嵌岩桩设计施工要点

前言

在安徽省市某县经济开发区徽源路以西,鄣山路以东的某县经济开发区污水处理厂厂区内,经常碰到中风化基岩。浅者基础可直接落于其上,余深者从几米至十几米。嵌岩桩为基础设计的极佳选择,可省造价20-30%左右甚至更多。

场地工程地质条件

建场地原主要为空地和山地,自然地面高程在164.88-203.54米之间,地势起伏较大,总体呈西南高,东北低。地貌类型地貌单元属低山丘陵,微地貌属坡地及山间洼地。

拟建场地在钻探所达深度20.0米的范围内,场地地层共分为4层,主要为第①层人工填土、第②层粉质粘土、第③1层强风化砂岩粉砂、第③层中风化砂岩、第④层中风化石灰岩。

其中第③层中风化砂岩(KXP)该层属极软岩,岩石基本质量等级为V级,岩体完整程度分为较破碎,岩石质量指标RQD为较差的。该层尚未钻穿,该层最大揭露厚度6米,实测重型动力触探击数N63.5=59.0击~84.0击,单轴天然抗压强度frk=3.87MPa,,压缩性微小。

第④中风化石灰岩(O1l)厚层状,隐晶质结构,含白色方解石,溶蚀现象较发育,局部裂隙较发育,岩芯遇盐酸冒泡,局部具竹叶状构造及舟状层理,致密块状,岩芯呈短柱状、柱状、局部呈碎块状,该层表层0.2米~0.4米为强风化,属较硬岩,岩体完整程度为较破碎,岩石基本质量等级为IV级,岩石质量指标RQD为较差的。最大揭露厚度7.0米 ,实测重型圆锥动力触探试验击数N63.5=91.0击~113.0击,根据邻近场地资料该层土的单轴饱和抗压强度frk=32.73MPa,压缩性微小。

根据地质勘探报告,并结合结构上部荷载条件,初步判断部份荷载大的单体结构采用灌注桩,桩端进入持力层的深度应不小于0.5米。场区岩溶对场地地基稳定性影响较大,进行一桩一勘施工勘察,以保证桩端以下连续5米完整石灰岩。以第③层中风化砂岩、第④层中风化石作为桩基持力层,进行嵌岩桩设计并施工。

嵌岩桩设计

长期以来,嵌岩桩设计对大部分工程师来说存在诸多疑问,本文结合《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008从桩桩的设计规定、桩基构造、桩基计算(包括抗拔(工程桩)桩身裂缝验算)、嵌岩深度及配筋等方面,分析讨论嵌岩桩设计,整理嵌岩深度、配筋及其他施工建议,供各位同仁参考。不足之处请批评扶正。(本文以嵌岩桩为主,仅摘取相关内容以供参考)

一般规定

  • 根据建筑规模、功能特征、对差异变形的适应性、场地地基和建筑物体型的复杂性以及由于桩基问题可能造成建筑破坏或影响正常使用的程度,应将桩基设计分为表 3.1.2 所列的三个设计等级。桩基设计时,应根据表 3.1.2 确定设计等级。
  • 下列建筑桩基应进行沉降计算:1 设计等级为甲级的非嵌岩桩和非深厚坚硬持力层的建筑桩基;2 设计等级为乙级的体型复杂、荷载分布显著不均匀或桩端平面以下存在软弱土层的建筑桩基;3 软土地基多层建筑减沉复合疏桩基础。

基桩布置要求

  • 基桩的最小中心距应符合表 3.3.3-1 的规定;当施工中采取减小挤土效应的可靠措施时,可根据当地经验适当减小。
  • 应选择较硬土层作为桩端持力层。桩端全断面进入持力层的深度,对于黏性土、粉土不宜小于 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。
  • 对于嵌岩桩,嵌岩深度应综合荷载、上覆土层、基岩、桩径、桩长诸因素确定;对于嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于 0.4d 且不小于 0.5m,倾斜度大于 30%的中风化岩,宜根据倾斜度及岩石完整性适当加大嵌岩深度;对于嵌入平整、完整的硬岩和较硬岩的深度不宜小于 0.2d,且不应小于 0.2m。

桩基构造

  • 配筋率: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);对受荷载特别大的桩、抗拔桩和嵌岩端承桩应根据计算确定配筋率,并不应小于上述规定值;
  • 配筋长度:1) 端承型桩和位于坡地岸边的基桩应沿桩身等截面或变截面通长配筋;2)桩径大于 600mm 的摩擦型桩配筋长度不应小于 2/3 桩长;当受水平荷载时,配筋长度尚不宜小于 4.0/为桩的水平变形系数);3)对于受地震作用的基桩,桩身配筋长度应穿过可液化土层和软弱土层,进入稳定土层的深度不应小于本规范第 3.4.6 条规定的深度;4) 受负摩阻力的桩、因先成桩后开挖基坑而随地基土回弹的桩,其配筋长度应穿过软弱土层并进入稳定土层,进入的深度不应小于 2~3 倍桩身直径;5) 专用抗拔桩及因地震作用、冻胀或膨胀力作用而受拔力的桩,应等截面或变截面通长配筋。
  • 对于受水平荷载的桩,主筋不应小于 8φ12;对于抗压桩和抗拔桩,主筋不应少于 6φ10;纵向主筋应沿桩身周边均匀布置,其净距不应小于 60mm;
  • 箍筋应采用螺旋式,直径不应小于 6mm,间距宜为 200~300mm;受水平荷载较大桩基、承受水平地震作用的桩基以及考虑主筋作用计算桩身受压承载力时,桩顶以下 5范围内的箍筋应加密,间距不应大100mm;当桩身位于液化土层范围内时箍筋应加密;当考虑箍筋受力作用时,箍筋配置应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010 的有关规定;当钢筋笼长度超过 4m 时,应每隔 2m 设一道直径不小于 12mm 的焊接加劲箍筋。
  • 桩身混凝土及混凝土保护层厚度应符合下列要求:桩身混凝土强度等级不得小于 C25,混凝土预制桩尖强度等级不得小于 C30;2 灌注桩主筋的混凝土保护层厚度不应小于 35mm,水下灌注桩的主筋混凝土保护层厚度不得小于 50mm。

承台构造

  • 独立柱下桩基承台的最小宽度不应小于 500mm,边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或边长,且桩的外边缘至承台边缘的距离不应小于 150mm。对于墙下条形承台梁,桩的外边缘至承台梁边缘的距离不应小于 75mm。承台的最小厚度不应小于 300mm。
  • 高层建筑平板式和梁板式筏形承台的最小厚度不应小于 400mm,墙下布桩的剪力墙结构筏形承台的最小厚度不应小于 200mm。高层建筑箱形承台的构造应符合《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》JGJ6 的规定。
  • 承台的钢筋配置应符合下列规定:1 柱下独立桩基承台纵向受力钢筋应通长配置(图 4.2.3-a),对四桩以上(含四桩)承台宜按双向均匀布置,对三桩的三角形承台应按三向板带均匀布置,且最里面的三根钢筋围成的三角形应在柱截面范围内(图 4.2.3-b)。纵向钢筋锚固长度自边桩内侧(当为圆桩时,应将其直径乘以 0.8 等效为方桩)算起,不应小于 35dg (dg为钢筋直径);当不满足时应将纵向钢筋向上弯折,此时水平段的长度不应小于 25dg,弯折段长度不应小于 10dg。承台纵向受力钢筋的直径不应小于 12mm,间距不应大于 200mm。柱下独立桩基承台的最小配筋率不应小于 0.15%。2 柱下独立两桩承台,应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB 50010)中的深受弯构件配置纵向受拉钢筋、水平及竖向分布钢筋。承台纵向受力钢筋端部的锚固长度及构造应与柱下多桩承台的规定相同。3承台底面钢筋的混凝土保护层厚度,当有混凝土垫层时,不应小于 50mm,无垫层时不应小于 70mm;此外尚不应小于桩头嵌入承台内的长度。

桩基承载力设计

国内认为桩端嵌入基岩(中风化以上)中锚固的桩。国际上认为只要嵌入岩体中,不论岩体风化程度如何、坚硬性如何,都称为嵌岩桩。

  • 桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力,由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成。当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时,可按下列公式计算:

式中 Qsk Qrk ——分别为土的总极限侧阻力、嵌岩段总极限阻力;

qsik ——桩周第层土的极限侧阻力,无当地经验时,可根据成桩工艺按本规范表 5.3.5-1

取值;

frk ——岩石饱和单轴抗压强度标准值,黏土岩取天然湿度单轴抗压强度标准值;

——嵌岩段侧阻和端阻综合系数,与嵌岩深径比h、岩石软硬程度和成桩工艺有关,可按表 5.3.9 采用;表中数值适用于泥浆护壁成桩,对于干作业成桩(清底干净)和泥浆护壁成桩后注浆,应取表列数值的 1.2 倍。

桩周土总侧阻力:除桩端置于新鲜或微风化基岩且长径比很小的情况外(地基和桩身变形均极小),上覆土层侧阻力均可以发挥。L/D大于20的嵌岩桩,其荷载传递具有摩擦型桩的特性(泥浆护壁嵌岩桩桩侧阻力分担荷载超过总荷载60%)。L/D大于40,且覆盖层为非软弱土层,嵌岩桩端阻力发挥较小(侧阻力分担荷载超过95%),桩端进入强风化或中风化岩层中即可。

嵌岩段侧阻和端阻:岩石强度越高,侧阻发挥系数越低;桩岩刚度比越大,端阻力越大,嵌岩深径比越大,端阻力越小,岩石强度越低,端阻发挥系数越大,嵌岩深度越大,端阻发挥系数越小,受清底情况影响较大

受力过程:嵌岩桩在竖向荷载作用下,桩身受到压缩而产生相对于土(岩)向下的位移,于此同时桩侧表面受到土(岩)向上的摩阻力,从而将部分桩身荷载传递给桩侧土(岩),故桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。在桩土(岩)相对位移等于0处,其桩侧阻力难以发挥而等于0

随着荷载不断增加,桩身压缩和位移量不断增大,桩身下段侧阻力也随之发挥,直至桩端受到压缩而产生桩端阻力。桩端的压缩又增大了桩土(岩)相对位移,导致桩侧阻力进一步发挥。当端阻力完全发挥达极限值后,若继续增加荷载,则荷载增量将全部由桩端阻力承担。

根据嵌岩桩的作用机理:嵌岩桩无论是嵌入风化岩还是完整岩,其荷载传递具有摩擦型桩的特征,即桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥作用。(桩端阻力充分发挥需要较大的位移值(0.08~0.25D),钻孔桩孔底虚土,沉渣厚度等影响,所需位移值更大。而侧摩阻发挥需要的位移较小(3~40mm)

侧阻力和端阻力并不同时发挥,上部土层的侧阻力总是先于下部岩层发挥出来,非嵌岩段侧阻力早于嵌岩段侧阻力,而嵌岩段桩侧阻力又是先于桩端阻力发挥出来,且二者也不会同时达到极限状态

参考资料:《建筑桩基技术规范应用手册》刘金砺等、《大直径嵌岩桩嵌岩深度效应试验研究》、《按桩顶沉降控制的嵌岩桩嵌岩深度计算方法》

  • 本项目单桩承载力计算
  • 抗拔(工程桩)桩身裂缝验算

入岩深度

一般情况下,斜坡面锚固点最外侧距稳定岩面的最小水平距离L取值为:中风化的硬质岩取1.5d~2d且不小于3.0m;中风化软质岩取3d且不小于5.0 m。

桩基配筋建议

  • 根据规范要求验算桩身强度、稳定性及裂缝宽度。按照偏心受压构件的有关规定进行。对于桩基稳定性验算指计算时应计入桩身纵向屈曲因素,并予以考虑。对于桩基裂缝宽度的验算一般情况可不予进行,主要早构造上予以保证,仅当土或水对桩有侵蚀作用时才须进行验算
  • 对于较长的桩基可分为三个区段上段桩身弯矩较大为钢筋混凝土圆形截面偏心受压构件;中段弯矩很小,为少筋混凝土或钢筋混凝土圆形截面轴心受压构件;下段桩身仅受轴力,为素混凝土圆形截面轴心受压构件。
  • 对于上段(压弯构件):由于桩基受力特点以受压为主,就算弯矩最大处,也一般是小偏心受压,弯矩轴力比非常小接近于轴心受压。根据桥规计算配筋时,一般都是最小配筋率控制(桥规0.5%,国内外通常0.4%~1%)
  • 中下段:m法计算可知,在4/α(弯矩零点)以下理论上桩身的弯矩和剪力已经等于0,可以不必进行配筋。但考虑到土的比例系数m值在不同水平力作用下不确定性以及桩基存在初始偏心、截面重心的几何不对中、施工误差等因素。在实际设计时通常一般采用上段配筋的50%(长筋),这种断面配筋率不满足最小配筋率要求,为少筋混凝土结构。
  • 因此建议较长的桩基全筋段长度设置为4/α半筋长度考虑“K”法(弯矩零点可达5.989/α及以上)及“m”法弯矩影响深度、施工误差因素等,取为2/α
  • 刚性端承桩按全筋通长设置;弹性桩分全筋段和半筋段,不设素砼段。
  • 箍筋的配置:

1对于地震设防地区,基桩桩顶要承受较大剪力和弯矩,在风载、温度力、制动力等水平力作用下也同样如此,故需要在桩顶一定范围内适当加密;2箍筋在轴压荷载下对混凝土起到约束加强作用,可大幅提高桩身受压承载力,而桩顶部分荷载最大,故桩顶部位箍筋应适当加密;3控制钢筋笼刚度:承受水平力或较大弯矩的桩,其顶部2~3m内范围,箍筋应加密,一般为10cm。伸入承台箍筋仅作为定位作用间距可增大至15~20cm。加密区以外箍筋间距一般为15~30cm,桥梁设计习惯上通常采用20cm

嵌岩桩施工

一般要求

  • 应先对场地内填土进行压实(或强夯)处理,以证填土的密实性,待填土地基沉降基本稳定后再开挖地下室及桩基施工。
  • 根据勘察报告,由于中风化基岩标高起伏较大,以桩底入岩满足设计要求控制桩长。施工单位应结合地勘报告中的工程地质剖面图对照检查进尺深度及桩底入岩深度。
  • 本工程所选桩基单桩承载力均按工程地质勘察报告提供参数估算而得。场地内砂质泥岩极易风化施工期间应加强取样试验工作,以校核地基承载力。
  • 首先是判定入岩的依据,主要有三个:第一个是地勘报告,根据地勘报告推算出桩入岩的深度;第二个是岩样,岩样和地勘报告描述是否相吻合;第三个是机判:根据机台跳动情况来判定,入岩后机台跳动会很明显。
  • 终孔的主要控制要点:首先市判断终孔的依据,主要有四个:第一个是地勘报告;第二个是岩样;第三个是入岩后进入持力层的深度;第四个是有效桩长是否达到设计要求。入岩后应记录钻杆余尺,同时对岩样进行编号封样保存。根据钻杆有效总长度和入岩后钻杆余尺来计算这根桩的孔深。
  • 场地内如遇中风化粉砂岩有遇水软化、受扰动易破碎、开挖曝露失水后极易崩解风化的特征,应注意该类地基有无继续软化的可能,若遭水浸泡或或受机械扰动严重,应现场重新取样测定其强度指标,经设计重新核算无误后方可继续施工。
  • 有效桩长为桩顶设计标高至桩底的桩身长度,如在自然地面进行工程桩静载荷试验时,桩长应相应增加。
  • 工程桩在施工前必须试成孔,以便核对地质资料,检验所选用的设备施工工艺以及技术是否适宜,如出现缩颈、坍孔、回淤、孔底沉渣过厚等不能满足设计要求的现象时,应拟定补救措施或重新考虑施工工艺。
  • 砼坍落度为180~220,砼中可掺入适量粉煤灰,但不得使用早强剂,砼的充盈系数不得小于1.15。
  • 分段制作的钢筋笼,其接头应采用焊接并应遵守《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204-2015)。
  • 浇筑砼前,孔底500mm以内的泥浆比重应小于1.25。
  • 成孔完成放置钢筋笼后,应进行二次清孔,二次清孔结束测得孔底沉渣厚度满足设计要求后,半小时内必须开始灌注砼,否则需再次清孔。
  • 砼的初灌量应满足首次灌注时导管底端能埋入砼中1米以上。浇灌砼时严禁导管提出砼面,应由专人测量导管埋深及管内外砼面的高差,填写水下砼浇注记录。
  • 控制最后一次灌注量,桩顶不得偏低,应凿除的泛浆高度必须保证暴露的桩顶砼达到强度设计值。

检验要求

工程桩施工完成后,应按国家和地方相关设计规范及标准的相应规定进行单桩竖向承载力及桩身完整性检测,承载力检验前需进行桩身完整性的检验。

  • 施工完成后的工程桩应采用低应变法及声波透射法或钻孔抽芯法进行桩身质量检验。抽检数量及方法应符合下列规定:a.建筑桩基设计等级为甲级的低应变动测法抽查数量不小于总桩数的30%且不小于20根,每个柱下承台检测数量不得少于1根;其他桩基工程,检测数量不应小于总桩数的20%,且不应少于36根;并保证每个柱下承台检测桩数不应小于1根。b.对端承型大直径桩,除采用低应变动测法,应采用声波透射法或钻芯法进行桩身完整性补充检测,抽检数量不应少于总桩数的10%;c.当采用旋挖成孔工艺施工的桩基,应全数用采声波透射法或钻芯法对成桩质量进行检测。
  • 当符合下列条件之一时,应采用单桩竖向抗压静载试验进行承载力验收检测。检测数量不应少于同一条件下桩基分项工程总桩数的1%,且不应少于3根。a.施工前未进行单桩静载试验的工程;b.施工前进行了单桩静载试验,但施工过程中变更了工艺参数或施工质量出现了异常。

相关规范下载

《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008
《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008
《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2014
《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2014

嵌岩桩承载力及桩身裂缝强度计算表格下载

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