鉆孔灌注樁論文改

1、前言在建筑物修筑過程中，本地基淺層土質(zhì)不良，采用淺基礎(chǔ)無法滿足建筑物對地基強度、變形和穩(wěn)定性等方面的規(guī)定時，往往需要采用深基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)是一種應用較為廣泛的深基礎(chǔ)類型。樁基礎(chǔ)的分類辦法諸多，按照成樁辦法分類重要有下列兩種基本類型：預制樁和灌注樁。由于灌注樁相比預制樁有下列優(yōu)點：1.1、施工過程基本無噪音，無振動，無濃煙排放，對環(huán)境的影響??；1.2、可根據(jù)土層分布變化樁長，并且可選擇適宜的樁型提高受力性能；1.3、施工過程中樁身不需搬運吊裝，不必承受打擊，因此可采用較低的配筋率；并且可根據(jù)建筑物的重要性和荷載條件選擇沿深度變截面配筋。因此，在工程中較多選用灌注樁。灌注樁根據(jù)成孔方式又可分為鉆孔灌注樁和人工挖孔灌注樁兩類。其中人工挖孔灌注樁以工期短、機具簡樸、成孔質(zhì)量好及合用范疇廣等特點而含有極強的生命力和良好的發(fā)展前景。2人工挖孔灌注樁概況2.1發(fā)展歷程人工挖孔灌注樁是指在樁位采用人工挖掘的辦法成孔，然后安放鋼筋籠、灌注混凝土而成的基樁。人工挖掘成孔技術(shù)源自古代人類的掘井技術(shù)。1893年美國首先在芝加哥、底特律等大都市使用這項新技術(shù)。由于當時這些大都市土地緊張，造成建筑物的層數(shù)不停增加以緩和這種壓力。多個高強輕質(zhì)新材料的出現(xiàn)、大型起吊設(shè)備的開發(fā)為高層建筑的設(shè)計和施工發(fā)明了條件。但是，這同時也提高了對基礎(chǔ)強度和穩(wěn)定性的規(guī)定。這些大都市地表下列存在著埋深較大的軟土或中檔強度的粘土層，若基礎(chǔ)選用當時通行的摩擦樁，必然會產(chǎn)生不可允許的沉降。于是設(shè)計人員不得不考慮把樁設(shè)立在更深的持力層上，并且為滿足承載力規(guī)定還必須將樁身截面設(shè)計的很大。由此而造成當時的打樁設(shè)備局限性以提供足夠的力，把樁打至設(shè)計的深度。人工挖孔灌注樁的引入則解決了這一難題。人工挖孔灌注樁也由此被稱為“芝加哥式挖孔樁”。由于其施工機具簡樸，合用范疇廣等優(yōu)點，人工挖孔灌注樁作為一種深基礎(chǔ)形式很快的應用于世界各地。人工挖孔灌注樁的出現(xiàn)不僅解決了當時工程中出現(xiàn)的問題，核心是其變化了傳統(tǒng)的施工辦法，將廣泛應用于上部構(gòu)造施工的現(xiàn)澆工藝引入對基礎(chǔ)的施工中。與以前廣泛應用的木樁、鋼樁以及鋼筋混凝土預制樁等打入樁相比，先成孔，再澆筑混凝土的施工工藝確實是一種突破。隨即在20世紀40年代出現(xiàn)的鉆孔灌注樁也是在此基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。我國是在上個世紀60年代初開始在工程中引入人工挖孔灌注樁。最初，這項新工藝應用于沿海地區(qū)，70年代中期后來又陸續(xù)在我國北京、廣州等大都市應用于高層和重型建筑物的基礎(chǔ)。隨即，人工挖孔灌注樁便在我國得到了迅猛的發(fā)展。數(shù)年間便普及了全國的二十幾個大、中都市，廣泛應用于涉及軟土、黃土、膨脹土等特殊土在內(nèi)的各類地基。據(jù)預計，近年來我國應用人工挖孔灌樁的數(shù)量堪稱世界之最。2.2技術(shù)特點自人工挖孔灌注樁問世至今通過了一種多世紀，隨著人們對人工挖孔灌注樁承載機理的研究，這一樁型也得到了進一步的發(fā)展。在各類建筑物的基礎(chǔ)中人工挖孔灌注樁越來越受到重視，這重要是由于它較之其它的樁型有其本身的特點：（1）人工挖孔灌注樁屬于非擠土樁，施工基本無噪音，無地面隆起或側(cè)移，無濃煙排放，對周邊環(huán)境影響小，對附近的建筑物、路面或地下設(shè)施等危害小，操作簡樸；（2）人工挖孔灌注樁的單樁承載力高，視地質(zhì)條件、樁身尺寸和混凝土強度等級不同，普通可達數(shù)千kN甚至數(shù)萬kN。因此，在工程中常設(shè)計成一柱一樁的基礎(chǔ)形式；（3）人工挖孔灌注樁由于其樁身剛度大，除能承受較大的豎向荷載外，還能承受一定的橫向荷載，增強建筑物的抗震力，并能有效地充當坡地的抗滑樁、堤岸支護樁以及地鐵或建筑物基坑開挖的支護樁，還能夠在基坑開挖后繼續(xù)作為地下室的承重墻等永久性構(gòu)造使用；（4）人工挖孔灌注樁施工設(shè)備比較簡樸、輕便，施工速度快。普通只用鎬、鍬、人力卷揚機和鐵桶（或條筐），必要時采用風鎬和通風機。同時能夠分組作業(yè)，多孔同時進行，提高施工速度；（5）人工挖孔灌注樁質(zhì)量易確保。采用人工挖孔可直接檢查孔底巖層的巖性及風化程度，確保樁端設(shè)立在良好的持力層上。人工清底可確保樁底與持力層接觸緊密，不存在沉渣現(xiàn)象；（6）人工挖孔灌注樁不需要搬運吊裝，不必承受打擊，因而可采用較低的配筋率，并可根據(jù)建筑物的重要性和荷載條件僅在樁身上段配筋或沿深度作變截面配筋；（7）人工挖孔灌注樁普通樁間間距較大，群樁效應小，設(shè)計中無需為此而進行繁瑣的計算。樁的沉降及其對鄰近樁和周邊地面的影響的計算也比常規(guī)中檔直徑樁更為簡便；（8）人工挖孔灌注樁采用擴底的型式，能更加好地發(fā)揮樁端持力層的作用，這是其它樁型所不可比的。并且縮短了樁長，減少了工程量，減少了施工難度。在樁端擴大的基礎(chǔ)上，工程人員進而沿樁身在適宜的土層上擴大樁的直徑，形成多個異形樁，更加好地發(fā)揮土層的承載力。2.3合用范疇人工挖孔灌注樁的上述特點，使其在國內(nèi)外的工程中得到廣泛的應用。特別是在我國，由于勞動力充足，價格低廉，使單樁成孔造價大大低于鉆孔樁或其它類型樁。另外，能夠多孔同時施工，加緊了進度，縮短了工期。人工挖孔灌注樁合用范疇較廣，可廣泛應用于下列工況：（1）橋梁、高層建筑、大型設(shè)備等的基礎(chǔ)，在無地下水或地下水量不多的地層；（2）地表下列有較厚的軟弱土層，如雜填土、素填土、淤泥質(zhì)土等；（3）擬建工程場地有人防工事，可將人工挖孔灌注樁穿過人防工事達成其下的硬土層；（4）工程場地地表下列有埋深較厚的濕陷性黃土，膨脹土，而其下有較硬的持力層；（5）工程場地含有適于作人工挖孔灌注樁持力層的土層，如：巖石類，礫石類，密實砂類，值不不大于10MPa的粘性土等；（6）場地狹小的市區(qū)，不適宜開進大型機器設(shè)備，宜選用人工挖孔灌注樁。它含有土方量小、投資少、施工快、對周邊環(huán)境影響小的優(yōu)點；（7）新近建筑物鄰近有老建筑物時，采用人工挖孔灌注樁可避免不利影響，方便施工。2.4發(fā)展方向隨著時代的進步，科學的發(fā)展，建筑物的上部構(gòu)造形式越來越多，由此也引發(fā)了基礎(chǔ)工程的不停更新。人工挖孔灌注樁現(xiàn)在的發(fā)展趨勢大概有這樣兩個方向：1、樁型的變化。由以前的直壁樁、擴底樁發(fā)展為沿樁身布設(shè)多個坎（肋），或是樁徑設(shè)計成沿深度呈階梯形變化的樁，充足發(fā)揮地層中工程性質(zhì)良好土層的承載力；2、澆筑過程中新工藝的引入。打破先前澆筑實心混凝土樁的傳統(tǒng)，采用空心樁，減少了樁的自重和廢棄土方量，節(jié)省了工程量，減少了造價。另外，引入歐洲國家使用的樁底灌漿施工工藝，通過對樁底灌漿，有效地增加了樁端土的剛度，減少的樁端土層的壓縮量。建筑規(guī)模的不停增大，引發(fā)了樁徑的增大。直徑為2～3米的人工挖孔灌注樁已司空見慣，個別的達成并超出了5米。為了減少樁身自重，節(jié)省工程量，減少造價，但同時又滿足承載力的規(guī)定，人工挖孔擴底灌注樁作為一種新的樁型引入基礎(chǔ)工程。人工挖孔擴底灌注樁能較好的發(fā)揮持力層的作用，減少樁長，提高單樁承載力。近年來的工程實例已證明當樁長較大，場地可能因大量堆載或地下水下降而發(fā)生沉降，或因地震液化等因素致使樁側(cè)摩阻力減少、喪失甚至會產(chǎn)生負摩阻力時，擴大樁底部直徑仍然是發(fā)揮樁端持力層的作用、提高單樁承載力的有效方法。隨著人們對擴底作用認識的深化和施工機具的改善，擴底的形式也有了新的發(fā)展。擴底的形式重要有鍋底形擴底和平面形擴底兩種。我國近年推薦采用前者。擴底端的尺寸選用上變化很大。普通樁端直徑與樁身直徑比不超出3.0；鍋底矢高取(0.1～0.15)D；擴底側(cè)面的斜率應根據(jù)實際成孔及支護條件擬定，普通取1/3～1/2，砂土取為1/3，粉土、粘性土取為1/2，見圖以下。人工挖孔擴底灌注樁構(gòu)造人工挖孔支盤灌注樁從仿生學原理出發(fā)，把自然界樹木生長的規(guī)律應用到工程上來，是一種新的發(fā)明。這種樁使用特制的設(shè)備在支盤周邊可形成堅硬的土體，現(xiàn)有較大的承壓能力，又有較大的抗拔能力，由于樁體周邊有支和盤的存在，可增加樁的穩(wěn)定性。人工挖孔支盤灌注樁克服了傳統(tǒng)樁型承載力低、抗拔能力小、穩(wěn)定性差的缺點，能夠認為是夯擴樁和大直徑樁(墩)的改善。擠擴支盤灌注樁技術(shù)是運用專利設(shè)備——支盤擠擴機在常規(guī)施作的樁孔內(nèi)的適宜土層，進行加壓擠擴，形成“盤”或“支”再按常規(guī)工藝灌注混凝土，形成擠擴支盤灌注樁。擠擴支盤灌注樁的機理是:樁身的“盤”或“支”支承于較硬土層上，充足運用樁身周邊和樁端的較好土層，變側(cè)阻力為支承力。這樣大大提高了樁的軸向承載力、抗拔力，并減小了樁的沉降變形。3.1課題的提出時至今天人工挖孔灌注樁已發(fā)展了100余年，此間人類從未停止過對其工作機理的研究。新樁型、新工藝的不停涌現(xiàn)使得工程人員必須更新自己的知識，對人工挖孔灌注樁的受力機理和變形特性進行不停的探討和研究。特別是從上個世紀70年代以來，隨著我國國民經(jīng)濟的高速增加，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)得到了大力發(fā)展。許多大、中都市興建起大批的高層建筑和大跨度柱網(wǎng)框架構(gòu)造及大型設(shè)備基礎(chǔ)等建筑物。特別是近年來公路事業(yè)的發(fā)展，大跨徑橋梁的數(shù)量急劇增加，樁基礎(chǔ)的作用越來越重要。在已建和在建的諸多工程中，工程人員發(fā)現(xiàn)了存在于建筑物基礎(chǔ)方面的大量問題。這些存在于設(shè)計、施工和檢測中的諸多問題影響了基礎(chǔ)工程的發(fā)展，同時也給研究人員提出了大量新的研究課題。首先是對人工挖孔灌注樁受力機理和變形特性的研究。盡管人工挖孔灌注樁已使用100余年，工程人員和研究人員始終在不停的探索，但是至今沒有對其受力機理和變形特性給出令人滿意的解釋；承載力與變形也沒有建立合理的取值辦法；對于樁土體系的荷載傳遞機理，樁端阻力、樁側(cè)摩阻力在受力過程中發(fā)揮的性狀也沒有統(tǒng)一的認識；在承載力的鑒別原則方面也是如此?，F(xiàn)在重要存在的兩種承載力鑒別原則：強度控制和變形控制。極限荷載法就是一種強度控制辦法，對于小直徑樁特別是摩擦樁，Q-S曲線上拐點較明顯，易于擬定極限荷載；但對于人工挖孔擴底灌注樁，承載力以端承力為主，Q-S曲線呈緩變型，沒有明顯的突變點，樁頂沉降相稱大時還達不到破壞，這時就需要引入變形控制的辦法，用樁頂絕對沉降S或是相對沉降來控制承載力。在運用公式計算人工挖孔灌注樁承載力時，與否需要計及樁側(cè)摩阻力的影響也是有爭議的問題，各地工程人員對此也是各執(zhí)一詞，眾說紛紜。以上多個問題造成在擬定承載力時出現(xiàn)分歧。例如：對于設(shè)在同一土層幾何尺寸相似的人工挖孔灌注樁的承載力按多個規(guī)范建議的公式計算承載力可能相差一倍甚至更多；對于同一基樁的靜載荷實驗成果，以不同的極限承載力鑒別原則也可能出現(xiàn)較大的差別。另一方面，單樁軸向允許承載力的擬定在工程設(shè)計中也是一種值得研究的課題。單樁軸向允許承載力是指單樁在軸向荷載的作用下，地基土和樁本身的強度和穩(wěn)定性均能得到確保，變形也在允許范疇以內(nèi)所能承受的最大荷載，它是以單樁軸向極限荷載承載力（極限樁側(cè)摩阻力和極限樁端阻力之和）考慮必要的安全度后得到的。單樁軸向允許承載力的擬定辦法諸多，例如：1、靜載實驗法；2、經(jīng)驗公式法；3、靜力觸探法；4、動測試樁法；5、靜力分析法等。在這些辦法中，以靜載實驗法最為直觀可靠，但是其實驗工作量大，操作繁瑣，造價較高。設(shè)計中較為慣用的是經(jīng)驗公式法，重要由于其簡樸易行，也有大量經(jīng)驗可供參考。我國現(xiàn)行的各設(shè)計規(guī)范都規(guī)定了以經(jīng)驗公式計算單樁軸向允許承載力的辦法。規(guī)范根據(jù)全國各地大量的單樁靜載實驗資料，通過理論分析和統(tǒng)計整頓，給出了不同類型的樁按土的類別、密實度、埋置深度等條件下有關(guān)樁側(cè)摩阻力及樁端阻力的經(jīng)驗系數(shù)、數(shù)據(jù)及對應公式。例如：現(xiàn)行的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTJ024-85）給出了下面兩個公式用于人工挖孔灌注樁軸向允許承載力得計算：（1）摩擦樁型人工挖孔灌注樁的軸向允許承載力（2）支撐在基巖上或嵌入基巖內(nèi)的人工挖孔灌注樁軸向允許承載力各地區(qū)都有類似的經(jīng)驗公式，甚至同一地區(qū)的不同設(shè)計院也都有各自的經(jīng)驗公式。但是這些公式有的過于保守，有的則偏于不安全。再就是諸多公式都是很數(shù)年以前建立的，在新的施工工藝中再使用它則有明顯的不當。例如上面提到的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》還是上個世紀八十年代編寫的，它對于這些年來工程中出現(xiàn)的眾多實際問題都沒有涉及到，例如在計算人工挖孔擴底灌注樁承載力時，樁側(cè)摩阻力的計算與否、擴底端部分對樁側(cè)摩阻力影響的深度等問題都沒有解決，對于人工挖孔支盤灌注樁的承載力計算公式更是沒有提及。1994年頒布的《建筑樁基施工技術(shù)規(guī)范》中對于有混凝土護壁的人工挖孔灌注樁單樁軸向極限承載力原則值的計算是按照大直徑（）干作業(yè)鉆孔灌注樁的公式進行的。但是由于人工挖孔灌注樁在成孔的過程中使得周邊的土體產(chǎn)生應力釋放，造成其樁側(cè)摩阻力較之鉆孔灌注樁要小。因此，這樣的公式套用必將帶來計算值與實際值不符。因此，人工挖孔灌注樁如何把握各設(shè)計參數(shù)的合理取值，使地基土既能發(fā)揮最大的承載潛力，又使基礎(chǔ)含有規(guī)范所規(guī)定的安全度，已成為眾多基礎(chǔ)工程設(shè)計者所關(guān)注的問題。4、人工挖孔灌注樁現(xiàn)場靜載荷實驗4.1巖土工程條件實驗場區(qū)屬于丘陵區(qū)，地形起伏不大，較平坦?？碧街形窗l(fā)現(xiàn)地下水存在。在實驗場地范疇內(nèi)，地層的巖性重要為亞粘土、粘土和卵石（），含有土卵雙層構(gòu)造，土層分布較均一，層面起伏不大，共分三個土體單元，自上而下分別為：1、人工填土2、亞粘土3、卵石（）根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTJ024-85）中的有關(guān)規(guī)定，對實驗場區(qū)內(nèi)的土進行了現(xiàn)場原位測試（原則貫入實驗）和室內(nèi)實驗，經(jīng)綜合分析整頓，提出了各土層的物理力學性質(zhì)指標建議值4.2實驗方案設(shè)計4.2.1實驗中采用三根試樁，其中一根是人工挖孔直壁樁，一根是人工挖孔擴底灌注樁，另外一根是人工挖孔支盤灌注樁。通過對試樁極限承載力和錨樁抗拔能力的估算，決定采用兩個錨樁的加載方案，正三角形布置，這樣既減小了實驗場地面積，也減少了實驗費用。如圖4-1所示，其中1號試樁是直壁樁，2號樁是人工挖孔擴底灌注樁，3號樁是人工挖孔支盤灌注樁。樁長均為15米（有效樁長），樁徑1.2米。三根錨樁全部采用擴底的形式以增加其抗拔能力，其擴大端的設(shè)計尺寸同2號試樁。由于試樁在實驗過程中不受彎拉，因此只采用構(gòu)造配筋，主筋為φ20的Ⅱ級螺旋鋼筋20根，通長配備，箍筋采用φ8Ⅰ級鋼筋，間距20cm?？紤]到樁頂一定長度內(nèi)樁身在加壓的過程中存在應力集中的問題，故而試樁的實際樁長為15.6m，在地面以上預留出0.6m長的樁身供應力消散。在澆注試樁的過程中，為避免實驗時壓破樁頭，在樁頂1米的范疇內(nèi)加密了箍筋的布置（間距10cm）、設(shè)立了三層承壓鋼筋網(wǎng)，同時提高澆注混凝土標號，采用40號混凝土。另外，還在樁頂布置了一塊直徑等同于樁徑，厚5cm的鋼板，這樣便削弱了樁頂由于放置千斤頂而產(chǎn)生的應力集中，有效地將應力擴散到四周。圖4-1實驗方案平面布置圖錨樁及2號試樁的構(gòu)造如圖4-2,a所示；3號試樁沿樁身布設(shè)了兩個支盤，具體布設(shè)的位置如圖4-2,b所示；直壁樁的構(gòu)造形式如圖4-2,c所示。(a)人工挖孔擴底灌注樁(b)加肋樁(c)直壁樁圖4-2錨樁及試樁的尺寸圖考慮到錨樁重要承受上拔力，根據(jù)設(shè)計上拔荷載擬定其配筋為：主筋采用24根φ28Ⅱ級螺旋鋼筋通長配備，箍筋采用φ8Ⅰ級鋼筋，間距20cm。錨樁主筋長16.5m，其中1.5m為外露于樁頂混凝土外，以備加載時固定反力梁用，以下圖所示。圖4-3錨樁示意圖4.2.2每個試樁沿樁身布設(shè)了42個鋼筋應力計（量程為-20kN～50kN），在樁底布置了5個雙膜振弦式土壓力盒（量程為1.0MPa）。自樁底1m起沿樁身每1m間隔作為一種測試的斷面，總計14個斷面，依次標號為1、2、3、···、14。第一種斷面上4個鋼筋計布正交布設(shè)，第二個截面則對稱布設(shè)2個鋼筋計，然后依次往上布置，鋼筋計的布設(shè)見圖4-4。布設(shè)土壓力盒時，先在樁底鋪上20cm厚一層細砂，然后由實驗人員將四個壓力盒沿樁周布置在正交的四個方位，另外一種布置在中心位置。壓力盒的布設(shè)見圖4-5。由于埋設(shè)的元件是課題研究第一手資料的來源，埋設(shè)元件的成功與否直接影響到實驗成果的可靠性。因此，在實驗元件埋設(shè)、試樁澆筑以及實驗過程中對元件的保護至關(guān)重要，否則通過埋設(shè)元件所得到的有關(guān)試樁受荷后變形、應力的有關(guān)數(shù)據(jù)不能真實的反映實際的狀況，從而造成實驗的失敗。圖4-4鋼筋計的布設(shè)圖4-5壓力盒的布設(shè)對測試元件的保護貫穿于實驗的整個過程，在鋼筋計的焊接、鋼筋籠吊放就位和灌注混凝土的過程中要注意下列問題：1、鋼筋計與試樁主筋焊接過程中，焊接溫度不能過高，以免損傷鋼筋計，焊接過程中可用浸水的濕毛巾進行降溫；2、在鋼筋計與主筋搭接的過程中，要盡量保持焊接后的那根主筋不彎曲，否則會造成主筋的偏心受壓，鋼筋計不能真實反映出樁身的受力狀況；3、吊放鋼筋籠的過程中，避免使焊接有鋼筋計的主筋產(chǎn)生過大的撓曲；4、埋設(shè)壓力盒時使其受力面與土層充足接觸，避免混凝土封閉而影響測試成果。如果樁底出現(xiàn)卵石、礫石等大粒徑土則要先在樁底鋪上一層細砂；5、澆筑混凝土時如果采用人工振搗，在樁底30cm厚度內(nèi)不需要振搗，以免傷害到土壓力盒；設(shè)有鋼筋計的主筋附近也不能振搗，在每個測試斷面上可只振搗中間部分。5、人工挖孔擴底灌注樁軸向承載力分析與計算樁的承載力是樁與土共同作用的成果，理解單樁在軸向荷載作用下樁土間的荷載傳遞規(guī)律、單樁承載力的構(gòu)成特點以及單樁受力破壞形態(tài)等基本內(nèi)容，對于合理擬定單樁承載力有指導意義。5.1受力機理5.1.1當豎向荷載逐步施加于樁頂，樁身上部受到壓縮而產(chǎn)生相對于土的向下位移，與此同時側(cè)面就會受到土的向上的摩阻力。樁頂荷載通過發(fā)揮出來的樁側(cè)摩阻力傳遞到樁周土層中去，致使樁身軸力和樁身壓縮變形隨深度遞減。在樁土相對位移等于零處，其摩阻力尚未開始發(fā)揮作用。隨著荷載增加，樁身壓縮量和位移增大，樁身下部的摩阻力隨之開始逐步調(diào)動起來。樁底土層也因受到壓縮而產(chǎn)生樁端阻力。樁端土層的壓縮加大了樁土的相對位移，從而使樁身摩阻力進一步發(fā)揮，直至樁側(cè)土達成極限摩阻力。而樁端極限阻力的發(fā)揮則需要比發(fā)生樁側(cè)極限摩阻力更大的位移，這使得樁側(cè)摩阻力先充足發(fā)揮出來。當樁身摩阻力達成極限后，由于土粒趨于定向排列,樁側(cè)摩阻力有所減少，若繼續(xù)加載，其荷載增量將全部由樁端阻力承當（如圖5-1）。由于樁端持力層的大量壓縮和塑性擠出，位移增加速度明顯加大，直至樁端阻力也達成極限。此時所受的荷載就是樁的極限承載力。圖5-1樁側(cè)阻力和樁端阻力的發(fā)揮性狀樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮程度與樁土間的相對位移有關(guān)，它們各自達成極限值時所需的位移量是不同的。已有實驗表明：樁底阻力的充足發(fā)揮所需要的較大位移值，在粘性土中為樁端直徑的25％，在砂土中約為8％～5％；而樁側(cè)摩阻力的充足發(fā)揮只要樁土間有不太大的位移即可得到，但這個位移的具體數(shù)值現(xiàn)在尚無統(tǒng)一的認識。普通認為粘性土為4～6cm，砂土中為6～10cm。因此在擬定樁的承載力時，應考慮這一特點。5.1.2（一）、樁側(cè)摩阻力樁側(cè)摩阻力的大小及其分布決定著樁身軸力隨深度的變化，因此掌握和理解樁側(cè)摩阻力的分布規(guī)律，對分析和研究樁的工作機理有重要作用。由于影響樁側(cè)摩阻力的因素即樁土間的相對位移、土中的側(cè)向應力、土層分布和力學性質(zhì)均隨深度變化，因此要精確的用函數(shù)來描述樁側(cè)摩阻力沿深度的分布規(guī)律較復雜，只能用實驗研究辦法，即樁在承受豎向荷載過程中，量測樁身應力或應變，計算樁身各截面軸力，求得側(cè)阻力分布或端阻力值。樁側(cè)阻力是隨樁土間的相對位移而產(chǎn)生的。樁身受荷向下移動時由于樁土間的摩阻力帶動樁周土體產(chǎn)生位移，對應的在樁周環(huán)形土體中產(chǎn)生剪應變和剪應力。該剪應變和剪應力一環(huán)一環(huán)沿徑向向外擴散（見圖5-2）。在離樁軸nd（n=8～15，d為樁的直徑，n隨樁頂豎向荷載水平、土性而變）處剪應變減小到零（Randolph&Wroth1978;Cookeetal1979）。根據(jù)Luker（1988）等人推算，其樁側(cè)土變形及樁側(cè)土的剪應變、剪應力如圖5-2、圖5-3所示。圖5-2樁側(cè)土變形示意圖圖5-3樁側(cè)土的剪應變、剪應力距離樁中心r任意點處的剪應變γ為：（5-1）式中：G—土的剪切模量，；—土的變形模量，kPa；—土的泊松比。對應的剪應力可根據(jù)半徑為r的單位高度圓環(huán)上的剪應力的總和與對應的樁側(cè)摩阻力總和相等的條件求得：剪應力為（5-2）將樁側(cè)剪切變形區(qū)（r=d）內(nèi)各圓環(huán)的豎向剪切變形加起來就等于該截面樁的沉降W。將上式中的代入式（5-1）并積分得：（5-3）當荷載作用在樁頂時，樁頂處的位移最大，因此也是樁頂處的摩阻力先發(fā)揮，隨著荷載的加大，樁身下部的摩阻力才逐步調(diào)動起來。因此，在加荷早期最大樁側(cè)摩阻力發(fā)生在樁頂。但是隨著樁頂位移的增大，當樁頂位移超出該土層發(fā)揮極限摩阻力所需的位移時，加之樁頂土層受到擾動，樁頂處的摩阻力開始有所下降。這時樁側(cè)摩阻力最大值發(fā)生的位置將有所下降。已有實驗研究認為：粘性土中的樁側(cè)摩阻力分布比較復雜，大部分沿深度呈拋物線分布（見圖5-4a,b,c），砂土的樁側(cè)摩阻力分布普通也呈拋物線型；隨著荷載的增加，樁側(cè)摩阻力的合力作用點下降（如圖5-4d）。圖5-4樁側(cè)摩阻力沿樁身的分布影響樁側(cè)摩阻力的因素諸多，除上面提到的樁土間的相對位移外，尚有土的性質(zhì)、樁的剛度、時間因素和土中的應力狀態(tài)以及樁的施工辦法等因素。對于人工挖孔灌注樁，由于在成樁過程中孔壁側(cè)向應力解除，出現(xiàn)了應力松弛?？妆诘膽λ沙谠斐闪送馏w強度的削弱，樁側(cè)摩阻力隨之減少。（二）、樁端阻力荷載增加到一定程度，樁端有相對于土層的向下位移，并壓縮樁底土層，此時則開始發(fā)揮樁端的支撐力，也就是端阻力。隨著荷載的繼續(xù)增加，樁底土層可能會出現(xiàn)持續(xù)的滑裂面、基底水平面土體隆起等，樁端土層達成破環(huán)。其具體的破環(huán)形式要根據(jù)土層的類別、密實度、相對埋深而定。5.2承載力的擬定辦法由于建筑物的規(guī)定不同、土層的多樣性、不均一性以及地區(qū)性差別明顯，致使人工挖孔擴底灌注樁承載力的擬定也存在著多個辦法。緒論中已經(jīng)介紹了慣用的擬定承載力的辦法?？傮w看來，這些辦法能夠分為兩類，即：以承載力控制和以變形控制。特別是對于人工挖孔擴底灌注樁，由于其埋深較大，基底以上上覆土層壓力大，因此樁底的變形以壓縮為主，樁頂沉降較大時樁底土層也不會出現(xiàn)破壞。因此，變形和沉降應當作為評價人工挖孔擴底灌注樁承載力的重要因素。下面分別這對兩種擬定人工挖孔灌注樁承載力的辦法作以簡要介紹：(一)、按允許變形值擬定承載力變形控制辦法擬定承載力是根據(jù)靜力載荷實驗的成果，在荷載-沉降（）曲線上通過沉降來擬定其承載力。現(xiàn)在國內(nèi)外變形控制慣用的取值辦法有下列幾個：1、美國波士頓建筑規(guī)范取沉降量S=3/8英寸（約10mm）對應的壓力為軸向允許承載力；取沉降量S=1.0英寸（約25mm）對應壓力的二分之一為軸向允許承載力。2、德國建筑原則DIN4041(Ⅱ)取沉降量S=20mm對應的壓力為軸向允許承載力。3、日本建筑學會原則取沉降量S=25mm對應壓力的二分之一為軸向允許承載力。4、國內(nèi)慣用的幾個原則（1）劉金礪（1990）建議取S=10～20mm或S=(0.008～0.01)D（D為擴底端直徑）對應的荷載為軸向允許承載力。當樁端直徑不一致時，設(shè)計人員普通取S=10～15mm對應的荷載為軸向允許承載力。我國工程界普通取S=40～60mm或S=(0.03～0.06)D所對應的荷載為軸向極限承載力。（2）張榮祥，顧寶和（1998）等認為：無論按S=10～20mm擬定軸向允許承載力還是取S=40～60mm擬定軸向極限承載力，這個原則對大直徑人工挖孔擴底灌注樁都顯得規(guī)定過嚴。人工挖孔擴底灌注樁的潛在承載能力沒有充足發(fā)揮，建議對大直徑人工挖孔擴底灌注樁以相對沉降量S/D=0.008～0.01對應的荷載作為軸向允許承載力，對進行基樁設(shè)計。（3）高廣運（1993）年根據(jù)黃土載荷實驗和工程實踐提出了以相對沉降擬定黃土層中大直徑人工挖孔擴底灌注樁端承力的新思想，也可將這一辦法推廣到其它土層中。由于以絕對沉降S為控制原則時要考慮端承力隨樁端面積的增大而折減，以相對沉降S/D為原則則不需考慮這一問題，可建立不同樁徑間通用的規(guī)范原則值。(二)、以強度控制擬定承載力強度控制又能夠分為樁周土強度控制和樁身材料強度控制兩種。普通狀況下樁的軸向承載力都是由樁周土的支承能力控制的。對于柱樁和穿越土層土質(zhì)較差的長摩擦樁，則兩種因素都有可能是決定因素。對于人工挖孔擴底灌注樁則重要是以樁周和樁底土的強度來控制。靜載實驗法、經(jīng)驗公式法、動測試樁法以及靜力分析法等均屬于強度控制辦法。在以強度控制擬定承載力的諸多辦法中，經(jīng)驗公式法最為慣用。這重要由于它簡樸易行不需要復雜的實驗和公式推導，而只需懂得樁周土的基本物理力學性質(zhì)即可?，F(xiàn)在國內(nèi)外較為慣用的計算承載力的經(jīng)驗公式有下列幾個：1、日本大直徑人工挖孔擴底灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計辦法日本《建筑構(gòu)造設(shè)計規(guī)范》擬定單樁軸向允許承載力R的辦法以下：（4-4）式中：α—系數(shù)，硬土α＝1，砂土α＝0.85；β—系數(shù)，按計算；—樁端土標貫>50且嵌入深度不不大于1.5m或Ds/2時，可?。?0；—樁端計算面積，根據(jù)比施工直徑小20cm的值計算，m2；—砂質(zhì)土中平均值；、—砂土、粘土層內(nèi)的樁長，m；—粘土地基的單軸抗壓強度，超出10時按10取值，kPa;ψ—樁橫截面周長，m；—擴底端直徑，m。2、前蘇聯(lián)建筑規(guī)范承受下壓荷載的擴底灌注樁，其軸向允許承載力（kN）按下式擬定：（4-5）式中：—樁的工作條件系數(shù)，當支承在飽和度Sr>9的粉土、粘性土上時，＝0.8，在其它狀況下均為＝1；—樁底土工作條件系數(shù)，除下列狀況均為＝1；爆擴樁＝1；水下澆注混凝土的人工挖孔擴底灌注樁＝0.9；—樁側(cè)土的工作條件系數(shù)，砂土、亞砂土、亞粘土中取=0.7，粘土中?。?.6；R—樁底土的計算強度，kPa；—樁側(cè)第i層土的計算強度，kPa；A—樁端支承面積，m2；U—樁身周長，m；hi—樁側(cè)第i層土的厚度，m。3、我國《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTJ024-85）該規(guī)范中規(guī)定鉆、挖孔灌注樁的軸向允許承載力為：（4-6）式中：—單樁軸向受壓允許承載力，kN，；—樁的周長，按成孔直徑計算，m；—樁在局部沖刷線下列的有效長度，m；—樁底橫截面面積，m2；—樁側(cè)土的平均極限摩阻力，kPa；可按下式計算：—土層的層數(shù)；—承臺地面或局部沖刷線下列各土層的厚度，m；—與對應的各土層與樁壁的極限摩阻力，kPa；如無現(xiàn)場實測值則可根據(jù)規(guī)范中提供的取值范疇進行取值；—樁端土的極限承載力，kPa；可按以下公式進行計算：—樁端土的允許承載力，kPa；—樁端的埋置深度，m；對于有沖刷的基礎(chǔ)，埋置深度由普通沖刷線起算；對于無沖刷的樁基，埋深由天然地面線或?qū)嶋H開挖后的地面線起算；的計算值不不不大于40m，當不不大于40m時，按40m計算，或按實驗擬定其承載力；—地面土允許承載力隨深度的修正系數(shù)；—樁端以上土的容重，kN/m3；—修正系數(shù)；—考慮孔底沉淀淤泥影響的清孔系數(shù)。4、《基礎(chǔ)工程手冊》中的計算公式《基礎(chǔ)工程手冊》中對大直徑人工挖孔擴底灌注樁的極限承載力原則值用下式進行計算：（4-7）式中：—中檔直徑樁（d＝250～800mm）樁身極限側(cè)摩阻力原則值，kPa；可按前述側(cè)摩阻力計算辦法擬定或通過原位實驗、經(jīng)驗辦法擬定；—有效側(cè)阻樁段長，m；＝總長-擴底高＝；—樁身側(cè)阻有效周長，m；＝，對于外齒形護壁樁，其有效樁徑取外齒的最大外徑（見圖4-5），這是由于樁側(cè)剪切面發(fā)生在外齒尖連成的豎向環(huán)形面所通過的土體中而不是樁土界面，對于等截面樁身，??；圖5-5人工挖孔擴底灌注樁的計算圖—樁端投影面積，m2；—中檔直徑樁（D=250～800mm）樁端極限阻力原則值，按實測、原位測試、經(jīng)驗辦法擬定，kPa；—側(cè)阻、端阻折減系數(shù)（尺寸效應系數(shù)）；分別按下列公式進行計算：式中經(jīng)驗指數(shù)n對于粘性土、粉土取n=1/4；對于砂土、碎石類土，取n=1/3；對于砂類土、碎石類土，對于粘性土、粉土，由于成孔時孔壁松弛效應不明顯，故近似??；式5-4、5-5這兩個國外的公式在計算承載力時，沒有把擴大端對樁側(cè)摩阻力的影響；我國《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTJ024-85）沒有針對于人工挖孔擴底灌注樁承載力的計算公式，而是把它歸入鉆、挖孔灌注樁的計算公式；式4-7在計算承載力時用到了有效樁長及樁身的有效周長，較之前面的公式是一種進步，但是仍然沒有把擴大端對樁側(cè)摩阻力的削弱考慮進去。5.3極限承載力的預測由于從荷載沉降曲線上得不到極限荷載，對試樁的分析就需要借助預測辦法來擬定極限荷載。根據(jù)《基礎(chǔ)工程解決與檢測實錄》中介紹的兩種極限承載力的預測公式，我們能夠預測出試樁的極限荷載。5.4人工挖孔擴底灌注樁允許承載力的擬定由于本次實驗中沒有出現(xiàn)極限荷載，因此不能通過將極限荷載除以安全系數(shù)來得到軸向允許承載力?！渡蜿柍菂^(qū)單樁承載力研究的資料》中給出，對于極限荷載難以擬定時，能夠選用下列辦法來擬定軸向允許承載力：1、可用控制沉降量1.2％～1.8％d選用軸向允許承載力；2.、若極限承載力難以擬定且試樁有直線段時可用第二特性點對應荷載的1.15倍作為大直徑樁的軸向允許承載力；3、經(jīng)驗公式計算法（經(jīng)驗指標法、K值法、原位測試法、貫入度公式法）計算擬定軸向允許承載力。運用上面敘述的三種辦法綜合比較來擬定承載力。建議用預測極限荷載除以安全系數(shù)K=2作為軸向允許承載力。4.5人工挖孔灌注樁軸向允許承載力經(jīng)驗公式的提出由于樁基靜載荷實驗費用較高、操作復雜、耗時較長。因此合理的計算單樁軸向允許承載力的經(jīng)驗公式則能夠用來指導樁基礎(chǔ)的設(shè)計和施工，在工程中有較高的實用價值。特別是近年來公路建設(shè)的大發(fā)展帶來了大量的橋梁樁基礎(chǔ)的設(shè)計和施工任務，人工挖孔擴底灌注樁作為深基礎(chǔ)的一種得到了廣泛的應用。由于人工挖孔擴底灌注樁的成樁工藝不同于鉆孔樁，其承載力的計算公式應有所區(qū)別。但現(xiàn)行的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)規(guī)范設(shè)計規(guī)范》沒有給出專門的人工挖孔灌注樁的承載力計算公式，而是將挖孔灌注樁軸向承載力按鉆孔灌注樁公式計算，這就使得算成果與實際不符。習慣上單樁軸向允許承載力是分為樁端阻力、樁側(cè)摩阻力兩部分計算，首先求得極限承載力，然后對其除以安全系數(shù)K得到。現(xiàn)在，針對人工挖孔擴底灌注樁沒有專門的承載力計算公式，《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中是將它歸入摩擦樁之列，與鉆孔灌注樁共用一種算式?！稑痘こ淌謨浴分袑⑵錃w入大直徑樁之列，給出計算極限承載力的公式，同時規(guī)定樁側(cè)摩阻力的計算取護壁的外邊沿，考慮到有效樁長和樁側(cè)阻力的折減，對樁端阻力的計算考慮到尺寸效應給出了折減系數(shù)，使得承載力的計算更趨合理。但是《樁基工程手冊》中的公式重要是針對建筑地基用樁，對于橋梁中用的大直徑樁則不能較好的合用。另外，由于人工挖孔擴底灌注樁在底部存在臨空面，因此有的文獻中提出考慮臨空面的影響將樁側(cè)阻力作為安全儲藏，不計入承載力的計算。對于安全系數(shù)的取值，普通是樁端、樁側(cè)共用一種安全系數(shù)K。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)反映的成果，樁側(cè)摩阻力在總荷載中的比例不容無視，特別在軸向允許承載力的作用下。1號試樁取，此時樁側(cè)摩阻力占42％；2號試樁取，摩阻力占53.56％。由此可見，在計算樁的軸向允許承載力時樁側(cè)摩阻力不能夠無視不計。針對樁底及樁側(cè)存在相稱厚度的卵石等壓縮性低、彈性模量值大、摩阻強度高的地質(zhì)狀況，這里給出人工挖孔擴底灌注樁軸向允許承載力計算的經(jīng)驗公式：（4-15）式中：，、分別為樁側(cè)、樁端分項安全系數(shù)，其它參數(shù)的含義及取值辦法如前。對于安全系數(shù)、的取值問題，宜根據(jù)工程對基礎(chǔ)沉降的規(guī)定及土層的性質(zhì)綜合擬定。對于普通的橋涵構(gòu)造物，沉降規(guī)定在（6～10）mm時，給出樁側(cè)、樁端安全系數(shù)的取值范疇，樁側(cè)安全系數(shù)取1.3～1.6，樁端的安全系數(shù)取2～4。對于粘性土取取低值，對于砂土、卵石等取高值。運用建議公式來計算1號試樁和2號試樁的軸向允許承載力，取1.5，2.5，計算得到1號試樁＝6344kN，2號試樁計算得到＝8540kN。由此能夠看出，式4-15算得軸向允許承載力與預測破壞荷載得到較為靠近，能夠作為一種經(jīng)驗公式用于這一地區(qū)指導設(shè)計和施工?，F(xiàn)在軸向允許承載力的計算是用極限承載力除以安全系數(shù)得到，而極限承載力的計算是根據(jù)樁在極限荷載作用下樁側(cè)摩阻力和樁端阻力發(fā)揮狀況給出的。此時端阻力和側(cè)阻力反映的是極限狀態(tài)的工作狀態(tài)。在實際工程中，基樁重要在設(shè)計荷載下工作，因此設(shè)計荷載作用下樁側(cè)、樁端阻力的發(fā)揮狀況對于擬定單樁軸向允許承載力含有實際意義。這里引入《土工原理與計算》中對于安全系數(shù)的定義，安全系數(shù)為抗剪強度與實際產(chǎn)生的剪應力之比，。根據(jù)這種思想，將樁的安全系數(shù)取為樁的極限狀態(tài)下樁周、樁端土的強度值與實際工作狀態(tài)下的強度值之比。根據(jù)樁側(cè)摩阻力、樁端阻力在軸向允許承載力處發(fā)揮狀況分別給出這兩部分的安全系數(shù)，然后再進行計算。這樣似乎更為合理，但現(xiàn)在這方面的研究不多。6、挖孔樁施工工藝的研究人工挖孔灌注樁合用于無地下水或少量地下水，且較密實的土層或風化巖層。與其它樁型相比，其重要區(qū)別在于成孔方式的不同，人工挖孔灌注樁是運用人工挖掘成孔，并在土質(zhì)條件差或有地下水滲出的土層澆筑護壁，然后吊放鋼筋籠、灌注混凝土成樁。為施工方便起見，規(guī)定人工挖孔灌注樁的樁徑不適宜不大于1.2m，孔深不適宜超出20m。但是在實際工程中，人工挖孔灌注樁已有超出60m樁長的成功經(jīng)驗。由于人工挖孔灌注樁施工設(shè)備簡樸、成孔質(zhì)量好、施工速度快、成本低等優(yōu)點，在工程中得到了廣泛的應用。在工程實踐的基礎(chǔ)上，施工人員積累了大量的珍貴經(jīng)驗，逐步形成了一整套的施工工藝。6.1開挖樁孔人工挖孔灌注樁普通采用人工開挖，開挖前要去除現(xiàn)場及四周山坡上的懸石、浮土等，排除一切安全隱患，備好孔口四周臨時圍護和排水設(shè)備，并安排好排土提高設(shè)備，布置好棄土通道，必要時孔口要打遮雨棚。挖土過程中要隨時檢查樁孔尺寸、平面尺寸和軸向傾斜狀況，如有偏差應隨時糾正。同時應注意施工安全，下孔人員必須佩戴安全帽和安全繩，提取土渣的機具必須經(jīng)常檢查。若孔內(nèi)產(chǎn)生的空氣污染物超出現(xiàn)行《環(huán)境空氣質(zhì)量原則》(CB3095)規(guī)定的三級原則濃度限值時，必須采用通風方法，方可采用人工挖孔施工。孔深超出10m時，應經(jīng)常檢查孔內(nèi)二氧化碳的濃度，如超出3%應增加通風方法。孔內(nèi)如采用爆破施工，應采用淺眼爆破法，嚴格控制炸藥用量并且要在炮眼附近加強支護，以避免震塌孔壁。孔深超出5m時，應采用電引爆，爆破后應先通風排煙15min并經(jīng)檢查無有害氣體后，施工人員方可下井繼續(xù)作業(yè)。應根據(jù)孔內(nèi)深水狀況，做好孔內(nèi)排水工作。挖孔達成設(shè)計深度后，應進行孔底解決。必須做到孔底表面無松渣、泥、沉淀土。如地質(zhì)復雜，應釬探理解孔底下列地質(zhì)狀況與否能滿足設(shè)計規(guī)定。6.2護壁和支撐人工挖孔灌注樁開挖過程中，開挖和護壁兩個工序必須持續(xù)作業(yè)，以確?？妆诓凰?。挖孔施工應根據(jù)土質(zhì)和水文地質(zhì)狀況，因地制宜選擇孔壁支護方案，并應通過計算，確保施工安全并滿足設(shè)計規(guī)定。慣用的井壁護圈有下列幾個：1、現(xiàn)澆混凝土護圈當樁孔較深，土質(zhì)相對較差，出水量較大或遇流砂等狀況時，宜采用就地灌注混凝土圍圈護壁，每下挖1～2m灌注一次，隨挖隨支。護圈的構(gòu)造形式為斜階形，每階高1m，上端口厚約170mm，下端口約100mm，必要時可配備少量的鋼筋，混凝土強度等級為C15或C20，采用拼裝式弧形模板。有時也可架立鋼筋網(wǎng)后直接錨噴砂漿形成護圈來替代現(xiàn)澆混凝土護圈以節(jié)省模板。2、沉井護圈先在樁位上制