全套管基樁設計施作與品質驗證

前言

中科新建廠房廠區位於大肚山山坡地上，基地地形由西向東向下傾斜約10%；為符合環評承諾達成基地內土方平衡減少土方外運，FAB必須抬高，以致約40%結構基礎版承載於回填級配與回填土方上，回填厚度最深達10公尺。

經地質鑽探結果得知，本基地土質上層為1.40~6.80公尺的表土覆蓋層，屬粉土質黏土層。下層為卵礫石夾黃棕色粉土質砂層，礫石以石英質砂岩為主，粒徑由數公分至數十公分不等，顆粒呈圓球形至橢圓形。基地東側結構體下方為較軟弱之回填土，存在差異沉陷之虞慮，為克服東西向不平衡土壓力，於結構體下方設計配置載重基樁，使建築物結構基礎透過基樁直接承載於卵礫石層。

考量本基地之卵石粒徑可達數十公分，且莫氏硬度（Mons’ Hardness Scale）高達7，由於基樁設計長度由5公尺到24公尺，以一般鑽掘樁施工機具較不易穿過卵礫石層，若以人工挖掘式基樁施工，有開挖面崩塌造成施工人員遭掩埋之風險，因此本案選用全套管基樁工法施作。

全套管基樁設計與驗證

基樁設計原則

建築物本體及各附屬設施之載重力，包括垂直壓力、水平力及拉拔力，或建築物承受外力作用時，將藉由基樁將載重力傳遞到堅硬土層或岩盤，或經由樁表面的摩擦力將載重分布到土體中，如此可解決土層承載力不足與沉陷問題。設計基樁時需考慮樁基礎之變形量、土壤之容許承載力及樁體強度之容許值等。因此基樁施作前須先收集工區地質資料及土壤性質，依土壤數據設計基樁規格，並進行設計樁驗證測試極限載重及抗拉力，再以測試結果修正為實際施作之基樁規格，最後由實際施作基樁中取樣測試其載重能力等性能。基樁設計施作及品質檢驗流程如 圖1。

一般常見的建築物載重基樁形式有：預力PC樁(應用於南科廠區)、全套管基樁(應用於中科新建廠房)、人工挖掘式基樁(應用於中科廠區)；基樁工法選擇主要考量工程場址地質條件，本基地之卵石粒徑可達數十公分，且莫氏硬度(Mons' HardnessScale)高達7，由於基樁設計長度由5公尺到24公尺，以一般鑽掘樁施工機具較不易穿過卵礫石層，若以人工挖掘式基樁施工，有開挖面崩塌造成施工人員遭掩埋之風險，因此本案選用全套管基樁工法施作。

全套管基樁承載力計算

單支基樁之極限垂直承載力包含由樁周表面提供之摩擦阻力及由樁底端點提供之承載力。計算公式如下：

其中

Q_u：極限垂直承載力
Q_a：容許垂直承載力
FS：樁總承載力之安全係數
Q_s：基樁表面摩擦力
FS1：表面摩擦力之安全係數
Q_b：基樁底承載力
FS2：基樁樁底承載力之安全係數
f_s：基樁表面磨擦阻力
A_s：基樁樁身表面積
q_b：基樁樁底極限承載力
A_b：基樁樁底的斷面積

內政部「建築物基礎構造設計規範」規定樁底承載力與樁表面摩擦力之安全係數 表1，本工程於基樁設計前期，設定3組基樁設計載重試驗，取得基樁實際承載情形及相關數據進行基樁設計，依規範當樁基礎之極限垂直承載力係經由現場載重試驗求得時，基樁容許承載力之安全係數可由3調降2（平時）及2調降1.5（地震時），其值如 表1規定。

全套管基樁拉拔力計算

依內政部「建築物基礎構造設計規範」，當基樁為均勻斷面，則其理論容許拉拔力得依下式計算：

以基樁載重試驗確定極限拉拔力(Q_u)時，容許拉拔力依下式計算：

R_a：單樁之容許拉拔力
Q_u：單樁之極限拉拔力
W_p：樁體重量，需考慮地下水
f_s：樁表面摩擦阻力
A_s：樁身表面積
F_s：拉拔力安全係數

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。單支基樁承受拉拔力時，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。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，惟基樁拉拔力之安全係數可由3調降1.5（短期）及6調降3（長期），其值如 表2規定。

基樁設計及載重驗證

載重基樁起始設計時須考量地層變異及基樁種類規格等變數，並加上安全係數以降低風險提高安全性，基樁設計時或施作完成後再以設計載重測試其承載力，以驗證基樁性能。

在建築物結構基樁未施工前，先進行設計基樁之極限載重試驗又稱試樁，經由工區現地驗證設計基樁性能，是否安全與經濟，並可作為修正依據，當檢核之設計樁承載力不夠時，可採用加大基樁尺寸數量等方式，來達到基樁荷重需求。

本工程於基地內以樁徑1.5米基樁，採用樁長度10及15米進行極限靜載重試驗，測試結果，承載樁之極限承載力較理論值高出16~18%，經由安全係數折減後，測試樁之容許承載力較理論值高出74%~77%；另外，拉力測試樁之極限拉拔力及容許拉拔力試樁報告較理論值分別高出135%及269%。基樁測驗數據與理論公式計算比較如 表3、表4。

試驗基樁之呆載重試驗如 圖2，拉拔力試驗如 圖3。

基樁測試數據經由大地技師評估後，採用樁載重試驗結果作為設計依據，較符合實際使用狀態且較經濟，但考量樁底點承力在樁體垂直變位較大時才會產生，及基地表層黏土及回填土較軟弱，在設計上僅考慮貫入卵礫石層部份之樁身摩擦力，極限承載摩擦力採50 ton/m²，極限拉拔摩擦力採25 ton/m²，作為設計依據。

全套管基樁工法實例說明

中科新建廠房基地位於山坡地上，基樁須貫入卵礫石層才能有效發揮樁深摩擦力，因應本案結構體承載及基地開挖擋土需求，故設計建築物結構承載基樁共706支，樁直徑2公尺、長度為5~20公尺不等；基地擋土牆基樁共225支，樁直徑1.5公尺、長度為8~24公尺不等；基地開挖擋土排樁共384支，樁直徑1.5公尺、長度為13.4~24.9公尺不等，基樁總共1315支。

全套管基樁施工工法

全套管基樁工法係在可能坍孔或變形地層中進行鑽孔，由套管保護鑽孔孔壁以確保基樁品質，施工方式有二種，其一將套管視為保護孔壁工具以鑽掘器切削。另一種為本案工法，以套管為切削挖掘到樁底深度並保護孔壁，灌漿時再將套管回收，這種工法不考慮地質狀況直接挖掘到樁底 圖4。

全套管基樁應用形式

全套管基樁施工之應用可分為獨立基樁施工、連續排樁施工，分別將其施工法敘述如下。

獨立基樁施工

獨立基樁工法大部分應用於橋墩或建築物結構承載，中科新建廠房FAB 與CUP建築物結構承載皆設計為獨立基樁工法 圖5。

連續排樁施工

連續排樁常用於各類擋土設施，為了工程安全，將於樁頂增加繫樑，用以連接擋土排樁及作為水平性支撐。中科新建廠辦公棟為地上8層及地下4層停車場之深開挖基地，因此在建築基地周圍設計連續排樁搭配地錨工法，作為土方開挖擋土功能 圖6。

全套管基樁施工檢驗程序

全套管基樁工法為現場施工之基樁工法，從定位放樣、鑽掘、混凝土澆置，到載重試驗流程 圖7。

全套管基樁施作完成檢測

中科新建廠房建築物結構承載基樁皆設計為獨立樁，為檢核基樁工程施作成效，於基樁完成後抽驗測試基樁實際載重能力、並以超音波檢測基樁樁體施作完整性。

基樁載重試驗

基樁載重試驗根據使用目的，可分為垂直荷重，拉拔荷重與水平荷重三種試驗。本案樁載重試驗係在工地中利用結構本體樁進行試樁，加載垂直荷重於基樁上，測定其荷重與沉陷量及時間關係，以確認基樁承載力是否達到設計要求質。基樁載重試驗以油壓千斤頂模擬至設計載重量，再以承重樑反力架與錨樁等設備，將荷重施加於基樁上。

本專案共執行3組樁徑2公尺基樁之工作載重試驗，本次基樁承載力測試結果皆符合設計荷重值，且測試樁位移量也小於允許位移量200mm (樁徑×10%=2000× 10%)。基樁載重試驗紀錄如 表5所示。基樁載重驗證試驗如 圖8所示。

基樁完整性試驗─超音波檢測法

全套管基樁完整性之超音波試驗(Ultrasonic Pile Integrity Test)為了解基樁澆置完成後，基樁混凝土斷面之完整性、連續性，其施工品質是否達到原設計之需求及標準，避免出現包土(Soil inclusion)、蜂窩、大規模裂縫及孔洞(Cracks or voids)、品質不均勻和澆置深度不足的現象產生。基樁完整性試驗的原理是利用音波傳遞的原理來施作檢測 圖9，基樁若為均質混凝土，其音波傳遞速度是一固定值，若混凝土中含土壤、灰泥或出現蜂窩時，則其音波之傳遞速度將降低。因此超音波檢測依據此種不同品質之混凝土具有不同之音波傳遞時間現象，利用音波檢測儀之收、發波器置於已施工完成基樁之檢測管內，藉由音波傳遞之速度與深度關係圖形，再依據此記錄曲線圖形加以分析研判混凝土品質的良莠及缺陷。

基樁完整性試驗檢驗管應配合鋼筋籠製作時放置預埋，一般預埋之測管為PVC管或鐵管，長度係配合基樁之長度（含空打部份之長度），並高出樁頂地面至少30~50公分，管底及管頂均應封蓋，安裝時固定於鋼筋籠上。在鋼筋籠吊放完成後，應將完整性試驗管（PVC管或鐵管）管內灌滿水，避免基樁澆置之混凝土在水化過程中造成預留管變形。

基樁完整性試驗流程如 圖10，其檢測時間應在基樁混凝土澆置完成後至少七天，其施作重點如下。

完整性試驗預留管在試驗前應確認管內無污泥雜物，以利完整性試驗施作。完整性試驗時，收波器與發波器應同時拉放，檢測行程中應保持相同深度，以利試驗結果之位置高程及判定。

相鄰兩測管先行施作超音波檢測試驗，再進行對角檢測之試驗，主要測線為1-3及2-4，次要測線為1-2、2-3、3-4、4-1 圖11，故一支基樁會作6條超音波試驗。

基樁完整性試驗結果其評估分析中，依據超音波檢測圖 圖12進行完整性作綜合判別，若檢測出基樁有瑕疵時，應於評估分析中提出基樁於各深程瑕疵情形而區分為次要缺陷、中等缺陷及嚴重缺陷等，並加以說明建議處理方式 表6。

本專案測試結果皆屬於A等級，混凝土澆置品質良好，綜合評估基樁完整性正常 圖13。

結論

中科廠建築物載重基樁選用全套管基樁工法，主要考量本基地位於10%傾斜山坡地上，且40%結構基礎版承載於回填土上，最深回填厚度達10米深，設計基樁鑽掘深度須達到卵礫石層，若以現有鑽掘樁施工機具無法穿過卵礫石層，故選用全套管基樁工法。又台灣地區一般應用全套管基樁工法於橋梁之橋墩基樁工程，因此施工經驗成熟、工程品質穩定，且可以同時間調度數十組機具進場施工，符合本案緊迫工期需求，故全套管基樁工法為適用於台中區域卵礫石地質並符合本案時程之最佳基樁工法。

本全套管基樁工程從地質資料蒐集、基樁載重試驗確認極限承載力、基樁施工後驗證承載力、施工階段查核、基樁性能試驗(含超音波或垂測儀驗證、及載重驗證試驗)等，已建立完整基樁設計及施作品質管理機制，此程序可廣泛應用於後續新基地建廠之基樁工程設計與施工品質管理。

本工程基樁載重試驗所得到之極限承載力較理論推估值，壓力部分多出約16%，拉力部分多出約135%，上述試驗資料可回饋應用於台中區域建廠基樁設計條件中。