大直径钻孔灌注桩按桩身混凝土强度设计

按桩身混凝土强度设计嵌岩灌注桩的方法

章履远 (浙江世贸联合投资集团公司 310053)

一、 概述

当前大直径钻孔灌注桩的应用量大面广。如何提高大直径钻孔灌注桩的竖向承载力，以降低桩基成本是人们追求的目标。本文探讨以端承为主的端承桩或摩擦端承桩如何来提高承载能力的问题。笔者通过近几年的工程实践与分析后认为，这种桩型的桩端必须要有中风化或微风化基岩(硬质岩或软质岩均可) 作为持力层，且基岩的埋深在10m ～80m 以内，在这种条件下，通过技术手段采取施工措施，使桩的承载能力大幅度提高，最后达到最大值——承载能力按桩身混凝土强度控制。本文着重叙述在桩身混凝土强度满足桩的竖向承载力设计要求时应采用的几个技术措施。

二、 考虑问题的思路

1、无论是国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007—2002、或行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ94—94，决定摩擦端承桩时，钻孔灌注桩单桩竖向承载力的计算公式总是分为摩擦部分和端承部分。而嵌岩灌注桩的计算就有区别。行业标准JGJ94—94分得较细，其计算式为Q uk ＝Q sk ＋Q rk ＋Q pk ，即嵌岩部分也分为嵌岩段摩擦阻力和端承部分支承力二部分，并且随嵌岩深度分别作出修正(见规范第40页) ；国家标准GB50007—2002比较简单，只要是明确桩端嵌在较完整的硬质岩时，可按公式R a ＝q pa A p 来确定单桩竖向承载力。近年来，笔者通过几种嵌岩灌注桩，无论是80m 长桩，还是＜20m 的短桩，持力层那怕是软质岩或极软岩，先用规范计算得出承载力再进行静载荷试桩，结果发现二者差别都比较大，表1给出计算值与试验值对比。

从表1中所列，21根试验桩及检验桩的试验值与按规范的计算值相比，除少数桩其试桩值达不到计算值外，其余大部分桩试验值都超过了计算值，有的还大大超过了计算值。如＃

306检验桩，其试验值与计算值相比，达到2.31比值。其实，许多试验桩，从最终桩顶沉降值来看，有些桩的荷载还能再增加，比值有可能会超过3.0，只是由于荷载再加上去，已没有实标意义(因荷载值己超过了按桩身材料抗压强度控制的最大值) 或试桩堆载装置已无法再增加荷重而不得不终止加载。 再从表1中可以看出，短桩比值大，而长桩比值小，但不管是长桩或短桩，只要是嵌岩桩，比值都能提高。

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又从表1可看出，1工程的S 1和S 2桩，与4工程的SZ 1、SZ 2、SZ 3试验桩，二者的地层情况相似，S 1、S 2桩的桩端持力层岩石单轴抗压强度标准值(19.4MPa)要比SZ 1、SZ 2、SZ 3桩的桩端持力层岩石单轴抗压强度标准值(6.46MPa)要高，但试验桩极限承载力前者反而比后者要小，且桩顶沉降值前者大于后者很多。这二种桩的唯一不同点，据分析，前者桩底没有注浆，不排除由于桩底不注浆使桩底沉碴过厚而影响到桩底端阻力的发挥(从桩顶沉降过大可知) 。

2、表1中可知，所有试验桩和检验桩的一个共同点是：所有桩都是嵌岩灌注桩。从试验结果来看，按规范的计算值和实际的静载荷试验值有巨大差别，有的差别还很大，尤其是短桩，无法用规范计算来得到解释。这种事实的存在提出了一个新的实际问题：只要是嵌岩灌注桩，当采用某些技术措施后，都能达到按桩身混凝土强度满足桩的竖向承载力来进行单桩设计，可以忽略规范的计算估算值。为什么要提出这种说法呢？这是基于对嵌岩灌注桩重新认识的一种新的观点——笔者暂称其为“岩体延伸”，即第三系基岩，通过钢筋混凝土

态下，岩体是压不碎的，桩体给基岩的加载过程只能是钢筋混凝土桩体材料的破坏，亦即形成了嵌岩灌注桩都可以按桩身混凝土强度满足桩的承载力来进行单桩设计。桩身越短，这种经济价值越明显，直到嵌岩灌注长桩的桩侧摩阻力超过了桩身材料抗压强度提供承载力后，这种优势才消失掉。当然，嵌岩灌注桩要按桩身混凝土强度满足桩的竖向承载力来进行单桩设计，还必须要有一定的技术措施来保证才能实现。

三、 按桩身混凝土强度设计单桩

承载力的设计施工技术措施

1、施工工艺技术：首先，钻孔灌注桩应采用泥浆反循环施工工艺技术，这是因为泥浆反循环施工工艺能保证在钻头进入基岩后，被钻头切削或压碎下来的大小岩石碴体，立即从孔底跟着泥浆被抽吸上来，排入泥浆池中，孔底没有沉碴沉淀。而泥浆正循环工艺就做不到，就不能保证孔底沉碴小于规范要求。其次，孔底沉碴清除，不管是泥浆反循环工艺施工的桩，还是泥浆正循环施工的桩，在浇灌水下混凝土前均必须采用反循环(泵吸或气举) 来消除孔底可能有的沉碴，从而保证水下混凝土与桩底持力层岩面的紧密结合，不会因为孔底有沉碴而影响到桩底承载能力的发挥。

2、采用孔底注浆技术：对于嵌岩灌注桩，这项技术仅仅是一项辅助技术，在保证孔底沉

碴为0时，注浆是没有意义的。但是施工时清除孔底沉碴此项工作，由于施工人员素质参差不齐，会有一些素质低下人员，在监督不严情况下偷工而造成清碴不彻底，再或，清碴以后，由于多种原因，使初灌混凝土时间延长，孔底又产生新的沉碴，孔底沉碴加厚，使桩身混凝土与持力层基岩面脱节，使岩体延续产生疏松夹层，桩的承载能力降低。为避免此类情况发生，不管清底是否彻底，一律使用孔底注浆技术，以保证有沉碴的桩底，也能做到桩身与基岩的紧密结合。笔者在第2号工程中对20根桩进行了岩性钻探取样，以验证桩身强度及嵌岩完好程度，其情况详见表。

注：1、20根取芯桩是从500多根工程桩中，按随机及该桩重要性和有怀疑等原则抽取；

2、钻孔灌注桩桩身混凝土强度等级为C 35；

3、检验报告指出，未见断桩、松散、沉碴、夹泥等不良现象，岩石与桩身混凝土胶

结紧密，岩石抗压强度平均为11.2MPa(勘测报告提供设计抗压强度特征值为5.2MPa) 。 从表2中所列20根桩的检验记录，足以验证嵌岩灌注桩，采用了泥浆反循环施工工艺、泥浆反循环清底工艺及孔底注浆等三项工艺技术，为能达到桩身与基岩能紧密结合的保证措施，是有效的，是必要的。

3、基岩的抗压强度要超过桩按桩身强度设计时对基岩抗压强度要求：

桩身混凝土强度为C 35、C 40的钻孔灌注桩，按桩身强度满足桩的承载力，其桩的竖向力设计值可按式Q ≤A p f C ψC 分别计算如下：(采用Φ0.8m 直径桩)

C 35的为：R a ＝16.7N/mm2×800mm ×800mm ×π/4×0.7＝5876kN ； C 40的为：R a ＝19.1N/mm2×800mm ×800mm ×π/4×0.7＝6920kN 。

若按端承桩受力性状来分析，桩的竖向承载力应该由桩端与基岩接触部分的基岩来承担，也就是说，基岩的压强必须满足按承载力设计值的2倍对基岩产生的压强，同样按0.8m

直径桩来计算：基岩压强f r ≥2×5876kN ÷(0.8m×0.8m ×π/4)＝23.38MPa(C35) ；

f r ≥2×6720kN ÷(0.8m×0.8m ×π/4)＝26.74MPa(C40) 。

当基岩为软岩时，就不能满足上述要求，那么基岩在软岩条件下(fr ≤30MPa) ，若按桩身混凝土强度满足桩的承载力进行单桩设计时，必须采取如下二项措施：

其一：采用钻孔扩底桩，增加基岩接触面积，如上述2号工程，基岩为软岩，岩石抗压强度为5.2MPa ，不能满足23.38MPa 的压强要求，当采用桩底扩大一倍桩径后，基岩的抗压强度为：2×5876kN ÷(1.6m×1.6m ×π/4)＝5.84MPa ，可以满足要求；

其二：加深桩端嵌岩段长度。按《建筑桩基技术规范》JGJ 94—94的建议值，桩端阻力由嵌岩段侧壁摩阻力和端阻力分别承担，当基岩的抗压强度不能满足桩身传来的压力时，以加长嵌岩段长度，增加嵌岩段侧壁摩阻力，减小对基岩的压力，应该是有效的。问题是嵌岩段加长多少才合理。参照JGJ94—94规范，以2号工程地质情况为例，选择0.8m 直径桩为计算依据，嵌岩段选择长度为5.0m ，其嵌岩段摩阻力为：

0.8m ×π×0.05×5200KPa ×5.0m ＝3266kN ，该桩按桩身混凝土强度满足桩的承载力的设计值为5876kN(C35等级) ，扣除嵌岩段侧壁摩阻力后，对基岩的压力为：

(5876KN－3266kN) ÷(0.8m×0.8m ×π/4)＝5189kPa ，基岩抗压强度能满足要求。 由此，软岩的嵌岩段的长度建议按下图取值。

岩石压强(MPa)

嵌入基岩桩

直径的倍数

2号、3号、4号工程均为软岩，2号工程采用扩底桩(5.2MPa)，3号工程采用嵌入基岩4～6倍桩径长度(5.2MPa)、4号工程选择3倍桩径长度(7.97～11.2MPa) ，经过静载荷试桩，试桩结果全都满足要求(见表1) 。

四、 结论

通过上述试桩、检验桩、取芯检验桩的成果分析和工程实践应用，提出了嵌岩钻孔灌注桩，桩长80m 以内，可以按照“岩体延伸”的观点，采用一定的设计措施和施工措施，都能按桩身混凝土强度满足桩的承载力来进行单桩竖向承载力设计，从而使建筑物、构筑物桩基成本，比照按常规设计有较大幅度节省。其幅度可控制在10％～50％范围，桩越短越明显。具有具大的经济意义和现实意义。