淺談樁基礎

在重大公共工程建設及都會區超高層建築中,爲提高基礎承載力及克服結構物產生沉陷,通常基礎之型式考慮採用樁基礎的比例往往就大為提高,尤其近年來較常採用全套管基樁(如照片一所示)來施做。因此,如何選擇合理的樁基礎形式而達到工程整體之安全性就極為重要。以下就幾方面對樁基礎設計中值得注意的考量項目進行探討。

 

照片1  全套管基樁施工狀況

 

一、樁基設計之考量

樁基礎設計流程大致上為(1)先進行地質調查,以確認地層狀況;(2)決定地層參數,以供單樁承載力分析之用;(3)考量上部結構荷重,據以設定基樁之樁徑及樁長;(4)針對地層及施工狀況,考量是否有負摩擦力存在;(5)依據基礎大小,評估群樁效應;(6)由規範規定之安全係數,檢核常時及地震時之單樁承載力。雖然上述考量方式似乎很合理,但隱藏著一些極高度之風險,首先就是地質參數的確定—由於無法密集取得鑽探試體進行相關之岩土力學強度試驗來獲得地層特性參數,因此在工程實務上,對於樁身及樁端之岩土強度大都採用標準貫入試驗N值來評估,惟受現場施鑽機具、人員及品質等的影響,地層分層及N值的獲得常因人而異,以致評估時或多或少會造成困擾。其次就是基樁承載力之評估—基樁承載力係由樁身摩擦及樁端承載所組成,因兩者行為不同,評估時安全係數(或折減因子)之考量便有所差別,惟目前在未完全掌握其各別之能力發揮前,大都將此安全係數視為相同,而此方式或許低估(亦可能高估)各別之阻抗力,致使設計時始終會偏向極保守側。再者就基樁礎之分析公式—由於目前所大都採用來自日本或是歐美規範,國內雖近二十年來施做不少基樁卻也只能印證何種規範(大致上是以日本道路橋示方書)較能符合本地之地層狀況。表1為鑽掘樁較常使用之樁周摩擦阻抗fs之公式,表2即為鑽掘樁較常使用之樁端承載力。

表1  鑽掘樁較常使用之樁周摩擦阻抗fs

A.  日本道路橋示方書
a. 砂性土 : 0.5N(≦20)   t/m2
b. 粘性土 : c 或 N(≦15) t/m2
B.  日本建築基礎構造設計指南
a. 砂性土 : 0.333N      t/m2
C.  日本國鐵建造物設計標準
a. 砂性土 : 0.5N  (≦20,未用穩定液) t/m2
b. 砂性土 : 0.2N    (≦10,用穩定液) t/m2
D.  加拿大基礎工程規範
a. 砂性土 : 0.1N  t/m2
E.  AASHTO
a. 砂性土 : 19.2  t/m2
F.  建築物基礎構造設計規範
a.  N/3(≦15)    t/m2

 

表2  鑽掘樁較常使用之樁端承載力

A.  日本道路橋示方書
a. 砂性土  :  300 t/m2   (N≧30)
b. 黏性土  :  3qu t/m2
c. 卵礫石層 :  750 t/m2 (N ≧ 50)
d. 泥岩、頁岩、粉岩等風化岩 :  3qu ≦ 1200 t/m2
e. 良好砂岩 :  3qu ≦ 1500 t/m2
B.  日本建築基礎構造設計指南
a. 砂性土  :  7.5N t/m2
C.  日本國鐵建造物設計標準
a. 砂質土  :  7N ≦ 350 t/m2
b. 砂礫  :  10N ≦ 750 t/m2
D.  加拿大基礎工程規範
a. 砂性土  :  12N t/m2   
E.  AASHTO
a. 砂性土 : 5.75N  t/m2   (N≦75)
b. 砂性土 : 431  t/m2   (N>75) 
F.  建築物基礎構造設計規範
a. 砂性土 :7.5N   t/m2

 

二、載重試驗的重要性

基於上述,施工前進行基樁載重試驗便有其必要性,一方面不僅可以確認工作樁之實際尺寸於現地地層狀況下之單樁承載力,另一方面又可以檢核設計之合理性。目前試樁以靜載荷試驗(如照片2所示)居多,採用之加載方法亦以反覆加載為主,而目前基樁試驗可分為極限載重試驗及工作載重試驗兩種,其中極限載重試驗係以確認地層之承載是否符合設計需求為主;工作載重試驗則純就確保有足夠之安全係數為主。當單樁載重荷試驗結果符合設計要求時,則表示可依原設計進行施做(亦有可能被要求檢討是否有過份保守之情形),否則就需及時的進行變更設計以因應承載之不足。

照片2  基樁載重試驗

 

對於基樁載重試驗之驗證,摡略舉例說明:(1)若設計時,平時載重為560t,地震時為770t,則反算地層容許支承力分別為1,680t及1,540t,可知為平時載重控制。因此,驗證時即以2倍平時設計載重2×560t=1,120t為試驗值。(2)若設計時,平時載重為490t,地震時為775t,則反算地層容許支承力分別為1,470t及1,550t,可知為地震載重控制。因此,驗證時即以1.33倍地震計載重1.333×775t=1,033t為試驗值。

基樁載重試驗之重要性可由下列兩個問題來說明。(1)設計時,基樁承載力係採用一套經驗參數值例如表1及表2中所列之公式等來評估,若直接引用來計算基樁之承載力,大多會較實際承載力為大(有些相差幅度較大)。因此,在施工前進行基樁載重試驗不僅可以檢核設計與實際間之承載力差異,必要時還可按試樁獲得的實際承載力將原設計估算的承載力略做修正,以符合經濟效益。(2)當現有不均勻地層或空洞等的情況下,不進行試樁將會帶來一些風險。

 

二、樁基設計中樁型、樁長設計的重要性

樁基礎設計中對樁型及樁長的合理選擇均會對基礎設計產生重大的影響,尤其是在群樁效應之考量下,樁基礎之佈設型式便會影響整體基礎之承載力。一般群樁效應之折減係數約在0.75~0.80之間,若基樁太密或受基礎尺寸大小之限制時,其群樁效應之折減係數便會降低約在0.64~0.68之間,因而在提高效率之考量下便會採用梅花樁型之配置,以提高折減係數,例如:單樁樁徑為1.5m,以4×4之群樁基礎配置,樁中心距為3.75m,則其群樁效應之折減係數為0.70,而若改以梅花樁型之配置,則同樣支數之群樁基礎其群樁效應之折減係數為0.77,約提高10﹪左右。

同樣樁基設計中對樁長的決定也至關重要,尤其對於基樁貫入軟岩、硬岩或破碎岩層時更須考量機具之能量及施工性,例如採用全套管基樁(在國內應用極為普遍)機具RKR CORE BARREL下裝設ROOLER BIT雖可在堅硬岩盤施作,然而需注意的是,常常在堅硬之地層施作時,會造成如照片3及4所示之衝錘損壞或套管破壞。因此,對整體基礎設計的合理性、施工可行性與經濟性等仍需多方考慮。

 

照片3 衝錘損壞  

照片4  套管鋼牙破壞

 

三、關於基樁施作時之控制和處理

國內施作基樁之技術已達到一定之水準,惟隨著其廣泛之使用,其樁徑越來越大而樁長也愈來愈長。因此,基樁於施作時,不僅會遭遇不同地層之土壤(或岩石)特性而造成施作精度難以控制,也會因施作時間增長而使得基樁產生瑕疵,甚至發生樁身斷裂而影響到基樁之承載能力。因此,在基樁在施灌完成7日以後均會依規定進行基樁非破壞性檢測來確認基樁之完整性。目前,在低應變試驗法中以錘擊法較常被採用,其鐵錘質量約在0.5~5kg之間,基樁所承受之最大應變約在0.0002%~0.001%之間。另低應變動態試驗方法除珈瑪射線檢層法外,尚有脈波回應(SE)法、脈波反應(IR)法、穩態振動(SSV)法及跨孔音波檢層(CSL)法等。

一般認為基樁在灌注完成後,樁身某一斷面並不連續或出現包泥、蜂窩等則視為斷樁,其中不連續又可分為(1)灌注過程中斷而又接好之基樁,(2)雖然灌注過程連續但樁身斷裂之基樁等兩種情形。因此,斷樁是因樁基之整體受力行為已改變,而形成廢樁。因此,經檢測後基樁若有產生斷樁之現象則需進行補強,以避免基礎承載力不足。對於誘發斷樁的原因大致上有以下幾個方面:

(1)在澆注過程中,特密管埋置深度是一個施工關鍵。當灌注混凝土過程中,特密管埋深過小或高出已灌注之混凝土表面高程,均屬斷樁情形。

(2)特密管埋深過大,且澆注時間過長,導致已灌混凝土流動性降低,而增大混凝土與特密管壁的摩擦力引致特密管破裂而產生斷樁。

(3)混凝土坍度過大產生離析現象,粗骨料相互擠壓阻塞特密管;坍度過小或灌注時間過長,混凝土初凝時間縮短阻塞特密管。此兩種情形都會造成斷樁。

(4)採用反循環工法施作時,在澆注過程中孔壁崩坍;採用全套管工法施作時,因超挖,以致在灌漿時側邊土壤崩落。此類情形所造成之斷樁最為常見。

另外因特密管漏水、鑚孔內水位突然下降、鑚機故障或停電等所造成之施工不連續等因素都可能造成斷樁。

如何預防斷樁之情形發生?除了鑽孔成孔後必須確實清洗鑽孔孔底,以避免孔底存在有淤泥外,於施工過程中尚需注意:(1)混凝土配比之合理性,並嚴格控制塌度。(2)澆注混凝土過程中須要量測特密管之內外混凝土的深度,一般在正常情況下,特密管內外混凝土間的距離於開始施灌時最大,隨後便逐漸縮小至重合。若特密管內外混凝土澆注距離拉大,管內混凝土逐漸上升,是斷樁之前兆,應查明原因儘快處理。(3)澆灌時,要經常將特密管上下移動,並且適度的加入緩凝劑,使澆注過程中混凝土不致凝結。(4)維持樁孔內泥漿(或皂土液)濃度,且其液面原則上需與地面同高,以防止樁孔壁塌孔。(5)特密管應密封完好,並依規範規定須深入混凝土面以下約2.0m,以防止特密管進水。

四、結語

樁基工程是一繁重而複雜的過程,設計時必須考慮到每一個環節,統籌兼顧,從各方面使之合理化。雖然國內有關樁基礎之設計及施工已經達到一定的水準,而所採用的樁徑越來越大、樁長也愈來愈長。因此,實有需要整理歸納出國內適用之基樁評估方法,以使設計更趨經濟合理,而施工工藝也更臻完善。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】


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