岩土工程桩基设计、施工中成桩可行性分析

顾文华

（南京建力测绘勘察院有限公司，江苏 南京 211500）

随着城市化的进程，现阶段高层建筑的数量急剧增长，同时上部荷载相应增大，对地基基础承载力的要求随之变大。对于场地浅部地基土不足的现象，通常采用桩基础处理形式，主要利用桩基础自身的长度穿过浅层压缩性大、固结性差、承载力低的土层，将建筑物上部结构荷载传递到桩端岩土层，从而更好地提升桩基础的单桩承载力，减少地基及主体结构的沉降，有效提升工程建设中桩基础施工速度和经济效益。

1 钻孔灌注嵌岩桩及预应力管桩设计机理

1.1 钻孔灌注嵌岩桩的成桩设计机理

钻孔灌注嵌岩桩在竖向荷载作用下的桩顶荷载包括有桩土侧阻力、桩岩段、侧阻力，受到基桩长、桩径、嵌岩深度、桩侧土层性质、桩端岩层性质等因素的影响。嵌岩桩的桩顶荷载传递主要是侧阻力和端阻力的发挥过程，充分考虑桩土、桩岩、桩端位移等相关因素，在桩身处产生桩侧摩阻力，实现桩顶荷载的传递。当在高应力水平作用条件下，桩顶沉降过大或强度不足时会使桩体或岩层破坏，并表现为桩身材料屈服、桩岩体整体剪切破坏、桩岩界面纯剪切破坏等不同破坏形式。

1.2 预应力管桩的成桩设计机理

预应力混凝土管桩成桩工艺主要包括后张法和先张法，其中先张法成桩工艺是对预应力钢筋进行张拉，再配合混凝土离心成型制作生成预制桩。后张法则是在预先留出一定大小孔洞的前提下，待模具类混凝土初步凝固后对孔洞施加预应力，从而生成预应力管桩。预应力混凝土管桩场地要求较简单，具有较强的施工质量可控性，施工进度快，对环境带来较少的影响。

预应力混凝土管桩具有更高的单桩承载力，能够使单桩承载力提升30%～50%。相较于传统混凝土灌注桩而言，省略了现场混凝土搅拌与养护施工，并能够根据场地实际情况进行截桩、接桩施工，成桩灵活快速，且单桩承载力成本较低。

2 岩土工程地质勘察

2.1 场地位置

拟建项目在六合区龙池街道新集社区新集东路南侧、董王路（待建）东侧、新长路西侧、怡峰路（待建）北侧进行本工程新建，本工程的地上建筑面积为91 310.52 m2，地下建筑面积为39 364 m2，总建筑面积为130 674.52 m2。工程场地整平标高约为8.70～11.40 m，室内地坪标高约为8.90～11.70 m（均为1985国家高程基准）。

2.2 勘探点布设

采用钻探、原位测试、室内试验等方式进行场地工程地质条件勘测和分析，并对基础类型、型式、地基处理和不良地质处理提出合理可行的建议。根据相关规定，将勘探点布设于建筑物周边、角点位置，建筑物位置钻孔间距在25 m以内，共布设勘探点286个，勘探孔深约42.0～52.0 m。主要采用钻孔取样和现场原位测试等的综合勘察手段进行。

在勘探点的定位方面，采用NJCORS网络RTK进行作业，进行勘探点的高程放样以及复测。在钻探勘察方法中，采用钻机进行单管回转钻进的方法，将回次进尺控制在2 m以内，提土率满足规范要求。在取样勘察方法的应用之中，按要求进行取样，并现场蜡封处理，及时送实验室进行试验。在原位测试方法的应用中，采用自动落锤的方式进行标准贯入试验及重型动力触探试验，并设置28个波速测试孔进行波速测试。

图1 NO.2019G58地块项目场地位置

2.3 场地地形及不良地质分布

工程拟建场地均为空地，地形相对平坦，局部稍微有些起伏，孔口1985国家高程基准为5.56～10.97 m。由工程地质情况可知，该工程场地地层自上而下分别为素填土、淤泥（局部分布）、粉质黏土（其中局部分有软塑-可塑状态的粉质黏土，属于软弱持力层）、中砂、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。

2.4 场地水文地质状况

本场地地下水主要是孔隙潜水，中砂层中有微承压水。地区的地下水位最高水位通常在7～8月份，最低水位通常在旱季12月至翌年3月份。场地微承压水的水头埋深在地面以下17.05～20.12 m之间，高程为-9.58至-8.83。拟建场地的抗浮设防水位要预先进行抗浮验算，充分考虑地下水补给、排泄条件、含水层分布等因素，按设计室外地整平标高以下0.5 m进行抗浮设防水位的取值计算。

2.5 场地与地基的地震效应

拟建工程场地的抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.1 g，地震动峰值加速度反应谱特殊周期值为0.40 s。

3 岩土工程桩基设计、施工成桩可行性分析

3.1 天然地基基础设计施工方案

考虑到本项目岩土工程地质及水文条件和施工环境、拟建物性质及荷载，对于天然地基浅基础设计建议主要包括以下内容：

（1）对于拟建项目的各个单体建筑物，考虑到本项目建筑物下部均有一层地下车库分布，下方分布有可塑-硬塑状态的粉质黏土作为基础持力层，同时下部还有软弱下卧层，应进行承载力及变形验算；如不能满足工程要求，则可选择桩基础。

（2）对于荷载较小的建筑物而言，则以采用天然地基浅基础，挖除表层填土及部分可塑-硬塑状态粉质黏土，以该层为天然地基基础持力层，并进行承载力及变形验算。

如拟建建筑物位置位于填塘部位，建议采用换填垫层法进行处置，压实系数达到设计要求，满足基础底面应力扩散的要求。

3.2 混凝土预制桩或钻孔灌注桩成桩可行性分析

混凝土预制桩方案具有施工周期短，对周围造成的影响小。但单桩承载力不高，场地软土层挤土效应明显，会导致邻近桩的偏位甚至断桩，并对周边已建建筑物及道路产生不利影响。同时，本工程主楼柱荷载大，要求基桩数量较多，增加了挤土效应的产生，遇到砂层还会增加沉桩难度，易造成截桩，需要选择大吨位桩，必要时需要采取排水、引孔等措施。

钻孔灌注桩能适应各种复杂地层条件，不受桩长、桩径限制，施工过程无挤土、无震动、噪音小、对邻近建筑和地下管线危害小。但如果质量控制不严，容易出现断桩，缩颈、露筋和夹泥现象。孔底沉渣不易控制，影响端承力的发挥和造成桩的较大沉降。此外，施工工期长，泥浆排放和外运困难，易造成施工环境污染等。应选择质量较高的桩基施工队伍，施工时改进施工工艺，同时采取一定的质量保证措施，确保桩基质量。

从场地地质条件及周边环境来看，可以考虑采用钻孔灌注桩基础方案，在钻孔灌注桩成桩方式之中要合理控制桩基施工的成桩速度，注重保持适宜的泥浆比重，避免钻孔灌注桩成桩时出现夹泥、缩径、塌孔等现象，较好地保证钻孔灌注桩的成桩质量，根据《南京地区建筑地基基础设计规范》（DGJ32/J12～2005）有关规定，并进行单桩竖向承载力特征值的估算。如下表所示。

表1 钻孔灌注桩单桩竖向承载力估算

3.3 预应力管桩成桩可行性分析

结合场地地质条件和周边环境，采用混凝土预应力管桩成桩方案可行。对于场地松散的杂填土、素填土和粉质黏土而言，沉桩操作的速度较慢，对于中砂作为桩端持力层而言，由于桩基穿越的难度较大，同时需要考虑局部中砂中有粉质黏土夹层，为此要对其进行试桩作业，从而保证预应力管桩成桩工艺的可行性。

考虑到预应力管桩成桩是采用挤土桩的形式，为此要在预应力管桩成桩作业中使沉桩设备的沉桩能力有足够的余量，确保桩身强度能够满足最大压桩力的要求。并在施工中采用压桩力与贯入度双控的方式，分析地基土层的承载力、沉桩方式、桩端持力土层影响系数等因素，合理设计桩长、桩直径，并在施工场地内设置一定数量的应力释放孔，削减孔隙水的压力，降低桩基施工的挤土效应。

在压桩作业过程之中，可以采用实地高程测量的方式获悉桩的入土深度和压力值，做好送桩深度标记，合理控制压桩的速度，掌握好压桩作业的机身、机架垂直度，注意对压桩过程进行位移、偏移控制，确保桩体压入设计深度。

3.4 基坑支护设计与施工

考虑岩土工程基坑深度、地基土特性、地下水条件及周边环境，可以合理设计基坑支护方案，采用放坡+坡面挂网喷浆的方式，并将其作为止水帷幕，坑内采用集水明排，坑外则采用排水沟，集水坑明排。同时，在基坑支护设计与施工方案中，要根据室内试验结果、原位测试结果及相关工程经验，提供基坑支护设计相关参数。

同时，要做好本工程的抗浮设计和施工，进行抗浮验算，并采用增大基础自重或顶部覆土的方式进行抗浮处理。还要做好地表水和地下水的控制，要在基坑内外设置排水沟，集水坑明排，并重点做好基坑周边截、排水工作，有利于雨水及地表水的汇聚。对于地下水管网渗漏、强降雨时，要做好场区低洼处的降排水工作。对于地下水的控制则要做好基坑开挖前的降排水工作，重点做好基坑外围截排水工作，及时将降雨或积水排出坑外。

在基坑工程开挖作业中，在确定基坑支护结构构件达到设计强度后方可进行开挖，依照一定的施工顺序和开挖深度进行分层开挖。并在土方开挖完成后立即进行施工垫层，封闭基坑并进行地下结构的施工，包括混凝土垫层、基础施工和主体地下结构的施工。同时应重点做好基坑工程的监测，包括对支护结构、周边地下管线、周边建筑物、邻近地表沉降的监测，对监测项目、数量、频次、限值数据进行及时采集和反馈，为信息化施工做好数据支持和准备。尤其要做好强降雨及管道渗漏的监测和应急处置工作，确保基坑开挖及支护施工的稳定与安全性。

另外，要做好基坑工程的风险识别与应对，重点做好基坑开挖施工风险和特殊性岩土与不良地质风险的识别与应对工作，在基坑开挖施工风险应对过程中，可以采用坑内降、排水治理措施，合理安排施工开挖计划，实施分层、分段开挖施工，应做到先支护后挖，开挖面及时进行后序施工，并严格控制地面超载和振动荷载，避免支护结构出现变形、位移的现象。在特殊性岩土与不良地质风险应对之中，要在坑内预先降水，使土体固结，可以采用人工开挖的方式进行基坑（槽）开挖，待到达设计标高后及时浇筑垫层，合理设置分层开挖厚度，避免坡体坍塌。钻孔灌注桩施工应在桩孔洞口要设置钢护筒，控制钻进速度，合理调控泥浆比重，确保成桩质量。

4 小结

综上所述，岩土工程桩基设计和施工是一个复杂的工程内容。要结合拟建工程的性质特点、荷载及环境条件，运用岩土工程桩基设计施工相关原理，设计拟建岩土工程的桩基施工方案，进行钻孔灌注桩成桩和预应力管桩成桩的可行性分析，并做好基坑支护设计和施工。

岩土桩基础设计理论是一个庞大而动态发展的体系，需加强对管桩-土体复合地基的理论研究，并要充分考虑桩基施工中的负摩阻力、群桩效应、开口桩闭塞等问题，从而更好地保证岩土工程的成桩质量。