吳敏

【摘要】本文介紹了擴(kuò)底樁的設(shè)計(jì)與施工方法及其技術(shù)要點(diǎn)，通過一個設(shè)計(jì)實(shí)例說明擴(kuò)底樁的選型及承載力計(jì)算方法，證明其承載能力高、沉降變形小等方面的優(yōu)越性。鉆孔灌注擴(kuò)底樁集鉆孔灌注樁及夯擴(kuò)樁的優(yōu)點(diǎn)于一身，特別適用于環(huán)境振動受嚴(yán)格限制的基礎(chǔ)工程。

【關(guān)鍵詞】大直徑；擴(kuò)底樁；反循環(huán)鉆孔

一、前言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各種大型建筑物不斷出現(xiàn)，對基礎(chǔ)承載力的要求愈來愈高，對基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)、施工要求也愈來愈高。因此，在大直徑鉆孔灌注樁被廣泛采用的同時，也逐步應(yīng)用擴(kuò)底樁基礎(chǔ)。大直徑擴(kuò)底樁具有承載力高、傳力直接、清底干凈、施工速度快、節(jié)約造價、設(shè)備簡單、施工方便等特點(diǎn)。對于上覆土層厚薄差異較大的地基采用大直徑擴(kuò)底樁更是一種理想的基礎(chǔ)形式。擴(kuò)底樁是在樁身底部即樁端持力層中，采用人工或機(jī)械方式擴(kuò)大，形成樁端擴(kuò)大空間，增大樁端混凝土與持力層的投影接觸面積，從而相應(yīng)提高樁的承載力（見圖1）。

二、擴(kuò)底樁的設(shè)計(jì)

大直徑擴(kuò)底樁的承載力，一般由樁端阻力和樁側(cè)阻力兩部分組成。樁側(cè)阻力的發(fā)揮主要依賴于是否會發(fā)生一定量的樁土變位，相對變位的不同，對樁周摩阻力的發(fā)揮是有影響的。樁端阻力的發(fā)揮主要取決于持力層土的性質(zhì)。擴(kuò)底樁的承載性能良好，有限元分析顯示[1] [4] [5]：擴(kuò)底樁樁身周圍土中應(yīng)力水平大大低于普通樁，前者約為后者的1/20～1/10，而樁端土中的應(yīng)力水平大大高于普通樁，約為2～3倍。表明擴(kuò)底樁主要通過樁端把荷載傳到地基上。

（一） 擴(kuò)底樁的荷載傳遞機(jī)理

擴(kuò)底樁一般屬于摩擦端承樁，一般情況下樁的摩擦力先發(fā)揮作用，隨著荷載的增大，樁側(cè)摩阻力承擔(dān)荷載的比例相對減小，樁端阻力分擔(dān)的比例相對增大。

擴(kuò)底樁的荷載傳遞受擴(kuò)底相對直徑（D/d）、樁底土相對剛度（EB /ES）、樁的相對剛度（EP /ES）和樁的長徑比（l/d）等因素的影響 [2]。

（二）擴(kuò)底樁的設(shè)計(jì)

（1）樁基豎向承載力的確定。樁基豎向承載力的確定取決于兩個方面，即樁本身的材料強(qiáng)度和各土層的物理力學(xué)參數(shù)，在設(shè)計(jì)時必須二者兼顧。由于大直徑擴(kuò)底樁的單樁承載力設(shè)計(jì)值比較大，按照靜載荷試驗(yàn)確定其單樁承載力比較困難。鑒于目前國內(nèi)還沒有出臺統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的關(guān)系，確定大直徑擴(kuò)底樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值[3]。即

式中：Quk—單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

Qsk--單樁總極限側(cè)阻力（kN）； Qpk—單樁總極限端阻力（kN）；

qsik—樁周第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）；

psk—樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）；

Li—第i層土的厚度（m），樁端處減去擴(kuò)底高度h；

u—樁身周長； Ap—樁端擴(kuò)底面積

ψs、ψp—大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；

（粘性土、粉土： ψs =1， ψp = ； 砂土、碎石類土： ψs = ，ψp = D為樁端擴(kuò)底直徑）

（2）確定合理的樁距。灌注樁擴(kuò)底端最小中心距除應(yīng)滿足一般樁距外，尚應(yīng)滿足表1的規(guī)定。

灌注樁擴(kuò)底端最小中心距 表1

成樁方法 最小中心距

鉆、挖孔灌注樁 1.5D或D+1m（當(dāng)D>2m時）

沉管夯擴(kuò)灌注樁 2.0D

（3）關(guān)于群樁效應(yīng)。通常樁距下（即滿足規(guī)范要求），擴(kuò)底樁的群樁效應(yīng)微弱，群樁沉降接近于單樁沉降。

（4）灌注樁樁身混凝土要求及保護(hù)層厚度要求。混凝土強(qiáng)度等級不得低于C15，水下灌注混凝土?xí)r不得低于C20，每立方米混凝土水泥用量不得少于350kg。主筋的混凝土保護(hù)層厚度，不應(yīng)小于35mm，水下灌注混凝土，不得小于50mm。

三、擴(kuò)底樁的施工

泵吸反循環(huán)鉆孔擴(kuò)底樁對地層適應(yīng)能力強(qiáng)； 鉆孔直徑、孔深可選范圍大， 鉆孔直徑

0. 6～2. 5 m， 擴(kuò)底直徑一般為0. 8～4. 0 m，孔深可達(dá)100 m；振動小， 噪聲低， 工期短； 比正循環(huán)鉆孔樁成孔質(zhì)量高， 孔壁泥膜薄， 孔底沉渣少。下面就具體介紹泵吸反循環(huán)鉆孔的基本原理及施工工藝。

（一）反循環(huán)鉆孔灌注樁基本原理：

反循環(huán)鉆孔施工法鉆機(jī)工作時，旋轉(zhuǎn)盤帶動鉆桿端部的鉆頭， 切削破碎巖土， 鉆進(jìn)泥漿從鉆桿與孔壁間的環(huán)狀空間中流入孔底冷卻鉆頭， 并攜帶巖土鉆渣， 在負(fù)壓作用下混合液從鉆桿內(nèi)腔上升到地面通過泥漿溝流進(jìn)沉淀池后返回泥漿池中凈化， 凈化后的泥漿又返回孔內(nèi)形成循環(huán)， 故稱反循環(huán)鉆進(jìn)。

（二）主施工工藝流程

編寫施工設(shè)計(jì)→樁位測量、設(shè)備安裝→埋設(shè)護(hù)筒→鉆機(jī)定位、驗(yàn)收開鉆→直孔鉆進(jìn)成孔→第一次清孔、測量孔深→檢測擴(kuò)底鉆頭→擴(kuò)底鉆進(jìn)成孔→第二次清孔、檢測擴(kuò)底孔形→鉆機(jī)移位、安裝鋼筋籠及灌注設(shè)備就位→吊放鋼筋籠→下入灌漿管→第三次清孔、測量孔深與沉渣→灌注水下混凝土→起拔護(hù)筒→樁頭處理→混凝土養(yǎng)護(hù)

（三）鉆孔擴(kuò)底樁施工的關(guān)鍵工序

（1） 護(hù)筒埋設(shè)是反循環(huán)施工作業(yè)的關(guān)鍵之一，護(hù)筒用6～10mm鋼板，內(nèi)徑比樁徑大100～200mm ，長1.5m ，易塌孔部位應(yīng)加長護(hù)筒，有利于孔壁穩(wěn)定。

（2） 直孔終孔后應(yīng)進(jìn)行第一次清孔，把鉆具提高孔底0.3～0.5m ，一般用泵吸反循環(huán)抽吸30～60 分鐘，把孔底沉渣抽吸干凈。用測繩準(zhǔn)確測量孔深，符合要求根據(jù)最大擴(kuò)底直徑，確定其行程。在主動鉆桿上作擴(kuò)底的起點(diǎn)和終點(diǎn)標(biāo)記，通過行程可控制擴(kuò)底直徑。此后才能下擴(kuò)底鉆頭，以確保擴(kuò)底鉆頭能安放到位。

四、擴(kuò)底樁的工程實(shí)例

（一）工程概況

廣州某綜合樓主樓20層框剪結(jié)構(gòu)。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報告提供建筑場地土層分布如下表。

表2

土層號 巖土名稱 平均層厚（m） 側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值qsk（kpa） 端阻標(biāo)準(zhǔn)值qpk （kpa）

1 雜填土 2

2.1 粘土 4.2 40

2.2 粘土 5.4 50

3 粉質(zhì)粘土 5.8 40

4.1 砂土 6.4 80 1000

4.2 砂土 未打穿 90 4000

（二）擴(kuò)底樁承載力計(jì)算

（1） 擴(kuò)底樁單樁承載力

經(jīng)過多方案比較，設(shè)計(jì)時采用了大直徑擴(kuò)底樁，其單樁承載力要求為9400kN。選4.2層的密實(shí)砂土層確定為持力層，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載樁身直徑擬定為d=1400mm，擴(kuò)底直徑D=2600mm，樁身長度15m，擴(kuò)高h(yuǎn)=1400mm。

單樁承載力計(jì)算如下：（側(cè)阻從3層開始計(jì)算）

Quk=u∑ψs qsik×li+ψp psk×Ap

=4.44×（40×5.8×1+80×6.4×0.675+90×1.4×0.675）+0.675×4000×5.31

=4.44×（40×5.8×1+80×6.4×0.675+90×1.4×0.675）+0.675×4000×5.31

= 17279 KN

R = Quk /γsp =17279/1.67=10347KN>9400KN

（2） 樁身強(qiáng)度計(jì)算：

采用C30砼，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fc=14.3N/mm2，按規(guī)范取基樁施工工藝系數(shù)ψc = 0.8，取γ0 =1.1，則樁身承載力設(shè)計(jì)值為：

ψc×fc×A=0.8×14.3×14002×0.7854=17610KN>γ0 N = 1.1×9400 = 10340KN

所以樁身承載力足夠。

五、結(jié) 語

目前國內(nèi)外對大直徑樁的承載力及變形尚未取得統(tǒng)一的取值方法，認(rèn)識大直徑樁的受力性能，提出合理的承載力與變形計(jì)算模式及相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)是目前急需解決的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周紅.擴(kuò)底墩地基土的位移和應(yīng)力.巖土工程學(xué)報，1985（6）

[2] 李寓、薛文碧. 建筑樁基基礎(chǔ)工程便攜手冊. 機(jī)械工業(yè)出版社，2002