大直徑鉆孔灌注擴底樁設計與施工

計敏敏 吳敏

【摘要】本文介紹了擴底樁的設計與施工方法及其技術要點，通過一個設計實例說明擴底樁的選型及承載力計算方法，證明其承載能力高、沉降變形小等方面的優越性。鉆孔灌注擴底樁集鉆孔灌注樁及夯擴樁的優點于一身，特別適用于環境振動受嚴格限制的基礎工程。

【關鍵詞】大直徑；擴底樁；反循環鉆孔

一、前言

隨著經濟建設的發展，各種大型建筑物不斷出現，對基礎承載力的要求愈來愈高，對基礎工程的設計、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，也逐步應用擴底樁基礎。大直徑擴底樁具有承載力高、傳力直接、清底干凈、施工速度快、節約造價、設備簡單、施工方便等特點。對于上覆土層厚薄差異較大的地基采用大直徑擴底樁更是一種理想的基礎形式。擴底樁是在樁身底部即樁端持力層中，采用人工或機械方式擴大，形成樁端擴大空間，增大樁端混凝土與持力層的投影接觸面積，從而相應提高樁的承載力（見圖1）。

二、擴底樁的設計

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

（一） 擴底樁的荷載傳遞機理

擴底樁一般屬于摩擦端承樁，一般情況下樁的摩擦力先發揮作用，隨著荷載的增大，樁側摩阻力承擔荷載的比例相對減小，樁端阻力分擔的比例相對增大。

擴底樁的荷載傳遞受擴底相對直徑（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）擴底樁的設計

（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，即樁本身的材料強度和各土層的物理力學參數，在設計時必須二者兼顧。由于大直徑擴底樁的單樁承載力設計值比較大，按照靜載荷試驗確定其單樁承載力比較困難。鑒于目前國內還沒有出臺統一的設計規范，在實際設計中，一般根據土的物理指標與承載力參數之間的關系，確定大直徑擴底樁單樁豎向極限承載力標準值[3]。即

式中：Quk—單樁承載力標準值（kN）；

Qsk--單樁總極限側阻力（kN）； Qpk—單樁總極限端阻力（kN）；

qsik—樁周第i層土的極限側阻力標準值（kpa）；

psk—樁端極限端阻力標準值（kpa）；

Li—第i層土的厚度（m），樁端處減去擴底高度h；

u—樁身周長； Ap—樁端擴底面積

ψs、ψp—大直徑樁側阻、端阻尺寸效應系數；

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

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

灌注樁擴底端最小中心距 表1

成樁方法 最小中心距

鉆、挖孔灌注樁 1.5D或D+1m（當D>2m時）

沉管夯擴灌注樁 2.0D

（3）關于群樁效應。通常樁距下（即滿足規范要求），擴底樁的群樁效應微弱，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層厚度要求。混凝土強度等級不得低于C15，水下灌注混凝土時不得低于C20，每立方米混凝土水泥用量不得少于350kg。主筋的混凝土保護層厚度，不應小于35mm，水下灌注混凝土，不得小于50mm。

三、擴底樁的施工

泵吸反循環鉆孔擴底樁對地層適應能力強； 鉆孔直徑、孔深可選范圍大， 鉆孔直徑

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

（一）反循環鉆孔灌注樁基本原理：

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

（二）主施工工藝流程

編寫施工設計→樁位測量、設備安裝→埋設護筒→鉆機定位、驗收開鉆→直孔鉆進成孔→第一次清孔、測量孔深→檢測擴底鉆頭→擴底鉆進成孔→第二次清孔、檢測擴底孔形→鉆機移位、安裝鋼筋籠及灌注設備就位→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→起拔護筒→樁頭處理→混凝土養護

（三）鉆孔擴底樁施工的關鍵工序

（1） 護筒埋設是反循環施工作業的關鍵之一，護筒用6～10mm鋼板，內徑比樁徑大100～200mm ，長1.5m ，易塌孔部位應加長護筒，有利于孔壁穩定。

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

四、擴底樁的工程實例

（一）工程概況

廣州某綜合樓主樓20層框剪結構。根據工程地質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） 側阻標準值qsk（kpa） 端阻標準值qpk （kpa）

1 雜填土 2

2.1 粘土 4.2 40

2.2 粘土 5.4 50

3 粉質粘土 5.8 40

4.1 砂土 6.4 80 1000

4.2 砂土 未打穿 90 4000

（二）擴底樁承載力計算

（1） 擴底樁單樁承載力

經過多方案比較，設計時采用了大直徑擴底樁，其單樁承載力要求為9400kN。選4.2層的密實砂土層確定為持力層，根據上部結構的設計荷載樁身直徑擬定為d=1400mm，擴底直徑D=2600mm，樁身長度15m，擴高h=1400mm。

單樁承載力計算如下：（側阻從3層開始計算）

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） 樁身強度計算：

采用C30砼，軸心抗壓強度設計值為fc=14.3N/mm2，按規范取基樁施工工藝系數ψc = 0.8，取γ0 =1.1，則樁身承載力設計值為：

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 語

目前國內外對大直徑樁的承載力及變形尚未取得統一的取值方法，認識大直徑樁的受力性能，提出合理的承載力與變形計算模式及相應的計算參數是目前急需解決的問題。

參考文獻：

[1] 周紅.擴底墩地基土的位移和應力.巖土工程學報，1985（6）

[2] 李寓、薛文碧. 建筑樁基基礎工程便攜手冊. 機械工業出版社，2002