超长小直径素混凝土刚性桩复合地基施工技术研究

超长小直径素混凝土刚性桩复合地基施工技术研究
王睿，韩青芝，牛凯功，欧阳静怡，南浩然
（中国建筑第二工程局有限公司华南分公司，广东深圳 518048）
［摘要］随着我国近些年来超高层建筑的大量涌现，场地狭小、地质条件复杂、地下室开挖深度大、塔楼总体重量大等为特征的一系列施工问题也摆在施工技术人员面前。

本文介绍了超高层20m超长空桩小直径刚性桩复合地基施工技术，通过在超高层基础施工过程中采用何种桩基础方案比选，以及超长小直径空桩孔的质量控制，从而解决了超高层建筑地基基础施工中的系列难题，实现了节约工期、降低施工成本、提高施工效率、促进高效建造等目的。

［关键词］刚性桩；复合地基；小直径；空桩；穿插施工；更换钻头
［中图分类号］U445.55 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2023）07-0101-05 Research on construction technology of composite foundation with super long
and small diameter plain concrete rigid piles
WANG Rui，HAN Qing-zhi，NIU Kai-gong，OUYANG Jing-yi，NAN Hao-ran
1 工程概况
三七互娱广州总部大楼总承包工程项目位于广州市海珠区琶洲西区AH040124地块，北侧与华邦国际中心项目相邻，西侧为在建管廊项目施工用地，南侧为芳园路及和睦家医院，东侧为三一重工在建项目用地。

地块平整，东西长约96m，南北长约65m，用地面积约6427m2，地上37层，地下4层，建筑高度172m，最大单跨跨度14.8m，总建筑面积约8.9万m2。

本项目周边建筑物较多，施工用地面积较小。

基坑面积约5681m2，周长约300.3m（内边线），地下水位标高5.76～6.83m。

地下室底板结构面标高为-12.000，底板厚度2m，地下室底板底标高为-14.000，现状地面标高为8.000，基坑开挖深度约20.0m，底板底下的岩层为强风化粉砂质泥岩，该岩层承载力特征值为450kPa。

基坑采用地下连续墙+3道钢筋混凝土内支撑支护形式，整个基坑分布形式为四角角撑中间两道对撑。

第三道支撑梁梁底距坑底7.2m。

2 施工重难点
针对本项目场地小、172m超高层、塔楼重量大、墙柱下压应力达到1600kPa的特点，从承受荷载能力、经济性、施工工期等角度研究出合理的地基与基础形式，是项目的研究重点。

本桩基设计方案新颖，若采用地上打桩，空桩长度将达到20m，刚性桩最长达到15m，直径仅为600mm。

如何保证桩基的成孔质量，达到业主验收合格率95%以上要求，避免二次施工风险，为项目研究目标。

刚性桩复合地基利用强风化岩层的地基承载力，以强风化岩为桩端持力层，桩长最大为15m。

所以施工过程中，如何破除岩层且防止桩位偏移为施工难点。

刚性桩采用600mm直径素混凝土桩，钻杆直径仅为450mm，钻挖钻机最小钻头为600mm，与刚性桩桩径等大，因在钻机钻压和钻速不断作用下，钻杆将会因为单向振动而产生弯曲变形。

随着钻机的不断钻进，钻杆长度逐渐变长，钻杆在其自重作用下会逐渐偏离钻杆水平中心线。

钻杆直径不同对钻杆震动固有频率的影响也不同。

如
DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.07.014
［收稿日期］2022-11-11
［通讯地址］王睿，广东省深圳市福田保税区长富金茂大厦
何防止钻杆碰撞桩壁，防止塌孔为施工难点。

项目桩基础采用379根素混凝土桩，桩心间距为1.8m，因场地较小，且地上有1m厚度的杂填土，桩基间距过小会改变土的侧向压应力，从而对在一定范围内的桩产生挤压应力，容易造成断桩的现象。

如何防止杂填土坍塌，如何布置施工机械为施工难点。

3 桩基础形式方案比选
因塔楼重量大，墙柱下压应力达到1600kPa，地基承载力不能满足，故应采用承载力较大的灌注桩基础。

项目团队最初对三种方案进行了技术研究：方案一，大直径旋挖灌注桩；方案二，人工挖孔灌注桩；方案三，小直径旋挖灌注桩。

3.1 桩基础形式设计选型
方案一中大直径旋挖桩以ZH2500为例，桩身直径2500mm，混凝土强度等级C45，纵筋配筋率0.7%，单桩抗压承载力特征值65700kN，桩身承载力设计值88800kN，入微风化岩最小深度10m；方案二中人工挖孔桩以ZH2700为例，桩身直径2700mm，扩大头直径4100mm，混凝土强度等级C45，纵筋配筋率0.3%，单桩抗压承载力特征值66000kN，桩身承载力设计值89100kN，入微风化岩最小深度0.5m；方案三中小直径旋挖桩以ZH1000为例，桩身直径1000mm，混凝土强度等级C45，纵筋配筋率0.8%，单桩抗压承载力特征值10000kN，桩身承载力设计值13500kN，入微风化岩最小深度10m，详见表1。

在研究过程中，从经济效益、现场条件及施工难度等角度对三个方案进行分析，见表2。

方案二中，根据住建部发布的《房屋建筑和市政基础设施工程危及生产安全施工工艺、设备和
表1 塔楼选用桩表
方案桩型号桩身直径
/mm
扩大头直
径/mm
混凝土
等级
纵筋配筋
率ρ/%
单桩抗压
承载力特
征值Ra
/kN
桩身承载
力设计值
/kN
入微风化
岩最小深
度/m
预估有效
桩长/m
桩端力
占比/%
方案一大直径旋挖桩ZH25002500无扩大头C450.706570088800103230 ZH22002200无扩大头C450.80515006950083030
方案二人工挖孔ZH270027004100C450.3066000891000.52378 ZH240024003600C450.3053000715500.52378
方案三
小直径旋
挖桩
ZH10001000无扩大头C450.8010000135000.52330
表2 塔楼基础材料统计与造价估算表
方案桩型根数单价/万元桩总造价
/万元
桩加承台
总造价
/万元
施工评价
方案一大直径旋挖桩ZH25001425
631975
（1）施工工期可与基坑并行，机械化。

（2）成桩质量不易保证。

ZH22001518.7
方案二人工挖孔ZH27001421.1
546883
（1）人工挖孔桩需保证孔深不超过25m，所以
需在底板面开始施工。

（2）施工设备简单，造价低，成桩直径大，成
桩质量容易保证。

ZH24001516.7
方案三
小直径旋挖桩ZH1000159 2.884581050
（1）桩长23m，入微风化0.5m，成孔速度快。

（2）南侧与西侧承台4m厚，距离基坑边较近，
基坑需考虑其不利影响。

材料淘汰目录（第一批）》公告附件中明确地下水丰富、软弱土层、流沙等不良地质条件的区域中禁止使用人孔挖孔桩，因此该桩型非政府推荐用桩型；另外，人工挖孔桩需保证孔深不超过25m。

本工程基坑深度达20m，所以需在底板面开始开挖，施工难度较大，故方案二排除。

从以上分析角度来看，方案一大直径旋挖桩施工速度快，成桩质量易保证，桩基加承台总造价低，因此拟采用方案一。

确定大直径旋挖桩的施工方案后，研究团队随即对设计方案进行了设计与研究，初步方案为：桩身直径为2500mm共25根，2200mm共6根，1800mm共2根，桩端力占比为30%，故该桩型为摩擦桩。

现工程桩单桩抗压承载力特征值达到了65700kN，而目前桩基静载试验能力仅为50000kN，试验能力无法达到设计要求；且按照规范要求，试验荷载应不小于单桩抗压承载力特征值的2倍，将导致试验重量达到13000t，因此场地条件无法满足该试验形式要求，故方案一非最优方案。

项目团队考虑能否运用地基加固方式进行处理。

根据地勘报告，底板底直接坐落于强风化粉砂质泥岩上，团队拟采用刚性桩复合地基，充分利用强风化岩层的地基承载力。

初步设计方案为：刚性桩379根，桩径Φ600直径素混凝土桩，桩心间距800mm，采用旋挖钻机成孔。

其中有效桩长15m有198根，有效桩长12m有64根，有效桩长10m有117根。

以强风化岩为桩端持力层，混凝土设计强度等级C40（见图1
）。

图1 刚性桩基础布置图
3.2 复合刚性桩地基承载能力验算
设计方案中，核心筒及相邻区域采用刚性桩复合地基，桩间土为强风化粉砂质泥岩，承载力特征值为500kPa；
有效桩长15m区域，单桩承载力特征值为2260kN，复合地基承载力特征值为1050kPa；
有效桩长12m区域，单桩承载力特征值为1780kN，复合地基承载力特征值为900kPa；
有效桩长10m区域，单桩承载力特征值为1500kN，复合地基承载力特征值为800kPa。

（1）刚性桩受压承载力特征值Ra计算。

根据GB/T 50783-2012《复合地基技术规范》5.2.2条，桩身大部分位于强风化，部分桩端进入中风化，考虑保证一定富余，全按强风化对单桩受压
承载力进行估算，桩径600mm，桩端土地基承载力折减系数α取1.0。

桩长15m：3.14×0.6×15×70+3.14/4×0.62×5000×0.4×0.8=2431kN；
桩长12m：3.14×0.6×12×70+3.14/4×0.62×5000×0.4×0.8=2034kN；
桩长10m：3.14×0.6×10×70+3.14/4×0.62×5000×0.4×0.8=1770kN。

（2）桩身强度验算。

混凝土强度取C40：0.3×40×3.14/4×6002×10-3/1.35=2512kN，均大于以上计算结果，C40满足要求。

根据实际情况，单桩受压承载力特征值Ra桩长15m取2260kN、桩长12m取1780kN、桩长10m取1500kN。

（3）复合地基承载力计算。

f spk=βp mR a /A p+βs（1-m）f sk
根据GB/T 50783-2012《复合地基技术规范》5.2.1条，按1.8m×1.8m正方形布桩，m=3.14/4×0.62/（1.8×1.8）=0.087，f sk取500kPa，βp取1.0，βs 取0.8。

桩长15m：F spk=1×0.087×2260/（3.14/4×0.62）+0.8×（1-0.087）×500=1060kPa；
桩长12m：F spk=1×0.087×1780/（3.14/4×0.62）+0.8×（1-0.087）×500=913kPa；
桩长10m：F spk=1×0.087×1500/（3.14/4×0.62）+0.8×（1-0.087）×500=827kPa。

满足要求。

3.3 复合地基检测方式确定
根据给定的端承型灌注桩试验方法为钻芯法、声波透射法、高应变法，但规范未明确摩擦型灌注桩检测方式。

经工程质量各方责任主体共同确认，我司与建设主管部门及建筑业协会沟通，可按照端承型桩基检测方式进行检测。

桩身完整性采用低应变法，承载力检测采用压板试验、标准贯入试验以及基础锚杆抗拔试验。

经施工现场场地、检测条件、地基承载力验算和经济效益分析后，项目采用刚性桩复合地基施工工艺。

4 桩成孔桩位方案确定
根据图纸要求，基坑内支撑共有三道，第一道内支撑面标高7.50m；第二道内支撑面标高1.00m，第三道内支撑面标高-3.5m，分布于整个基坑。

第三道支撑距坑底为7.2m。

整个基坑分布形式为四角角撑中间两道对撑。

项目采用的徐工XR360旋挖钻机工作状态高度为24586m m，工作状态下大小臂总长为15300mm，在支撑梁下施工时与支撑梁发生碰撞，且刚性桩施工完成后，采用的汽车起重机XCT80L6工作幅度最大在3m时最大起重量为80t，旋挖机整机工作重量为90t，无法进行机械设备吊运。

综合以上因素，项目团队决定在原地面进行打桩。

5 超长空桩成孔质量控制方案比选
依据上述成桩方案，采用原地面成桩空桩长度将达到20m，刚性桩最长达到15m，桩直径仅为600mm。

超长空桩、小直径桩孔施工技术难度大，项目团队依据现场地基条件：桩底岩层过硬、地下水位偏高且砂层过厚、钻杆碰撞空桩壁等问题进行了方案比选（见表3-表5）。

表3 桩底岩层过硬
对策方案方案一：使用冲孔桩机
方案分析
（1）冲孔桩机是用重锤的方式成孔的，需
反复重锤，效率较低。

（2）扩孔率较高。

（3）遇地层不均匀时容易出现斜孔、卡锤
和掉钻等事故。

（4）成本较高。

对策方案方案二：使用长螺旋钻头
方案分析
（1）穿硬土层能力强、成孔成桩一机一次
完成、操作简便。

（2）不受地下水位影响、不挤土，环境影
响小。

（3）成桩速度快，施工效率高。

（4）成本较低，综合效益高。

表4 地下水位过高且砂层过厚
对策方案方案一：先土方开挖再进行桩基施工
方案分析（1）受支撑梁高度及旋挖机大小臂尺寸情况影响，为确保施工进度，只能在地面进行打桩。

（2）若进行土方开挖，则后续需要进行回填，成本较高且工期较长。

对策方案方案二：埋设护筒
方案分析（1）用挖机下压埋设3～4m护筒，施工便利。

（2）可有效保护孔口。

（3）成本较低。

（4）可以预防斜桩，桩位偏移的情况。

表5 钻杆碰撞空桩壁
对策方案方案一：在空桩部位埋设20m桩径Φ600mm
的钢护筒
方案分析（1）施工过程困难。

（2）施工成本过高。

（3）钢护筒无法取出，循环利用，不满足绿色施工要求。

对策方案方案二：使用原钻杆，更换直径800mm钻
头，扩大空桩直径
方案分析（1）需更换钻头，操作简单不影响工期。

（2）施工成本较低。

（3）空桩桩径扩大200mm，进一步保证成孔质量。

（4）钻杆距空桩壁较远，震动不易造成塌孔。

项目团队通过分析和可行性评估，综合对比，选定以下三个最佳方案：使用长螺旋钻头、埋设护筒、使用原钻杆，更换直径800mm钻头，扩大空桩直径。

刚性桩采用600mm直径素混凝土桩，钻杆直径仅为450mm，旋挖钻机最小钻头为600mm，与刚性桩桩径等大。

在钻机钻压和钻速不断作用下，钻杆将会因为单向振动而产生弯曲变形。

随着钻机的不断钻进，钻杆长度逐渐变长，钻杆在其自重作用下会逐渐偏离钻杆水平中心线。

为解决钻机钻进过程中钻杆偏位及撞击桩孔的问题，旋挖钻机采用800mm、1000mm直径钻头以及600mm长螺旋钻头穿插施工工艺。

先采用1000mm 直径钻头挖至3～4m安装护筒，使用原钻杆，更换直径800mm钻头，扩大空桩直径，旋挖22～23m至桩顶设计标高处，最后采用直径600mm长螺旋钻头挖至桩底。

6 结束语
通过对孔口坍塌、塌孔、岩层过厚等主要原因进行深入分析，结合实际施工情况，选择采用分区分段开挖、更换钻头、埋设护筒等方法，补充完善复杂地质刚性桩的施工工艺。

通过本项目现场的成果实践总结了一套超高层复杂地质条件下长空桩小直径刚性桩有效的设计与施工工艺，工期提前10天，同比大直径旋挖灌注桩成本节省了1579万元。

该施工技术在复杂地质的应用为广东省首例，为后续类似工程的施工提供了借鉴和参考。

［参考文献］
［1］章孝清. 刚性桩复合地基的研究［J］. 长春理工大学学报（高教版），2009，4（05）：149-150.
［2］包华，崔开太，徐汉涛，等. 小直径刚性桩复合地基桩土应力比初步研究［J］.
南通工学院学报（自然科学版），2003（04）：50-53.
［3］鲍鹏，朱叶. 变刚度刚性桩复合地基抗震性能研究［J］. 河南理工大学学报（自然科学版），2013，32（01）：98-102.。