浅析人工挖孔桩和人工挖孔墩的设计

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  摘要:根据人工挖孔墩和人工挖孔桩的定义,从两者的基础类型、长度及直径、间距、进入持力层的深度要求、承载力计算方法、配筋构造、检测要求、地层要求、安全措施等方面,比较国家及行业标准和地方标准的相关规定,分析了两者的区别与联系,在工程实际的设计计算中可作参考。
  關键词:人工挖孔桩    人工挖孔墩    区别与联系    设计计算
  根据上部结构的受力特征和场地地质情况和现场实际情况,参考地质报告的结论和建议,选择合适的基础型式,是结构设计的重要环节,对工程的安全、质量、造价、工期等方面均有重要影响。当选用人工挖孔墩和人工挖孔桩时,应综合考虑建筑结构类型、荷载性质、基础的使用功能、穿越土层、持力层、地下水位、施工环境、施工设备、施工经验等因素。本文通过两者的比较与分析,为类似工程的基础设计计算提供了思路。
  1.定义
  人工挖孔桩:桩孔采用人工挖掘方法进行成孔,然后安放钢筋笼,浇注混凝土而成的桩。属于干作业成孔灌注桩,其孔径(不含护壁)不得小于0.8m,不宜大于2.5m;孔深不宜大于30m。由挖孔桩受力特性决定,可分为端承桩、摩擦端承桩,不应采用摩擦桩。
  人工挖孔墩:埋深大于3m、直径不小于1000mm、且有效墩高与墩身直径的比小于6或有效墩高与扩底直径的比小于4的独立刚性基础,可按墩基进行设计;桩长少于6m及L/D≤3时按墩基础设计,L为桩顶至扩底端最大直径处的距离,D为扩底直径。
  2. 人工挖孔桩和人工挖孔墩的区别
  一、基础类型
  人工挖孔桩属于桩基础,按照成桩工艺为干作业成孔灌注桩;
  人工挖孔墩属于刚性基础,属于天然地基深埋基础。
  二、长度及直径
  人工挖孔桩的桩长6m≤L≤30m;人工挖孔桩的挖孔深度不宜大于15m、不应大于20m;
  人工挖孔桩(墩)的孔径(不含护壁)不得小于0.8m,不宜大于2.5m;人工挖孔桩直径不应小于1000mm。
  人工挖孔墩的墩顶至扩底端最大直径处的距离少于6m及L/D≤3;埋深大于3m、直径不小于1000mm、且有效墩高与墩身直径的比小于6或有效墩高与扩底直径的比小于4。
  关于人工挖孔桩的桩长上限限定,以及人工挖孔桩(墩)的直径要求,地方标准更为严格。
  三、基桩(墩)间距
  人工挖孔桩可分为端承桩、摩擦端承桩,不应采用摩擦桩。基桩的最小中心距为1.5D或D+1.5m(当D>2m),D为扩大端设计直径。
  人工挖孔墩相邻墩墩底标高一致时,墩位按上部结构要求及施工条件布置,墩中心距可不受限制。
  相比较而言,人工挖孔桩的基桩间距更为严格一些。
  四、进入持力层的深度要求
  人工挖孔桩应选择较硬持力层作为桩端持力层。桩端全断面进入持力层的深度,对于粘性土不宜小于2d,砂土不宜小于1.5d,碎石类土不宜小于1d。当存在软弱下卧层时,桩端以下硬持力层厚度不宜小于3d。嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度,不宜小于0.5m。
  人工挖孔墩墩底进入持力层的深度不宜小于300mm。当持力层为中风化、微风化、未风化岩石时,在保证墩基稳定性的条件下,墩底可直接置于岩石面上,岩石面不平整时,应整平或凿成台阶状。
  可见,人工挖孔桩是按照桩端进入持力层的深度要求考虑的,人工挖孔墩则是参照墩底进入天然地基的深度要求考虑的。
  五、承载力计算方法
  计算单桩承载力时,当人工挖孔桩桩周护壁为振捣密实的混凝土时,桩身周长可按护壁外直径计算;计算桩端阻力和桩身强度时,仅取内径d为桩身计算直径。
  支承在微风化岩上长径比≤5的端承桩,只计端阻,不计侧阻,支承于其他土层或中风化岩、强风化岩上的桩,按摩擦端承桩计,即计入摩擦力,但有扩大头的桩其扩大部分及以上1~2m范围内不计桩周侧阻力。
  单墩承载力特征值或墩底面积计算不考虑墩身侧摩阻力,应计入墩身自重及扩大头上部土重的作用,墩底端阻力特征值采用修正后的持力层承载力特征值或按抗剪强度指标确定的承载力特征值。岩石持力层承载力特征值不进行深度修正。
  墩身混凝土强度验算同桩身混凝土强度验算。
  墩底压力的计算、墩底软弱下卧层验算及单墩沉降验算应符合天然地基设计计算中的有关规定;当墩身的混凝土强度等级低于柱的混凝土强度等级时,尚应验算墩身顶面的局部受压承载力。
  两者的承载力计算模式截然不同,人工挖孔桩基本上是按照《建筑桩基技术规范》来进行桩基计算,而人工挖孔墩基本上是按深埋基础天然地基的方法进行计算。
  六、配筋构造
  人工挖孔桩的桩身配筋应满足《建筑桩基技术规范》第4.1.1的相关规定。当桩身直径为300~2000mm时,正截面配筋率可取0.65%~0.2%(小直径桩取高值)。
  人工挖孔墩的墩身采用构造配筋时,纵向钢筋配筋率不应小于0.15%,宜通长配筋,箍筋直径不宜小于8mm,间距不宜大于250mm。
  可见,人工挖孔桩桩身构造配筋率比人工挖孔墩墩身构造配筋率大。
  七、检测要求
   人工挖孔桩应按照灌注桩的要求进行试桩,工程桩的检验包括单桩竖向承载力、桩身完整性、桩顶标高、桩径、桩位偏差等。
  区别于其他桩型,人工挖孔桩终孔时,应进行桩端持力层检验。单柱单桩的大直径嵌岩桩,应视岩性检验孔底下3倍桩身直径或5m深度范围内有无土洞、溶洞、破碎带或软弱夹层等不良地质条件。不得采用高应变法检测人工挖孔孔底桩的竖向抗压承载力。
  墩孔挖至持力层时,参建各方应共同对持力层进行判别,墩身质量采用低应变法进行检验。   甲级设计等级的建筑物应通过载荷试验确定墩底承载力的特征值。
  可见,人工挖孔桩的检测项目更全面,检测要求更为严格。
  3. 人工挖孔桩和人工挖孔墩的联系
  1)两者施工工艺相同,均采用人工挖掘方法进行成孔,然后安放钢筋笼,浇注混凝土;
  2)均要求中硬以上的岩、土层为持力层;
  3)均对穿越土层有较明确的限制和要求:
  采用人工挖孔桩需满足下列要求:持力层在地下水位以上或地下水降水不很困难;所穿越的土层不含淤泥层、流砂层,或淤泥层、流砂层厚度不大,并经降水后,在适当调整护壁高度及壁厚前提下挖进中不会造成垮塌;
  饱和粉土或砂类土层、软流塑红黏土层、易流土流砂的土层、承压含水层、饱和残积土层、岩溶水货裂隙水发育的岩石层、可能产生有害气体的地层、厚度大于3m的淤泥(淤泥质土)层以及未经压实的填土层中不得采用人工挖孔桩(墩)。
  4)地基的勘察要求基本相同;
  5)扩底端尺寸应符合的规定基本一致;
  6)均采用钢筋混凝土护壁,对护壁的厚度、混凝土强度、钢筋构造基本一致;
  7)持力层起伏较大时,均应综合考虑相连基础底部高差与基础中心距之间的关系,进行持力层稳定性验算,不满足时可调整基础间距或基底标高;
  8)承台(墩帽)的设置要求,及其与桩、柱、基础梁的连接构造等基本一致;
  9)施工技术要求基本一致,如成孔及护壁施工、钢筋笼制作和安装、混凝土浇灌、施工安全措施等。
  4. 结论
  人工挖孔墩和人工挖孔桩属于干作业法非挤土成孔,无排浆,无振动和噪声,对周边环境影响较小;对持力层有比较直观的判别,对底部沉渣可有效的清理和控制,在一些场地具有工程应用价值。本文结合現行规范、标准等,对两者进行了全方位的比较和分析,正确认识了两者的区别与联系,类似的工程设计可作为参考。
  参考文献
  1.《建筑桩基技术规范》  JGJ 94-2008;
  2.《建筑地基基础技术规范》  DB42/242-2014;
  3.《全国民用建筑工程设计技术措施(2009)—结构(地基与基础)》
  4.《建筑地基基础设计规范》  GB50007-2011
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