超大直径人工挖孔桩基础设计应用

杨德标，陈志博，宋一秋

湖南隆曐建设有限公司，湖南 长沙 410000

人工挖孔桩无须使用大型设备，相对木桩、混凝土打入桩相较抗震能力更强，与冲击锥冲孔、冲击钻机冲孔等相比造价低，被广泛应用于公路与民用建筑工程。超大直径人工挖孔桩基础形式多样，端阻力与侧阻力间构成的比例也略有差异，受力状态更是复杂。为此，在设计过程中，需根据工程地质条件与场地实际情况选择适宜的桩基形式，通过计算确定桩基参数，确保桩身结构质量[1]。

1 工程概述

某城市商业中心建筑工程地面以上75层，地下5层（其中地下1层附带夹层）。塔楼建筑高度为329.4m，裙楼的高度为30.92m，地下埋深约为23.0m，总建筑面积达164066m2。桩基础选用人工挖孔桩，数量为157根，桩身长度为19.6～35.20m，为超大直径人工挖孔桩，经调查，单桩最大的混凝土浇筑量达1000m3，属于大体积混凝土浇筑，桩身混凝土强度为C40～C45。

2 场地工程地质条件

设计阶段，组织人员对场地及周边进行调查，发现无任何污染源，环境分类为Ⅱ类，地下水水质较好，对混凝土与钢筋无腐蚀作用。同时进行地质调查，结果显示场地地质条件优良，无滑坡等，场地的东北面切坡后形成高度为7m左右的岩土边坡。拟建场地内地层中有红黏土，分布不均，厚度不一，其中有1/3区域存在红黏土流失问题，若将红黏土层设置为持力层，则需采取适宜的处理措施稳固基础，并对地基沉降进行测算，避免建筑物因不均匀沉降而引发结构损坏。但是地基不均匀沉降问题处理成本高，任务重，最终决定将中风化基岩设置为持力层。

3 超大直径人工挖孔桩基础设计

文章所述工程选用有限元实体模型，对超大直径人工挖孔桩基础设计参数进行计算分析，结合以往工程案例与设计方案，分别对矩形挖孔桩、圆形挖孔桩的土压力与具体布设方法进行探究。构建模型参数如下：对地面以下4.0m范围内的主动土压力进行计算；在地面以下5.0m范围内设置的各土压力数值，以5.0m位置的主动压力值作为参照。圆形桩孔为侧向受土压力拱，是受压的主要构件。工程中护壁土压力计算选用静止土压力计算方法，而深度方向则按照矩形挖孔桩土压力特性与分布规律进行设计。

3.1 基桩选型

按照《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）的规定，依据该工程项目建设规模，使用功能设定，对外部环境变化的适应性，工程场地基础与建筑结构的复杂性等各因素，最终确定该工程建筑物桩基设计等级为乙级。

建筑桩基础按照承载特性可分为摩擦型桩与端承型桩两类；按照成桩形式的不同可分为非挤土桩、部分挤土桩与挤土桩；按照桩身直径大小可分为小直径桩、中等直径桩与大直径桩三类[2]。经前期对该工程场地的勘察与设计人员分析，最终确定建筑物桩基础采用低承台混凝土超大直径人工挖孔桩。该工程挖孔桩护壁的混凝土强度等级为C30，施工所用混凝土为商品混凝土，均为机械自动搅拌，人工辅助查看即可。挖孔桩护壁厚度为150mm；桩身长度为12～ 13m。

3.2 设计计算

（1）桩承载力计算。基于《建筑桩基检测技术规范》（JGJ 106—2014）中的相关内容，桩承载力检测方法为静载试验，通过千斤顶对桩身逐级施加荷载，在基坑开挖结束后进行。为降低加载量，试验桩可不设置扩大头。对于桩身混凝土应力分析，需在桩身埋设混凝土应变计，对各界面的应力水平进行测量，后配合荷载计监测桩端的负荷状态。通过桩顶混凝土应变计测量所得数据，明确各级加载与桩顶截面混凝土应变的关系，后对各界面受力进行计算[3]。试验桩荷载与沉降曲线如图1所示。由图1可知，31层试验桩曲线呈缓变形特征，在加载力最大的情况下，桩顶的沉降为9.24mm；16层试验桩与31层试验桩相较，变形速率较大，在加载的初始阶段，分级沉降量与残余变形较大。由于在最大加载条件下桩顶的沉降量小，为10.64mm，加载与变形量较小，曲线平缓，无明显转折点。此次试验使用的加载设备有限，2根试验桩均加载至极限状态，桩侧各土层的侧摩阻力也达到极限状态，尤其是带有护壁的特层，桩侧阻力呈现下降态势，而桩端的承载力刚刚开始发挥。根据以往工程资料与31层桩Q-s曲线的特点，基于双曲线法对桩的极限承载力状态进行评估，但是16层桩因端阻不能客观体现持力层状态，因此不可作为参照样本，而是将31层桩作为预测样本。经分析可知，各加载点的拟合误差绝对值小于7%，拟合效果理想。根据预测曲线，列出沉降与承载力的对应值，根据关于竖向抗压极限承载力的取值规定，该桩最大沉降值可取0.05D（D为扩大头直径）对应的沉降值作为极限承载力，则预测曲线推算桩的极限承载力则可取10370kN。

图1 试验桩荷载与沉降Q-s曲线

（2）沉降计算。将中风化基岩作为持力层，需将孔底部的浮土清理干净，当桩身负荷后产生的沉降量较小时，可直接忽略。

（3）桩身配筋。桩身主筋配筋标准为最小配筋率不得小于0.4%桩身截面，数量不得小于8根。在地震或风荷载较大的区域，主筋长度要求为能够伸到底部，当桩身较长时，50%的钢筋可伸至底部，其余伸至1/2桩长位置即可，扩底位置无需另外配筋。桩帽下1～1.5m范围内，箍筋型号为Φ8mm～Φ10@100mm，其他位置为Φ8mm～Φ10@300mm，选用的是封闭单肢箍或者是螺旋箍，相邻箍的间隔距离为2m，中间设置型号为Φ12～14mm的钢筋，并焊接加劲箍筋[4]。矩形桩护壁计算时，以受弯构件与两侧固定板为参照物，或将矩形挖孔桩护壁视为偏心受压构件，将护壁长度记为L1，经分析符合规范要求，高于最低限值；圆形钢筋混凝土桩护壁配筋计算时，长度取0.3πd（d为护壁直径），护壁结构具有土体起拱作用，后期可适当调整。按照现行规范，工程中端承桩通常配筋符合规范，高于最小配筋率0.2%，桩身直径最小为800mm，扩底桩的扩底直径小于2倍桩径，符合规范。

（4）护壁厚度设计。对该工程8#楼的人工挖孔桩进行计算，孔桩截面尺寸为2m×3m，土的重度γ=19.5，土的黏聚力c=20，土的内摩擦角φ=22。假设桩顶下5m位置土压力为桩护壁所受的最大土压力，经计算得到σmax=44.4kN/m2。

最大弯矩计算：

式中：M为最大弯矩；q为地面荷载；l为桩长；k为安全系数。

护壁厚度计算：

式中：d为护壁厚度；M为最大弯矩；H为挖孔桩护壁深度；RH

P为混凝土轴心受拉的抗拉强度。剪力控制下护壁厚度计算：

式中：ha为计算处地下水位；V为最大剪力；βh为土和地下水对护壁的最大侧压力；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；b为实际护壁厚度。

取a1=25，则实际高度h≥hc+a1=100mm，其中hc为地下水位高度，a1为护壁的内半径。经过计算得知，实际护壁厚度b2=200mm，满足剪力控制要求。

4 结束语

工程实践表明，选用超大直径人工挖孔桩工艺操作简便，与钻孔扩底桩相比造价低30%，可有效降低建设成本，经济效益显著。同时，将其与钻孔灌注桩进行比对，人工挖孔桩桩底扩大，逐渐形成锅底形状，可有效改善地基的受力情况，承载力也可提高20%。建成后对该商业中心建筑进行持续观测，总沉降量与沉降差小，符合现行规定，可为类似地基基础设计工程提供参考。