高層建筑樁基工程技術研究

曾翔

（廣東厚普建設工程有限公司，廣東 廣州 511400）

0 前言

近年來，伴隨土體條件的變化，樁基工程技術在高層建筑中得到廣泛應用，作為建筑物和構筑物的支撐元素，樁基工程技術應用的歷史和經驗已經證明這種類型的基礎是可靠的，具有很強的實用功能。

1 高層建筑樁基工程技術應用的準備工作

1.1 樁設計工作

根據土體條件和荷載組合的特點，可以設計大量不同的樁身形狀和截面，以及不同的安裝技術。根據整體分類，樁可分為預制（打樁機、千斤頂、螺旋）和現澆（在施工現場使用各種技術直接制造），這類樁的強度基本相同。打入樁的三種主要設計方案可以區分：棱柱式，空心圓（直徑可達800mm）、空心殼（直徑超過800mm）以及金字塔樁。空心圓形和金字塔形樁在某些地區由于土壤條件的合理性而偶爾使用，棱形樁在任何地方都被大量使用。灌注樁的形式多種多樣，其中樁身的形狀（錐體或圓柱狀，有膨大或不膨大）、成井方式、樁體的澆筑工藝是主要的參數。鉆孔分為鉆孔和不鉆孔的方法（例如，驅動、沖孔、頂起、滾動和旋進）。目前樁基工程技術應用的趨勢是采用大長度（50m以上）、大直徑（1.2～2.0m）的鉆孔灌注樁，以及采用高壓射流灌注樁。

1.2 樁基礎設計工作

目前最常見的樁基礎有：單樁、條形、群樁和樁筏。單樁基礎是以在框架建筑或結構的柱下的單樁形式實現的。這樣的基礎比聚類的方法更具成本效益，因為沒有格柵，格柵雖然不是承重單元，但占基礎體積的40%～50%。在單樁基礎的種類中，最常見的有鉆孔灌注樁、打入柱樁、殼樁和錐形灌注樁，結合承臺、封頭、擴孔、柱樁主要用于管道支撐，在某些情況下，用于框架單層建筑的施工，柱荷載可達400～500kN。單樁基礎也用于橋梁建設，以及基礎荷載高達1500～2000kN的框架建筑和結構。與組合地基相比，其主要缺點是水平荷載和彎矩承載力有限。條形和群樁基礎是通用結構，成功應用于無框架和框架建筑。此外，包括多排樁在內的條形樁基礎在工程中具有廣泛應用的特點。在過去的三十年中，以鋼筋混凝土筏連接樁場的樁筏基礎也得到了廣泛應用，使用樁筏基礎的想法是為了利用它們的荷載分配能力（特別是在惡劣的土壤條件下，在沉重的荷載下），因為這種樁能夠顯著減少基礎沉降和由此產生的建筑結構變形。

1.3 單樁豎向荷載計算

單樁的比值一般在l/d＞20的范圍內，（其中l為樁的長度，d為樁的截面尺寸），即所謂的“懸掛”樁，即使在較小的荷載（通常在建筑物和構筑物允許的荷載下），也具有沖錘沉降的特點。樁周土體的極限狀態同時發生在達到極限土體抗剪強度的時刻，也發生在樁側表面和樁端下方。斜面樁的三種強度構件也有相似的規律，變截面樁（錐形、錐形）在樁基工程形成初期就已經引起了研究人員的關注。由于摩擦力和樁尖下的地面強度，金字塔樁側表面的極限強度幾乎同時達到，棱形樁在樁側表面摩擦強度達到最大值時，樁端下方的強度隨著強度的增大而繼續增大。在此基礎上，提出了考慮三種土體強度成分的金字塔樁承載力確定設計方案。采用樁的截面尺寸隨當前深度參數的變化規律，根據得到的作用力和反力的平衡來確定樁的承載力。另外，我們應該注意鉆孔灌注樁承載力的計算方法。當樁的下端區域有一定的沉降時，形成一個向下擴展的錐體極限平衡區，在此基礎上，可以建立樁的極限強度計算公式，同時，運用極限平衡理論計算樁基，但這并不能解決樁基的極限狀態發生在樁沉降多少時的問題，對于不同大小和軸形的樁，以及不同的土壤類型，這種沉降明顯會有很大的差異，在某些情況下，會大于行業規范所允許的沉降。為了計算沉降，可以使用基于彈性理論的解。樁被封閉在一個彈性半空間內，其中設計荷載分布選擇在“樁-土”接觸的條件。為了得到解，我們使用齊次半空間的概念，包括Gibson半空間、多層半空間以及其他方法。隨著計算機的發展及其在工程實踐中的應用迅速擴大，有效的數值方法不斷得到發展，其中，有限元法在樁基計算中應用最為廣泛，采用各種彈塑性土模型，并考慮了土體等級的非線性。彈塑性模型的計算考慮了土壤中的實際物理過程，可以確保結果的準確性。然而，通過標準方法確定某些模型時，可能無法獲得沿樁的整個長度所需的土特性，這是其在設計實踐中廣泛應用的主要障礙。在評估樁的承載力時，錐貫入試驗數據具有重要意義。根據錐體穿透數據的計算方法，由于其簡單和清晰而得到很好的發展和規范，并且很容易理解。在高層建筑施工時，有可能需要使用長度（50m或以上）和直徑（1.5～2.0m）的鉆孔樁。安裝鉆孔樁的工作與建筑規范所規定的普通計算不同，樁在豎向壓荷載作用下在土壤中運行，土壤極限狀態被理解為發生在沉降條件低于允許規范的情況下，在此基礎上，根據第一極限狀態即土體等級承載力進行樁土計算，這種方法適用于建筑工程中廣泛使用的20～25m長的樁，然而，由于長樁、大直徑樁在荷載作用下的運行與標準樁存在較大差異，相應的計算方法存在較大的誤差。

2 高層建筑樁基工程技術要點

2.1 科學計算條形樁以及群樁

樁基礎的設計過程包括兩個不相關的子過程：根據基礎的承載力計算單樁和根據變形計算整個樁基礎。在施工群樁（或條形樁）時，允許最小樁距為3度，不考慮群樁（或條形樁）之間的相互影響，群樁基礎通常設計有一個“邊緣”。另外，有方法考慮了群樁中各樁具有已知荷載分布的相互影響，通過考慮極限變形，包括土壤流變特性來設計樁基的想法，對沉降計算方法的改進，結合Ⅰ和Ⅱ極限狀態的計算結果，確定荷載和相應的沉降，有意識地選擇基礎參數。

樁筏基礎設計的核心問題是通過考慮樁、土和筏的相互作用來進行計算，設計的特點包括由變形確定的樁場參數（樁間距、截面、長度），反映了連續樁場中單樁與單樁行為差異的物理本質。數值研究表明，在連續的樁場中（沉降范圍高達20cm）加載樁時，樁側表面的剪應力僅發生在樁的下端，樁在樁場中的極限狀態準則僅為樁的沉降。樁筏基礎具有較大的荷載分配能力，在許多情況下是基礎的最佳選擇，根據變土反力系數模型設計的樁基計算特性由樁剛度系數組成。由于部分土壤的軟化，土壤的合規等級減少，樁筏基礎發生變形時，樁加固土體吸收變形的應力，防止空洞的產生。為了解決問題的計算集群基礎水平載荷和彎矩，使用位移方法進行計算被認為是成功的，然而，這種技術沒有考慮樁的相互影響，這比樁在豎向荷載作用下的相互影響更為重要。通過引入非線性阻力參數的折減系數來求解樁在水平荷載作用下的相互影響問題是可行的，該折減系數取決于樁在方案中的位置和荷載的方向，由于這種技術的潛在價值是明顯的，它值得實際應用和廣泛的測試。另一個重要的問題是確定土壤阻力系數的方法。顯然，使用規范文件中比例系數的表格數據很難為各種土體條件和樁基設計提供可靠的結果。大量研究表明，錐貫入試驗能提供更可靠的結果，因為這種方法能提供有關自然環境中任何需要深度的土壤信息。對于許多設計方法來說，非線性的考慮似乎是無關緊要的。因此，在框架建筑柱的群樁基礎中，出現了對允許水平位移的嚴格限制。由于樁在格架腳水平處的位移更小，不超過0.8～1cm，可以認為樁的運行與此位移呈線性關系。對擋土墻和抗滑坡結構的非線性考慮更為重要。為此在某些情況下，顯著的水平位移高達10cm是允許的。樁防滑結構和擋土墻，抗滑樁設計在布局中可以有不同的配置。單排連續樁設計效率最低，因為這里的樁只具有彎曲特性。在不增加樁數的情況下，將樁排由單排改為多排，在土體中形成多排框架，可以顯著改善設計。在這樣的結構中，由于框架內荷載的重新分配，樁的位移和強度會降低（在這樣的框架中，格柵起著橫桿的作用），這種結構的一個行為特征是水平荷載以剪切（滑坡）土體的形式不僅作用在格柵上，而且直接作用在樁上，尤其是在深剪切時，這種情況下，樁結構的運行方案與建筑群或條形建筑基礎類型有很大的不同，由于樁上的荷載僅通過格柵傳遞，必須在設計中加以考慮。

2.2 開發樁基工程應用過程的創新技術

現代基礎工程中的樁基工程技術是提高樁基結構和技術解決方案的主導方向。樁基礎的承載能力在很大程度上取決于樁側表面土體摩擦力的形成。許多科學家致力于研究樁的下沉和運行過程中的土摩擦力以及提高土摩擦力的方法，目前，特別重視開發和研究創新的沉樁結構和技術解決方案，使沉樁的承載力顯著提高。其中有兩個方面的創新技術得到了很大的發展空間：利用非爆炸性破壞物質將棱柱形樁轉化為錐體樁以及開發在松散土壤中使用的樁。這項工作的目的是開發和研究創新的結構和技術解決方案，以推進浮樁，從而大大提高其承載能力。預制樁的創新結構和技術解決方案，顯著提高了其承載能力：一個可變形樁和一個在側表面有凹槽的樁在松散的土壤中使用。在制造中心預制鋼筋混凝土樁時，可以設置長度為樁長0.75的塑料錐形十字制動器、在打入樁后澆注破壞性非爆炸性物質，其體積增加了2～3倍，將棱柱狀的堆變成金字塔狀的堆；當制作預制混凝土樁時，在側面安排凹槽；在打樁過程中，位于凹槽內的液體硬化復合物滲透到樁體土體中并加固樁體，大大增加了樁體的側摩擦力和承載力，降低了沉樁能量。這種設計和技術解決方案可以減少打樁消耗的能量，同時提高其承載能力。

2.2.1 變換樁

變換樁通過將棱柱式（串聯）樁楔入4個等容部分，并將其折成金字塔形，從而提高了樁的承載能力，具有更大的承載能力。這是由于在楔入時，樁的四個面傾斜，樁周圍的土壤被壓實。此外，這些樁的使用可以實現打樁的節能，因為棱柱樁最初是打樁的，經過改造后利用了金字塔樁。然而，在常規棱柱形鋼筋混凝土樁的制造中，為了獲得可變形樁，需要在樁身的中心位置安裝一個塑料錐形十字形預埋件，其長度為樁長的0.75，將樁身分成四等分。改造樁的施工工藝順序：鑿成棱柱形鋼筋混凝土樁的設計標記并在制造過程中進行設計變更，從上方將非爆炸性破壞性物質提交到塑料錐形十字形預埋件中，在1.5～2d，非爆炸性破壞性物質，體積增加，將樁身楔形成四等分，從而形成金字塔樁。非爆炸性破壞性物質是一種粉末材料，當與水相互作用時，其固化體積增大，他們用破碎的生石灰和各種添加劑制備一種非爆炸破壞性物質，以提高性能。棱柱形樁與轉換樁的鐓粗方式存在質的差異，棱柱樁在荷載作用下，頂置到一定值后，樁身鐓粗急劇增大，失去承載力。變形樁的荷載增大時，鐓粗量沒有急劇增加。這是因為，給定了拉筋樁側面與相鄰土體的夾角，隨后的泥沙樁繼續固化相鄰土體，從而提高了樁的承載力。

2.2.2 在松散土壤中使用的樁

這種創新技術可以解決在松散土中提高樁承載力的問題，在樁的設計過程中在側面提供凹槽，不影響樁的正常工作。在操作過程中，樁體和周圍土體將荷載視為單一結構，位于凹槽內的液體硬化化合物，在錘擊過程中受到水動力沖擊，穿透樁內土壤并固定樁身。以正磷酸為硬化劑的硅酸鹽-磷酸配方和以鋁酸鈉為硬化劑的鋁硅酸鹽配方被用作固定化合物，化學試劑的深度滲透進入土壤取決于土壤的孔隙度以及時間和數量的影響。另外，打樁時潤滑劑和潤滑脂的存在減少了沉樁所消耗的能量。

2.3 使用新型樁基監測技術

與傳統的點監測技術相比，分布式光纖傳感技術具有傳輸距離長、耐久性好、精度高、連續監測等優點。傳統的樁基應力變形監測方法通常采用傳統的點監測技術，如鋼應力計、應變計等。但傳統的點傳感器存在成本高、存活率低、操作復雜等缺點。容易受到外界環境的干擾，測點是根據經驗來選擇的，具有一定的盲目性。布式光纖傳感技術由于傳輸距離長、耐久性好、精度高、連續監測等優點，已逐漸應用樁基工程的安全監測過程中。分布式傳感光纖的敷設步驟如下。

（1）將光纜以綁扎的方式固定在鋼籠的主筋上，并在樁的底部設置PVC軟管進行過渡保護。在另一側對稱的主筋處將光纜綁扎成U形環，兩端預留足夠的長度。

（2）用起重機將鋼籠緩慢降至樁孔，在緩慢下降過程中在鋼籠的后續部位設置纖維。

（3）光纜沿基坑導至山坡，進行后續定期監測。通過在現場主筋上布置傳感光纖，對樁基的應力和變形進行監測，并將監測結果與傳統的點測試結果進行了對比。分布式傳感光纖技術能夠檢測樁基礎的局部變形。根據樁基的材料和幾何特性，可以求解樁基的變形和應力。分布式傳感光纖的監測數據與鋼筋計的測試結果吻合較好，說明分布式傳感光纖作為一種新型的監測方法，具有較高的準確性，因此在樁基工程的檢測中具有廣泛的應用前景。

2.4 灌注樁施工技術要點

在相同條件下，注漿樁比無注漿樁具有更大的承載能力，超厚細砂層側注漿樁極限承載力提高50%左右，組合注漿樁極限承載力可以提高60%左右。鉆孔灌注樁技術有效地改善了樁身與土體的邊界條件，提高了樁周土體的強度和剛度，因此，注漿后的樁身總阻力比注漿前高，對樁身荷載傳遞特性有顯著影響。在相同基底位移條件下，灌漿樁的動員基阻力比未灌漿樁的動員基阻力大，灌漿樁在較小位移范圍內可發展端部承載力。注漿后樁的單位軸阻力比注漿前大，進一步說明樁側后注漿可以通過提高樁身周圍土體的強度和剛度來提高樁身阻力。高壓下的漿液會劈裂、滲透、填塞、壓實、固化樁內黏液及周圍土體。在建筑施工中應用鉆孔灌注樁技術可以有效提高建筑的牢固性。注漿管采用無縫鋼管，每根注漿管在使用前都必須經過壓力測試和批準，在管道的連接處采用螺紋連接，螺紋處的凈厚度應不小于管道原有厚度的2/3，以避免螺紋部位的損傷。注漿管應點焊牢到鋼筋籠箍上，在放入孔內之前，要仔細檢查注漿噴嘴的密封情況，防止因漏砂或砂子而堵塞噴嘴。注漿管應與加固骨架一起下壓，并在管螺紋連接處的螺紋處應用密封材料，將每段籠體放入孔內后，向注漿管注水，檢查其水密性，管路中注滿水后，水位應穩定不下降，說明管路有可靠的水密，如發現水泄露，必須及時糾正泄漏的原因，安裝完成后，要將管道的口部蓋上，防止其他異物進入管道，造成管道堵塞，注漿管應距地面20cm左右，過多的剩余樁長不僅沒有必要，而且在其他樁的施工中容易受到破壞。為了保證漿液的順利通過，在樁體養護3d后，向管道內注入壓力水進行通路。灌漿一般在樁體養護7d后進行，首先用清水突破灌漿孔，啟動泵前，打開回氣閥，開始注水時，緩慢關閉回閥，觀察壓力表讀數的變化，通過注漿路徑記錄壓力向力的變化。在注漿過程中，應由專人負責觀察并記錄量規讀數的變化。灌漿的混合必須符合配比設計，指定專人加水，并在水桶上做標記，控制水量，混合后的漿液在進入漿液儲漿桶前應透過鋼絲網，以濾除較大粒徑的漿液，避免漿液噴嘴被堵塞，為了防止現成的漿液沉淀，儲漿桶內應安裝攪拌器，不時攪拌漿液。注漿的完成主要由注漿的水泥量來控制，注漿壓力是輔助控制手段，注漿達到設計注漿量即完成注漿，或者注漿量達到設計量的80%時注漿壓力超過標準值，注入漿液變得非常困難，也可認為注漿完成。注漿完畢后，用清水清洗泵和高壓膠管，并做好記錄。

3 結語

綜上所述，工程實踐證明，高層建筑樁基工程技術的應用是提高高層建筑承載力、剛度和穩定性，提高施工質量以及降低基礎施工成本的有效手段，值得高層建筑施工過程投入使用。