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三门大湖塘新区桩基础几个问题的探讨
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内容提示：通过对现有部分单桩静载荷试验成果资料的分析和比较,分析不同桩型和桩持力层选择对工程造价的影响,通过经济效益对比得出大湖塘新区最佳桩型选择和持力层选择,借此讨论对于基岩桩端承力特征值的取值以及桩基础勘察设计和施工的一些问题。
作者介绍: 蒋英明, 三门县建筑工程质量监督站;韩高益, 三门县建筑工程管理处
随着三门县经济建设的迅速发展,许多高大建筑物在大湖塘新区落户。由于大湖塘新区地处海陆交互相的复杂地层地段,所以建筑物大多采用桩基础;而且基岩埋深一般在30~40m左右,局部深50m,对于高层建筑物都采用嵌岩钻孔灌注桩基础。从现有的建筑物桩基础检测结果来看,有不少问题必须总结。（参考《建筑中文网》）
(2)嵌岩桩的桩顶沉降S对单桩竖向抗压极限承载力取值很重要。桩顶沉降S由桩身压缩变形SP、
底沉渣压实变形SS和桩端下岩石沉降SB组成:
S=SP+SS+SB
正常情况下,岩石沉降SB很小,主要考虑SP、SS。
①桩身压缩变形SP。
根据材料力学中轴向受压杆件变形的计算公式,并考虑到桩周土的约束对轴向力传递的影响和实际测试结果,可以近似地将轴力-深度分布曲线简化为直线,则:
式中:Pt—桩顶轴向力;
Pp—桩端轴向力;
EC—桩混凝土弹性模量;
A—桩身横截面积。
针对现有的嵌岩桩概略估算结果:对于直径1000mm,桩长30m的桩,SP=5~8mm;对于直径1000mm,桩长50m的桩,SP=8~12mm。
②沉渣压实变形SS。
桩底沉渣由于受到周围基岩的约束,压实变形类似于有侧限压缩变形。从受力过程可分为两个阶段,第一阶段沉渣受到桩身自重的压力(最大理论值为γ.L),在此压力下变形较小,稳定也较快。第二阶段为受到外荷载的作用,此时产生的变形:
式中:e0—沉渣起始孔隙比;
ep—作用于沉渣的外荷载所对应的沉渣孔隙比;
H0—孔底沉渣厚度。
根据经验和试验室数据概略估算:
H0=20mm,SS=2~5mm;
H0=50mm,SS=10~20mm;
H0=70mm,SS=15~30mm。
部分试验成果资料汇总详见表2。
3.2 几根桩顶沉降量较大的桩的分析结论
序号2桩:桩径1000mm,桩长55.5m,桩顶沉降量39.41mm。主要是沉渣厚度较大。
序号6桩:桩径700mm,桩长24.0m,单桩承载力特征值2700kN,相应的桩顶沉降量30.14mm。当试验加荷到6000kN时桩顶急剧下沉20~30cm。开挖结果,是接桩部位碎裂。判断单桩极限承载力要大于6000kN。
序号10桩(S4):桩径1000mm,桩长25.65m,试验加荷到11200kN时,桩顶沉降量50.76mm。补勘钻探结果,东边(B2)1.7m钻孔,中风化基岩在33.5m见到,且在28.5~28.7m夹黏土;再往东7.92m的ZK8孔32.3m见到中风化基岩;西边(B1)2m钻孔,中风化基岩在30.9m见到。判断结果:桩端所在位置不是中风化基岩。
序号11桩:桩径1000mm,桩长35.8m,试验加荷到11200kN时,桩顶沉降量45.17mm。在加荷到7000~8400kN时出现陡降,加荷到9800~11200kN时,Q-s曲线又趋平缓。判断结果:桩端沉渣,估算厚度在40mm左右。11号桩Q-S曲线见图1。
图1 11号桩Q-S曲线
从表2[Ra/V(kN/m3)]一栏可以看出,大直径嵌岩桩桩长在20~30m,每m3混凝土所得到的单桩承载力最大,能达到323kN/m3;桩长在50m多,每m3混凝土所得到的单桩承载力约140kN左右。可见长桩经济效益较差。
如果以③-1或④-1含黏性土卵石层为桩基持力层,桩长在20~30m左右,对于Φ600、Φ700钻孔灌注桩,单桩承载力特征值1800~2200kN,每m3混凝土所得到的单桩承载力特征值能达到160kN左右。如果每m3混凝土费用总额按700元计算,那么每100kN所需费用为437.5元。
对于Φ500的预应力管桩,每米桩长所得到的单桩承载力特征值能达到83.3kN左右。如果每米桩长费用总额按180元计算,则每100kN所需费用为216元。
由此可见,预应力管桩的费用要比钻孔灌注桩低得多,所以在施工条件允许的情况下,应尽量使用预应力管桩基础。
从技术经济效益方面考虑,建议工程勘察时,一般的控制深度均应在30m以上,而且至少有一孔要见到基岩。
4.2 勘察成果资料分析与桩端承载力特征值确定
(1)根据《建筑地基基础设计规范(GB500-2002)》第8.5.5条和第5.2.6条规定:当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中时,可按下式估算单桩承载力特征值:
嵌岩灌注桩桩端以下3倍桩径范围内应无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布;并应在桩底应力扩散范围内无岩体临空面。当桩端无沉渣时,桩端岩石承载力特征值(qpa),应根据岩石饱和单轴抗压强度标准值按本规范第5.2.6条确定,或按本规范附录H用岩基载荷试验确定。
规范第5.2.6条……对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值,可根据室内饱和单轴抗压强度按下式计算:
ψr—折减系数。根据岩体完整程度以及结构面的间距、宽度、产状和组合,由地区经验确定。无经验时,对完整岩体可取0.5;对较完整岩体可取0.2~0.5;对较破碎岩体可取0.1~0.2。
桩端阻力特征值计算参数的确定是关键。
一号大厦和二号大酒店两个工地毗邻,地层情况基本一致,基岩都是安山岩。由两个单位勘察,同样作为桩端持力层的中风化安山岩,一号大厦提的桩端阻力特征值是2800kPa;二号大酒店提的桩端阻力特征值是4000kPa。一号大厦中风化安山岩的岩石饱和单轴抗压强度标准值128.6MPa;二号大酒店中风化安山岩的岩石饱和单轴抗压强度标准值110.27MPa。按照《建筑地基基础设计规范(GB500-2002)》上述有关规定:ψr按最小取值,即ψr=
0.1;frk按100MPa计算。那么:
按浙江省标准《建筑地基基础设计规范(DB33/1001-2003)》附录N表N.0.2中等风化~微风化的硬质岩,桩端土(岩)承载力特征值qpa=6000~10000kPa。
两工程勘察报告的取值偏于保守。
(2)一号大厦、二号大酒店均由一家建筑设计院设计。桩型为Φ1000、Φ900、Φ800钻孔灌注桩,以中等风化安山岩层为桩端持力层,入持力层深度为1D,要求单桩承载力特征值分别为7000kN、6000kN、5200kN。从表2可见,二号大酒店的几根试桩问题较大。主要问题是中等风化安山岩层顶板位置勘察资料的误差很大,桩端多未进入中等风化安山岩。
(3)三号大厦由另一家建筑设计事务所设计。桩型为Φ700钻孔灌注桩,以中等风化凝灰岩或含黏性土碎石为桩端持力层,要求单桩承载力特征值为2500kN(试桩时最大加载量要求再加1~2级)。
从上面分析中可知,桩长20~30m左右的嵌岩桩经济效益最好。单桩极限承载力大于6000kN。最后设计全部采用嵌岩桩。
(4)××花园由第三家建筑设计公司设计。桩型为Φ700、Φ600钻孔灌注桩,以③或④含黏性土卵石为桩端持力层,要求单桩承载力特征值为2200kN~1300kN。由于机械设备和施工工艺等原因,孔壁塌方,混凝土充盈系数增大,实际的单桩承载力比设计要求大很多。
(5)C-16地块住宅小区由第四家民用建筑设计公司设计,为多层建筑。桩型为Φ500、Φ600预应力管桩,以③含黏性土卵石为桩端持力层,要求单桩承载力特征值Φ500为1500kN、Φ600为1800kN。经济效益显著。
(2)钻孔护壁:大湖塘的地层比较复杂,软土层段混凝土灌注桩容易产生缩径;砂砾、圆砾层极易塌孔。施工中要经常测试泥浆比重。在砂砾层中钻进,严格控制泥浆的稠度,定期测定粘度、含砂量和胶体率。参考的控制值:粘度为18~22s;含砂量不大于4%;胶体率不小于90%。
(3)桩端进入持力层的深度:《建筑地基基础设计规范(GB500-2002)》第8.5.2条第3点规定:桩底进入持力层的深度,根据地质条件、荷载及施工工艺确定,一般为桩身直径的1~3倍。嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩的最小深度,不小于0.5m。
对于嵌岩桩,进入中风化基岩的深度,实际操作有一定难度。为此,建议在综合鉴定的同时,适当增加进入中风化基岩的深度。
(4)清除孔底沉渣及混凝土灌注:按规范规定,孔底沉渣应小于50mm。由于在砂砾层中钻进泥浆比重较大,一次清孔难以达到要求,故必须进行二次清孔。清孔完毕,确认合格后,应立即灌注混凝土,尽量缩短停歇时间,要确保桩顶部分的混凝土强度达到设计的要求。
随着三门县经济建设的迅速发展,许多高大建筑物在大湖塘新区落户。由于大湖塘新区地处海陆交互相的复杂地层地段,所以建筑物大多采用桩基础;而且基岩埋深一般在30~40m左右,局部深50m,对于高层建筑物都采用嵌岩钻孔灌注桩基础。从现有的建筑物桩基础检测结果来看,有不少问题必须总结。（参考《建筑中文网》）
1 新区场地土物理力学指标和承载力参数
大湖塘新区综合工程地层及其承载力参数(根据地质报告)见表1。2 单桩承载力取值
(1)单桩竖向抗压极限承载力Qu按《建筑基桩检测技术规范(JGJ106-2003)》有关规定和现场实际静载试验的Q-S曲线综合分析确定。(2)嵌岩桩的桩顶沉降S对单桩竖向抗压极限承载力取值很重要。桩顶沉降S由桩身压缩变形SP、
底沉渣压实变形SS和桩端下岩石沉降SB组成:
S=SP+SS+SB
正常情况下,岩石沉降SB很小,主要考虑SP、SS。
①桩身压缩变形SP。
根据材料力学中轴向受压杆件变形的计算公式,并考虑到桩周土的约束对轴向力传递的影响和实际测试结果,可以近似地将轴力-深度分布曲线简化为直线,则:
式中:Pt—桩顶轴向力;
Pp—桩端轴向力;
EC—桩混凝土弹性模量;
A—桩身横截面积。
针对现有的嵌岩桩概略估算结果:对于直径1000mm,桩长30m的桩,SP=5~8mm;对于直径1000mm,桩长50m的桩,SP=8~12mm。
②沉渣压实变形SS。
桩底沉渣由于受到周围基岩的约束,压实变形类似于有侧限压缩变形。从受力过程可分为两个阶段,第一阶段沉渣受到桩身自重的压力(最大理论值为γ.L),在此压力下变形较小,稳定也较快。第二阶段为受到外荷载的作用,此时产生的变形:
式中:e0—沉渣起始孔隙比;
ep—作用于沉渣的外荷载所对应的沉渣孔隙比;
H0—孔底沉渣厚度。
根据经验和试验室数据概略估算:
H0=20mm,SS=2~5mm;
H0=50mm,SS=10~20mm;
H0=70mm,SS=15~30mm。
3 部分单桩静载荷试验成果资料比较
3.1 部分试验成果资料部分试验成果资料汇总详见表2。
3.2 几根桩顶沉降量较大的桩的分析结论
序号2桩:桩径1000mm,桩长55.5m,桩顶沉降量39.41mm。主要是沉渣厚度较大。
序号6桩:桩径700mm,桩长24.0m,单桩承载力特征值2700kN,相应的桩顶沉降量30.14mm。当试验加荷到6000kN时桩顶急剧下沉20~30cm。开挖结果,是接桩部位碎裂。判断单桩极限承载力要大于6000kN。
序号10桩(S4):桩径1000mm,桩长25.65m,试验加荷到11200kN时,桩顶沉降量50.76mm。补勘钻探结果,东边(B2)1.7m钻孔,中风化基岩在33.5m见到,且在28.5~28.7m夹黏土;再往东7.92m的ZK8孔32.3m见到中风化基岩;西边(B1)2m钻孔,中风化基岩在30.9m见到。判断结果:桩端所在位置不是中风化基岩。
序号11桩:桩径1000mm,桩长35.8m,试验加荷到11200kN时,桩顶沉降量45.17mm。在加荷到7000~8400kN时出现陡降,加荷到9800~11200kN时,Q-s曲线又趋平缓。判断结果:桩端沉渣,估算厚度在40mm左右。11号桩Q-S曲线见图1。
图1 11号桩Q-S曲线
4 各桩型的分析比较
4.1 单桩承载力及其经济效益从表2[Ra/V(kN/m3)]一栏可以看出,大直径嵌岩桩桩长在20~30m,每m3混凝土所得到的单桩承载力最大,能达到323kN/m3;桩长在50m多,每m3混凝土所得到的单桩承载力约140kN左右。可见长桩经济效益较差。
如果以③-1或④-1含黏性土卵石层为桩基持力层,桩长在20~30m左右,对于Φ600、Φ700钻孔灌注桩,单桩承载力特征值1800~2200kN,每m3混凝土所得到的单桩承载力特征值能达到160kN左右。如果每m3混凝土费用总额按700元计算,那么每100kN所需费用为437.5元。
对于Φ500的预应力管桩,每米桩长所得到的单桩承载力特征值能达到83.3kN左右。如果每米桩长费用总额按180元计算,则每100kN所需费用为216元。
由此可见,预应力管桩的费用要比钻孔灌注桩低得多,所以在施工条件允许的情况下,应尽量使用预应力管桩基础。
从技术经济效益方面考虑,建议工程勘察时,一般的控制深度均应在30m以上,而且至少有一孔要见到基岩。
4.2 勘察成果资料分析与桩端承载力特征值确定
(1)根据《建筑地基基础设计规范(GB500-2002)》第8.5.5条和第5.2.6条规定:当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中时,可按下式估算单桩承载力特征值:
嵌岩灌注桩桩端以下3倍桩径范围内应无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布;并应在桩底应力扩散范围内无岩体临空面。当桩端无沉渣时,桩端岩石承载力特征值(qpa),应根据岩石饱和单轴抗压强度标准值按本规范第5.2.6条确定,或按本规范附录H用岩基载荷试验确定。
规范第5.2.6条……对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值,可根据室内饱和单轴抗压强度按下式计算:
ψr—折减系数。根据岩体完整程度以及结构面的间距、宽度、产状和组合,由地区经验确定。无经验时,对完整岩体可取0.5;对较完整岩体可取0.2~0.5;对较破碎岩体可取0.1~0.2。
桩端阻力特征值计算参数的确定是关键。
一号大厦和二号大酒店两个工地毗邻,地层情况基本一致,基岩都是安山岩。由两个单位勘察,同样作为桩端持力层的中风化安山岩,一号大厦提的桩端阻力特征值是2800kPa;二号大酒店提的桩端阻力特征值是4000kPa。一号大厦中风化安山岩的岩石饱和单轴抗压强度标准值128.6MPa;二号大酒店中风化安山岩的岩石饱和单轴抗压强度标准值110.27MPa。按照《建筑地基基础设计规范(GB500-2002)》上述有关规定:ψr按最小取值,即ψr=
0.1;frk按100MPa计算。那么:
按浙江省标准《建筑地基基础设计规范(DB33/1001-2003)》附录N表N.0.2中等风化~微风化的硬质岩,桩端土(岩)承载力特征值qpa=6000~10000kPa。
两工程勘察报告的取值偏于保守。
(2)一号大厦、二号大酒店均由一家建筑设计院设计。桩型为Φ1000、Φ900、Φ800钻孔灌注桩,以中等风化安山岩层为桩端持力层,入持力层深度为1D,要求单桩承载力特征值分别为7000kN、6000kN、5200kN。从表2可见,二号大酒店的几根试桩问题较大。主要问题是中等风化安山岩层顶板位置勘察资料的误差很大,桩端多未进入中等风化安山岩。
(3)三号大厦由另一家建筑设计事务所设计。桩型为Φ700钻孔灌注桩,以中等风化凝灰岩或含黏性土碎石为桩端持力层,要求单桩承载力特征值为2500kN(试桩时最大加载量要求再加1~2级)。
从上面分析中可知,桩长20~30m左右的嵌岩桩经济效益最好。单桩极限承载力大于6000kN。最后设计全部采用嵌岩桩。
(4)××花园由第三家建筑设计公司设计。桩型为Φ700、Φ600钻孔灌注桩,以③或④含黏性土卵石为桩端持力层,要求单桩承载力特征值为2200kN~1300kN。由于机械设备和施工工艺等原因,孔壁塌方,混凝土充盈系数增大,实际的单桩承载力比设计要求大很多。
(5)C-16地块住宅小区由第四家民用建筑设计公司设计,为多层建筑。桩型为Φ500、Φ600预应力管桩,以③含黏性土卵石为桩端持力层,要求单桩承载力特征值Φ500为1500kN、Φ600为1800kN。经济效益显著。
5 桩基础施工中的几个问题
(1)施工机械设备:根据场地的实际情况,因地制宜选择合适的施工机械设备和钻进工具,同时还要选择切实可行的成孔施工工艺。(2)钻孔护壁:大湖塘的地层比较复杂,软土层段混凝土灌注桩容易产生缩径;砂砾、圆砾层极易塌孔。施工中要经常测试泥浆比重。在砂砾层中钻进,严格控制泥浆的稠度,定期测定粘度、含砂量和胶体率。参考的控制值:粘度为18~22s;含砂量不大于4%;胶体率不小于90%。
(3)桩端进入持力层的深度:《建筑地基基础设计规范(GB500-2002)》第8.5.2条第3点规定:桩底进入持力层的深度,根据地质条件、荷载及施工工艺确定,一般为桩身直径的1~3倍。嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩的最小深度,不小于0.5m。
对于嵌岩桩,进入中风化基岩的深度,实际操作有一定难度。为此,建议在综合鉴定的同时,适当增加进入中风化基岩的深度。
(4)清除孔底沉渣及混凝土灌注:按规范规定,孔底沉渣应小于50mm。由于在砂砾层中钻进泥浆比重较大,一次清孔难以达到要求,故必须进行二次清孔。清孔完毕,确认合格后,应立即灌注混凝土,尽量缩短停歇时间,要确保桩顶部分的混凝土强度达到设计的要求。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201001/14200.htm
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