人工挖孔桩在高层建筑中的应用

人工挖孔桩在高层建筑中的应用

自20世纪80年代中期手动挖孔桩以来，单条承受能力高，施工质量容易控制和监控，适应地形变化大、设备方便、施工进度快的情况，可在渗流阻力控制的情况下穿透硬层。此外，由于其人工成本低、施工成本高的特点，大量的高层建筑和单柱人工挖孔桩基础工具被广泛使用。建成于1985年的53层“深圳国际贸易中心大厦”,高160m,采用支于硬质微风化岩的人工挖孔桩基础。据1994年前竣工的100幢高层建筑统计,采用人工挖孔桩基础的占20%。我省在厦门、泉州、三明等地采用人工挖孔桩的高层建筑,占相当大的比例。近年来,据说出于某种人为的原因,人工挖孔桩在我省南部地区甚少采用。本文在阐述人工挖孔桩技术上具备独特优点的同时,还将对该种桩基设计的若干问题进行评述,并提出改进建议。为使论述具体形象,本文引用一项已施工完成的工程设计作为参照。1工程地质条件厦门××大厦系由两座对称布置的高层商住楼组成,地上36层,地下2层,总建筑面积约7万m2。该楼场地地貌属山前缓坡,地层及其主要性状见表1,典型地质剖面见图1。除了筒体下采用群桩基础外,其余均为桩下单桩基础。单座布桩见图2,桩与承台参数见表2。基桩以微风化花岗岩为持力层,桩底深入该层≥1.0m。本工程已于1998年竣工。建筑物的沉降近于桩身的弹性压缩。2多层孤石桩型如图1,本例场地下的主要地层是花岗岩残积粉质粘土层。总数20个勘探孔中有14孔在不同深度揭示一处或多处大小不一的孤石,出现比例达70%。表3列出各钻孔揭示的微风化孤石表面埋藏深度和孔内厚度。一孔揭示多层孤石时,仅列出厚度最大者。表列孤石孔内厚度最大达3.9m,最小0.6m,平均2.2m。这种微风化孤石足以使任何一种自其边缘打入或压入的基桩以及冲钻孔基桩产生严重偏斜,如不发生偏斜,则难于甚至无法穿透。可以预料的前景不是大量补桩,便是改变桩型。这种地层在闽南地区颇为多见。22层的漳州片仔癀科技楼场地中埋藏更多层的孤石,也只好采用人工挖孔桩。图3是该楼穿越多层孤石的人工挖孔围护桩的照片。由此得出的启示是:在广泛分布残积土中孤石的场地,人工挖孔桩几乎是唯一合理的桩型。近年曾有地方建设行政主管部门颁文禁用人工挖孔桩,使得一段时间内这种桩型几乎销声匿迹。这给同类场地的桩基正确选型带来了难以解决的困难。3基于堆叠的设计评论和改进本题之下论述两个问题,即发挥扩底优越性与正确确定桩身最低配筋率。3.1桩芯直径及计量挖孔桩在造价上的优势在于通过扩头(图4虚线),既能充分利用桩的端阻力,又可减少桩身砼量。对嵌入硬质岩石的端承桩尤其如此。本工程采用等径桩(图4实线)是不经济的。利用现代受控爆破技术完全可以在桩底形成扩大端。在充分考虑到不利条件之后,改进设计后的桩芯直径为d2,扩底直径d1(图4虚线),取d1=1.15d2。d1同原设计桩芯直径ϕ。对桩底位于残积土中的ZH5桩不做扩头。按桩表(表2)ZH1～ZH4的桩数为ni,原改进设计d1i=ϕi,改进设计的d2i=ϕi/1.15。含扩大段>1.0m的平均桩长L=18.0m。考虑成孔直径为设计芯径d+2×0.15m,则桩断面分别为Ai=0.785(0.3+di)2,则桩的砼方量为:计算表明,仅此一项即可节省砼量达25%。考虑到扩头15%后,桩芯砼级别将从C30提高至C40。相应的水泥用量增加将导致造价增加。两者相抵可节省桩基砼的费用约20%(钢筋另计),粗估可降低造价约24万元。3.2灌注桩的配筋设计本工程设计于《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)颁行之前,但建成于颁行之后。灌注桩桩身的配筋率一直是人们较少关注的问题。虽然规范规定有变动,因袭思维定势,人们容易按旧惯例处理问题,因此有必要回顾这一规定的变化过程:a)JGJ4-80的规定:直径300～600mm的灌注桩纵筋的配筋率为0.65%～0.4%;b)GBJ7-89规定:灌注桩的最小配筋率当承压时不宜小于0.2%,受弯时不宜小于0.4%;c)JGJ94-94规定:当桩身直径为300～2000mm时纵筋配筋率为0.65%～0.2%。从内容上看,有关这一问题的规定,三本规范互相补充,并行不悖。从逻辑上看,后颁规范条文如与前颁规范不相矛盾的话,前颁规范的条文仍可参考。基于这种认识,上文JGJ4-80的规定适用于抗震设防烈度不超过7度(含7度)的低承台桩,即为GBJ7-89的受压的桩,亦即JGJ94-94的一般的桩。基于这种认识灌注桩纵筋的配筋率可按以下三点连成的曲线内插取值,即:用对数座标绘成d-μ曲线如图5。基于以上认识,本实例工程按7度抗震设防,受力计算未对桩身配筋提出特定要求,故其配筋率适用于图5曲线。改进设计按图5内插计算ZH1～4的平均μ=0.240%,纵筋总重约38t;原设计平均配筋率约为0.515%,同比纵筋总重约82t。改进设计约可节省15万元。综合3.1与3.2的评述与估算,设计稍作更动,完全符合规范要求,即可节省造价近40万元。这里还不包括对嵌岩深度和配筋长度的评述和改变。4桩中至承台边距离由于早期建筑基桩一般d≤600mm,很少见到d>800mm的,所以曾有桩中心至承台边的距离不小于1d的规定。其意义是使得偏位值在容许范围内的桩的主筋得以正常锚入承台。JGJ94-94的4.2.1.4款对柱下单桩基础,只要求“宜按连接柱、连系梁的构造要求将连系梁范围内桩的圆形截面改为方形截面”。当然其前提是柱的偏位应在容许范围内,且桩帽(即单桩承台)尺寸应满足柱底钢筋的锚固要求。近几十年来的工程实践已出现许多桩径达2m左右的基础,因此不宜继续墨守早期规范有关桩中至承台边距离为1倍桩径的规定,见图6(a)。本设计经斟酌后已对此作了修改,见图(6b),改进后的设计较合理。即对大直径桩取桩边至承台边距离为200～300mm。问题在于目前还有不少设计仍沿用旧规定,所以应该提出评述。另外,本工程修改后的设计中的配筋仍有值得商确之处。该设计对桩帽配置了“鼠笼式”的三向钢筋,以期加强。其实如果把承台与底、柱、连系梁,对本例还有底板的钢筋全部示出,就容易理解,桩帽处节点的约束是足够强大的,见图(6c),布置于承台外表面的钢筋在受力上是无用的,且对施工是不便的。因此只配设承底底面的构造筋以改善接触面受力条件是合理的,见图(6c)。仅计算ZH1、4、5,用图6(c)设计取代图6(a),本工程将节省砼286m2,钢筋16.4t,粗估可节省造价14万元,而且方便施工。所以图6(c)的设计是值得提倡的。5补连塔桩的扩底及钢筋率5.1人工挖孔桩天然具有许多技术长处,又符合国情,在埋藏孤石的花岗岩残积土中具有难以取代的技术优势,故不但不宜禁止,而且应提倡与推广应用。5.2对人工挖孔嵌岩桩,当持力层为硬质岩石时,建议适当进行扩底以减少桩芯砼工程量。与此同时应适应当提高桩芯砼强度,以期做到既经济又安全。5.3挖孔桩系大直径灌注桩,其配筋率当桩径为ϕ600～2000mm时