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建築物基礎構造設計規範

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第五章 樁基礎


5.1 通則

  1. 基樁之支承力因施工方式而異,採用打擊方式將基樁埋置於地層中者,稱為打入式基樁;採用鑽掘機具依設計孔徑鑽掘樁孔至預定深度後,吊放鋼筋籠,安裝特密管,澆置混凝土至設計高程而成者,稱為鑽掘式基樁;採用螺旋鑽在地層中鑽挖與樁內徑或外徑略同之樁孔,再將預製之鋼樁、預力混凝土樁或預鑄鋼筋混凝土樁以插入、壓入或輕敲打入樁孔中而成者,稱為植入樁。
  2. 基樁於垂直極限載重作用下,樁頂載重全部或絕大部份由樁表面與土壤之摩擦阻力所承受者,稱為摩擦樁;由樁底支承壓力承受全部或絕大部份載重者,稱為點承樁。
  3. 基樁之選擇及設計,應綜合考慮地質條件、上部構造型式、載重方式、容許變形、施工可行性、施工品質與環境、檢測條件等因素審慎評估之。
  4. 同一建築物之樁基礎設計,應儘量避免混用不同材質、施工方法或支承方式之基樁;惟特殊之情況經分析對建築物無不利影響者得混用之。
  5. 若基樁通過可能液化之地層時,則於地震或振動載重下,應將可能液化部份之土壤支承力予以適當之折減或不予考慮,並應適度考慮液化後土壤流動所造成之影響。
  6. 基樁之設計應能承受基礎施加之全部載重,基樁間土壤之支承力一般不予考慮。惟對於樁數超過3支以上之摩擦樁樁基,若經確認基礎與其底面下方土壤不致發生分離者,則基樁間土壤之支承力得予考慮。
  7. 基樁設計應考慮施工可能因樁身之垂直度不易控制、樁頭位置偏差等原因產生之偏心影響。
【解說】
  1. 基樁之支承力基本上係由樁身摩擦阻力及樁底端點支承力兩種機制所提供,支承力之發揮與基樁之施工方式有密切之關係,依據基樁施工過程對土壤之擠壓或擾動程度,以及樁材為預鑄或場鑄之不同,可將基樁分類為鑽掘式基樁、打入式基樁及植入式基樁三種,表-解5.1-1為按施工方式之基樁分類表。\

  2. 表-解 5.1-1 基樁分類表(按施工方式)
 

各種不同施工方式對基樁支承力之主要影響包括:
(1)打入式樁於打擊過程中產生大位移者,因打樁振動及樁體貫入擠壓之影響,樁間土壤若為砂土層,則砂土將更趨於緊密,使樁群之支承力遠大於各樁單樁支承力之總和。圖-解5.1-1為台灣西南沖積平原地層中打設P.C.樁後CPT-QC值明顯增加之情形。 

圖-解5.1-1 PC樁打樁前後Qc值增量之分布

(2)打設於粘土層中之P.C.樁行為則較為複雜,樁周附近黏土受樁體貫入擠壓及打樁擾動之影響而產生超額孔隙水壓,此水壓將隨時間而逐漸消散,土壤強度亦隨之粘土之復原性及壓密效應漸遞恢復,因此粘土層中打入式基樁之支承力通常隨時間增長而昇高。此外,於飽和粘土層中密集打設基樁,亦容易造成鄰樁上浮之情形,若打設完成後未執行檢測及再次打擊,則可能因樁底懸空而失去端點支承力。
(3)鑽掘式基樁施工後,鑽孔內之碎屑將沉積於孔底形成底泥,其清理相當費時、費事,若因疏忽而未加以清除乾淨,將使得原設計時預期之樁底端點支承力無法發揮出來。圖-解5.1-2即為Tomlison 所舉一鑽掘樁之載重~沈陷曲線,圖中載重未見增加,基樁卻劇烈下陷的部份即因底泥未清除乾淨所致。
(4)基樁底部土層之水壓若高於鑽掘孔內之水壓,即可能在基樁底部產生局部管湧現象,樁底土壤受破壞後將失去端點支承力。台灣地區之沖積平原常為砂與粘土之互層若採用全套管樁方式施工時,很容易發生此種情形。此外,於近山地帶,若地層中有壓力水層存在,則不論是採全套管或反循環之施工方式都很容易發生這種情形。

圖-解5.1-2 鑽掘樁底泥處理不佳之試樁曲線(取自Tomlison,1977)

  1. 摩擦樁與點承樁是工程實務上常用的主觀分類,並無嚴謹的定義。基樁支承力是由樁身之摩擦力與樁端土壤之支承力所提供,樁身摩擦力通常在變位量達0.5∼1%樁徑時,即已達極限摩擦力,而樁端土壤極限支承力若欲完全發揮,其變位量一般則需達10%樁徑以上。通常摩擦樁係指樁之支承力主要是由樁身摩擦力所提供者,而點承樁係指樁之支承力主要是由端點支承力所提供者。依台北盆地之地層構造為例,樁底座落於景美礫石層之基樁或盆地邊緣堅硬岩盤上之基樁即為典型之點承樁,但是樁底座落於SPT-N值較小之松山層中者則屬於摩擦樁;又如台灣西部平原為砂與粘土層次交錯之沖積層構造,在50m深度以上少有SPT-N值大於40~50之緊密砂層,座落於這類地層之基樁即屬於摩擦樁。一般而言,摩擦樁將隨著樁頂受力增加而逐漸下沉,故較無樁體破壞之顧慮,點承樁則因基樁端點為堅硬地層,受力後樁基下沉量甚小,故樁材強度是否足夠是必須檢核的要項。
  2. 不論打入式樁或鑽掘式樁之施工都將對周邊環境產生影響,如噪音、振動、地層變位等。表-解5.1-2即為各種基樁施工時對周邊環境之主要影響。規劃、設計時應就周邊環境條件審慎選擇適宜之樁種,以減少實際施工時之影響或避免因無法施工而臨時變更樁種。圖-解5.1-3為一則以Kobe K-45柴油樁錘打設PC樁(樁徑50cm、樁長33m)時之實際振動監測結果,該地位於台灣西部海岸之海埔新生地,地層則為典型之砂與粘土互相交錯之沖積層,量測結果顯示打樁所引起之地盤振動可傳至相當遠之距離,在採用PC樁時應特別注意打樁振動對周邊環境之影響。

表-解5.1-2 基樁施工對周邊環境之主要影響

     
    依基樁施工方式區分
    周邊環境之影響



    鑽植
    掘入
    式式
    樁樁
    發生原因
    媒介物
    主要妨礙
     

    噪 音

     

    大氣

    1.日常生活之妨礙
    2.生理的影響
    3.對公共設施(學校、醫院等) 之妨礙
    4.對家畜生理的影響






     

    振 動

     

    地層

    1.與噪音1~4同
    2.地層變動(沈陷、龜裂等)
    3.埋設物損壞
    4.構造物(房屋、廠房等)之損 壞






    地下水位變動
    地層或地下水
    1.與振動1~4同
    2.地下水污染
    3.井水的枯竭、污染




    排水、

    污水處理

     

    地層(下水道)

    1.地下水、河川污染、污濁
    2.周邊(道路、鄰地等)之污染
    3.處理場(棄土場)之妨礙
    4.下水道堵塞、容量不足






    地層變位
    地層
    1.與振動1~4同
    2.交通阻礙


    塵埃、油氣、瓦斯、煙、惡臭等之擴散
    大氣或地層 1.對日常生活之妨礙
    2.對生理的妨礙
    3.對動、植物之妨礙
    4.構造物及其他周邊之污染






    妨害交通
      1.交通堵塞(繞道、危險性增大等)
    2.空氣污染


1)各種施工均會發生營業妨害問題
2)對周邊環境影響之程度
◎:嚴重 ○:中度 △:輕微

圖-解5.1-3 PC樁打設引致之地表振動監測

  1. 工程實務上可能混合使用不同樁種的情形為:

  2. (1)樁基礎與直接基礎併用
    (2)摩擦樁與點承樁併用
    (3)擴座樁與傳統樁併用
    (4)因岩盤面傾斜而採用不同樁長
    同一建築物若因結構功能、載重不同或其他原因而須使用不同樁種支承結構物時,須分析檢討建物之安全性,尤其是不均勻沉陷。
  3. 地震時因土壤性質改變,基樁承載功能可能因而受損,諸如:

  4. (1)土壤中孔隙水壓升高,土壤強度減低,基樁垂直支承力及水平抗力都因而減少
    (2)地層受地震影響而下陷,此種沉陷通常都是較不均勻,危害度亦較嚴重
    圖-解5.1-4為土壤液化後樁基系統的受力示意圖。圖-解5.1-5為日本新潟地區之地震災害統計實例,基樁貫入承載層愈深者,地震時雖然土壤發生液化,但其受損程度較輕微,反之,貫入承載層愈淺者,其受損程度較嚴重。又群樁間土壤之性質可能因基樁施工而改變,打入式基樁之樁間土壤因緊密度提高,故其液化潛能將大幅降低。若為鑽掘樁,則樁間土壤緊密度將略為降低,其液化潛能則可能因基樁施工而稍微昇高。
    若基礎面底部與土壤密接而未分離的情況下,作用於基礎之載重實際上是由基樁與樁間土壤共同承擔。但是因為土壤與基礎面是否密接存在許多變數,所以規定摩擦基樁支數超過3支以上,且經確認基礎與下面土壤不致發生分離者,才可考慮樁間土壤支承力之貢獻。就實務而言,土壤與基礎底面可能發生分離的原因很多,諸如:(1)樁間土壤為未經預壓或夯實改良的疏鬆砂土或軟弱粘土(2)樁基礎附近開挖或其他施工之抽水作業導致地下水位下降者(3)抽水活動旺盛的沈陷地區,如台灣西海岸之沿海養殖區

圖-解5.1-4 地層液化後基樁之受力圖

     
    被害等級
    最大沉陷量



    0~20cm
    >20~50cm
    >50~100cm
    >100cm
    被害等級
    建物傾斜角



    0~
    >~
    >~
    >

圖-解5.1-5 新潟市信濃川沿岸地區樁基礎受害程度調查結果

    (4)一般地震即使不致發生液化也會使地層產生壓縮及沉陷現象
    (5)點承樁支承之基礎版易與其下土壤產生分離現象,同樣是摩擦樁,大口徑長樁系統較小口徑短樁系統容易發生分離現象
  1. 基樁施工之垂直度不易控制,一般規範之垂直度容許值約為1/75~1/200,樁頭中心位置之容許偏心量約為5~10cm,這些偏心量將使樁基系統承受額外之力量,設計時應予考慮。

  2. 由於鑽掘樁的施工機械日益進步,目前使用大口徑長樁之情形相當普遍,這類大樁具有較大之支承力,因此,採用單柱單樁設計之案例日益增多,然而不論就載重偏心、施工誤差或樁基施工品質而言,此種系統之風險較高,應有嚴謹的品管及檢測措施以確認基樁品質,或是在柱與樁基間有勁度大之基礎版以分配力量。但就工程實務而言,這類大口徑長樁,一旦檢測發現問題,也很難有確實可行且有效的補救方法。因此,設計時仍應儘量採用群樁系統為宜,不論對偏心載重或是施工品質偏差都較具有較佳之因應能力。 

5.2 基樁設計原則

  1. 基樁須能承受可能發生之垂直力、水平力、拉拔力及負摩擦力,並考慮振動載重與地震作用所造成之動態效應,其容許支承力應依照第5.3節之方法計算之,並應依照第5.6節之規定設計其樁體結構。
  2. 群樁基礎之基樁間距應不得小於第5.4.1節之規定,並依第5.4.2節之規定,計算群樁之容許支承力。
  3. 基樁應依第5.5節之規定推估其變位量,其變位量不得導致所支承構造物之損壞。
  4. 位於坡地或岸邊之樁基礎,應檢核其整體穩定性。
【解說】
基樁的設計流程如表-解5.2-1所示,在規劃設計時須針對流程圖中各要點審慎評估,各要點的詳細考慮方式則於以下各節中詳述。

表-解5.2-1 基樁設計流程

表-解5.2-2 計算基樁支承力時之考量要點


建築物之各種載重或外力經由基礎傳遞至樁基礎時,由基樁及其周圍土壤共同承擔,這些載重包括垂直壓力、水平力及拉拔力,設計時須考慮檢核之項目包括樁基礎之變形量、土壤之容許支承力及樁體強度之容許值等。表-解5.2-2為基樁設計時應檢核之項目。

基礎受長期載重時,群樁基礎之配置應視荷重之分佈情形以配樁,儘量使各樁承受均等的載重為原則。若基樁間距較大而樁帽的厚度小於樁徑時,分析時應考慮樁帽之可撓性;若基樁間距較小時,則群樁基礎中各樁間之相互影響行為十分顯著,因此,無論就基樁種類、施工及設計上來考量,基樁之間距原則上應大於樁徑之2.5倍,若有可能則應儘量大於3倍樁徑,以減小群樁效應。有關群樁基礎基樁間距之相關規定詳第5.4.1節之說明,群樁之容許支承力應依第5.4.2節之規定計算。

位於坡地或岸邊之基樁設計,應考慮邊坡之穩定性問題,基樁雖能抑制邊坡滑動之趨勢,但基樁亦同時承受邊坡滑動之推力,基樁深度若未能貫穿可能滑動面,則基樁可能隨著邊坡滑動而產生整體移位之情形。

此外,位於坡地或岸邊之樁基礎,因受地表面傾斜之影響,設計時必須考慮基樁受上坡面載重之影響,並檢核下坡面土壤之承載能力。當地盤為水平時,水平方向地盤反力係數可視為一定值,但在傾斜地盤面的基樁則應依實際之設計條件將水平方向地盤反力係數適度調整,以反映地盤面傾斜之影響。對承受側向作用力之基樁而言,地表面附近之地盤水平阻抗能力對基樁受力時之反應具有很大之影響,分析時應特別考慮地表面附近土壤性質之變異性,以及可能受其他工程施工挖除之影想。

1995年日本阪神大地震時,神戶地區沿海岸邊及人工島曾發生極嚴重的土壤液化,地盤因而產生側向流動之現象,致使鄰近岸邊的樁基礎發生破壞,造成極嚴重之損害,如圖-解5.2-1所示,因此對於岸邊樁基礎之設計,應針對結構物之重要性及土壤抗液化能力做特別之考量。

 圖-解5.2-1 阪神地震鄰近岸邊之樁基礎破壞案例

(山肩邦男,1996)

5.3 容許支承力

5.3.1 單樁容許垂直支承力

  1. 單樁之極限垂直支承力包含由樁周表面提供之摩擦阻力及由樁底端點提供之支承力,分別可依靜力學公式、貫入試驗公式、樁載重試驗、動態分析等方法推估之。單樁之極限垂直支承力與容許垂直支承力得依下列公式估算:

  2. 式(5.3-1)

    式(5.3-2)

    式內=單樁之極限垂直支承力(tf)
    =單樁之容許垂直支承力(tf)
    =樁表面摩擦阻力 (tf)
    =樁底端點支承力(tf)
    FS, FS1, FS2,=樁總垂直支承力、表面摩擦阻力與端點支承力之安全係數,其值按表5.3-1所列規定,惟對於長樁或鑽掘樁,樁端支承力之安全係數應視容許沉陷量及施工品質酌予提高
    =樁表面摩擦阻力(tf/m2)
    =樁身之表面積(m2)
    =樁端之極限支承壓力(tf/m2)
    =樁端之斷面積(m2)

表5.3-1 垂直支承力安全係數

2.以靜力學公式推估基樁極限支承力時,得參考以下方式推估:
(1)樁表面之摩擦阻力
(tf/m2) 式(5.3-3)

式內

cu為土壤與樁身之附著力(tf/m2)
=對cu之經驗折減值,與土壤強度、樁長、樁徑及施工方法等有關,一般介於0.25~1.0之間
=沿樁身之平均土壤不排水抗剪強度(tf/m2)

=側向土壓力係數,與土壤及基樁施工方法有關

=有效覆土壓力(tf/m2)
=樁身與土壤間之摩擦角,與土壤、基樁材料及施工方法等有關,一般約為土壤內摩擦角之1/3~2/3

土層如為粘性土壤,則上式之後項不計;如為砂質土壤,則前項不計。
(2)樁端點之極限支承壓力
(tf/m2) 式(5.3-4)
式內
=支承力因數,其值與土壤性質、基樁施工方法及貫入承載層深度等有關(參見解說)
=樁底部土壤之凝聚力(tf/m2)

=樁端點之有效覆土壓力(tf/m2)

=土壤之有效單位重(tf/m3)
=樁身之有效直徑,如係擴座基樁,其底部有效直徑不得超過樁身直徑之兩倍(m)

(3)砂質地層中,基樁之表面摩擦力及端點支承力,應根據土層之相對密度、地下水位深度、樁徑及基樁施工方法,適當考量臨界深度效應,或根據樁載重試驗結果考量之。
3. 以貫入試驗公式推估基樁極限支承力時,得參考以下方式推估:
(1)以現場標準貫入試驗N值推估基樁支承力,僅限用於砂性土層,此時樁表面之摩擦阻力,及樁端點之極限支承力得依表5.3-2所列推估之。
表5.3-2 基樁最大表面摩擦阻力及端點極限支承力(tf/m2)
 註:表中N值均採樁端點上方4倍樁徑範圍內土壤平均N值與樁端下方1倍樁徑範圍內土壤平均N值之平均值,其值均不得超過50。
(2)對於樁底座落於礫石層或堅硬岩盤中之基樁,其端點支承力可依載重試驗結果或當地經驗推估之。

(3) 如係底端開口之打入式基樁,應考慮土栓效應,對端點支承力作適當之修正。

【解說】
  1. 決定單樁極限垂直支承力之方式,以現場樁極限載重試驗法最為直接。但在實務上,由於設計階段初期必須考慮地層變異、基樁種類、樁徑、樁長選擇等,難以藉由樁載重試驗結果決定各型基樁之支承力,因此必須利用靜力學公式或經驗方法推估基樁之支承力。至於基樁施工階段則可藉由打樁動力公式、動力學分析法及樁載重試驗等方式驗證設計階段所推估之支承力。

  2. 由於樁基礎之承載行為與施工方式、樁體材料類別、地層變異性等具有密切之關係,以致各種支承力推估或決定結果各具不同程度的準確性及可靠性。因此,設計時加諸於各樁體之載重,必須考慮適當之安全係數,以涵蓋各種之不確定性(包括載重本身)以及可能的風險,以提高安全性。
    單樁之極限支承力是由樁周表面提供之摩擦阻力及由樁底端點提供之支承力所共同組成,但是其發揮機制通常是由樁表面周摩擦阻力先發揮至極限狀態,待樁基位移量達到相當程度時,樁底端點支承力才會達到極限狀態,亦即兩部份的極限承載不會同時發生。因此當樁基礎承受的載重處於安全承載狀況時(荷重小於容許支承力),樁表面與樁底面所提供的阻抗,分別佔其極限值之比率大小並不相同。換言之,倘樁基礎的垂直支承力安全係數採用單一數值時,實際上該數值並不是樁表面摩擦阻抗真正的安全係數值,亦非代表樁底承載阻抗的安全係數大小。故而,若考慮樁基礎支承力之實質阻抗組合狀況,基樁垂直支承力計算時所採用之安全係數,應將樁表面摩擦阻抗及樁底面承載阻抗之安全係數予以分開考量,並分別採用不同的安全係數值較為合理(周功台,1992),表-解5.3-1彙整多種規範對安全係數所做之規定。為求設計考量單純化及計算簡便,目前國內估算樁基礎垂直支承力所採用的安全係數,仍以採單一數值較為普遍;惟隨著各類工程之推動,樁基礎承載機制的各項研究必將更趨完整,為求得經濟且安全之設計,並保留設計規範之彈性,本規範中則將樁端支承力及樁表面摩擦力之安全係數分別出來,但由於國內尚缺乏完整充足之樁載重試驗資料,無法完全確定國內之地質環境及施工條件下之樁基礎支承力發揮情形,因此當樁基礎的極限支承力係依理論或經驗公式推估計算而得,則永久性樁基礎樁端支承力與樁表面摩擦力之安全係數目前均制定為3.0,若樁基礎載重屬短期性載重者(如地震或風力等),其安全係數可用2.0。此外,基樁若屬臨時結構或承受短期載重時,其安全係數可採2.0;又若樁基礎之極限垂直支承力係經由適當數量之現場載重試驗求得時,永久性樁基礎容許支承力安全係數則可調整為2.0,承受短期載重或臨時結構之樁基礎則可採1.5設計。倘樁基礎的極限垂直支承力係依動力打樁經驗式推估而得,則應視其公式所具之不確定性大小,採用適宜的安全係數,通常為3.0~6.0,其值隨公式推演來源之不同而異,採用6.0者居多。
    表-解5.3-1 基樁長期容許垂直支承力安全係數之比較
     
    規範名稱
    FS
    日本建築基礎

    構造設計指針

    打入式
    3
    3
    3
    鑽掘式
    2
    0.1D/3cm≧3
    3
    日本道路橋

    示方書

    點承樁
    3
    摩擦樁
    4
    日本國鐵建造物

    設計標準

    打入式
    3.33
    3.33
    鑽掘式
    3.33
    1.67 

    (≦0.6)

    1.67~3.33

    (0.6<≦1)

    日本港灣設施

    技術基準

    ≧2.5
    AASHTO
    1.9~3.5*
    加拿大

    基礎工程規範

    3 (靜力學公式)

    4 (N法)

註:*為與地質條件、分析法、靜力試樁等施工控制條件之完整性有關。
為樁端極限支承力,為基樁極限垂直支承力。
2.靜力學公式主要乃依據極限平衡理論推導而得,由於基樁之支承力與基樁種類、施工方式及地層條件有關,力學機制十分複雜,無法單純經由理論公式求得,因此現行各規範都涵括地域性經驗在內。
樁身表面極限摩擦力之計算,除了需考慮地層之種類外,尚須考量基樁之施工方式,施工方法將影響樁身周圍土壤之擾動程度、夯實程度、側向力分布及摩擦角等。摩擦力之承載機制可分成粘土層及砂土層分別討論如下:
(1)粘土層
於粘土層中,樁之摩擦阻力可由土壤與樁身間之表面附著力來估計,即
式(解5.3-1)
為經驗折減值,附著力的大小視土壤本身之不排水剪力強度與基樁施工方式而定;Tomlinson(1957, 1970及1971)綜合整理78組承載於粘土層中之打入式基樁,認為值之變化範圍極大,主要與粘土之不排水剪力強度與基樁埋置深度有關,其變化趨勢如圖-解5.3-1所示。至於粘土層中之場鑄基樁,由於施工過程中對地層並無擠壓作用,且經常採用穩定液排土,故其值較低,Skempton(1959)更直接建議值之變化自0.3至0.6之間,通常可採0.45。
(2)砂質地層
對砂性地層而言,樁身摩擦阻抗的發生係由土壤與樁身間之摩擦力所造成,故其一般式為
式(解5.3-2)
其中δ角為樁身與土壤間之摩擦角,主要受土壤與基樁材料所控制,一般介於之間;為側向土壓力係數,隨地層性質、地層初始應力、基樁施工方式與地下水位高低等而有所變化,Vesic(1977)即指出,值於鑽掘式基樁略小於或接近靜止土壓力係數值,於H型或開口式鋼管樁等低位移打入式基樁,值則略大於鑽掘式基樁,但很少超過1.5,但對於如PC樁等大位移打入式基樁,值即有可能趨近於被動土壓力係數值;NAVFAC DM7.2(1982)對側向土壓力係數有一完整建議值如表-解5.3-2。
樁端點支承力理論主要係根據淺基礎支承力理論之延伸而得,依不同假設之樁底破壞面型式則可分析出不同之支承力因素,並可歸納為五種破壞模式,如圖-解5.3-2 (日本土質學會,1993)。樁端點之極限支承壓力之求法,其一般式為:

圖-解5.3-1 不等貫入深度基樁之α值(Tomlison,1970)

圖-解5.3-2 樁基礎破壞模式(日本土質工學會,1993)

表-解5.3-2 側向土壓力係數 ()

基樁施工方式
受壓力時
受拉力時
附 註
打 入 式
0.5~1.0
0.3~0.5
打入過程排土量甚小者
打 入 式
1.0~1.5
0.6~1.0
打入過程大量擠壓四周土層者
打 入 式
1.5~2.0
1.0~1.3
打入過程大量排土,且樁身由上而下逐漸變小者
打 入 式
0.4~0.9
0.3~0.6
先行沖孔,再打入者
鑽 掘 式
0.7
0.4
直徑小於60公分者

表-解5.3-3 支承力因數

φ
26
28
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40

打入式大位移基樁

10
15
21
24
29
35
42
50
62
77
86
120
145

鑽掘式基樁

5
8
10
12
14
17
21
25
30
38
43
60
72
      式(解5.3-3)

      其中第三項很小,可予以忽略不計。因此,對於樁端支承於飽和粘土層之樁端極限支承力得簡化為:

      式(解5.3-4)

      國內支承於粘土層之基樁試樁資料仍十分有限,在工程實務上,對於支承於堅硬粘土層中之打入式基樁,其值可採用9.0,而鑽掘式基樁之值,原則上可採用6.0,惟應視施工品質做必要之調整。至於支承於砂性土層中之樁端極限支承力則可依下式估算
         式(解5.3-5)
      式中與土壤性質、基樁施工方法及貫入承載層之深度等有關,可參考表-解5.3-3之建議值,惟對於小位移樁與底泥處理較不易確實執行之鑽掘式基樁,設計者應考量施工情形做適當之折減。當樁基礎承載於均質砂性地層時,早期之設計常假設支承力隨樁基之埋置深度而線性增加,惟根據近年來之研究顯示,樁端極限支承力()與樁身摩擦力()於超過某一埋置深度時有趨近某一定值之現象,Vesic(1963)將此深度定義為臨界深度。綜合文獻研究結果顯示,臨界深度之變化範圍極廣,約介於4D~60D之間,主要與地層之摩擦角φ值及基樁施工方式有關,目前國內之試樁資料仍未完備,現階段建議採NAVFAC DM-7.2(1982)規範所建議之20D為臨界深度,超過此深度時,其有效覆土壓採臨界深度處之有效覆土壓以計算樁底極限端點支承力與樁身極限摩擦力。根據葉文謙等(1997)整理台灣中南部沖積土層中之PC樁試樁結果顯示,採用本節建議之靜力學公式與參數推估之基樁支承力與樁載重試驗所得之極限支承力相當一致,其差值在±25%以內。

    3.貫入試驗經驗公式之應用
      (1)標準貫入試驗及荷蘭錐貫入試驗為現地貫入試驗,且其前端貫入裝置之外形均類似基樁,與基樁貫入之機制相當,因此在工程實務上常以這兩種試驗之結果來推估基樁之支承力。以標準貫入試驗為例,Meyerhof(1976)所發表之建議式如下:
      打入式基樁:
      (tf/m2) 式(解5.3-6)
      (tf/m2) 式(解5.3-7)
      鑽掘式基樁:
      (tf/m2) 式(解5.3-8)
      (tf/m2) 式(解5.3-9)
      各地區再依地域性之不同,各自發展出較適用於當地應用情形之修正經驗公式。許多研究指出,樁端支承力由於尺寸效應及高圍壓砂土顆粒破碎之結果,上述有關樁端支承力之關係式宜適度降低(日本建築基礎構造設計指針,1988);然而,對於樁身摩擦阻力而言,由於近年來施工技術之提昇,鑽掘式基樁因開挖造成之地層擾動與皂土穩定液對摩擦力之影響均已大幅降低,因此所採用之樁身摩擦阻抗則有增加之趨勢。茲將世界各地常採用之經驗公式彙整如表-解5.3-4所示。

      表-解5.3-4 各規範用N值推估砂土層中基樁支承力方法之比較

     
    規 範
    名 稱
    打入式
    鑽掘式
    打入式
    鑽掘式
    日本建築
    基礎構造
    設計指針
    N/3
    N/3
    30N≦1800tf/m2
    7.5N
    日本道路
    橋示方書
    0.2N≦10tf/m2
    0.5N
    20tf/m2
    30N
    (N≦40)
    300tf/m2
    (N≧30)
    日本國鐵
    建造物
    設計標準
    0.3N+3
    ≦15tf/m2
    •未用穩定液
    0.5N
    ≦20tf/m2
    •使用穩定液
    0.2N
    ≦10tf/m2
    •砂質土
    30N
    ≦1000tf/m2
    •砂礫
    30N
    ≦1500tf/m2
    •砂質土
    7N
    ≦350tf/m2
    •砂礫
    10N
    ≦750tf/m2
    日本港灣
    構造物
    設計基準
    N/5
    30N
    AASHTO
    fsmax=19.2tf/m2
    5.75N(N≦75)
    431tf/m2(N>75)
    加拿大基礎工程規範
    0.2N
    0.1N
    40N
    12N

圖-解5.3-3 台灣西南部海岸地區樁載重試驗結果與預測值之比較

本規範綜合歸納各文獻及研究成果,建議採表5.3-2所示之經驗公式。台灣地區應用PC樁的案例大多集中於西南部之沖積平原帶,圖-解5.3-3為整理雲林麥寮、嘉義太保及高雄林園等地依據本規範所建議經驗公式估算之基樁支承力,與實際樁載重試驗結果之比較,顯示表5.3-2經驗公式具相當之可靠性。

樁端底部土壤受力時,將會因樁底破壞圓弧之發展而形成應力球根,於應力球根範圍內之地層性質均將影響樁端極限點承應力之大小,因此運用SPT-N值經驗公式推估樁端極限支承力時,應採用樁底影響範圍內之平均N值,為設計上經常採用之考量方式。對於樁底影響範圍之大小,近年來許多學者針對現場試驗、模型試驗、CPT試驗及理論分析等進行分析顯示,此範圍變化極大,一般而言約分布於樁底下方1~4倍樁徑與樁底上方4~6倍樁徑範圍內,經綜合文獻資料與國內設計慣例,本規範建議於採用SPT-N值推估樁基礎端點支承應力時,N值採樁端點上方4倍樁徑範圍內平均N值與樁端下方1倍樁徑範圍內平均N值之平均值。為確保支承力之安全發揮,若點承樁承載層下方出現較軟弱地層時,樁端點下方承載層之厚度至少需有2倍樁徑。此外,台灣地區之地層中常有緊密之卵礫石層或極緊密之砂層,可做為基樁之良好承載層,這類地層之SPT-N值常大於50,甚至高達100以上,利用經驗公式推估支承力時,砂質地層採用之N值不宜大於50,卵礫石層則應根據顆粒組構、礫石與細料間膠結狀況、礫石含量以及施工方法等,詳細評估並擇取適當之N值,否則將使推估之支承力太大,超出基樁底部地層之實際承載能力,原則上支承於卵礫石層之打入式基樁,樁端支承力以不大於1800tf/㎡為限,鑽掘式基樁以不大於750 tf/㎡為限。

至於植入式基樁在國內之使用狀況,自1989年於高雄林園地區進行改良後之預鑽孔工法配合樁底及樁身注漿樁之研究計劃(王傳奇等,1991)後,即開始廣泛應用於各類工程,1993年於基隆河截彎取直工程中引進中掘工法,截至目前為止,植入式基樁,累計施工樁長已超過10萬公尺。植入式基樁之主要優點是在施工振動與噪音方面均能符合相關環保法令,於都市土木及建廠工程時對周邊環境影響較小。

估算植入式基樁之支承力可參考如表5.3-2之經驗公式,這些經驗公式之預測結果,根據王傳奇等(1995)之研究顯示,與現地樁載重試驗結果有良好之吻合性且略為保守。
(2)圓錐貫入試驗(CPT試驗)亦可用於估計基樁之支承力,由於其圓錐貫入阻抗qc及套管摩擦阻抗fs值與基樁之端點支承力及樁身摩擦阻力行為有明顯相似的地方,因此於1956年起便有很多學者投入此方面之研究,已累積有相當多的經驗。各種CPT基樁支承力經驗分析法中,以Schmertmann(1978)方法、de Ruiter & Beringen(1979)方法、Bustamante & Gianeselli(1982)之 LCPC(Laboratoire Central des Ponts et Chaussees)方法及美國NAVFAC DM7.2(1982)等方法比較具有代表性。圖-解5.3-4所示為Briaud(1989)利用98組試樁結果評估6種圓錐貫入試驗推估之基樁支承力,研究成果顯示LCPC方法為6種方法中之最佳方法。Robertson & Campanella (1989)亦曾指出,LCPC方法之優點在於推估基樁支承力時不用錐身摩擦力而用錐頭阻抗qc,由於CPT試驗中求得之錐頭阻抗較錐身摩擦力準確,故LCPC法預估結果較值得信賴。
至於台灣地區的應用經驗,段紹緯(1991)曾分別以LCPC法、DM-7.2法及de Ruiter法,針對台灣南部與中部地區之打入式基樁,預測其基樁支承力,結果顯示各種經驗方法中以LCPC法預測結果最佳,變異性約為5%~19%之間。基於此,建議採用圓錐貫入試驗所得之錐頭阻抗值推估砂性地層之基樁支承力時得依LCPC法如表-解5.3-5所列估算。

目前國內已有之研究多偏重砂性地質中之打入式基樁,對於利用CPT試驗之經驗預測法則仍有待研究,特別是應用於粘性地層與鑽掘式基樁之情況。

圖-解5.3-4 以圓錐貫入試驗推估基樁支承力方法之比較 (Briaud,1988)

表-解5.3-5以圓錐貫入試驗結果推估基樁支承力(tf/m2)

註:表中qca值採樁端點上下各1.5倍樁徑範圍內之等值qc值,其求法參見圖-解5.3-5。
之計算步驟:
(1)計算樁端上下方各1.5倍樁徑範圍內錐頭阻抗之平均值
(2)將樁端上下方各1.5倍樁徑範圍內大於1.3之錐頭阻抗以1.3取代;樁端上方1.5倍樁徑範圍內之錐頭阻抗小於0.7者,以0.7取代
(3)計算樁端上方及下方各1.5倍樁徑範圍內修正後之錐頭阻抗平均值,即為

圖-解5.3-5 樁端支承力之計算(Bustamante & Gianeselli, 1982)

5.3.2 單樁拉拔力

1. 若樁為均勻斷面,則其容許拉拔力得依下式計算之:
式(5.3-5)

當以樁載重試驗確定其極限拉拔力時,容許拉拔力依下式計算:

式(5.3-6) 

式內=單樁之容許拉拔力(tf)

=單樁之極限拉拔力(tf)
=為樁體重量,並應考慮地下水之影響(tf)
=為樁表面摩擦阻力,依第5.3.1節計算法推估 (tf/m2)
=為樁之表面積(m2)
=拉拔力安全係數,應按表5.3-3之規定

表5.3-3 拉拔力安全係數

2. 若樁底為擴座式,應依其可能破壞模式分析其極限抗拉拔力,並除以適當之安全係數,推估其容許拉拔力,惟任何情況下,其容許拉拔力均不得超過此樁容許垂直支承力之百分之七十五。
【解說】
  1. 基樁承受拉拔力之情形包括地下室基礎因地下水壓或膨脹性土壤回脹壓力引致之上舉力,以及港灣構造、高層建築、電塔或橋墩基礎承受風力、地震力等。單樁承受拉拔力時,主要由基樁本身自重(需扣除浮力)與向下之樁身摩擦來抵抗,其中樁身自重為一極確定之抗拉拔因素,故無須考慮安全係數。本規範建議推估基樁受拉拔時之樁身摩擦阻抗的方法係採與受壓時相同之分析法,惟因兩者之受力機制不同,因此表5.3-3中使用支承力推估公式之安全係數,除容許拉拔力應具之安全係數(短期載重為2,長期載重為3)外,亦包括以受壓力樁身摩擦阻力推估抗拔摩擦阻力之經驗修正係數。Tomlinson(1977)指出砂質地層中之基樁受拉拔時之樁身摩擦阻力約僅為受壓力時之50%,粘土層中之鑽掘式基樁,其短期之抗拉拔摩擦阻力,由於樁底真空吸力與負超額孔隙水壓之作用,一般與受壓時之摩擦阻力相同,但隨著時間增長,真空吸力之消失與負超額孔隙水壓之逐漸消散,將使抗拔摩擦阻力與時遞減。Radhakrishna & Adams(1973)的研究顯示,粘土層中之鑽掘短樁,於持續承受拉拔力3∼4個月後,抗拔之樁身摩擦阻力約折減50%,擴座短基樁之摩擦阻抗約折減30%~50%;Mansur & Hunter (1970)於美國Arkansas River之研究計劃中亦指出打入式基樁承受拉拔力時,其樁身摩擦阻力比承受壓力時減少約35%。茶谷文雄(1994)整理日本地區鋼管樁、PC樁與鑽掘式基樁拉拔試驗結果指出,抗拔之樁身摩擦阻力為受壓時之80%。

  2. 基於前述之研究結果,一般而言,基樁承受拉拔力時之樁身摩擦阻力應僅約受垂直壓力之50%~70%左右,與基樁之埋置深度、施工方式與地層特性有關;同時,由於基樁承受拉拔力時,其向上位移量約僅需0.5~1.0%之樁徑大小即達極限破壞,屬於無預警之突發性破壞模式,因此,目前常用之設計規範雖允許拉拔載重下之摩擦阻抗採用與承受壓力載重時之相同估算方法,但考量前述因素,因此於摩擦阻抗方面均建議提高其安全係數,各規範採用之安全係數建議值詳表-解5.3-6所示。本規範亦採用相同的理念規範單樁抗拉拔時之安全係數。
  3. 對擴座式基樁而言,雖因底部擴座之承壓效果,其抗拉拔力大於未擴座之基樁,惟目前常用之分析模式如Meyerhof & Adams (1968)之建議式,經現地試驗驗証者有限,為顧及安全性乃建議其容許拉拔力仍以不超過垂直容許支承力之75%為宜。

表-解5.3-6 各規範基樁長期容許拉拔力安全係數之比較

     
    規範名稱
    極限抗拔摩擦
    阻力推估方式
    安 全 係 數
    平 時
    地 震 時
    日本建築基礎
    構造設計指針
    取受壓時之2/3
    3
    1.5
    日本道路橋
    示方書
    與受壓時相同
    6
    3
    日本國鐵建造物設計標準
    與受壓時相同
    8
    3.33 (地震)
    6.67 (短期載重)
    日本港灣設施
    技術基準
    與受壓時相同
    3
    2.5
    加拿大基礎工程規範
    與受壓時相同
    6 (靜力學公式)
    8 (N法)

5.3.3 側向支承力

  1. 基樁承受側向載重時,其容許之側向支承力應不致使樁體各部份之應力超過材料之容許應力值,且樁頂部之變位不得超過建築物所容許之側向變位,該側向變形應考慮群樁間之相互影響及樁頭之束制條件。
  2. 使用斜樁時,其設計應考慮地震作用下之土壤∼結構互制效應;於可能發生地盤下陷之地區,則應考慮地盤下陷所引致之應力,以免發生斷樁之情形。


【解說】
 

  1. 樁基礎承受側向載重乃典型之土壤與結構互制作用例,樁頂受側向力之作用而使前方土層發生側位移,樁前方地層產生反作用力,使樁身承受彎矩與剪力。前輩學者張有齡早於1937年即發表各種不同邊界條件時基樁受側向載重之彈性理論解,如圖-解5.3-6所示,這些理論解乃基於地層之水平反力係數在方在地層深度方向呈均勻分布而求得。此外,Reese and Matlock (1956)則針對地層反力係數隨深度加深而增大之情形,提出另一系列之理論解如圖-解5.3-7所示。

  2. 張氏之理論解相當簡便、實用,因而已被廣泛應用於垂直樁受側向力作用時之變形與樁身反力分析。近年張氏又再發表”張氏簡易側向樁分析法”(張有齡,1989),文中總結其五十來之經驗,甚具參考價值。
    承受水平荷重之基樁,除應檢核其斷面強度外,亦需對基樁受力後之樁頭水平位移加以限制。樁頭側向容許變位量須考量所支承上部構造物之使用機能,並防止樁頭產生過大之塑性位移。若樁頭發生過大之塑性位移時,於地震、風力等載重作用下,樁基礎將因殘留變位之累加,而嚴重影響樁基礎之穩定及安全。日本「道路橋示方書•同解說」(1996)即基於防止樁基礎發生過大之殘留變位量,建議樁頭之水平變位量應低於1%樁徑或1.5cm。至於國內之工程設計,由於尚缺乏足夠之側向樁載重試驗結果以驗証適當的樁頭容許水平位移量,目前常採用之樁頭容許水平變位量,於平時狀態取1.0cm,而地震狀態時取1.5cm,惟若有足夠之現場側向載重試驗可資驗証時,此一水平容許變位量應據以調整,以符合安全、經濟之原則。
  3. 群樁基礎中若包含有斜樁時,其軸向支承力之水平分量可用於分擔群樁基礎之側向作用力,其分擔比例應依基樁之水平勁度比決定之,並須注意是否會產生應力集中現象。

  4. 在地震作用之情況下,基樁除承受上部構造物所傳來之慣性力外,同時亦受地盤反覆側向變位之影響,故應從事土壤∼結構互制作用之分析,仔細檢核斜樁之應力分布情形。此外,位於沉陷嚴重之地區,斜樁可能受地盤沉陷之影響而承受額外之載重,樁身彎矩因而加大,容易產生斷樁現象。 

圖-解5.3-6 側向荷重基樁理論解(Chang,1937)

圖-解5.3-7 受水平力作用長樁應力及變形之理論解比較

(日本土質工學會,1993)

5.3.4 負摩擦力
  1. 基樁四周之地層,若可能發生相對於基樁之沉陷位移情形,則設計時應檢討負摩擦力發生之可能性與大小,並檢核基樁之安全性。
  2. 單樁所受之負摩擦力應考慮中立點以上所有負摩擦力之總和。
  3. 中立點位置係依樁支承地層與樁四周壓縮地層之相對勁度而定,設計時應予檢討。
  4. 使用群樁之情形,可考慮群樁之相互影響,將設計負摩擦力予以折減。
  5. 考慮基樁之負摩擦力時,應按下式檢討其安全性:

  6. 式(5.3-7)
    式(5.3-8)
    式內
    樁頂部之長期軸向荷重(tf)
    中立點以上之負摩擦力總和(tf)
    樁端點之極限支承力(tf)
    樁身中立點以下之正摩擦阻力(tf)
    樁身斷面積(m2)
    樁材料之短期容許應力強度(tf/m2)
  7. 於考慮地震力、風力、衝擊力、車輛等短期載重情況時,可不計負摩擦力之影響。
  8. 基樁若使用特殊表面處理,以減低負摩擦力時,則設計之負摩擦力值可依實際量測效果予以折減。
【解說】
  1. 樁表面之摩擦阻力係因樁體與地層之相對位移而產生,如圖-解5.3-8所示,當樁體向下移動之趨勢大於土體之下沉速率時,土體對樁表面可提供一向上之阻力,此阻力即一般計算樁支承力時之正摩擦力(positive skin friction);而當樁基周邊地層,因地表填土或抽取地下水等情形以致樁周邊地層發生大量壓縮及沉陷時,地層之移動趨勢大於樁體下沉速度,此時樁表面受一向下摩擦力作用,使樁軸向之作用力增加,此摩擦力即稱為負摩擦力(negative skin friction)(歐晉德,1987)。
  2. 圖-解5.3-8 基樁支承力機制示意圖(歐晉德,1987)

  3. 負摩擦力發生的主要原因大致為:

  4. (1)基樁座落於回填土地層中,當樁周圍之壓縮性土壤受回填土之載重而發生壓縮沉陷現象,導致負摩擦力之發生。
    (2)基樁座落於高敏感性之黏土地層中,於打樁過程中,樁體四周土層發生擾動,完工後逐步壓密而生負摩擦力。
    (3)由於抽取地下水,而產生區域性的地盤下陷,此現象在正常壓密或輕度過壓密的黏土地層中最為明顯。
  5. 一般人常以為負摩擦力只發生於軟弱粘土層中,其實並不完全正確,只要樁周邊地層發生相對於基樁之位移就有可能發生負摩擦力。在基樁工程界中,負摩擦力問題自1960年代始受到注意,在1970年代中,由於大型工程之逐漸增加,在地盤下陷較嚴重的區域如曼谷、東京等區域或黏土層極厚的區域如瑞典、挪威、芬蘭等,因負摩擦力而發生基樁失敗案例,負摩擦力問題乃受到相當重視。

  6. 根據研究顯示,基樁所受負摩擦力之大小及範圍受下列因素影響,諸如:
    (1)基樁四周及端點下方地層種類之影響-包含地層之壓縮性、強度、基樁四周地層與樁端點下方地層之相對勁度等。
    (2)超加載重(surcharge)或地下水位變化之情況-包含超加載重施加的時間及速率、相對於基樁施工之時、地下水位洩降的範圍及水位上下之變化程度。
    (3)基樁本身之性質-包含基樁材料、形狀、群樁的配置及間距等。
      以上各因素均可能影響負摩擦力發生的範圍以及大小,近年來,此類研究資料已逐漸增多,如圖-解5.3-9係日本國鐵(1978)之實測結果,顯示樁長變化及端點支承地層不同時,其所得之負摩擦力值具相當之變化(歐晉德,1987)。

圖-解5.3-9 基樁負摩擦力觀測結果(日本國鐵,1978)

    台灣西部濱海地區,有許多因超抽地下水而發生嚴重沉陷之區域,或因抽砂回填而可能發生長期沉陷之新生地區,在這些地區的樁基礎並不一定會受負摩擦力之作用,大致與下列因素有關,須仔細評估:
    (a)基樁承載方式
    (b)樁長與抽取地下水之深度
    (c)填土與基樁施工之先後次序及時間差
    (d)地層沉陷速率
  1. 基樁表面摩擦力之產生,乃在於地層與樁體間發生相對位移,在基樁受垂直力作用時,壓縮土層與樁體間之相對移動趨向因受樁端點阻力之影響,於樁身上之某深度位置,自樁體位移小於土體位移之現象轉換成樁體位移大於土體位移,亦即於此位置,樁體與土層間不具相對位移,此點稱為中立點(neutral point),如圖-解5.3-8(b)所示於中立點以上部份,樁身承受負摩擦力作用,而中立點以下部份之樁身則承受正摩擦力作用。

  2. 中立點大致位於壓縮地層中樁長的百分之六十六至百分九十七之位置,視壓縮土層與樁端點地層間之相對勁度而異,如貫入岩盤中之點承樁,其中立點則接近樁底端,負摩擦力幾乎在全部樁身表面發生,若樁係穿過壓縮層而進入較緊密砂層中,則中立點位置約在壓縮層與砂層界面上方若干距離,因此若將負摩擦力的發生長度考慮為基樁在壓縮層中之全長,通常偏於保守,日本建築學會之「建築基礎構造設計規準同解說」(1974)中即建議中立點深度為:
    (1)摩擦樁及局部點承樁(端點貫入阻力N值小於20之情形)
      式(解5.3-10)
    (2)點承於砂土或砂礫土層基樁
      式(解5.3-11)
    (3)點承樁於岩盤或極堅實黏土層(土丹)之基樁
      式(解5.3-12)
      上式中之L,對摩擦樁而言,代表全部樁長,對其他樁而言,代表樁頂至壓縮土層底部界面之長度。
  3. 計算負摩擦力之方式有很多種,歐晉德(1987)曾做有系統之整理,甚具參考價值。若以有效應力法估算則可依下式計算

  4. 式(解5.3-13)
    式中,樁身負摩擦力(tf/m2)
    =土壤側壓係數
    =土壤與基樁表面間之有效摩擦角(度)
    =地層之有效覆土壓力(tf/m2)
        上式中,為無單位之係數,其值大小不僅與地層特性有關,亦受基樁施工方式之影響,打入式基樁之值即較鑽掘式基樁為大。表-解5.3-7及表-解5.3-8分別為Garlanger(1974)及日本鋼管樁協會(1978)針對不同地層所做之建議值。

表-解5.3-7 建議值(Garlanger,1974)

     
    土 層
    粘土
    0.2 -0.25
    粉土
    0.25 -0.35
    砂土
    0.35 -0.50

表5.3-8 建議值(日本鋼管樁協會,1978)

     
    土 層
    砂含量(%)
    粘土及粉土
    20以下
    0.2 -0.25
    砂質粘土及粉土
    20-50
    0.25 -0.35
    砂質土(N<10)
    50-70
    0.35 -0.50

圖-解5.3-10 摩擦力fn與N值之關係(日本鋼管樁協會,1978)

此外,日本鋼管樁協會(1978)亦統計負摩擦力與標準貫入試驗N值之關係如圖-解5.3-10,據此,砂土層之負摩擦力可依下式計算
      (tf/m2)式(解5.3-14)
    式中N為基樁周邊地層之平均SPT-N值。值得注意的是在台灣西岸高液化潛能地區,或因擔心液化問題,或為增加基樁側向支承力之需求,有些設計理念會在樁基週邊施以深層夯實之地層改良,使樁基週邊之SPT-N值大幅提高,這類情況下若週邊土壤發生相對於基樁之向下位移時,基樁承受之負摩擦力亦將大幅提高,檢核負摩擦力安全性時,應以改良後之SPT-N值或採較高之值計算。
  1. 在基礎設計中,安全係數的選擇與設計參數的可靠性有關,包含載重的精確度,以及地層強度的變化範圍,在考慮負摩擦力之場合,安全係數之選擇較一般情況略為複雜。當基礎具負摩擦力作用之可能性時,設計上可分別考慮採用部份安全係數或整體安全係數,目前工程界普遍採用者為整體安全係數,即如下式所示:

  2. 式(解5.3-15)
    其中即為單一之總體安全係數,在美國海軍Design Manual (NAVFAC DM-7.2,1982)建議採用1.0,日本建築學會(1974)則建議採用1.2至1.5之值。而就材料強度而言,需注意負摩擦力發生後,基樁軸向力最大點即在中立點,故應採下式檢核中立點處基樁材料之容許應力。
    式(解5.3-16)
  3. 當使用群樁時,若基樁間距小於某一特定距離,則基樁本身與土壤之互制作用將使樁基所受負摩擦力減低。因此,單樁之負摩擦力計算應用於群樁負摩擦力計算時可做一折減。圖-解5.3-11為日本清水建設研究所(1978)量測群樁中各單樁負摩擦力行為之實証。

 圖-解5.3-11 群樁對負摩擦力之影響

5.4 基樁間距及群樁總支承力

5.4.1基樁間距

樁基礎之各單樁間應保持適當間距,原則上各單樁中心間距應符合下列規定。間距小於規定者,應視地層條件、基樁種類及施工方式審慎檢討群樁之互制效應。
  1. 設置木樁時,其中心間距不得小於樁頭直徑之2倍,且不得小於60cm。
  2. 設置預鑄混凝土樁時,其中心間距不得小於樁頭直徑之2.5倍,且不得小於75cm。
  3. 設置鋼樁時,其中心間距不得小於樁頭寬度或直徑之2倍,且不得小於75cm。若採用底部封閉式之鋼管樁,其中心間距不得小於樁徑之2.5倍,且不得小於75cm。
  4. 設置場鑄混凝土樁時,其中心間距原則上不得小於樁頭直徑之2.5倍,且不得小於樁直徑加1m。
  5. 設置擴座基樁時,其中心間距不得小於樁頭直徑之3.0倍,且不得小於擴座寬度加1m。
【解說】
基樁最小間距的規定,主要係考量下列兩項因素:
  1. 減少鄰近基樁施工之影響:

  2. 若基樁間距過小,當施工時發生樁位偏移或傾斜時,即可能造成相鄰基樁十分接近,在樁承受載重時,局部區域的應力集中對樁基支承力之發揮與沉陷控制均相當不利;此外粘土層中之打入式基樁,若樁距過密則於打設時易造成樁周土壤隆起連帶使鄰樁上浮、側移與傾斜,導致樁端支承力降低,甚而喪失,基樁亦可能因此而發生斷折情形。
  3. 減少群樁效應之影響:
基樁受載重時,相鄰樁間之應力影響圈會重疊,將會造成群樁效應,應力重疊之程度與基樁載重及樁間距有關,若間距不足,可能導致土壤產生剪力破壞或超量沉陷,以及樁群內部與外圍的基樁受力不均勻之現象。

若要使群樁受力時各樁彼此不互相影響,其間距通常需達6~8倍樁徑以上,在工程應用上較難接受。由相關研究顯示,當樁距小於2~3倍樁徑時,群樁破壞較接近整體基礎塊的破壞模式(Fleming ,1985)。世界各國許多規範規定基樁最小間距約為樁頭直徑的2至3.5倍,加拿大基礎工程手冊(1985)則建議再加上樁長度的考量。本規範參考日本建築學會建築基礎構造設計指針(1988)之最小樁距規定,原則上最小間距為樁頭直徑的2.5倍,且不得小於75cm;惟考量特殊情形,如打入式鋼樁其對周圍土壤之擠壓變形量較小,基樁彼此間相互影響之程度較小,因此降低最小間距值;場鑄混凝土樁施工時因對周圍土壤造成鬆弛及澆灌後樁體的成形時間因素,因此限制最小樁間距為樁頭直徑之2.5倍,且不得小於樁直徑加1m;擴座基樁則提高最小間距值,以減少擴座施工過程可能對鄰樁造成的影響及端點應力重疊影響。

5.4.2 群樁總支承力

1.群樁垂直支承力
(1)座落於堅實地層中且其下方無軟弱土層之點承樁,其間距大於第5.4.1節之規定者,群樁之總支承力為各單樁端點支承力之和。
(2)座落於砂土層中之群樁,其間距大於第5.4.1節之規定者,群樁之總支承力為單樁支承力之和。
(3)座落於粘土層之群樁,其總支承力可分別依下列方法計算,並以其中較小者為設計值。
a.將群樁視為一整體之基礎塊,並以其底面之支承力及四周摩擦阻力之和,為整體之支承力。
b.以單樁之摩擦阻力乘以樁數後之總和,再乘以適當之折減 值,加上各單樁端點支承力之總和,為群樁之整體支承力。
2.群樁拉拔力
群樁之容許拉拔力,應就下列二計算結果,取其較小者:
(1)群樁之各單樁容許抗拔力之總和。
(2)按下式之計算所得。
式(5.4-1)
式內
=群樁之短期容許抗拔力(tf)
W=群椿間土壤及樁體之總重量,並應考慮地下水之影響(tf)
=群樁之外圍周邊長度(m )
L=樁長(m )
=土壤之抗剪強度(tf/m2)
基樁抗拔安全係數,短期載重為3.0,長期載重為6.0。
3.群樁側向支承力
若地表面呈水平,設計地盤面位於樁帽底部且基樁間距大於第5.4.1節之規定者,以各單樁側向支承力之和,為群樁之總支承力。
4.群樁負摩擦力
群樁之負摩擦力,可考慮各樁之相互影響予以折減。群樁中單樁之負摩擦力,應就下列二計算結果,取其較大者:
(1) (5.4-2)
 
如圖5.4-1所示,式中
中立點以上各樁之負摩擦力平均值(tf)
樁群之外圍周邊長度(m )
基礎底面至中立點間各土層之厚度(m )
基礎底面至中立點間各土層之剪力強度(tf/m 2)
扣除樁斷面積之樁群底面積(m 2)
基礎底面至中立點之距離(m )
間土壤之平均有效單位重(tf/m 3)
樁數
(2) 式(5.4-3)
 
式中,群樁中任一樁之負摩擦力(tf)
不考慮群樁效應之單樁負摩擦力(tf)
圖5.4-2所示各樁之負摩擦力分擔面積(m2)
(m2)

=(m)
樁徑(m)
表面負摩擦力(tf/m2)


圖5.4-2 群樁中計算單樁所

圖5.4-1 群樁之負摩擦力 受負摩擦力之分擔面積
【解說】
  1. 受基樁與土壤間互制效應之影響,群樁支承力不一定等同於單樁支承力之和,而與基樁種類、地層條件及基樁間距有關。但由於對樁帽的影響、沿樁身的摩擦力分佈、樁與樁的應力重疊、施工過程對鄰近土壤的影響、以及時間因素如壓密、復硬性、地下水位變化等,其影響程度均甚難評估,因此工程應用上常採簡化的方式,考慮單樁支承力乘以樁數之總和,或將群樁視為一整體基礎塊,即樁間土壤與樁一起移動時發揮之支承力,比較兩種情況取較小者為群樁支承力;通常,在樁間距小時,較可能產生由後者控制群樁支承力。

  2. 座落於堅實地層如緊密砂層或堅硬卵礫石層之點承樁,因其應力重疊效應對基樁端點支承力之發揮機制影響不大,故只要間距大於第5.4.1節之規定者,群樁之總支承力可視為各單樁端點支承力之和。
    座落於砂土層中之打入式基樁,因基樁貫入過程已使土壤趨於緊密,基樁週邊及端點土壤不論是密度、PT-N值或是CPT-值均較原土壤為高,因此一般亦考慮群樁之總支承力為單樁支承力之和。座落於砂土層之鑽掘式基樁,間距在約6-8倍樁徑以下時,本應考慮群樁效應做適度之折減,惟考慮樁帽對群樁整體支承力之貢獻,若經確認樁帽與其下方土壤不致分離,且基樁間距大於5.4.1節者,可不予折減,以單樁支承力之和為群樁總支承力。座落於粘土層(尤其在高靈敏度的土層)之群樁,樁帽提供之支承力貢獻尚無法涵蓋群樁互制影響引致之支承力損失,故其群樁垂直支承力應就第5.4.2節的規定予以適當考量。
  3. 式(5.4-1)中的是群樁間土壤與樁體之總有效重量,由於係一確定之抗拉拔因素,故未考慮安全係數,惟在決定容許拉拔力時,受拉拔時之樁身摩擦阻力安全係數,仍應依表5.3-3之支承力推估公式安全係數規定。
  4. 基樁間距約在6~8倍樁徑以下時,群樁的側向支承力須折減,惟並無考慮樁帽對整體側向支承力的效應。一般的設計條件下,樁帽通常為剛性,若設計地盤面位於樁帽底部,則側向力應為樁帽與土壤間的摩擦力、被動土壓力及基樁所共同承受,非單獨由基樁承受;且側向力作用之下,一般樁帽的側向位移均不大,樁間彼此的影響程度也相對的降低,因此在樁間距大於5.4.1節者可不予折減。但若設計地盤面非位於樁帽底部時,在相同位移條件之下,群樁側向支承力須予以適當折減。
  5. 群樁負摩擦力的折減係參考日本道路橋示方書之建議,式(5.4-2) 係將群樁視為一整體之基礎塊,假設負摩擦力沿群樁基礎塊表面發生時,分擔至群樁間各單樁之負摩擦力。式(5.4-3)則係假設負摩擦力沿樁群中各單樁表面發生,當樁距較大時依式(5.4-3)計算得之群樁中各單樁負摩擦力可能與單樁負摩擦力相同,但當基樁間距小於某一值時,負擔摩擦力將因相鄰基樁重疊效應之影響而減少。

5.5 變位量

5.5.1 單樁沉陷量

單樁之沉陷量應包含樁身受壓之變形量,及載重造成樁尖底部地層之變形量。
【解說】
    樁受載重作用所產生之樁頭瞬時沉陷量可區分為三部份,即樁體受壓之彈性變形量,傳遞至樁尖之端點載重與樁身摩擦力分別引致之地層沉陷量,上述三項可依Vesic(1977)半經驗方式推求
    (1)樁體彈性變形量, (m)
      式(解5.5-1)
      式中 =工作載重作用下之基樁端點載重(tf)
      =工作載重作用下之樁身摩擦力(tf)
      =樁長(m)
      =基樁截面積㎡
      =基樁彈性模數(tf/㎡)
      =基樁樁身摩擦力分佈型態之係數
        一般基樁樁身摩擦力之分佈呈各種不同型態(圖5.5-1),於凝聚性土壤呈矩形分佈(=0.5),非凝聚性土壤則呈立三角形分佈(=0.67);若受長期潛變及土壤壓密特性之影響,值宜以樁載重試驗結果決定之。
    α=0.5  α=0.5    α=0.67 α=0.33

    圖-解5.5-1 樁身摩擦力分佈型態與α值

    (2)樁端荷重所引致之沉陷量,(m)
      式(解 5.5-2)
      式中 樁徑(m)
      樁端點之極限支承壓力(tf/㎡)
      經驗常數,與土壤種類及施工法有關,如表-解5.5-1所示

表-解 5.5-1 不同土壤種類及樁種所採用之

     
    土壤種類
    打入式基樁
    鑽掘式基樁
    砂土(緊密至疏鬆)
    粘土(堅實至軟弱)
    粉土(緊密至疏鬆)
    0.02∼0.04
    0.02∼0.03
    0.03∼0.05
    0.09∼0.18
    0.03∼0.06
    0.09∼0.12
    (3)樁身摩擦力所引致之沉陷量,(m)
      式(解5.5-3)
      式中=樁埋置長度(m)
      =經驗常數= 式(解5.5-4)
    (4)單樁總沉陷量,
式(解5.5-5)
    於載重作用下之基樁沉陷行為受到甚多因素之影響,實際基樁之沉陷量仍應以樁載重試驗結果印証之。

5.5.2 群樁沉陷量

群樁之沉陷量應考慮樁身受壓之變形量,及群樁底部地層受群樁合力影響而生之變形量。若底部地層為可壓縮性土壤時,應依第4.4節規定之方法,計算其沉陷量。
【解說】
在一般常用樁距條件下,由於相鄰基樁之應力重疊,導致地層所受應力增大且應力影響深度加深,因此群樁之沉陷量與沉陷延續時間往往大於單樁之情形。

由以往之研究結果顯示,群樁之沉陷量與地層條件、樁徑大小、載重與極限支承力比值、基樁施工方法、樁長、樁基寬度、樁長比以及樁帽支承效應等有密切之關係,目前之研究尚無法提出一套能考慮眾多複雜因素之群樁基礎沉陷計算方法,一般實務上多以等似墩基模式之近似方法推估群樁基礎之沉陷量。

等似墩基模式即將樁群及其所圍成之土壤視為一塊狀墩基礎,基礎之尺寸即為樁群外緣所圍成之範圍,沉陷之計算方式,一般則按淺基礎如第4.2節所述之方法估算,至於假想墩基礎底面之位置,則視樁群座落之土層性質與分佈、以及基樁之承載行為等而定,可參考圖-解5.5-2決定之。

利用前述方法所估算得之沉陷量通常會較保守,特別是對樁長較深之情形常有高估之現象,此係因樁基礎實際之應力分佈與圖-解5.5-2之假設不一致所致,建議可參考Geddes (1966)推導之公式估算地層之應力增量,再據以推估樁基之沉陷,可得較合理之沉陷值。

5.5.3 群樁側向變位量
群樁之變位量得將樁帽視為剛體,基樁及周圍地盤視為彈性體並依結構理論分析推估之。
【解說】
基樁承受側向力之作用為樁體-土壤的互制行為,當樁頭有側向力或力矩作用時,基樁須靠周圍土壤的變位以產生反力抵抗之,即土壤必須足以承受外力之合應力,且必須在容許變位之下;上述側向變位應同時考慮群樁間之相互影響及樁頭之束制條件。

考慮容許變位之限制,群樁之側向變位分析一般係以Winkler之彈性基礎梁為理論依據,考慮土壤於線彈性或彈塑性模式下,基樁承受水平力或彎矩等外力作用下之變形行為。分析時通常假設樁帽為剛體,基樁及周圍地盤為彈性體,根據單樁之水平地盤反力係數,及不同基樁配置與樁頭束制條件,依結構理論求解群樁之垂直與水平變位及轉角。

基於土壤非為彈性體之事實,Reese & Matlock則根據實際側向樁載重試驗資料,提出土壤非線性關係之基樁側向荷重-變位曲線(p-y curve)法,配合彈性基礎梁理論及電腦數值解析,可同時分析群樁於不同土層分佈、基樁型式、配置及外力狀況下之側向行為。 

5.5.4 容許變位量
樁基礎之容許變位量應依第4.4.8節及第5.3.3節之原則考慮,而以其所支承構造物之容許變位量為度。
【解說】
經由樁帽之連結,群樁多形成剛性較淺基礎為大之基礎系統,對於滿足支承力需求之群樁基礎,於工作載重作用下之變位應符合上部結構之容許沉陷量及角變量為設計基準。
一般基樁(彈性基礎)之水平變位量以限制在彈性變位量內為原則,因此除非上部構造物對變位量有非常嚴格之要求,否則容許水平變位量為樁基礎本身所控制。依據載重試驗結果,基礎彈性變位量多在基礎寬(或樁徑)之1%以內,以樁基礎而言,可確認基樁彈性變位量之最小值為1.5公分。

5.6 樁體結構設計

5.6.1 木樁

  1. 樁材須為已剝皮之生圓木,不得有開裂等缺陷。
  2. 圓木樁最小直徑不得小於15cm,其直徑變化須均勻,上下端中心點之連線不得超過樁外。
  3. 木樁斷面除須能承受基礎之載重外,尚應能承受搬運、吊樁及打樁時之最大應力,其設計須符合建築構造編第四章之相關規定,其容許支承力應按木樁之最小斷面計算。
  4. 木樁應採取適當處理以保護樁材免受菌蟲害而影響基樁品質。

5.6.2 預鑄混凝土樁

  1. 預鑄混凝土樁所使用之材料,如混凝土、鋼筋、預力鋼線、鋼鉸線、硬鋼線或鋼棒等,均須符合建築構造編相關章節之規定。
  2. 預鑄混凝土樁之樁體須能承受依基礎設計之載重及搬運、吊樁及打樁時之最大應力,其結構設計應符合建築構造編第六章之相關規定。
  3. 以離心法製造之空心鋼筋混凝土樁,其設計得比照CNS1260•A2031之規定辦理。非以離心法製造之鋼筋混凝土樁應符合下列規定:

  4. (1)預鑄鋼筋混凝土樁之混凝土規定抗壓強度不得少於280kgf/cm2,設計載重下所受之單位支承應力不得大於其規定壓力強度之三分之一。
    (2)基樁內之主鋼筋,方樁不得少於4支,圓樁及八角樁不得少於6支;主鋼筋直徑不得小於16mm,且鋼筋總斷面積不得少於樁斷面積之百分之一。
    (3)主鋼筋須以箍筋或螺筋紮緊,箍筋直徑不得小於6mm,樁兩端各三倍樁徑(或寬度)範圍內,箍筋間距不得大於8cm,其餘部份間距不得大於20cm。
    (4)混凝土樁主鋼筋之保護層,不得少於5cm。
    (5)須打擊入堅硬地層之基樁,樁尖須配置錐形或平底形鋼質或鑄鐵片,以防樁尖受損,樁尖端與混凝土之接觸面需足以承受打擊時所產生之應力。
  5. 以離心法製造之空心預力混凝土基樁,其設計得依照CNS2602•A2037之規定辦理。非以離心法製造之預力混凝土樁應符合下列規定:

  6. (1)預力混凝土樁之混凝土規定抗壓強度不得少於350kgf/cm2
    (2)預力混凝土樁,樁長在10m以下者,有效預力不得少於30kgf/cm2,樁長10~15m者,有效預力不得少於40kgf/cm2,樁長15m以上者,有效預力不得少於50kgf/cm2
    (3)預力混凝土樁之容許壓應力不得大於下式之規定式(5.6-1)
    式內
    混凝土容許壓應力(kgf/cm2)
    混凝土規定抗壓強度(kgf/cm2)
    有效預力(kgf/cm2)
    (4)預力樁內預力鋼線或鋼鉸線,須以箍筋或螺筋紮緊,有關箍筋之規定比照第5.6.2節中3.(3)款之規定。
    (5)基樁內預力鋼線或鋼鉸線之保護層得比照第5.6.2節中3.(2)及3.(4)款之規定。
【解說】
  1. 預鑄混凝土樁樁體結構可按工作應力法或強度設計法設計,以工作應力法設計時,材料之容許應力應依本節及中國土木水利工程學會出版之「混凝土工程設計規範與解說-附篇A」之規定,採用強度設計法時則應按建築構造編第六章及「混凝土工程設計規範與解說」之相關規定設計。
  2. 為避免基樁打設時發生樁頭或樁身破裂之情形,打入式基樁於設計時應對打樁時可能產生之最大壓應力與最大張應力詳加分析,必要時應規定所使用打樁機之錘擊能量、樁墊材質、尺寸及施工順序等。打樁應力分析可藉動態分析程式(如WEAP)或半徑驗公式(如宇都、冬木公式(1975))等評估,打樁時之最大壓應力不得大於(0.85-有效預力),最大張應力於一般地層環境不得大於(0.25+有效預力),在腐蝕環境中不得大於有效預力值。
5.6.3 場鑄混凝土樁

場鑄混凝土樁所使用之材料及其樁體結構設計除須依照建築構造編第六章相關之規定外,並應符合下列規定:

  1. 場鑄混凝土樁之混凝土規定抗壓強度不得小於210 kgf/cm2,且最小水泥量不得低於300 kgf/m3,於水中或泥水中打設時,其水泥量不得低於375 kgf/m3
  2. 場鑄樁澆注之混凝土強度應視混凝土之規定抗壓強度及其澆注環境做適當之提高。於水中或泥水中打設時,澆注時採用之混凝土強度應按規定抗壓強度再提高35kgf/cm2
  3. 於水中或泥水中打設之場鑄樁,其混凝土容許壓應力不得大於混凝土規定抗壓強度之百分之二十二,且不得大於60 kgf/cm2。於乾燥狀況下打設時,其容許壓應力不得大於混凝土規定抗壓強度之四分之一,且不得超過70 kgf/cm2
  4. 基樁內主鋼筋不得小於6支,主鋼筋直徑不得小於19mm,且鋼筋總斷面積不得小於樁斷面積之千分之五,保護層之淨厚度不得小於7.5cm,箍筋直徑不得小於13mm。
  5. 場鑄樁之施工應儘可能保持垂直,原則上樁身之最大偏心距,不宜超過樁長之七十五分之一,且基樁應力分析應考慮此偏心彎矩之影響。
【解說】
  1. 場鑄樁樁體結構可按工作應力或強度設計法設計,以工作應力法設計時,混凝土之容許應力應遵守本節第3條之規定,鋼筋之容許應力及其他設計細則可參考「混凝土工程設計規範與解說-附篇A」之規定。採用強度設計法設計時則應按建築構造編第六章及中國土木水利工程學會所編「混凝土工程設計規範與解說(土木401-86)」之各章節有關規定設計。
  2. 場鑄混凝土樁在距樁頂面之範圍內,其箍筋之間距不得超過構材斷面最小尺度之1/4,且不得大於10分分。之長度不得小於(1)在樁頂面處之構材斷面深度或任何可能發生撓曲降伏斷面處之構材深度。(2)基樁彎矩反曲點深度之1/3。(3)45公分。在距樁頂面之範圍外,橫向箍筋之間距不得超過構材斷面最小尺度之1/2,且不得大於60公分。 

5.6.4 鋼樁

  1. 鋼樁包括鋼殼樁、鋼管樁及型鋼樁,使用鋼材之品質、形狀及尺寸等,原則上應符合國家標準。鋼樁外露,可能袘k之鋼材厚度,不得考慮承受應力,否則應施予防蝕保護。
  2. 鋼殼樁

  3. (1)為在基樁位置先行打入底部密閉式之金屬或鋼殼套,再行灌注混凝土或鋼筋混凝土而成之樁。其殼套厚度不得小於1.8mm,樁徑不得小於45cm,樁尖部份直徑不得小於20cm。
    (2)鋼殼樁之金屬或鋼殼套,不得視為基樁支承載重之一部份。
    (3)鋼殼樁內灌注混凝土之規定壓力強度不得小於210 kgf/cm2,鋼筋混凝土樁體之設計應符合建築構造編第六章之相關規定。
  4. 鋼管樁

  5. (1)為在基樁位置先行打入鋼管,以作為支承載重之基樁,鋼管中亦可再灌注混凝土,而使鋼管與其內之混凝土共同支承載重。
    (2)鋼管樁外徑不得小於250mm,壁厚不得小於9mm。鋼材之最低降伏強度未達2550kgf/cm2時,鋼管之容許應力不得大於最低降伏強度之百分之三十五。鋼材之最低降伏強度大於2550kgf/cm2時,鋼管之容許應力不得大於最低降伏強度之百分之三十。
    (3)鋼管中灌注混凝土用以共同支承上部載重者,其混凝土之規定抗壓強度不得小於210 kgf/cm2。混凝土之容許應力不得大於規定壓力強度之三分之一。
  6. 型鋼樁

  7. (1)為以型鋼直接打入地層以支承載重之基樁,其任何斷面厚度均不得小於10mm。
    (2)型鋼之翼版突肢長度不得超過翼版或腹版厚度之13倍,且翼版寬度不得小於型鋼深度之百分之八十,其標稱深度不得小於200 mm。
    (3)型鋼樁之鋼材容許應力,比照第5.6.4節中之3.(2)款之規定。
  8. 鋼樁應按實際需要,予以補強,以避免搬運、堆置或打樁時,產生樁體變形。

5.6.5 接樁

  1. 基樁以整支應用為原則。必須接樁時,其樁頭不得在地表下三公尺以內,且接頭不得發生脫節或彎折之現象。

  2. 經接續之基樁,其容許壓應力應根據接頭形式及接樁次數折減之。其折減率可參考表5.6-1,如非採用打擊方式設樁時,則折減率得採用表5.6-1所列數值之半。
【解說】
  1. 接樁之位置應避開彎矩應力大及地下水位上下變動之範圍,接頭之斷面及強度須能承受基礎設計之載重、吊樁及打樁時之最大應力,同時應考慮腐蝕之影響。
  2. 樁本身接樁次數愈多,愈影響到其本身可傳遞之應力值,此種現象對打入式基樁影響尤甚,因此本規範建議打入式基樁之接樁,其容許應力值採較高之折減率。

5.7基樁載重試驗

5.7.1試驗目的及適用範圍

  1. 基樁載重試驗之方法包括靜載重試驗、動載重試驗或其他方式之試驗,其目的為求取或推估單樁於實際使用狀態或近似情況下之載重-變形關係,以獲得判斷基樁支承力或樁身完整性之資料。基樁載重試驗可分成極限載重試驗及工作載重試驗。
  2. 極限載重試驗係用以確定所選擇之基樁於該基地之適用性及與設計極限支承力之符合性為主,於下列情況時,基樁之設計,均需以極限載重試驗,驗證其承受載重之能力:

  3. (1)供公眾使用或極具重要性建築物之基樁。
    (2)基樁沉陷將對結構物安全及使用功能具影響者。
    (3)於基地鄰近地區之類似地層狀況中,缺乏同類型基樁之載重試驗資料時。
    (4)基樁支承於軟弱之地層狀況時。
    (5)基樁承受長期拉拔力之狀況。
    (6)基樁設計載重量超過一般之使用範圍時。
    (7)根據第5.3節之計算,所得之支承力與該地區之基樁使用經驗值有重大差異時。
  4. 基樁施工完成後,應以工作載重試驗確定基樁之支承力及施工品質符合設計需求。
  5. 用於極限載重試驗之基樁,若於試驗中該樁已達降伏狀態,應檢討其作為永久性基樁之適用性。
【解說】
  1. 由於土體本質上之複雜性且其性質受施工行為之影響甚鉅,而基樁施工後之成效有很高之不確定性,且基樁與土體間應力與變形之傳承行為亦甚複雜,依據5.3節估算之基樁支承力實難以絕對正確,而對於載重-變形關係之推估則更形困難,故有必要以基樁載重試驗加以確認或修正。
  2. 基樁載重試驗以靜載重試驗為主,其可依需求進行垂直支承力拉拔力及側向支承力之載重試驗。依試樁時間及目的的不同,可盡分為前期試驗及驗証試驗。前期試驗指於設計階段初期或之前即進行基樁打設及極限載重試驗,除可確認基樁工法之施工可行性並訂定施工程序外,可藉由極限載重試驗結果推求基樁之載重-變形關係及容許支承力以作為設計之依據。而驗証試驗則於正式施工期間或完成後進行極限載重試驗或工作載重試驗,用以確認基樁之支承力及施工品質符合設計需求。
  3. 近年來由於電子科技之快速發展,使得動力載重試驗逐漸應用於基樁之檢測,由於具有快速經濟且非破壞性之優點,故基樁之驗証試驗除靜載重試驗外,亦可輔以動載重試驗。目前基樁之動載重試驗,可歸納為三種,分別為低應變試驗、高應變動態試驗及高應變動能試驗,三種試驗主要用於基樁之完整性檢測上,故又稱為基樁之完整性試驗,而後兩種試驗使樁身承受高應變,亦可用以推求基樁之極限支承力。有關基樁之動載重試驗方法及應用可參閱地工技術第52期(民國84年12月)倪勝火“基樁之非破壞性檢測與案例”,梁明德、葉吉芳“基樁完整性之高應變變動力檢測方法”及張有恆“淺談基樁之支承力試驗”。
  4. 對於場鑄之鑽掘樁及植入式基樁、或點承樁,由於承載之土壤破壞後,強度不易完全復原,若擬將已達降伏狀態之試驗樁作為永久性基樁使用時,應詳加檢討並做必要之折減。
  5. 5.7.2試樁之選擇

    1. 選擇試驗用之基樁應具代表性,並就設計條件、地層變化及施工狀況選擇適當之試樁項目。
    2. 試樁總數目應不少於總樁數之百分之二,且不應少於2支,其中工作載重試驗之試樁數目不少於總樁數之百分之一,且至少應有1支。總樁數超過300支時,得視地層狀況及實際需要調整試樁數目。
    3. 基樁載重試驗部份得採用動載重試驗法,惟動載重試驗之數量不得超過總試樁數量之一半,且動載重試驗之有效性及正確性須先予以確認。
    【解說】
    1. 不同基樁種類、樁徑、支承地層及受力方向均應進行基樁載重試驗,其總數量不得低於第2款之規定。對於施工品質有疑慮或施工時發現與設計情況有差異時,均須增加工作載重試驗數量予以驗証。
    2. 以動載重試驗驗証基樁之支承力時,其測試結果須進行訊號比對分析,並須與靜載重試驗結果進行校正,以求得適當之動力及靜力參數後,作為其他同類基樁動載重試驗之依據,始能得到較有效及正確之分析結果。
    3. 對於樁體品質有疑慮之基樁,可以動載重試驗方法取代工作載重試驗,以進行樁體之完整性檢測。

5.7.3試驗前之考慮

    試驗前應充分檢討基樁之種類、截面積、貫入深度、使用目的及承受之載重狀況,並決定試驗之最大載重、試驗方法、量測目的與精確度。
【解說】
    試驗前應依基樁種類、尺寸、使用目的、承受之載重狀況及場地擬定試樁計畫,其內容至少應包括
  1. 試驗最大荷重或變位量
  2. 加載程序
  3. 載重與反力裝量,及其應力檢核
  4. 量測項目及儀器裝量、型號與精度
  5. 場地配置及安全措施等
  6. 量測記錄圖表格式

5.7.4試驗方法

    原則上,載重試驗之裝設、加載、量測及精度應足以精確量測基樁試驗過程之力學行為,並據以推估其支承力及變形量。國家標準已有規定者應依該等標準辦理。
【解說】
  1. 靜載重試驗方法及標準,依垂直載重、拉拔力及側向載重,可分別參考美國材料試驗學會ASTM D1143, D3689及D3966。
  2. 試驗前應將試驗量測儀器進行校正,以確保量測資料之正確性。
  3. 應將試驗結果繪成樁頭載重(P)-變形量(S)、時間(t)-變形量、載重-彈性變形量及載重-殘留變形量等關係曲線,以作為試驗結果研判之依據。
  4. 試驗結果之研判方法分為降伏載重及極限載重兩類。

  5. (1)降伏載重之研判
        可採log P-log S,S-log t及 △S/log t-P等三法作綜合研判,其方法可參照日本土質工學會「土質調查法」第10章之規定辦理。
    (2)極限載重之研判
        有關基樁試驗極限載重之研判方法有很多種,研判結果亦均不同,一般較常用之方法包括有Terzaghi之10%法、Vender Veen法、Fuller及Hoy法、以及Davisson法等方法(李建中,1984)。

5.7.5試樁之載重

  1. 原則上,極限垂直載重試驗之最大試驗載重應加載至土壤支承力破壞或推估之極限支承力。
  2. 工作載重試驗之最大試驗載重不得小於極限支承力之2/3倍。
【解說】
  1. 極限載重試驗係以確認地層之極限支承力符合設計需求為目的,故其最大試驗載重應達地層支承力破壞或推估之極限支承力為止。
  2. 工作載重試驗係以確認所構築之基樁具有足夠之安全係數為目的,即必須在基樁極限支承力之2/3倍載重下,基樁尚未發生降伏現象,才能符合設計需求,故基樁之設計支承力若係依樁載重試驗結果推估者,其工作載重試驗之最大試驗載重不得小於設計支承力之1.5倍;若設計支承力係由支承力公式推估者,其工作載重試驗之最大試驗載重不得小於設計支承力之2.0倍。

5.7.6試樁之靜置時間

    試樁應考慮基樁裝設過程中地層孔隙水壓及強度變化之影響。原則上,砂質地層中之試驗樁應靜置五天以上,於粘質地層中則應靜置十四天以上,始可進行試樁。如為場鑄樁則應待混凝土已產生足夠強度後再進行試驗。
【解說】
  1. 美國材料試驗學會ASTM D1143-81規定基樁打設完成後應靜置至超額孔隙水壓消散及土壤強度復原後始得進行試驗,靜置時間與超額孔隙水壓量、土壤性質及土壤擾動程度有關,約在3天至30天左右,甚至需要非常長之時間,如台北地區之基隆河黏土層(張吉佐等,1993)。靜置時間不足之試驗結果,可能錯估基樁之支承力。但對於考慮負摩擦力之基樁則可能高估其支承力,應特別注意。為慎重計,可裝設水壓計確認之。
  2. 進行場鑄樁之試樁前,應依擬訂之試驗載重計算樁身於試驗時將承受之應力,須待混凝土養治已達足夠強度後始得進行試驗。一般樁身混凝土所需之養治時間將比混凝土圓柱試體之養治時間為長,須予以注意。 
參考文獻:
    周功台(1992)“淺談大地工程設計之安全係數”地工技術雜誌第三十七期,中華民國81年3月,PP59-67


參考文獻

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  4. DM-7.2
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  6. Transportation Research Board (1977), Design of Pile Foundations, NCHRP synthesis of Highway Practice
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  9. Reese, L.C. & Matlock, H, Non-dimensional Solutions for Laterally Loaded Piles with Soil Modulus Assumed Proportional o depth, Proceedings, Eight Texas Conference on soil Mechanics and Foundation Engineering, Austin , Texas, ASCE,1956.
  10. Poulos, H.G. & Davis, E.H. (1980), Pile Foundation Analysis and Design.
  11. 新•土シ基礎ソ設計計算演習