大直徑鉆孔灌注擴底樁設(shè)計與施工

計敏敏 吳敏

【摘要】本文介紹了擴底樁的設(shè)計與施工方法及其技術(shù)要點，通過一個設(shè)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(yōu)越性。鉆孔灌注擴底樁集鉆孔灌注樁及夯擴樁的優(yōu)點于一身，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；擴底樁；反循環(huán)鉆孔

一、前言

隨著經(jīng)濟建設(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、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)用擴底樁基礎(chǔ)。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(jié)約造價、設(shè)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(chǔ)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(yīng)提高樁的承載力（見圖1）。

二、擴底樁的設(shè)計

大直徑擴底樁的承載力，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(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(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(shè)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(xué)參數(shù)，在設(shè)計時必須二者兼顧。由于大直徑擴底樁的單樁承載力設(shè)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(nèi)還沒有出臺統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范，在實際設(shè)計中，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），樁端處減去擴底高度h；

u—樁身周長； Ap—樁端擴底面積

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為樁端擴底直徑）

（2）確定合理的樁距。灌注樁擴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層厚度要求?；炷翉姸鹊燃壊坏玫陀贑15，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。主筋的混凝土保護層厚度，不應(yīng)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(huán)鉆孔擴底樁對地層適應(yīng)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(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)鉆孔施工法鉆機工作時，旋轉(zhuǎn)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(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。

（二）主施工工藝流程

編寫施工設(shè)計→樁位測量、設(shè)備安裝→埋設(shè)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(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→起拔護筒→樁頭處理→混凝土養(yǎng)護

（三）鉆孔擴底樁施工的關(guān)鍵工序

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

（2） 直孔終孔后應(yīng)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(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)最大擴底直徑，確定其行程。在主動鉆桿上作擴底的起點和終點標(biāo)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(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）擴底樁承載力計算

（1） 擴底樁單樁承載力

經(jīng)過多方案比較，設(shè)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(jù)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)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(yuǎn)=1400mm。

單樁承載力計算如下：（側(cè)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(shè)計值為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算模式及相應(yīng)的計算參數(shù)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(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. 機械工業(yè)出版社，2002