人工挖孔樁在濕陷性黃土地區的應用

譚朝明，呂貝貝

（山西大同大學 建筑與測繪工程學院，山西 大同 037003）

0 引言

基于大直徑人工挖孔樁施工簡單、造價低、振動小、對周圍環境影響小等優點，在濕陷性黃土地區且新建建筑物周圍有鄰近舊建筑物的復雜地質環境條件下，采用大直徑人工挖孔樁基礎不僅能降低附加應力對周圍建筑物基礎的影響，同時也能消除處理濕陷性黃土對新建建筑物的影響。本文以某實際工程為例，從設計、施工兩個方面詳細介紹了人孔挖孔樁設計和施工的要點，為挖孔樁基礎在特殊地質條件、特殊周圍環境條件下的應用提供理論依據。

1 工程概況

以建筑面積為 2 713.32 m2的某新建教學樓工程為例，建設地點為山西省懷仁市，其建筑平面柱網布置及周圍環境如圖1 所示。該教學樓為 4 層（局部 5 層）框架結構，無地下室，總高 15.6 m，室內外高差 0.3 m。在其西側和南側各有一幢已建成的 3 層磚混結構教學樓，采用墻下鋼筋混凝土條形基礎。根據該新建教學樓場地土勘察報告可得建設場地的詳細土層狀況，如表1 所示。該場地為 II 類場地，揭露土層主要由濕陷性黃土層和粉質黏土層組成，揭露土層范圍內未見地下水。

根據巖土工程勘察報告提供的土層類型、深度，以及上部結構模型計算得到的框架柱內力，再結合鄰近建筑物地基基礎情況可知，該場地地基土承載力一般。采用獨立基礎難以滿足承載力要求，且獨立基礎的整體性不好，調節不均勻沉降的能力較差；而柱下條形基礎的整體性雖較好，對調節偶然不均勻沉降有較好的效果，但若采用柱下條形基礎會增加鄰近建筑物地基基礎持力土層的附加應力，繼而影響其整體安全性。綜合考慮以上情況，該教學樓采用柱下十字條形基礎+局部人工挖孔樁基礎，即靠近鄰近建筑的一榀框架柱采用一柱一樁的人工挖孔樁基礎，而其他框架柱均采用柱下條形基礎，并對條形基礎下的濕陷性黃土采用三七灰土進行換填處理。

表1 場地土層狀況

圖1 柱網布置及周圍環境示意圖

2 局部大直徑人工挖孔樁的設計

2.1 人工挖孔樁的設計要求

在進行挖孔樁基礎的設計前，應做好該場地土的地質勘察報告，根據報告提供的各土層狀態描述、土層剖面圖來確定各土層計算厚度及樁基礎的持力層。針對濕陷性黃土層，樁基應盡可能穿透，且在計算樁長時需考慮樁側負摩阻力的不利影響。此外，在進行人工挖孔樁護壁的設計計算時應充分考慮周圍建筑物、地下水、不同土層對護壁承載力的影響，確保護壁的安全可靠性，保障施工操作人員的安全。

2.2 大直徑人工挖孔樁基礎計算

根據該場地地質勘察報告，可知第一層為素填土，計算厚度 1.5 m；第二層為濕陷性黃土，計算厚度 7.5 m；第三層為未揭露的粉質黏土層，并取該層為樁基的持力層。根據相關規范［1-2］，樁基的構造應滿足：擴底樁在持力層內埋深 hp≥1.5 m。經現場勘察、總圖設計，確定現有地面標高為室外地坪標高，并取樁頂標高為室外地坪以下 1 m，取樁長為 9.5 m，具體樁土關系如圖2 所示。經上部結構分析計算，求得樁頂最大豎向力標準組合 Nk=1 423 kN，樁頂最大水平力標準組合 Hk=55 kN。應注意在計算樁豎向承載力時，不考慮樁端擴大部分的樁側正摩阻力。

圖2 樁土關系示意圖（單位：mm）

2.2.1 挖孔樁豎向承載力計算

根據工程經驗，取樁徑 d=1.0 m，擴底直徑D=1.6 m 進行試算。根據規范［1］，樁基豎向承載力 Ra計算公式如式（1）～（2）所示。

式中：Ra為單樁豎向承載特征值，kN；Quk為單樁豎向極限承載力標準值，kN；K 為安全系數，取 2；ψsi、ψp分別為樁側阻力、端阻力尺寸效應系數，對于黏性土、粉土：ψsi=（0.8/d）1/5，ψp=（0.8/D）1/4；u 為樁身周長，m；Ap為樁端面，m2；qsik為樁側第 i 層土極限側阻力標準值，kPa；qpk為樁端極限端阻力標準，kPa；li樁周第 i 層土的厚度，m。

經計算得 Quk=2 298 k N，Ra=1 149 k N＜Nk=1 423 kN，不滿足樁基豎向承載力要求。再次選取擴底直徑 D=1.8 m 進行重新試算，得Quk=2 889 kN，Ra=1 444 kN＞Nk=1 423 kN，滿足豎向承載力要求。故選定擴底直徑為 1.8 m。

2.2.2 樁頂水平承載力驗算

根據工程經驗，大直徑挖孔樁的配筋一般情況下滿足配筋構造要求即可。設計時取樁身最小配筋率進行水平承載力驗算。據相關規范［1］，按照式（3）進行水平承載力特征值 Rha的計算。

其中各字母含義如表2 所示。

表2 公式（3）字母含義

經計算，得該樁頂水平承載力特征值 Rha=242.37 kN＞Hk=55 kN，滿足水平承載力要求，同時也表明本案例中樁身縱筋配筋滿足構造要求（最小配筋率）即可。

2.3 大直徑人工挖孔樁護壁厚度確定

在進行挖孔樁護壁設計時，考慮到地下水位較深，故選擇現澆鋼筋混凝土護壁，并分段設置。目前關于挖孔樁護壁的設計尚無明確規范和計算公式，國內外學者給出了關于護壁計算的理論公式［3-4］。因此，本工程根據理論計算和經驗公式綜合分析來確定鋼筋混凝土護壁厚度。

護壁厚度 t 的第一種算法［3］如式（4）～（5）所示。式中：Lk為井圈圓環的換算長度，mm；r 為井圈半徑，本工程為 650 mm。得 t≥49.3 mm。

護壁厚度 t 的第二種算法［4］如式（6）所示。式中：d 為樁直徑，本工程為 1 000 mm。得 t≥150 mm。

規范要求鋼筋混凝土護壁厚度 t≥100 mm。綜上，最終取護壁厚度 t=100～150 mm，如圖3 所示。

圖3 護壁大樣圖（單位：mm）

2.4 大直徑人工挖孔樁構造要求

通過理論計算確定了人工挖孔樁的直徑、擴底尺寸、護壁厚度等參數。但由于地下工程的復雜性和多變性，理論計算難以做到萬無一失，因此，在合理計算的基礎上，樁基礎設計還要滿足構造要求［5］：①混凝土強度：樁身混凝土強度等級應大于C20，本工程取C30；②縱向鋼筋配置：樁身縱筋配筋率應滿足最小配筋率要求，即ρ≥ρmin=0.4 %，且縱筋數量 n≥8 根，本工程取 16 根直徑 16 mm 的縱筋，此時 ρ=0.4 %，滿足最小配筋率要求；③箍筋配置：樁身箍筋可采用環形焊接箍或螺旋封閉箍，本工程取直徑為 8 mm 的環形箍，間距 sv需滿足 200 mm≤sv≤300mm，本工程取 200 mm，且在距樁頂 1.5 m 范圍內箍筋直徑應加大一級，取 10 mm，間距應縮小一半，取 100 mm；在樁長范圍內每隔 2 m 左右需設置一道直徑 12～18 mm 的焊接加勁箍筋，本工程共設置兩道直徑 16 mm 的焊接加勁箍筋；④護壁環向鋼筋：直徑 d≥8 mm，本工程取 8 mm。

3 大直徑人工挖孔樁施工注意事項

在進行人工挖孔樁施工前應做好準備工作，根據巖土工程勘察報告對場地土層分布、地下水位標高、樁端持力層等有初步了解，并根據地下水位確定是否需要做排水系統。本工程由于地下水位低，所以不需要考慮降水。此外，施工前要結合建筑施工圖紙做好樁的定位。施工過程中，為了保證人員安全和成樁效果，要做好護壁模板的定位和上下節護壁間的搭接，并確保護壁混凝土振搗密實。施工時，樁孔內應設置軟梯供施工人員上下，做好安全措施，并且每天都應檢測井下是否存在有毒氣體，加強施工安全防范。在施工方案階段，對地下可能存在的流沙、涌土等特殊情況做好應急預案和處理措施。在挖至設計標高后，要及時清除孔底和護壁的積水、殘渣等，驗收合格后，方可進行鋼筋安裝和混凝土澆筑。由于多數情況下，人工挖孔樁長大于 6 m，因此，樁身澆筑混凝土時，應采用串筒下料，分層澆筑，分層振搗。

4 結語

本工程項目在設計過程中，由于地基土中存在濕陷性黃土，加之新建建筑物周圍緊鄰原有建筑物，單純采用三七灰土換填+柱下獨立基礎或柱下條形基礎的基礎形式，會對周圍原有建筑物的地基產生附加應力，導致原有建筑物基礎的不均勻沉降及上部結構的開裂甚至局部倒塌。而單純采用大直徑人工挖孔樁基礎，則會延長施工工期，綜合經濟效果不夠好。綜合以上處理方式存在的問題，決定采用局部人工挖孔樁+柱下條形基礎的基礎形式，在盡可能減小對周圍建筑物地基影響的同時，能夠節約工期和項目造價成本，從而達到預期設計效果。經過后期的沉降觀測，表明采用該混合式基礎對周圍建筑物的地基影響很小，該種基礎形式可行。