林寶磊

摘要：鉆孔灌注樁作為一種重要的地基處理方法，在現(xiàn)代土木工程中得到廣泛應(yīng)用，其承載力參數(shù)的準(zhǔn)確取值對工程的安全性和穩(wěn)定性具有關(guān)鍵性影響，因此深入探討鉆孔灌注樁單樁承載力參數(shù)取值的影響因素，以提高工程設(shè)計和施工的可靠性。介紹了單樁承載力的計算方法，分析了地質(zhì)條件、樁身材料、樁徑和樁長、成樁工藝以及荷載條件和邊界條件對單樁承載力參數(shù)的影響。通過工程實證研究，采集了實際工程數(shù)據(jù)，對鉆孔灌注樁單樁承載力參數(shù)取值的影響因素進行了實證研究。

關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁；單樁承載力；參數(shù)取值；影響因素

一、前言

鉆孔灌注樁作為一種常用的基礎(chǔ)形式，在工程中具有廣泛應(yīng)用。單樁承載力是鉆孔灌注樁設(shè)計和施工中的重要參數(shù)，其取值直接影響到工程的安全性和經(jīng)濟性[1-2]。然而，鉆孔灌注樁單樁承載力參數(shù)的取值受到多種因素的影響，如地質(zhì)條件、樁身材料、樁徑和樁長、成樁工藝以及荷載條件和邊界條件等。因此，研究鉆孔灌注樁單樁承載力參數(shù)取值的影響因素具有重要意義。本文旨在探討鉆孔灌注樁單樁承載力參數(shù)取值的影響因素，并通過工程實證研究驗證分析結(jié)果的可靠性和局限性，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考和借鑒。

二、鉆孔灌注樁單樁承載力參數(shù)取值概述

（一）鉆孔灌注樁的概念和特點

鉆孔灌注樁是一種地基工程技術(shù)，其基本概念是通過在地下形成孔洞，然后將混凝土灌注到孔洞中，形成承載樁。具有構(gòu)造簡單、施工靈活、適用于各種地質(zhì)條件以及可承受大荷載等特點，鉆孔灌注樁在建筑、橋梁、港口和其他工程中被廣泛使用[3]。

（二）單樁承載力的計算方法

單樁承載力的計算方法主要有靜載試驗法、動力觸探法、經(jīng)驗公式法、理論計算法等幾種方式[4]，在實際工程中，單樁承載力的確定通常需要采用多種方法進行綜合分析和比較，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.靜載試驗法：靜載試驗法是最直接、最可靠的單樁承載力確定方法。通過在樁頂施加逐漸增大的荷載，并觀測樁的沉降，可以得到荷載－沉降（Q-s）曲線。根據(jù)曲線確定單樁的極限承載力，即在荷載不再增加的情況下，樁的沉降量突然增大的點所對應(yīng)的荷載值。靜載試驗法可以分為慢速維持荷載法和快速維持荷載法兩種，前者加載速度較慢，后者加載速度較快。

2.動力觸探法：動力觸探法是一種間接的單樁承載力確定方法。利用動力設(shè)備將一定質(zhì)量的重錘提升到一定高度后自由落下，沖擊樁身，通過測量樁身應(yīng)力波的傳播速度和反射波的特征來推斷單樁承載力。動力觸探法可以分為輕型動力觸探和重型動力觸探兩種，前者適用于軟弱土層，后者適用于堅硬土層。

3.經(jīng)驗公式法：經(jīng)驗公式法是一種簡便、快速的單樁承載力確定方法。是在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的經(jīng)驗公式，可以直接用于單樁承載力的計算。例如，挖孔樁法中的單樁承載力計算公式為：

Q = σcAc + qA0 + 0.5γBpAp

其中：σc為混凝土抗壓強度；Ac為樁身截面面積；q為樁周土的摩擦力；A0為樁底截面面積；γB為樁周土的重度；Bp為樁的計算寬度；Ap為樁的計算截面面積。

4.理論計算法：理論計算法是一種基于力學(xué)原理的單樁承載力確定方法。通過建立樁基的力學(xué)模型，采用彈性理論、塑性理論、極限平衡法等力學(xué)方法進行計算，可以得到單樁的極限承載力。理論計算法的優(yōu)點是可以考慮多種因素的影響，如土層性質(zhì)、樁的類型、荷載形式等，計算結(jié)果具有較高的精度和可靠性。

三、參數(shù)取值影響因素分析

（一）地質(zhì)條件的影響

地質(zhì)條件是影響鉆孔灌注樁單樁承載力的重點，在設(shè)計和施工過程中，需要對地質(zhì)條件進行詳細(xì)的勘察和分析，以便合理確定單樁承載力參數(shù)和采取相應(yīng)的處理措施[5]。例如，在軟弱土層中，施工的鉆孔灌注樁可以采用擴大樁徑、增加樁長、采用預(yù)應(yīng)力混凝土等技術(shù)措施來提高單樁承載力；在堅硬土層中，施工的鉆孔灌注樁可以采用小直徑、短樁等技術(shù)措施來降低成本和提高施工效率。

地質(zhì)條件對單樁承載力的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.土層性質(zhì)：土層性質(zhì)是影響鉆孔灌注樁單樁承載力的關(guān)鍵因素，不同的土層具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)和承載能力。軟弱土層的強度低、壓縮性大，鉆孔灌注樁在軟弱土層中的嵌固深度有限，因此單樁承載力會受到限制。而堅硬土層的強度高、變形小，鉆孔灌注樁在堅硬土層中的嵌固深度較大，因此單樁承載力較高。

2.地下水位：地下水位的高低會影響鉆孔灌注樁的施工和樁的承載能力。地下水位較高時，會增加樁周土的側(cè)壓力和水浮力，從而減小單樁承載力。地下水位的變化還可能引起土層的液化或軟化，進一步減小單樁承載力。

3.土層分布：土層分布的不均勻性會對鉆孔灌注樁的單樁承載力產(chǎn)生影響。例如，在多層土層中，如果某一層土的強度較低或壓縮性較大，會成為鉆孔灌注樁的薄弱部位，從而減小單樁承載力。此外，土層分布的不均勻性還可能導(dǎo)致鉆孔灌注樁在施工過程中出現(xiàn)偏斜或斷裂等情況，進一步影響單樁承載力。

4.地質(zhì)構(gòu)造：地質(zhì)構(gòu)造如斷層、節(jié)理、裂隙等會對鉆孔灌注樁的單樁承載力產(chǎn)生影響。例如，在斷層附近施工的鉆孔灌注樁，可能會受到斷層帶的影響而產(chǎn)生不均勻沉降或破壞。

（二）樁身材料的影響

樁身材料是影響鉆孔灌注樁單樁承載力的另一個重要因素，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.混凝土的影響

混凝土是鉆孔灌注樁中最常用的樁身材料，其質(zhì)量直接影響樁身的強度和耐久性，對單樁承載力具有重要影響。以下是對混凝土影響的詳細(xì)敘述：

（1）混凝土強度：混凝土的強度是影響鉆孔灌注樁單樁承載力的關(guān)鍵因素，一般來說混凝土的強度越高，鉆孔灌注樁的單樁承載力也越高。

（2）混凝土齡期：混凝土的齡期是指從澆筑完成到達到設(shè)計強度所需的時間。在混凝土齡期內(nèi)，混凝土的強度和承載能力會逐漸增長。

（3）混凝土質(zhì)量：混凝土的質(zhì)量受到水泥、骨料、外加劑等原材料的影響。如果混凝土的質(zhì)量不好，會導(dǎo)致樁身出現(xiàn)裂縫或破損，從而影響單樁承載力。

2.鋼筋的影響

鋼筋是增強混凝土樁身承載能力的常用材料，在鉆孔灌注樁中，鋼筋主要用于增強樁身的抗壓、抗剪和抗彎能力。

（1）鋼筋種類和規(guī)格：不同種類和規(guī)格的鋼筋具有不同的力學(xué)性能和承載能力。在設(shè)計和施工過程中，需要根據(jù)工程要求和地質(zhì)條件合理選擇鋼筋的種類和規(guī)格。

（2）鋼筋數(shù)量和布置：鋼筋的數(shù)量和布置直接影響鉆孔灌注樁的單樁承載力。鋼筋的數(shù)量越多、布置越密，鉆孔灌注樁的單樁承載力越高。

（3）鋼筋連接質(zhì)量：在鉆孔灌注樁的制作過程中，需要將鋼筋連接起來。如果鋼筋連接的質(zhì)量不好，會導(dǎo)致鋼筋斷裂或脫落，從而影響單樁承載力。

3.環(huán)境的影響

鉆孔灌注樁的施工和使用過程中會受到各種環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度、地下水等。

（1）溫度：溫度變化會引起混凝土的收縮和膨脹，從而導(dǎo)致樁身產(chǎn)生裂縫或變形。

（2）濕度：濕度變化會引起混凝土的吸水或失水，從而導(dǎo)致樁身產(chǎn)生膨脹或收縮。

（3）地下水：地下水會對鉆孔灌注樁的施工和使用產(chǎn)生影響。如果地下水位較高，會增加樁周土的側(cè)壓力和水浮力，從而減小單樁承載力。此外地下水還可能對混凝土產(chǎn)生腐蝕作用，影響樁身的耐久性和承載能力。

（三）成樁工藝的影響

成樁工藝是影響鉆孔灌注樁單樁承載力的另一個重要因素。不同的成樁工藝會對鉆孔灌注樁的單樁承載力產(chǎn)生不同的影響。以下是對成樁工藝影響的詳細(xì)敘述：

1.振動沉管灌注成樁工藝

振動沉管灌注成樁工藝適用于黏性土、粉土、淤泥質(zhì)土、人工填土及無密實厚砂層的地基。該工藝采用振動沉管的方式成樁，對樁間土具有擠（振）密效應(yīng)。但是，該工藝難以穿透厚的硬土層、砂層和卵石層等。在飽和黏性土中成樁時，會造成地表隆起，擠斷已打樁，且振動和噪聲污染嚴(yán)重，在城市居民區(qū)施工受到限制。在夾有硬的黏性土?xí)r，可采用長螺旋鉆機引孔，再用振動沉管打樁機制樁。

2.長螺旋鉆孔灌注成樁工藝

長螺旋鉆孔灌注成樁工藝適用于地下水位以上的黏性土、粉土、素填土、中等密實度以上的砂土。該工藝采用長螺旋鉆孔的方式成樁，具有穿透能力強、無振動、低噪音、無泥漿污染等特點。但是，該工藝要求樁長范圍內(nèi)無地下水，以保證成孔時不塌孔。

3.長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料成樁工藝

長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料成樁工藝是國內(nèi)近幾年來使用比較廣泛的一種新工藝。該工藝適用于黏性土、粉土、砂土等地基，以及對噪音及泥漿污染要求嚴(yán)格的場地。該工藝采用長螺旋鉆孔的方式成孔，然后通過管內(nèi)泵壓混合料的方式成樁。

4.泥漿護壁鉆孔灌注成樁工藝

泥漿護壁鉆孔灌注成樁工藝適用于黏性土、粉土、砂土、人工填土、碎石（礫）石土及風(fēng)化巖層分布的地基，以及對振動噪音要求嚴(yán)格的場地。該工藝采用泥漿護壁的方式成孔，然后通過灌注混凝土的方式成樁。該工藝鉆孔速度較快，但是泥漿對場地的污染嚴(yán)重，影響后續(xù)孔的施工，且往往孔底沉渣較大也會影響成樁質(zhì)量。

（四）樁徑和樁長的影響

在選擇和設(shè)計鉆孔灌注樁時，需要根據(jù)工程要求和地質(zhì)條件綜合考慮樁徑和樁長的影響。在保證安全性的前提下，盡可能選擇經(jīng)濟合理的樁徑和樁長，才能最大限度發(fā)揮鉆孔灌注樁的承載能力和經(jīng)濟效益。

1.樁徑的影響

一般情況下，鉆孔灌注樁的樁徑越大，其單樁承載力越高。這是因為樁徑越大，樁身的截面面積和側(cè)摩阻力也會越大。但是，過大的樁徑會增加樁身的自重和成本，同時也會增加施工難度和風(fēng)險。

2.樁長的影響

鉆孔灌注樁的樁長對其單樁承載力有很大影響。一般來說樁越長，其側(cè)摩阻力會越大，從而提高單樁承載力。過長的樁會增加施工難度和風(fēng)險，同時也會增加成本。此外，當(dāng)樁長很大時，樁頂在一定外荷載的作用下，沿樁身的側(cè)摩阻力并不能夠完全發(fā)揮，就已經(jīng)把樁頂荷載抵消完了。

（五）荷載條件和邊界條件的影響

在選擇和設(shè)計鉆孔灌注樁時，需要考慮荷載條件和邊界條件的影響。在保證安全性的前提下，盡可能選擇經(jīng)濟合理的荷載條件和邊界條件，才能最大限度發(fā)揮鉆孔灌注樁的承載能力和經(jīng)濟效益。

1.荷載條件的影響

鉆孔灌注樁所承受的荷載條件是影響其單樁承載力的關(guān)鍵因素之一。荷載條件包括荷載的大小、分布和加載方式等。一般來說，荷載越大，鉆孔灌注樁的單樁承載力越高。但當(dāng)荷載過大時，可能會導(dǎo)致樁身被破壞或失穩(wěn)。荷載的分布和加載方式也會影響鉆孔灌注樁的單樁承載力。

2.邊界條件的影響

邊界條件是指鉆孔灌注樁周圍的土壤條件和地下水條件等。土壤條件和地下水條件會影響鉆孔灌注樁的側(cè)摩阻力和端阻力，從而影響其單樁承載力。在軟土地基中，鉆孔灌注樁的側(cè)摩阻力會比較小，而在硬土地基中，側(cè)摩阻力會比較大。地下水位的高低和分布也會影響鉆孔灌注樁的單樁承載力。

四、工程實證研究

（一）工程概況

以一個工程項目為例進行實證分析，該工程總占地面積約為10萬平方米，總建筑面積約為50萬平方米，旨在建設(shè)大型建筑群。為了確保基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，采用了鉆孔灌注樁作為地基處理方案，共計安裝了200根鉆孔灌注樁。這些樁的直徑為800mm，樁長根據(jù)地質(zhì)條件的不同在20—40m之間變化。

（二）數(shù)據(jù)采集及處理（見表1、表2、表3）

（三）單樁承載力設(shè)計計算表達式

單樁承載力的設(shè)計計算表達式通常依賴于不同的理論方法和規(guī)范，以下是一個常見的表達式示例，基于極限承載力理論：

Qult = Ap * σp + Af * τf + As * τs + P

其中：Qult -- 單樁的豎向極限承載力，單位為千牛頓（kN）。

Ap -- 樁身的有效截面積，單位為平方米（m?），用于考慮樁身的承載能力；

σp -- 樁身的抗拉強度，單位為帕斯卡（Pa），通常為混凝土的抗拉強度；

Af -- 樁底截面的有效面積，單位為平方米（m?），用于考慮樁底的承載能力；

τf -- 樁底土的極限抗剪強度，單位為帕斯卡（Pa）；

As -- 樁側(cè)面積，單位為平方米（m?），用于考慮樁身的側(cè)摩阻力；

τs -- 土與樁身的極限側(cè)摩阻力，單位為帕斯卡（Pa）；

P -- 垂直荷載作用在樁頂?shù)暮奢d，單位為千牛頓（kN）。

公式考慮了樁身的承載能力、樁底的承載能力以及樁身的側(cè)摩阻力，其中抗拉強度、抗剪強度和側(cè)摩阻力是與土壤和材料特性相關(guān)的參數(shù)。具體的參數(shù)值和修正因子將根據(jù)項目的地質(zhì)情況和樁的幾何特征而變化。

（四）單樁設(shè)計樁長的確定

單樁的設(shè)計樁長通常根據(jù)地質(zhì)條件和工程要求來確定。以下是計算示例，其中涉及了單樁承載力的計算和設(shè)計樁長的確定。

1.假設(shè)條件

（1）工程要求的單樁極限承載力（Qult）= 1000 kN。

（2）地下土層有兩層：上層為粉質(zhì)黏土，下層為堅硬的巖石。

（3）樁直徑（D）= 800 mm。

（4）土壤參數(shù)：粉質(zhì)黏土的抗剪強度（τf）= 50 kPa，巖石的抗剪強度（τr）= 2000 kPa。

（5）安全系數(shù)（Φ）= 0.6。

2.計算過程

（1）計算樁身的抗拉強度（σp）：

σp = Φ * τr = 0.6 * 2000 kPa = 1200 kPa

（2）計算樁底截面的有效面積（Af）：

Af = （π * D2） / 4 = （π * （0.8 m）2） / 4 ≈ 0.5027 m?

（3）計算樁底土的極限抗剪強度（τs）：

τs = τr = 2000 kPa

（4）使用單樁承載力計算表達式計算樁底的承載能力（Qbase）：

Qbase = Af * τs = 0.5027 m? * 2000 kPa = 1005.4 kN

（5）使用單樁承載力計算表達式計算樁身的承載能力（Qshaft）：

Qshaft = Ap * σp = （π * （0.8 m）2 / 4） * 1200 kPa = 3015.72 kN

總承載能力（Qtotal）= Qbase + Qshaft = 1005.4 kN + 3015.72 kN = 4021.12 kN

（6）比較總承載能力和工程要求的單樁極限承載力，確定是否滿足要求：

Qtotal ≥ Qult

4021.12 kN ≥ 1000 kN

由于總承載能力（4021.12 kN）大于工程要求的單樁極限承載力（1000 kN），所以所選的樁長是合適的，滿足工程要求。

五、結(jié)語

鉆孔灌注樁作為一種重要的地基處理技術(shù)，在各種工程項目中得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)果表明，地質(zhì)條件、樁身材料、成樁工藝、樁徑和樁長、荷載條件和邊界條件等多種因素對單樁承載力參數(shù)具有顯著影響，同時本研究建立了單樁承載力設(shè)計計算表達式，并確定了單樁設(shè)計樁長，為鉆孔灌注樁的設(shè)計和施工提供了參考依據(jù)。

參考文獻

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作者單位：大慶油田水務(wù)工程技術(shù)有限公司

責(zé)任編輯：尚丹