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岩土研究院

国内桩型体系和选型介绍

439 2021-03-18 15:18:19

早期的桩受到材料和施工条件的限制主要是木桩,随着技术的进步就有了混凝土桩、钢筋混凝土桩和钢桩等不同材料的桩,桩型也有了许多不同的类型,能够适应不同的环境条件和地质条件。


20世纪 80年代以来,随着国民经济持续高速增长,中国建设出现了空前的大规模用桩时期。据估计,中国近10年来,每年的用桩数量都在5000万根以上,稳居世界各国之首。支承于桩基上的高层、超高层建筑超过万幢,跨越长江、黄河、珠江、黄浦江、钱塘江等大江大河上的大桥、特大桥也以百计,21世纪初,上海的东海大桥、浙江的杭州湾大桥都是建于桩基上的跨海大桥,其规模和长度也在国际领先。


以成桩条件来区分桩型,则总体上可分为预制桩和灌注桩两类,但从材料和制桩工艺、桩身形状、沉桩(成桩)工艺等方面进行分类,则有更多的不同类型。


浙江省建筑行业协会地下工程分会会长史佩栋教授根据桩的材料、成桩工艺、桩身和桩尖形状、沉桩和施工工艺等要素,列出了中国现今的桩型体系,如图1-17 所示。可以看出,中国的桩型适应性非常强,不同的制桩材料并存,不同的制桩工艺并存,大中小直径(截面)并存,钻进、锤击、振动与静压施工方法并存,机械成孔与人工挖孔并存,先进工艺和传统工艺并存。桩型和桩基工程显示了一种文化,一种有中国特色的推陈出新的文化和技术。


(1)对于预制桩来说,目前主要的桩型是钢筋混凝土桩、预应力混凝土管桩和钢桩。钢筋混凝土桩主要是传统的尖底方桩,但也有三角形桩、空心方桩和管桩,都是以落锤、振动锤或静压贯入土中,在上部有硬土层的情况下,或是为了减少挤土效应,也可采取预钻孔打入。


高强度预应力管桩(PHC桩)是目前应用最广泛的一种桩型,由于高强度、耐锤击、贯入性能好,单桩承载力甚至高于钢管桩,因此在许多场合取代了价格较为高昂的钢管桩,其造价在承载力相当情况下比钻孔灌注桩便宜30%。相应的打桩机械也在不断改进,锤击能量不断增大,工作效率不断提高。以上海工程机械厂为代表的生产厂家,引进了日本车辆的履带式三支点全液压打桩机 DH558、DH658 和德国 DELMAG柴油锤,国产品牌的工程机械已外销至美国等发达国家。


随着技术的逐渐成熟,相关的规范和标准也渐趋完善,特别是预应力管桩的国家图集和地方标准都已问世,统一了质量要求和规格标准。


(2)目前国内常见的钻孔灌注桩,已是成孔方法较新,接近国际先进水平的工艺,而人工挖孔桩,则是最古老的工艺之一,二者和谐共存,这是富有中国特色文明的一个范例。中国许多城市只要地质条件适合,人工挖孔桩就是一种高效、优质而又特别经济的成桩工艺。华东电力设计院负责设计的福州电厂、青岛电厂等大型电厂都成功地应用了人工挖孔桩,而且得到了合作伙伴德国西门子的认可。这些年来,南京、北京、青岛等城市由于在施工中发生了人身伤亡等事故,当地建委下发了禁令,不允许随意采用人工挖孔工艺,这是政府负责任的表现,关爱人民的生命安全。青岛发电厂的人工挖孔桩在经过充分的研究论证和试验,提出了详细的施工工艺和安全措施,经过市政府的特批,才得以贯彻实施。现在电厂已安全运行多年,为青岛市的迅速发展作出了巨大贡献。

钻孔灌注桩是桩基工程最为常用的主力桩型,它适用于各种不同的地层条件,没有挤土作用和噪声,在城市中心地带和建筑物密集的地区对环境的影响较小,对于超深和超长的桩基施工也没有大的困难,因此这种桩型遍布天南海北,在全国各地广为使用。


钻孔灌注桩由于成孔条件的不同,施工设备和工艺也有许多形式。除了常见的回转钻进的钻孔桩以外,还有冲孔桩、内击式扩底桩(弗兰基 Frank 桩)等。最近十年引进了德国宝峨、意大利土力、日本车辆 ED系列等外国旋挖式钻机,其特点是用抓斗旋挖取土,改变了泥浆排放的缺点,改善了环境条件,在挖制系统方面也更为现代化,这种工艺很快风行全国,后来居上。目前国内厂商如三一重机等也已能够生产,并已出口国外。


在桩身形状方面,除了传统的直身等直径外,扩底桩首先引起重视。早在 1981年,北京市桩基研究小组就作了钻孔扩底灌注桩的试验研究。桩端扩大头的直径是2~3 倍桩身直径,增加了桩端的摩擦支承力,提高了单桩承载力,减小了布桩的数量,节约了工程造价。扩底桩的设计和计算也已列入了《建筑桩基技术规范》JGJ 94—2008)。


挤扩灌注桩施工技术,也叫做多支盘桩(图1-18)的工艺,与单纯在桩端扩底不同,在整个桩长范围内可以根据地层条件挤扩出多个分支或扩大盘(图1-19),这样可以增大桩侧摩擦阻力和桩端阻力。这种工艺在北方一些地区推广使用取得了很大的经济效益,河北黄骅电厂就是较为典型的一个实例。


1993 年以来,桩端和桩侧后注浆技术逐渐发展,现已在全国普遍推广应用。实践表明,这项技术具有大幅度提高基桩承载力和降低沉降的作用,操作简便,成本较低,经济效益好,可以认为是钻孔灌注桩发展的一项先进、经济、实用的技术。


型钢水泥土搅拌墙(SMW 工法)是最近几年在基坑围护中广泛应用的一种较新的工艺,│也是从日本引进的技术。水泥土搅拌桩或称深层搅拌法是地基加固的一种重要工艺,是以水泥浆液注入土层加以搅拌而形成水泥土桩,与地基土形成复合地基而使地基土的强度得以提高。对于开挖深度小于7m的三级基坑来说,以水泥土搅拌桩加固土层形成重力式挡墙是一种常用的方法。但是对于较深的基坑,重力式挡墙就显得力不从心了,于是一种在水泥土搅拌桩内插入型钢的新工艺——-SMW 工法就应运而生。由于插入型钢(一般为H型钢)使抵挡土压力的能力大为提高,同时有水泥土搅拌桩作为介体,可以有效地防止地下水的渗漏,而型钢在支挡结构完成任务之后,又可回收利用,因此可以节约工程费用,这就是 SMW 工法得以广泛使用的原因。随着大量经验的积累,上海市在总结有关经验的基础上,编制了工程建设规范《型钢水泥土搅拌墙技术规程》试行)(DGJ08-116—2005),经上海市建设和交通委员会批准施行。


咬合桩围护结构是最近几年发展起来的一种挡墙结构,与常用的桩排式挡墙不同的是桩排式钻孔灌注桩挡墙的单桩是不连续的,不论是一字形相接排列、间隔排列,或是交错相接排列、搭接排列、混合排列,一般都要在桩后采用水泥土搅拌桩、旋喷桩、树根桩及压密注浆等组成隔水帷幕。咬合桩也由钻孔灌注桩咬合而成,由于形成相互咬合的桩墙,有良好的挡土和阻水的功效,因此一般不设计隔水帷幕。咬合桩的关键在于桩的垂直度控制,使桩与桩之间的搭接完全符合要求,因而取得既能挡土又能隔水的效果。咬合桩施工在条件许可的地方有用人工挖孔的,但多数还是要用机械施工。


根据桩施工时对周围地基土的应力状态的影响进行分类,中国建筑科学研究院研究员高文生教授介绍了国际上常用桩的分类,见表1-1,表中.CFA 桩为连续螺旋钻孔灌注桩,与此相似,香港常用的桩型如表 1-2 所示。

香港常把钻、冲孔灌注桩之类叫做机械成孔桩,又把机械成孔桩与人工挖孔桩统称为置换桩。这是因为这些桩在施工时是先将土从桩位取出而形成桩孔,然后在桩孔中灌入混凝土作为置换。


关于迷你桩或称微型桩和小直径注浆桩(micropiles and small diameter grouted piles),与树根桩相似,都用钻机成孔后注浆,关于这方面的发展主要在于施工设备能力的增强和钻机的小型化以及钻孔参数的电子记录和注浆量的监测。


桩型的选用必须经过认真的技术经济比较,做到安全适用,且宜遵循以下原则∶

(1)由于中国地域广大,各地的地质条件不尽相同,桩型的选择必须与地质条件相适应,必须因地制宜,结合地质条件和当地经验选用。


(2)中国建设发展迅猛,各类工程性质各异。从高层建筑、地下工程、大桥高塔,用途性质各异,技术要求不同,施工条件复杂多变,因此必须选择适宜的桩型,发展不同的相应桩型,与建筑结构相匹配。


(3)资源节约型、环境友好型是中国建设的基本国策,桩型选择和桩基工程也必须符合这个国策。因此,立足于当地资源,不造成环境问题,凡是造价经济合理、工艺满足安全和工期要求,各种桩型、各类工艺都是可以选用和推广的。


(4)根据科学发展观的要求,中国政府一贯鼓励科技人员改革创新,力争缩短与国外的差距,逐步赶上或超越国际先进水平。这些年来,不仅引进了许多国外的先进桩型和施工设备,也根据中国特色创造了许多新的桩型和施工技术,因此,中国的桩型选择必须着眼于在相同条件和要求下的先进性,经济、高效、安全和满足工程寿命的要求。


(5)一种新的桩型的选用必须经过科学试验和工程实践的考验。上海地区淘汰了粉喷水泥土搅拌桩和夯扩桩,是结合上海地区的地质条件,通过许多工程经验教训作出的决策。因此,任何一种新的桩型必须从实体试验开始,进行科学论证,即使是比较成熟的桩型,对于重大工程项目也必须进行工程试桩,这种试桩有时候是多种桩型多种方案的比较,这一点在国家和地方的地基基础设计规范中已经有了明确规定。