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1、第1 5 卷第1 期 2 0 0 1 年3 月 土工基础 S o i lE n g a n dF o u n d a t i o n V 0 1 1 5N o 1 M a r 2 0 0 1 人工挖孔桩护壁设计及其工程应用 罗章李文兵黎振兹 ( 中南工业大学，长沙4 1 0 0 8 3 ) 摘要本文从建筑施工技术及经济的角度，探讨了人工挖孔桩在城市应用前景；同时，对人工挖 孔桩护壁结构设计进行了一些研究，并在几个实际工程中加以应用，取得了良好的经济效益。 关键词人工挖孔桩，护壁设计，“流砂” 中图法分类号：T U4 7 3文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 3 1 5 2 ( 2 0 0
2、 1 ) 0 1 0 0 4 9 0 4 1 前言 2 0 世纪初，美国便采用边人工挖土边以 木板或圆形钢环支护( c h i c a g om e t h o d ) 或用套 筒式金属壳支护( G O Wm e t h o d ) 的方式成孔 制作承载桩( 墩) 。4 0 年代起，才逐步代入以 机械取土( 抓斗、螺旋钻及循环泥浆出土) ，成 为钻孔桩。人工挖孔桩径一般都在8 0 0 m n l 以上。国内外实践经验及理论拉。已经证 明：当上部结构荷载很大，且场地具有浅部较 好持力层时采用大直径桩是比较经济的。人 工挖孔桩有许多突出的优点：施工设备简单， 易行，无噪音，无震动，对现场周围原有建
3、筑 影响小；施工速度快，可按施工进度要求决定 同时挖桩孔的数量；可直接观察地质变化情 况，桩底沉渣易于消除，施工质量可靠，造价 低。特别是大直径的混凝土灌注桩，使用人 工挖孔比机械成孔的适应性要广得多，它不 仅适用于山区丘陵土质等比较坚硬，地形地 貌变化较大的地区，也可应用于软土地基。 2 人工挖孔桩护壁对承载力的 贡献 目前，国内外桩基应用存在的主要问题 收稿日期：1 9 9 9 1 2 0 9 是对发挥承载力研究不够，这一点在挖孔桩 ( 包括本文研究的护壁) 中表现得尤为突出。 本节研究护壁在桩的承载能力中的潜在贡献 问题，先参看表1 。从表1 我们不难发现 表1 挖孔桩桩身护壁混凝土工程
4、量及其比较 桩径黧耋慧萎篓譬蓑篓器。桩嚣壁， r a m ，m 3，m 3，m 3混凝土混凝土 注：平均桩长= 1 5m ，护壁厚按0 1 D + 5c m 设计。 随着桩径的增大，护壁混凝土工程量绝 对数量在迅速增加，在桩身混凝土总量中比 例占1 3 以上，目前绝大多数的设计对护壁 在人工挖孔桩中对桩体承载力的贡献研究不 够，其主要原因固然在于迄今对挖孔桩的研 究尚欠透彻。护壁虽然主要是为浇筑桩身钢 筋混凝土而设，但它客观上竖直方向承担了 传递了三分之一左右的荷载，因此不能忽略 护壁对桩体承载能力潜在的贡献。 万方数据 5 0 土工基础 2 0 0 1 盔 近十余年来，我国武汉、成都等地将人
5、工 挖孔桩设计成空心桩，如图1 所示u 3 4 1 所示， 在世界上是首创。与实心桩相比，节省混凝 土量超过5 0 ，同时，桩心可以用来存放部 分废土( 但空心挖孔桩一般仅适用于地下水 位低于桩底标高的情况) 。当然我们还不能 说空心挖孔桩实际上就是只有护壁，没有桩 身的人工挖孔桩。此外，这种桩型应用于超 高层建筑，尚有许多技术问题需要处理。但 这也从一个侧面说明了挖孔桩护壁对桩体承 载能力的潜在贡献。同时也说明护壁设计确 实存在着巨大的研究空间和经济价值。 图1 空心挖孔桩 ( a ) 竹节式；( b ) 直壁式 3 护壁对桩孔侧壁稳定的贡献 人工挖孔桩的构造如图2 所示。该类桩 一般都设计
6、有桩帽，护壁，地梁及桩端扩大 头，这些结构对于发挥桩土之间，护壁与桩身 及与周围土体之间的共同作用是有利的。为 了保证人工掘孔施工顺利进行，首先要求护 壁结构的强度足以防止土体坍塌。关于支护 的方法有很多，本文主要研究现浇混凝土护 壁。 、 首先要求护壁混凝土强度大于周围土体 对护壁产生的侧压力。根据库伦土压力理 一哩0 弋7 厂一 卜 _ l f? I 萋 厶 I 2 3 、一 2 葛 ； 1 ， l o 8 譬 骡 弓 V 斗 上乳。萋 J 一 I I 持力岩 J， 一 |、 量rI 。J b D 8I，L 1 D l ”l 1 图2 挖孔桩构造图 1 一护壁；2 一主筋；3 一箍筋； 4
7、 - 一地梁；5 一桩帽 层 论，不考虑土的粘聚力，按无粘性土计算，这 样计算的土压力值偏大，偏于安全。为简化 计算，不妨假定地下水的影响与土的粘聚力 相互抵消，得静土压力计算图式如图3 所示。 护壁上土侧向压力为 P 0 = K o 口。= K o7 Z ( 1 ) 式中：) ，为土的重度；K o 为静止土压力系 数，= 产( 1 一产) ，p 为土的泊松比，可由 实验条件确定。 静止土压力系数凰与土的种类有关， 而同一种土的蜀还与孔隙比，含水量，加压 条件，压缩程度有关。也可根据半径验公式： K o = 1 一s i n e ( 2 ) 式中：曲为土的内摩擦角。 常见的静止土压力系数经验值
8、如表 万方数据 第1 期罗章等：人工挖孔桩护壁设计及其工程应用 5 1 2 所示。 图3 静土压力计算图式 表2 g o 的经验值 土的种类和状态岛 碎石土 砂土 粉土 粉质粘土：坚硬状态 可塑状态 软塑及流塑状态 粘土：坚硬状态 可塑状态 软塑及流塑状态 0 1 8 O 2 5 0 2 5 O 3 3 O 3 3 O 3 3 0 4 3 O 5 3 O 3 3 O 5 3 0 7 2 静止土压力按三角形分布：故静止土压 力合力为： E o = 7 2 2 9 0 2 ( 3 ) 以海口市鸿扬大厦( 地下1 层，地上2 8 层) 为例，说明一下实际人工挖孔桩护壁施工 情况。该大厦工程用2 1
9、6 根护坡桩及7 6 根 工程桩均采用人工挖孔桩，其中护坡桩直径 为1m ，工程桩直径为1 2m 一3 5m 不等。 该工地地面下0 5m 即见地下水，属典型的 软土地基。原设计护壁厚度为： T = 0 1 D + 5c m( 4 ) 式中：丁为护壁厚度；D 为桩径。 护壁混凝土标号为C 2 0 ，护壁内等距放 置8 根直径为8m l n 长1m 的直钢筋，插入下 层护壁内，使上下护壁钢筋拉结。这个设计， 从安全的角度而言自是没有问题，许多文献 2 ，5 都如此推荐的。但是，这样设计从经济 角度而言合理吗? 是否必要? 根据该施工场地的地质勘察报告研究分 析之后发现，该地基“流砂”层及淤泥层位
10、于 8 0 0m 一1 2 0 0m 这一区域。该施工场地 地基土压力计算如下： 用 K o = 0 7 ，y = 2 0 5 1 0 4N m 3 。 代入式( 1 ) ，有 1 “ 7 1 7 5k P a 2 0 ) 养护1 d ，抗压强度即超过1M P a 。显然护壁混凝土 强度是足够的。考虑到该工程第一层为地下 室，这一段护壁混凝土待桩基混凝土浇捣完 之后，基坑土方开挖时仍要去掉，实际施工时 工程桩护壁在0 0m 一5 0m 段混凝土中 不设钢筋。标号不变，仍为C 2 0 。一5 0 0m 以下仍按原设计钢筋量施工。护壁混凝土厚 度则作了如下调整： 一 f 0 1 D + 5c m
11、DE - 1 0 8m ，1 5m J 爿p 21 2 0c m D 1 5m ( 5 ) 式中：以为护壁混凝土设计厚度；D 为桩 径。 按式( 5 ) 设计的护壁厚度，根据2 9 2 根桩 护壁的施工实践证明是完全可行的，无一出 现护壁因周围土侧压力作用而坍塌事故。仅 此一项节约了混凝土量超过5 0 0m 3 ，同时，桩 心取土及余土外运亦相应减少，经济效益十 分可观。 4 施工过程中对“流砂“ 及坍塌 处理 人工挖孔桩在开挖过程中，地表以下的 土层受到渗透力作用。对砂性土而言，当地 万方数据 5 2 土工 基础 2 0 0 1 钲 下水的水力坡度增大到某一程度时，砂土便 会悬浮流动( 流砂
12、) 现象。 应加强预防措施防止护壁失稳，施工之 前，应先仔细分析施工场地地质勘察报告，制 定切合实际的施工方法。如查明地下水较 大，则应采用井点降水，降低地下水至工作面 以下。遇暴雨天，应停止施工，加盖井口；同 时，进行井点降水。将地下水位降至可能产 生“流砂”的地层以下，或将水力坡度降至临 界水力坡度以下。其次，过重物及井口积土 应及时清运。孑L 口周围必须设置护栏围护。 当护壁或孔壁出现失稳险情时应及时处理。 “流砂”如不太严重，可以用稻草扎成一 个个小草把，塞于井下“流砂”区。并浇捣钢 筋混凝土沉井等作为护壁，待穿过“流砂”层 后，再按一般方法施工。通过在衡阳，长沙， 海口三地的施工实践
13、证实：在出现井下“流 砂”之初期，迅速投入更多的人力及降水机 具。加快施工速度，还可以在护壁混凝土中 加快凝早强添加剂。这一方法，无论从经济、 施工进度还是处理效果而言都不失为最佳选 择。 5 结语 桩基承载力使用不足是国内外桩基应用 中目前存在的主要问题，这一点在人工挖孔 桩中表现更加突出。研究人工挖孔桩护壁结 构设计，从经济效益及建筑施工技术角度而 言都是十分有价值和必要的。 参考文献 1 宰金珉，宰金璋高层建筑基础分析设计 M 北京中 国建筑工业出版社，1 9 9 3 2 饶勃主编施工技术 M 中国建材工业出版社，1 9 9 2 3 陈德文竹节式空心挖孔灌注桩 c 全国地基基础新 技术学
14、术会议论文集南京，1 9 8 9 4 刘昭远，吴伟逸浅说大直径人工挖孔桩的设计与施工 C 桩基技术新进展学术讨论会论文集宁波，1 9 9 1 5 谢尊渊，方先和建筑施工 M 中国建筑工业出版社， 1 9 8 6 T h eD e s i g na n dA p p l i c a t i o no fH a n d d u g C a s t i n s i t uP i l ei nC o n s t r u c t i o n L u oZ h a n gL iW e n b i n L iZ h e n g c i ( C e n t r a lS o u t hU n i v e r
15、s i t yo fT e c h n o l o g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ) A b s t r a c tF r o mt h ev i e w p o i n to fe f f e c t i v e n e s sa n de c o n o m y ，t h ep r o s p e c to fh a n d - d u gc a s t i n s i r ep i l ei nh i g h - r i s ec o n s t r u c t i o ni sd i s c u s s e d S o m ei m p r o v e
16、 m e n t sh a sb e e ns u g g e s t e di nb r a c i n gw o r ko fh a n d - d u gc a s t i ns i t up i l ed e s i g ni sp r o p o s e d S e v e r a lp r a c t i c a le n g i n e e r i n ge x a m p l e sa r ep o i n t e do u ti nt h i sp a p e r K e yw o r d sh a n d - d u gc a s t - i n s i t up i l e ，b r a c i n gw o r k ，“q u i c k s a n d ” 万方数据