桩基础施工中地基土的影响因素分析及应用

◎ 核工业赣州工程勘察院 陈仁祥

前言

桩基础除了在一般工民建中主要用于承受竖向抗压荷载外，还用于港口、桥梁、近海钻采平台、高耸及高重建筑物、支挡结构及抗震工程中，承受侧向风力、波浪力、土压力、地震力、车辆制动力等水平荷载及竖向抗拔荷载等。随着经济技术的发展，人类充分利用空间的意识不断增强，高层建筑愈来愈多，建筑物的结构亦愈复杂，桩基础应用也更加广泛，因此加强桩基础的施工管理、质量监控也愈重要。高楼万丈始于基础，现就桩基础施工中地基土的影响因素及应用谈一谈看法与认识。

1、桩基础分类

1.1 按使用功能可分为四类

（1）竖向抗压桩：主要是承受竖向受压荷载，根据荷载传递机理又可分为四类。

①摩擦桩：桩顶荷载主要由桩周侧阻力承受，桩端阻力小到可忽略不计，桩长一般大于30米；

②端承摩擦桩：桩端阻力分担荷载的比例较大，但不大于30%；

③摩擦端承桩：桩顶荷载主要由桩端阻力承担，桩侧阻力分担荷 载的比例不超过50%；

④端承桩：桩顶荷载主要由端阻力承担，桩周土侧阻力小到可忽略不计，通常指嵌岩桩。

（2）竖向抗拔桩：主要受竖向上拔荷载的桩，如抗浮桩。

（3）水平受荷载：主要受水平荷载。

（4）复合受荷载：承受竖向、水平荷载均较大的桩。

1.2 按桩身材料分为四类

（1）混凝土桩：该类桩目前使用最为广泛，又可分为预制混凝土桩（预制桩）和灌注混凝土桩（灌注桩）。最常见的有沉管灌注桩，钻、冲孔灌注桩，人工挖灌注桩。

（2）钢桩：由于造价太高，使用量很小，主要用于特殊的大型工程。

（3）木桩：目前工程中已经淘汰。

（4）组合桩：指一根桩由两种或两种以上材料组成的桩，一般可根据地层条件为充分发挥材料特性而组合的桩。不常用。

1.3 根据成桩方法可分为三类

（1）打入桩：分为锤击、振动两种桩方式。

（2）灌注桩：有钻、冲、挖三种形式。

（3）静压桩或叫压入式：即采用无噪音机械压入至设计标高形式的桩。

1.4 按对场地的效应（或根据成桩对土地的影响）分为三类

不同成桩方法对周围土层的排挤和扰动性质不同，将直接影响到桩的承载能力、成桩质量及周围环境。根据成桩对土层的影响可分为挤土桩、部分挤土桩、非挤土桩三类。

（1）挤土桩：在成桩过程中，造成大量挤土，使桩周围土体受到严重扰动，土的工程性质有很大改变的桩，这类桩主要有打入或静压成桩的实心桩和闭口预应力管桩、钢管桩及沉管灌注桩等。挤土桩在成桩过程中因桩的挤土作用会引起场面隆起、土体侧向移动，对周围的影响很大，对灌注桩还可能会造成断桩、缩径等质量事故，对于预应力管桩会造成如桩的侧移、倾斜、上浮（上抬）等质量事故。

（2）部分挤土桩：在成桩过程中引起部分挤土效应，桩周围土受到一定程度的扰动，这类桩有H型钢桩、开口预应力管桩、冲孔灌注桩、螺旋桩。

（3）非挤土桩：顾名思义，对周围土体基本没有扰动，这类桩有钻孔桩、挖孔桩、灌注桩、预钻孔植桩、旋挖灌注桩等。

1.5 按桩径分三类

（1）大口径桩：D≥800mm。

（2）中等口径：250mm＜D＜800mm。

（3）小桩或微型桩：俗称树根桩：D≤250mm，长细比L／D值较小，因为其施工空间要求小，对原有建筑物基础影响小，施工方便，可在任何土层中成桩，并能穿透原有基础等特点，因此在地基托换、支护结构、抗浮、多层住宅处理等工程得到广泛使用。

2 桩基础施工中来自场地岩土工程地质条件的影响因素

一般来说，在基础设计、施工中，场地工程地质条件、水文地质条件，即地基条件是左右基础形式、形状、尺寸、支承方式、施工工艺、方法等的相当重要的条件，具有什么样的地质条件，即选用什么样的基础型式，选择什么样的施工方式、工艺、方法，那么到底受那些地质条件的约束呢？针对桩基础，可以归纳如下几点：

2.1 持力层的强度、深度及特性

（1）持力层的强度：对于硬质岩嵌岩桩，从目前国内机具设备来看，冲击钻优于旋转钻进。

（2）持力层的深度：过深，对于人工挖孔桩，就有很多不利因素，一是作业较困难，通风成本也较高，排水难度也大，人身安全性也较差；同样持力层埋藏太深，也难以发挥预应力管桩的经济优势。

（3）持力层的特性方面：如有一些岩石风化物具浸水易软化的特点，对于预应力管桩选型方面就应考虑此问题，一般宜选用闭口型。另外，在挖孔桩清底时，也要考虑受此影响。

2.2 地层结构及特性

对桩基础施工影响较大，甚至决定采用不同的桩型、成桩方式主要包括：

（1）有无卵、砾石层及其粒径大小，如果土层中有粒径大于100mm的卵石，那么成孔的效率就将降低，也较容易产生成桩事故，一般情况下，地质勘察报告中的粒径多半都是根据钻探取样收集的资料，然而，根据以往的施工经验，实际在土中的卵石粒径为地质报告中粒径的三倍左右，因此施工中在分析判断卵石粒径时要考虑这一因素。

（2）持力层以上软弱土层的情况，若有厚度较大的软弱层，对采用沉管灌注桩、人工挖孔桩是极为不利的，必须采取有效的质量保证措施。

（3）有无流砂层，或其它浸水易产生潜蚀流变的土层，若有对挖孔桩施工工艺极为不利的。

（4）持力层以上有无硬夹层，孤石分布，若有，对预应力管桩是很不利的，若广泛分布，则根本不能采用预应力管桩。同时对钻、冲孔灌注影响也较大，若不采取适当的预防措施，将容易造成桩孔倾斜。

2.3 地下水位及变化情况

对灌注桩的施工影响较大，如钻、冲孔灌注桩护筒的埋设就与此有关，用反循环钻孔法施工时，护筒的顶端高度必须超出最高水位2m以上。

2.4 有无渗流水或承压水及其大小

若拟建场地有承压水，采用灌注桩时，在施工过程中将会产生泥浆护壁困难，出现塌孔，从而造成钢筋笼放不到底，柱底部形成很厚的泥夹层等众多事故，特别是容易导致 桩身产生缺陷，当有高出地表2m左右水头的承压水，灌注桩就比较难于施工。如果有流动的地下水，就将严重影响到混凝土的浇注，特别当地下水流速大于3m/min时，根本就不能浇注混凝土。

3 岩土工程勘察资料在预应力管桩、钻、冲孔桩、人工挖孔桩施工中的指导作用

目前建筑工程中采用比较多的桩基础类型有预应力管桩、钻、冲孔灌注桩及人工挖孔，在这些桩基础施工过程中，合理、准确的运用岩土工程勘察资料，对提高施工效率，减少成桩质量事故，都将是十分有益的。

3.1 预应力管桩

3.1.1 适宜的地质条件

预应力管桩宜用于桩端持力层为较厚的强风化岩或全风化岩、坚硬状粘性土层，密实碎石、粗砂、粉土层。主要是这些土层管桩能进入一定深度，成为摩擦端承桩或端承摩桩，以充分发挥其强度高的特点，从而提高桩的承载力和经济效益。

3.1.2 不适宜的地质条件

（1）持力层以上的土层中含有较多、又有一定埋深、难以清除的孤石或障碍物的场地。

（2）有不适宜作持力层，管桩又难以贯穿的坚硬夹层的场地。

（3）岩面埋藏浅，且倾斜大，上覆土层又松散的场地。

3.1.3 以持力层埋藏情况、岩土特征，合理选择桩型、配制桩长

有些岩土层具有浸水易软化的特点，如全、强风化花岗岩、泥岩、泥质粉砂岩等。宜选用闭口型管桩，即使因考虑到挤土效应采用了开口型 ，亦应及时封堵，否则将弱化桩端土的承载力，根据持力层的深度，合理配制桩长，以免造成过多的截桩浪费，配制时可按预估桩长加长3m考虑。

3.1.4 根据挤土效应合理安排施工顺序

一般遵循的原则：

（1）对于排桩应从中间往两头施工，或分段施工。

（2）群桩应从中央向四周施工。

（3）邻近有建筑物时，应从邻近建筑物一侧向无建筑物一侧施打。

（4）先打持力层埋深大的地段，再打埋藏浅的地段，

（5）对于浅基坑，应先打桩，后开挖基坑，这样有利于基坑的安全。当然为避免截桩的浪费，可进行送桩。

3.1.5 正确确定收锤标准

根据广东省标准《预应力混凝土桩基础技术规程》(DBJ／T15-22-98)规定桩端持力层、最后贯入度、最后1米沉桩锤击数三项主要指标，桩入土深度、总锤击数，每米沉桩锤击数均为选作参考指标。大量的实践证明上述三个主要指标也是随着不同的地质条件而有所侧重。

（1）强风化岩上面有较厚的坚硬状残积土或全风化岩，此时管桩并非一定要进入强风化岩，大致进入全风化岩及坚硬残积土层7-8m，即可满足承载力及变形要求，若非要打入强风化岩，此时，总锤击数就有可能很高，将会导致桩的疲劳损伤，那么在这样的地质条件下，可采用最后1米锤击数作为最主要收锤标准。

（2）有些拟建场强风化岩上覆土层较软弱，管桩穿透上覆软土层后，立即进入强风化岩，桩的贯入度会迅速变小，在这样的地质条件下，应采用最后1米沉桩锤击数作为收锤的最主要指标，这样才能确保桩进入持力层一定深度，以达到一是：由于挤土作用，可明显的增加阻力效果；二是可以保证和提高管桩基础的抗震性能。

（3）对于大面积群桩，先期施打的桩较容易进入持力层，但由于成桩的挤土效应，后打入的桩就有可能进入不了强风化岩，而只能打入全风化岩或坚硬状残积土层。若强行打至强风化岩，就有可能出现前面提到的会打裂或打断桩，此时应以贯入度作为最主要的指标。

（4）部分拟建场地，局部强风化岩持力层很薄，桩端是直接至中风化岩面上，此时，打桩会明显出现反弹，如果继续施打，事必造成管桩打裂、打断，因此，在这样的地质条件下，应结合地质勘察报告，以持力层作为主要的收锤标准。

3.1.6 预钻孔植桩

对于一些剥蚀残丘地貌区，经常会遇到强风化岩面起伏很大，同一拟建建筑物范围内，有的部位强风化岩埋藏浅，有的部位埋藏深，甚至有的部位直接为地坪面，这些部位的管桩可采用预钻孔植桩施工方法，包括一些浅层的硬夹层亦可采用此方法。为防止挤土作用对周边邻近建筑物的影响，边缘部位的桩同样可采用此方法。

3.2 钻、冲孔灌注桩

3.1.1 适宜的地质条件

钻、冲孔灌注桩适应性较强，几乎能适应各种地质条件，当存在有较高水头值的承压水或动水情况下，施工较为困难，若不采取其它防预措施，甚至无法施工。

3.2.2 持力层的确认

可以根据钻进过程中排出的渣质成分与勘察资料中所描述的岩土层成份加以对照，同时结合工程地质剖面图、柱状图、钻进速度予以确认，较为可靠、准确。

3.2.3 选择合适的施工机具、施工工艺和方法

（1）当土层中存在卵石层时，选用回转钻进较之为冲击钻进速度更快、效率更高、更具经济性。

（2）当土层中存在卵石层和其它硬层时，宜选用反循环钻进，(粒径应小于钻管直径)、冲击钻进。当夹有较大的块石、漂石、孤石时，还可同时采用锤式抓头，效果更好。对于特别难以钻进的巨大孤石，还可辅以水下爆破的方法，予以炸裂，这样可大大加快冲进、钻进速度。

（3）当嵌岩深度较大时，特别是硬质岩，从目前国内施工的机具来看，还是选用冲击钻进更经济。

（4）多种方法并用，在沿海一些地区，填方时，往往都填有大量的块石，此时采用冲击钻进时，漏浆现象十分严重，以至于无法施工，在这样的地质条件下，可先采用人工挖孔，便于实施爆破作业，然后再采用冲孔桩，不仅可以提高效率，还可大大降低成本，具有可观的经济效益，如福建省漳州电厂桩基础施工中，采用该方法，就获得了十分成功的效果。

3.2.4 水下灌注

尤其在基坑中进行钻孔灌注桩当中，进行混凝土灌注时，应当降低基坑排水量，以免产生动水影响灌注质量，产生桩身缺陷。

3.2.5 护筒埋设

采用反循环施工工艺成孔时，必须注意要做到护筒埋设时，护筒顶一定要高出水位2m以上，否则将会导致孔内事故。在粘性土中埋设深度不宜小于1.0m，砂土中不宜小于1.5m。受水位涨落影响或水下施工时，护筒应加深，必须打入不透水层。

3.3 人工挖孔桩

3.3.1 适宜的地质条件

①持力层埋藏较浅；②持力层以上无流砂，易产生触变、流变的软弱土，或无遇水易产生潜蚀、流变的含砂量较高的粘性土、粉土，如有上述地层，则不易护壁；③场地地下水缺乏或较贫。若地下水丰富，则排水困难，而且大量排水容易造成周边建筑物，特别是周边建筑物天然浅基础。

3.3.2 护壁

局部遇有厚度不大（小于1.5m）的流动性软土（淤泥）和出现上述讲的会涌土、涌砂的地层时，护壁应采取：

①减少每节护壁的高度至0.3－0.5m；

②采用钢护筒；

③采用有效的降水措施，在周围设置降水井；

④采用静压注浆或高压旋喷的方法加固这些土体。

3.3.3 合理选择灌注方式

当挖孔桩混凝土灌注时，一般都是通过溜槽或串筒，采用干作业方式进行，当渗水量过大时，特别见有股状、束状涌水点时，应是待地下水恢复到基本接近静止地下水位时，再以水下灌注的方式进行混凝土灌注，否则将会由于动水的影响，导致灌注质量事故，产生柱身缺陷。在以往的施工中，由于这一因素常被大家忽视，造成桩身缺陷的严重质量事故，可以说是屡见不鲜。

4 结束语

从以上介绍的内容可以看出，岩土工程勘察资料不仅可以为设计提供相关的地质资料、参数数据，同时对施工同样也是具有很现实的指导作用。岩土工程勘察报告是工程建议中一项十分重要的基础性成果，因此认真做好工程建设前的场地岩土工程地质勘察工作，提供一份真实、可靠、高质施工前，仔细阅读，认真分析报告中的有关内容。对施工中将会出现的问题，制定相应的预防措施，是能够作出前瞻性的预估，有备无患，若能有这样的共识，就是本文的目的所在。