人工挖孔嵌岩桩的选型与设计

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1 前言

目前的桥梁基础设计教程及设计规范中，对摩擦桩的各项计算讨论、介绍的较多，而对人工挖孔嵌岩桩介绍得较少，现行设计规范中虽已有一些规定及计算公式，但在实际运用中还需要有更多的研究和思考。笔者结合自己工作中的实际经验及研究，对该桩基础的选型与设计作一较全面的论述，以供同行参考。

2 人工挖孔嵌岩桩基础的选型

2.1 桩的适用条件

桩端持力层应坐落在中风化或弱风化或微风化的软质岩石或硬质岩石内，且桩底以下不应有软弱夹层、溶洞、墓穴、矿井等。

桩的位置应避开断层、瓦斯层、地下暗塘（沟）等灾害性或不良地质。

桩端持力层基岩埋置深度不宜超过30米，最大不应超过40米。

桩上部结构荷载大且集中，一般单桩竖向承栽力容许值（设计值）宜控制在5000KN~50000KN，最大不应超过70000KN。

建筑（工程）场地狭小，交通环境不允许进行机械化施工的情况下适用。

建筑（工程）场地及周边环境不允许有振动、挤压、噪音、泥浆污染等干扰的情况下适用。

工程造价及工期明显优于其它桩型。

2.2 桩长的取值

桩长的取值主要应考虑2个因素：

保证桩底坐落在可靠的持力层，一般为中风化、弱风化以上强度的基岩。

保证桩基有足够的稳定性。一般情况下桩基入土深度超过10米以上，桩基都具有较好的稳定性。但在桩端持力层较浅的情况下，桩长较短，应特别注意应有足够的嵌岩深度，嵌岩深度的取值不但要参考相关规范的通常要求，还应根据计算公式确定桩长，本文推荐采用《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）中的5.3.5公式计算（后文有详细介绍）。

2.3 桩径的取值

根据实际的设计经验与施工经验，桩径一般取d=1.0～3.5米。

桩径通常比墩或柱的尺寸要大，桩径尺寸应能提供足够的桩身强度要求。

桩基端部与基岩的接触面可以提供足够的单桩承载力。可考虑桩端局部扩大的设计。

3 人工挖孔嵌岩桩基础的设计

3.1 桩荷载的取值

根据计算得出基础承台以上墩（柱）的轴向力（P）、剪力（V）、弯矩（M）的设计值。

桩基承台和承台上土自重设计值GT0

桩自重设计值GZ0，关于桩自重，有资料推荐采用桩身自重的1/2作为外力考虑。笔者建议按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）中5.3.3条规定的采用桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑

3.2单桩轴向受压承载力容许值 [Ra] 的计算

关于单桩轴向受压承载力[Ra]的计算，可参见《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）中5.3.4条规定，具体表达式为：

[Ra]=c1Apfrk+uc2ihifrki+ξsuliqik

[Ra] -- 单桩轴向受压承载力容许值（KN）；

Ra - 天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（kpa），试件直径为7～10cm，试件高度与试件直径相等；

h - 桩嵌入基岩深度（m），不包括风化层；

Ap 桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；

frk桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa）；

u 各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；

c1、c2i 根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的系数，按下表采用。

hi 桩嵌入各岩层部分的桩身周长（m）；

m 岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；

ξs 覆盖层土的侧阻力发挥系数。

li 各土层的厚度（m）；

qik 桩侧第i层土的侧阻力标准值（KPa）

n 土层的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑。

3.3 扩底桩扩底构造

桩身最小直径不应小于0.8米，扩底端直径与桩身直径比D/d，应根据承载力要求及扩大端侧面和桩端持力层的岩土性质确定，最大不宜超过3；扩底头部分的高度应考虑竖向压力的刚性扩散角和施工安全操作的要求，一般取h=1.0～1.8米，扩大端侧面的斜率b/h一般为1/3～1/2；扩底柱底部一般应挖成锅底形（弧形），矢高hb取（0.1～0.15）D，且不宜小于0.2m。当扩底桩底部持力层基岩为微、弱风化的硬质岩石时，桩底部可做成平底。当桩净距小于2倍桩径且小于2.5m时，应采用间隔开挖。

3.4 嵌岩深度hr的取值

桩身嵌岩（指弱风化、微风化）深度的取值应不小于0.5米，目前规范没有专门的计算公式，对于桩长较小（小于10米）的挖孔桩，嵌岩深度是不容忽视的问题，关系到整体桩基的稳定，设计中必须注意并加以验算，笔者认为可以借鉴桥规中如下公式计算，经多次实践应用，其计算结果令人满意：

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63－2007）中第5.3.5条

当河床岩层有冲刷时，桩基须嵌入基岩，按桩底嵌固设计。其应嵌入基岩中的深度，可参照下式计算：

圆形桩

矩形桩

式中 h－桩嵌入基岩中（不计风化层）的有效深度（m），但不得小于0.5m；

MH－在基岩顶面处的弯矩（kN*m）；

Ra－天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（kPa），试件尺寸同第4.3.4条的规定；

β－系数，β=0.5～1.0,根据岩层侧面构造而定，节理发达的取小值；节理不发达的取大值；

D－钻（挖）孔桩或管柱的设计直径（m）；

b－垂直于弯矩作用平面桩的边长（m）。

3.5 桩身砼强度等级的取值及长细比问题

桩身砼强度等级的取值应根据桩顶荷载和桩自重的组合，选择合理的桩径和砼强度等级，在满足桩身承载力计算的前提下，桩身砼强度等级桥梁一般取25号～35号。

关于桩基长细比造成的偏心距增大问题，目前看法不一，笔者认为可不必考虑。这是因为桩身在受力过程中，受到桩侧岩土的约束和支撑，桩与岩同作用，其受力特征与地面上的桥墩（柱）有着本质的不同。震害调查表明，地震作用下，地下结构的破坏程度远小于地上结构。

3.6 桩身的配筋

桩身配筋应在结构受力计算的基础上结合构造要求进行配筋。

结构受力计算主要有：

桩身内力计算，采用m法或其他可靠的方法。

桩基应验算桩身强度、稳定性及裂缝宽度。

构造要求主要有：

应按桩身内力大小分段配筋。当内力计算表明不需配筋时，应在桩顶3～5m内设构造钢筋。

庄内主筋直径不应小于16mm，每桩的主筋数量不应少于8根，其净距不应小于80mm且不应大于350mm。

闭合式箍筋或螺旋筋直径不应小于主筋直径的1/4，且不应小于8mm，其中距不应大于主筋直径的15倍且不应大于300mm。

3.7 桩与承台的连接

建议采用桩顶主筋伸入承台连接。桩身嵌入承台内的深度可采用10cm，伸入承台内的桩顶主筋可做成喇叭形（与竖直线夹角大约15度）。桩砼浇注高度应高于桩顶设计标高50cm，待制作承台前将其凿除。桩身主筋宜采用带肋钢筋，伸入承台内长度不应小于35倍钢筋直径（不设弯钩）。

3.8 桩间横系梁

可用横系梁加强桩之间的整体性，横系梁的高度可取为0.8～1.0倍桩的直径，宽度可取0.6～1.0倍桩的直径。砼的强度等级不应低于C25。纵向钢筋不应少于横系梁截面面积的0.15%；箍筋直径不应小于8mm，其间距不应大于400mm。

横系梁的主钢筋应伸入桩内，其长度不小于35倍主筋直径。

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