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岩土研究院

桩基础技术概论

345 2021-03-18 14:24:52


桩基础是最古老的基础形式,早在有文字记载的史前,人类在构筑遮风挡雨的住房的时候采用桩来支承。首先是干阑式建筑,这种高架木屋,先民不仅用来居住,而且也作仓储和圈养牲畜之用。特别是在地基条件不良的河谷和冲洪积层采用木桩是最好的选择(图1-1)。


桩在中国的起源为距今6000~7000年的新石器时代。中国考古学家于1973年和1978年相继在浙江省东部余姚市的河姆渡村发掘了新石器时代的文化遗址,出土了占地约4万m²的木桩和木结构遗存。经测定,其浅层第二、第三文化层大约距今6000年,深层第四文化层大约距今7000年,这是太平洋西岸迄今发现的时间最早的一处文化遗址。1982年在南美洲智利发掘的一处文化遗址所见到的木桩则年代更为久远,大约距今12000~1400年。可见桩基础是人类进步史上一笔重要的文化遗产,是人类文明的结晶。我国古代许多雄伟壮丽的历史建筑,历久弥坚,正是成功地运用了桩基础,才抵御了无数次地震灾害和海浪冲刷而至今不失当年雄姿。例如建于公元247年的上海龙华塔;10世纪筑成的杭州湾大海塘的石砌岸壁,是最早采用木桩基础而完好保存至今的著名工程;山西太原晋祠圣母殿亦为木桩基础,历经几百余年保存完好。可见,桩基础源远流长,是建筑工程不可或缺的基本结构要素之一。


中华人民共和国成立之前,20世纪20年代或稍晚一些,在软弱地基上建造3~4层的房屋,常用的都是木桩,一般都是几米长,大头直径约中300mm。直至20世纪30年代上海外滩号称万国建筑博览会的许多大型建筑物,也大多采用木桩或是木桩上端接上一段混凝土桩管的复合桩。1943年,中华人民共和国成立前我国第一高楼-—上海国际饭店),高83.8m,地下二层,地上22层,常称24层,是我国历史上采用木桩支承的最高建筑和最后一座高楼。19世纪后期,国际上生产了混凝土桩和钢筋混凝土桩,中国随之于20世纪20年代开始采用钢筋混凝土预制桩和灌注桩,从而出现了木桩、混凝土桩和钢筋混凝土桩三者并举的时期。著名的杭州钱塘江大桥(建成于1937年),就是同时采用了木桩和钢筋混凝土预制桩。

桩基础的大规模应用与发展还是在中华人民共和国成立之后,改革开放之后的 30 年则进入了桩基工程的鼎盛时期,目前当代中国的桩基技术已经步入世界先进行列。20 世纪 50 年代首先在一些大型工程中采用钢筋混凝土预制桩,取得了桩基设计施工的初步经验,建立了自己的施工队伍和装备,打下了桩基工程行业发展的基础。到了20世纪60年代,钻孔灌注桩和爆扩桩迅速发展,为在不同地区不同地层中应用桩基础提供了可能性,也推动了桩基的科学研究。70年代后期,随着建设事业的发展,桩基础更是突飞猛进,无论是桩型的创新还是施工技术的进步,无论是应用的广度还是研究的深度,都是前所未有的。20世纪70年代早期的桩型主要是预制方桩,打桩设备最大为100kN单动蒸汽锤,最大冲击力为3600kN,很难贯入中密的砂层。从宝钢开始,在桩型上引进了日本的钢管桩和打桩设备,柴油锤取代了蒸汽锤,大大增加了锤击能量和入土深度,满足了工程规模不断扩大、结构荷重不断提高的要求。


在宝钢,钢管桩成为强度高、贯入深的重力桩型,前后使用几十万米。继宝钢之后,石洞口电厂、外高桥电厂等大型电厂,花园饭店、世贸中心等高层建筑,杨浦大桥等桥梁墩台等也都使用高强度的钢管桩。图1-8 是建于钢管桩上的上海环球金融中心及其近旁的金茂大厦,矗立于上海浦东陆家嘴金融贸易区中心的101层超高层建筑,屋顶高度达492m,观光天阁高达472m,当前均居世界第一。


除了钢管桩以外,上海地区和一些重大电力工程中也应用了H型钢桩,华北电力设计院承担的深圳妈湾电厂和华东电力设计院承担的扬州第二发电厂都应用了卢森堡HP360×410×176(翼板宽度为410mm,腹板高度为360mm,每米质量为176kg)H型钢桩。当时我国还不能生产,但现在我国马鞍山钢铁公司已能大量生产并出口世界各地,由于H型钢桩穿透能力较强,在特殊地质条件下有一定的适应性,因此也是钢桩中常用的一种桩型。


进入20世纪末以后,随着高强度预应力管桩的引进,在打入桩占了主导地位,钢桩的应用就明显减少了。


PHC桩,或称先张法离心高强度预应力混凝土管桩(pretensioned spun high strength concrete pile),是在离心管桩基础之上采用高温高压蒸养而使其强度提高到C80~ C85的预应力管桩。我国在1987年由交通部第三航务工程局混凝土预制品厂引进了PHC桩的制造技术和设备,开始用于码头等水上工程,此后不久,广东省的有关单位也引进了这一技术。1989年华东电力设计院设计的外高桥电厂一期工程,第一个在上海地区的重大工程中进行了9800mm、长达70余米的超长桩的试桩工程,为在电力工程和其他工程建筑中的推广和应用奠定了基础。PHC桩以其强度高、工厂化生产、制作周期短、适应的地层较广、经济性较好,成为打入桩的主力桩型,目前大直径的管桩也已能生产并投入应用。