人工挖孔扩底桩在新校区建设中的应用

于忠诚，董 玲

（1.沈阳建筑大学 后勤服务集团，辽宁 沈阳 110168；2.辽宁省建筑标准设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003）

我校自2000年办学规模的扩大就开始筹备新校区的建设。作为一所土木建筑类的专业院校，综合分析新校区场地的地质条件、进行勘察设计、创新结构设计及施工工艺，采取什么样的基础类型成为了一项主要的问题。最后，通过专家对沈阳市适用的各种基础类型的认真对比、研究与论证，根据我校当时的实际情况最终采用了人工挖孔扩底灌注桩。

1 学校概况及规划方案的抉择

经多年发展，教育部批准原沈阳建筑工程学院更名为沈阳建筑大学；曾教学用地面积总计268亩，在校生已经达到5300人，高校教学用房和严重不足。为适应地方高校发展的需要，解决学校二处办学和学校学生规模发展的需要，2000年开始，经学校党委研究决定，我校准备易地建设新校区。经过认真、细致的选址，我校新校区地址选在了沈阳市东陵区五三乡张官屯，此地块距东校区5km，距西校区8km。

新校区用地增大可满足教学要求，初期规划配有教学楼、多间大型实验用房及配套的公寓、后勤等建筑面积41.8余万平方米，及多个特色景观建筑，保证特色教学有序实施。可容纳在校本科生、研究生近两万人。

2 新校区的地质条件

我校拟建建筑物场区位于浑河南岸的河漫滩及阶地上，其基底为混合花岗岩（Ar），埋藏深度约60m左右。老基底以上不整合覆盖为新、老第三系（N、E）的砂岩、砂砾岩，地表为强风化地质。校区地质条件良好为粉质粘土、粉土卵石层，地形较为平坦，高程为4919～5091mm，落差为142mm地貌上为浑河冲洪积平原。

拟建场地内地势平缓，地层分布较规律，在勘察深度控制范围内，其地层沉积情况呈由上到下粒度由细变粗的沉积韵律结构。耕表土厚度为0.50～1.00m；粉质粘土厚度为3.10m～7.10m；粉土厚度为0.30～2.20m；中砂厚度为0.20～2.80m；园砾厚度为6.50m；卵石厚度为8m。

3 桩基础论证、分布及造价对比

学校党委考虑到学校资金紧张，为降低成本，避免不必要的浪费，曾多次组织了有关专家对新校区的设计进行论证。在结构方面，对于基础的争论较大，原设计为螺旋压灌桩，按照当时的定额和市场价格，螺旋压灌桩的成本非常高，而根据我校的地质条件和经济实力，专家在比较了几种桩型之后，认为采用人工挖孔扩底灌注桩更为合适。人工挖孔扩底灌注桩成本很低，以我校的地质条件采用此种桩型，可以大面积展开作业，不但施工速度快，安全性高，而且成本降低了很多，根据当时的市场价格和定额，经过总体对比，平均每根人工挖孔灌注桩的造价比螺旋压灌桩降低1000元左右，按照我校各建筑物采用桩基的数量，教学楼群桩基491根，实验中心桩基204根，体育中心355根，图书馆、博物馆135根，办公楼97根，两栋高层52根，食堂一84根，食堂二79根，新校区总桩数为1407根，工程预算规范计算，可降低造价140.7万元，因此我校新校区的建筑物基础改为人工挖孔灌注桩。

4 桩基施工中的质量控制

新校区的桩基工程的工程量大且工程质量要求严格，作为建设单位我们一方面协调好施工、监理、现场管理人员之间的关系；另一方面主要从以下几个方面进行了严格控制：测量控制、护壁施工、钢筋骨架预埋、注浆混凝土。

4.1 测量控制

根据设计方案进行放线测量，主要是测定桩位基点、孔径角度、挖孔孔径测量。

①桩位定位测量

桩位的把控是按照设计施工的基础，是结构均布受力的保证，桩位测定后应组织校正验收，保证精确方可施工，施工过程中测距仪、水准仪等测量仪器仍需专人监控，确保施工过程中无偏心现象。

②桩身角度监测

桩身角度监测在施工前准备采用十字控线法进行，配有专人监控，不影响护臂的分段施工。

③扩底尺寸控制

人工扩底挖孔首先保证人员安全，施工人员配有测量工具，施工前进行技术交底，以上大底小的倒锥形结构进行作业。扩底基地啊应保证达到勘察的持力层并达到设计尺度，扩底桩径按设计尺寸进行，保证护臂稳定，完成后在基地中心与地表进行校核，下方扩底设计模型，对人工挖孔进行局部修整，确保满足设计要求。

4.2 护壁施工

护臂施工前应对孔位进行详细勘探，以防不良地质条件带来的孔壁支撑不足而坍塌现象。孔壁的施工目前与发展为多种形式：砖砌护壁、砼护壁、钢筒护壁等。可针对不同地质条件进行不同设计孔壁形式。

本次施工预采用钢模形式，具有一定的支护能力，可适应多种不良的地质环境，也为桩身的完整性提供有效保障。同时钢模在国内发展迅速，可进行厂家预制不同尺寸，适应各种桩深，便于该工序快速完工。对于本次人工扩底挖孔桩，选择钢模更是为护臂提供了保障。钢模护臂的安置前也需要进行技术交底，根据设计要求在预定深度进行施工，浅表层老土层颗粒级配优良并进行了大开挖可不做护臂要求。

4.3 钢筋骨架预埋

钢筋骨架是桩身重要组成部分，钢筋的制作及绑扎严格按照配筋设计进行，采用砂锯齿打磨，焊接材料要与钢筋材料匹配。施工配有专业钢筋队伍，钢筋制作的弧度及角度要进行专人校对，采用双层以上钢丝进行绑扎，保证钢筋笼整体稳定性，在对钢筋骨架长度设计时可考虑不予基底深度相同，因钢筋主要提供抗拉强度，而人孔挖孔制作的扩大基底主要承担桩端抗压能力，所以钢筋骨架的预埋深度不必延伸至基底，此结构特点可降低部位钢筋采购造价。但钢筋结构设计应严格遵守规范要求，绑扎间距规范进行，误差控制在允许范围内。焊接长度大于6倍钢筋直径，保证钢筋笼作用的充分发挥。钢筋骨架在下方人挖孔时采用吊装形式，注意下方速度，避免破坏孔壁及防止钢筋骨架整体掉入孔中。

4.4 注浆混凝土

对孔内混凝土浇筑也是人工挖孔桩的关键，其中混凝土的配比及水灰比、地下水情况、养护措施等多种主要控制参数影响试桩的承载效果。因施工地点为东北地区，应控制工期安排，避免冬季施工养护，更为试桩承载能力提供可靠依据。

人孔挖孔桩的孔径较大对混凝土整体抗压强度要求较高，养护后应在40MPa以上，配备方案要制作试样进行试验，检验此配比方案是否满足设计强度要求。采用多组配比多个试块进行，以最好的材料属性配比投入工程应用。所以现场搅拌时对提供水泥、砂子、碎石、外加剂应按比例添加并充分搅拌，根据本院校材料专家建议，水温对混凝土的强度也具有影响，因此现场对试桩混凝土搅拌时进行了水温控制，防止混凝土在地表以下产生严重开裂，提高抗压承载能力。

人孔挖孔的孔径较大可选用大直径骨料提高混凝土的颗粒级配提高骨料相互间的咬合能力。浇筑时虽可进行振捣，但由于孔径较大避免振捣不均匀，因此在混凝土搅拌时添加一定的外加剂，使混凝土产生一定的自流平效果，减少混凝土间的空隙。

5 桩身质量检测及承载力确定

本文仅以体育中心为例介绍新校区的桩基质量检测情况。

5.1 低应变动力检测

基桩低应变检测的原理是，通过高阻尼传感器检测桩头锤击后的应力波，通过反射回来的应力波长度检测桩身的完整性，进一步检验施工注浆的效果。若反射波长与桩身相近这说明桩身完整，如反射波长明显短小严重畸变，则应进行多次校正，所测时域及频域结果均短小则可证明波长处桩身有异常，可考虑为缺陷位置有断桩或颈缩现象的发生。每一次的锤击测试都会通过连接的仪器记录，可将所测结果导出进行进一步详细分析。表明桩存在某种或多种缺陷，通过对记录波形具体研究。桩身混凝土质量分类标准如下：

Ⅰ类：桩身完整。

Ⅱ类：桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥。

Ⅲ类：桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响。

Ⅳ类：桩身存在严重缺陷。

一般说来，Ⅰ、Ⅱ类桩可以满足要求；Ⅲ类桩经载荷试验验证合格后可以使用；Ⅳ类桩应进行工程处理，并经检测合格后方可使用。

体育中心基桩低应变检测数量共计300根，经现场检测的300根桩中，均属于Ⅰ、Ⅱ类桩，满足设计要求。具体试验结果为：Ⅰ类桩276根占总桩数的92%，Ⅱ类桩24根占总桩数的8%。该结果表明，混凝土浇筑养护期间不可避免的出现桩身微小瑕疵，所以施工过程中更应注意各个工艺标准施工，人工挖孔时更应注意对孔壁的修整。

5.2 单桩竖向静载荷试验

体育中心基桩静载荷试验以堆载慢速的方式进行，即采用慢速维持荷载法，预估桩基础承载能力并逐级加荷，每级荷载达到设定时间且相关规范要求的相对稳定沉降幅度后再施加下一级荷载。用容珊式位移传感器3只（50mm）观测试桩的垂直位移。由于体育中心试桩采用工程桩做锚桩，试验同时采用两块百分表观测锚桩的上拔量。试验采用横梁反力结构，最终加荷至2800kN。本试验使用油压千斤顶（3200kN）施加垂直荷载，并保证油泵液压油充足。

体育中心共进行单桩竖向静载荷试验2根，编号为试1、试2，试验结果见表1。由试验结果可知试桩单桩竖向承载力特征值可采用1400kN，满足设计要求。

本工程试桩属于检验性质，采用了3200kN千斤顶作为加载设备，因此，在试验过程中，最大加载仅为2800kN，此时对应沉降不到5mm，由这一试验结果及Q-S曲线可以判定，其单桩竖向极限承载力远大于2800kN。因此，实际工程中单桩竖向承载力采用1400kN，其安全系数远大于2。可见，新校区建设中，以人工挖孔扩底灌注桩代替原设计中的螺旋压灌桩，既经济又安全可靠。

表1 试桩基础承载力特征值及对应沉降量

5.3 沉降观测

桩基沉降是建筑结构灾害之一，严重则可发生结构倒塌现象，但因基础结构大沉降发生在早强，施工对周围土层扰动，随时间变化，桩周岩土体稳定，结构发生沉降较小，控制在允许范围内不会对建筑体造成实质影响。所以进行静载试验，观察早期桩基沉降数据可判断设计的可行性，是建筑物或构筑物在施工乃至使用过程中不可或缺的工作，也是技术资料中不可缺少的内容，它不仅关系到建筑质量，更关系到建筑物的安全。随着工业与民用建筑业的发展，各种复杂而大型的工程建筑物日益增多，工程建筑物的兴建，改变了地面原有的状态，并且对于建筑物的地基施加了一定的压力，这就必然会引起地基及周围地层的变形。为了保证建（构）筑物的正常使用寿命和建（构）筑物的安全性，并为以后的勘察设计施工提供可靠的资料及相应的沉降参数，建（构）筑物沉降观测的必要性和重要性愈加明显。现行规范也规定，高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。特别在高层建筑物施工过程中，应用沉降观测加强过程监控，指导合理的施工工序，预防在施工过程中出现不均匀沉降，及时反馈信息，为勘察设计施工部门提供详尽的一手资料，避免因沉降原因造成建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝，造成巨大的经济损失。

我校根据设计单位的施工图设计，要求施工单位将沉降观测点设在部分柱的上部，同时每二层观测一次，竣工后再观测一次，每次观察均需采用环形闭合方法，或往返闭合方法当场进行检查，同一观测点的两次观测之差不得大于1mm，房屋和构筑物的沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜均不大于地基允许变形值。在施工过程中，根据施工单位的观测结果，观测的沉降数据均满足规范要求。

在新校区建筑物投入使用后，根据新校区建筑物使用的这几年情况来看，建筑物没有出现不均匀沉降现象，没有出现墙体或梁开裂现象，说明新校区的基础工程是成功的。