破碎基岩地区挖孔桩工作机理测试及设计优化

　　摘 要：为明确破碎基岩地区人工挖孔桩工作机理，选择适宜桩长和桩端持力层，保证施工安全和工期可控，对直径800mm、长18m的人工挖孔桩进行了竖向静载、岩基平板载荷试验和桩身轴力系统测试，获得了破碎基岩地区人工挖孔桩工作机理：18m以上桩长人工挖孔桩为端承摩擦桩，破碎基岩对桩身具有敏感摩阻力，单桩极限承载力超过10400kN，桩身阻力先于桩端支承发挥作用，端承能力占竖向荷载约计40%，桩端设置扩大头不合理。由此，对桩基设计进行了优化，并建议全面、系统、深入理解和应用规范，科学选用破碎或风化岩层为持力层，应用基本原理完善和发展规范。
　　关键词：基岩破碎；人工挖孔桩；系统测试；工作机理；设计优化

　　1 引言
　　现有嵌岩桩基的理论和设计方法[1、2]中，主要针适于完整、较完整基岩。对于破碎基岩地区的桩基设计尚未见相关研究和具体设计方法。
　　济南南依泰山隆起，北临齐河广饶大断裂，总体属古生代地层为主体的发育许多断裂的北倾单斜地质构造。西部有马山断裂、平安店断裂、石马断裂和炒米店断裂，东部有千佛山断裂、文化桥断裂，刘志远断裂、东坞断裂、港沟断裂等，造成多条破碎带。目前济南西部长清大学城和东部的高新区基本居于破碎基岩地区。这里地下水位埋藏深,适于人工挖孔，且对于避免岩石破碎、节理发育桩基机械成孔泥浆护壁跑浆、卡钻有利，多年以来主流高层建筑（高度小于100m）多选用人工挖孔桩基。
　　依据现有桩基理论和设计方法，桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力，由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成[2]。若是破碎基岩,设计人员一般按嵌岩端承桩理念，寻找桩端完整、较完整基岩，以式（1.1）估计基桩承载力特征值Ra[1]。 　　式中：q_pa —— 桩端岩石承载力特征值（kN）。
　　A_P—桩端面积。
　　由于特殊的历史成因和地质构造，完整、较完整中风化岩层往往较薄或埋藏较深，要满足桩端以下三倍桩径且不小于5m范围内应无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布，且在桩底应力扩散范围内应无岩体临空面[1]的要求，可能存在反复下挖现象，且越是找完整、较完整的中风化基岩，越是难以如愿，从而反复下挖，桩长不断加长，有时甚至超过30m。结果不管嵌岩桩的长径比大小，上覆土层性质，一律将嵌岩桩当成端承桩进行设计，或者不适当地增加嵌岩深度或采用桩端扩大头[3]。在桩径已定（多用800mm）施工情况下，无法加大桩径满足桩孔越来越深的安全需要，工期难控。
　　因此，重视并掌握破碎基岩地区桩基工作机理，对于改进地方设计理念，体现桩基真实工作状态具有理论和工程价值。
　　2 工程实例分析
　　2.1 桩基设计情况
　　某项目一期工程共11栋住宅楼，位于济南东部高新区，其中7栋采用人工挖孔桩基础，分别是1#、2#、4#、5#、7#、8#、11#住宅楼。1#、2#、5#住宅楼桩长超过30m，最长35.3m，4#、7#住宅楼桩长接近20m。选择⑥-2中风化角砾状泥灰岩为桩端持力层（地层分布见表1），桩径800mm，桩端进入持力层不小于0.8m，4#、7#楼设桩端扩大头，单桩承载力特征值5200kN，桩身砼强度C30，护壁混凝土强度等级为C30。桩基设计情况见表1。


　　2.2 人工挖孔桩桩基施工专项安全论证
　　根据相关管理规定，人工挖孔桩长超过15m时，为危险性施工较大工程，须进行建筑工程安全专项施工方案论证。结论建议设计院对桩基设计进行调整，目前施工工艺不能保证桩径800mm 、20m以上桩长的桩基施工安全。要么加大桩径，确保超深桩孔施工顺利；要么进行设计优化，缩短桩长或重新布桩。此时，桩孔已全部开挖，下部扩径或重新布桩几无可能，优化和缩短桩长是最佳途径。
　　3 基于规范原则的现场测试
　　3.1 桩基优化的可能性
　　3.1.1 破碎基岩地区超长挖孔桩单桩承载力的确定方法
　　本项目处于破碎基岩，且初步设计30多米的桩长，应按摩擦或端承摩擦桩的设计理念，按大直径桩，根据岩土物理指标与承载力参数按式（3.1）确定单桩承载力[2]。 　　式中：Q_uk-单桩竖向极限承载力标准值；
　　Qsk、 Qpk-分别为总极限侧阻力和总极限端阻力标准值；
　　q_sik-桩侧第i层土极限侧阻力标准值
　　q_pk-桩径800mm极限端阻力标准值，对于干作业成孔（清底干净）可采用深层荷载板试验确定；
　　 、-大直径侧阻、端阻尺寸效应系数。
　　u-桩身周长，当人工挖孔桩桩周护壁为振捣密实的混凝土时，桩身周长可按护壁外直径计算。
　　由于文献^[1、2]没有给定破碎、较破碎基岩的人工挖孔工艺极限侧阻力标准值，且济南没有地方经验，致使设计人员无法按式（3.1）分析，只能参照式（1.1）按端承桩设计，由此又与式（1.1）桩长较短的前提相悖^[1]。
　　3.1.2 准确理解和判断桩端持力层要求
　　本项目中，由于⑤-2中风化白云质灰岩较薄（表1），只好越过⑤-3强风化白云质灰岩和⑥-1强风化角砾状泥灰岩选择⑥-2中风化角砾状泥灰岩。在选择桩型和持力层的分析过程中，把强风化岩看作了软弱夹层，按照式（1.1）不能保证嵌岩端承载能力，因此造成挖孔桩超长^[2]。
　　实际上，挖孔桩自④-1胶结砾岩就可以理解为入岩了，如果将桩设计成摩擦或端承摩擦桩，⑤-1以下都是良好持力层。关键要明确挖孔桩工作机理，并按式（3.1）估计单桩承载力标准值。
　　因此，按基本原则静载试验确定单桩承载力，极限端阻力标准值可通过基岩平板荷载试验确定，极限侧阻力标准值可通过桩身轴力伴随静载实验获得，同时得到该区域挖孔桩侧阻、端阻传递规律，从而明确设计理念，准确计算分析单桩承载力，优化设计是可能的。
　　3.2 试验检测方案
　　为保证挖孔桩基施工可行，安全可控，拟对超长挖孔桩进行优化。目标持力层按⑤-2，基桩入土深度18m左右，考虑岩土工程勘察报告岩土层物理力学参数不理想，建议通过现场测试手段获取桩基设计修正参数，同时也为后期项目积累经验，提供数据，从而实现安全基础上的优化。
　　（1）检测点布置
　　1）地质雷达桩端以下岩层探测，一桩一探，确保无岩溶空洞；



























　　2）岩基荷载板实验[4]，确定桩端阻力，检验校核设计。具体检测布置及结果见表3。
　　3）单桩静载承载力检测，验证优化结果，保证桩基安全。在基岩平板荷载试验中，选择2#楼30号桩、5#楼56号桩进行静载试验。
　　4）桩身轴力、侧阻监测。对静载试验的桩，根据岩土层分布，在桩基相对的两根主筋上安装钢筋计，钢筋计位置见表2。监测加载过程中，对桩身轴力、侧阻变化，测试破碎基岩人工挖孔工艺的轴力、侧阻分布规律，判断挖孔桩工作机理，为后续工程建设桩基设计提供数据和经验。
　　3.3 试验检测结果
　　（1）岩基载荷试验结果