按桩身混凝土强度设计的大直径钻孔嵌岩灌注桩.doc

按桩身混凝土强度设计的大直径钻孔嵌岩灌注桩章履远 (浙江世贸联合投资集团公司 310017)摘 要：通过嵌岩钻孔灌注桩试桩、检验桩成果分析，提出“基体延续论”观点，在一定的设计、施工措施条件下使单桩竖向荷载设计值都可按桩身混凝土满足桩的承载力来设计，从而节省桩基成本。一、 概述 当前大直径钻孔灌注桩的应用量大面广，应用于各种建筑物和构筑物。如何提高大直径钻孔灌注桩的竖向承载力，以降低桩基成本是人们追求目标。上海机械施工公司的多节桩和山西金石基础支盘桩有限公司的挤扩支盘桩都是通过局部扩大桩身截面，从而增加了桩的支承面积，桩身与土层的摩擦面积，从而提高单桩的竖向承载力，以期取得较好的经济效益。上述二种桩型，主要是依靠提高桩身摩阻力，以摩擦为主的摩擦桩或端承摩擦桩。今天我们来探讨的以端承为主的端承桩或摩擦端承桩如何来提高承载能力的问题。笔者通过近几年来的工程实践与分析后认为，这种桩型的桩端必须要有中风化或微风化基岩(硬质岩或软质岩均可) 作为持力层，且基岩的埋深在10m80m以内，在这种条件下，通过技术手段和施工措施，使桩的承载能力大幅度提高，最后达到最大值承载能力按桩身混凝土强度控制。本文着重叙述在桩身混凝土强度满足桩的竖向承载力设计要求时应采用的几个技术措施。二、 考虑问题的思路 1、无论是国家标准的建筑地基基础设计规范GB 500072002、或行业标准的建筑桩基技术规范JGJ9494，决定摩擦端承桩时，钻孔灌注桩的单桩竖向承载力的计算公式总是分为摩擦部分和端承部分。而嵌岩灌注桩二个规范的计算就有区别。行业标准的JGJ9494分得较细，其计算式为QukQskQrkQpk ，即嵌岩部分也分为嵌岩段摩擦阻力和端承部分支承力二部分，并且随嵌岩深度分别作出修正(见规范第40页)；国家标准的GB500072002就比较简单，只要是明确桩端嵌岩在较完整的硬质岩时，可按公式RaqpaAp来确定单桩竖向承载力。近年来，笔者通过几种嵌岩灌注桩，无论是80m长桩，还是20m的短桩，持力层那怕是软质岩或极软岩，在先用规范计算得出承载力情况下再进行实际的静载荷试桩，结果发现二者差别都比较大，表一给出计算值与实际试验值对比。 从表一中所列，21根试验桩及检验桩的试桩验桩值与按规范规定的计算值相比，除少数桩其试桩值达不到计算值外，其余大部分桩试桩值都超过了计算值，有的还大大超过了计算值。如306检验桩，其试验值与计算值相比，已达到2.31比值。其实，许多试验桩，从最终桩顶沉降值来看，有些桩的荷载还能再增加上去，有可能比值会超过3.0，只是由于荷载再加上去，已没有实标意义(即荷载值己超过了按桩身材料抗压强度控制的最大值)或试桩堆载装置已无法再增加荷重而不得不终止加载。 再从表中可以看出一个情况，就是短的桩比值大，而长的桩比值小，但不管是长桩和短桩，只要是嵌岩桩，比值都能提高的。 又从表一中再可看出一个情况，1工程的S1和S2桩，与4工程的SZ1、SZ2、SZ3试验桩，二者的地层情况相似，S1、S2桩的桩端持力层岩石单轴抗压强度标准值(19.4MPa)要比SZ1、SZ2、SZ3桩的桩端持力层岩石单轴抗压强度标准值(6.46MPa)要高，但试验桩极限承载力前者反而比后者要小，且桩顶沉降值前者大于后者很多。这二种桩的唯一不同点，据分析，前者桩底没有注浆，不排除由于桩底不注浆使桩底沉碴过厚而影响到桩底端阻力的发挥(从桩顶沉降过大可知)。 2、表一中可知，所有试验桩和检验桩的一个共性是：所有桩都是嵌岩灌注桩。从试验结果来看，按规范的计算值和实际的静载荷试验值有巨大差别，有的差别还很大，尤其是短桩， 嵌岩桩按规范计算与实际试验对比表 (表一)工程编号试桩号试桩规格(m)入岩深(m)岩 性9494规范计算(kN)实际试验值(KN)试验/计算(比值)桩顶沉降(mm)说 明1工程 S11.064.01.0中微风化凝灰岩(19.4Mpa97111.82桩底未注浆 S21.063.31.013454130500.9778.822 工 程G10.841.418.9中风化砂砾岩(5.2MPa)16000120000.754.01G20.835.413.512477120000.963.26G30.835.313.112216120000.984.09G40.826.0 2.4 5751120002.095.00桩底注浆G50.826.3 2.4 5751120002.093.96G60.826.3 2.4 5751120002.094.804550.817.9 2.4 4844100002.066.043701.019.2 2.4 6783150002.215.902650.842.8强风化砂砾岩 9234100001.0926.18桩底未注3060.919.0 2.4中风化砂砾岩(5.2MPa) 5629130002.316.52桩底注浆 161.227.0 2.411920150001.265.40 3 工 程 S11.024.8 5.0中风化砂砾岩(5.2MPa) 7331150002.057.59 S21.024.55.0 7345150002.046.98 S31.034.44.0 9607135001.415.31 S41.026.76.0 8874150001.697.014工程SZ11.180.334.4中微风化泥质粉砂岩或晶屑凝灰岩(7.9711.2Mpa1924.11SZ21.178.963.314574180001.2423.80SZ31.076.823.013136150001.1419.855 S21.059.82.5泥质粉砂岩(6.46MPa3045.18注一：扩底桩，扩底直径到1.6m；注二：扩底桩，扩底直径到2.0m；注三：扩底桩，扩底直径到1.8m无法用规范计算来得到解释。这种事实的存在就为我们提出了一个新的实际问题：只要是嵌岩灌注桩，当采用某些技术措施后，都能达到按桩身混凝土强度满足桩的竖向承载力来进行单桩设计，可以忽略规范的计算估算值。为什么要提出这种说法呢？这是基于对新型嵌岩灌注桩重新认识的一种新的理论笔者暂称其为“基体延续论”，即第三系基岩，通过钢筋混凝土材料，将基岩延续提升到地面，而基岩是埋藏在地底下的无限大的连续整体，在四周约束状态下，岩体是压不碎的，桩体给基岩的加载过程只能是钢筋混凝土桩体材料的破坏，亦即形成了嵌岩灌注桩都可以按桩身混凝土强度满足桩的承载力来进行单桩设计。桩身越短，这种经济价值越明显，直到嵌岩灌注长桩的桩侧摩阻力超过了桩身材料抗压强度提供承载力后，这种优势才消失掉。当然，嵌岩灌注桩要按桩身混凝土强度满足桩的竖向承载力来进行单桩设计，还必须要有一定的技术措施来保证才能实现。三、 按桩身混凝土强度满足桩的承载力来 进行单桩设计的设计措施和施工措施 1、施工工艺技术：首先，钻孔灌注桩应采用泥浆反循环施工工艺技术，这是因为泥浆反循环施工工艺能保证在钻头进入基岩后，被钻头切削或压碎下来的大小岩石碴体，立即从孔底跟着泥浆被抽吸上来，排入泥浆池中，孔底没有沉碴沉殿。而泥浆正循环工艺就做不到，就不能保证孔底沉碴小于规范要求。其次，孔底沉碴清除，不管是泥浆反循环工艺施工的桩，还是泥浆正循环施工的桩，在浇灌水下混凝土前均必须采用反循环(泵吸或气举)来消除孔底可能有的沉碴，从而保证了水下混凝土与桩底持力层岩面的紧密结合，不会因为孔底有沉碴而影响到桩底承载能力的发挥。 2、采用孔底注浆技术：对于嵌岩灌注桩，这项技术仅仅是一项辅助技术，在保证孔底沉碴为0时，注浆是没有意义的。但是施工时清除孔底沉碴此项工作，由于施工人员素质参差不齐，会有一些素质低下人员，在监督不严情况下偷工而造成清碴不彻底，再或，清碴以后，由于多种原因，使初灌混凝土时间延长，孔底又产生新的沉碴，孔底沉碴加厚，使桩身混凝土与持力层基岩面脱节，使岩体延续产生疏松夹层，桩的承载能力降低。为避免此类情况发生，不管清底是否彻底，一律使用孔底注浆技术，从面保证有沉碴的桩底，也能做到桩身与基岩的紧密结合。笔者在第2号工程中对20根桩进行了岩性钻探取样，以验证桩身强度及嵌岩完好程度，其情况详见表二。 嵌岩桩钻芯取样捡验一览表 (表二)桩号桩直径(m)桩长度(m)取芯孔深(m)孔底沉碴(mm)取芯砼抗压强度(MPa)基岩与桩身胶结情况备 注260.920.4320.70051.6与岩石胶结紧密291.227.0727.58048.9与岩石胶结紧密481.427.032.80035.8与岩石胶结紧密1280.919.6720.00055.7与岩石胶结紧密1680.919.3319.50049.8与岩石胶结紧密2950.821.2522.00044.1与岩石胶结紧密3900.817.3519.20050.1与岩石胶结紧密4430.817.8718.00045.6与岩石胶结紧密4670.919.4419.60039.7与岩石胶结紧密47-11.227.0131.34038.9与岩石胶结紧密47-21.227.0131.25043.9与岩石胶结紧密820.817.6020.10044.4与岩石胶结紧密841.019.0422.75051.0与岩石胶结紧密1540.817.7620.20047.8与岩石胶结紧密1750.918.0321.10045.7与岩石胶结紧密2271.018.7822.16048.9与岩石胶结紧密3150.819.3221.70039.2与岩石胶结紧密4091.017.9521.80044.6与岩石胶结紧密4420.817.4820.00039.0与岩石胶结紧密4690.916.4020.45049.5与岩石胶结紧密 注：1、20根取芯桩是从500多根工程桩中，按随机、该桩重要性、有怀疑的原则抽取；2、钻孔灌注桩桩身混凝土强度等级为C35；3、检验报告指出，未见断桩、松散、沉碴、夹泥等不良现象，岩石与桩身混凝土胶结紧密，岩石抗压强度平均为11.2MPa(勘测报告提供设计抗压强度特征值为5.2MPa)。 从表二中所列20根桩的检验纪录，足以验证了嵌岩灌注桩，采用了泥浆反循环施工工艺、泥浆反循环清底工艺及孔底注浆等三个工艺技术，为能达到桩身与基岩能紧密结合的保证措施，是有效的，是必要的。 3、基岩的抗压强度要超过桩按桩身强度设计时对基岩抗压强度要求：桩身混凝土强度为C35、C40的钻孔灌注桩，按桩身强度满足桩的承载力，其桩的竖向力设计值可按式QApfCC分别计算如下：(采用0.8m直径桩)C35的为：Ra16.7N/mm2800mm800mm/40.75876kN；C40的为：Ra19.1N/mm2800mm800mm/40.76920kN。若按端承桩受力性状来分析，桩的竖向承载力应该由桩端与基岩接触部分的基岩来承担，也就是说，基岩的压强必须满足按承载力设计值的二倍对基岩产生的压强，同样按0.8m直径桩来计算：基岩压强fr25876kN(0.8m0.8m/4)23.38MPa(C35)； fr26720kN(0.8m0.8m/4)26.74MPa(C40)。当基岩为软岩时，就不能满足上述要求，那么基岩在软岩条件下(fr30MPa)，若按桩身混凝土强度满足桩的承载力进行单桩设计时，必须采取如下二项措施：其一：采用钻孔扩底桩，增加基岩接触面积，如上述2号工程，基岩为软岩，岩石抗压强度为5.2MPa，不能满足23.38MPa的压强要求，当采用桩底扩大一倍桩径后，基岩的抗压强度为：25876kN(1.6m1.6m/4)5.84MPa，基本满足要求；其二：加深桩端嵌岩段长度。按建筑桩基技术规范JGJ 9494的建议值，桩端阻力由嵌岩段侧壁摩阻力和端阻力分别承担，当基岩的抗压强度不能满足桩身传来的压力时，以加长嵌岩段长度，增加嵌岩段侧壁摩阻力，减小对基岩的抗压，应该是有效的。问题是嵌岩段加长多少才合理。参照JGJ9494规范，以2号工程地质情况为参考，选择0.8m直径桩为计算依据，嵌岩段选择长度为5.0m，其嵌岩段摩阻力为：0.8m0.055200KPa5.0m3266kN，该桩按桩身混凝土强度满足桩的承载力的设计值为5876kN(C35等级)，扣除嵌岩段侧壁摩阻力后，对基岩的压力为：(5876KN3266kN)(0.8m0.8m/4)5189KPa，基岩抗压强度能满足要求。由此，软岩的嵌岩段长度建议按下图取值。 岩石压强(MPa) 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0嵌入基岩桩 0 1 2 3 4 5 直径的倍数 2号、3号、4号工程均为软岩，2号工程采用扩底桩(5.2MPa)，3号工程采用嵌入基岩46倍桩径长度(5.2MPa)、4号工程选择3倍桩径长度(7.9711.2MPa)，经过静载荷试桩，试桩成果全都满足要求(见表