降低人工挖孔樁基礎(chǔ)造價(jià)的有效措施

張曉林，杜小鵑

(四川省建筑設(shè)計(jì)院，四川成都610017)

人工挖孔樁因在施工過程中會(huì)有工人井下作業(yè)和井下用電、垂直運(yùn)輸遇到物體落下、有害氣體甚至涌水等不安全因素，不是特定建筑場(chǎng)地和有較明顯經(jīng)濟(jì)效益的，不宜采用人工挖孔樁基礎(chǔ)。但與錘擊(振動(dòng))沉管灌注樁、預(yù)制管樁、鉆(沖)孔灌注樁相比，該樁以其承載力大，無振動(dòng)、無噪音、無場(chǎng)地污染，便于檢查等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較好且持力層埋藏較淺，單樁承載力要求較大的高層、多層建筑物和重型或中型工業(yè)廠房。在要求不受噪音干擾的城市中心，建筑物深基坑護(hù)壁亦常采用人工挖孔樁基礎(chǔ)。所以它是眾多基礎(chǔ)形式的一種補(bǔ)充。

本文認(rèn)為在特定的有利條件下，采用該樁型更能節(jié)約基礎(chǔ)經(jīng)費(fèi)，降低造價(jià)。要達(dá)到這一目的，關(guān)鍵在于認(rèn)真分析工程地質(zhì)條件，結(jié)合工程的結(jié)構(gòu)形式，荷載大小，因地制宜地采用。

本文通過幾項(xiàng)有效措施的介紹分析，說明怎樣發(fā)揮人工挖孔樁的長(zhǎng)處和具有較好的效益。

1 降低人工挖孔樁基礎(chǔ)造價(jià)的有效措施

1.1 改善樁端部的構(gòu)造尺寸及形狀，盡量提高端承力

目前常用的人工挖孔樁芯直徑(不含擴(kuò)壁)為800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm。以樁芯直徑為1 000 mm的樁為例，其樁身混凝土 C20抗壓能力為fc=10 N/mm2，R=0.5 fcAp=0.5×10×3.14×5002=3 925 kN

式中:R為樁身材料決定的單樁承載力設(shè)計(jì)值;AP為樁身橫截面面積;Fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

要使樁設(shè)計(jì)的承載力接近或達(dá)到樁身材料決定的承載力，才能充分利用樁身的材料價(jià)值，達(dá)到較大幅度地降低這種基礎(chǔ)的造價(jià)，具體作法有。

(1)在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，盡量擴(kuò)大樁端部尺寸，以達(dá)到擴(kuò)大端部巖(土)層的受壓面積增大端承力。

要達(dá)到增大端承力的目的，先決條件是靠近端部的土質(zhì)良好，地下水能及時(shí)排除，不致再擴(kuò)大塌方，在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)人工挖孔樁端部擴(kuò)大規(guī)定不宜大于2倍樁芯直徑，而目前設(shè)計(jì)的端部尺寸一般只有樁芯直徑d的1.4～1.6倍，遠(yuǎn)未達(dá)到2倍。端部巖(土)層的承載力尚有較大的潛力未被利用。如能把擴(kuò)大端直徑D變?yōu)?.8～2.0倍d，端承力將得到大幅度提高(圖1)。當(dāng)然，由于擴(kuò)大端部，h1范圍的摩擦力會(huì)減少，但其與端承力相比是一個(gè)小數(shù)目。以樁心直徑為1 000 mm的挖孔樁為例，1.6倍與2.0倍直徑樁底的面積分別為

若使樁端支承于微風(fēng)化的軟質(zhì)巖層上，其端承力分別為:

微風(fēng)化軟質(zhì)巖承載力標(biāo)準(zhǔn)值qp=5 000～7 500 kPa，本計(jì)采取7 000 kPa

以上計(jì)算表明，把樁的端部直徑由1 600 mm擴(kuò)大到2 000 mm，端承力可增大7 910 kN，即增大56%?？紤]其他不利因素，乘上0.8系數(shù)亦可增加44.8%即6 328 kN。這是一個(gè)很可觀的數(shù)值。

圖1 適用于堅(jiān)硬持力層

對(duì)于樁端的持力層為密實(shí)的粗砂、礫砂、角礫、不牢石、卵石;微風(fēng)化、中風(fēng)化的軟質(zhì)巖石;中風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化的硬質(zhì)巖石，可按端承樁設(shè)計(jì)，經(jīng)擴(kuò)大后的樁端部截面，所對(duì)應(yīng)的上述持力層的土(巖)，承載力都達(dá)到超過由樁身材料決定的單樁承載力設(shè)計(jì)值，即能充分發(fā)揮樁身材料的作用。但施工時(shí)應(yīng)采用導(dǎo)管將混凝土輸送到端部及其余樁身，分段振搗密實(shí)，特別要注意擴(kuò)大部分混凝土的飽滿度，嚴(yán)禁高位拋擲混凝土，以免造成混凝土離析，留孔內(nèi)積水無法抽干時(shí)，應(yīng)采用水下混凝土灌注法，確保樁質(zhì)量。

(2)必要時(shí)將樁的端部搗筑成半圓形或弧形(見圖2)，進(jìn)一步擴(kuò)大端部的受力面積。

對(duì)那些堅(jiān)硬持力層埋藏較深，采用長(zhǎng)樁對(duì)經(jīng)濟(jì)不利而選擇中等密實(shí)或密實(shí)的細(xì)砂中砂層，硬塑黏性土等土層為端部持力層的建筑物，可把樁的端部做成半圓型的弧形，其目的是進(jìn)一步擴(kuò)大持力層的受力面積，提高樁的承載力。實(shí)踐證明，挖孔樁的有效長(zhǎng)度在12 m以內(nèi)比較經(jīng)濟(jì)，故一般多采用8～12 m。主要根據(jù)工程地質(zhì)和建筑物的具體情況選定。

1.2 施工護(hù)壁時(shí)，力求使混凝土與樁孔內(nèi)壁土壤擠密，提高樁側(cè)阻力

(1)根據(jù)工程地質(zhì)情況，需把樁設(shè)計(jì)成摩擦與端承共同作用的樁時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮樁與土的摩擦力。此力與端承力之和應(yīng)達(dá)到或超過樁身材料決定的承載力。要達(dá)到這一目的，安裝護(hù)壁鋼模的支撐必須牢固，澆筑護(hù)壁的混凝土?xí)r要用竹桿和木棒反復(fù)插搗，力求與孔壁土壤擠密。人工成孔時(shí)不需將孔壁修整的過于光滑整齊，保留一定的粗糙面更能提高摩阻力。

其成孔過程是排土，孔壁的土粒結(jié)構(gòu)因排水?dāng)_動(dòng)面相對(duì)松弛，必須靠澆筑混凝土護(hù)壁時(shí)反復(fù)插搗擠密，才能較好的恢復(fù)土粒結(jié)構(gòu)的緊密度，提高與混凝土的摩擦力。

而施工護(hù)壁時(shí)的反復(fù)插搗密實(shí)的基本工藝，常被施工人員忽視，必須引起重視，至于插搗密實(shí)與不密實(shí)對(duì)摩擦的承載力產(chǎn)生多大影響，其值相差多大，需在不同的地質(zhì)條件下經(jīng)多次靜載試驗(yàn)對(duì)比，才能作出較大準(zhǔn)確的結(jié)論，而這種有目的試驗(yàn)工作是有重大經(jīng)濟(jì)意義的。

1.3 調(diào)整上部結(jié)構(gòu)，減少總樁數(shù)

(1)適當(dāng)調(diào)整上部結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)間距，使每柱的豎向荷載接近或達(dá)到樁身材料決定的容許承載力(安全承載力)，以達(dá)到最大限度地減少樁數(shù)。

前面已計(jì)算出1 000 mm樁芯直徑的人工挖孔樁材料決定的單樁承載力設(shè)計(jì)值為3 925 kN，通常設(shè)計(jì)為單樁支承柱。根據(jù)工程地質(zhì)資料和上述措施計(jì)算土(巖)給與樁的容許承載力達(dá)到單樁材料決定的承載力時(shí)，就要以此承載力為經(jīng)濟(jì)尺度和著眼點(diǎn)，在不影響上部建筑結(jié)構(gòu)使用功能和美觀的情況下，調(diào)整結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的間距，使每柱所負(fù)擔(dān)的垂直荷載達(dá)到或接近樁的安全承載力。調(diào)整的結(jié)果，將會(huì)減少該工程的總樁數(shù)，做到充分利用樁的安全承載力，達(dá)到總體降低工程造價(jià)的目的。

(2)在滿足結(jié)構(gòu)外力所需的情況下，盡量減少樁的每m3混凝土體積含鋼率，達(dá)到降低造價(jià)的目的。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定“樁身配筋應(yīng)根據(jù)外力的性質(zhì)和大小及工程的地質(zhì)條件等，通過計(jì)算確定”、“在任何情況下，縱筋長(zhǎng)度均不應(yīng)小于1/3的長(zhǎng)度”、“縱向主筋應(yīng)沿樁身周邊均勻配置”。這些規(guī)定很切合鉆(沖)孔灌注樁的實(shí)際。鉆孔灌注樁常用在流型狀態(tài)下的淤泥或淤泥質(zhì)土質(zhì)較厚的建筑場(chǎng)地，對(duì)于這種工程地質(zhì)很差的場(chǎng)地，加之鉆孔樁一般較長(zhǎng)，普通為20～30 m，樁的“柔性”比較突出，在上部結(jié)構(gòu)外力作用下產(chǎn)生的彎曲(彎矩)較大，且會(huì)影響樁的較深部位，上述配筋的規(guī)定是安全必要的。

對(duì)于人工挖孔樁，一般選在工程地質(zhì)條件比較好，不存在厚度超過0.8 m的流動(dòng)性淤泥的條件下采用。且其樁徑一般卻比鉆孔樁大，樁長(zhǎng)比鉆孔樁短得多，樁周土對(duì)樁的嵌固作用比鉆孔樁強(qiáng)，這些因素使人工挖孔樁顯得很有“剛性”，其抵抗彎矩的能力遠(yuǎn)比鉆孔樁強(qiáng)，配置用于抗彎的鋼筋面積應(yīng)比鉆孔樁少。當(dāng)計(jì)算結(jié)果表明樁的受力性質(zhì)是由軸向受力為主的柱，其豎向主筋應(yīng)分階減少，充分發(fā)揮混凝土的抗壓作用，減少用鋼量，達(dá)到節(jié)約經(jīng)費(fèi)的目的。

2 結(jié)束語(yǔ)

人工挖孔樁只要能按上述的環(huán)節(jié)考慮設(shè)計(jì)和施工，并使柱網(wǎng)軸力達(dá)到樁身材料決定的承載力的80%～90%就能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。且人工挖孔樁的工程在竣工及使用階段的總沉降量一般都比錘擊沉管灌注樁和鉆孔灌注柱小，對(duì)于單項(xiàng)工程、人工挖孔樁的總沉降量通常只有5～10 mm，而上述其他兩種樁型通常都在5～20 mm。并且人工挖孔樁基礎(chǔ)的總體安全系數(shù)比其他兩種樁型的安全系數(shù)可靠得多，原因是其他樁型的隱蔽性，施工過程中保證樁身成型及樁端持力層可靠性的工藝比較復(fù)雜，稍有不慎，便會(huì)帶來嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

人工挖孔樁一般適宜用在人工填土，黏性土無流動(dòng)性的淤泥質(zhì)土以及中等密實(shí)以上的砂土等場(chǎng)地。對(duì)于地下水位高，有流砂、涌水、涌泥、存在有害氣體以及厚度大于1 m的淤泥層和流塑淤泥質(zhì)土等地基，不應(yīng)采用人工挖孔樁。如因條件限制不能選用其他樁型而必須采用人工挖孔樁基礎(chǔ)時(shí)，則應(yīng)認(rèn)真分析工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料及各土層的物理力學(xué)性質(zhì)，采用擴(kuò)大端部尺寸等措施，充分發(fā)揮樁身混凝土材料強(qiáng)度所能承受的壓力，適當(dāng)調(diào)整上部結(jié)構(gòu)施加給每樁的豎向力，就能收到比采用其他樁型更好的經(jīng)濟(jì)效益。