人工挖孔灌注桩和墩基础设计比较

2010-01-15汪志

四川建筑 2010年6期

关键词：挖孔灌注桩承载力

汪志

(中国建筑设计研究院上海分院,上海 200000)

人工挖孔灌注桩和墩基础设计比较

汪志

(中国建筑设计研究院上海分院,上海 200000)

对人工挖孔灌注桩和墩基础的设计进行了比较,从概念、设计计算等方面进行了对比分析。对人工挖孔灌注桩和墩基础的区别和联系进行了一些探讨。最后用工程设计实例进行说明。

人工挖孔灌注桩; 墩基础; 设计

人工挖孔灌注桩和墩基础是设计人员在设计中常常用到的基础形式。这两种基础形式在概念、设计、受力机理等方面到底有些什么区别和联系却没有进行过对比和分析。本文从以上几方面进行一些初步的探讨和对比。然后通过一个工程设计实例举例进行说明。

1 人工挖孔灌注桩和墩基础的定义和受力机理

所谓墩基础是指,长度大于 3m,直径不小于800mm,且长度与墩身直径比小于 6或长度与扩底直径的比值小于 4的独立刚性基础。墩身有效长度不宜超过 5m。

人工挖孔灌注桩顾名思义是一种以人工挖孔为施工方式的大直径灌注桩。其桩身直径d≥800mm,桩长不宜大于40m,也不宜小于 6m。桩长度小于6m的按照墩基础考虑,桩长度虽然大于6m,但桩长度 L与扩底直径 D之比小于 3的,仍然按照墩基础进行设计。

由此可见桩和墩基础从构造上是以长度是否大于 6m,长度L与扩底直径D之比是否大于3m区分的。

从地基变形破坏机理上看,两种基础是有区别的。从概念上说,中小直径桩,特别是摩擦桩地基的受力主要是由于土的剪切滑动;大直径(包括扩底)桩的Q～S曲线是缓慢变形的,其变形主要是土的体积压缩。所以在墩基础设计中,地基承载力采用小直径桩的端阻力值往往偏大,采用天然地基承载力特征值进行深度往往偏小。所以在墩基础的设计中一般采用修正后的地基承载力特征值或按抗剪强度指标确定的地基承载力,这种承载力的差别直接与桩径(或扩底直径)相关。桩的扩底直径越大越接近天然基础的承载力和破坏机制。这一点可以从大直径桩承载力计算中看出。

2 人工挖孔灌注桩和墩基础的设计计算方法对比

对大直径(d≥800)干作业桩竖向极限承载力标准值按下式计算:

对一般桩基按下式计算:

两者的区别在于大直径桩的端阻、侧阻尺寸效应系数φP,φsi,见表 1。

以卵石地基为例,表 2对比了在不同的扩底直径和桩身直径下,大直径灌注桩的桩侧阻力尺寸效应系数ψp和桩端阻力尺寸效应系数 ψsi的变化。可见随着桩径(桩端扩底直径)的加大,尺寸效应系数越小,即承载力折减越多。

根据桩的类型不同,是否对土有挤密作用,是否对土有扰动,其基础的承载力也是不同的。以成都地区中密卵石地基为例。混凝土预制桩的极限端阻力标准值可达到 8 000～9 000 kPa,而沉管灌注桩只能达到6 400～8 000 kPa,钻(冲)孔灌注桩只能达到 2 000～2 500 kPa。人工挖孔灌注桩一般能达到3 500～5 000 kPa。

对于大直径扩底人工挖孔灌注桩,如果桩长不是很长,其承载力一般由桩端阻力提供,桩侧阻力所提供的承载力很小,几乎可以忽略。这是因为,扩底段及其上 2 m范围内不可计入桩侧阻力。这样能够计入侧阻力的桩长实际上就很少了。以成都该项目为例,实际桩侧阻力占总的桩承载力的百分比不足 2%,完全可以忽略。这样桩的极限承载力计算可以简化为下式:

桩基中承载力计算公式为:

R为单桩竖向承载力设计值:

其中 γsp为承载力抗力分项系数。该系数取值在 1.60～1.75之间。

一般,墩基础的设计采用天然地基的设计计算方法。天然地基在轴心力作用下的承载力计算公式是:

基础底面的平均压力值按下式计算:

如果假设桩底扩大头面积和天然地基基础底面积相等,这样天然基础与桩基础的承载力的比较可以简化为地基承载力的比较。

值得注意的是,天然地基承载力计算公式中,上部荷载使用的是标准值,地基承载力使用的是特征值。而桩基承载力计算公式中,上部荷载使用的是设计值,地基承载力使用的也是设计值。如果近似的认为上部荷载标准值与上部荷载设计值之间的比值关系 k1大概为 1.25～1.30之间,不考

从表 3可以看出,对于大直径桩与墩两者的承载力差别不大;而对于小直径的桩与墩两者的承载力差别就比较大了,而且直径越小差别越大。表面上看,桩端承载力比天然地基的承载力大很多,但是由于大直径桩承载力的折减,两者的差别减小。这种差别也随直径的加大而越来越小。也就是说,随着桩直径的加大,其受力性能越来越与天然基础相接近,这从理论上也是合理的。而随着直径的减小,基础的受力则越来越接近于桩,与天然基础的受力机理差别就显现出来了。事实上,墩基础和天然地基也有一定的差别,墩基础是介于桩基础和天然基础之间的一种基础形式。所以,国内一些地方规定,在设计墩基础时,虽然采用天然地基的虑结构的重要性系数,这样天然地基承载力与桩基承载力的比较可以简化为下列两系数之间的比较,即:

比较 a,b二者的差别即可看出天然地基和大直径桩基的差别,也就是未经提高的墩基础承载力与大直径桩基础承载力的比较。在众多参考资料和设计实例中,设计墩基础时使用了 1.1～1.2的提高系数,即考虑墩基础为界于桩与天然基础之间的一种基础形式,考虑其承载力的适当提高。

3 工程实例对比

现在以成都高新技术产业开发区人民法院审判法庭综合楼及成都高新技术产业开发区检察院综合楼基础设计为例,可以比较两种基础计算上的差别和联系。以下是两种基础在不同的扩底直径下的承载力对比。根据地质报告,成都地区地质条件基本情况,以中密卵石层为桩端持力层,中密卵石层的极限端阻值为 3 800 kPa,天然地基承载力特征值fak为 550 kPa,不考虑地基的宽度修正,仅考虑地基的深度修正。该项目有地下室,埋深约为 12.8m,设地下水位约为室外地面以下 2 m,这样修正后的地基承载力特征值 fa约为1 118 kPa。即a值为1 118 kPa。b值可按式(9)计算,其中Χp可按表 2取,γsp取 1.65,k1取 1.25。计算结果见表 3。承载力进行设计,但是可以适当乘以 1.1～1.2左右的提高系数。在工程实践中,应当注意它们的差别和联系,安全经济合理地进行设计。

以上是笔者对人工挖孔灌注桩和墩基础设计的一些体会。欠妥之处还望指正。