浅谈混凝土灌注桩设计

1、浅谈混凝土灌注桩设计雷志发摘要笔者通过多个工程的实践，对混凝土灌注桩设计从单桩承载力的计算，桩身强度验算等方面作比较全面的总结，并提出在设计中应注意的构造问题和在施工中得到的体会。关键词桩基设计混凝土灌注桩极限承载力标准值设计值1引言近十年来，笔者有幸参加了广东中山50MW热电厂、广州发电厂期及0号机技术改造、广东番禺梅山50MW电厂以及广州员村电厂和广州造纸厂高压热电站等数项工程基础的混凝土灌注桩设计工作。由于这些工程所在地区的地质条件多属海陵交替混合沉积、第四纪近代浅海沉积、三角洲海流冲积等地层为主。其地表除一层杂填土或耕植土外，下部多有较弱的软土地层，深浅不一，岩层、风化岩层或较好的持力

2、层均在较深处。由于电厂用水量大，厂址均选在离河、海岸很近的地方，这些厂址的原地面多在水下，有很厚的淤泥层，能作持力层的地质层则更深，有的甚至30多米未见基岩。基于这种地质条件，若采用整板基础、片筏基础、箱基以及换土、灌浆等办法并非不行，但经济效果未必好。因为电厂的很多附属建筑物是单层的(如化水车间、生活、消防泵房、引风机室、输煤栈桥等)或层数不多(如主控制楼、材料库、检修间、生产办公楼等均四层以下)，若采用上面所提到的施工方法势必造成经济效益差的结果，同时对沉降量差要求高的构筑物(如电气建筑中的升压站)难以保证质量。为了缩短工期、提高经济效益，针对电厂建筑特点，全部采用桩基。其中在中山50MW

3、热电厂工程中，由于当地附近没有高质量的预制桩生产厂家，加之施工单位的施工习惯以及施工设备所限，该工程的桩基全部采用混凝土灌注桩(主要是锤击沉管灌注桩)，座落在广州市内的广州纸厂工程则由于业主认为预制桩造价高，因此，全部采用了灌注桩(主要有钻孔灌注桩)。其余工程也不同程度地使用了灌注桩基。2混凝土灌注桩分类混凝土灌注桩根据施工方法分成：(1)锤击、振冲沉管混凝土灌注桩；(2)冲孔、钻孔混凝土灌注桩；(3)人工成孔混凝土灌注桩。同预制混凝土桩一样，若按受力条件来区分，则同样可划分成摩擦桩和端承桩两类。实际上就这两类桩的任何一种来说，都是由桩端阻力和桩侧摩擦力共同承受上部荷载的，只不过是每一类桩的侧

4、重方面有所不同，考虑问题的重点不同，从而分成这两种情况的。这一点在单桩承载力计算中，新规范4有明确的规定。按施工方法分成的三种类型桩当中，在桩径规格上有比较明显的区别：锤击、振动沉管灌注桩，桩径较小，一般在320mm480mm的范围内；而挖孔桩，尤其是人工挖孔桩由于受施工条件所限不可能做得太小，一般都在1000mm以上，有的甚至可以大到2000mm以外；钻孔、冲孔桩桩径则处于这两类型桩桩径的中间，大约在600mm1200mm范围内，也有的冲孔桩桩径达到1500mm。人工挖孔灌注桩，由于人工成孔(相对机械成孔而言)在施工安全有保障的前提下，应该是经济的而且桩的质量也很高，但不在本文进行讨论。3桩

5、基设计桩基设计，完整地讲应包括桩身设计和承台设计两部分，其中的桩承台与一般钢筋混凝土结构设计大体相同，下面仅就桩身设计进行分析。3.1单桩承载力的确定由于影响单桩承载能力取值的因素较多，成为一个较为棘手的问题。尽管可以用一个比较简单的公式所表达，但在这个表达式中的桩尖处土的极限端阻力标准值(qpk)及桩周极限侧阻力标准值(qsk)取值变幅较大，只能和实际工程的地质条件和施工情况(如桩径、入土深度、施工方法等)联系起来，才能有较正确的结论，为此规范4有明确的规定：对于一级建筑物，单桩竖向承载力标准值应通过现场静荷载试验确定。在同一条件下的试桩数量不宜少于总桩数的1，并不应少于3根。但对于要求不太

6、高的建筑物(如二级建筑物及以下等级建筑物)在试验资料较少的情况下，亦可参照地质条件相同的试验资料，根据具体情况确定。初步设计时，可用下式估算。即QukdqsikLiqpkAp式中Quk单桩竖向极限承载力标准值，kN；d成桩直径，m；Li桩穿越第i层土的厚度，m；qsik桩周第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；Ap桩端横截面面积，m2；qpk极限端阻力标准值，kPa。在这个公式中，Ap及d都与桩径有关，如何选取桩径呢?有人提出三种选法：第一种取沉管的外径；第二种取桩头的外径；第三种取实际完成径。一般第一种取法桩径偏小，第三种取法难以掌握，根据施工单位所提供的经验，多按第二种取法较能反映实际情况。

7、同样公式中的qsik和qpk两指标选用也比较难把握，由于各地的地质条件不同，加之对土质分析判断和测试手段不尽相同，即使是同一类土也可能有较大的出入，从而影响计算结果的准确性。因此建议在桩基施工较多的地区，在积累有丰富经验的基础上，结合区域地质特点明确单桩承载力的经验值以指导设计，笔者认为一般可按表1估算(供参考)。表1qsik、qpk值经验估算表土的名称土的状态极限侧阻力标准值(kPa)极限端阻力标准值(kPa)备注淤泥1015粘性土0.75110.5010.750.2510.5010.25304542605574678515025035045070080010001200桩端入土不少于10m

8、粉土0.75e0.9e0.7534565675300500650900桩端入土不少于10m细砂中砂粗砂碎石中密、密实中密、密实中密、密实3250457570959001000130014002000220020003000桩端入土不少于10m由于大直径桩端阻力一般呈渐进破坏，因此其极限端阻力随桩径增大而减小，故规范对于较大直径(d800mm)桩的侧阻力和端阻力作适当折减，对砂土，碎石类土其尺寸效应系数（）规定为：（d指成桩直径)上面所谈的是单桩竖向承载力，狭义上来讲，也可以认为就是单桩承载力，因为绝大部分的基础主要承受垂直荷载作用。实际上每个建(构)筑物或多或少都要承受一定量的水平荷载作用，并

9、相应传到基础上，因此就广义而言，单桩承载力还应包括有单桩的水平承载力这个指标。单桩的水平承载力取决于桩的材料强度、截面刚度、入土深度、桩侧土质条件、桩项水平位移允许值和桩顶嵌固情况等因素，宜通过现场试验确定4。除此以外对于承受拉力的桩基，还应有桩的抗拔稳定性验算。3.2桩身强度复核及其构造(1)当端承桩基岩强度极大，由桩身强度决定承载力时，则应验算桩身强度，验算遵照现行规范3执行。即NfcAfyAs式中N单桩桩项轴向力设计值，kN；fc混凝土的轴心抗压强度设计值；A桩身横截面面积，m2；fy纵向钢筋的抗压强度设计值；As全部纵向钢筋的截面面积，m2。上式实际上是一个不考虑桩身纵向弯曲的影响(或

10、说1.0）的钢筋混凝土轴心抗压公式。若当单桩桩顶轴向压力N满足为建筑桩基重要性系数，d为桩身设计直径）的条件时可不配置抗压钢筋，仅需按一定配筋率进行构造配筋。(2)承受水平力作用的桩，若当桩顶水平力满足下式时，则桩身可按构造进行配筋：式中H1桩顶水平力设计值，kN；h综合系数，kN；d桩身设计直径，m；NG按基本组合计算的桩顶永久荷载产生的轴向力设计值，kN；ft混凝土轴心抗拉强度设计值，kPa；A桩身横截面面积，m2；m桩身截面模量的塑性系数。在这个式中，综合系数h是一个带量刚的系数，它与承台下一定深度范围的土层类别以及桩身混凝土强度等级相关，可从规范中查得到。m是桩身截面模量的塑性系数(圆

11、截面m2.0，矩形截面m1.75）。根据规范，对于桩身配筋率小于0.65的灌注桩，可取单桩水平静载试验的临界荷载为单桩水平承载力设计值。(3)抗拔桩全段应通长配筋。4结束语4.1桩基础属于地下隐蔽工程，与建筑地区的工程地质及水文条件发生极其密切的关系，地基上的勘测资料是桩基设计与施工的重要依据，因此一定要牢牢掌握实际地质资料，否则再严密的公式也只是一纸空文，和实际情况相去甚远。4.2灌注桩已得到广泛地采用主要是因为它具有设备简单、施工方便，经济效益较为明显，具有极强的适应性等优点。4.3从多个工程来看，也通过数个打桩队从其它工程了解到：在珠江三角洲一带冲积平原不宜设置摩擦桩，对于沉降控制要求严

12、格的建筑物，若采用摩擦桩则更是要慎之又慎，这是由于受振动、地下水以及该地区特殊地质条件等因素的影响，其沉降量很容易超过容许值而造成质量事故，同时以贯入度作施工控制指标，也极难办得到，因此桩端要支承在可靠的土层上，确保质量。致谢：本文承蒙我院于光圻副总工程师悉心校阅，特此谢忱。作者单位：(广西电力工业勘察设计研究院南宁)作者单位：1朱梅生.软土地基.北京：中国铁道出版社，19892建设部.建筑地基基础设计规范(GBJ789).北京：中国建筑工业出版社，19903中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范(JGJ9494).北京：中国建筑工业出版社，19954建设部.混凝土结构设计规范(GBJ1089)

13、，1996年局部修订条文.北京：中国建筑工业出版社，1996(收稿日期：19990428)2混凝土灌注桩分类混凝土灌注桩根据施工方法分成：(1)锤击、振冲沉管混凝土灌注桩；(2)冲孔、钻孔混凝土灌注桩；(3)人工成孔混凝土灌注桩。同预制混凝土桩一样，若按受力条件来区分，则同样可划分成摩擦桩和端承桩两类。实际上就这两类桩的任何一种来说，都是由桩端阻力和桩侧摩擦力共同承受上部荷载的，只不过是每一类桩的侧重方面有所不同，考虑问题的重点不同，从而分成这两种情况的。这一点在单桩承载力计算中，新规范4有明确的规定。按施工方法分成的三种类型桩当中，在桩径规格上有比较明显的区别：锤击、振动沉管灌注桩，桩径较小

14、，一般在320mm480mm的范围内；而挖孔桩，尤其是人工挖孔桩由于受施工条件所限不可能做得太小，一般都在1000mm以上，有的甚至可以大到2000mm以外；钻孔、冲孔桩桩径则处于这两类型桩桩径的中间，大约在600mm1200mm范围内，也有的冲孔桩桩径达到1500mm。人工挖孔灌注桩，由于人工成孔(相对机械成孔而言)在施工安全有保障的前提下，应该是经济的而且桩的质量也很高，但不在本文进行讨论。3桩基设计桩基设计，完整地讲应包括桩身设计和承台设计两部分，其中的桩承台与一般钢筋混凝土结构设计大体相同，下面仅就桩身设计进行分析。3.1单桩承载力的确定由于影响单桩承载能力取值的因素较多，成为一个较为

15、棘手的问题。尽管可以用一个比较简单的公式所表达，但在这个表达式中的桩尖处土的极限端阻力标准值(qpk)及桩周极限侧阻力标准值(qsk)取值变幅较大，只能和实际工程的地质条件和施工情况(如桩径、入土深度、施工方法等)联系起来，才能有较正确的结论，为此规范4有明确的规定：对于一级建筑物，单桩竖向承载力标准值应通过现场静荷载试验确定。在同一条件下的试桩数量不宜少于总桩数的1，并不应少于3根。但对于要求不太高的建筑物(如二级建筑物及以下等级建筑物)在试验资料较少的情况下，亦可参照地质条件相同的试验资料，根据具体情况确定。初步设计时，可用下式估算。即QukdqsikLiqpkAp式中Quk单桩竖向极限承

16、载力标准值，kN；d成桩直径，m；Li桩穿越第i层土的厚度，m；qsik桩周第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；Ap桩端横截面面积，m2；qpk极限端阻力标准值，kPa。在这个公式中，Ap及d都与桩径有关，如何选取桩径呢?有人提出三种选法：第一种取沉管的外径；第二种取桩头的外径；第三种取实际完成径。一般第一种取法桩径偏小，第三种取法难以掌握，根据施工单位所提供的经验，多按第二种取法较能反映实际情况。同样公式中的qsik和qpk两指标选用也比较难把握，由于各地的地质条件不同，加之对土质分析判断和测试手段不尽相同，即使是同一类土也可能有较大的出入，从而影响计算结果的准确性。因此建议在桩基施工较多的

17、地区，在积累有丰富经验的基础上，结合区域地质特点明确单桩承载力的经验值以指导设计，笔者认为一般可按表1估算(供参考)。表1qsik、qpk值经验估算表土的名称土的状态极限侧阻力标准值(kPa)极限端阻力标准值(kPa)备注淤泥1015粘性土0.75110.5010.750.2510.5010.25304542605574678515025035045070080010001200桩端入土不少于10m粉土0.75e0.9e0.7534565675300500650900桩端入土不少于10m细砂中砂粗砂碎石中密、密实中密、密实中密、密实3250457570959001000130014002000

18、220020003000桩端入土不少于10m由于大直径桩端阻力一般呈渐进破坏，因此其极限端阻力随桩径增大而减小，故规范对于较大直径(d800mm)桩的侧阻力和端阻力作适当折减，对砂土，碎石类土其尺寸效应系数（）规定为：（d指成桩直径)上面所谈的是单桩竖向承载力，狭义上来讲，也可以认为就是单桩承载力，因为绝大部分的基础主要承受垂直荷载作用。实际上每个建(构)筑物或多或少都要承受一定量的水平荷载作用，并相应传到基础上，因此就广义而言，单桩承载力还应包括有单桩的水平承载力这个指标。单桩的水平承载力取决于桩的材料强度、截面刚度、入土深度、桩侧土质条件、桩项水平位移允许值和桩顶嵌固情况等因素，宜通过现场

19、试验确定4。除此以外对于承受拉力的桩基，还应有桩的抗拔稳定性验算。3.2桩身强度复核及其构造(1)当端承桩基岩强度极大，由桩身强度决定承载力时，则应验算桩身强度，验算遵照现行规范3执行。即NfcAfyAs式中N单桩桩项轴向力设计值，kN；fc混凝土的轴心抗压强度设计值；A桩身横截面面积，m2；fy纵向钢筋的抗压强度设计值；As全部纵向钢筋的截面面积，m2。上式实际上是一个不考虑桩身纵向弯曲的影响(或说1.0）的钢筋混凝土轴心抗压公式。若当单桩桩顶轴向压力N满足为建筑桩基重要性系数，d为桩身设计直径）的条件时可不配置抗压钢筋，仅需按一定配筋率进行构造配筋。(2)承受水平力作用的桩，若当桩顶水平力满足下式时，