CN103452145A - 灰土桩及桩端土极限端阻力、桩周土极限侧阻力 - Google Patents

Abstract

灰土桩桩端土的极限端阻力标准值、桩周土极限侧阻力标准值与现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的5.3.5和5.3.6条款混凝土灌注桩的桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kp)相同，用压缩性指标压缩模量Es确定的承载力最接近真实承载力，这一理论是对目前有关《规范》理论的重大突破，使用该发明设计出的灰土桩将比1998年前桩端面积缩小0.537倍，该发明灰土桩桩体施工去除人为因素使用现代高科技手段实现，筏板间加设防滑层的思想减震抗震事半功倍，灰土能避免水对承载力的影响，灰土桩基础将使我国黄淮以北地下水位较深的湿陷性黄土地区在深基础工程中选择基础形式时更加科学主动。

Description

灰土桩及桩端土极限端阻力、桩周土极限侧阻力

 1、背景技术

1.1、现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的5.3.5、5.3.6极限端阻力标准值q_pk(kpa)、极限侧阻力标准值q_sik(kp)。 

5.3.5当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按下式估算： 

Q_uk＝Q_sk+Q_pk＝u∑q_sikI_i+q_pkA_p    (5.3.5) 

式中q_sik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验时，可按表5.3.5-1取值； 

q_pk——极限端阻力标准值，如无当地经验时，可按表5.3.5-2取值。 

表5.3.5-1桩的极限侧阻力标准值q_sik(kPa) 

(此表删除了《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008表5.3.5-2桩的极限端阻力标准值q_pk(kpa)中的混凝土预制桩、泥浆护壁钻(冲)孔桩的两个与本发明无关的内容。表5.3.5-1格式同) 

注：1对于尚未完成自重固结的填土和以生活垃圾为主的杂填土，不计算其侧阻力； 

2α_W为含水量比，α_W＝w/w_L，w为土的天然含水量，w_L为土的液限； 

3N为标准贯入击数；N63.5为重型圆锥动力触探击数； 

4全风化、强风化软质岩和全风化、强风化硬质岩系指其母岩分别为f_rk≤15MPa、f_rk＞30MPa的岩石。 

表5.3.5-2桩的极限端阻力标准值q_pk(kPa) 

注：1砂土和碎石类土中桩的极限端阻力值，宜综合考虑土的密度，桩端进入持力层的深径h_b/d，土愈密实，h_b/d，愈大，取值愈高； 

2预制桩的岩石极限端阻力指桩端支承于中、微风化基岩表面或进入强风化岩、软质岩一定深度条件下极限端阻力； 

3全风化、强风化软质岩和全风化、强风化硬质岩系指其母岩分别为f_rk≤15MPa、f_rk ＞30MPa的岩石。 

5.3.6根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，确定大直径桩单桩极限承载力标准值时，可按下式计算： 

Q_uk＝Q_sk+Q_pk＝u∑ψ_siq_sikI_i+ψ_pq_pkA_p    (5.3.6) 

式中q_sik——桩侧第i层土极限侧阻力标准值，如无当地经验值时，可按本规范表5.3.5-1取值，对于扩底桩变截面以上2d长度范围不计侧阻力； 

q_pk——桩径为800mm的极限端阻力标准值，对于干作业挖孔(清底干净)可采用深层载荷板试验确定；当不能进行深层载荷板试验时，可按表5.3.6-1取值； 

ψ_si、ψ_p——大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数，按表5.3.6-2取值。 

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。 

表5.3.6-1干作业挖孔桩(清底干净，D＝800mm)极限端阻力标准值q_pk(KPa) 

注：1当桩进入持力层的深度h_b分别为：h_b≤D，D＜h_b≤4D，h_b＞4D时，q_pk可相应取低、中、高值。 

2砂土密实度可根据标贯击数判定，N≤10为松散，10＜N≤15为稍密，15＜N≤30为 中密，N＞30为密实。 

3当桩的长径比1/d≤8时，q_pk宜取较低值。 

4当对沉降要求不严时，q_pk可取高值。 

表5.3.6-2大直径灌注桩侧阻力尺寸效应系数ψ_si端阻力尺寸效应系数ψ_p

土类型	黏性土、粉土	砂土、碎石类土
			ψsi	(0.8/d)1/5	(0.8/d)1/3
ψp	(0.8/D)1/4	(0.8/D)1/3

注：当为等直径桩时，表中D＝d。 

1.2、混凝土灌注桩与灰土桩的技术与应用现状 

1.2.1、混凝土灌注桩与灰土桩的异同 

1.2.1.1、同 

受力原理相同：都是在井桶中填料形成传导荷载的桩体后依靠桩端土的端阻力和桩周土的侧阻力共同抬桩的桩基础。 

1.2.1.2、异 

1.2.1.2.1、桩体材料不同：混凝土桩的材料为水泥、砂子、石子用水拌合成流动状态的混合体。灰土桩的桩体材料为就地掘出的素土与消石灰按照37或28体积比在最优含水量时的拌合体。 

1.2.1.2.2、施工方法程序不同：混凝土桩是砂石水泥水搅拌后流塑状态下经过浇灌而成的桩体。灰土桩是素土消石灰拌和后经过分层击实而成的桩体。 

1.2.1.2.3、桩体材料的含水量不同。混凝土桩浇筑时的含水量大约是水泥重量的0.4-0.6倍，灰土桩分层击实时的含水量一般小于或等于桩周土含水量。由于桩体材料的含水量不同。桩体材料对桩周土、桩端土的承载力产生的影响不同。 

1.2.1.2.4、从桩体达到设计强度的时间讲：桩体随着时间固结达到最终硬度的原理时间不同。混凝土龄期28天可达到设计强度。灰土的抗压强度随着时间的延续在逐渐变硬，达到最终强度的时间较长，有资料表明90天龄期的灰土强度是30天龄期灰土强度的1.6-2.0倍。灰土龄期28天固结强度只可达到实际最终强度的60-70％左右，即灰土龄期28天后静载荷试验上部荷载传入桩端土时的沉降变形量 中含有灰土本身30-40％未达到最终强度正在发生的沉降变形量。这是灰土桩与混凝土桩龄期28天后进行静载荷试验的不同。 

1.2.1.2.5、从外因对沉降变形的影响讲：由于混凝土灌注桩里的水渗入桩周土和桩端土，致桩周土侧阻力很低可以不计或桩端土承载力降低，混凝土灌注桩的沉降变形是由压缩变形、湿陷变形共同组成的。而灰土桩可保持地基土原有含水量稳定不变，由于湿陷条件不足，不会发生由于施工原因引起的湿陷变形，桩端土的承载力与施工加载前相同。灰土桩不会发生湿陷变形，灰土桩的沉降变形只发生加载后在桩端土含水量承载力稳定前题下不可避免的压缩变形即静态变形，不发生由于外因即含水量变化引起的动态变形(湿陷变形和部分压缩变形)。 

1.3、客观指出存在的缺点： 

由于没有将灰土桩基础形式写进现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008。目前地基基础设计中存在以下问题。 

1.3.1、由于灰土桩基础形式没有写入《建筑桩基技术规范》，灰土桩的极限端阻力标准值q_pk(kPa)、极限侧阻力标准值q_sik(kPa)理论呈现空白，目前存在湿陷性黄土地区建筑深基础工程中选择基础形式脱离实际技术工作失去意义或者舍近求远舍优求略陷于被动。 

灰土在宝鸡从秦开始一直应用至今，但灰土理论的研究才刚刚开始，1998年以前宝鸡市七层以下建筑物都采用灰土桩基础，，地质勘察报告为桩端设计只提供桩端对应地层的承载力基本值，宝鸡地区黄土层承载力基本值f₀一般为100-180kpa；还给出灰土与桩周土的侧阻力，一般为13-16.0kpa；这个侧阻力是1987年6月陕西省建设厅颁布的《灰土井桩设计与施工规程》(DBJ-3-87)提供的，目前此《规程》已经停用。这样基础设计时算出的桩径太大，直径达1.2-1.8米，有些建筑物由于基础设计时桩端土承载力不足，只能改变基础形式将灰土桩变为混凝土灌注桩，或者加深桩端埋深另选持力层，这样不光增加了基础工程造价，也失去了技术工作意义。由于工期质检检测承载力不足缺乏理论质量控制诸多方面原因，1998年后在宝鸡市灰土桩基础停用。但在黄土层比较厚桩端土为湿陷性黄土时，混凝土桩不光造价高，更重要的是存在混凝土桩里的水引起桩周土或桩端土湿陷的技术问题。某小学三层教学楼，由于建筑场地处在II级自重湿陷性 黄土地区，湿陷深度13.0m。为了消除地基土的湿陷性，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)6.1.5条2款，大开挖大约9.0m后加2.5m灰土垫层处理，一个三层教学楼这样处理基础工程量太大，造价太高，这个工程能不能在基础形式上采用桩基础，把桩端置于自重湿陷性黄土层之下，在桩的类型上选择灰土桩，因为混凝土灌注桩基础存在负侧阻力。宝鸡某厂家属楼地面向下至12.0米为湿陷性黄土层，12.0米以下为密实的卵石层。设计时采用混凝土灌注桩，将桩端置于7.0-8.0米的湿陷性黄土层上，桩端土承载力采用了《建筑桩基技术规范》表5.3.6-1干作业挖孔桩极限端阻力标准值q_pk(kpa)取1800kpa，侧阻力采用了《建筑桩基技术规范》表5.3.5-1干作业钻孔桩的桩极限侧阻力标准值q_pk(kpa)，这一将混凝土桩在黄土层上的设计引发了我对将混凝土桩变为灰土桩时的思考。灰土挤密桩是处理浅层地基的，有些地区高层建筑大部分需要深层地基的处理，某高层建筑18.0m以下是卵石层，卵石层以上是土，机械施工时边加水边施工，加水后卵石层以上桩间土不但对筏板没有承载力，反倒因为饱和变成18.0m以下卵石层的荷载，这种场地能不能采用灰土桩？某县城8.0m以下就是很密实半成岩状态的土，做灰土桩基础很好，但由于灰土桩没有《规范》理论只能搞混凝土灌注桩。宝鸡宝成仪表厂多层家属楼采用的都是深8.0-9.0m左右卵石层上面桩径0.80m的灰土桩基础，这个实践告诉我们：桩体只是荷载的传导。同样的地层，灰土桩的桩端土承载力到底是多少？ 

1998年以前宝鸡市黄土层上七层以下建筑都采用灰土桩基础，由于灰土桩桩端土的端阻力没有规范理论，当时灰土的桩端土承载力是使用《湿陷性黄土地区建筑规范》查出的承载力基本值f₀设计时再做深宽修正。。1998年前灰土桩举例：宝鸡地区黄土层承载力特征值一般为100.00-180.00kpa，一般取f_a＝140kpa，灰土与桩周土的侧阻力，一般为侧阻力基本值f_v13-16.0kpa；再经《湿陷性黄土地区建筑规范》f_a＝f₀+η_b(b-3.0)+η_dγ_m(d-1.5)修正，f_a＝140kpa，桩长10.0m时桩端土承载力设计值f_a＝f_ak+η_b(b-3.0)+η_dγ_m(d-1.5)＝140.00+0+1.10×18.0×(10.0-1.5)＝308.30kpa。假设桩径是0.80m，侧阻力基本值f_v的中间值取14.50kpa，侧阻力Q_sk＝u∑f_vih_i＝2×3.14×0.40×14.50×10.0＝364.24kpa(本计算依据陕西省《灰土井桩设计与施工规程》(DBJ-3-87))。这样算出的灰土桩桩径太大，直径达 1.2-1.8米。甚至使有些建筑物由于承载力不足改变基础方案。 

1.3.2、湿陷性黄土地区混凝土桩里的水渗入桩周土、桩端土，降低了桩周土、桩端土的承载力；加大了桩周土、桩端土的湿陷变形、压缩变形。 

1.3.3、混凝土灌注桩顶部大都钢筋生根，上下结构一体，地震发生时水平推力无处释放，下面推着上面动。5.12大地震发生后，在宝鸡这一现象很显然。 

1.3.4、和灰土桩相比，混凝土桩的造价高。 

1.3.5、自重大：素混凝土22.0-24.0(NK/M3)，钢筋混凝土24.0-25.0(NK/M3)。灰土18.0-19.0(NK/M3)。 

1.3.6、环境干扰：混凝土桩施工把挖出的桩井掘土拉出去，把拌合混凝土的水泥砂石拉进来，采购砂石增加了造价，掘土砂石运输干扰了城市环境。 

1.4、申请灰土桩极限端阻力标准值极限侧阻力标准值及灰土桩基础形式发明专利的意义 

灰土桩缺少《规范》理论和灰土是土的认识是目前灰土桩难以推广难以操作的技术障碍。发明者认为：推广灰土桩，不单是造价问题，更重要的是填补学术空白实现学术价值实现技术工作意义落实技术工作责任推动生产力进步落实科学发展的问题，是很多湿陷性黄土地区在选择基础形式时面能不能更宽在工程技术选择上能不能更加科学主动的问题。如果本发明能够得到国家专利保护，我国黄淮以北地区地下水位较深湿陷性黄土分布较广厚度较大的黄土地区在深基础工程中将更加主动科学。 

2、发明内容：

2.1、要解决的技术问题(发明目的) 

2.1.1、灰土桩桩端土的极限端阻力标准值q_pk(kpa)。桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kp) 

灰土桩桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kp)与现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的5.3.5和5.3.6条款桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、桩周土极限侧阻力标 准值q_sik(kp)相同。灰土桩桩端土极限端阻力、桩周土极限侧阻力执行现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的5.3.5和5.3.6条款混凝土灌注桩桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kp)。 

2.1.2、承载力的实质就是地基土产生破坏时发生沉降量对应的上部荷载。使用压缩性指标压缩模量Es确定桩端土极限端阻力标准值q_pk(kPa)、桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kPa)。 

当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按下式估算： 

Q_uk＝Q_sk+Q_pk＝u∑q_sikI_i+q_pkA_p    (5.3.5) 

式中q_sik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验时，可按表2取值； 

q_pk——极限端阻力标准值，如无当地经验时，可按表1取值。 

表1灰土桩的极限侧阻力标准值q_sik(kPa) 

注：1对于尚未完成自重固结的填土和以生活垃圾为主的杂填土，不计算其侧阻力； 

2α_W为含水量比，α_W＝w/w_L，w为土的天然含水量，w_L为土的液限； 

3N为标准贯入击数N63.5为重型圆锥动力触探击数； 

4全风化、强风化软质岩和全风化、强风化硬质岩系指其母岩分别为f_rk≤15MPa、f_rk＞30MPa的岩石。 

表2灰土桩的极限端阻力标准值q_pk(kPa) 

注：1砂土和碎石类土中桩的极限端阻力值，宜综合考虑土的密度，桩端进入持力层的深径h_b/d，土愈密实，h_b/d，愈大，取值愈高； 

2预制桩的岩石极限端阻力指桩端支承于中、微风化基岩表面或进入强风化岩、软质岩一定深度条件下极限端阻力； 

3全风化、强风化软质岩和全风化、强风化硬质岩系指其母岩分别为f_rk≤15MPa、f_rk ＞30MPa的岩石。 

5.3.6根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，确定大直径桩单桩极限承载力标准值时，可按下式计算： 

Q_uk＝Q_sk+Q_pk＝u∑ψ_siq_sikI_i+ψ_pq_pkA_p    (5.3.6) 

式中q_sik——桩侧第i层土极限侧阻力标准值，如无当地经验值时，可按本规范表5.3.5-1取值，对于扩底桩变截面以上2d长度范围不计侧阻力； 

q_pk——桩径为800mm的极限端阻力标准值，对于干作业挖孔(清底干净)可采用深层载荷板试验确定；当不能进行深层载荷板试验时，可按表5.3.6-1取值； 

ψ_si、ψ_p——大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数，按表5.3.6-2取值。 

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。 

表3干作业灰土挖孔桩(清底干净，D＝800mm) 

极限端阻力标准值q_pk(KPa) 

注：1当桩进入持力层的深度h_b分别为：h_b≤D，D＜h_b≤4D，h_b＞4D时，q_pk可相应取低、中、高值。 

2砂土密实度可根据标贯击数判定，N≤10为松散，10＜N≤15为稍密，15＜N≤30为中密，N＞30为密实。 

3当桩的长径比1/d≤8时，q_pk宜取较低值。 

4当对沉降要求不严时，q_pk可取高值。 

表5.3.6-2大直径灌注桩侧阻力尺寸效应系数ψ_si端阻力尺寸效应系数ψ_p

土类型	黏性土、粉土	砂土、碎石类土
			ψsi	(0.8/d)1/5	(0.8/d)1/3
ψp	(0.8/D)1/4	(0.8/D)1/3

注：当为等直径桩时，表中D＝d。 

2.1.3、灰土桩基础形式。 

发明人要求对灰土桩基础形式作以保护，为的是灰土桩基础形式在承载力理论施工过程质量控制管理上始终处于行业学术尖端地位，由于勘察设计技术工作的特殊性，如果仅对发明人引入《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008发明技术专利的灰土桩做以保护，就会使过去很多不规范的灰土桩技术重新使用，使灰土桩施工秩序质量陷于混乱。使本发明专利难以保护。 

2.1.4、从地基基础上防震抗震主动科学事半功倍。灰土桩基础灰土和筏板上下两张皮，地震发生时地基的晃动可能产生筏板水平的位移，但对建筑物上部结构不会产生过大的影响。根据这一原理，我提出了按照建筑物重要程度，在混凝土桩筏基础的筏板上再做一个或多个筏板的发明。能够上下做两个或多个筏板，在两个筏板间用300-500厚的砂石垫层或其他物质在地基与基础间客观形成一个上下间可以水平滑动可以削减地震水平推力的分离层滑动面减震层的发明。使地震波的传播如陷泥潭，加能无力。 

2.1.5、本发明要求灰土施工材料均匀化施工手段机械化施工调控程序化施工过程科学化施工运转高效化施工质量规范化。从灰土搅拌灰土击实施工全过程进行高科技系统设计。施工全过程使用机械化施工程序由地面高科技手段操作调控监督。这一施工系统需要保护。 

2.2、解决问题的技术方案要点。 

2.2.1、研究桩基础要把传导荷载的桩体与承桩的土分开。桩端 土的承载力大小只与桩端土层的土性和密实程度有关，与桩体材料无关，桩体只是荷载的传导，真正受力的是抬桩的土。同一桩端土的端阻力是一个定值。这是发明人的理论建树。混凝土灌注桩基础及理论已应用多年，经过大量工程检验，《建筑桩基技术规范》理论已经成熟，按照发明人的理论建树，灰土桩桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kpa)与《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008相同。混凝土灌注桩桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kpa)的解释权在《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008。我的这一发明发现解决了桩端土没有理论及承载力偏低桩径过大的问题。以1998年宝鸡灰土桩为例：宝鸡地区黄土层承载力特征值一般为100.00-180.00kpa，再经《湿陷性黄土地区建筑规范》f_a＝f_ak+η_b(b-3.0)+η_dγ_m(d-1.5)修正，f_a＝140kpa(100.00、180.00的中间值)，1998年前桩长d＝10.0m时桩端土承载力设计值f_a＝308.30kpa。假设桩径是0.80m，侧阻力的中间值取14.50kpa，侧阻力Q_sk＝u∑f_vih_i＝2×3.14×0.40×14.50×10.0＝364.24kpa(陕西《灰土井桩设计与施工规程》(DBJ-3-87))。如果用《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008表5.3.6-1干作业挖孔桩(D＝800mm)极限端阻力标准值q_pk(kpa)查桩长d＝10.0m，0.25≤I_L≤0.75(软塑)时为800-1800kpa、0≤I_L≤0.25(可塑)时为1800-2400kpa、(800、1800、2400三个值的平均极限承载力为1333.33kpa。换算为承载力特征值1333.33kpa/2＝666.67kpa，按照现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008表5.3.6-1干作业挖孔桩(D＝800mm)极限端阻力标准值qpk(kpa)查出的承载力高出1998年设计承载力666.67-308.30＝358.37kpa，是1998年理论计算值的666.67/308.30＝2.16倍，桩长同样是d＝10.0m的桩，承载力来源的理论依据不同，得到承载力的数值不同，假如不考虑侧阻力，单桩承载力是个定值，在假如按照今天发明人发明与《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008相同理论设计出的灰土桩桩端面积是1.0反推，1998年前桩端面积则为用发明人的发明技术设计出桩端面积的2.16倍。换言之，如果1998年灰土桩桩端面积为1.00m²时，用发明人的发明专利设计出的灰土桩桩端面积只需0.463m²。本说明书用了大量的篇幅说明混凝土里水减少了桩周土桩端土的承载力，干作业灰土挖孔桩 (D＝800mm)，可塑-软塑侧阻力的中间值53kpa，侧阻力

变为承载力特征值时1331.36kpa/2＝665.68kpa，混凝土桩的桩周侧阻力存在争议，灰土桩的侧阻力在保证桩周挤紧的情况下侧阻力没有争议，换言之，上部荷载相同时，与混凝土桩相比，因为灰土桩的侧阻力稍大，桩径还将更小。 

2.2.2、承载力的实质就是地基土产生破坏发生沉降量对应的上部荷载。桩端土为粘性土时桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kpa)，极限端阻力标准值q_pk(kPa)、本发明直接使用土的压缩性指标压缩模量E_S(MPa)确定。地基土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、极限侧阻力标准值q_sik(kPa)与现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008相同，从土工试验表Es_1-2，Es_2-3，Es_3-4，Es_4-5，Es_4-5，Es_5-6的变化趋势可以看出，随着加压荷载值的增大压缩模量越来越大，因为土样越压越密实，压缩模量相同时，加压的起始压力值越小，土性越密实，起始压力值越大，土性越疏松，垂直压力增量Δp＝P_i+1-P_i，按照压缩模量E_S(MPa)确定极限端阻力标准值q_pk(kPa)、极限侧阻力标准值q_sik(kPa)时，要选择对应于P_i+1小于或等于实际基底压力的压缩模量。这样确定的承载力就偏于安全。例如：基底压力P＝350kpa时，用Es_2-3，基底压力P＝400kpa，用Es_3-4。查极限端阻力标准值q_pk(kPa)、极限侧阻力标准值q_sik(kPa)表时的压缩模量Es要按实际基底压力选择，不做Es_1-2，Es_2-3，Es_3-4，Es_4-5，Es_4-5，Es_5-6的区间规定。此表的极限端阻力标准值q_pk(kPa)、极限侧阻力标准值q_sik(kPa)来源于《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008，压缩模量Es是根据《工程地质手册》(第四版)和实际工作资料一般粘性压缩模量Es按3.00-15.00(Mpa)编制的。发明者认为，压缩模量直接的反映了承载力的大小，用压缩模量E_S(MPa)的趋势控制承载力应该是目前最为接近真实承载力的。不管是压缩模量E_S(MPa)还是内聚力c(kPa)、摩擦角Φ(°)在本灰土桩桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kpa)发明中都反应了地基土的密实程度和压缩性的趋势，应该是大体一致的。但内聚力c(kPa)、摩擦角Φ(°)两个指标实际工作中不好列表，所以本灰土桩桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kpa)发明仍然采用压缩 模量E_S(MPa)，可以认为压缩模量E_S(MPa)反映承载力比液性指数I_L更进一步，比较真实的反应了地基土的密实程度和地基土受到压缩时的变形程度。更加接近真实承载力。由于土性的具体性。目前的研究表明压缩模量和承载力之间还没有直接的公式关系。 

2.2.3、灰土桩基础形式的发明。目前在宝鸡陕西全国灰土桩已经停用。本发明是在全国灰土桩停用灰土桩没有理论的情况下的灰土桩和灰土桩理论的发明发现。桩端土承载力是一个定值，在具有定值的桩端土上什么桩都可以座，本发明发明的是灰土桩基础形式。1987年6月陕西省建设厅颁布的《灰土井桩设计与施工规程》(DBJ-3-87)规程的承载力值太低，目前全国还没有灰土桩基础的理论和《规范》。本发明专利技术停止使用人工击实，施工全过程采用高科技机械施工手段保证施工质量效率。从《规范》理论到施工过程施工方式质量控制都与传统灰土井桩施工不同。专利保护的目的是为了科学技术的先进性。要保持灰土桩基础形式技术的先进性。就必须使灰土桩基础形式责任落实到人，只有这样才能保护好这个专利，才能使这个专利技术更好地为经济建设服务。灰土在中国已有两千多年历史，灰土的施工与技术是历史过程形成的，而灰土桩基础形式也只能在目前灰土最新技术条件下应用。灰土的强度是灰土桩能不能推广的主要学术问题。3：7灰土28天龄期的抗压强度f约为0.5-1.0Mpa即500-1000kpa①，宝鸡地区过去大量的工程实践经验证明，灰土桩是安全可行的。在目前小城镇建设中，多层建筑采用灰土桩基础时石灰与素土的体积比“37可以变28”。 

2.2.4、混凝土灌注桩顶部大都钢筋生根，上下结构一体，地震发生时地震波对地基的水平推力无处释放，下面推着上面动。有一个中学物理实验，一个纸板上面放着一个物体或者杯子，当抽动纸板时，纸板上的物体或者杯子原地不动，这就是惯性原理。地震时基础以上建筑物相当于物理实验的重物，基础以下的地基相当于物理实验抽动的纸板，纸板和杯子分开时，物体或者杯子原地不动，如果纸板与杯子是粘紧的，则抽动纸板时杯子就要纸板动。512大地震发生后的很多建筑物就证明了这个物理实验原理。从能量传播的角度讲，从上部结构抗震是被动的，从地基与基础间防震减震抗震是主动的。地震波是 从地基土传到建筑物上部的。从地震传播的原理讲，只要切断地震波从下向上的能量传播，就切断了地震波对建筑物上部结构水平方向的破坏能量。增设筏板在筏板间铺设砂石垫层的做法正好达到了切断了地震波传播的目的。尽管建筑物也可能轻微晃动，但可以保证建筑物上部结构在地震时的安全与稳定。 

2.2.5、施工手段关系到灰土桩施工质量和灰土桩的推广和生命，灰土桩难以推广与灰土传统施工手段落后施工工艺不到位质量难以控制具有直接关系。还有灰土桩承载力理论空白。原来对灰土桩施工以人工击实为主，虚土厚度、击实功很难保证《规范》质量要求，本发明提出了对整个施工过程进行高科技整体系统的设计，施工过程去除人为因素对灰土施工质量的影响，施工全过程使用机械化施工程序控制保证灰土搅拌与击实的施工质量，本发明要求对施工工艺去除人为因素采用高科技在地面对施工过程进行监督控制操作。施工手段决定了成果的质量和落实，从人工击实到施工材料均匀化施工手段机械化施工调控程序化施工过程科学化施工运转高效化施工质量规范化是施工手段的一次技术革命。 

2.3、有益效果 

2.3.1、工程技术效益 

2.3.1.1、按照发明人同一桩端土的端阻力是一个定值的的理论建树，把《建筑桩基技术规范》理论引入灰土桩的理论，即现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的5.3.5、5.3.6条款可以应用于灰土桩基础形式。这一理论嫁接填补了目前国内乃至国际设计灰土桩基础时桩端土没有理论的空白。不考虑侧阻力时，与宝鸡市1998年前灰土桩承载力设计桩端面积的比较桩端面积要减小0.537倍。 

2.3.1.2、在湿陷性黄土地区、自重湿陷性黄土地区灰土桩可避免由于施工人为因素渗水渗入桩端土引起桩端土的湿陷变形和加大压缩变形及致桩周土饱和后降低或失去侧阻力。在桩深桩端土相同、桩径桩长相同的前提下，如果由于施工渗水致桩周土侧阻力可以不计，与混凝土桩相比，灰土桩可高出部分或全部侧壁摩阻力数值的单桩承载力。 

2.3.1.3、灰土桩处理后的地基与混凝土基础间是两张皮，地震发 生时可以削减基础以下地震波施加水平推力时对上部结构产生的地震影响，从地基基础间削减地震对上部结构的影响在防震抗震事业中事半功倍。我建议对一些比较重要的高层建筑，混凝土结构上下一体的桩筏基础，能够上下做两个或多个筏板，在两个筏板间用砂石垫层或其他物质在地基与基础间客观形成一个可以滑动可以削减地震水平推力的分离层滑动面减震层。这也是512之后我对高层抗震的学术观点。 

2.3.1.4、与混凝土(素混凝土22.0-24.0(NK/M³)、钢筋混凝土24.0-25.0(NK/M³))相比，灰土(灰土18.0-19.0(NK/M³)自重轻。 

2.3.2、环境效益 

2.3.2.1灰土固结后从强度上讲是石，从成分上讲还是土，与混凝土桩相比，灰土桩保证了阴阳地气的通畅，保护了生态，避免了子孙后代后续建设时基础工程之忧。 

2.3.2.2拌合灰土的素土就地采用桩井掘土，避免了砂石运进及掘土运出采购运输增加造价及对城市环境的干扰。 

2.3.3、经济效益 

在设计允许强度范围内，若不考虑灰土缓慢到达设计强度因素，本发明专利可以在桩深、桩端土相同；桩径、桩长相同的前提下实现灰土取代混凝土的技术突破，使以土代石变为现实。在桩体用料体积相同的前提下，基础工程造价明显降低，本发明专利基础工程一项每年要为国家节约建设投资80-100亿元。 

2.3.4社会效益 

落实了“科技是第一生产力”和“科学发展”。 

3.具体实施方式：

3.1、行业标准规范化 

《建筑桩基技术规范》理论引入灰土桩的发明，最大限度的利用了桩端土的承载力，将这一发明技术专利，应用到灰土桩基础形式，就会最大限度的发挥本发明专利技术在深基础工程中的效果作用。实现其工程技术环境经济效益。要达到这样的目的，首先需要将本发明技术专利以《国家行业标准》形式《规范》化。 

3.2、勘察设计 

本发明专利技术成为行业标准后，就为勘察设计人员在地下水位 较深地区选择深基础形式提供了国标技术依据，设计灰土桩基础时灰土桩桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)、桩周土极限侧阻力标准值q_sik(kpa)有了技术《规范》依据，使灰土桩在全国大力推广成为现实。 

3.3、灰土桩 

灰土桩的桩体材料是按照体积比最优含水量经过配制后散粒状的土分层击实经过化学反应后的桩，物理反应是灰土在物理力学性质上从松散达到密实的必然过程，从氧化物生成盐的化学反应过程决定了固结时间慢，半成岩状态是由松散的土物理化学原理套的结果。对松散的土分层击实的施工过程决定了灰土施工的程序时间，这是灰土桩及灰土施工的局限性所在。灰土的质量及实践关系到本发明的推广与应用，在应用与推广灰土桩时，最大限度的应用和研究目前国内国际灰土技术成果是发明人建筑勘察设计施工的共同责任。 

3.3.1、灰土桩施工系统设计 

目前灰土桩难以推广不只是理论问题，也与灰土施工工艺不到位具有直接关系。去除人为因素对灰土桩工艺做以高科技手段的设计关系到灰土桩的施工质量与推广。使灰土桩桩体施工全过程能够在保证施工材料均匀化施工手段机械化施工调控程序化施工过程科学化施工运转高效化施工质量规范化的整体施工系统中完成。《灰土桩配料击实操作系统》见下页。 

3.3.1.1、灰土搅拌机械的设计要求 

37或28灰土是石灰与土的体积比，对施工现场的石灰和土要过筛，灰粒不得大于5mm，土的粒径不得大于15mm，搅拌均匀，以最佳含水量作为灰土的控制含水标准，灰土搅拌设备要能随时监控正在搅拌回填灰土用料的含水量。 

3.3.1.2、对灰土击实施工机械的设计要求 

灰土虚铺厚度≤25cm，以最佳含水量作为灰土的控制含水标准，野外击实功要大于土工试验最大干重度时的击实功：轻型击实设备单位体积的击实功591.60j/m³、重型击实设备单位体积的击实功2682.70kkj/m³(1焦耳＝1牛顿米)见《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)条文说明6.2。对桩体与桩周土间挤密挤紧击实要做 

以特别设计。每层击实完成后灰土供料都要连续化程序化，在保证提高施工质量速度工作效率的前提下，对施工设备进行高层次高科技的设计，使灰土桩施工实况全过程由地面程序监控操作。 

3.3.2、灰土桩的施工质量控制 

3.3.2.1、灰土施工质量指标 

灰土的强度是随着时间的延续逐渐增强的，灰土施工质量的监督要以施工手段施工全过程去除人为因素的《规范》化质量监督为主，3：7灰土轻型击实试验夯实后的最大干重度ρ_dmax一般大约在14.5-15.5(KN/M³)之间，最佳含水量为17-19％或塑限含水量；重型击实试验干重度一般大约在16.5-17.3(KN/M³)之间，最佳含水量为13-15％①(仅供参考)，不同地区的土最大干重度ρ_dmax最佳含水量w_y不同。《规范》使用压实系数控制灰土施工的干重度，一般压实系数λ≥0.93-0.97，这样比较科学，因为不同地区的素土最大干重度ρ_dmax不同，最优含水量w_y也不同。 

注：①百度百科：原文未注明作者。 

附：影响桩基础承载力的因素 

尽管这是说明书以外的内容，由于灰土理论较少发明者认为有必要为专利审核人员提供桩基础原理。 

1、桩体本身的强度 

1.1、灰土的强度 

灰土虽土，击实固结后的灰土经过物理化学原理套的时间反应后，成固结状态。物理原理：散粒状的灰土经过人工或机械的击实做功后，使其密度增大，孔隙比及压缩性变小，土力学性质相对稳定，这种受外力作用使疏松的土变得密实的原理属物理原理，与时间没有关系；对击实后的灰土密实程度影响较大的因素应该是化学原理：石灰即生石灰(CaO)或消石灰水化后(Ca(HO)₂)即氢氧化钙和土壤中的二氧化硅(S_iO₂)或二氧化铝(AlO₂)三氧化二铁(F_e2O₃)等物质结合，混合后经过了时间的反应使施工前的灰和土生成了新的物质硅酸钙铝酸钙铁酸钙的胶结体将土壤胶结起来①，从而使灰土胶结体具有较高的强度和抗水性，灰土逐渐硬化，增加了土颗粒间的附着强度，这个强度与施工时的灰土含水量大小和灰与土之间的反应时间有关，含水量目前以最优含水量为准，化学原理反应生成新的胶结体成分，增加了灰土的强度，随着化学反应时间的增加，灰土的强度也在增加。这就是灰土的物理化学原理套。因为灰土混和经过“物理化学原理套”的反应后，桩体已成固结状态，灰土的成分已经成了盐(硅酸钙铝酸钙铁酸钙)，结构呈胶结体，硬度已经产生了质的变化，从散粒状变成了半固结状态。 

3：7灰土28天龄期的抗压强度f约为0.5-1.0Mpa即500-1000Mpa，随着时间的延续，这个强度还在增加。室内养护7天浸水48小时的变形模量E₀约为10-15Mpa，在室内养护28天浸水48小时的变形模量E₀约为32-40Mpa①。 

1.2、混凝土的强度 

混凝土的强度由水泥石子砂子水的配合比决定，抗压强度一般在C₁₅-C₈₀的抗压强度为15-80Mpa即1500-8000t/m²，龄期28天后混凝土的强度达到了设计强度的100％。换言之，混凝土灌注桩静载荷试验时所发生的沉降变形，没有桩体本身硬化过程的变形，其沉降量纯为混凝土桩体以外由于桩体加载后桩周土、桩端土引起的沉降变形量。 

2、抬桩的土 

抬桩的土由桩周土和桩端土两部分组成。 

2.1、桩周土 

桩周土就是立面上桩体周围的土。影响桩基础侧阻力大小的因素首先是桩周土的致密程度，孔隙度大、干重度小、疏松的桩周土侧阻力是小的。反之，孔隙度小、干重度大、致密的的桩周土侧阻力是大的。从理论上讲建筑物加载后，桩体具有向外挤出的力使桩体和桩周土之间挤紧后上下存在着摩阻力，在桩周土的含水量＜26％饱和度＜80％时桩体与桩周土层之间存在着摩阻力，这就是桩的极限侧阻力。侧阻力的大小与桩体周围土的重度、含水量、孔隙比、液性指数、压缩模量及桩体与桩周土的挤密程度有关。桩周土的侧阻力随着桩周土含水量的增大在变小，含水量＞26％饱和度＞80％时桩周土的侧壁摩阻力可以不计。侧阻力也与加载后桩体的侧向挤压力有关。 

2.2、桩端土 

桩端土就是桩体最底端平面上的土层。桩端土是桩基础的主要受力层。地基土承载力的实质就是发生容许变形量条件下施加在地基土上的对应荷载。湿陷性黄土的变形量由两部分组成：一部分是由于地基土加载后压缩产生的沉降变形量即压缩变形；另一部分是由于地基土渗水后产生的湿陷变形。变形量反映了地基土的密实程度。地基土的承载力大小与地基土的密实程度具有直接关系。反应黏性土密实程度的指标有物性指标干重度、含水量、孔隙比、饱和度、液性指数、压缩模量、湿陷系数及标准贯入试验锤击数。反应砂土密实程度的指标有：孔隙比及标准贯入试验锤击数。反应碎石类土密实程度的指标有：重型动力触探试验锤击数。 

3挤紧力、含水量 

3.1、桩体与桩周土的挤紧力 

桩体与桩周土挤紧的程度决定了桩体与桩周土间的挤紧力，挤紧力的大小决定了桩周土侧阻力的大小。要保证桩体与桩周土的挤紧力，对混凝土桩来说，要对混凝土桩体严格振捣密实。对灰土桩来说，要对桩体与桩周土结合部位进行特别的挤密挤紧击实施工。 

3.2、桩周土、桩端土与含水量 

作者发表在《岩土工程学报》1994年9月《也谈粘性土的含水量》一文按照土性指标是否受控于外因或含水量变化将土的物理力学性质指标划分为静态指标、动态指标，将土的变形分为静态变形、动态变形，含水量这个变化的指标常会引起其它土性指标的变化，是控制动态指标的一条主线，它影响到动态指标、动态变形的各个角落，最终影响地基土的沉降量、承载力。由于施工原因加水后对碎石类土承载力没有影响。由于施工原因加水后对砂土承载力是有影响的。深基础都是桩端土桩周土穿越深层相对软弱的土层砂层，桩周土受含水量影响较大，桩端土为土层砂层时含水量增大就会引起c、

值变小加大桩端土压缩变形和湿陷变形量，降低桩周土的侧阻力、桩端土的端阻力，使单桩承载力降低。灰土桩的桩体材料与桩周土桩端土含水量大体一致，桩体与桩周土间的摩阻力应该是没有争议的。混凝土灌注桩周围的侧阻力一直是一个存在争议的学术问题，这是因为混凝土中的水渗入桩体10cm以外的桩周土致湿陷性黄土地区桩周土接近饱和(含水量大于80％)，含水量增大引起了c、

值变小降低了桩周土的摩阻力，甚至使桩周土与桩体间的侧阻力可以不计。 

4、土性指标与承载力的关系。 

4.1、现行《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)使用稠度指标液性指数I_L不能反应黏性土的承载力。过去的《湿陷性黄土地区建筑规范》或者《工程地质手册》用W(含水量)，W_L/e(液限/孔隙比)确定湿陷性黄土承载力基本值f₀；《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)的5.3.5、5.3.6条款黏性土作为桩端土时的极限端阻力标准值q_pk(kpa)；黏性土作为桩周土时的极限侧阻力标准值q_sik(kpa)都用土的天然稠度状态指标液性指数I_L确定。液性指数I_L＝(W-W_P)/(W_L-W_P)，液性指数I_L反映承载力之说源于黏性土的承载力取决于黏性土的天然稠度状态的理论，不管搓条法还是调土法，实验室做出的塑限液限本身就很粗，稠度状态反映承载力感性粗糙笼统抽象遥远。这是学术上的舍近求远。例如沉积环境沉积年代是决定黏性土承载力的重要因素，液性指数I_L就不能反映这个因素，是不是液性指数I_L低土的状态硬的土桩端阻力就一定高，是不是W、W_L/e与湿陷性黄土承载力基本值f₀具有直接的联系，因为I_L；W、W_L/e这些指标距离反映地基土密实程度 或承载力沉降量较远或者转了大弯所以还需进一步研究。含水量W、塑限W_p、液限W_L、液性指数I_L哪个指标能够直接反映土的密实度沉降量承载力，相比之下干重度ρ_d(KN/M³)、孔隙比e可以反映土的密实程度，但这个问题很复杂，也不能简单结论。在黏性土纷杂的物理力学性质指标中I_L液性指数、W含水量、W_L/e(液限/孔隙比)、ρ_d干重度(KN/M³)、e孔隙比这些指标和地基土的承载力变形量没有直接关系，影响承载力的因素很多，因为用这些指标反映地基土承载力不直接不全面不真实。 

4.2、压缩性指标压缩模量E_S(MPa)反应黏性土承载力很直观 

《规范》地基土承载力，就是要在很多土性指标中寻找一个能够真正直接反映地基土承载力的指标，然后把这个指标作以《规范》，指导生产实践。土的状态即液性指数I_L不能反应黏性土的承载力，压缩模量E_S(MPa)反应黏性土的承载力很直观全面，可以说包含了很多土性指标甚至目前土力学研究领域还没有研究发现的土性指标。土的压缩模量E_S(MPa)、形变模量E₀(MPa)都是地基土垂直压力增量与垂直应变增量的比值，都反映了地基土加载后受到各种因素制约影响下地基土的实际压缩变形量或者反应；不同的是前者是在实验室有侧限的条件下测得，后者是在野外建筑场地无侧限的条件下实际测得。反应地基土承载力，前者是间接的，后者是直接的。地基土的承载力就是在没有侧限条件下容许沉降量时对应的上部加载，这就是静载荷试验。对地基深层深基础的土不可能在野外做静载荷试验，只能在实验室做压缩试验，压缩试验与载荷试验的区别，只存在压缩模量E_S与形变模量E₀的不同。E₀＝βE_S，3值在0-1.00之间。这就是压缩模量E_S与承载力的关系，尽管压缩模量E_S受到采样扰动运输不包含施工等因素的影响，但用压缩模量E_S确定地基土承载力理性、准确、科学、直观、直截、全面、开门见山、实事求是。这是发明者对黏性土、湿陷性黄土地区建筑技术理论的学术发现。 

注：①百度百科：原文未注明作者。 

图1为桩基础受力原理图： 

研究桩基础要把传导荷载的桩体与承桩的土分开。桩端土的承载力大小只与桩端土层的土性和密实程度有关，与桩体材料无关，桩体只是荷载的传导，真正受力的是抬桩的土。同一桩端土的端阻力是一个定值(理论建树)。这一理论建树将《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中混凝土桩的桩端土、侧阻力引入了灰土桩基础形式。 

抬桩的土：桩周土、桩端土。 

抬桩土的总承载力由两部分组成：桩周土的极限侧阻力标准值q_sik(kpa)与桩端土极限端阻力标准值q_pk(kpa)。 

总极限侧阻力标准值是各地层极限侧阻力标准值之和。 

单桩竖向极限承载力标准值Q_uk(kpa)等于总极限侧阻力标准值Q_sk(kpa)与总极限端阻力标准值Q_pk(kpa)之和。 

Q_uk＝Q_sk+Q_pk＝u∑q_sikl_i+q_pkA_p

式中 

Q_uk——单桩竖向承载力标准值(kpa) 

Q_sk——总极限侧阻力标准值(kpa) 

Q_pk——总极限端阻力标准值(kpa) 

u——桩身周长度(m) 

l_i——对应地层长度(m) 

q_sik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值(kpa) 

q_pk——极限端阻力标准值(kpa) 

A_p——桩端面积(m²) 

图2为灰土桩配料击实操作系统图。 

Claims (5)

1.灰土桩的极限端阻力标准值q_pk(kPa)、极限侧阻力标准值q_sik(kPa)与现行《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的5.3.5和3.3.6条款极限端阻力标准值q_pk(kPa)、极限侧阻力标准值q_sik(kPa)相同。

2.使用压缩性指标压缩模量确定极限端阻力标准值q_pk(kPa)、极限侧阻力标准值q_sik(kPa)。

3.保护好灰土桩基础形式。灰土桩基础是一种价廉高强的基础形式，我的理论和高科技施工手段将使灰土桩基础设计桩径桩体质量焕然一新。要保持灰土桩基础技术质量的先进可靠性，就必须保护好灰土桩基础形式，只有这样才能保护好这个专利技术。

4.上下结构一体的桩筏基础，能够上下做两个或多个筏板，在两个筏板间用砂石垫层或其他物质在地基与基础间客观形成一个可以滑动可以削减地震水平推力的分离层滑动面减震层。目前这一做法在国内外尚属空白，应该受到专利保护。

5.对施工过程进行消除人为因素的程序化高科技高层次设计，使灰土搅拌与桩体击实施工全过程实况由地面程序操作监控。使灰土桩桩体施工材料均匀化施工手段机械化施工调控程序化施工过程科学化施工运转高效化施工质量规范化。这一施工系统高科技高层次设计要受到专利的保护。

Images