桩端存在“孤石”的桩基的优化设计

郑利松

（广州市市政工程设计研究院，广东广州510060）

0 引言

桩基础具有节省劳动力、提高机械化施工程度、缩短工期、减少土方量、降低工程成本、改善施工条件和提高建（构）筑物的抗震能力等优点。按施工方法的不同，桩的类型可分为预制桩和灌注桩两大类。而灌注桩有不下几十个品种，大体可归纳为沉管灌注桩和钻（冲、磨、挖）孔灌注桩两大类。灌注桩的横截面呈圆形，可以做成大直径桩和扩底桩。大直径灌注桩其承载力大，多用于高层建筑和桥梁工程；扩底桩是扩大桩底面积，能充分利用地基的承载力，提高灌注桩的单桩承载力，缩短桩长，降低建筑材料的消耗，可以获得更显著的经济效益。

在花岗岩分布区，在其残积层及全、强风化带中往往发育有球状风化体（俗称“孤石”）。球状风化体分布不均匀，有的呈零星分布，有的呈群体状、串珠状分布。其大小不等，从几十厘米到十几米，甚至更大。球状风化体一般呈中微风化状态，裂隙不发育，完整性好，致密坚硬，在钻（冲）孔灌注桩的成孔施工中要将其穿越难度极大。冲孔桩每小时一般只能冲进10 cm左右，有时只有采取爆破才能处理。增大了工程成本，延误了工期。在某立交工程，把桩端的“孤石”视为桩的扩大头，对桩端具有足够大直径“孤石”的基桩按扩底桩的原理作了优化设计。降低了桩基工程的施工难度和成本，缩短工期，提高了经济效益。

1 设计的基本原理及条件

桩端具有足够大直径“孤石”的基桩按扩底桩设计是基于大直径扩底桩的基本原理，将“孤石”视为桩端扩大头，“孤石”的垂直投影面积视为桩端扩大的截面面积，“孤石”与桩身视为同一桩体。故桩端的球状风化体（孤石）必须具备如下的基本条件：

（1）桩端的“孤石”必须具有足够大直径。以满足桩基设计单桩承载力所需的桩端截面面积；并满足桩基抗冲切破坏的厚度，一般不可小于3D（D为桩径）。

（2）桩端的“孤石”必须裂隙不发育，完整性好。

（3）桩端的“孤石”其强度必须不低于桩身混凝土强度等级（规范规定不应低于C25）。

（4）桩身全断面必须嵌入“孤石”大于0.50 m，以确保桩身与“孤石”的整体性。

2 设计和施工步骤

（1）首先根据设计单桩承载力和岩土设计参数反算设计扩底桩桩端截面面积。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007），钻（挖）孔灌注摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值的计算公式：

由（1）式得：

式中：[Ra]——单桩轴向受压承载力容许值，kN；

u——桩身周长，m；

Ap——桩端截面面积，m2，对于扩底桩，取扩底桩截面面积；

n——土的层数；

li——承台底面或局部冲刷线以下各土层厚度，m，扩孔部分不计；

qik——与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值，kPa；

qr——桩端处土的承载力容许值，kPa；

h%——桩端的埋置深度，m；h＞40 m时，按40 m计算；

k2——深度修正系数，按规范表3.3.4选用；

r2——桩端以上各土层的加权平均重度，kN/m3；

λ——修正系数，按规范表5.3.3-2选用；

m0——清底系数，取m0=1.0。

将有关岩土设计参数代入（3）式，即可求得设计扩底桩桩端截面面积。求得了设计扩底桩桩端截面面积，即可知设计所需桩端“孤石”的大小直径。

（2）根据求得的设计扩底桩桩端截面面积，以桩孔为中心，在扩底桩桩端截面面积周边布置适量钻孔，查明“孤石”的大小、产状、裂隙发育程度、完整性及其强度是否符合设计基本条件的要求。

（3）确定桩身嵌入“孤石”的深度。

（4）桩孔施工至设计标高后，应及时清孔捞渣（孔底不允许有沉渣），然后浇灌混凝土成桩。

3 工程实例

某立交桥工程位于广州市东北部。场区的基岩为花岗岩，风化层厚度巨大，在残积层和风化带中球状风化体发育，尤其以强风化带最为发育。“孤石”的直径为0.50～11.15 m不等，岩质致密坚硬，给桩基工程的成孔施工带来了极大的困难。其中E30号桩经钻探揭示，于孔深32.25～39.30 m为“孤石”，揭露直径7.05 m；岩石呈微风化，致密坚硬，天然极限抗压强度Ra=44.90～105.80 MPa。E30号桩地层情况见表1所列。

表1 E30号桩地层情况表

E30号桩设计桩径φ=1.50 m，设计单桩承载力9 000 kN。根据表1 E30号桩的地层情况，如果桩身不穿越“孤石”，按一般摩擦直孔桩计算，其单桩承载力未能满足设计的要求，故应进行优化设计。

（1）确定设计扩底桩桩端截面面积。设承台厚度为3.00 m，取深度修正系数k2=3.0，修正系数λ=0.68，清底系数m0=1.0，和表1有关岩土设计参数代入（2）式和（3）式得桩端处土的承载力容许值qr=1 747.00 kPa，扩底桩桩端截面面积Ap=3.02 m，详见表2所列。即桩端“孤石”的垂直投影直径必须达到：d≥1.96 m。

表2 扩底桩桩端截面面积计算表

（2）查明“孤石”的大小及完整性。以桩孔为中心，在桩的周边距桩中1.00 m处布置了4个勘探点。经揭示，“孤石”的揭露厚度3.60～7.20 m，裂隙不发育，完整性好，满足设计基本条件的要求。

（3）确定桩身嵌入“孤石”的深度。E30号桩设计桩身全断面嵌入“孤石”1.00 m。

（4）桩孔施工至孔深33.25 m后，及时清孔捞渣，然后浇灌混凝土成桩。

经检测E30号桩的沉降变形满足设计的要求。该立交桥工程已建成通车2 a,运营情况良好，未发现任何异常。

4 结语

桩端存在“孤石”的桩基的优化设计，是基于大直径扩底桩的基本原理，将“孤石”与桩身视为同一桩体，“孤石”视为桩端扩大头，以提高桩基的单桩承载力，使桩身不必要穿越“孤石”的一种设计方法。该优化设计降低了桩基工程的施工难度和成本，缩短工期，提高了经济效益。

[1]地基及基础（新一版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1991.

[2]岩土工程治理手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1993.

[3]工程地质手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4]JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[5]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].