重庆地区适用桩型和成桩工艺探讨

翟影

（重庆市设计院，重庆 400015）

当建筑物场地上部的土层比较软弱时，采用普通的扩大基础，则地基的强度、稳定性和变形都将不能满足建筑物的要求，这时往往采用桩基础。在地基中沉入多根桩，把上部的荷载传入深层土中或传入岩层，这个方法在我国得到广泛应用。人工挖孔灌注桩作为一种传统的成桩施工工艺，具有造价低、所需施工设备简单、成桩直径大、成桩质量容易保证等特点，在我国山地丘陵地区应用较为普遍；同时也存在受地质条件限制，工人劳动强度大、危险性高，容易对周边建筑物造成影响等缺点，特别是井下作业环境恶劣，工人随时有可能受到涌水、涌沙、塌方、毒气、触电、高处坠落、物体打击等的安全威胁，已成为一种落后的施工工艺，在一些发达国家和地区早已禁止采用。自2003年以来，广东、福建、云南、重庆等地建设厅（委员会）先后出台了限制使用和逐步淘汰人工挖孔桩的通知、通告。重庆市建委有关通知规定，除因施工技术、现场条件限制不能采用机械成孔的项目，以及开挖孔径大于1.2m（含1.2m）且深度不超过3m（含3m）的岩石地基的成孔项目以外，自2012年7月1日起，禁止用于建设工程领域。那么进入“后人工挖孔桩时代”，又有哪些其他桩型和成桩工艺可供重庆地区选择呢？

1 桩型和成桩工艺选择的基本原则

选择桩型与工艺时，应对建筑物的特征(建筑类型、荷载性质、桩的使用功能，建筑物的安全等级等)，地形、工程地质(穿越土层桩端持力层岩土特性)及水文地质条件 (地下水类别、地下水位)，施工机械、施工环境、施工经验，各种桩施工法的特征、制桩材料供应条件，造价以及工期等进行综合性研究，并进行技术经济分析比较，最后选择经济合理，安全适用的桩型和成桩工艺。

2 重庆地区可能采用的桩型和成桩工艺

重庆地区桩基础多以中风化泥岩、灰岩或砂岩作为持力层，上部覆土多以素（杂）填土、粉质粘土为主，局部地区有淤泥质土、砂土、卵石、溶洞发育等。重庆地处四川盆地东南部，地貌以丘陵、山地为主，建筑场地大多高低不平。因此要求所选择的机械成桩工艺能够穿越中风化岩层、且桩机自身移动较为灵活。近年来，重庆地区已经使用的机械成桩工艺主要有机械旋挖成孔灌注桩、长螺杆钻成孔灌注桩、高强预应力混凝土预制管桩等，应该说桩型、成桩工艺和已经实施的项目数量均比较有限，下文就各种可能适合重庆地区的桩型和成桩工艺逐一给出介绍。

2.1 机械钻孔灌注桩

钻孔灌注桩施工工艺过程繁多，在整个施工过程中，关键环节是钻孔，钻孔速度的快慢和成孔的质量在整个桩基施工过程中居于主导地位，钻孔机械就是灌注桩基础施工的主导机械，因此对钻孔机械的比选尤为重要。

2.1.1 冲击钻

冲击钻机是一种比较传统的钻进机具，依靠冲击锤进行冲砸，掏渣筒掏渣，上下往复冲击将土石劈裂、砸碎，部分被挤入孔壁之内，普通泥浆护壁。适用于常见的所有填土层、粘土层、密实砂层、圆砾层及角砾复合夹层，但在大漂石、卵石层及微风化地层中进尺缓慢，且冲击锤容易损坏。而且，在松散且厚度较大的砂层中钻进时容易塌孔，主要原因是冲击钻进时孔内泥浆比重不均匀，上部小下部大，掏渣筒掏渣后孔内水位降低产生水位差造成塌孔。

冲击钻具有地层适应范围广、施工速度快、场地环境要求小、造价较低等特点。但同时冲击钻劳动强度大，泥浆循环要设立泥浆回流池占地大，产生的泥浆不易外运，施工震动噪音大，环境评价差。

冲击成孔灌注桩属于部分挤土桩范畴，重庆大部分地区均有使用的可能性。

2.1.2 回转钻机

回转钻机是一种在我国应用时间最长、范围最广、市场保有量最大的成孔机具，该种钻机除在卵、砾石层钻进较为困难外，在其它各种常见地层均有良好的适用性。回转钻机根据排渣方式的不同分为正循环和反循环两种，反循环又细分为泵吸、气举、孔底泵送(射流)三种。在素土层、粘土层及砂土层常采用正循环，在卵石层、砂卵石夹层、岩石层及孔底清渣常采用反循环。根据地层不同，钻头可采用不同形式，特别是在钻进坚硬岩石层时需配置滚刀钻头或牙轮钻头，回转钻机的钻孔直径可达2～5m，深度可达100m。

正、反循环回转钻机具有应用范围广、护壁效果好、成孔质量高，施工无震动、无噪音、机具操作方便、造价较低等特点。但同时其在复杂地层成孔效率较低，施工现场用水量大、泥浆排放量大，扩孔率较难控制，又很难在卵石、漂石、基岩上施工，特别是在坚硬地层中进度缓慢，施工成本直线上升。

回转钻机尤其是反循环钻机，重庆大部分地区均有使用的可能性，更换扩底钻头后可扩底。

2.1.3 冲击反循环钻机

冲击反循环钻机是一种将传统的冲击钻机与反循环排渣工艺相结合的新型大孔径钻机。即利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生破碎，然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外，该种钻法既保留了传统冲击式钻机的施工成本低、清孔干净、沉渣量少、适应地层广的优点，又克服了其不能连续排渣、重复破碎多的不足，广泛适用于各种复杂地层施工。

冲击反循环钻机与回转钻机各有各的优点，一般在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时，回转钻机要比冲击反循环钻机施工快1.1～1.3倍，且成本消耗较低。但在卵砾石层及基岩施工中，冲击反循环钻进明显比回转钻进要快2～3倍，尤其在一些丘陵山区地带，冲击反循环在施工复杂地层即卵石层及卵砾夹石层时成孔速度优越性更加显著；在成本消耗方面在卵砾石层、漂石、基岩施工中，冲击钻进效率高，而回转钻机钻进速度慢，成孔周期长，成本比冲击钻进大3倍以上；如遇大漂石、大块石、硬度较高的花岗岩回转钻机很难钻进，只能用冲击反循环钻机来完成。但同时冲击反循环钻进振动对周围环境影响很大，特别是冲击下部坚硬基础岩面时，冲击振动对周围产生很大噪音，另外钻机功率大、耗电量高、结构复杂、体积大、搬迁运输成本也较高。

该种钻机，在重庆大部分地区均有使用的可能性。

2.1.4 长螺旋钻机

长螺旋钻机成孔属干作业、非挤土灌注桩范畴，是用长螺旋钻孔机的螺旋钻头在桩位处就地切削土层，被切土块钻屑随钻头旋转，沿带有螺旋叶片的钻杆上升，自动排出孔外的成孔方法。

长螺旋钻机适用于各类填土、粘性土、粉土、粉质砂土、碎石类土，具有震动小、噪声低、不扰民、钻进速度快、无泥浆污染、桩身质量好、地层的适应性强、造价低等特点，并且根据需要，调整压力，桩径范围在0.3～1.2m之间可调，钻孔深度一般为10～35m。但长螺旋钻机不适宜大粒径卵石、卵砾夹石层、漂石地层施工，桩底不能入岩，一般桩径较小，单桩承载力低，并且机身庞大、自重大，运输成本高。

因其不适用于中风化基岩，重庆局部地区可能采用。

2.1.5 旋挖钻机

旋挖钻机是近年来发展最快的一种新型桩基成孔施工方法，它通过钻杆和钻斗的旋转，以钻斗自重并加液压作为钻进压力，使土屑装满钻斗后提升钻斗出土，通过钻斗的旋转、挖土、提升、卸土和泥浆置护壁，反复循环而成孔。

旋挖钻机适用于各类粘土、粉土、密实砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层，借钻具自重和钻机加压力，耙齿切入土层，在回转力矩的作用下钻斗同时回转配合不同钻具，适应于干式(螺旋)、湿式(回转斗)的成孔作业。目前，旋挖钻机的最大钻孔直径为3m，最大钻孔深度达120m(主要集中在40m以内)，最大钻孔扭矩620kNm。旋挖成孔的施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快、成孔效率高、适应性强等特点，大大缩短了工期，废浆少，低噪音，污染小保护了环境，克服了机械成孔时孔底沉淤土多、桩侧摩阻力低、泥浆管理差的缺点，极大地提高了施工质量。但其缺点是对于厚度较大的松散砂层在钻进时易塌孔，在卵石含量较大的卵石层钻进时速度慢，不太适用于坚硬岩石层入岩施工。旋挖钻机一次投入费用较大，但成孔费用消耗等经济技术指标比其他方法成孔费用低，应结合工程规模、工程量和施工进度综合考虑，从目前看该工艺在我国有着相当可观的经济效益。

近几年，随着大功率旋挖钻机在重庆地区的应用，逐步解决了钻挖坚硬岩层的困难，并凭借施工速度快、环境污染小、操作灵活方便、安全性能高及适用性强等诸多优势，逐渐被建设各方认可和接受。该钻机更换扩底钻头后可在中风化基岩中扩底嵌岩。

2.2 预制桩

预制桩，是在工厂或施工现场制成的各种材料、各种形式的桩（如木桩、混凝土方桩、预应力混凝土管桩、钢桩等），用沉桩设备将桩打入、压入或振入土中。中国建筑施工领域采用较多的预制桩主要是混凝土（预应力）预制桩和钢桩两大类。重庆地区多以中风化基岩作为持力层，可能采用的桩型主要是预应力高强度混凝土（PHC）管桩和钢桩。

2.2.1 PHC管桩

PHC管桩，即预应力高强度混凝土管桩，是采用先张预应力离心成型工艺，并经过10个大气压、180℃左右的蒸压养护，制成一种空心圆筒型混疑土预制构件，标准节长为10m ，标准直径从300～800mm，混凝土强度等级≥C80。

一般采用工厂预制，运输至现场利用专用机械沉桩的PHC管桩有着自身的诸多优点。单桩承载力高，500直径的PHC管桩的单桩承载力特征值可达2000kN，超过600直径的灌注桩单桩承载力特征值。300～600mm直径的管桩一般厂家均可生产，少数厂家可生产800～1000mm直径的管桩，可满足60层以下的高层建筑使用。桩身耐打，穿透力强，对持力层起伏变化较大的地质条件适应性强。预应力管桩的单位承载力造价在诸多桩型中是较便宜的一种，相比钻孔灌注桩减少1/3以上。运输吊装方便，接桩快，成桩长度不受施工机械的限制。

但是，预制桩的挤土效应在饱和粘性土中是负面的，会引发灌注桩断桩、缩颈等质量事故，对于挤土预制混凝土桩和钢桩会导致桩体上浮，降低承载力，增大沉降；挤土效应还会造成周边房屋、市政设施受损；对松散土和非饱和填土，挤土效应则是正面的，会起到加密、提高承载力的作用；锤击桩施工时会产生油烟、噪音、振动和挤土等影响，尤其是噪音可高达130分贝以上，因此许多城市已限制在市区内打桩，而静压法施工则可基本消除上述影响；对施工场地有一定的要求，施工现场地表承载力必须满足桩机平稳行走的要求，全液压式压桩机机型和重量都较大，目前我国最大的压桩机重达800t，通过桩机下部的短船靴传至地面的压强高达160～180kPa（不过，重庆的一般的粉质粘土承载力或经过浅层强夯处理的填土均可满足该要求），若打桩机下的地基土层太软弱，则机身较易在打桩过程中发生倾斜，从而导致管桩倾斜，甚至形成偏心受力而将桩头打碎。

近年来随着港口、水利、桥梁等大型建设项目的需要，直径在1000～1400mm范围的大直径PHC管桩在我国得到了长足发展。笔者设想，若能将其用于建筑工程领域，60层以上的超高层仍然可行。但其对沉桩机械的要求很高，一般只能采用大功率的柴油锤，其过大的打桩噪音限制了使用范围，但在无噪音限制、满足机械使用条件的地段仍不失为一种大承载力桩基的选择。

该种桩型，在重庆大部分地区均有使用的可能性。

2.2.2 钢桩

在我国沿海及内陆冲积平原地区，土质常为很厚 （深达50～60m）的软土层，当上部结构荷载较大时，这类地基常不能直接作为持力层，而低压缩性持力层又很深，采用一般桩基，沉桩时须采用冲击力很大的桩锤，用常规钢筋混凝土和预应力混凝土桩，将很难以适应，为此多选用钢管桩加固地基。因此，钢管桩（或H型钢）在国内外都得到了较广泛的应用。

钢管桩的特点是:（1）重量轻、刚性好，装卸、运输、堆放方便，不易损坏。（2）承载力高。由于钢材强度高，能够有效地打入坚硬土层，桩身不易损坏，并能获得极大的单桩承载力。（3）桩长易于调节。可根据需要采用接长或切割的办法调节桩长。（4）排土量小，对邻近建筑物影响小。桩下端为开口，随着桩打入，泥土挤入桩管内与实桩相比挤土量大为减少，对周围地基的扰动也较小，可避免土体隆起；对先打桩的垂直变位、桩顶水平变位，也可大大减少。（5）接头连接简单。采用电焊焊接，操作简便，强度高，使用安全。（6）工程质量可靠，施工速度快。但钢管桩也存在钢材用量大，工程造价较高；打桩机具设备较复杂，振动和噪声较大；桩材保护不善、易腐蚀等问题，在选用时应有充分的技术经济分析比较。

该种桩型，在重庆大部分地区均有使用的可能性，只是造价可能偏高。

2.3 人工挖孔灌注桩

人工挖孔桩能够长期成为山地丘陵地区大直径灌注桩的主要桩型，自身有着诸多优点。受力性能好，由于挖孔桩直径大，所以单桩承载力高，挖孔桩一般直径为0.8～2.4m，可承几千kN乃至几万kN的力，特别适用于上部传来的荷载大而集中的结构。由于其嵌入岩层一定深度，所以能承受较大的水平荷载，扩底挖孔桩还可抵抗很大的上拔力。其抗震性能好，沉降量小，能防止不均匀沉降。挖孔桩成孔大，相比机械成孔灌注桩，容易检查桩底持力层情况及侧面土质情况，清理沉渣彻底。施工仅需轻型工具，不需大型施工机械，在人工费较低的地区造价低（随着人力成本的提高，这个优势以后可能不会存在了）；各桩可分别同时施工，施工速度较快。在密实的砂层及卵石层或有孤石的地基中，打预制桩十分困难，而挖孔桩则易于施工。持力层有一定倾斜时，预制桩会长短不齐，大量截桩、接桩，挖孔桩则无上述问题。

虽然各地区已经逐步限制其使用，但如前文所述，在特殊条件下也是允许使用的。当选择采用人工挖孔桩时，应严格遵守有关要求，比如广东省建设厅给出了详细的使用要求。

（1）有关建设各方的监管方面

①由建设单位会同勘察设计单位向县级以上建设行政主管部门提出书面申请和相关资料（含可行性报告）。

②施工单位向建设工程施工安全监督机构报监时，须附上挖孔桩专项施工方案和紧急情况应急处理措施，以及施工人员的意外伤害保险保单凭证，该方案由施工企业根据工程实际和现行相关施工规范、操作规程、工程建设标准强制性条文等编制，详细列明施工安全的各项措施、教育、检查制度以及施工机具清单等。

③监理单位必须编写专项监理方案，并严格实行旁站监理。

④建设工程施工安全监督机构要严格按照专项监督计划加强监督。

⑤ 建设、勘察、设计、施工、监理等有关责任单位（部门）必须承担因挖孔桩施工对周边环境影响而产生一切未能预见风险的相应责任。

（2）挖孔桩的设计和施工方面

① 护壁必须由设计单位设计，护壁厚度不得小于150mm；护壁混凝土强度等级不得低于C20。

②采用混凝土护壁时，每天掘进深度不得大于1m。

③护壁混凝土不得人工拌合，每节护壁均须由监理单位验收。

④孔内作业时，上下井必须有可靠安全保障措施，严禁乘坐吊桶上下。须配备通讯设备（如对讲机）保证上下通讯畅顺。施工中应有可靠通风措施，同时应配备有毒气检验测仪器，定时进行气体检测。

⑤禁止孔内边抽水边作业。

⑥孔口和孔壁附着物（包括不到孔底的钢筋笼、串筒、钢爬梯、水管风管等）必须固定牢靠。

⑦ 对周围建（构）筑物、道路、管线等应定期进行变形观测，并作好记录。发现异常情况，必须立即停止作业，并采取相应的补救措施。

3 工程实例

3.1 实例一

3.1.1 工程概况

重庆地区某项目，31层剪力墙结构商住楼，采用长螺旋钻孔桩，施工完成时间2010年。

3.1.2 岩土分层情况及持力层选择

①素（杂）填土:场地内大部分区域均有该层分布，分布规律为场地西北侧及东南侧薄，中部厚，其中杂填土主要分布在场地中部，且分布深度较大，厚度0～15.8m。

② 粉质粘土:为可塑状中压缩性土，fak=155kPa。场地内均有分布，厚度0～15.0m。

③粉土:为软塑状高压缩性土，fak=95kPa。场地内大部分区域均有该层分布，厚度0～5.6m。

④砂卵石:fak=750kPa。该层在场地内均有分布，厚度3.1～11.1m。

⑤砂质泥岩:整个场地均有分布。

⑥泥质砂岩:场地内呈透镜体、夹层状分布。

⑦持力层选择——砂卵石。

3.1.3 桩基础参数

（1） C40混凝土桩身，500直径。

（2）单桩承载力特征值1600kN（该值为通过载荷试验最终确定的值，桩身强度控制的上部荷载设计值2785kN）。

3.2 实例二

3.2.1 工程概况

重庆地区某项目，26层框架-剪力墙结构酒店、33层剪力墙结构住宅楼、6层框架结构商业，采用PHC管桩 （锤击法沉桩），施工完成时间2012年。

3.2.2 岩土分层情况及持力层选择

① 填土:地基承载力特征值（经验值）fak=120kPa，厚度0.35～13.1m。

② 粉质粘土:地基承载力特征值（经验值）fak=160kPa，厚度1.1～14.7m，桩侧阻力标准值55kPa。

③ 淤泥质土:地基承载力特征值（经验值）fak=80kPa，厚度1.1～7.5m。

④ 粉细砂夹砾卵石层（稍密）:地基承载力特征值（经验值）fak=300kPa，厚度0.4～6.4m，桩侧阻力标准值120kPa，桩端阻力标准值2500kPa。

⑤ 粉细砂夹砾卵石层（中密）:地基承载力特征值（经验值）fak=400kPa，厚度0.4～6.4m，桩侧阻力标准值140kPa，桩端阻力标准值3000kPa。

⑥中风化砂岩:地基承载力特征值fak=4300kPa，厚度0.4～3.3m。

⑦中风化泥岩:地基承载力特征值fak=1693kPa。

⑧持力层选择——中风化泥岩。

3.2.3 桩基础参数

（1）C80混凝土桩身，PHC-AB500(100)

（2）单桩承载力特征值不低于1900kN（桩身强度控制的上部荷载设计值3833kN，实际单桩承载力载荷试验值更高）

3.3 实例三

3.3.1 工程概况

重庆地区某项目，单层门式刚架钢结构厂房，采用旋挖桩，施工完成时间2011年。

3.3.2 岩土分层情况及持力层选择

①人工填土层厚度变化大，分布不均，为新近填土，压缩性较大。

②粉质黏土层厚度总体薄，分布不均。

③强风化基岩较破碎，fak=450kPa，整个场地均有分布。

④中风化泥岩:地基承载力特征值fak=2267.1kPa，整个场地均有分布。

⑤中风化砂岩:整个场地均有分布。

⑥持力层选择——中风化泥岩。

3.3.3 桩基础参数

（1） C30混凝土桩身，直径900。

（2）单桩承载力特征值1920kN（桩身强度控制的上部荷载设计值7274kN）。

4 总结

综上所述，“后人工挖孔桩时代”可供选择的成桩工艺很多，成桩工艺的最终选择需要综合分析各项技术和经济指标。各种实际条件下的桩型和成桩工艺选择:

（1）因施工技术(比如在重庆地区技术条件相对落后的区县)、现场条件限制（比如位处山区、滨江等地形的坡地施工，大型机械确实无法到达）不能采用机械成孔的项目，以及开挖孔径大于1.2m（含1.2m）且深度不超过3m（含3m）的岩石桩基，仍可以选择人工挖孔桩 （同时应按照前文所述要求对施工现场做好监管、并对护壁做好设计）。

但遇到下列情况时，仍不得采用人工挖孔桩:地基土中分布有厚度超过2m的淤泥质土；地下水位以下有层厚超过2m的松散、稍密的砂层或层厚超过3m的中密、密实砂层；溶岩地区；有涌水的地质断裂带；地下水丰富，采取措施后仍无法避免边抽水边作业；高压缩性人工杂填土厚度超过5m；工作面3m以下土层中有腐植质有机物、煤层等可能存在有毒气体的土层。

（2）一般多高层建筑工程、一般场地条件下，均可选择旋挖钻机（更换扩底钻头可扩底）、PHC管桩（对油烟、噪音要求高的市区施工时，可以选择静压法沉桩）。

一般情况下，当场地内无厚度较大的松散砂层、无大块卵石、漂石及其他可能造成大面积塌孔的不良地质情况时，可优先选择旋挖钻机；当场地内存在较厚砂土层、淤泥质土、卵石层时，可优先选择PHC管桩。

（3）有条件做泥浆池、沉淀池，周边居民稀少，对噪音泥污要求不太高的平整场地，可以考虑冲击钻冲孔反循环钻机（特别是遇到砂岩、灰岩等坚硬的基岩）、冲击钻、回转钻机。

（4）当不需要掘进中风化基岩，且场地内无大块卵石、漂石时，也可以考虑长螺旋钻机。

（5）场地覆土层很厚、地质条件复杂、基岩埋深很深，且对单桩承载力要求高的超高层建筑工程，可以考虑预制钢桩、甚至可考虑大直径PHC桩（直径1000mm以上）。

当然，基岩以上的土体承载力满足建筑物荷载变形使用要求时，做浅基础也是一种不错的选择，而不一定非选择承载力很大的中风化基岩。比如重庆地区粉质粘土地基承载力特征值的经验值约200～300kPa、强风化泥岩地基承载力特征值的经验值约300kPa，强风化砂岩地基承载力特征值的经验值约400～500kPa，按照一层10kPa的平均附加应力，考虑采用筏板基础40层以内的建筑物均有可能不必采用深基础 （这在软土地区来说已经是很好的持力层了，当然要控制好沉降）。而对于上部结构对地基附加应力有限的多层、小高层建筑物，一般来说柱下独基等浅基础均可满足承载力和变形要求，必要时可采取强夯、CFG桩、水泥土搅拌桩等地基加固措施提高地基承载力，也可采取诸如协调变形能力、整体性更好的柱下条形基础、筏板基础。具体情况可以结合工程实际、施工条件、综合造价等做技术经济必选分析。

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