桩基础技术的综合分析

赵 翔 宇

(重庆大学土木工程学院，重庆 400030)

随着我国城市化进度的不断推进以及人口的不断增长，土木工程的需求与紧缺的土地资源之间的矛盾日益突出。作为解决方案，拥有更大土地利用率的高层建筑与超高层建筑逐渐受到人们的青睐，但是这同时也对桩基础技术提出了更严格的要求。因此，加强对桩基础技术的分析与讨论有着重要意义。

1 桩基础技术概述

1.1 桩基础介绍

桩基础是基础工程中深基础的一种形式，它通过把长桩打入土层，可以将建筑物的荷载通过承台传递给有着一定刚度的基桩，并进一步传递至土地深部压缩性更小、密实度更大的硬土层。

1.2 桩基础分类

根据使用材料、安装方式、位移大小等因素，可以将桩基础分为很多类别，以下仅介绍土木工程中常见的分类。

1.2.1按受力方式分类[1]

1)摩擦桩：承载能力极限状态下，基桩的承载力主要由侧方摩擦阻力提供，桩尖提供的承载力十分微小，可以忽略。通常情况下，摩擦桩的沉降较大，需要更长的时间稳定。

2)端承摩擦桩：承载能力极限状态下，基桩的承载力由侧方摩擦阻力与顶部阻力共同提供，但侧方摩擦阻力大于顶部的阻力。

3)端承桩：承载能力极限状态下，基桩的承载力主要由桩的端部阻力提供，侧方摩擦阻力的作用十分微小可以忽略不计。

4)摩擦端承桩：承载能力极限状态下，基桩的承载力大部分由桩端阻力提供，同时桩的侧端摩擦阻力也提供部分承载力。

1.2.2按施工方法分类

1)灌注桩：灌注桩直接在施工现场灌浆制作，直径较大并且发出的噪声较小，不易对周围居民产生影响。但其对环境的影响较大且质量不易控制，花费时间久。

2)预制桩：预制桩提前在工厂制作，质量容易控制且施工时速度较快。但是其直径小，且施工时噪声较大，需要更好的施工场地以避免对周边居民产生影响。

1.2.3按成桩方法分类

1)非挤土桩(非排土桩)：在桩基础制作的过程中，将与桩体体积相等的土挖出，从而使得桩周围的土受到的挤压微乎其微，但同时也会导致桩侧和桩底土产生应力松弛现象。常见的非挤土桩有挖孔灌注桩、预钻孔埋桩等。

2)部分挤土桩：在桩基础制作的过程中，桩周围的土受到的挤压较为轻微，因而其工程性质的变化也较小。常见的部分挤土桩有打入式敞口钢管桩、螺旋孔成桩等。

3)挤土桩：在桩基础制作的过程中，桩周围的土受到挤压，导致其工程性质发生较大变化，与天然状态产生差异。常见的挤土桩有预应力管桩，沉管式灌注桩等。

2 桩基础适用条件

当土木工程中出现如下情况时，通常可考虑使用桩基础技术。

2.1 受力需求

1)基础需要承受竖直方向向上的力：比如在透水性饱和地基、黏性土地基、地下水位季节性涨落地区等地方设计建筑物时，需要考虑向上的浮托力。此时可以使用桩基础，依靠基桩侧方的摩擦阻力抵消向上的力。

2)基础需要承受水平方向的力：比如异形建筑、拱形建筑等。此时可以使用抗弯刚度大的基桩来承受。

2.2 场地需求

1)“上软下硬”类场地：场地上部的土层承载力较弱，且无法满足抗变形能力要求，但是场地下部存在可以满足承载能力和抗变形能力的要求的土层或岩层。此时可考虑使用端承类桩基础，将建筑物的荷载直接传递给下部的土层或岩层。

2)无理想土层类场地：场地在较大深度范围内没有理想的土层或岩层，此时可考虑使用摩擦类桩基础，依靠桩侧的摩擦阻力来抵抗建筑物的荷载。

3)存在特殊性土的场地：场地内存在特殊性土，如黄土、软土、冻土、盐渍土、红黏土等，为避免直接以特殊性土作为地基可能导致的工程地质问题，可以考虑使用桩基础越过特殊性土，将建筑物的荷载直接传递给下部的硬土层或岩层。

2.3 建筑物需求

1)承载力需求：高层建筑、超高层建筑等建筑物对承载力有较高需求，使用浅基础难以承受其荷载，此时可考虑使用桩基础。

2)特殊性需求：建筑物或设备对基础有特殊性需求，如水利、桥梁工程中基础周围可能发生电化学腐蚀、冲刷侵蚀等，亦或者精密仪器需降低来自振动的影响等情况，此时常采用桩基础。

3)周边影响：当建筑物附近存在建筑群或者地面堆载等周边影响时，浅基础可能会产生过量沉降，此时可考虑使用桩基础。

3 桩基础应用

3.1 设计应用

3.1.1整体设计

桩基础整体设计的基本内容主要包括以下六点：

1)确定基桩的类型与桩长、桩径；

2)确定基桩的承载力设计值；

3)确定基桩的平面布置(包括桩数、桩间距、布置方式)；

4)桩基础的承载能力和抗变形能力验算；

5)桩体结构与承台结构设计；

6)施工图绘制。

3.1.2单桩设计

桩基础的单桩设计内容主要为整体设计中的前两点，即基桩的类型与几何参数确定，和基桩的承载力设计值确定。

1)基桩的桩型、桩长、桩径。

单桩设计的首要内容是桩型设计，基桩的桩型可以直接决定成桩质量，基础承载性能与材料用量。

此外，基桩的桩长与桩径也会对基础承载能力产生很大影响：增大基桩长度可以提升基桩侧方的摩擦阻力大小，增大基桩直径可以提升基桩端部阻力的发挥能力。但是这并非是成比例增长的关系，因此在设计时通过简单地换用更长的基桩有时难以获得更高的承载力。

同时，长径比的选取也有着很大的影响，应综合场地、承载力要求等多方面因素进行分析。不同大小的长径比对于桩身轴力、桩身侧摩阻力均会产生影响，如图1，图2所示[2]。

可以看出，随着桩长径比的不断增加，侧摩阻力所占总承载力的比例迅速增大，相应地基桩端部所发挥的承载力则不断减小。同时还可以得出，基桩上段周围土层的极限侧阻力值与基桩的长径比呈正相关，基桩中段周围土层的极限侧阻力值通常可以得到充分发挥，而基桩下段周围土层的极限侧阻力值则与基桩的长径比呈负相关[2]。

因此，在设计时应根据实际的场地状况，地质条件，承载力需求等因素对基桩的桩型、桩长、桩径进行专门设计，以充分发挥桩基础的性能。

2)基桩的承载力。

基桩的承载力设计是桩基础设计的核心内容之一，也是桩基础设计的难点。为确定单桩承载力，通常可使用的方法有静载试验、静力触探、动力触探、经验设计等等，其中静载试验是最基础且可信的方法。静载试验在现场进行，可以如实反映出桩基础的荷载传递性能以及可能对其产生影响的因素。但是静载试验也有不足之处，包括成本较高、设备笨重，试验时间较长、数量不多等[3]。因此工程中可使用经验参数法、静力触探法对单桩承载力提前进行预估，并根据建筑等级来决定是否要使用现场静载试验，具体判断方法可见《建筑桩基技术规范》[4]。

3.2 施工应用

桩基础的施工应用通常可总体分为施工准备阶段与施工阶段。

3.2.1施工准备阶段

桩基础在施工准备阶段的工作主要包括以下四点：

1)勘察工作：桩基础在施工前需要首先对场地及周围环境进行勘察，对可能出现的工程地质问题或者其他影响因素进行搜集与分析。勘察工作通常又可细分为选址勘察阶段、初步勘察阶段与详细勘察阶段。选址勘察阶段又称可行性研究勘察，主要目的为判断工程场址是否适宜建设项目；初步勘察阶段主要目的是结合初步设计对场地稳定性进行评估；详细勘察阶段主要目的则是密切结合设计或施工图对场地、地基的具体方案作出论证和建议。

2)场地清理工作：在桩基础施工前，应先对施工现场进行清理，将影响场地平整或者通常的因素清除。

3)放样工作：使用龙门板、轴线控制桩等方法根据设计图在现场进行放样，落实轴线控制点的位置。

4)制定方案工作：根据场地性质、工程内容、施工特点等因素对施工阶段进行讨论与分析，并制定施工方案。

3.2.2施工阶段

桩基础技术在施工阶段根据施工技术的不同，通常也有着不同的施工过程与施工特点。常见的桩基础施工技术主要有四种：振动沉桩、静力压桩、钻孔灌注桩和人工挖孔桩。

四种技术各有千秋，振动沉桩难度低，用时短，并且可以降低造价；静力压桩噪声污染很小，质量有保障，但对施工环境有要求[5]；钻孔灌注桩施工效率高，效果好，近年来应用广泛；人工挖孔桩健康环保，对周边环境的干扰小，但施工工期较长。

在实际施工中应根据工程建筑项目灵活选用施工技术，并根据施工技术制定相对应的施工安排。

4 桩基础发展前景

随着21世纪以来土木工程的不断发展，桩基础技术作为基础施工技术中最常用的一种方法在不断的研究与应用中渐趋成熟。但是，在一些新兴的领域与方向，桩基础技术尚存在大片的空白可待填充。

4.1 装配式建筑

自2016年起，我国大力推行装配式建筑，在此后的几年间，装配式建筑快速发展，各省市装配式建筑面积不断增长。而在2020新冠疫情期间，雷神山、火神山医院的高速建造过程也展现出了装配式建筑的巨大优势。

但是另一方面，我国现阶段的装配式建筑也存在着诸多短板：

1)从技术层面来看，一些预制建筑构件的强度有限，难以赶及现浇构件，例如预制桩基础相较灌注桩基础的直径较小；

2)从制造层面来看，不同工厂生产的预制构件尺寸存在差异，生产线的质量控制不够严格；

3)从设计层面来看：部分工程项目“挂羊头卖狗肉”“为装配而装配”，为了达到装配指标而强行使用装配式构件，无法发挥出装配式建筑的优势。

而桩基础作为建筑物最根本的部分，在装配式应用方面更是有着诸多限制。虽然近年来预制桩也在不断发展，但是仍存在短板，并且距离真正的装配式也存在不小的距离。在这一方面，桩基础技术仍需要大量研究以实现真正的装配一体化，灵活融合进装配式建筑的应用当中。

4.2 人工智能

近年来人工智能的飞速发展，为我们呈现出了解决问题的一种全新方式。通过神经网络优化学习，人工智能可以在桩基础的勘察、设计乃至施工阶段发挥重要作用。诸如群桩基础、复合桩基、数值分析等复杂研究设计工作都有着借由人工智能简化甚至完成的可能。通过对已有工程、研究的学习，也可以借由人工智能实现快速的分析计算过程，从而大幅降低工作量，缩短项目的勘察、设计乃至施工时间。

4.3 自动化

在现有桩基础设计施工中，已经有部分环节通过机械设备、智能科技实现了自动化，但是也有很多机械性、重复性的工作仍停留在人工完成的阶段。对桩基础的勘察设计施工过程进行更深入的自动化普及，将有助于提高精度、提升效率与增加经济效益，有利于标准化、质量控制与减少不确定性。

此外，自2019年起第五代移动通信技术的逐渐普及，也将支持着桩基础技术在自动化领域实现更深入的应用与交互。

5 结语

桩基础技术是土木工程中常用的基础施工技术之一。本文通过对桩基础的类别、适用条件、设计施工与发展前景四方面进行讨论，综合地对桩基础技术进行了分析。结果表明，桩基础技术的运用十分广泛且灵活，对于不同的工程与场址，针对性地进行桩基础选用与设计都可以有效提升地基承载力或者减少造价。并且对于当下逐渐受到青睐的高层、超高层建筑，桩基础技术相对于其他基础技术也有着更为明显的优势。此外，桩基础技术还有着广泛的发展可能，无论是在当下正快速发展的装配式建筑还是其他交叉学科领域，桩基础技术都有着很多空白等待开发。