鉆孔灌注樁樁基持力層探析

張 冬 良

(山西路橋第一工程有限責任公司,山西 太原 030006)

0 引言

對于軟土地區(qū)，其基巖相對較淺，在鉆孔灌注樁施工階段，經(jīng)常會有人將基巖直接定義為樁基的持力層，不管樁的長徑比多少、樁長多少，均選擇端承嵌巖樁，并使樁身通長配筋，以確保樁端可以順利的進入持力層，且使其深度達到樁徑的一倍甚至數(shù)倍。下面將會以寧波新都美地工程和杭州中大廣場工程為例來對鉆孔灌注樁樁基持力層進行探究，以更好的加深人們對鉆孔灌注樁樁基持力層了解和掌握。

1 鉆孔灌注樁樁基持力層估算理論

通常情況下，鉆孔灌注樁的荷載傳遞特性與樁身質量、長徑比、樁周土性質、樁基長度、樁端沉渣厚度、樁身壓縮變形和樁頂?shù)暮奢d大小等存在一定的聯(lián)系。同時，在進行鉆孔灌注樁施工階段，樁端土的支持力與樁基長度、長徑比、樁身質量、孔底沉渣厚度及樁頂荷載大小等有關，而且還與鉆孔對持力層所產(chǎn)生的擾動、持力層本身的特性等有關。

因此，為了更好的對鉆孔灌注樁樁基持力層進行估算，需要進行如下假設：

1)樁身的混凝土壓縮變形假設為彈塑性變形；

2)樁身軸力傳遞特性曲線假設為梯形或倒三角形；

3)樁端基巖對樁的支持力，可以借助布辛奈斯克模型來對其進行求解。

1.1 樁身變形的估算

在上述所有假設的基礎上，樁的荷載傳遞特性曲線類似于倒三角形，這樣一來就可以通過式(1)來求解鉆孔灌注樁樁身可能出現(xiàn)的彈性壓縮變形量。

(1)

其中，L為樁長；N為樁頂?shù)暮奢d；A為樁身的橫截面面積；Ec為鋼筋混凝土的彈性模量。

如果把樁的荷載傳遞特性曲線看做是倒梯形，此時鉆孔灌注樁樁身的彈性壓縮變形可以通過式(2)進行求得：

(2)

其中，N2為基巖對樁所產(chǎn)生的支持力。

靜載試驗卸載后，假設鉆孔灌注樁樁身所出現(xiàn)的殘余變形是塑性變形，此時就能夠借助靜載試驗的結果來求得塑性變形Se。此時所求得的鉆孔灌注樁樁身壓縮變形S為：

S=Sd+Se

(3)

1.2 巖基對樁端支持力的估算

在估算巖基對樁端支持力時，通常會將樁基假設成完全剛性體，并根據(jù)布辛奈斯克模型來探究基巖對樁端支持力N1，具體計算公式如式(4)所示：

(4)

其中，r為樁的半徑；E0為基巖的變形模量；μ為基巖的泊松比；Ss為樁端的沉降，即樁端基巖所發(fā)生的變形。

實際上，針對鉆孔灌注樁所提交的工程勘察報告只能夠提供巖土壓縮模量Es，當遇到低壓縮性土時，其變形模量E0與壓縮模量Es之間所存在的關系式為：E0=2.11Es。

因此，在進行鉆孔灌注樁樁基持力層估算過程中，只需要得到基巖的壓縮模量Es、壓縮變形S、泊松比μ，就可以通過式(4)來得出基巖對樁端的支持力，對其進一步分析后就可以得到樁的荷載傳遞特性。此外，通過靜載試驗來對鉆孔灌注樁的變形值進行有效的測量，其同樣可以借助式(2)，式(3)來獲得基巖對樁端的支持力N1。

2 工程實例

2.1 參數(shù)的選取

對于鉆孔灌注樁施工而言，由于事先對試樁進行了明確，而且混凝土強度等級往往會超過設計值，并對混凝土水下澆搗強度的折減系數(shù)給予考慮，然后確定鉆孔灌注樁混凝土強度的等級。巖土工程勘察報告基本上不會涉及到基巖的泊松比，一般需要對相關文獻進行查閱來找到與當?shù)毓こ淌┕は嗥ヅ涞牟此杀取?/p>

鉆孔灌注樁樁基持力層土體所產(chǎn)生的變形值一般是指基巖的壓縮量，主要是孔底沉渣與樁端沉降被壓實后所產(chǎn)生的變形量。在對其進行研究時，可以將基巖的壓縮量定義為樁端土體的回彈量。在進行鉆孔灌注樁施工階段，鉆孔的施工一般會誘發(fā)基巖或多或少的擾動，致使樁端土體壓縮模量與勘察報告實際值存在一定的偏差，此時要想保證計算過程的順利進行，待樁端土體被壓實后一般可以直接選擇勘察報告中所提供的數(shù)值。

樁端極限承載力和單樁豎向樁側阻的標準值分別為：

Qpk=qpk·Ap,Qsk=μ∑qsik×li。

其中，qpk為極限端阻力標準值；Ap為樁端面積；qsik為樁周第i層土所對應的極限側阻力標準值；μ為樁身周長；li為樁穿越第i層土所對應的厚度。

鉆孔灌注樁樁身承載力的計算公式為：

R=φc(fc+pfs)A。

其中，φc為樁基施工系數(shù)，通常情況下在泥漿護壁鉆孔灌注樁中φc=9；fs為鋼筋抗壓強度設計值；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；A為樁身面積；p為樁身配筋率。

2.2 寧波新都美地工程

該工程是寧波市的一棟高檔住宅小區(qū)，建筑面積約50 000 m2，其中共23層，地上21層，地下2層。在靜載試驗鉆灌注孔樁施工過程中，樁長為42.1 m，樁徑為700 mm，長徑比為60，樁基的持力層為圓礫層，樁身選擇了C30混凝土，要求鉆灌注孔樁進入持力層深度為0.5 m，單樁極限承載力設計值控制在5 000 kN，豎向承載力設計值控制在3 000 kN。靜載試驗鉆灌注孔樁樁端土極限承載力標準值和樁端持力層的壓縮模量分別為qpk=4 500 kPa，Es=20 MPa。通過分析巖土勘測報告后，單樁極限端阻力和總極限側阻力分別為：Qsp=1 721 kN，Qsk=3 435 kPa。表1描述的是靜載試驗鉆灌注孔樁靜載試驗荷載與樁端、樁頂沉降值的相關數(shù)據(jù)。

表1 靜載試驗荷載與樁端、樁頂沉降數(shù)據(jù)

通過對表1進行分析可以發(fā)現(xiàn)，當樁頂荷載為5 587 kN時，將會導致樁端和樁頂出現(xiàn)較大范圍的變形，但是本次研究過程中，樁身壓縮的實際值只有1.33 mm，可以得知樁端沉渣厚度相對比較大。當樁頂荷載在5 587 kN時，該施工場地的沉渣基本上被壓實，這樣一來就能夠把樁端土的變形定義為基巖的壓縮量。如果鉆灌注孔樁樁頂荷載達到6 832 kN時，此時可以通過布辛奈斯克模型來求得樁端土支持力為74 kN，而其僅為樁頂荷載的1%，確定其是純摩擦樁。如果將其判定為純摩擦樁，那么樁頂承受4 968 kN的荷載時，可以根據(jù)式(1)得到樁身的彈性壓縮變形值是9.22 mm，而實際的測量值為9.18 mm；同時樁頂承受6 832 kN的荷載時，根據(jù)式(1)得到樁身的彈性壓縮變形值是12.67 mm，而實際的測量值為11.19 mm，兩次測量結果基本上一致。

2.3 杭州中大廣場工程

該工程屬于高檔寫字樓，共計7層，坐落在杭州市中山北路東側、屏風街南側的中大廣場，建筑面積約為15 000 m2。在進行靜載試驗鉆灌注孔樁施工過程中，樁長為49.5 m，長徑比為70.7，樁徑為700 mm，樁身選擇了C25混凝土，通過檢測發(fā)現(xiàn)，樁基的持力層屬于風化強度比較大的角礫凝灰?guī)r，并要求鉆灌注孔樁能夠深入持力層2.0 m，而且要求單樁極限承載力達到5 300 kN，豎向承載力設計值控制在3 300 kN。

靜載試驗鉆灌注孔樁樁端土極限承載力標準值和樁端持力層的壓縮模量分別為qpk=5 000 kPa，Es=20 MPa。在對巖土勘測報告分析后得知，單樁極限端阻力和總極限側阻力分別為：Qsp=1 923 kN，Qsk=3 378 kPa。表2描述的是靜載試驗鉆灌注孔樁靜載試驗荷載與樁頂沉降值的相關數(shù)據(jù)。

表2 靜載試驗荷載與樁頂沉降數(shù)據(jù)

本次鉆孔灌注樁施工階段，并未出現(xiàn)樁端土的變形，此時可以將樁基極限承載力控制在5 300 kN。假設該樁基為純摩擦樁，則樁端所承載的支持力為0，此時樁頂所承受的荷載為5 300 kN，所得到的樁身彈性壓縮變形量為12.18 mm，從而可以得到樁身軸力為0處分布在樁身某處，而并非樁端。

3 結語

在進行鉆孔灌注樁施工過程中，樁的長徑比、樁長等會對持力層產(chǎn)生一定的影響，如果樁的荷載傳遞特性屬于摩擦樁時，則其樁端需要承受的支持力比較小，無法發(fā)揮基巖支持力的作用。因此，為了確保鉆孔灌注樁樁基施工的整體質量，則需要先做試樁，測試結果符合要求后再進行實際施工。