探析人工挖孔桩在工业厂房中的应用
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关键词：人工挖孔桩, 设计, 施工, 工业厂房。
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1工程概况及地质情况
武钢转炉—薄板坯连铸连轧工程厂房建筑面积约45000 m2 , 为全钢结构多跨框排架结构, 5~ 7 跨,跨度21 m~ 25 m, 柱距15 m~ 36 m。厂房高度约47 m, 局部高层框架部分高度为70 m, 吊车20 几台, 最大吊车吨位280/ 75 t , 轨面标高25. 100 m。
新建厂区位于一炼钢厂区范围, 大部分为原有厂房及构筑物拆迁后的场地, 地下有大量原构筑物的基础, 还有仍在使用的电缆隧道、地下水管廊及管线电缆等。拟建场地周围的厂房等设施正处于生产状态, 施工时必须严格保证不影响其生产。地下情况的不确定性加上周边环境的复杂, 使得本工程的地下部分设计施工难度非常大。
根据勘察单位提供的详勘报告, 拟建厂区地质情况如下:
①杂填土: 杂色, 主要由建筑垃圾混少量粘性土组成, 局部地表为草坪, 呈湿、松散状态。
①素填土: 黄褐~ 棕褐色, 由粘性土组成, 偶见碎石、砖块, 呈湿、稍密状态。
②粉质粘土: 灰~ 灰褐~ 黄褐色, 含有氧化物斑点, 无摇震反应, 稍有光滑, 干强度及韧性中等, 呈饱和、可塑状态。
②粉质粘土: 黑褐~ 灰黑色, 含有氧化物斑点, 无摇震反应, 稍有光滑, 干强度及韧性中等, 呈饱和、可塑状态。
③第四系上更新统冲积层: 粉质粘土, 褐~ 黄褐色, 含铁锰氧化物结核及灰白色高岭土, 无摇震反应, 稍有光滑, 干强度及韧性高, 呈饱和、硬塑状态。
④第四系中更新统冲洪积层: 粉质粘土: 棕红~ 棕黄色, 含铁锰氧化物结核及灰白色高岭土, 无摇震反应, 稍有光滑, 干强度及韧性高, 呈饱和、硬塑状态。
⑥白垩一下第三系岩层: 泥质粉砂岩, 紫红色, 主要矿物成分为石英、云母、粉砂等粒状结构, 中厚层状构造, 泥质胶结, 呈强风化(⑥) 和中风化(⑥)两种状态。强风化泥质粉砂岩岩芯破碎, 徒手可掰碎, 中风化泥质粉砂岩岩芯呈柱状, 岩石完整性较好。
场地地质情况详细参数见下表。
3 基础方案的确定
根据原有图纸资料, 此区域厂房柱基础及设备基础的底标高均为- 8. 000 m, 由于年代久远, 资料不全, 无法准确确定地下状况。同时, 本工程厂房跨度大、柱距大( 最大跨度25 m, 最大柱距36 m) , 吊车吨位大( 最大吊车280 t ) , 部分柱基础荷载近4000 吨, 对沉降要求较高, 需采取可靠的基础方案,以保证上部结构的荷载有效传递, 并能有效地控制基础沉降。常用的基础方案有下列几种。
( 1) 天然基础: 持力层为粉质粘土(③ ) , 考虑到原有厂房的基础底标高为- 8. 000 m, 清除老基础,混凝土拆除量大, 耗时耗力。同时, 现有场地位于武钢厂区内部, 周边均为正在生产使用的厂房及支架等建、构筑物, 若新建厂房基础开挖深度大, 为保证安全生产, 附近的原有构筑物等基础需采用加固措施, 施工难度大, 成本高。
( 2) 地基处理: 适合本厂区的地基处理方案有砂石换填、CFG 桩( 水泥粉煤灰碎石桩) 。由于杂填土层(①) 及素填土层(① ) 的厚度达7 m~ 8 m, 全部换填不经济, 若换填深度太小( 1 m~ 3 m) , 下部仍有几米厚的回填土, 而厂房高度大、吊车荷载大, 难以控制变形; 同时, 换填过程中, 对于深度较浅的混凝土障碍物仍需拆除, 否则, 新建基础一部分位于老厂房基础上, 一部分位于换填土层上, 会发生不均匀沉降, 因此换填方案并不适合本厂区; 至于CFG 桩方案, 由于大量地下障碍物的存在, 且情况不明, CFG 桩不易实施, 质量难以保证。
( 3) 桩基础: 由于地下障碍物的存在, 预制桩及钻孔灌注桩施工难度较大, 人工挖孔桩是较为可行的方案。人工挖孔桩的持力层为粉质粘土(③ ) 或粘土(④) , 此部分土层为硬塑, 承载力大, 压缩模量大, 基础变形小; 同时桩底可以采用扩大头, 能大幅提高桩端承载力, 满足基础受力及变形的要求。对于大量存在的地下障碍物, 由于采用人工操作, 对于各种现场情况可以随时采取相应的方案处理。综上所述, 本工程基础部分采用人工挖孔桩是较为经济、合理并且可行的方案。
4 单桩承载力的确定
现在有些设计中, 经常对侧摩阻这块不予考虑,只作为安全储备, 这是偏于保守的, 《建筑地基基础设计规范》( GB50007- 2002) 指出, 当桩端嵌入完整的及较完整的硬质岩中时, 单桩竖向承载力才不考虑侧摩阻影响, 所以一般情况下, 侧摩阻力应该考虑。计算侧摩阻时应注意, 对于扩底桩变截面以下不计侧阻力; 对于混凝土护壁的大直径挖孔桩, 计算侧摩阻值时, 其设计桩径取护壁外直径; 而对于杂填土或新近填土, 其侧摩阻计算时要慎重, 对自重固结尚未完成的新近填土、以生活垃圾为主的杂填土及湿陷性黄土等, 不应计算其侧摩阻; 特别是当新近填土层较深及有湿陷性黄土时, 还应考虑负摩阻对极限承载力的不利影响; 当采用砖护壁时, 由于桩身混凝土和土体之间的摩擦力无法有效的传递, 故一般不考虑摩阻力, 只有采用混凝土护壁时,才考虑摩阻力。对于各种情况, 计算时需认真分析, 加以区别,否则计算结果与实际情况会有较大偏差。
本工程中,①层土为松散的杂填土, 不考虑摩阻力, 其它土层可以适当考虑摩阻力, 各土层参数取值应根据地勘报告确定。
本工程采1000 人工挖孔桩, 扩大头直径2500, 持力层为粉质粘土(③) 或粘土(④) , 桩顶标高- 4. 000 m, 桩端进入持力层≥1. 0 m, 桩长取14 m, 采用混凝土护壁 。
单桩竖向承载力特征值可以根据地勘报告按下式估算。
Ra = qpaA p + up ∑ qsia l i = 6555. 3 kN
试桩测得的单桩竖向承载力特征值与计算值较为接近, 可取单桩竖向承载力特征值Ra= 6000 kN。
5 人工挖孔桩的构造
( 1) 人工挖孔桩的配筋率为0. 2% ~ 0. 65%, 由于本工程为重型工业厂房, 荷载较大, 配筋率取大值。
( 2) 配筋长度: 端承桩和位于坡地、岸边的桩应通长配筋, 摩擦桩配筋长度不应小于2/ 3 桩长, 抗拔桩应通长配筋。
( 3) 扩底灌注桩的扩底尺寸应符合下列规定: ①扩底端直径与桩身直径之比D/ d 不应大于3; ②扩底端斜面的斜率应根据实际成孔及土体自立条件确定, 一般可取1/ 4~ 1/ 2;③桩扩底端底面宜呈锅底形, 其锅深可取扩大头直径的0. 15~ 0. 20 倍。
( 4) 桩端全断面进入持力层的深度: 对于粘性土、粉土不宜小于2 d, 砂土不宜小于1. 5 d, 碎石类土不宜小于1 d; 对于嵌岩桩, 一般取0. 5 m。当存在软弱下卧层时, 桩端以下硬持力层厚度不宜小于3 d。
( 5) 人工挖孔桩的桩中心间距: 对排数不少于3排且桩数不少于9 根的摩擦型桩, 桩中心间距不小于2D ( 扩大头直径) 或D+ 2. 0 m( 当D> 2 m) ; 其它情况下桩中心间距不小于1. 5D ( 扩大头直径) 或D+ 1. 5 m( 当D> 2 m) 。
( 6) 桩径≥900 的人工挖孔桩, 成孔深度尽量控制在20 m 以内, 最多不超过30 m; 桩径800 的桩成孔深度应控制在l0 m 以内。最小桩长一般应不小于6 m。
6结语
只要从设计、施工、监理、管理各方面严格控制, 选择合适、稳定的地质构造, 施工过程中严格按照相关要求采取安全措施, 人工挖孔桩的质量和安全是完全有保障的。
参考文献
[ 1] 建筑地基基础设计规范( GB50007- 2002) [ S] . 北京: 中国建筑工业出版社
[ 2] 建筑桩基技术规范( JGJ94- 2008) [ S] . 北京: 中国建筑工业出版社
[ 3] 桩基工程手册[ M] . 北京: 中国建筑工业出版社