結(jié)合案例分析墩和樁在地基處理中的應(yīng)用

馮 愛 霏

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

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結(jié)合案例分析墩和樁在地基處理中的應(yīng)用

馮 愛 霏

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

介紹了墩和樁的概念，分析了墩和樁的區(qū)別，并結(jié)合建筑樁基技術(shù)規(guī)范，闡述了墩基礎(chǔ)的適用范圍，探討了墩基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)符合的計(jì)算及構(gòu)造規(guī)定，為建筑樁基工程設(shè)計(jì)提供參考。

墩基礎(chǔ)，基坑，承載力，挖孔灌注樁

在一些埋深比較淺的巖石地層和山坡地形的地基處理中，因?yàn)橥诳咨疃鹊南拗疲?jīng)常會(huì)遇到用墩代替挖孔樁的情況。墩在外形上與工作方式上與樁特別是灌注樁很相似，因而墩與樁的定義界限并不是很明確，在國內(nèi)的工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中也沒有關(guān)于墩的技術(shù)規(guī)定。對(duì)一些剛接觸地基處理的設(shè)計(jì)人員處理此類地基時(shí)方法比較模糊，現(xiàn)結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)簡要介紹墩和樁的區(qū)別以方便大家設(shè)計(jì)的時(shí)候作為參考。

墩和樁的外觀比較相似，將墩定義為特殊的大直徑樁較為合適。工程設(shè)計(jì)人員一般按照以下兩種方式來區(qū)分它們，一種是按照結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長度來區(qū)分墩基與擴(kuò)底樁，在《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施結(jié)構(gòu)篇》中有規(guī)定提到：挖孔灌注樁的長度不宜小于6 m且不宜大于40 m，當(dāng)樁的長度少于6 m的時(shí)候應(yīng)按照墩基礎(chǔ)考慮，如果樁的長度雖然大于了6 m，但長度與直徑的比值小于3，仍舊按墩基礎(chǔ)計(jì)算。另一種是按樁和墩的施工方法不同來區(qū)分，樁處理方式一般是將結(jié)構(gòu)構(gòu)件打入或壓入土層中，從而使地基土受到擠壓，分為摩擦樁和端承樁兩種。墩基的處理方式則是根據(jù)土質(zhì)的情況先用機(jī)械或人工在土層中挖好一個(gè)孔坑，然后再將孔坑內(nèi)灌入混凝土。當(dāng)然將其區(qū)分后各自的算法也就不一樣了，墩的承載性能介于樁和天然地基之間，因此不能簡單用樁的公式計(jì)算其承載力，否則是不安全的，和大直徑擴(kuò)底樁不同，擴(kuò)底墩的承載性能更接近于天然地基基礎(chǔ)，可采用天然地基的寬度及深度修正系數(shù)確定其承載力。墩基礎(chǔ)算法仍屬于天然地基的范疇。

前段時(shí)間做的一個(gè)項(xiàng)目山西西山晉興能源有限責(zé)任公司的職工住宅樓就碰到了上述這樣的情況，該工程結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，地下1層，地上12層，室內(nèi)外高差為0.6 m，建筑總高度為36.6 m。建筑場地自上而下的工程地質(zhì)條件如下：第①層土為素填土，該層承載力特征值120 kPa，厚度5 m～8 m,填土以下就進(jìn)入卵石層，基礎(chǔ)底部位于第①層填土層，天然地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行地基處理。在設(shè)計(jì)中經(jīng)比較采用了剪力墻下布置人工挖孔墩的設(shè)計(jì)方法，墩身直徑900 mm，墩長度6.5 m(包含擴(kuò)大頭)，擴(kuò)大頭直徑分為1.5 m和1.8 m兩種，墩身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，墩端持力層為卵石層，該層承載力特征值300 kPa。

其中的關(guān)鍵在于承載力的計(jì)算部分，樁身長度雖然超過了6 m，但是接近規(guī)范中規(guī)定的臨界值，在設(shè)計(jì)中分別進(jìn)行了樁和墩的計(jì)算，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，承載力計(jì)算僅考慮了端部阻力，未考慮側(cè)向阻力，最終按墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算和現(xiàn)場檢測均滿足設(shè)計(jì)要求。

在建筑樁基技術(shù)規(guī)范中關(guān)于樁的介紹很全面，在此就不做另述了，以下對(duì)墩基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

1 墩基礎(chǔ)的適用范圍

墩基礎(chǔ)多用于多層建筑(地基承載力要求相對(duì)較低)，在巖層較淺或工期緊張的情況下很合適。墩基礎(chǔ)埋深一般大于3 m、直徑最好在800 mm以上，低于800 mm時(shí)人工開挖將沒有操作空間；當(dāng)樁的埋置深度與樁身的直徑比值小于6或者樁的埋置深度與樁擴(kuò)大頭直徑比值小于4，應(yīng)該按照墩基礎(chǔ)計(jì)算方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。墩基礎(chǔ)和樁施工工藝相同，有帶擴(kuò)大頭和不帶擴(kuò)大頭兩種成孔方式，若樁體的埋置深度過大的時(shí)候，如果采用墩基礎(chǔ)的計(jì)算方法設(shè)計(jì)則不符合實(shí)際的情況，所以規(guī)定了樁體長度與直徑的比值界限以及墩身有效長度不超過5 m的限制條件，用來與人工挖孔樁進(jìn)行區(qū)別。但是上述限制條件只是不宜，不是不應(yīng)，當(dāng)超過限制條件不多時(shí)，仍需要按照挖孔樁的計(jì)算方式進(jìn)行驗(yàn)證，從承載力方面考慮，采用墩基的計(jì)算方法得出的單樁承載力一般較小(不排除特殊情況)，選擇兩種計(jì)算方法得出的較小值作為單樁承載力作為依據(jù)，雙控包絡(luò)設(shè)計(jì)。這樣選擇雖然保守但是更加有安全保證。

2 墩基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)符合的計(jì)算規(guī)定

1)墩基礎(chǔ)計(jì)算其墩底面積的時(shí)候，傳至墩體上的作用效應(yīng)按照正常使用極限狀態(tài)下作用的標(biāo)準(zhǔn)組合；計(jì)算單墩承載力特征值的時(shí)候不應(yīng)考慮其墩體的側(cè)向摩擦阻力僅考慮其端部阻力。墩基礎(chǔ)的端頭阻力特征值應(yīng)按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中經(jīng)深度修正后的持力層承載力特征值(公式5.2.4)或按深層平板載荷等試驗(yàn)確定的數(shù)值采用，當(dāng)偏心合力(均布?jí)毫俣?作用下時(shí)其承載力特征值也可以按照抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(公式5.2.5)進(jìn)行確定，并應(yīng)滿足地基變形的要求。其中深層平板載荷試驗(yàn)等方法可以確定深部地基土層以及墩端頭土層在承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的承載力和變形參數(shù)。載荷需求不大的墩基礎(chǔ)也可以直接按照單墩豎向靜載荷試驗(yàn)的方法確定其承載力特征值。各類載荷試驗(yàn)等的要點(diǎn)可參見《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄中的相關(guān)內(nèi)容。

2)墩基礎(chǔ)的埋深如果超過了5 m并且墩身周圍土的情況較好、強(qiáng)度較高的時(shí)候，可以采用公式計(jì)算來確定墩的承載力特征值，其中建議不考慮其側(cè)向阻力，主要是墩長度較短這部分摩擦阻力不可靠：軟弱粘性土有震陷問題，一般粘性土也可能因墩身摩擦力產(chǎn)生的墩間土的附加應(yīng)力下的壓縮使墩周土與承臺(tái)脫空；欠固結(jié)土有固結(jié)下沉問題；非液化的沙礫有震密問題等等。實(shí)際中地震情況下墩臺(tái)與土脫空的報(bào)道時(shí)有發(fā)生。但除巖石持力層外，其墩底持力層承載力特征值可乘以1.1的調(diào)整增大系數(shù)(載荷試驗(yàn)確定的持力層承載力特征值除外)。

3)墩和樁的一樣也需要進(jìn)行墩身強(qiáng)度和裂縫的控制驗(yàn)算，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮成孔工藝(護(hù)壁)、混凝土強(qiáng)度、環(huán)境類別等因素。

4)注意特殊條件下墩基礎(chǔ)豎向承載力的驗(yàn)算，如軟弱下臥層的驗(yàn)算。

5)同一個(gè)單體建筑物的墩基礎(chǔ)，如采用了壓縮性差異較大的持力層，常引起較大不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物傾斜或建筑物的構(gòu)件開裂。底部承載力需求不同時(shí)可以采用不同的擴(kuò)底直徑或墩距進(jìn)行調(diào)整。墩基礎(chǔ)的沉降變形可用沉降量、沉降差指標(biāo)控制，對(duì)于多層或小高層建筑可由建筑物墩基沿傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值控制，當(dāng)建筑物為框架、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，還需要控制柱(墻)之間的沉降差異。

6)當(dāng)墩基礎(chǔ)在位于坡地等滑動(dòng)面上時(shí)，也要進(jìn)行墩基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

7)應(yīng)該高度重視深基坑開挖中，坑底回彈隆起對(duì)墩身受力影響。當(dāng)持力層不是巖土層，基坑開挖又較深的時(shí)候，基坑底部土的回彈可能引起墩身的開裂，直接影響到墩的耐久性和受力狀況，此時(shí)可以考慮加大墩身的配筋。

3 墩基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)符合的構(gòu)造規(guī)定

1)墩采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求C20及以上等級(jí)。

2)墩采用構(gòu)造配筋的時(shí)候，注意其最小配筋率和最小根數(shù)、直徑與大直徑樁相同，特殊環(huán)境如腐蝕類環(huán)境時(shí)應(yīng)當(dāng)加大其縱筋直徑，墩體內(nèi)縱向鋼筋通長配置。

3)墩與上部柱之間可以用承臺(tái)連接，也可以將墩與柱直接連接。當(dāng)采用墩與柱直接連接的方式時(shí)，應(yīng)滿足固接的要求。柱邊至墩周邊的最小間距應(yīng)大于150 mm，且隨著柱截面的加大該距離也要求相應(yīng)的增加，可參考地基基礎(chǔ)規(guī)范中杯口基礎(chǔ)的杯壁厚度要求。因墩身混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般較上部柱低，此時(shí)需驗(yàn)算墩的局部抗壓強(qiáng)度。為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，可在墩基礎(chǔ)的兩個(gè)方向設(shè)置連系梁，選兩端柱底壓力較大值的1/10計(jì)算其連系梁的截面和配筋。墩基礎(chǔ)一般常用于層數(shù)不高的建筑物，所受水平力較低，此時(shí)如果墻下部設(shè)置基礎(chǔ)梁，墩可用插筋直接與基礎(chǔ)梁連接。當(dāng)墩頂設(shè)置墩帽時(shí)，其構(gòu)造與框架結(jié)構(gòu)頂層梁柱連接方式相同。墩帽可與基礎(chǔ)梁一同澆筑。

4)墩基成孔為人工挖孔時(shí)，應(yīng)考慮安全因素可采用鋼筋混凝土護(hù)壁。墩體擴(kuò)底直徑不宜大于墩身直徑的2.5倍。

5)墩身底標(biāo)高相同的情況下，墩的間距可以不受控制，按上部結(jié)構(gòu)方便布置即可。

6)墩身底部進(jìn)入非巖石持力層的深度要求不小于300 mm。當(dāng)墩底在巖石層上時(shí)，無埋置深度要求，但應(yīng)當(dāng)保證其基穩(wěn)定性。墩底巖石層標(biāo)高變化時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行整平處理或者鑿成臺(tái)階狀。

總之，從設(shè)計(jì)角度來區(qū)別，樁基礎(chǔ)按其受力原理分為端承樁、摩擦樁、端承摩擦樁，分別進(jìn)行極限承載力的計(jì)算；墩基礎(chǔ)就一種，不考慮側(cè)向摩擦阻力僅考慮端部阻力。從施工角度來說與挖孔樁基本是相同的。當(dāng)無法直接確定墩或樁的承載力時(shí)，建議按墩和樁分別計(jì)算包絡(luò)設(shè)計(jì)，并取小值的設(shè)計(jì)原則。

[1] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GBJ 79—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 地基及基礎(chǔ)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[5] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所.全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施結(jié)構(gòu)[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

[6] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[7] 龔曉南.土力學(xué)及基礎(chǔ)工程實(shí)用名詞詞典[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2016.

[8] 方曉陽.基礎(chǔ)工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

Analysis on the application of pier and pile in foundation treatment by combining with cases

Feng Aifei

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

The paper introduces the identification of pier and pile, analyzes their difference, describes the application scope of pier foundation by integrating with building pile foundation technology norms, and explores pier foundation calculation and structural regulations, which has provided some guidance for building pile foundation engineering design.

pile foundation, foundation pit, bearing capacity, bored pile

1009-6825(2017)14-0062-02

2017-03-04

馮愛霏(1984- )，女，工程師

TU472

A