持力层埋深过大桩长过长如何解决且看人工挖孔灌注桩基础优化

持力层埋深过大、桩长过长，如何解决？且看人工挖孔灌注桩基础优化

设计实例

发表时间：2014-04-24

某小区2幢28层剪力墙结构高层住宅原设计采用人工挖孔灌注桩基础、按端承桩设计，试挖后发现持力层埋深过大、桩长过长，难以满足施工要求，原设计单位尝试改用冲（钻）孔灌注桩也没有成功。

经研究分析，确认详勘报告未准确反映实际地质情况、导致按其设计的基础方案难以实施，并判断出补勘报告提供的设计参数偏于保守、尚有潜力可挖，相应补充了基桩静载试验，获得了比较准确可靠的人工挖孔灌注桩设计参数；考虑了桩侧阻力对竖向抗压承载力的贡献，变更了桩端持力层，优化了桩长和桩身配筋，在满足承载力的前提下减少了人工挖孔灌注桩的施工难度、降低了造价，使本工程恢复了正常施工；总结了本工程的经验教训，供类似工程参考。

1、工程概况

湖南省郴州市某住宅小区由北方某设计院（下文称“原设计单位”）设计，其中23~24#楼为28层剪力墙结构，结构总高度为80.5m，建筑面积分别为11764.5和12360.5m2，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级，抗震设防类别为标准设防类，基本地震烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，上部剪力墙结构的抗震等级为三级，

100年一遇基本风压为0.35kN/m2，建筑场地类别为II类。地下水对砼结构无腐蚀，对钢结构有弱腐蚀性。

设有一层地下室形成大底盘将23~28#住宅楼连为一体，见图1。桩基施工前先开挖了基坑，现场自然地面与地下室底板标高基本持平，地下室底板面相对标高为-4.600m。

2、地质情况和原基础方案

整个住宅小区的详细岩土工程勘察报告由广东某勘察单位提供。详勘报告显示场地的上覆土层厚度不大，基岩为中风化灰岩，普遍埋深在10~15米左右。原设计23~24#楼采用人工挖孔灌注桩基础，以中风化灰岩为桩端持力层。

在施工23~24#楼前，由郴州市某勘察单位进行了超前钻补充勘察，补勘报告指出：

（1）按区域地质资料，拟建的23~24#楼场地位于一区域性压扭断裂F1上，此断裂活动年代较为久远，不属于全新世活动断裂，断裂本身对场地稳定性不构成影响；

（2）受断裂挤压及岩性影响，23~24#楼场地岩性杂乱破碎，稳定的中风化炭质泥岩埋深在均30米以下，上覆有厚20~30米的强风化炭质页（灰）岩，岩体结构构造大部分已遭破坏，遇水后易软化。受断层的影响，强风化炭质页（灰）

岩中随机分布有夹层状、透镜体状的中风化灰岩夹层。在24#楼范围内还上覆一定厚度的土层。补勘报告建议的设计参数见表1和2，典型地质剖面见图2；

23~28#楼地下室平面图

（3）远离断裂带岩体结构逐渐变好、强度较高且层位基本稳定，大致以23~28#住宅楼地下室1-A轴与1-B轴之间的后浇带为界到25#楼地段，岩性以中风化砂岩、炭质砂岩为主，埋深在15米以内。

补勘报告与详勘报告对23~24#楼地质情况的描述出入很大，是否能按原基础设计方案实施存疑。为此现场曾选2根Ф1000桩进行试挖，挖至超过20米仍未到达原设计要求的中风化岩层，施工遇到很大困难，原基础方案若不作重大调整，将导致桩长过长、难以满足施工要求。

原设计单位曾尝试将基础修改为冲（钻）孔灌注桩，仍以中风化岩为持力层。施工单位选3根Ф800桩试冲，结果并不成功：3根桩在施工过程中都出现不同程度的塌孔现象，耗时7~15天才完成1根桩，灌注桩身混凝土充盈系数达

2.1~2.7。工程被迫停顿下来，建设单位向我们咨询处理方案。

3、基础优化设计方案3.1 方案比选分析

经过踏勘现场、与相关单位技术人员交流以及查阅原设计图纸、详勘报告和补勘报告等技术资料，确认详勘报告没有准确反映23~24#楼实际地质情况、导致按其设计的基础方案难以实施，因此按补勘报告对基础优化设计方案进行了分析。23#楼地质条件相对较好、第4层强风化炭质页（灰）岩层面位于自然地面，经过地基承载力的深宽修正后采用筏形基础是可能的；24#楼地质条件相对较差，表层土经过地基承载力深宽修正后仍不满足要求。由于两幢大楼紧邻，中间仅留300mm宽变形缝，若两幢大楼采用不同的基础形式，则两楼相连处不论采用那种基础形式，必定使其中一幢大楼存在较大沉降差，因此否决了筏形基础。

据了解郴州当地有摩擦端承型人工挖孔灌注桩的成功案例，规范[1]有保证发挥其侧阻力的技术措施，因此初步考虑改以第4层强风化炭质页（灰）岩为桩端持力层、采用摩擦端承型人工挖孔灌注桩，干作业挖孔同时避免了持力层遇水软化的风险。按原设计桩径、以表2参数初步估算，最少桩长为26m，在地质条件较差的24#楼桩长就更大了。

郴州当地施工班组一般只承接桩长15米以内的挖桩任务，桩长超过20米基本找不到施工班组承接，改成摩擦端承型人工挖孔灌注桩似乎也不可行。

结合有关文献经验数据，对补勘报告进行研读、判断后，我们认为表1和表2的数据偏于保守、尚有潜力可挖，例如干作业成孔的人工挖孔桩设计参数反而比湿作业的钻（冲）孔桩低，与规范经验规律不符[1~2]；第4层强风化炭质页（灰）岩内摩擦角过小，一般应在28o以上[3~5]；该层地基承载力特征值也偏小，按重型圆锥动力触探N63.5=11.7推算可取480kPa[6~7]。因此我们向建设单位

建议，选取有代表性的地段进行基桩静载试验，为安全而经济地设计人工挖孔灌注桩提供比较准确的参数。

3.2 补充基桩静载试验

现场在地质条件相对较差的24#栋纯地下室选取了3根Ф1000人工挖孔灌注桩，开挖桩长20m，以第4层强风化炭质页（灰）岩为桩端持力层。由长沙某检测单位采用自平衡法[8]进行基桩静载试验，根据检测结果推荐的设计参数见表3。设计参数有较大提高，为优化设计创造了有利条件。

4、基础优化设计要点

根据补勘报告、基桩静载试验报告以及原设计单位提供的基础荷载数据，以基础顶面为界对23~24#楼基础进行了优化设计，以23~28#楼地下室平面1-A轴与1-B轴之间的后浇带为设计范围边界，见图3。采用摩擦端承型人工挖孔灌注桩，桩径Ф800（扩大头Ф1600）和Ф1000（扩大头Ф2000），以第4层强风化

炭质页（灰）岩为桩端持力层。桩身混凝土强度等级为C30（抗拔桩为C35），护壁混凝土强度等级为C30，承台混凝土强度等级为C35，采用HRB335钢筋。

23~24#楼基础优化设计平面图

4.1 单桩竖向承载力的计算

经沟通了解，表3中桩极限侧阻力qsik是按名义桩径1000mm推算的，在优化设计时桩身周长u也按名义桩径计算。另外工程桩虽然属于大直径桩，但设计参数是通过静载试验测出的、直接反映了工程桩极限侧阻力和极限端阻力的尺寸效应，表3中qsik和qpk已经包含了规范[1]所要求的尺寸效应系数ψsik和ψpk，故优化设计时单桩竖向抗压极限承载力按式（1）计算（式中各符号定义见规范[1]）：

Ф800单桩竖向抗压极限承载力Quk=7700kN，Ф1000桩Quk=11000kN，均布置在塔楼范围。

4.2 桩长的优化

4.2.1 竖向抗压桩

原基础方案按端承桩进行设计，以中风化灰岩为桩端持力层，要求各桩进入桩端持力层的深度（下文用“H1”表示）均为0.5m。

优化设计时考虑了桩侧阻力对竖向抗压承载力的贡献，竖向抗压桩H1值最大为12.9m。如果仍保持各桩H1值固定不变，则竖向抗压桩最大桩长将达23m，仍不能满足郴州当地挖桩的可施工性要求。

鉴于人工挖桩过程相当于大直径钻探，挖至持力层后每桩的上覆岩土层类型和厚度是可知的，可按所需的总侧阻力确定各桩的H1值和桩长。我们对竖向抗压桩提出了如下挖桩终孔原则：

1）持力层岩面位于自然地面时，H1=12.9m；

2）施工中记录每桩的上覆岩土层类型和厚度，并由施工、监理和甲方等签字确认；

3）根据施工记录，从承台底面起每遇1m厚填土，H1可减少0.25m；每遇1m 厚粉质粘土，H1可减少0.58m；每遇1m厚泥质页岩，H1可减少0.67m。例如，某桩遇有4米粉质粘土、以下为强风化炭质页(灰)岩，则有效桩长=粉质粘土厚度+ H1 =4+(12.9-4×0.58)=14.6m。

终孔原则的第3）点本质上就是按上覆岩土层qsik的比例折减H1最大值。由此有效桩长控制在12.9m~17.9m之间，在保证单桩承载力的前提下减少了桩长，满足了郴州当地可施工性的要求。

4.2.2抗拔桩

在纯地下室部位，需要设置抗拔桩来抵抗地下水的浮力，桩径Ф1000（扩大头Ф2000），以第4层强风化炭质页（灰）岩为桩端持力层，单桩抗拔承载力特征值Rat=1500kN。

原设计抗拔桩的终孔要求与抗压桩相同。我们经过复算后发现H1最大值取6.6m 就可满足要求，而且纯地下室的上部荷载不大，不考虑地下水作用时对应的竖向抗压承载力需求不大，仅考虑扩大头端阻力已有很大的富裕。因此优化设计中抗拔桩H1最大值取6.6m，同样按上覆岩土层qsik的比例折减H1最大值，有效桩长控制在6.6m~14.7m之间。

4.3桩身配筋的优化

4.3.1 竖向抗压桩

在地质条件相对较差的24#栋，竖向抗压桩采用比原设计更大的纵筋配筋率予以适当加强，纵筋等截面通长配置。在地质条件相对较好的23#栋，在满足规范构造要求的前提下，竖向抗压桩纵筋比原设计略有减少，长短筋间隔通长配置。

4.3.2抗拔桩

验算桩身承载力时，发现原设计抗拔桩配筋不足。经分析估计是原设计没有将单桩抗拔承载力特征值Rat乘以荷载分项系数转换成荷载设计值所致，因此对抗拔桩的配筋作必要的加强，并按规范[1]要求验算其裂缝宽度。通过提高桩身混凝土强度等级至C35、采用细而密的纵向钢筋等措施，使桩身最大裂缝宽度满足了规范[1]限值要求（ωlim=0.3mm）。

5、施工问题的处理

人工挖孔灌注桩的施工安全需引起高度重视，在设计文件中强调了“跳挖”等施工安全措施。

先前现场试挖的2根Ф1000桩，既没有做扩大头也没有浇注桩身混凝土，开挖后放置已有一年时间。鉴于该2根桩持力层长期泡水，故要求继续开挖、直至穿

越受泡水变软的影响范围后方可做扩大头，并要求继续开挖该2根桩前，检查和修补破损的护壁，必要时加钢护筒。

6、结论

通过基础优化设计，既减少了人工挖孔灌注桩施工难度又降低了造价，使本工程恢复正常施工，基础施工已顺利完成并通过验收，目前正在施工上部结构。为了监测桩基变形的进展情况，共设置了31个沉降观测点，由于工程正在施工，沉降观测将持续进行。

总结本工程的经验教训，以供类似工程参考：

（1）岩土工程勘察报告应准确反映工程场地实际情况，这是成功开展工程建设的前提。由于详勘报告资料不准，本工程建设单位在工期和资金方面蒙受较大损失，如在详细勘察阶段适当加大在勘察费用和时间方面的投入，就有可能避免相关损失；

（2）仔细研读、正确使用岩土勘察报告（包括基桩静载试验报告的参数），是结构工程师应该具备的基本素质，文献[9]归纳总结了相关的步骤和方法，可供读者参考；

（3）在复杂地质条件下补充基桩静载试验等原位测试工作，虽然需要投入一定的资金、耗费一定的时间，但相应地设计参数可以取得更经济合理，可以更有把握地降低工程造价，以较小的代价换取较大的效益。

（4）人工挖孔灌注桩施工易发生人身安全事故，在各地逐渐被淘汰或限制使用，但其桩侧桩底岩土层可直观查验，孔底可清理干净，质量可控性好，在适宜的条件下合理使用仍可创造较好的效益；

（5）人工挖孔灌注桩配合适当的技术措施，可以使其桩侧阻力充分发挥，因地制宜、适当利用将产生较好的效果。