人工挖孔樁在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用

譚朝明，呂貝貝

（山西大同大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)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(huán)境影響小等優(yōu)點，在濕陷性黃土地區(qū)且新建建筑物周圍有鄰近舊建筑物的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下，采用大直徑人工挖孔樁基礎(chǔ)不僅能降低附加應(yīng)力對周圍建筑物基礎(chǔ)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(shè)計、施工兩個方面詳細介紹了人孔挖孔樁設(shè)計和施工的要點，為挖孔樁基礎(chǔ)在特殊地質(zhì)條件、特殊周圍環(huán)境條件下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 工程概況

以建筑面積為 2 713.32 m2的某新建教學(xué)樓工程為例，建設(shè)地點為山西省懷仁市，其建筑平面柱網(wǎng)布置及周圍環(huán)境如圖1 所示。該教學(xué)樓為 4 層（局部 5 層）框架結(jié)構(gòu)，無地下室，總高 15.6 m，室內(nèi)外高差 0.3 m。在其西側(cè)和南側(cè)各有一幢已建成的 3 層磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，采用墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。根據(jù)該新建教學(xué)樓場地土勘察報告可得建設(shè)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(zhì)黏土層組成，揭露土層范圍內(nèi)未見地下水。

根據(jù)巖土工程勘察報告提供的土層類型、深度，以及上部結(jié)構(gòu)模型計算得到的框架柱內(nèi)力，再結(jié)合鄰近建筑物地基基礎(chǔ)情況可知，該場地地基土承載力一般。采用獨立基礎(chǔ)難以滿足承載力要求，且獨立基礎(chǔ)的整體性不好，調(diào)節(jié)不均勻沉降的能力較差；而柱下條形基礎(chǔ)的整體性雖較好，對調(diào)節(jié)偶然不均勻沉降有較好的效果，但若采用柱下條形基礎(chǔ)會增加鄰近建筑物地基基礎(chǔ)持力土層的附加應(yīng)力，繼而影響其整體安全性。綜合考慮以上情況，該教學(xué)樓采用柱下十字條形基礎(chǔ)+局部人工挖孔樁基礎(chǔ)，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(chǔ)，而其他框架柱均采用柱下條形基礎(chǔ)，并對條形基礎(chǔ)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(wǎng)布置及周圍環(huán)境示意圖

2 局部大直徑人工挖孔樁的設(shè)計

2.1 人工挖孔樁的設(shè)計要求

在進行挖孔樁基礎(chǔ)的設(shè)計前，應(yīng)做好該場地土的地質(zhì)勘察報告，根據(jù)報告提供的各土層狀態(tài)描述、土層剖面圖來確定各土層計算厚度及樁基礎(chǔ)的持力層。針對濕陷性黃土層，樁基應(yīng)盡可能穿透，且在計算樁長時需考慮樁側(cè)負摩阻力的不利影響。此外，在進行人工挖孔樁護壁的設(shè)計計算時應(yīng)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(chǔ)計算

根據(jù)該場地地質(zhì)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(zhì)黏土層，并取該層為樁基的持力層。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［1-2］，樁基的構(gòu)造應(yīng)滿足：擴底樁在持力層內(nèi)埋深 hp≥1.5 m。經(jīng)現(xiàn)場勘察、總圖設(shè)計，確定現(xiàn)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(guān)系如圖2 所示。經(jīng)上部結(jié)構(gòu)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(yīng)注意在計算樁豎向承載力時，不考慮樁端擴大部分的樁側(cè)正摩阻力。

圖2 樁土關(guān)系示意圖（單位：mm）

2.2.1 挖孔樁豎向承載力計算

根據(jù)工程經(jīng)驗，取樁徑 d=1.0 m，擴底直徑D=1.6 m 進行試算。根據(jù)規(guī)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(shù)，取 2；ψsi、ψp分別為樁側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)，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(cè)第 i 層土極限側(cè)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(jīng)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(jù)工程經(jīng)驗，大直徑挖孔樁的配筋一般情況下滿足配筋構(gòu)造要求即可。設(shè)計時取樁身最小配筋率進行水平承載力驗算。據(jù)相關(guān)規(guī)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(jīng)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(gòu)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(shè)計時，考慮到地下水位較深，故選擇現(xiàn)澆鋼筋混凝土護壁，并分段設(shè)置。目前關(guān)于挖孔樁護壁的設(shè)計尚無明確規(guī)范和計算公式，國內(nèi)外學(xué)者給出了關(guān)于護壁計算的理論公式［3-4］。因此，本工程根據(jù)理論計算和經(jīng)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(huán)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(guī)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(gòu)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(shù)。但由于地下工程的復(fù)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(chǔ)上，樁基礎(chǔ)設(shè)計還要滿足構(gòu)造要求［5］：①混凝土強度：樁身混凝土強度等級應(yīng)大于C20，本工程取C30；②縱向鋼筋配置：樁身縱筋配筋率應(yīng)滿足最小配筋率要求，即ρ≥ρmin=0.4 %，且縱筋數(shù)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(huán)形焊接箍或螺旋封閉箍，本工程取直徑為 8 mm 的環(huán)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(nèi)箍筋直徑應(yīng)加大一級，取 10 mm，間距應(yīng)縮小一半，取 100 mm；在樁長范圍內(nèi)每隔 2 m 左右需設(shè)置一道直徑 12～18 mm 的焊接加勁箍筋，本工程共設(shè)置兩道直徑 16 mm 的焊接加勁箍筋；④護壁環(huán)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(yīng)做好準備工作，根據(jù)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(jù)地下水位確定是否需要做排水系統(tǒng)。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(jié)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(jié)護壁間的搭接，并確保護壁混凝土振搗密實。施工時，樁孔內(nèi)應(yīng)設(shè)置軟梯供施工人員上下，做好安全措施，并且每天都應(yīng)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(yīng)急預(yù)案和處理措施。在挖至設(shè)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(shù)情況下，人工挖孔樁長大于 6 m，因此，樁身澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)采用串筒下料，分層澆筑，分層振搗。

4 結(jié)語

本工程項目在設(shè)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(chǔ)或柱下條形基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式，會對周圍原有建筑物的地基產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致原有建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降及上部結(jié)構(gòu)的開裂甚至局部倒塌。而單純采用大直徑人工挖孔樁基礎(chǔ)，則會延長施工工期，綜合經(jīng)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(chǔ)的基礎(chǔ)形式，在盡可能減小對周圍建筑物地基影響的同時，能夠節(jié)約工期和項目造價成本，從而達到預(yù)期設(shè)計效果。經(jīng)過后期的沉降觀測，表明采用該混合式基礎(chǔ)對周圍建筑物的地基影響很小，該種基礎(chǔ)形式可行。