一種適合大厚度填方場地和大厚度重度濕陷性黃土場地 

施工大直徑超長夯擴(kuò)灌注樁的探討 

 

 

1 引言 

樁基礎(chǔ)在提高基底承載力，減少建筑物和構(gòu)筑物沉降、控制變形等方面具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。隨著人類社會技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高層或超高層建筑和大跨度的橋梁等大荷載和超大荷載對于基礎(chǔ)承載力的要求越來越高，基底荷載越來越大；或者是對沉降要求比較高的工業(yè)廠房或者構(gòu)筑物，往往要求樁基要穿過較大厚度的土層進(jìn)入相對較好的持力層，以獲得較高的單樁豎向承載力并控制其變形，大直徑超長機(jī)械夯擴(kuò)樁的應(yīng)用成為一種必要趨勢。 

在大厚度自重濕陷性黃土、大深度填方場地，對于基底荷載較大的建筑物或者構(gòu)筑物，當(dāng)采用一般的樁基或者地基處理不能滿足基底荷載要求或者沉降變形等要求時，如果在該場地的土層較深范圍中有一個比較好的樁端持力層（如卵石層、園礫層、砂層、強(qiáng)風(fēng)化巖層等），當(dāng)采用分層強(qiáng)夯碾壓、擠土法無法實(shí)現(xiàn)消除濕陷性，采用鉆孔灌注樁由于樁身側(cè)摩阻負(fù)值很大等原因致使其單樁承載力很低（甚至單樁承載力為負(fù)值，即所謂的“下拉樁”），滿足不了工程的要求時，就會對工程設(shè)計帶來很大困難；即使能滿足工程的要求，但因單樁單位承載力的施工成本過大，施工難度增加，就會出現(xiàn)方案科學(xué)性和可行性等諸多問題和困難。那么，合理的單樁單位承載力的施工成本，合適的地基和基礎(chǔ)處理方案就成了一個十分重要和現(xiàn)實(shí)的課題。 

本文是基于上述的基本情況，經(jīng)過諸多工程實(shí)踐，將已形成的一套較完整的施工大直徑（樁徑≥600mm）、超長（樁長≥30m）機(jī)械夯擴(kuò)灌注樁的設(shè)計理念和施工方法介紹給有關(guān)工程勘察、設(shè)計、施工和咨詢等方面的同仁，期望起到拋磚引玉的作用。 

2 背景 

1、大厚度自重濕陷性黃土、大厚度填方場地地基和基礎(chǔ)處理方法概述。 

1）分層夯實(shí)壓實(shí)法：利用機(jī)械將回填土體按一定的厚度分層壓實(shí)或者夯實(shí)，達(dá)到降低孔隙比、提高承載力的要求。 

2）換填墊層法：適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。其主要作用是提高地基承載力，減少沉降量，防止凍脹和消除膨脹土的脹縮作用。 

3）擠密法：適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基，可處理的深度為5～15m。當(dāng)用來消除地基土的濕陷性時，宜采用素土擠密樁法；當(dāng)用來提高地基土的承載力時，宜采用灰土擠密樁法；當(dāng)?shù)鼗恋暮看笥?/span>24%、飽和度大于65%時，不宜采用這種方法?；彝翑D密樁法和素土擠密樁法在消除土的濕陷性和減少滲透性方面效果基本相同，素土擠密樁法地基的承載力和水穩(wěn)性不及灰土擠密樁法。

4）強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換法：強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。強(qiáng)夯置換適用于高飽和度的粉土，軟-流塑的粘性土等地基上對變形控制不嚴(yán)的工程，在設(shè)計前必須通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定其適用性和處理效果。強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換法主要用來提高土的強(qiáng)度，減少壓縮性，消除土的濕陷性。對飽和粘性土宜結(jié)合堆載預(yù)壓法和垂直排水法使用。

5）補(bǔ)充增強(qiáng)土體與增強(qiáng)體法；砂石樁、水泥土攪拌法、注漿法、CFG樁法、夯實(shí)水泥土法等等。

以上諸種方法可以在一定程度上增強(qiáng)填方土體或者土體的強(qiáng)度，但是對于大厚度自重濕陷性黃土、大深度回填土場地仍然不能解決地基不均勻和控制沉降的目的。另外，對于大深度回填土場地，即使對回填土進(jìn)行了增強(qiáng)等措施處理，但是對于回填土之下的土體產(chǎn)生的附加應(yīng)力及其產(chǎn)生的壓縮變形仍然存在，且無論如何無法克服。因此，要保證承載力，要控制變形，要解決地基土不均勻性的問題，采用大直徑機(jī)械夯擴(kuò)灌注樁基礎(chǔ)是最佳的選擇。

3 大厚度填土和大厚度濕陷性土場地地基產(chǎn)生沉降變形機(jī)理分析

填土是指由人類生活在地表形成的任意堆積的土層，它的組成成分復(fù)雜，堆填的時間，方法和厚度都存在隨意性。從低級工程性能和特點(diǎn)可以分為兩類，即非壓實(shí)填土和壓實(shí)填土地基。

其工程性能表現(xiàn)為不均勻性、自重壓密性、濕陷性、欠固結(jié)性、低強(qiáng)度和高壓縮性。

回填土由于其組成的成分復(fù)雜、回填方法、時間和厚度的隨意性，所以不均勻性是其突出的特點(diǎn)，尤其以雜填土的不均勻性最為突出。

填土是一種欠固結(jié)土，其自身重度和大氣降水的入滲作用下有自行密實(shí)的特點(diǎn)，自重壓密所需要的時間長短與填土的物質(zhì)成分及顆粒組成有關(guān)。大塊碎石類素填土一般需要1~3年；沙土素填土一般需要2~5年；粉土和粘性土則需要10~15年；含有大量有機(jī)質(zhì)的生活垃圾填土其自重壓密時間可達(dá)30年以上。

由于填土的土質(zhì)疏松、孔隙率大，在浸水后會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉陷。表現(xiàn)為新近填土比老填土大，生活垃圾填土濕陷性最強(qiáng)烈。

由于填土土質(zhì)疏松、密度低、固化程度低，所以抗剪強(qiáng)度低、承載力低，壓縮性高，變形模量一般在6mpa以下，而且隨著含水率的增大，填土的壓縮性會隨著增大。

重度濕陷性場地，其土體的結(jié)構(gòu)和工程性能，在一定工況情況下，與填土有類似的屬性。

4 大厚度填土和大厚度濕陷性場地普通鉆孔灌注樁受力機(jī)理分析

樁的荷載傳遞是通過樁—土之間摩擦力傳遞的。樁基的主要傳力構(gòu)件是基樁，它通過一根細(xì)長的桿件，將它與土質(zhì)界面的緊密結(jié)合形成的摩擦力以及底端土的反作用力傳遞到地基土。當(dāng)樁基（或基樁）受壓時，摩擦力首先起作用，并隨著樁頂向下位移的增加，摩擦力逐漸增大。當(dāng)樁頂部位的樁---土相對位移增加到一定數(shù)值時，該界面的摩阻力已經(jīng)發(fā)揮到其極限狀態(tài)；但是樁基（或者基樁）下部的側(cè)摩阻力仍然發(fā)揮作用，并隨著荷載的增加，發(fā)生最大靜摩阻力的樁土界面不斷往下移動；當(dāng)達(dá)到一定荷載狀態(tài)時，樁下部的側(cè)摩阻力得到充分發(fā)揮，整個樁身側(cè)摩阻力也已經(jīng)達(dá)到峰值，其后樁的豎向加載抗壓總摩阻力可視為不變，直至樁端土受壓變形到一定程度，甚至破壞。期間樁的豎向總加載量才能評價為該樁土的共同協(xié)調(diào)能力，即單樁承載力。

在整個作用過程中，樁---土間表現(xiàn)為摩阻力，土---土之間表現(xiàn)為剪切應(yīng)力。

1）當(dāng)樁體受豎向荷載作用，由于樁---土間摩阻力的存在，樁周的土體將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，該剪應(yīng)力和剪應(yīng)變一環(huán)一環(huán)（和樁同心環(huán)形分布）沿樁身徑向向外擴(kuò)散。在離樁軸nd（d為樁的直徑，n為系數(shù)，隨樁的荷載水平、土性而變化，取n=8~15）處的剪應(yīng)力為零。

2）在一定深度以下，樁側(cè)阻力隨著深度的增加，土對樁的水平方向的壓力也隨著相應(yīng)的增加。根據(jù)庫倫的抗剪定律，土的抗剪強(qiáng)度與土的粘聚力、剪切滑動面上的法向應(yīng)力以及土的內(nèi)摩擦角有關(guān)。

3）當(dāng)樁進(jìn)入土體超過一定深度時，樁側(cè)摩阻力不再隨深度增加而增大，即在臨界狀態(tài)。對于長樁，則存在從上至下逐漸破壞的現(xiàn)象。即在較大深度處達(dá)到破壞時，小深度處的土可能已經(jīng)軟化，從而影響樁側(cè)阻的整體表現(xiàn)。

大深度回填和大厚度重度濕陷性場地，在一定工況下，上述分析中“樁---土”間摩阻力主要表現(xiàn)為負(fù)摩阻力，而且這種負(fù)摩阻力隨著深度的加大，下拉力愈發(fā)顯著，另外，系數(shù)n隨著土質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異，變化也會逐漸增加；“土---土”之間的剪切應(yīng)力也同樣表現(xiàn)為負(fù)值，其粘聚力降低、剪切滑動面上的法向應(yīng)力減小、土的內(nèi)摩擦角減小。致使單樁承載力在一定工況情況下（如浸水等）大大減小，變形加大。表現(xiàn)為樁徑越大、上述的負(fù)摩阻力越大，單樁承載力就降低，經(jīng)濟(jì)效能較差。

因此，一般情況下，都需要對上述的土體進(jìn)行地基預(yù)處理。其預(yù)處理方法主要有素土（或者灰土）擠密樁，其目的在于消除濕陷性。但是預(yù)處理的深度（或者厚度）僅在15.0m以內(nèi)，影響有限。

5 工程實(shí)例

5.1 實(shí)施例一：

某一發(fā)電廠樁基工程，基礎(chǔ)底下的土層從上至下為①層自重Ⅲ級濕陷性黃土，層厚為28米，②層為細(xì)砂層，厚度為3米，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值q_sik=55 kpa，③層為粉土，厚度為4米，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為q_sik=70kpa，④層卵石層，平均厚度為5米，鉆孔極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值q_Pk=3500KN。

采用本方法進(jìn)行施工，設(shè)計機(jī)械夯擴(kuò)鋼筋混凝土灌注樁的樁直徑600毫米，擴(kuò)大頭直徑1100毫米，樁長L=36米，樁身混凝土強(qiáng)度等級C40,單樁豎向極限承載力可取6000KN。

如果采用一般鉆孔灌注樁，同樣的樁徑和樁長，其單樁豎向極限承載力為1600KN。其計算見下表1：

 

 

表1          單樁承載力計算表

序號	土層名稱	厚度(m)	鉆孔灌注樁
			極限側(cè)摩阻標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）	極限側(cè)摩阻力（KN）	極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）	極限端阻力（KN）	單樁豎向極限承載力（KN）
1	①層自重濕陷性黃土	28	-15	-791.28
2	②細(xì)砂層	3	40	226.08
3	③層粉土	4	40	301.44
4	④層卵石	1	250	471	4000	1130.4	1601.4

機(jī)械夯擴(kuò)鋼筋混凝土灌注樁施工結(jié)束后，按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行浸水靜載荷試驗(yàn)，單樁荷載為6800 KN時，三個試樁總沉降量分別為12 毫米、16 毫米、15 毫米。

按照上述的檢測結(jié)果，可以推算出如下單樁承載力計算的有關(guān)參數(shù)的取值范圍如下表2：

表2              單樁承載力計算表

序號	土層名稱	厚度(m)	機(jī)械擴(kuò)底樁
			極限側(cè)摩阻標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）	極限側(cè)摩阻力（KN）	極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）	極限端阻力（KN）	單樁豎向極限承載力（KN）
1	①層自重濕陷性黃土	28.0	-15	-791.28
2	②細(xì)砂層	3.0	40	226.08
3	③層粉土	4.0	40	301.44
4	④層卵石	1.0	250	471.00	11000.00	10448.35	10655.59

按照上述的推算結(jié)果，按照本方法施工，其樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值經(jīng)過反算可以取到7000~10000kpa之間應(yīng)該是合適的。

 5.2實(shí)施例二：

一、工程概況

1、該工程擬建建筑物概況一覽表如下表3：

表3              擬建建筑物概況一覽表          

編 號	平 面 形 狀	建筑物走向	建筑物平面尺寸		建筑物高度	地 上 層 數(shù)	地下層數(shù)	地 下 高 度	結(jié) 構(gòu) 形 式	基 礎(chǔ) 形 式
			長（m）	寬（m）
9#	長方形	近東西	69.0	14.5	82.6	27	1	5.0	待定	待定

擬建場地為重度濕陷性黃土場地，地基土和地下水對于鋼筋和混凝土具腐蝕性。其他有關(guān)具體數(shù)據(jù)詳見《巖土工程勘察報告書》及“說明”（以下簡稱“報告”）。

2、各層土承載力特征值見下表4：

表4               地基土載力特征值f_ak（kpa）

地  層	②-1層濕陷性黃土	②-層非濕陷性黃土	③層卵石	④層強(qiáng)風(fēng)化泥巖
fak	160	150	400	300

二、基礎(chǔ)方案

根據(jù)《巖土工程勘察報告書》（詳勘部分），該擬建場地屬中軟土場地，基底地面承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上部荷載要求。故擬建建筑物不能采用天然地基方案。

由于基坑開挖后，基底面為第②-1層四級自重濕陷性黃土，其厚度10.0m，基底土的天然承載力為160kpa。

按照《巖土工程勘察報告書》（詳勘部分）的有關(guān)參數(shù)，建議采用機(jī)械夯擴(kuò)灌注樁樁基礎(chǔ)方案。

機(jī)械夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁端持力層選擇在場地內(nèi)進(jìn)入第③層卵石層的深度不小于0.8m，由于該層在整個場地分布均勻，平均厚度在6m以上，承載力較高，因此選擇此層為持力層。

1、單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算

采用樁徑Φ600mm，樁端持力層為第③層卵石層，樁端進(jìn)入該層的深度不小于0.8m，平均樁長30.0m；基礎(chǔ)埋深為－5.0m，夯擴(kuò)樁端的位置大約在自然地面以下-35m左右。夯擴(kuò)大頭的直徑不小于1000mm。

以上述資料進(jìn)行以下計算。

采用機(jī)械夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁樁周極限側(cè)阻力及樁端極限端阻力取值見下表5：

表5          擠土夯擴(kuò)鋼筋砼灌注樁樁周極限側(cè)阻力及

 樁端極限端阻力取值

指   標(biāo) 地  層	樁周極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值 （kpa）	樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值 （kpa）
第②-1層黃土	-15
第②-2層黃土	50
第③層卵石層	100	12000

根據(jù)JGJ94-2008規(guī)范第5.3.5條，Q_uk=u∑q_sikl_i+q_pkA_p   

Q_uk=0.60×3.14×（20×50-15×10）+0.8×12000=1601+ 9600 =11200KN

建議Q_uk＝8000KN，Ra＝Q_uk/2＝4000KN。

2、樁基設(shè)計施工參數(shù)：

按樁徑0.6m，平均樁長30.0m計算，單樁豎向承載力特征值Ra不小于3000KN。按照設(shè)計基底壓力特征值500kpa、底面積1000.0平米計算，需要的樁數(shù)為：

1000×500÷3000=167根，考慮結(jié)構(gòu)的特殊要求，按不多于180根布置比較安全。

3、地基和樁基總造價：

1）按照施工單方造價2000.00元計算，單樁的造價為：

（0.6²×3.14÷4×30+1.0）m³×2000元/ m³=18956.00元；

2）樁基總造價為：

18956.00元/根×180根=341.2萬元

4、總工期：30天。

5、檢測結(jié)果：

按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行浸水靜載荷試驗(yàn)，單樁加荷載至為8000 KN時，三個樁總沉降量分別為10 毫米、12 毫米、16 毫米。

5.3樁體典型剖面圖

 

6 結(jié)論和建議

1）大厚度黃土場地，特別是自重濕陷性黃土場地、填土場地，采用大直徑鉆孔灌注樁，該類型樁屬于端承摩擦樁，樁的端承力僅占其承載力的30%~50%左右；當(dāng)基底土下一定深度有一個比較好的樁端持力層時，樁的端承力占其承載力的50%~70%左右；如果采用小直徑的灌注樁，由于樁周表面積較小，其樁身的摩阻力也較小，因此產(chǎn)生的負(fù)摩阻力也會較小，如果通過工程技術(shù)措施再能提高該樁的端承力，就可以達(dá)到提高該樁豎向承載力、又可節(jié)約樁基工程造價的目的。相對于普通鉆孔灌注樁而言，機(jī)械夯擴(kuò)灌注樁是目前最好的解決辦法之一。

2）應(yīng)該繼續(xù)大直徑超長灌注樁力學(xué)性能方面的研究，研究負(fù)摩阻力和中性點(diǎn)的位置與黃土性狀、濕陷等級、固結(jié)性能、含水率變化等過程與沉降的關(guān)系。有數(shù)據(jù)顯示，實(shí)測灌注樁的中性點(diǎn)的位置超出了建筑樁基技術(shù)規(guī)范提供的參考值，實(shí)測的負(fù)摩阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黃土規(guī)范建議的負(fù)摩阻力值，且負(fù)摩阻力的數(shù)值與現(xiàn)場的濕陷類型、濕陷量等無明確的對應(yīng)關(guān)系，非自重濕陷場地的負(fù)摩阻力也是一個不能忽視的問題。

3）對于鉆孔大直徑超長灌注樁（一般樁徑700~800mm以上，樁長50m以上），其群樁效應(yīng)更加明顯，對于樁間土的約束作用受到制約的條件更加明顯，其懸掛作用和空底效應(yīng)突出，加大了土的濕陷下沉，從而加大了場地的濕陷變形量。

4）對于超長大直徑灌注樁，在大荷載條件作用下，樁身的變形壓縮不能忽視，一般可在數(shù)十毫米之多。因此，把超長灌注樁視為不可變形的剛體是不完整的。對于如何判定超長樁的極限狀態(tài)，變形是一個首要的控制因素，由于樁體的壓縮變形與樁體材料模量等因素有直接關(guān)系，故對于超長樁應(yīng)該在設(shè)計時考慮提高樁體材料強(qiáng)度和模量要求。

5）樁基按其受力特性分析，有一個有效樁長的概念。即在一定的場地條件下，不同的樁型、不同的樁體材料、不同的截面。當(dāng)單樁的長度超過一個數(shù)值時，增加樁長與提高承載力沒有直接的關(guān)系，也可能承載力增加為零。因此，在盡可能的條件下，盡量減少樁長是必要的，樁的長徑比宜控制在60左右。

6）在大直徑超長灌注樁條件下，當(dāng)樁端承載力占其單樁豎向承載力在普通鉆孔樁條件下比較低時，通過對樁端持力層的強(qiáng)力夯實(shí)，以提高其樁端土的密實(shí)度和承載力，增加樁端受力面積，對于提高單樁承載力、控制樁長意義重大。

7）現(xiàn)在，為了提高鉆孔灌注樁的單樁豎向極限承載力，大多采用樁端和樁側(cè)后壓漿處理方法。該方法對于在大厚度濕陷性黃土和大深度回填場地效果不甚理想。其主要原因是在壓漿過程中，漿體不是按理想情況沿樁芯法向擴(kuò)散，其主要方向?yàn)檠貥渡韨?cè)壁溢出，因此，壓漿對于樁間土的密實(shí)度、孔隙比和土體顆粒骨架結(jié)構(gòu)的調(diào)整有限，其增加的僅是樁身的摩擦阻力系數(shù)和負(fù)摩阻力。對于單樁豎向承載力提高會起到消極因素。

8）在大厚度濕陷性黃土和大厚度回填場地，為了解決單樁豎向承載力與樁徑、樁側(cè)阻力和端阻力的矛盾，合理樁長、小樁徑（相比較普通鉆孔灌注樁）、降低樁側(cè)負(fù)摩阻、提高樁端阻力是發(fā)展的主要方向。機(jī)械夯擴(kuò)底超長灌注樁是目前樁基施工技術(shù)的最好方法之一。