人工挖孔灌注桩基础优化设计实例 人工挖孔灌注桩图集

人工挖孔灌注桩基础优化设计实例

古今强，侯家健

博主按：本文发表于《建筑结构》2011年增刊（第三届全国建筑结构技术交流会论文集，2011年4月，深圳）

[摘要] 某小区2幢28层剪力墙结构高层住宅原设计采用人工挖孔灌注桩基础、按端承桩设计，试挖后发现持力层埋深过大、桩长过长，难以满足施工要求，原设计单位尝试改用冲（钻）孔灌注桩也没有成功。经研究分析，确认详勘报告未准确反映实际地质情况、导致按其设计的基础方案难以实施，并判断出补勘报告提供的设计参数偏于保守、尚有潜力可挖，相应补充了基桩静载试验，获得了比较准确可靠的人工挖孔灌注桩设计参数；考虑了桩侧阻力对竖向抗压承载力的贡献，变更了桩端持力层，优化了桩长和桩身配筋，在满足承载力的前提下减少了人工挖孔灌注桩的施工难度、降低了造价，使本工程恢复了正常施工；总结了本工程的经验教训，供类似工程参考。

[关键词] 人工挖孔灌注桩；基础优化设计；桩侧阻力；岩土工程勘察；基桩静载试验

中图分类号：TU473.1文献标识码：A文章编号：1002-848X（2011）S1-

Optimization design of caisson pile foundation for ahigh-rise housing project

Abstract: Caisson pile foundation designed as end-bearing pile, was originally selected fortwo 28-storey residential buildings. After trial excavation, it wasfound that the specified bearing stratum was too deep, and pileswere too long to excavate. Attempt of bored pile was proveninfeasible as well. After assessments on relevant technicaldocuments, it was concluded that the geotechenical investigation report had not uncovered theactual ground conditions, and the recommended parameters wereconservative. From additional static loading test, more accuratedesign parameters of pile were attained. Then the optimizationdesign of caisson pile was carried out, with variation ofbearing stratum and consideration of shaft friction. After optimizations inlength and reinforcement arrangement of pile, the construction workhad resumed, with cost-saving and less difficulties. Lessons fromthis project are summarized in the last part of thepaper.

Keywords: caisson pile foundation；optimization design offoundation；shaft friction ofpile；geotechenicalinvestigation；static loading test ofpile

1工程概况

湖南省郴州市某住宅小区由北方某设计院（下文称“原设计单位”）设计，其中23~24#楼为28层剪力墙结构，结构总高度为80.5m，建筑面积分别为11764.5和12360.5m²，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级，抗震设防类别为标准设防类，基本地震烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，上部剪力墙结构的抗震等级为三级，100年一遇基本风压为0.35kN/m²，建筑场地类别为II类。地下水对砼结构无腐蚀，对钢结构有弱腐蚀性。

设有一层地下室形成大底盘将23~28#住宅楼连为一体，见图1。桩基施工前先开挖了基坑，现场自然地面与地下室底板标高基本持平，地下室底板面相对标高为-4.600m。

2地质情况和原基础方案

整个住宅小区的详细岩土工程勘察报告由广东某勘察单位提供。详勘报告显示场地的上覆土层厚度不大，基岩为中风化灰岩，普遍埋深在10~15米左右。原设计23~24#楼采用人工挖孔灌注桩基础，以中风化灰岩为桩端持力层。

在施工23~24#楼前，由郴州市某勘察单位进行了超前钻补充勘察，补勘报告指出：

（1）按区域地质资料，拟建的23~24#楼场地位于一区域性压扭断裂F1上，此断裂活动年代较为久远，不属于全新世活动断裂，断裂本身对场地稳定性不构成影响；

（2）受断裂挤压及岩性影响，23~24#楼场地岩性杂乱破碎，稳定的中风化炭质泥岩埋深在均30米以下，上覆有厚20~30米的强风化炭质页（灰）岩，岩体结构构造大部分已遭破坏，遇水后易软化。受断层的影响，强风化炭质页（灰）岩中随机分布有夹层状、透镜体状的中风化灰岩夹层。在24#楼范围内还上覆一定厚度的土层。补勘报告建议的设计参数见表1和2，典型地质剖面见图2；

图123~28#楼地下室平面图

（3）远离断裂带岩体结构逐渐变好、强度较高且层位基本稳定，大致以23~28#住宅楼地下室1-A轴与1-B轴之间的后浇带为界到25#楼地段，岩性以中风化砂岩、炭质砂岩为主，埋深在15米以内。

补勘报告与详勘报告对23~24#楼地质情况的描述出入很大，是否能按原基础设计方案实施存疑。为此现场曾选2根Ф1000桩进行试挖，挖至超过20米仍未到达原设计要求的中风化岩层，施工遇到很大困难，原基础方案若不作重大调整，将导致桩长过长、难以满足施工要求。

原设计单位曾尝试将基础修改为冲（钻）孔灌注桩，仍以中风化岩为持力层。施工单位选3根Ф800桩试冲，结果并不成功：3根桩在施工过程中都出现不同程度的塌孔现象，耗时7~15天才完成1根桩，灌注桩身混凝土充盈系数达2.1~2.7。工程被迫停顿下来，建设单位向我们咨询处理方案。

补勘报告提供的23~24#楼岩土层力学参数表1

补勘报告提供的23~24#楼桩设计参数建议值表2

图223~24#楼典型地质剖面

3基础优化设计方案

3.1 方案比选分析

经过踏勘现场、与相关单位技术人员交流以及查阅原设计图纸、详勘报告和补勘报告等技术资料，确认详勘报告没有准确反映23~24#楼实际地质情况、导致按其设计的基础方案难以实施，因此按补勘报告对基础优化设计方案进行了分析。

23#楼地质条件相对较好、第4层强风化炭质页（灰）岩层面位于自然地面， 经过地基承载力的深宽修正后采用筏形基础是可能的；24#楼地质条件相对较差，表层土经过地基承载力深宽修正后仍不满足要求。由于两幢大楼紧邻，中间仅留300mm宽变形缝，若两幢大楼采用不同的基础形式，则两楼相连处不论采用那种基础形式，必定使其中一幢大楼存在较大沉降差，因此否决了筏形基础。

据了解郴州当地有摩擦端承型人工挖孔灌注桩的成功案例，规范^[1]有保证发挥其侧阻力的技术措施，因此初步考虑改以第4层强风化炭质页（灰）岩为桩端持力层、采用摩擦端承型人工挖孔灌注桩，干作业挖孔同时避免了持力层遇水软化的风险。按原设计桩径、以表2参数初步估算，最少桩长为26m，在地质条件较差的24#楼桩长就更大了。郴州当地施工班组一般只承接桩长15米以内的挖桩任务，桩长超过20米基本找不到施工班组承接，改成摩擦端承型人工挖孔灌注桩似乎也不可行。

结合有关文献经验数据，对补勘报告进行研读、判断后，我们认为表1和表2的数据偏于保守、尚有潜力可挖，例如干作业成孔的人工挖孔桩设计参数反而比湿作业的钻（冲）孔桩低，与规范经验规律不符^[1~2]；第4层强风化炭质页（灰）岩内摩擦角过小，一般应在28^o以上^[3~5]；该层地基承载力特征值也偏小，按重型圆锥动力触探N_63.5=11.7推算可取480kPa^[6~7]。因此我们向建设单位建议，选取有代表性的地段进行基桩静载试验，为安全而经济地设计人工挖孔灌注桩提供比较准确的参数。

3.2 补充基桩静载试验

现场在地质条件相对较差的24#栋纯地下室选取了3根Ф1000人工挖孔灌注桩，开挖桩长20m，以第4层强风化炭质页（灰）岩为桩端持力层。由长沙某检测单位采用自平衡法^[8]进行基桩静载试验，根据检测结果推荐的设计参数见表3。设计参数有较大提高，为优化设计创造了有利条件。

静载试验报告推荐的人工挖孔灌注桩设计参数表3

4基础优化设计要点

根据补勘报告、基桩静载试验报告以及原设计单位提供的基础荷载数据，以基础顶面为界对23~24#楼基础进行了优化设计，以23~28#楼地下室平面1-A轴与1-B轴之间的后浇带为设计范围边界，见图3。采用摩擦端承型人工挖孔灌注桩，桩径Ф800（扩大头Ф1600）和Ф1000（扩大头Ф2000），以第4层强风化炭质页（灰）岩为桩端持力层。桩身混凝土强度等级为C30（抗拔桩为C35），护壁混凝土强度等级为C30，承台混凝土强度等级为C35，采用HRB335钢筋。

图323~24#楼基础优化设计平面图

4.1 单桩竖向承载力的计算

经沟通了解，表3中桩极限侧阻力q_sik是按名义桩径1000mm推算的，在优化设计时桩身周长u也按名义桩径计算。另外工程桩虽然属于大直径桩，但设计参数是通过静载试验测出的、直接反映了工程桩极限侧阻力和极限端阻力的尺寸效应，表3中q_sik和q_pk已经包含了规范^[1]所要求的尺寸效应系数ψ_sik和ψ_pk，故优化设计时单桩竖向抗压极限承载力按式（1）计算（式中各符号定义见规范^[1]）：

Ф800单桩竖向抗压极限承载力Q_uk=7700kN，Ф1000桩Q_uk=11000kN，均布置在塔楼范围。

4.2 桩长的优化

4.2.1 竖向抗压桩

原基础方案按端承桩进行设计，以中风化灰岩为桩端持力层，要求各桩进入桩端持力层的深度（下文用“H₁”表示）均为0.5m。

优化设计时考虑了桩侧阻力对竖向抗压承载力的贡献，竖向抗压桩H₁值最大为12.9m。如果仍保持各桩H₁值固定不变，则竖向抗压桩最大桩长将达23m，仍不能满足郴州当地挖桩的可施工性要求。

鉴于人工挖桩过程相当于大直径钻探，挖至持力层后每桩的上覆岩土层类型和厚度是可知的，可按所需的总侧阻力确定各桩的H₁值和桩长。我们对竖向抗压桩提出了如下挖桩终孔原则：1）持力层岩面位于自然地面时，H₁=12.9m；2）施工中记录每桩的上覆岩土层类型和厚度，并由施工、监理和甲方等签字确认；3）根据施工记录，从承台底面起每遇1m厚填土，H₁可减少0.25m；每遇1m厚粉质粘土，H₁可减少0.58m；每遇1m厚泥质页岩，H₁可减少0.67m。例如，某桩遇有4米粉质粘土、以下为强风化炭质页(灰)岩，则有效桩长=粉质粘土厚度+ H₁=4+(12.9-4×0.58)=14.6m。

终孔原则的第3）点本质上就是按上覆岩土层q_sik的比例折减H₁最大值。由此有效桩长控制在12.9m~17.9m之间，在保证单桩承载力的前提下减少了桩长，满足了郴州当地可施工性的要求。

4.2.2 抗拔桩

在纯地下室部位，需要设置抗拔桩来抵抗地下水的浮力，桩径Ф1000（扩大头Ф2000），以第4层强风化炭质页（灰）岩为桩端持力层，单桩抗拔承载力特征值R_at=1500kN。

原设计抗拔桩的终孔要求与抗压桩相同。我们经过复算后发现H₁最大值取6.6m就可满足要求，而且纯地下室的上部荷载不大，不考虑地下水作用时对应的竖向抗压承载力需求不大，仅考虑扩大头端阻力已有很大的富裕。因此优化设计中抗拔桩H₁最大值取6.6m，同样按上覆岩土层q_sik的比例折减H₁最大值，有效桩长控制在6.6m~14.7m之间。

4.3 桩身配筋的优化

4.3.1 竖向抗压桩

在地质条件相对较差的24#栋，竖向抗压桩采用比原设计更大的纵筋配筋率予以适当加强，纵筋等截面通长配置。在地质条件相对较好的23#栋，在满足规范构造要求的前提下，竖向抗压桩纵筋比原设计略有减少，长短筋间隔通长配置。

4.3.2 抗拔桩

验算桩身承载力时，发现原设计抗拔桩配筋不足。经分析估计是原设计没有将单桩抗拔承载力特征值R_at乘以荷载分项系数转换成荷载设计值所致，因此对抗拔桩的配筋作必要的加强，并按规范^[1]要求验算其裂缝宽度。通过提高桩身混凝土强度等级至C35、采用细而密的纵向钢筋等措施，使桩身最大裂缝宽度满足了规范^[1]限值要求（ω_lim=0.3mm）。

5施工问题的处理

人工挖孔灌注桩的施工安全需引起高度重视，在设计文件中强调了“跳挖”等施工安全措施。

先前现场试挖的2根Ф1000桩，既没有做扩大头也没有浇注桩身混凝土，开挖后放置已有一年时间。鉴于该2根桩持力层长期泡水，故要求继续开挖、直至穿越受泡水变软的影响范围后方可做扩大头，并要求继续开挖该2根桩前，检查和修补破损的护壁，必要时加钢护筒。

6结论

通过基础优化设计，既减少了人工挖孔灌注桩施工难度又降低了造价，使本工程恢复正常施工，基础施工已顺利完成并通过验收，目前正在施工上部结构。为了监测桩基变形的进展情况，共设置了31个沉降观测点，由于工程正在施工，沉降观测将持续进行。

总结本工程的经验教训，以供类似工程参考：

（1）岩土工程勘察报告应准确反映工程场地实际情况，这是成功开展工程建设的前提。由于详勘报告资料不准，本工程建设单位在工期和资金方面蒙受较大损失，如在详细勘察阶段适当加大在勘察费用和时间方面的投入，就有可能避免相关损失；

（2）仔细研读、正确使用岩土勘察报告（包括基桩静载试验报告的参数），是结构工程师应该具备的基本素质，文献[9]归纳总结了相关的步骤和方法，可供读者参考；

（3）在复杂地质条件下补充基桩静载试验等原位测试工作，虽然需要投入一定的资金、耗费一定的时间，但相应地设计参数可以取得更经济合理，可以更有把握地降低工程造价，以较小的代价换取较大的效益。

（4）人工挖孔灌注桩施工易发生人身安全事故，在各地逐渐被淘汰或限制使用，但其桩侧桩底岩土层可直观查验，孔底可清理干净，质量可控性好，在适宜的条件下合理使用仍可创造较好的效益；

（5）人工挖孔灌注桩配合适当的技术措施，可以使其桩侧阻力充分发挥，因地制宜、适当利用将产生较好的效果。

参 考 文 献

[1] JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] DBJ15-31-2003建筑地基基础设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3] 林宗元. 简明岩土工程勘察设计手册（上册）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4] 陆培炎. 桩基设计方法[C]//陆培炎科技著作及论文选集. 北京：科技出版社，2006.

[5] 陆培炎等. 虎门大桥东锚碇区边坡开挖工程咨询报告[C]//陆培炎科技著作及论文选集. 北京：科技出版社，2006.

[6] 《岩土工程手册》编委会. 岩土工程手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1994.

[7] 《工程地质手册》编委会. 工程地质手册（第四版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[8] DB32/T291-1999桩承载力自平衡测试技术规程[S]. 南京：江苏省工程建设标准设计站，1999.

[9] 古今强，侯家健.. 浅谈结构工程师对岩土勘察报告的研读与使用[J]. 建筑结构-技术通讯，2009（5）：16-19.

相关阅读：《高层住宅基础优化设计实例（加长版）》

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