钻孔预制复合桩设计及实例修改版

PAGEPAGE1钻孔预制复合桩设计及实例黑龙江四方建设工程设计院王常青摘要：作者根据多年从事桩基础设计经验，进行大量试验研究后提出一种新型桩的施工工艺，并在很多工程中推广应用后知，该种桩发扬了静压管桩、钻孔压浆桩、超流态混凝土灌注桩等等的优点，克服了它们的缺点，获得较好的社会和经济效益。该种桩获国家专利批准冠名为“钻孔预制复合桩”。本文就这种桩施工工艺，根据大量试验数据及诸多工程实践，提出该桩承载力的计算公式及设计实例，供从事桩基础设计和施工的工程师们参考与使用。关键词：钻孔预制复合桩极限承载力标准值增强系数水泥浆课题的提出众所周知，单桩的竖向极限承载力取决于以下两个条件：(1)地基土对桩的侧面、端部阻力；(2)桩自身承载力。实际设计中取桩的极限承载力为两者中最小值。由此看出，地基土对桩的侧面、端部阻力再高，桩自身承载力低于前者，桩的承载力没有得到充分的利用，这是一种极大的浪费。桩身材料强度是人为可控的，地基土对桩的侧阻力、端阻力与土的物理特性有关，是客观存在的，但是可以改变的。本文根据设计经验及对钻孔压浆桩、静压管桩的成桩工艺的研究，提出一种新的单桩施工工艺。这种成桩工艺桩身强度很高，它又能提高桩的侧阻、端阻力，比钻孔压浆桩、静压管桩、灌注桩的极限承载力大幅度提高。成桩工法简介首先，钻机钻到预定的土层内，并从钻头噴口向孔内压力注入水泥浆护壁成孔，边注浆边提钻，直到孔壁不塌孔时，停止注浆，钻头全部提出。其次，用高强混凝土预制好表面带凹槽的空心管置入孔中间（管外径比孔径小100mm）。再次，在预制管与孔壁之间插入注浆管，再压力向管四周补注水泥浆，使其形成由水泥浆包裹在预制混凝土管周围的钻孔预制复合桩。试验工作对12米长φ400孔（管径φ300）进行了4根桩静载试验，对14米长φ500孔（管径φ400）进行9根桩静载试验，对16米、17米长φ500孔（管径400）分别进行3根桩静载试验，对孔径φ600（管径φ500）13米长进行了4根、16米长进行了6根桩静载试验，总计29根桩的静载试验，结果见表1。对水灰比为0.6、0.65、0.7水泥浆试件共13个试件进行抗压试验，经数理统计，列于表2中。（2）在同等条件下制作五个素空心管试件，每个试件尺寸为：高500mm，外径300mm，内径160mm.其中三个试件在管外径包裹43.5mm厚水泥浆，待水泥浆硬化后到实验室去做抗压试验。试验结果见表3。由表3看出，水泥浆与混凝土管共同承担外力，在外力作用下两者是共同作用的。（3）将上述试验桩从桩顶以下3米左右土层挖出，桩身裸露，用机械将水泥浆包裹层与混凝土预制管分离时，由于水泥浆层与管壁粘结牢固，以致混凝土管壁破坏了也没有把水泥浆层与管壁分开。对该桩做低应变试验后知其完整性很好。对上述29根桩做静载试验时，测得水泥浆包裹层与混凝土预制管之间相对变形，当桩加载至极限荷载时的整个试桩过程中为零。由此看出该桩水泥浆层与预制管是共同工作的。工程桩检测一览表表1试验桩编号桩外径（mm）混凝土管外径（mm）桩长（m）桩入土情况极限荷载（KN）累积沉降（mm）备注140030012桩入稍密至中密粉细砂9m入中密中砂2m195031.68建筑层数为地上11层240030012同上195021.97同上340030012同上195041.89同上440030012桩入松散至稍密粉细砂9.5m入中密中砂2m200031.93同上550040014桩入可塑粉质粘土10m，入中密至密实中砂4m400024.52建筑层数为地上28层650040014同上400025.52同上750040014同上400020.27同上850040017桩入可塑粉质粘土13m，入中密中砂2.5m，中密粗砂2m420021.67同上950040017同上420022.3同上1050040017同上420020.86同上1150040016桩入可塑粉质粘土11.5m，入中密中砂2.5m，中密粗砂2m420020.82同上1250040016同上420021.73同上1350040016同上420021.73同上1460050013桩入稍密至中密圆砾层13m520018.54建筑层数为地上32层1560050013同上520015.91同上1660050013同上520023.62同上1760050013同上520035.66同上1860050016桩入可塑粉质粘土12m，入中密至密实中砂层4m540010.17同上1960050016同上540011.15同上2060050016同上540012.16同上2160050016同上540010.45同上2260050016同上540013.17同上2360050016同上540012.27同上2450040014桩入稍密至中密中砂11m，入中密粗砂3m340027.85建筑层数为地上24层2550040014同上340026.47同上2650040014同上340025.49同上2750040014同上360037.08建筑层数为地上24层2850040014同上360035.55同上2950040014同上360034.18同上桩侧阻、端阻力增强系数、及极限承载力标准值估算公式（1）曲线拟合法计算增强系数、根据桩极限承载力的试验曲线，取“桩基规范”中、的适当数值，多次反复试算求出、。最后确定出、的取值范围。根据以上试验，并根据细砂、中砂中的变化规律，又根据钻孔压浆桩在各种土层的变化规律，本文推荐的值列于表3中。试验及计算发现钻孔预制复合桩的值比钻孔压浆桩中的值大但相差很小。（2）钻孔预制复合桩极限承载力标准值由桩总极限侧阻力、总极限端阻力组成，其估算公式为：桩身周长；桩侧第i层土极限侧阻力标准值；桩端极限端阻力标准值；桩周第i层土层的厚度；桩端截面面积；、增强系数见表4.桩的工作机理桩机钻至预定土层后，从钻头噴口向孔内压力注水泥浆，将孔底扰动土层固化，水泥浆渗入孔底周围土层中，将土层中水份、空气挤走，水泥浆充满土层内的空隙，孔底土周围形成结石体，同时孔底结石体周围土层被挤密，土层压缩模量大幅度提高，因此桩端刺入沉降和桩端下土层固结沉降大大减少。在孔内植入高强预制混凝土管后在预制管与孔壁间隙中压力注浆过程中，水泥浆一侧是坚硬混凝土管壁，另一侧为相对较软的土层，水泥浆部分渗入土层空隙中，并压密了侧壁的土层，使桩侧土剪切模量大幅度提高，大大减少桩侧土层剪切变形。同时水泥浆将孔壁土层与预制管壁胶结在一起，水泥浆包裹在管周围形成一个整体。混凝土管与孔壁土层间水泥浆层称为侧阻力的增强层。因此，这种工法形成的钻孔预制复合桩比钻孔压浆桩和其它混凝土灌注桩的沉降变形大大减少，大大提高了桩的承载力。增强层水泥浆试块试验数据（Mpa）表2水灰比试件序号平均值标准差推定值标准值设计值0.6118.0820.000.1219.8813.39.5219.38319.79418.23524.520.65117.5417.540.12417.4211.658.3218.38315.51420.66515.620.7116.4115.720.12215.6010.437.5215.05315.70水泥浆层与混凝土管共同工作试验数据表30编号0简图0外直径（mm）0内腔直径（mm）0高度（mm）0破坏压力（KN）0100300116005000105002030001600500011000300387016005000280004038701600500028200503870160050002650增强系数、表4土类别系数土类别系数粘土细砂中砂粗砂软塑可塑硬塑稍密中密1.2-1.31.6-1.81.4-1.61.8-2.02.0-2.22.6-2.83.0-3.21.2-1.41.4-1.61.6-1.81.8-2.06、桩身承载力计算桩自身承载力由预制管（预制管自身混凝土和预应力筋）和加强层组成。预应力管在出厂前已受预压应力的作用，预制管混凝土有效预压应力为。因此，由预应力管与水泥浆层组成的钻孔预制复合桩自身承载力计算公式为：其中：增强层工艺系数，参照《建筑桩基设计规范》取0.9；增强层与混凝土管工作条件系数，根据《混凝土结构加固设计规范》取0.8；预制管混凝土、增强层水泥浆抗压强度设计值；预应力钢筋弹性模量与混凝土平均变形模量之比，；混凝土强度为C80、C60时，等于8.56、9.66；预制管和增强层截面面积；预制管换算截面面积；钢筋的弹性模量，混凝土平均变形模量；预应力筋截面面积；预制管混凝土有效预压应力；荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值。钻孔预制复合桩的存在优势钻孔压浆桩可在任意土层中成孔，极限承载力较高，但因桩身是无砂混凝土组成，桩自身承载力较低，影响其极限承载力发挥。超流态混凝土灌注桩可在任意土层中成孔，由于成孔不能有效后注水泥浆，极限承载力较前者低；该桩自身混凝土强度可根据设计要求得到满足，但该桩钢筋笼难以插到预定深度，且易发生塌孔或缩颈情况。混凝土预制管桩是挤土桩，但遇较厚的密实粘土层及砂层，很难达到预定设计土层中，极限承载力很难有效发挥；另外，静压管桩挤土后期效应目前还是未知。钻孔预制复合桩混凝土管长度、混凝土强度在预制厂出厂前得到很好的控制，能保证设计要求；增强层水泥浆水灰比及水泥质量也在现场较易掌控并且便于检查，因此成桩质量优于上述桩型。通过试验及理论分析，钻孔预制复合桩发扬了钻孔压浆桩、其它混凝土灌注桩、静压管桩的优点，它们的缺点得到克服，其优点主要为：能在任意土层中成孔，桩自身强度较高，承载力较上述桩都高，在适当土层中其安全性、可操作性、质量可控性、经济性都优于上述桩型。桩的构造如上所述，桩身承载力计算公式中已考虑保证混凝土管与管外侧水泥浆增强层共同工作，在构造上要求混凝土管外表面至少每隔一米预留一道50mm宽，深5mm的凹槽；水泥浆增强层水泥应采用标号不低于PC42.5的普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比控制在不大于0.55；注浆和补注浆压力控制在3~5Mpa；混凝土管强度等级应在C60~C80，配筋及管壁厚根据设计确定或选用国标图纸。桩与承台的联结与国标图集中混凝土预制管与承台联结节点完全相同。9、计算实例哈市区某工程地下一层地上二十八层，剪力墙结构，采用钻孔预制复合桩基础，桩长选14米长，孔径，管径，桩进入可塑粘性土中10米长，进入偏密实的中密中砂层4米长。查《建筑桩基技术规范》及本文表4，在可塑粘性土中取，；在偏密实的中密中砂层中取，，，。试估算该工程桩的极限承载力标准值及验算桩身强度。预制管选用国家标准图集10G409中PHC400A95管，预应力筋7，，，C80混凝土，，查管桩标准图集知，管混凝土有效预压应力。桩极限承载力标准值=KN实际设计取该工程桩静载试验结果见表1中试验桩编号5~7。桩身承载力计算增强层水泥浆水灰比0.55，预制管壁厚9.5mm。桩身强度满足设计要求。结束语根据钻孔预制复合桩的成桩工艺、大量试验及诸多工程实例知，该桩发扬了钻孔压浆桩、静压管桩、超流态混凝土灌注桩的优点，克服了它们的缺点，在适当土层中其安全性、可操作性、质量可控性、经济性，都优于上述桩型。用科学的视角去看钻孔预制复合桩，它并不是适用于各种土层，当这种桩进入砂层厚度占总桩长的三分之一以上时，它才有上述优势；当桩周没遇到砂层时，这种桩的经济性不如其它型式桩。参考文献JGJ94-200