高层建筑桩基工程技术研究

曾翔

（广东厚普建设工程有限公司，广东 广州 511400）

0 前言

近年来，伴随土体条件的变化，桩基工程技术在高层建筑中得到广泛应用，作为建筑物和构筑物的支撑元素，桩基工程技术应用的历史和经验已经证明这种类型的基础是可靠的，具有很强的实用功能。

1 高层建筑桩基工程技术应用的准备工作

1.1 桩设计工作

根据土体条件和荷载组合的特点，可以设计大量不同的桩身形状和截面，以及不同的安装技术。根据整体分类，桩可分为预制（打桩机、千斤顶、螺旋）和现浇（在施工现场使用各种技术直接制造），这类桩的强度基本相同。打入桩的三种主要设计方案可以区分：棱柱式，空心圆（直径可达800mm）、空心壳（直径超过800mm）以及金字塔桩。空心圆形和金字塔形桩在某些地区由于土壤条件的合理性而偶尔使用，棱形桩在任何地方都被大量使用。灌注桩的形式多种多样，其中桩身的形状（锥体或圆柱状，有膨大或不膨大）、成井方式、桩体的浇筑工艺是主要的参数。钻孔分为钻孔和不钻孔的方法（例如，驱动、冲孔、顶起、滚动和旋进）。目前桩基工程技术应用的趋势是采用大长度（50m以上）、大直径（1.2～2.0m）的钻孔灌注桩，以及采用高压射流灌注桩。

1.2 桩基础设计工作

目前最常见的桩基础有：单桩、条形、群桩和桩筏。单桩基础是以在框架建筑或结构的柱下的单桩形式实现的。这样的基础比聚类的方法更具成本效益，因为没有格栅，格栅虽然不是承重单元，但占基础体积的40%～50%。在单桩基础的种类中，最常见的有钻孔灌注桩、打入柱桩、壳桩和锥形灌注桩，结合承台、封头、扩孔、柱桩主要用于管道支撑，在某些情况下，用于框架单层建筑的施工，柱荷载可达400～500kN。单桩基础也用于桥梁建设，以及基础荷载高达1500～2000kN的框架建筑和结构。与组合地基相比，其主要缺点是水平荷载和弯矩承载力有限。条形和群桩基础是通用结构，成功应用于无框架和框架建筑。此外，包括多排桩在内的条形桩基础在工程中具有广泛应用的特点。在过去的三十年中，以钢筋混凝土筏连接桩场的桩筏基础也得到了广泛应用，使用桩筏基础的想法是为了利用它们的荷载分配能力（特别是在恶劣的土壤条件下，在沉重的荷载下），因为这种桩能够显著减少基础沉降和由此产生的建筑结构变形。

1.3 单桩竖向荷载计算

单桩的比值一般在l/d＞20的范围内，（其中l为桩的长度，d为桩的截面尺寸），即所谓的“悬挂”桩，即使在较小的荷载（通常在建筑物和构筑物允许的荷载下），也具有冲锤沉降的特点。桩周土体的极限状态同时发生在达到极限土体抗剪强度的时刻，也发生在桩侧表面和桩端下方。斜面桩的三种强度构件也有相似的规律，变截面桩（锥形、锥形）在桩基工程形成初期就已经引起了研究人员的关注。由于摩擦力和桩尖下的地面强度，金字塔桩侧表面的极限强度几乎同时达到，棱形桩在桩侧表面摩擦强度达到最大值时，桩端下方的强度随着强度的增大而继续增大。在此基础上，提出了考虑三种土体强度成分的金字塔桩承载力确定设计方案。采用桩的截面尺寸随当前深度参数的变化规律，根据得到的作用力和反力的平衡来确定桩的承载力。另外，我们应该注意钻孔灌注桩承载力的计算方法。当桩的下端区域有一定的沉降时，形成一个向下扩展的锥体极限平衡区，在此基础上，可以建立桩的极限强度计算公式，同时，运用极限平衡理论计算桩基，但这并不能解决桩基的极限状态发生在桩沉降多少时的问题，对于不同大小和轴形的桩，以及不同的土壤类型，这种沉降明显会有很大的差异，在某些情况下，会大于行业规范所允许的沉降。为了计算沉降，可以使用基于弹性理论的解。桩被封闭在一个弹性半空间内，其中设计荷载分布选择在“桩-土”接触的条件。为了得到解，我们使用齐次半空间的概念，包括Gibson半空间、多层半空间以及其他方法。随着计算机的发展及其在工程实践中的应用迅速扩大，有效的数值方法不断得到发展，其中，有限元法在桩基计算中应用最为广泛，采用各种弹塑性土模型，并考虑了土体等级的非线性。弹塑性模型的计算考虑了土壤中的实际物理过程，可以确保结果的准确性。然而，通过标准方法确定某些模型时，可能无法获得沿桩的整个长度所需的土特性，这是其在设计实践中广泛应用的主要障碍。在评估桩的承载力时，锥贯入试验数据具有重要意义。根据锥体穿透数据的计算方法，由于其简单和清晰而得到很好的发展和规范，并且很容易理解。在高层建筑施工时，有可能需要使用长度（50m或以上）和直径（1.5～2.0m）的钻孔桩。安装钻孔桩的工作与建筑规范所规定的普通计算不同，桩在竖向压荷载作用下在土壤中运行，土壤极限状态被理解为发生在沉降条件低于允许规范的情况下，在此基础上，根据第一极限状态即土体等级承载力进行桩土计算，这种方法适用于建筑工程中广泛使用的20～25m长的桩，然而，由于长桩、大直径桩在荷载作用下的运行与标准桩存在较大差异，相应的计算方法存在较大的误差。

2 高层建筑桩基工程技术要点

2.1 科学计算条形桩以及群桩

桩基础的设计过程包括两个不相关的子过程：根据基础的承载力计算单桩和根据变形计算整个桩基础。在施工群桩（或条形桩）时，允许最小桩距为3度，不考虑群桩（或条形桩）之间的相互影响，群桩基础通常设计有一个“边缘”。另外，有方法考虑了群桩中各桩具有已知荷载分布的相互影响，通过考虑极限变形，包括土壤流变特性来设计桩基的想法，对沉降计算方法的改进，结合Ⅰ和Ⅱ极限状态的计算结果，确定荷载和相应的沉降，有意识地选择基础参数。

桩筏基础设计的核心问题是通过考虑桩、土和筏的相互作用来进行计算，设计的特点包括由变形确定的桩场参数（桩间距、截面、长度），反映了连续桩场中单桩与单桩行为差异的物理本质。数值研究表明，在连续的桩场中（沉降范围高达20cm）加载桩时，桩侧表面的剪应力仅发生在桩的下端，桩在桩场中的极限状态准则仅为桩的沉降。桩筏基础具有较大的荷载分配能力，在许多情况下是基础的最佳选择，根据变土反力系数模型设计的桩基计算特性由桩刚度系数组成。由于部分土壤的软化，土壤的合规等级减少，桩筏基础发生变形时，桩加固土体吸收变形的应力，防止空洞的产生。为了解决问题的计算集群基础水平载荷和弯矩，使用位移方法进行计算被认为是成功的，然而，这种技术没有考虑桩的相互影响，这比桩在竖向荷载作用下的相互影响更为重要。通过引入非线性阻力参数的折减系数来求解桩在水平荷载作用下的相互影响问题是可行的，该折减系数取决于桩在方案中的位置和荷载的方向，由于这种技术的潜在价值是明显的，它值得实际应用和广泛的测试。另一个重要的问题是确定土壤阻力系数的方法。显然，使用规范文件中比例系数的表格数据很难为各种土体条件和桩基设计提供可靠的结果。大量研究表明，锥贯入试验能提供更可靠的结果，因为这种方法能提供有关自然环境中任何需要深度的土壤信息。对于许多设计方法来说，非线性的考虑似乎是无关紧要的。因此，在框架建筑柱的群桩基础中，出现了对允许水平位移的严格限制。由于桩在格架脚水平处的位移更小，不超过0.8～1cm，可以认为桩的运行与此位移呈线性关系。对挡土墙和抗滑坡结构的非线性考虑更为重要。为此在某些情况下，显著的水平位移高达10cm是允许的。桩防滑结构和挡土墙，抗滑桩设计在布局中可以有不同的配置。单排连续桩设计效率最低，因为这里的桩只具有弯曲特性。在不增加桩数的情况下，将桩排由单排改为多排，在土体中形成多排框架，可以显著改善设计。在这样的结构中，由于框架内荷载的重新分配，桩的位移和强度会降低（在这样的框架中，格栅起着横杆的作用），这种结构的一个行为特征是水平荷载以剪切（滑坡）土体的形式不仅作用在格栅上，而且直接作用在桩上，尤其是在深剪切时，这种情况下，桩结构的运行方案与建筑群或条形建筑基础类型有很大的不同，由于桩上的荷载仅通过格栅传递，必须在设计中加以考虑。

2.2 开发桩基工程应用过程的创新技术

现代基础工程中的桩基工程技术是提高桩基结构和技术解决方案的主导方向。桩基础的承载能力在很大程度上取决于桩侧表面土体摩擦力的形成。许多科学家致力于研究桩的下沉和运行过程中的土摩擦力以及提高土摩擦力的方法，目前，特别重视开发和研究创新的沉桩结构和技术解决方案，使沉桩的承载力显著提高。其中有两个方面的创新技术得到了很大的发展空间：利用非爆炸性破坏物质将棱柱形桩转化为锥体桩以及开发在松散土壤中使用的桩。这项工作的目的是开发和研究创新的结构和技术解决方案，以推进浮桩，从而大大提高其承载能力。预制桩的创新结构和技术解决方案，显著提高了其承载能力：一个可变形桩和一个在侧表面有凹槽的桩在松散的土壤中使用。在制造中心预制钢筋混凝土桩时，可以设置长度为桩长0.75的塑料锥形十字制动器、在打入桩后浇注破坏性非爆炸性物质，其体积增加了2～3倍，将棱柱状的堆变成金字塔状的堆；当制作预制混凝土桩时，在侧面安排凹槽；在打桩过程中，位于凹槽内的液体硬化复合物渗透到桩体土体中并加固桩体，大大增加了桩体的侧摩擦力和承载力，降低了沉桩能量。这种设计和技术解决方案可以减少打桩消耗的能量，同时提高其承载能力。

2.2.1 变换桩

变换桩通过将棱柱式（串联）桩楔入4个等容部分，并将其折成金字塔形，从而提高了桩的承载能力，具有更大的承载能力。这是由于在楔入时，桩的四个面倾斜，桩周围的土壤被压实。此外，这些桩的使用可以实现打桩的节能，因为棱柱桩最初是打桩的，经过改造后利用了金字塔桩。然而，在常规棱柱形钢筋混凝土桩的制造中，为了获得可变形桩，需要在桩身的中心位置安装一个塑料锥形十字形预埋件，其长度为桩长的0.75，将桩身分成四等分。改造桩的施工工艺顺序：凿成棱柱形钢筋混凝土桩的设计标记并在制造过程中进行设计变更，从上方将非爆炸性破坏性物质提交到塑料锥形十字形预埋件中，在1.5～2d，非爆炸性破坏性物质，体积增加，将桩身楔形成四等分，从而形成金字塔桩。非爆炸性破坏性物质是一种粉末材料，当与水相互作用时，其固化体积增大，他们用破碎的生石灰和各种添加剂制备一种非爆炸破坏性物质，以提高性能。棱柱形桩与转换桩的镦粗方式存在质的差异，棱柱桩在荷载作用下，顶置到一定值后，桩身镦粗急剧增大，失去承载力。变形桩的荷载增大时，镦粗量没有急剧增加。这是因为，给定了拉筋桩侧面与相邻土体的夹角，随后的泥沙桩继续固化相邻土体，从而提高了桩的承载力。

2.2.2 在松散土壤中使用的桩

这种创新技术可以解决在松散土中提高桩承载力的问题，在桩的设计过程中在侧面提供凹槽，不影响桩的正常工作。在操作过程中，桩体和周围土体将荷载视为单一结构，位于凹槽内的液体硬化化合物，在锤击过程中受到水动力冲击，穿透桩内土壤并固定桩身。以正磷酸为硬化剂的硅酸盐-磷酸配方和以铝酸钠为硬化剂的铝硅酸盐配方被用作固定化合物，化学试剂的深度渗透进入土壤取决于土壤的孔隙度以及时间和数量的影响。另外，打桩时润滑剂和润滑脂的存在减少了沉桩所消耗的能量。

2.3 使用新型桩基监测技术

与传统的点监测技术相比，分布式光纤传感技术具有传输距离长、耐久性好、精度高、连续监测等优点。传统的桩基应力变形监测方法通常采用传统的点监测技术，如钢应力计、应变计等。但传统的点传感器存在成本高、存活率低、操作复杂等缺点。容易受到外界环境的干扰，测点是根据经验来选择的，具有一定的盲目性。布式光纤传感技术由于传输距离长、耐久性好、精度高、连续监测等优点，已逐渐应用桩基工程的安全监测过程中。分布式传感光纤的敷设步骤如下。

（1）将光缆以绑扎的方式固定在钢笼的主筋上，并在桩的底部设置PVC软管进行过渡保护。在另一侧对称的主筋处将光缆绑扎成U形环，两端预留足够的长度。

（2）用起重机将钢笼缓慢降至桩孔，在缓慢下降过程中在钢笼的后续部位设置纤维。

（3）光缆沿基坑导至山坡，进行后续定期监测。通过在现场主筋上布置传感光纤，对桩基的应力和变形进行监测，并将监测结果与传统的点测试结果进行了对比。分布式传感光纤技术能够检测桩基础的局部变形。根据桩基的材料和几何特性，可以求解桩基的变形和应力。分布式传感光纤的监测数据与钢筋计的测试结果吻合较好，说明分布式传感光纤作为一种新型的监测方法，具有较高的准确性，因此在桩基工程的检测中具有广泛的应用前景。

2.4 灌注桩施工技术要点

在相同条件下，注浆桩比无注浆桩具有更大的承载能力，超厚细砂层侧注浆桩极限承载力提高50%左右，组合注浆桩极限承载力可以提高60%左右。钻孔灌注桩技术有效地改善了桩身与土体的边界条件，提高了桩周土体的强度和刚度，因此，注浆后的桩身总阻力比注浆前高，对桩身荷载传递特性有显著影响。在相同基底位移条件下，灌浆桩的动员基阻力比未灌浆桩的动员基阻力大，灌浆桩在较小位移范围内可发展端部承载力。注浆后桩的单位轴阻力比注浆前大，进一步说明桩侧后注浆可以通过提高桩身周围土体的强度和刚度来提高桩身阻力。高压下的浆液会劈裂、渗透、填塞、压实、固化桩内黏液及周围土体。在建筑施工中应用钻孔灌注桩技术可以有效提高建筑的牢固性。注浆管采用无缝钢管，每根注浆管在使用前都必须经过压力测试和批准，在管道的连接处采用螺纹连接，螺纹处的净厚度应不小于管道原有厚度的2/3，以避免螺纹部位的损伤。注浆管应点焊牢到钢筋笼箍上，在放入孔内之前，要仔细检查注浆喷嘴的密封情况，防止因漏砂或砂子而堵塞喷嘴。注浆管应与加固骨架一起下压，并在管螺纹连接处的螺纹处应用密封材料，将每段笼体放入孔内后，向注浆管注水，检查其水密性，管路中注满水后，水位应稳定不下降，说明管路有可靠的水密，如发现水泄露，必须及时纠正泄漏的原因，安装完成后，要将管道的口部盖上，防止其他异物进入管道，造成管道堵塞，注浆管应距地面20cm左右，过多的剩余桩长不仅没有必要，而且在其他桩的施工中容易受到破坏。为了保证浆液的顺利通过，在桩体养护3d后，向管道内注入压力水进行通路。灌浆一般在桩体养护7d后进行，首先用清水突破灌浆孔，启动泵前，打开回气阀，开始注水时，缓慢关闭回阀，观察压力表读数的变化，通过注浆路径记录压力向力的变化。在注浆过程中，应由专人负责观察并记录量规读数的变化。灌浆的混合必须符合配比设计，指定专人加水，并在水桶上做标记，控制水量，混合后的浆液在进入浆液储浆桶前应透过钢丝网，以滤除较大粒径的浆液，避免浆液喷嘴被堵塞，为了防止现成的浆液沉淀，储浆桶内应安装搅拌器，不时搅拌浆液。注浆的完成主要由注浆的水泥量来控制，注浆压力是辅助控制手段，注浆达到设计注浆量即完成注浆，或者注浆量达到设计量的80%时注浆压力超过标准值，注入浆液变得非常困难，也可认为注浆完成。注浆完毕后，用清水清洗泵和高压胶管，并做好记录。

3 结语

综上所述，工程实践证明，高层建筑桩基工程技术的应用是提高高层建筑承载力、刚度和稳定性，提高施工质量以及降低基础施工成本的有效手段，值得高层建筑施工过程投入使用。