李　鵬

(中國建筑西南設計研究院有限公司， 重慶 400020)

?

大直徑擴底樁在巖石地基中的應用設計

李鵬

(中國建筑西南設計研究院有限公司， 重慶 400020)

【摘要】擴底樁在當前建筑中應用越來越廣泛，文章針對擴底樁在結構設計中遇到的幾個問題進行了探討。從擴底樁的破壞機理及其自身特點進行分析，提出了在巖石地基中大直徑擴底樁的實用設計方法。巖石地基下，計算擴底樁的單樁承載力時，應考慮擴大頭的尺寸效應進行折減；擴底樁樁身作為上部結構和擴大頭之間的過渡，傳統(tǒng)的樁身配筋偏?。煌ㄟ^擴底樁樁底配筋可以提高單樁承載力。

【關鍵詞】擴底樁；單樁承載力；配筋；巖石地基

近年來，隨著公用和民用建筑不斷向高層、大跨、復雜方向的發(fā)展，大型橋梁、市政工程的快速發(fā)展，對基礎承載力提出越來越高的要求，同時，普通的大直徑直筒樁因其經濟成本過高而不斷受到業(yè)主和設計人員的質疑。這時，大直徑擴底樁因為具有單樁承載力高、經濟效益好、施工質量易控制、施工速度快以及對環(huán)境影響小等優(yōu)點，越來越被廣泛的運用于高層、復雜建筑和市政橋梁工程，在工程地質條件和施工條件允許時常成為基礎工程方案的首選。

1擴底樁的破壞機理[1]

根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》[2]規(guī)定，工程中通常采用的大直徑擴底樁，樁身直徑d一般為0.8～2.0m，擴底直徑D=(2.5～3.0)d，樁長L通常為5～20m。擴底端a/hc一般取1/4～1/2。土質地基中，擴底端底面一般呈鍋底狀，矢高hb取(0.15～0.20)D。擴底樁構造如圖1所示。巖石地基中，由于巖石硬度大，難以開挖成鍋底狀，多采用平直底面。

圖1　擴底樁構造

一般而言，樁基礎破壞模式主要有深層剪切破壞和刺入破壞，擴展基礎破壞模式主要有整體剪切破壞和局部剪切破壞。試驗研究和數(shù)值分析表明，大直徑擴底樁樁端底下的地基變形和破壞模式既不同于擴展基礎，也不同于普通樁基礎。

在豎向外荷載作用下，樁身承受部分摩擦力，擴大頭斜面承受少量拉力，樁底主要承受壓力，擴底端外邊緣的壓應力會對擴大頭形成類似于擴展基礎的剪應力(圖2)。隨著荷載的增大，拉應力區(qū)出現(xiàn)空隙，但由于土體自身的粘聚力作用而不致塌陷。當荷載增大到一定程度，擴底端底面外側地基產生傘形的拉裂縫[1]，同時樁身側面產生滑移，即認為樁基礎已經破壞。整個受力過程中，擴底樁樁端底下的地基土以豎向壓縮變形為主，伴隨有少量側向擠壓，在大變形時也不會形成連續(xù)滑動面。

圖2　擴底樁受力特征

2擴底樁的計算分析

2.1單樁承載力計算

擴底樁是由灌注直筒樁基礎上發(fā)展而來，可以認為是直筒樁基礎與擴展基礎的組合結構，即：樁身為直筒樁，樁腳為擴展基礎，故擴底樁的設計應該是在樁基礎設計原理的基礎上同時考慮擴展基礎的設計要求，綜合評價擴底樁的豎向承載力。

當擴底樁達到極限承載力時，擴大頭側面與巖體間會產生裂隙，巖體無法對樁形成有效的嵌固作用，因此，擴底樁不屬于嵌巖樁，不能按規(guī)范中嵌巖樁的公式計算。根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》第5.3.6條，大直徑灌注樁豎向極限承載力標準值的計算公式為：

(1)

式中:Quk為大直徑灌注樁豎向極限承載力標準值；Qsk為樁側土層的總極限側阻力標準值；Qpk為擴底端底面巖層的極限端阻力標準值。

現(xiàn)場試驗研究表明，大直徑樁樁側摩阻力完全發(fā)揮所需的樁土間相對位移較小，一般只要樁底沉降5～7mm時，無論樁側是黏性土還是無黏性土，樁周摩阻力均可發(fā)揮全部作用[3]。當樁基礎支承在巖石地基上時，一般認為樁基礎無沉降，因此，在確定大直徑擴底樁承載力時，應根據實際情況不考慮樁側摩阻力的影響，取Qsk=0。

對于大直徑直筒樁[5]：

(2)

(3)

(4)

式中:fuk為現(xiàn)場載荷板試驗所得樁端地基極限承載力標準值；Ap為樁端橫截面面積；R為單樁豎向承載力特征值；K為安全系數(shù)；fa為修正后的地基承載力特征值，除強風化和全風化巖石以外，巖石地基不修正[4]；fak地基承載力特征值。

根據試驗研究發(fā)現(xiàn)，當樁頂荷載用擴底直徑進行歸一化處理之后，樁在相同的歸一化應力下，擴底直徑越大，樁底產生的位移也越大。這說明雖然樁底直徑擴大有利于增加樁端承載力，但也會造成單位端阻力減小，存在一定的尺寸效應[6]。因此，應對擴底樁的承載力予以折減。

參照《建筑樁基技術規(guī)范》中對大直徑樁端阻力尺寸效應系數(shù)的規(guī)定，對于巖石地基而言，其折減系數(shù)?。?/p>

(5)

式中:d為樁身直徑；D為擴底直徑。

綜上所述，巖石地基條件下，擴底樁的單樁豎向承載力特征值公式為：

(6)

對于軸心受壓的擴展基礎[4]：

Fk+Gk≥faA

(7)

式中:Fk為相應于作用的標準組合時，上部結構傳至基礎頂面的豎向力值；Gk為基礎自重和基礎上的土重；A為基礎底面面積。

擴底樁是直筒樁基礎與擴展基礎的組合結構，而由擴展基礎的計算公式中可以看出，基底的承載力并沒有折減。同時，工程實例[3]中也發(fā)現(xiàn)，當擴底樁樁底配筋時，承載力明顯高于相同規(guī)格的普通擴底樁。因此，筆者認為，對于擴底樁而言，當樁底配置鋼筋時，尺寸折減系數(shù)可取η=1.0。

2.2樁身正截面受壓承載力計算

根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》第5.8.2條的規(guī)定，當樁頂以下5d范圍的樁身螺旋式箍筋間距不大于100mm時，可以考慮樁身鋼筋的作用。經計算，若樁身配筋率達到0.5 %，樁身鋼筋對承載力的增大效果約為10 %?，F(xiàn)場施工時，間距100mm的螺旋箍施工不方便，一般采用間距100mm的普通圓箍。因此，筆者建議，計算樁身承載力時宜不考慮鋼筋的有利作用，采用規(guī)范中第二個公式：

(8)

式中:Aps為樁身較小直徑處截面面積；其他參數(shù)參照《樁基規(guī)范》。

3擴底樁的配筋構造

3.1樁身配筋構造

根據JGJ94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》第4.1.1條的規(guī)定，當樁身直徑為300～2 000mm時，正截面配筋率可取0.65 %～0.2 %(小直徑樁取高值)。擴底樁樁身直徑一般較小，以800mm直徑的樁身為例，樁身配筋率約為0.52 %。因擴底樁自身的特點，若將擴底端看作是擴展基礎，則樁身相當于豎向構件-框柱。而受壓構件的縱向鋼筋為三級鋼時，最小配筋率為0.55 %[7]。綜合考慮，筆者建議，擴底樁樁身配筋率取0.55 %，同時，根據計算確定樁身配筋。

3.2樁端配筋構造

擴底樁樁底配筋能提高樁底擴大頭部分的抗彎能力，從而極大地提高單樁豎向承載力，但對于機械成孔而言，目前還沒有一種成熟的樁底配筋的裝置和工藝。采用人工挖孔樁時，可考慮采用通過樁底配筋的方式，達到提高單樁豎向承載力的目的。因目前國內外對擴底樁樁底配筋的資料及試驗數(shù)據較少，無法準確確定配筋的數(shù)量和直徑。

根據擴底樁的特點，擴底端側面的傾斜角一般較大(夾角超過60°)，因此，擴底端不存在抗沖切和抗剪的問題，樁底也不會承受彎矩。筆者建議，擴底樁樁底配筋可參照擴展基礎的構造要求，最小配筋率不應小于0.15 %，鋼筋最小直徑不應小于10mm，間距不應大于200mm，也不應小于100mm。

4擴底樁的施工方法簡介

根據擴底端施工方法的不同，擴底樁可分為靜壓(夯擊)擴底樁、機械擴底樁、人工挖孔擴底樁、壓力注漿擴底樁、爆破擴底樁和脹擴體擴底樁。其中，靜壓(夯擊)擴底樁是通過夯擊或配重擠壓土體成形，進而將管內混凝土壓出形成擴大頭；機械擴底樁是利用機械成孔然后在其底端形成擴大頭，再灌注混凝土進行施工；人工挖孔擴底樁是采用人工或簡單的機具進行開挖的方式，施工時應保證作業(yè)人員的安全；壓力注漿擴底樁很好的解決了樁底沉渣問題，能有效提高承載力，減少沉降；爆破擴底樁是利用炸藥在樁孔底部爆炸形成擴大頭的方式；膨脹體擴底樁是把一個由薄壁可折疊鋼管組成的脹擴體放入一個預先鉆好的鉆孔中，注入水泥漿后發(fā)生膨脹，形成擴大頭[8]。

對于巖石地基而言，一般采用機械擴底樁和人工挖孔擴底樁。而爆破擴底樁對地基承載力影響較大，工程中采用較少[8]。

5結束語

針對擴底樁在設計中出現(xiàn)的問題，由于試驗數(shù)據較少且地基種類繁多，目前專家學者尚不能形成共識，筆者查閱資料，給出了自己的一些建議：

(1)計算單樁承載力時，應考慮擴大頭尺寸影響系數(shù)的折減；

(2)傳統(tǒng)樁身配筋偏小，應提高擴底樁樁身的最小配筋率；

(3)有條件時，擴底樁樁底宜配筋。

參考文獻

[1]張聚山，王俊林.擴底墩基礎設計與分析[J].巖土工程學報，1996,18(3).

[2]JGJ94-2008 建筑樁基技術規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]阮華夫，諸岧，張鵬.鉆孔灌注樁擴底樁配筋研究[J]. 城市道橋與防洪，2010(2).

[4]GB50007-2011 建筑地基基礎設計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]DBJ50-200-2014 建筑樁基礎設計與施工驗收規(guī)范[S].

[6]宋仁乾.人工挖孔擴底樁現(xiàn)場試驗研究[J].中國科技信息，2012(3).

[7]GB50010-2010 混凝土結構設計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[8]胡慶紅.大直徑擴底樁試驗研究與數(shù)值分析[D].浙江大學，2007.

[作者簡介]李鵬(1984～)，男，碩士，工程師，主要從事結構設計工作。

【中圖分類號】TU473.1+2

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-01-20