人工挖孔灌注桩和墩长度的探讨

人工挖孔灌注桩和墩长度的探讨

刘昌忠

(自贡市轻工业设计研究院,四川自贡643000)

　　【摘　要】　对人工挖孔灌注桩和墩在各种持力层中的受力机理进行了分析,提出了人工挖孔灌注墩的最小墩身长度,用嵌岩墩基础代替岩石地基上的扩展基础等设计思想。　　【关键词】　挖孔桩;　挖孔墩;　嵌岩桩;　嵌岩墩;　最短桩;　短粗墩　　【中图分类号】　TU47311+4　　　　　　　　　【文献标识码】　A

传递性质来看,墩基和桩基并无本质的差别。这两类基础

的最大区别,只在于施工方法有所不同而已[4]。

因此,桩基础和墩基础本质上并没有严格的区别,墩基础只是桩基础的一种特殊型式。挖孔墩基础就是一种短而粗的挖孔桩基础。《设计措施》中,明确了人工挖孔桩的长度范围,确定了人工挖孔桩的最小长度,区分了挖孔桩和挖孔墩的长度界限,是对地基规范和桩基规范的延伸和细化。本文把在各种持力层中的墩基础的受力机理进行分析,对墩身长度进行探讨,从而确定在各种持力层中人工挖孔灌注墩(以下简称挖孔墩)墩身的最短长度。

挖孔墩基础设计时,确定墩的入土深度,也就是确定其墩身的长度是一项复杂而又极其重要的工作。而确定挖孔墩进入持力层的深度,就要了解墩的受力机理,需要考虑以下重要的因素。一是要考虑荷载的大小,即单个墩承载力的要求。对于承受轴向荷载的挖孔单独墩,竖向荷载是靠墩的侧阻力和端阻力来承受的。而墩的侧阻力和端阻力又直接与墩的直径、墩身长度有关;二是要考虑墩身的长细比,以确定墩身混凝土的最大承载力。挖孔墩直径比较大,相应的长细比不大,是不会产生墩身的压弯而失去稳定的现象,长细比不大的墩身混凝土承受压力的能力是非常高的。

1　关于挖孔桩与挖孔墩的差别

　　桩是竖直或者微倾斜的基础构件,它的横向尺寸比长度小得多[1]。有人试图给桩下了一个简单的定义:桩-垂直或微斜埋置于土中的受力杆件。桩的上述定义包含了桩的三要素:设置方向;包围介质;结构特征[2]。人工挖孔灌注桩(以下简称挖孔桩)基础是一种特殊类型的桩基础,广泛应用于各种建筑结构的基础中。挖孔桩基础施工时,对周围环境影响小,可采用扩大底部的型式,充分发挥桩端土的承载力,单桩承载力高、桩身刚度大、抗震性能好、设计计算简单、可对桩底处进行检查、施工方便、可靠性高、经济合理。挖孔桩的优越性显著,为广大结构工程师、开发商、承包公司及建设主管机关所共识。

虽然挖孔桩技术日趋成熟,但对桩身的最小长度长期却没有统一的约定,只是对桩身的最大长度有所规定。国家现行的《建筑桩基技术规范》JGJ94-94(以下简称桩基规范)及《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002(以下简称地基规范)都未对桩的最小长度作出规定。最近,《全国民用建筑工程设计技术措施》(以下简称设计措施)的结构分册指出:由挖孔桩受力特性决定,应优先采用端承桩,其次是摩擦端承桩,不应采用摩擦桩。人工挖孔桩的桩长不宜大于40m,亦不宜小于6m,桩长小于6m的按墩基础考虑,桩长虽大于6m,但L/D<3,亦按墩基计算。设计措施虽然对相应的地基规范和桩基规范有所细化和引伸,但未对墩基础提出计算方法,也未说明墩基础和桩基础的受力机理及本质有何差别。因此,人工挖孔灌注桩和墩基础的差别、墩的最小长度是值得探讨的问题。

桩的词义与墩的词义解释不同,但对于工程上桩和墩,技术文献有它自己的解释。《基础工程手册》指出:钻孔墩和桩的功能一样,这两类基础间的主要区别在于施工方法不同。桩的设置通常是将结构构件打入或振入土中,而使土受挤压。墩基的设置则是先挖好或钻好一个井孔,然后将混凝土灌入孔内。井孔底部可使之扩大,从而形成一种

[3]

所谓“大头墩”。《地基及基础》指出:墩基是就地开出的坑孔内浇灌混凝土而成的深基础。又指出:至于从荷载

2　天然土持力层中的挖孔墩

　　天然土持力层中的挖孔墩为端承墩或摩擦端承墩,由墩端进入持力层中的深度来确定墩身长度。天然土层中的挖孔墩往往采用扩大端部的型式来增大墩的竖向承载能力。墩的持力层是采用承载能力较高的坚硬土层。

天然土中的桩端阻力和桩侧阻力存在着“深度效应”的作用,也就存在着桩端阻力和桩侧阻力的“临界深度”的问题。当基础相对埋深L/d较大时,基底以下的塑性变形区逐渐向基底以上扩展。而L为桩身长度,d为桩身直

[收稿日期]2004-04-27

[作者简介]刘昌忠(1944～),重庆巴南人,副总工

程师,教授级高级工程师。

40

四川建筑　第24卷6期　2004112

　・岩

径。当相对埋深很大时,连续破坏面为一梨形封闭区。从这种破坏图式来看,桩端的极限支持力,不但与桩端下d2深度内的土有关,而且也受到桩端以上d1厚度内土的影响。

一般来说,d1及d2的数值约为几倍桩径。因此,桩端要进入持力层一定的深度,才能保证连续破坏面为一梨形封闭区,并埋于土中而不冒出地面。只有使桩端的承载力能达到最大值,设计中才能充分利用地基坚硬土层的承载能力。否则,连续破坏面不能封闭而反映到地表面,使地面形成隆起,桩端土层不能充分发挥竖向承载力的作用而使桩丧失稳定性。

桩基规范条文说明中,关于桩身进入持力层的深度问题解释为,将桩端设置在土层的临界深度处,有利于充分发挥桩的承载力。砂与碎石类土的临界深度为(3～10)d,随密实度提高而增大;粉土、粘性土的临界深度为(2～6)d,随土的孔隙比和液性指数的减少而增大[5]。

天然土层作持力层的端承挖孔桩,常采用扩大端头的形式。桩端以上d1厚度土的影响数值约为几倍桩扩大端直径D。《设计措施》规定扩大端部的灌注桩的最短桩长为3D,是符合工程的实际情况的。

由于桩长小于6m或L/D<3的人工挖孔桩要按墩基计算,那人工挖孔灌注墩的最大墩身长度就是6m或者L/D为3。对于天然土层作持力层的端承挖孔墩,其墩身最小长度为(2～3)d。天然土层中的人工挖孔墩存在着深度效应问题,在承载能力较高的坚硬土层作持力层的墩的地基承载力要高于同面积的扩展基础的地基承载力,但低于挖孔桩的地基承载力。

设计措施规定人工挖孔桩不应采用摩擦桩,这里就不探讨人工挖孔摩擦灌注桩和墩的桩身(墩身)长度了。

土工程・　

3　岩石地基持力层中的墩

　　岩石地基中的挖孔桩又称嵌岩桩,是在端承型桩的基础上发展起来的一种新型挖孔桩。同样,岩石地基中的挖孔墩也可以称为嵌岩墩。嵌岩墩的特点是墩和岩体连接成一个受力整体,从而极大提高了挖孔墩的承载能力。

嵌岩墩可用在单层建筑的排架结构、多层和高层建筑的框架结构的基础中,也用在多层砖混结构的基础中。框架、排架或框排架的柱端为固定支座,多采用一柱一墩的结构型式。砖混结构的基础梁下也设置单独墩基础。嵌岩墩除承受竖向荷载外,还承受力矩的作用。确定嵌岩墩的墩身长度、确定其墩身最短长度,首先是考虑竖向荷载大小、岩石的地质状况、墩身混凝土抗压强度,还要考虑嵌岩段的受力机理、岩体对桩的嵌固作用、力矩的作用,以及相应的构造要求等因素。

地基规范规定,嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度,不宜小于015m。地基规范条文说明81512条解释道,桩端进入破碎岩石或软质岩的桩,按一般桩来计算桩进入持力层的深度,根据地质条件、荷载及施工工艺确定,宜为桩身直径的1～3倍。显然,嵌岩灌注桩嵌入岩石的深度满足地基规范

相应条文的规定时,地基就能充分保证桩的竖向承载能力。

由于硬质岩体强度超过桩身混凝土强度,设计以桩身强度控制,单桩的承载力就只由桩端处的岩石阻力来承受,无需考虑桩侧阻力和嵌岩侧阻力。破碎岩石或软质岩石的强度低于桩身混凝土强度,也可采用扩大桩端的型式来增大桩的承载力;单桩的承载力由桩端处的岩石阻力和相应的桩侧处的岩石阻力、土层阻力共同组成。

关于地基规范81214条、81512条规定,以及《设计措施》在70页中规定,“一般情况下挖孔桩应设置承台或桩帽”。作为嵌岩灌注桩特殊型式的嵌岩灌注墩也要遵守上述地基规范的相应要求。

岩石层上有覆盖土层时,嵌岩墩墩身长度为墩身进入岩石持力层的深度加上覆盖土层的相应厚度之和。岩石层上没有覆盖土层的挖方区,如果承台底面就是岩石顶面层或者岩石层时,嵌岩墩进入岩石持力层的深度就是墩身的长度。没有覆盖土层的岩石中的墩身长度,这就是所要探讨的嵌岩墩墩身的最小长度。

“一般认为,对于工业与民用建筑来说,岩石地基的容

[6]

许承载力与基础埋深和底面尺寸无关,……”。而地基规范规定,当桩端无沉渣时,桩端岩石承载力特征值和基础岩石地基承载力特征值都是按岩基载荷试验方法或者可根据室内饱和单轴抗压强度计算而确定的。因此,岩石地基中同层次、同位置、同面积的桩端岩石承载力和岩石基础的地基承载力是相同的。岩石地基上的桩端承力和埋置深度无关,不存在天然土层中的桩的“深度效应”问题,只存在和岩石风化程度、岩石构造等有关的问题。岩石地基上墩基础承载力特征值和桩端岩石承载力特征值是一样的,人工挖孔墩端部的岩石承载力特征值可按桩端岩石承载力特征值取用。

嵌岩墩周边嵌入较完整的中风化硬质岩体的深度为1倍墩身直径和嵌岩墩进入破碎岩石或软质岩的深度为1～3倍墩身直径、且不小于1200～1400mm时,按地基规范的规定,墩端岩石的阻力已经能充分满足相应嵌岩墩的竖向承载力的要求。这时,根据相应岩石的地质报告,可以确定嵌岩墩墩端的阻力状况,能够确定墩端进入持力层的深度,从而确定墩身的长度。

嵌岩墩嵌入岩石持力层的深度为1～3倍墩身直径、且不小于1200～1400mm时,其墩体属于长径比为1～3的短粗嵌岩墩体。嵌岩墩墩身混凝土柱体为接近于长细比为1的受压柱体,其混凝土抗压极限强度为立方抗压强度或接近于立方抗压强度。混凝土的立方抗压强度要高于高宽比为3～4的混凝土轴心抗压强度或棱柱受压强度。这就是说,在嵌入岩体深度为1～3倍墩身直径、且不小于1200～1400mm时,嵌岩墩的墩身混凝土抗压强度是最高的,其墩身的竖向承载力是最大的。

挖孔墩嵌入岩石持力层的深度为1～3倍墩身直径、且不小于1200～1400mm时,嵌岩灌注墩嵌入岩体中的受力机理,是和预制混凝土柱插入杯口基础一定深度内、并在柱与杯壁间用高标号混凝土填充密实的状况类似,墩体端部与岩体连接形成一个受力整体。岩体把墩嵌固并成为上

41

四川建筑　第24卷6期　2004112

　・岩土工程・　

工嵌岩灌注墩基础时,嵌岩墩墩身就可以直接作成方形或矩形截面,其惯性矩就更大了,也方便和上部结构的矩形截面柱子相连接,使结构受力更加有利,基础更为稳定。

部柱的固定支座。这时,墩嵌入岩体的深度也能满足上部柱子主筋在基础中的受拉锚固长度所需求的尺寸。

这种短粗的嵌岩灌注墩,符合“不要采用长度小于基

[7]

础宽度的摩擦桩的桩基础设计的原理”,也满足地基规范、桩基规范及其它相应规范关于挖孔桩构造的有关规定。

在岩石地基上建造建筑物,其不包括墩身长度在内的基础埋置深度,还应该满足结构构造的有关要求。

5　结论和建议

　　(1)天然土层中的人工挖孔灌注墩,当采用端承墩基础时,最短墩身长度,特殊条件下可为3倍墩身直径长。当采用扩大端头的端承墩基础时,其墩身最小长度取1倍扩大端直径长。

(2)岩石地基上的人工挖孔灌注墩,其最小墩身长度可取为1～3倍墩身直径长,且在大偏心受压时不小于1400mm,在轴心或小偏心受压时不小于1200mm。

(3)在丘陵、山地平整建设场地时,多为半挖半填。半挖半填中的挖方区,又多为基岩出露,而成为岩石地基。在岩石地基上建造框架、排架结构的建筑物和构筑物时,可以采用短粗的嵌岩灌注墩基础。短粗的嵌岩墩基础,主要有以下两方面的优越性:第一,节省人工和建筑材料,具有经济优势;第二,受力性能更好。嵌岩灌注墩和岩体浇灌成为一个受力整体,提高了承受上部结构全部荷载的能力,并更接近于框架、排架柱结构计算简图中柱端为固接的假设,结构受力性能更好,结构更加稳定可靠。同一结构单元处在半挖半填的地段时,在填方区和挖方区都可以采用嵌岩墩来作岩石地基中的基础,这就能够满足地震区“同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基”的有关规范的规定[9]。

(4)丘陵、山地在平整建设场地时,只要注意不破坏岩石地基的完整性,就可以在挖方区的岩石地基上直接作短粗的人工挖孔嵌岩灌注墩基础,用以建造框架、排架及框排架等结构的建筑物和构筑物。

参考文献

[1][3][7]　温特科恩,方晓阳.基础工程手册[M].中国建

4　嵌岩墩与岩石扩展基础的比较

　　同位置、同层次而底面积又相同的嵌岩墩的竖向承载

能力和岩石地基扩展基础的竖向承载能力是相同的,它们的受力机理和特点却不相同,它们对上部结构所起的作用也是不同的。

基础是结构的支座,支座的计算简图决定于基础的构造。要使基础成为数量众多的框架和排架结构的柱子端部的固定支座,就要求基础在受到竖向荷载和力矩的共同作用时不产生较大的不均匀沉降和转动。

岩石地基的压缩性很小,甚至认为是不可能压缩的。嵌岩墩在竖向荷载作用下沉降很小,满足固定支座对沉降量和沉降差的有关要求。嵌岩墩在嵌入岩体内的深度为1～3倍墩身直径、且不小于1200～1400mm时,墩身混凝土和岩体浇灌成为一个受力整体,墩基础不会发生转动。嵌岩墩对上部柱子起着嵌固作用,是上部框架、排架柱子的固定支座,满足结构计算简图中柱子的支座是固定端的要求。

岩石地基上的扩展基础顶部与上部结构柱子下端浇灌成整体,基础顶部和柱子下端不会发生相对位移和转动。但扩展基础侧面和岩石坑壁间有很大的空间,虽采用天然土回填夯实,当扩展基础受力矩作用时,基础会发生了转角,其值Φ=M/IC<。其中I为基础底面积对其形心的惯性矩,C<为土壤的非均匀压缩系数。岩石地基承载力很高,其基础底面积就不大,甚至还很小,相应的惯性矩就很小。岩石地基压缩性很小,而相应的C<值就比较大。在力矩作用下,基础周边的回填土不能阻止基础的转动势,基础就会发生转动,其转动角度Φ比较大。这时,部分甚至大部分基础底面就会脱离岩石表面,基础就不能把上部柱子端部进行嵌固,不能作为柱子的固定支座,不能满足上部框架、排架结构计算简图中对支座构造的要求。

一般排架结构的基础,要求有足够大的底面积,才能承受上部结构传来的全部荷载[8]。同样,框架结构的基础也要有相当大的底面积,才能承受上部结构传递来的竖向荷载和力矩共同作用的全部荷载。岩石地基上的扩展基础要能够嵌固上部柱子的端部,成为上部结构的固定支座,就要相应加大基础底部面积,加大基础的埋置深度,使基础本身在受到上部结构传来的力矩的作用时不产生较大的转动。这样,就没有充分发挥岩石地基相当高的承载能力。故岩石地基上的扩展基础比嵌岩墩基础加大了工程量和建筑材料用量,增加了建造基础的费用。且在岩石地基上施

　筑工业出版社,19831760,825,818.

[2]　黄强.桩基础工程若干热点技术问题[M].中国建材工业出版

社,7.

[4]　华南工学院四校合编.地基与基础[M].中国建筑工业出版社,

19811335及336.

[5]　JGJ94-94,建筑桩基技术规范[S].185.

[6]　华南工学院四校合编.地基与基础[M].中国建筑工业出版社,

1981,384.

[8]　罗福午.单层工业厂房结构设计[M].清华大学出版社,1990,

48.

[9]　GB500011-2001,建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版

社,2002.

[10]　GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出

版社,2002.

[11]　全国民用建筑工程设计技术措施─结构[M].中国计划出版

社出版,2003.

42

四川建筑　第24卷6期　2004112