高层结构灌注桩桩基选型分析

卢炳斗 （合肥工业大学设计院（集团）有限公司，安徽 合肥 230009）

0 前言

随着城市建设的高速发展，土地资源愈发稀缺，对建筑物高度要求越来越高，导致此类建筑物的基础荷载较大，一般的天然地基承载力无法满足设计要求。桩基础是一种成熟的基础形式，桩基础提供的承载力高，布置灵活，因此在实际工程中被广泛应用。本文以实际工程为例，主要分析了常用的两种成孔工艺灌注桩的承载力和经济性能，为今后类似的桩基础设计项目的选型提供参考[1]。

1 工程概况

本工程为某高校工程管理与智能制造研究中心大楼，建筑面积约19 088m2，其中地下一层，地上15层，建筑高度 65.1m，建筑平面尺寸为51.0m x24.9m，基础设计等级为甲级，墙、柱平面布置如图1所示。

2 地质特征

2.1 地基岩土的构成

图1 墙柱平面布置图

拟建场地地形高差较大，场地属江淮冲积平原地貌单元，微地貌为岗地，场地上部第四系覆盖地层结构简单，上部填土厚度不均，均匀性较差，下部黏性土、泥质砂岩层分布连续，厚度稳定，性质较好。综合评价场地岩土层均匀性一般。场地地表向下岩土层分布见表1所示。

2.2 水文地质条件

拟建场地地下水类型为上层滞水及基岩裂隙水。上层滞水主要赋存于①层杂填土中，无自由稳定水面，主要补给来源为大气降水，地下水位随季节变化，主要以蒸发方式排泄。基岩裂隙水主要赋存于④层强风化泥质砂岩中。勘探期间测得地下水位（静止）埋深 2.20～3.20m，其静止标高为 19.0～20.0m。

3 基础选型

本工程跨度较大，楼面活荷载标准值亦较大，导致柱下标准组合最大轴力平均在15000kN～21000kN之间，最大柱下轴力达到25000kN，综合比较了预应力管桩、CFG桩地基处理、干作业成孔灌注桩，针对上述柱下轴力最后采用了干作业成孔灌注桩基础。

干作业成孔灌注桩按照工艺和设备可分为人工挖孔灌注桩和钢套筒护壁干作业机械旋挖成孔灌注桩。两种桩的综合比较详见表2所列。

3.1 实际单桩承载力特征值计算（以ZH2.0-3.4单桩为例）

人工挖孔桩：

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中的式 5.3.5：

其中，u为钢筋混凝土护壁外围的周长，u=3.14×(2.0+0.3)=7.2m，考虑了护壁厚度对桩身摩阻力了实际贡献作用。

钢套筒护壁干作业机械旋挖成孔灌注桩：

岩土分布一览表 表1

桩基综合性能对比表 表2

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）式 5.3.5：

其中，u为桩身的实际周长，忽略钢套管的厚度影响，u=3.14×2.0=6.28m。

通过两种桩型的实际承载力计算，由于成孔工艺的需要，人工挖孔桩的混凝土护壁对实际单桩承载力较计算承载力有将近700kN的提高，此提高部分承载力仅在混凝土护壁振捣密实时才能够被考虑，但就目前的施工质量难以保证此要求，利用护壁对承载力的提高存在较大的安全隐患，而仅作为一种安全的储备，而相比较钢套筒成孔桩，由于钢套筒厚度在单桩承载力计算中可忽略不计，单桩实际承载力与单桩计算承载力具有较高的一致性[2][5]。

3.2 经济性（以ZH2.0-3.4单桩为例）

人工挖孔桩护壁材料费计算（取1m长为计算单元）：

① 混凝土 ：0.25×3.14×（2.32-2.02）×1×300=304元/m；其中，混凝土单价按市场参考价300元/m3计算。

②钢筋：（3.14×2.3×8＋50×1）×0.395×3.80=162元 /m；其中，钢筋单价按市场参考价3800元/t计算。

③合计：每米钢筋混凝土护壁材料费为：466元/m。

图2 桩身护壁配筋详图

钢套筒护壁干作业机械旋挖成孔灌注桩：由于无混凝土护壁，仅计入钢套筒成孔直接机械费用为220元/m。

通过两种桩型的经济性比较，在桩身费用相同的前提下，人工挖孔桩的护壁材料费是钢套筒护壁干作业机械旋挖成孔灌注桩机械直接费的2倍左右，其中还未考虑人工挖孔桩护壁的人工费和机械费用等直接费用，可以看出钢套筒挖孔桩的经济性远远高于人孔挖孔桩。

综上所述，钢套筒护壁干作业机械旋挖成孔灌注桩无论在造价、进度、安全性等诸多方面都具有较大的优势，而且也能为本工程较大的基础反力提供较高的承载力，相对人工挖孔桩而言，除了上述各方面的不利情况，而且在第④层强风化泥质砂岩中存在大量裂隙水，对人工挖孔桩成孔产生极大的安全隐患，最终本工程采用了钢套筒护壁干作业机械旋挖成孔灌注桩[3]。

4 结论

钢套筒护壁干作业机械旋挖成孔灌注桩主要采用卡拔机将钢套管预先沉入强风化岩层的顶面，采用旋挖机、扩孔器、清孔器在套管内取土、扩底、清孔，在浇筑桩身混凝土的过程中拔出钢套管，成桩质量好、无泥浆污染、绿色环保、减少混凝土充盈系数，尤其适用于流沙、喀斯特地貌、超高回填等各种复杂地层的桩基施工，且具备较高的安全性和经济性。

一个项目经济性、工期长短，很大程度取决于地下工程的施工。因此，在工期紧、场地地质条件复杂的情况下，选择合理的桩基方案特别重要。该项目结合实际工程和场地地质条件，对可选的二个桩基方案进行综合对比，合理地选定了钢套筒护壁干作业机械旋挖成孔灌注桩作为该项目的主要基础形式。实践证明，该基础型式在此项目的应用是成功的，可节约成本，缩短工期，达到了预期目标[4]。