大直径人工挖孔桩设计分析

余然

郑州大学综合设计研究院有限公司（450000）

大直径人工挖孔桩设计分析

余然

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介绍了大直径人工挖孔扩底桩的适用条件、设计方法及设计要点。

大直径；人工挖孔；扩底桩；设计

大直径人工挖孔桩可用于地下水位以上的黏性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土、风化岩等，尤其用于山区或上覆土层不太厚且桩端持力层较好的基岩或风化岩地区，能够取得较好的技术经济效益。具体优点如下，一则桩长不会太长，太长不适宜施工，安全性不好；二则能提供较大的单桩承载力，承载力不足时还可增加扩底尺寸提高单桩承载力。根据《建筑桩基技术规范》（以下简称《桩规》）第6.6.5条要求地下水位较高，有承压水的砂土层、滞水层、厚度较大的流塑状淤泥、淤泥质土层中不得选用人工挖孔灌注桩。此类地区地质、施工条件较差，易引发安全和质量事故，因此不得选用此种工艺。

大直径扩底人工挖孔桩的设计分以下几个步骤：

1）确定桩径，根据《桩规》第6.6.5条孔径（不含护壁）不得小于0.8 m，且不宜大于2.5 m。通常可取0.8 m。

2）确定桩长，桩长应根据地质条件确定，即到达硬土层桩端持力层且满足进入持力层的最小深度即可。桩端全断面进入持力层的深度，根据《桩规》第3.3.3.5条对于黏性土、粉土不宜小于2 d，砂土不宜小于1.5 d碎石类土，不宜小于1 d；当存在软弱下卧层时，桩端以下硬持力层厚度不宜小于3 d。在桩端持力层起伏较大的山区，桩长设计一般只给桩长的范围。施工时，现场验收孔底进入持力层的最小深度确定桩的实际桩长。这里要注意每个桩孔都要实地验收。当桩端持力层起伏不平时，最小深度按最低处计算，同一基础，相邻桩的桩底标高差对非嵌岩端承型桩不宜超过相邻桩的中距。

3）确定单桩承载力，一个场地能不能用人工挖孔桩是根据单桩承载力和最小桩间距确定的，单桩承载力可以根据《桩规》第5.3.6条进行计算：

请注意以下两点，首先对于扩底桩变截面以上2 d长度范围不计侧阻力；其次当人工挖孔桩桩周护壁为振捣密实的混凝土时，桩身周长可按护壁外直径计算。

4）按《桩规》4.1.3条确定扩底灌注桩扩底端尺寸。挖孔桩的D/d不应大于3，扩底端侧面的斜率应根据实际成孔及土体自立条件确定，a/hc可取1/4～1/2，砂土可取1/4，粉土、黏性土可取1/3～1/2。抗压桩扩底端底面宜呈锅底形，矢高hb可取(0.15～0.20) D。

实际计算过程举例如下：某项目位于山区，桩端持力层起伏较大，各层土桩的极限端阻力标准值qpk和极限侧阻力标准值qsik见表1。

表1 各层土桩的极限端阻力标准值qpk和极限侧阻力标准值qsik

某孔点土层分布情况见图1，人工挖孔桩桩径0.8 m，桩顶标高为100.0 m，桩端持力层为第④层中风化泥质砂岩层，按桩进入持力层的深度不小于1 d来计算，桩长为100-92.8+0.8=8 m，扩底尺寸D取2 d=0.8×2=1.6 m，a=（1.6-0.8）/2=0.4 m，由于持力层为中风化泥质砂岩层，a/hc可取1/3，hc=0.4×3=1.2 m。实际计算极限侧阻力时的桩长为扩底桩变截面2 d以上长度范围8.0-1.2-0.8×2=5.2 m，其中进入第②层的长度为100-96.4=3.6 m，进入第③层的长度为96.4-92.8=3.6 m，由于计算极限侧阻力时的桩长为5.2 m，所以进入第③层的长度只能按5.2-3.6 m=1.6取用。

单桩承载力特征值计算如下：

以上是单桩承载力特征值的计算过程。在工程设计中，根据具体情况，布桩应能够满足上部结构承载力、施工的安全适用性和经济合理性等要求。基桩的最小中心距应满足《桩规》表3.3.3条的要求，对于排数不少于3排且桩数不少于9根的摩擦型桩基，基桩的最小中心距为2D或D+2.0 m（当D>2 m时），其他情况为1.5D或D+1.5 m（当D>2 m时）。当纵横向桩距不相等时，最小桩间距应满足“其他情况”的要求。基桩布置时，宜使桩群承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合，并使基桩受水平力和力矩较大方向有较大抗弯截面模量。对于桩箱基础、剪力墙结构桩筏(含平板和梁板式承台)基础，宜将桩布置于墙下。对于框架-核心筒结构桩筏基础应按荷载分布考虑相互影响，将桩相对集中布置于核心筒和柱下，外围框架柱宜采用复合桩基，有合适桩端持力层时，桩长可减小。

图1 扩底桩构造

图2 孔点土层分布情况

根据前面单桩承载力计算可知，本例对承载力贡献较大的是极限端阻力。当承载力不能满足上部荷载要求时，加大扩底尺寸是提高单桩承载力比较有效的方法之一。但是，若将扩底不适当应用，则可能走进误区。如：在饱和单轴抗压强度高于桩身混凝土强度的基岩中扩底，是不必要的；在桩侧土层较好、桩长较大的情况下扩底，一则损失扩底端以上部分侧阻力，二则增加扩底费用，可能得失相当或失大于得；将扩底端放置于有软弱下卧层的薄硬土层上，既无增强效应，还可能留下安全隐患；在加大扩底尺寸时，最小桩间距不能太小，太小施工中容易出现塌孔，对安全不利。桩端持力层起伏不平时，同一基础，相邻桩的桩底标高差对非嵌岩端承型桩不宜超过相邻桩的中距。

人工挖孔桩属于灌注桩，应满足规范关于灌注桩的计算和构造要求。在轴心受压承载力计算时，Ψc＝0.90。大直径人工挖孔桩嵌入承台内的长度不宜小于100 mm。

桩基施工时，当桩净距小于2.5 m时，应间隔开挖，相邻排桩跳挖的最小施工净距不得小于4.5 m。并加强护壁工作，按《桩规》要求设置井圈护壁，保证施工安全。护壁的厚度不应小于100 mm，混凝土强度等级不应低于桩身混凝土强度等级，并应振捣密实。护壁应配置直径不小于8 mm的构造钢筋，竖向筋应上下搭接或拉接。井圈顶面应比场地高出100～150 mm，壁厚应比下面井壁厚度增加100～150 mm，上下节护壁的搭接长度不得小于50 mm。在既有建筑邻近施工时，应注意地下水的流失及土的侧向变形，可采用回灌、截水措施或跳挖施工，并进行沉降观测，防止既有建筑出现不均匀沉降而造成裂损。

人工挖孔桩终孔时，应清除护壁上的泥土和孔底残渣、积水，并应逐孔进行终孔验收，终孔验收的重点是持力层的岩土特征。还应用超前钻逐孔对孔底下3 d或5 m深度范围内持力层进行检验，查明是否存在溶洞、破碎带和软夹层等不良地质条件，检验桩数不小于总桩数20%。验收合格后，应立即封底和灌注桩身混凝土,做到及时开挖及时封闭。在地下水疏干状态不佳时，对桩端及时采用低水混凝土封底是保证桩基础承载力的关键之一。基坑表层及周边也应做好排水降水工作。