桩基选型与应用研究

桩基选型与应用研究摘要：本文介绍了在云南省西北部高原高中山山间盆地，冲洪积层、冲湖积土层发育，工程地质土层空间分布交错复杂、成因类型多样和构造不均匀地区，采用挤扩支盘桩技术进行工业厂房地基处理的工程实例。

为类似地基处理工程提供了成功经验。

关键词：挤扩支盘桩；泥炭质土；负摩阻力；不均匀地基；承载力；沉降变形；摩擦端承型桩前言：我们知道，由于规划、勘察、设计、施工、使用、维护管理、周围环境变化以及自然灾害等诸多方面因素影响的原因，常使已建既有建（构）筑物不均匀下沉，使其发生挠曲、开裂、倾斜等严重病害，轻者影响建（构）筑物的正常使用，严重时造成建（构）筑物丧失使用条件甚至破损，突然倒塌，危机人员的生命安全和财产安全。

此类事故的发生，必然会给投资者造成重大经济损失和人员伤亡。

工程勘察遗漏失误；设计人员对地基基础问题的重要性认识不足，常把复杂的地基问题简单化处理，常表现为：在地基基础设计时，没有掌握地基土性，缺乏认真方案比较，采用的基础形式不当，或在深厚软弱土层基中，错误选择桩型，或对于欠固结泥炭质土软弱土层、地面大量回填土，采用桩基方案时，忽视负摩阻力的计算和作用；基础施工中施工质量低劣；地下水位的升降引起地基土性改变，等诸多因素作用，均可能形成地基基础工程的主动性病害隐患。

所以，为消除隐患，保证工程质量，就一定要掌握工程地质情况，经过充分科学论证、考察、方案比对，不断改进充实完善，制定好地基基础处理方案，严把施工关，建立完善的检测体系。

当然，上述工作的核心内容是科学制定和完善地基基础处理方案，精心设计，认真施工。

一、工程及工程地质特征本工程为一工业建设项目，主厂房是单层工业厂房结构，柱距6.6m，跨度27m，厂房占地东西纵轴长约1000m，南北横向长约100m。

厂房柱下和厂房内主要工艺设备竖向荷载较大n1max=10000kn（柱下），n2max=22000kn（设备基础）。

柱间和设备基础间对沉降敏感。

本工程场区位于云南省西北部高原高中山山间盆地，丘陵地貌地区。

场地内地势总体呈西高东低，地表地形坡度5～10°，详见基坑开挖揭露剖面照片（图一），图片由左到右即由西向东。

图一经工程地质勘察，查明工程地质特点：根据整个场区岩土分布情况，由西到东分成西、中和东三个区段分别进行分析描述。

（一）西区为深厚开挖区。

覆盖层为冲洪积成因类别，软弱松散，下伏基岩（④层玄武岩、⑤层灰岩）分布不均，但厚度大、力学强度高，埋深较浅。

西区约占东西纵轴的1/3长度。

根据总图设计为挖方区。

由上到下土层分别为：①层耕植土结构松散，力学强度低，不可作为天然地基持力层，开挖时易垮塌。

②层粘土呈软～可塑状，高压缩性，承载力特征值120kpa，②a圆砾呈松散～稍密状，承载力特征值180kpa，②层粘土、②a层圆砾属冲洪积成因，厚度较小且分布不均。

下伏③1层泥炭质土呈软～流塑状，高压缩性，有机质含量10～40%，属软土层，强度低，承载力特征值50kpa。

上述二层地基土不宜作为基础持力层利用。

土层分布节理见图二。

图二下伏基岩（④层玄武岩、⑤层灰岩）分布不均，但厚度较大、力学强度较高，可作为本工程基础持力层选用。

（二）中区挖填方过度区。

洪冲积和湖冲积成因土层交错分布，土层空间展布复杂多变，土层岩性和力学性质差异大，透镜体发育，桩基持力层埋深大。

中区位于场区中部偏西区域，属挖方区向填方去过度区域，更接近山间盆地的中间部位，由③1泥炭质土层以下分布为：③2层粘土间夹③2a砾砂、③2b泥炭质土夹层或透镜体，③3层圆砾间夹③3a层粘土夹层或透镜体。

③2层粘土呈可塑状，局部软塑状，中～高压缩性，承载力特征值160kpa，③3a层粘土呈可～硬塑状，中压缩性，局部高压缩性，承载力特征值180kpa，③2b泥炭质土可塑状，中～高压缩性，承载力特征值100kpa，③2a砾砂、③3层圆砾呈稍密状，承载力特征值220～250kpa。

上述各地基土除③2b泥炭质土不宜作为基础持力层利用外，其余各土层均可作为本工程基础持力层选用。

（三）东区填方区，土层成因类别如同中区，但泥炭质土层分布连续，且厚度增加，湖冲积成因黏土层为勘察探明深度内主要桩基持力层。

东区大于东西纵轴1/3区域，处于山间盆地的中下游部位，由于自然地势低于设计标高，所以为填方区。

新近回填素填土层最大厚度>8m，在基础承台设计底标高以下6m左右。

素填土土源为场区西中部开挖土方，经场内运输和机械拌合后分层碾压。

其素填土成份中泥炭质土、耕植土、碎石和坡积残积土含量>40%，回填土含水率控制及碾压质量不良，属欠固结土状态。

素填土以下土层分布，类似中区。

但③1泥炭质土层在此区域呈连续发育，厚度增加，为冲湖积成因，该土层一般埋深在承台底标高以下6m到9m，层厚为5m 到10m。

另外，此区域探明40m深度内③2层粘土、③3a层粘土分布厚度增加，③2a砾砂、③3层圆砾层厚度减小或呈透镜体分布。

由以上描述知，场地地基岩土具多层结构，成因类型及岩性较为复杂。

浅部冲洪积、冲湖积等成因类型的粘性土、砾砂、圆砾等互相交替沉积，各地基土层分布、厚度变化大，均匀性差，且存在较大透镜体土层分布，在单栋建筑物区的各类地基岩土，其层面坡度一般大于10%，为不均匀地基。

由于本场地地基不均匀，各土层空间分布、力学特性、厚度变化大，素填土层分布广、厚度大，可能导致不同部位地基承载力、单桩承载力存在较大差异，可能导致各基桩沉降量存在较大差异。

场区地下水位埋藏较浅，埋深0.2m～9.8m，含水层富水性较强。

二、地基基础处理方案制定（一）原则与设计思想的产生（1）原则：地基基础处理方案的制定与执行，应综合考虑工程地质与水文地质条件、上部结构类型、使用功能、荷载特征、施工技术与环境；应重视地方经验，因地制宜，注重概念设计，积极慎重引用新技术、新工艺，合理选择桩型、成桩工艺，优化布桩，节约资源。

做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、保护环境。

（2）设计思想的产生：根据以上原则，结合本工程特征，分析评估决定地基处理综合方案是：西区采用天然地基，中区和东区采用桩基础。

即明确了“上部结构相同，深浅基础共用，共同协调工作，确保结构工作安全”的设计思想。

由于在同一建筑物内采用不同的基础形式，导致基础的受力机理、变形特征差异很大，所以，如何在保证满足承载力要求的前提下，合理控制沉降变形，使整体结构能够在一致的“应力应变”关系系统中协调工作，成为本工程地基基础处理方案的”核心概念”。

表一中建议桩型，均为等截面摩擦桩型桩。

其中人工挖孔桩施工工艺不适用于本工程。

经设计方进行布桩和沉降变形验算工作后认为：（1）预制沉管桩单桩承载力低，在荷载较大区域布桩困难。

因为③3层圆砾间夹③3a层粘土、③2a砾砂、③3层圆砾土层，空间分布复杂，性状变化大，预制沉管桩成桩工艺难以保证到达设计持力层，特别是在东区素填土层和泥炭质土层厚度分别在6m到10m左右情况下，随着沉管桩静水压力的消散，在上部荷载应力、地下水位下降等作用下，素填土和软弱土层发生沉降固结会引起桩周负摩阻力的长期持续作用，加大基础的沉降变形，甚至有产生桩端刺入剪切破坏的可能性，对结构的工作安全造成隐患。

（2）钻孔灌注桩虽然能够满足设计竖向承载力的要求，但由于普通钻孔灌注桩的截面特征，和等直径桩的受力机理及变形特征，对于消除桩周负摩阻力，控制基础沉降变形，在桩端持力层埋深变化大情况下合理控制相邻桩长，确保结构工作安全度方面功能作用不足，不能满足设计思想的要求，也不能解决核心概念所提出的问题。

因此，上述初选桩型不能满足本工程使用要求。

（三）挤扩支盘桩受力机理、承载力性状探讨与特点图三图四挤扩支盘桩是近十几年得到开发且使用较广的一种新技术，它采用支盘挤扩设备（见图三），在先由普通钻机钻成的等截面钻孔内，在适宜土层中挤扩成承力盘及分支空腔，灌注混凝土后形成竹节形桩。

成桩桩体见示意图图四。

挤扩支盘桩由桩身、底盘、中间盘（或上盘）及数个分支组成。

由经过挤密的周围土体与腔内灌注的钢筋混凝土桩身、支盘紧密地结合为一体，发挥了桩土共同承力的作用，从而使桩承载力得到提高。

1.挤扩支盘桩受力机理试验研究及应用结果表明，挤扩支盘桩具有以下受力机理特征（1）挤扩支盘桩实际上是多点端撑桩。

在桩身轴向范围内，合理配置承力盘及分支，能够有效传递和分担桩顶荷载。

（2）承力盘和分支是由液压挤扩设备挤密土层成型，挤扩范围1.5-2.0df（df为承力盘直径）内土层受到挤密压缩加固，所以，支盘桩属部分挤土桩，受荷后压缩区土层的力学性质较原状土有显著提高。

（3）经测算，承力盘的面积约为主桩截面的4～7倍，如把盘和各分支的面积加起来，其总和约为主桩截面的10～20倍。

挤扩支盘桩的破坏机理类似于大直径桩（墩）。

在合理控制承力盘间距条件下，由于承力盘的设置及支撑土层被挤密加固，所以，挤扩支盘桩的极限承载力高于大直径桩（墩）。

同时，能够有效改善桩身受荷后应力应变关系，典型q-s曲线为缓变型曲线。

2.挤扩支盘桩承载力性状特征（1）由于承力盘的设置，改变了等直径桩桩侧摩阻力与桩端摩阻力的分担比例。

一般土层情况下，经过设计和计算，均能够将摩擦型的等直径桩，改变成摩擦端承型桩。

不但改变了桩的受力机理，也使桩的承载力性状发生变化。

这种变化，有利于提高单桩承载力，减小沉降变形。

（2）在沿桩身设置承力盘的数量≥2（通常设计）情况下，当桩顶受荷时，桩身产生向下位移，因为桩身部位承力盘的盘端承载力分担作用，会改变桩侧摩阻力的传递路径，同时，减少桩侧摩阻力的分担比。

随着桩顶荷载应力值和桩身下移值的增加，桩侧摩阻力、盘底端阻力及底盘端阻力逐步被调动发挥，即形成了侧摩阻力与盘端阻力交替发挥作用，盘端阻力协调工作的承载力传递特点。

这一特点，能够在典型的s-lgt曲线和相关试验中得到证明。

3.挤扩支盘桩技术特点（1）可以利用沿桩身不同部位的硬土层来设置承力盘及分支，将摩擦桩改为变截面多支点摩擦端承桩，从而改变了桩的受力机理，使得桩基的竖向抗压承载力和抗拔力提高，这样的桩基础会使建筑物稳定、抗震性好、沉降变形更小。

（2）有显著地经济效益。

其单方混凝土承载力贡献值明显高于普通混凝土灌注桩高，一般情况下高出2-3倍。

（3）对不同土质的适应性强。

在内陆冲击和洪积平原及沿海、河口部位的海陆交替层及三角洲平原下的硬塑黏性土、密实粉土、粉细砂层或中粗砂层及卵砾石层、强风化层、全风化层等均适合用于支盘桩的持力层，而且，能够保证挤扩支盘成型质量，不受地下水位高低的限制。

（4）成桩施工工艺适用范围广，工艺质量稳定可靠。

（5）结合挤扩支盘作业，可及时掌握土层岩性及工程力学性质指标变化，以便及时调整相关设计，确保桩基各项设计参数指标在受控范围之内。