浅析膨胀土地基处理中大直径素混凝土桩设计

陈 帅 ，邹欣志

（1.四川省地质矿产勘查开发局一〇九地质队，四川成都 610000；2.核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610000）

0 引言

大直径素混凝土桩是指由机械或人工成孔，直径大于600mm（有别于桩基规范要求的800mm）、长径比大于等于6.0、长度不小于4.0m 的混凝土增强体，或等体积置换岩土体的素混凝土柱体，以及构造型配筋的混凝土增强体的统称。随着城市建设由中心向外围不断扩张，高层建筑与深基坑项目越来越多，以成都为例，东部新区的快速发展面临许多特殊的工程建设问题，由于平原东部土层通常含有膨胀土成分，对地基处理的要求很高，大直径素混凝土桩是解决这类问题的重要手段，尤其是在《四川省大直径素混凝土复合地基技术规程》（DBJ51/T 060—2016）颁布以后，越来越多的高层建筑使用大直径素混凝土桩复合地基，本文以成都某项目为例，从设计入手，对大直径素混凝土桩的设计进行详细介绍，为同类型项目提供参考。

1 项目概况

本项目场地地貌单元属岷江水系Ⅲ级阶地。根据岩土工程勘察报告，场地内主要由第四系全新统人工堆积层Q4ml填土（杂填土），第四系中下更新统冰水堆积层（Q1+2fgl）黏土、含卵石黏土，白垩系上统灌口组（K2g）泥岩组成。

本工程主要共10 栋高层住宅楼、2 个门房以及2 层地下室组成。根据最新的设计图纸，本工程±0.000 相当于绝对高程506.15m。1#、2#、4#、9# 楼主楼垫层底标高为-10.50m（相当于绝对高程 495.65m），3#、5#、6#、7# 楼主楼垫层底标高为-10.60m（相当于绝对高程495.55m），8#、10# 楼主楼垫层底标高为-10.70m（相当于绝对高程495.45m）。1#～10#楼主楼结构拟采用筏板基础，设计要求：复合地基承载力特征值fspk≥450kPa，复合地基的压缩模量≥15MPa（见表1）。

2 大直径素混凝土桩设计

2.1 设计参数的选取

桩径：取d=1000mm。

复合地基加固处理对象为基底至强风化泥岩层之间的黏土层。根据勘察报告提供的设计参数：中等风化泥岩层桩端阻力特征值取1200kPa，强风化泥岩层桩端阻力特征值取700kPa，中等风化泥岩层桩侧阻力特征值取300kPa，强风化泥岩层桩侧阻力特征值取160kPa，含卵石黏土层桩侧阻力特征值取55kPa，黏土层桩侧阻力特征值按系数0.7 折减取35kPa，黏土层地基承载力特征值取150kPa。设计采用强风化泥岩作为桩端持力层，桩端阻力特征值取700kPa，桩端进入持力层不应小于2 倍桩径。设计采用桩间土为含卵石黏土和黏土层，桩间土地基承载力特征值综合取150kPa。

2.2 单桩竖向承载力

式中：fcu-桩体材料试块标准养护28d 立方体抗压强度平均值；λ-单桩承载力发挥系数，此处取0.90；Ra-增强体单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap-桩的截面积。

根据经验，并考虑到旋挖成孔及水下浇筑工艺的特殊性，桩体混凝土强度取C25，用公式（1）计算出Ra为8846.4kN。

表1 岩土的工程特性指标建议值

表2 单桩承载力特征值计算

表5 复合地基承载力和压缩模量验算

表6 最小桩长验算

式中：Ra-增强体单桩竖向承载力特征值（kN）；up-桩的周长；qsi-桩周第i 层土的侧阻力特征值（kPa）；lpi-桩长范围内第i 层土的厚度（m）；αp-桩端端阻力发挥系数，此处取0.90；qp-桩端端阻力特征值（kPa）。

对含卵石黏土的桩侧阻力特征值取55kPa，黏土的桩侧阻力特征值取35kPa，强风化泥岩的桩侧阻力特征值取160kPa，强风化泥岩层桩端阻力特征值取700kPa。据公式（2）选取每栋楼的最不利钻孔进行计算，其单桩承载力特征值结果如表2 所示。

根据公式（2）计算的单桩竖向承载力均小于公式（1）桩体混凝土强度为C25 所计算得出的单桩竖向承载力，故满足要求。

2.3 面积置换率

式中：Ra-增强体单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap-桩的截面积；fspk-复合地基承载力特征值（kPa），取450kPa 进行计算；fsk-桩间土天然地基承载力特征值（kPa），综合取150kPa；λ-单桩承载力发挥系数，此处取0.90；m-面积置换率m=Ap/A；A-单根桩分担的加固面积（m2）；β-桩间土承载力发挥系数，此处取0.80。

单桩竖向承载力的实际取值计算求得面积置换率见表3。

表3 面积置换率计算

2.4 桩的平面布置

由于基础尺寸不规则，按计算的布桩间距，并结合实际边界尺寸，对桩间距作了适当调整。地基处理区域由主体设计单位确认并提供。

表4 设计桩中心间距计算

根据实际的布桩结果，求得各区域实际面积置换率m 均大于理论计算值，满足设计要求。

2.5 复合地基承载力和压缩模量验算（见表5）

计算出的实际复合地基承载力特征值均大于450kPa，满足设计要求。实际复合地基承载力应以载荷试验为准。以黏土层的天然地基压缩模量计算得复合地基压缩模量计算值为≥15MPa，满足设计要求。实际应以现场载荷试验为准。

2.6 地基处理设计桩长及持力层要求

各楼栋选取基岩埋藏最浅的钻孔，计算为满足各楼栋单根桩的设计承载力得出最小桩长，表6 为计算结果。

地基处理深度根据基础平面布置图和勘察报告中剖面图的地层情况综合确定，若现场施工时与设计出入较大，建议开展施工勘察详细查明地层情况。1#楼设计最小桩长8.7m，最大桩长为12.3m，且进入强风化持力层不小于3.0m。混凝土灌注桩应超灌后再开挖至桩顶设计标高，进行裁桩及铺设褥垫层。

2.7 褥垫层设计

褥垫层厚度取300mm，其中级配碎石褥垫层厚度为200mm，C15 素混凝土褥垫层厚度100mm。砂石粒径5～25mm，中砂含量约30%。褥垫层的做法详见设计图纸。褥垫层的铺设宽度为筏板基础外边线外扩500mm。厚度偏差为±10mm。

3 结语

大直径素混凝土桩在解决膨胀土地基处理的问题中效果明显，依据土的工程地质性质，选取恰当的参数，计算单桩承载力、面积置换率，设计桩的平面布置、桩长与褥垫层，可在满足结构安全性的前提下降低施工成本，提高施工效率。