静钻根植桩技术设计简介.pdf

·岩土工程·收稿日期：２０１６０２２０静钻根植桩技术设计简介张　会（中铁第四勘察设计院集团有限公司　湖北武汉　４３００６３）摘　要　———本文通过对比现行各类型桩基技术的优缺点，从设计角度着重介绍了创新型桩基技术静钻根植桩基技术，通过施工工艺、设计配桩组合和承载力计算的分析，说明此桩型具有适宜多种地质条件、施工工艺简单、施工速度快、质量易于控制、节约材料、环境污染小等特点，同时也具有单桩承载力高、桩基深度大、环保节能等优点。关键词　静钻根植桩　对比　单桩承载力　配桩中图分类号　　　ＴＵ４７３文献标识码　　　Ａ文章编号　１００９４５３９　（２０１６）增　１０３５９０４　　　　　　　　　　　ＢｒｉｅｆＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＳｔａｔｉｃＤｒｉｌｌＲｏｏｔｅｄＮｏｄｕｌａｒＰｉｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＺｈａｎｇＨｕｉ（　　　　　　　ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，　ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　Ｔｈｅｐａｐｅｒ，　　　ｆｒｏｍａｄｅｓｉｇｎｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ，　　　　ｆｏｃｕｓｅｓｏｎａｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｎａｍｅｌｙ，　ｓｔａｔｉｃｄｒｉｌｌ　ｒｏｏｔｅｄｎｏｄｕｌａｒ　ｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，　　　　　　　　　　　　　　ｂａｓｅｄｏｎａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｓａｎｄｗｅａｋｎｅｓｓｅｓａｍｏｎｇｖａｒｉｏｕｓｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｃｕｒｒｅｎｔｌｙｅｍｐｌｏｙｅｄ，　ｔｈｅｎｉｔ　　ａｎａｌｙｚｅｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，　　　　　　ｐｉｌｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎａｎｄｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，　ａｎｄｄｅ岩　　　　　　　　　　　　　ｓｃｒｉｂｅｓｔｈａｔｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｐｉｌｅｉｓｏｆｔｈｅａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｔｏｍｕｌｔｉｐｌｅｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　　ｓｉｍｐｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｈｉｇｈ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｐｅｅｄ，　　　ｅａｓｉｎｅｓｓｉｎｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌ，ｍａｔｅｒｉａｌ　　　　ｓａｖｉｎｇａｎｄｓｍａｌｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，　　　　　ａｓｗｅｌｌａｓｏｆｈｉｇｈｂｅａｒ岩　　　　ｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｓｉｎｇｌｅｐｉｌｅ，　　　ｌａｒｇｅｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｄｅｐｔｈ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　　　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　ｓｔａｔｉｃｄｒｉｌｌ　　ｒｏｏｔｅｄｎｏｄｕｌａｒｐｉｌｅ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ；　　　　ｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｓｉｎｇｌｅｐｉｌｅ；　ｐｉｌｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　　１引言在工程建设领域，基础工程具有举足轻重的地位，直接关系到工程投资大小及工期长短。选择经济合理的基础形式，要综合考虑上部结构类型、沉降、变形要求、地基土质情况、地基承载力、地下水位、现场施工条件等因素，能够采用浅基础则尽量采用。对于限制倾斜和地基变形要求较高的建筑物或高耸构筑物、精密仪器设备基础、地表软弱土层较厚或厚薄不均、有较深湿陷、液化土层、相邻建筑埋深影响大等情况下，采用桩基础是适宜的。选择合理的桩型，要求达到单桩承载力高、地基稳定性好、能抵抗不均匀沉降且环境影响小、施工进度快、环保节能的目的。随着我国城市建设快速发展，铁路、公路、轨道交通、市政工程、港口码头、高层建筑等工程的不断兴建，桩基础工程大量应用，新材料、新工艺、新技术的不断涌现，桩基技术也在不断改进提高，使用较少混凝土方量、造价低、承载力高、沉降变形小、地基稳定性强的新型桩基技术成为岩土工程界迫切需要解决的问题之一［１］。由刘汉龙教授、丁选明博士研制的现浇混凝土大直径管桩，代号　ＰＣＣ　桩，桩长　　２５ｍ　以内，主要用于复合地基的处理，已在我国江苏、浙江、上海、湖南、天津和河北等省市和地区推广应用，并有配套国家行业标准《现浇混凝土大直径管桩复合地基技术规程》（　　ＪＧＪ／Ｔ２１３－２０１０）。本文介绍单桩承载力高、适用深度大并已在我国浙江、上海地区率先采用的新型———桩基技术静钻根植桩技术。　２现有桩型常见问题我国目前工程常用桩型有：钢筋混凝土灌注桩、９５３铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·岩土工程·混凝土预制桩、预应力混凝土管桩、钢管桩等。钢筋混凝土灌注桩单桩承载力大，使用范围广，但施工时间长，混凝土、钢材用量大，施工过程中外运泥浆、渣土量大，环境影响大，易产生塌孔、夹泥、沉渣和泥皮厚及断桩、缩颈等质量问题，施工条件对桩基质量影响大［２］；对于开挖深度超过　　１６ｍ　的人工挖孔桩，危险等级为Ⅰ级［３］。混凝土预制桩施工工艺较简单，但施工过程中易产生挤土效应，桩体上涌、桩体倾斜等质量问题，且桩头打入或压入土中易挤碎。预应力混凝土管桩使用范围广，但施工过程中也易产生挤土效应，在岩面无强风化层和岩面倾斜的情况下，沉桩易出现桩端碎断、滑移，产生脆性破坏，桩身抗水平侧力能力较差。钢管桩工程造价数倍于灌注桩，使用范围小，不适用于有强腐蚀性环境，施工过程中也有挤土效应易引起桩身位移、上涌［４］。　３静钻根植桩技术原理静钻根植桩技术是一种采用埋入法施工预应力预制桩的技术，按照四个步骤施工：钻孔、扩底、注浆、植桩，施工流程见图　１。首先按桩设计深度进行钻孔，桩端部按照设定的扩底直径与扩底高度进行扩孔，完成后注入桩端水泥浆和桩周水泥浆，边注浆边提钻，然后依靠桩的自重将桩植至设计标高，通过桩端及桩周水泥浆液固化，使桩与桩端及桩周土体形成整体，制成由预制桩身、桩端水泥浆和土体共同承担荷载的桩基础。静钻根植桩的施工工艺，具有对地质复杂土层适应性好，无挤土效应，泥浆排放少，噪声小，环境影响小等优点。图　　　１静钻根植桩施工流程　静钻根植桩产品包括：复合配筋先张法预应力混凝土管桩，代号　ＰＲＨＣ；静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩，代号　ＰＨＤＣ。静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩　ＰＨＤＣ　为采用离心工艺生产的带有等间隔竹节桩突起的环形截面预应力高强混凝土预制桩。该产品可以增强桩身与桩周水泥土体的粘结力，提高桩身受力整体性能。复合配筋先张法预应力混凝土管桩　ＰＲＨＣ为配置非预应力主筋的先张法预应力混凝土管桩。该产品可以大幅度提高桩身的抗弯和抗拉性能，适用于对抗水平力和抗拔要求较高的桩基础。以上两种桩型桩身均采用　　Ｃ８０～Ｃ１２０　高强混凝土离心成型，高温养护，桩径范围　　　　３００～１２００ｍｍ，最大施工深度可达　　８０ｍ，扩底直径最大可达钻孔直径的１６土　倍，通过注入抗压强度　　２０ＭＰａ　以上的桩端水泥浆，提高桩端承载力；通过注入桩侧内外水泥浆并和竹节咬合，提高桩侧摩擦力及水平抗侧力，从而达到提高桩基承载力的目的。通过水泥浆与土体形成整体，有效控制桩基沉降及场地不均匀沉降。　４静钻根植桩技术优点静钻根植桩继承了预应力管桩和钢筋混凝土灌注桩的优点，摒弃了它们的缺点，从而达到桩基础工程质量提高，施工工期缩短，工程成本节约的效果。与预应力管桩相比，静钻根植桩具有单桩抗压、抗拔和抗水平承载力均较高，施工无挤土效应，无噪声和振动，对周边地下设施无影响，适应桩端持力层变化大的地质条件，桩长可控，无需截桩，无损伤桩身等技术优势。与钻孔灌注桩相比，静钻根植桩具有桩身质量可控，混凝土强度高，节省材料，工程造价低，施工无沉渣、塌孔和缩颈现象，施工速度快，环境污染小等技术优势。各桩型技术优缺点对比见表　１。表　　　１各桩型技术优缺点对比　　　桩型内容　　　预应力管桩混凝土灌注桩静钻根植桩沉桩方法　　　　锤击法静压法钻孔法人工挖孔法干作业钻孔施工噪声大小小小小施工进度快快慢慢快施工损伤有有有有无环境污染小小大大小挤土有有无无无扩底无无有有有桩身混凝土　Ｃ８０　以上　Ｃ８０　以上　Ｃ２５　以上　Ｃ２５　以上Ｃ８０　以上材料消耗小小大大小　５设计浙江省已发行两本建筑标准设计结构标准图０工３铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·岩土工程·集：《复合配筋先张法预应力混凝土管桩》图集编号（２０１２　浙　Ｇ３６）［５］，《静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩》图集编号（２０１２　浙　Ｇ３７）［６］；上海市已发行一本技术规程和两本建筑产品推荐性应用图集：《ＺＣ　静钻根植桩应用技术规程》（　　ＤＢＪ／ＣＴ１７９－２０１３）［７］，《ＺＣ　复合配筋先张法预应力混凝土管桩》图集编号（２０１３　沪　　Ｇ／Ｔ－５０４）［８］，《ＺＣ　静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩》图集编号（２０１３　沪　Ｇ／Ｔ－５０５）［９］。对于国内其它地区来说，设计按照现行《建筑桩基技术规范》（　　ＪＧＪ９４－２００８）［１０］执行。竹节桩（ＰＨＤＣ）因采用竹节状外径，提高了桩与周边混凝土的咬合力，设计中竹节桩主要设置在桩基工程的端部，与桩端扩大头相结合，主要用于承担竖向受压荷载。预应力混凝土管桩（ＰＨＣ）因不适合承担水平侧向荷载，设计中预应力混凝土管桩考虑设置在桩基工程的中部，主要用于承担竖向受压荷载。复合配筋管桩（ＰＲＨＣ）较预应力混凝土管桩（ＰＨＣ）增加了非预应力钢筋，且施工中管桩内外均增加水泥土包裹，提高了桩身抗弯、抗剪及抗拉性能，设计中复合配筋管桩主要设置在桩基工程的中、上部，可以用于承担竖向受压、受拉荷载和水平侧向荷载。注意用作受拉、抗拔的桩，桩基接头图　　２静钻根植桩与预应力　混凝土管桩配桩示意除设置端部锚固钢筋外，应采用加厚的端部，并增大端板的焊接坡口尺寸，或采用机械接头形式。单桩接头不宜超过　３　个。各桩型组合配桩方式见图　２。桩基设计利用竹节桩（ＰＨＤＣ）桩端直径变径技术与复合配筋管　桩（ＰＲＨＣ　　　　　）、预应力管桩（ＰＨＣ）的配套组合使用，可以满足工程对桩基抗压、抗拔、抗水平侧力的不同需求，极大提高了桩基础工程集成化、系统化、配套化进程。类似于混凝土灌注桩承载力计算［１１］，静钻根植桩计算按照现行《建筑桩基技术规范》（　　ＪＧＪ９４－２００８）执行。设计采用的单桩竖向极限承载力标准值应符合规范　５．３．１　条规定，采用经验参数法，根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按下式估算：Ｑｕｋ＝ＱＳｋ＋Ｑｐｋ＝ｕ∑ｑＳｉｋｌｉ＋ｑｐｋＡｐ（１）　　静桩根植桩计算较其它类型桩不同之处在于其采用几种不同类型桩基组合，所以式中　ｕ　值为各类型桩身周长，对于竹节桩按节外径计算周长，其它类型桩按桩外径计算周长，上叙计算公式相应调整为：Ｑｕｋ＝ＱＳｋ＋Ｑｐｋ＝∑ｕｉｑＳｉｋｌｉ＋ｑｐｋＡｐ（２）　　此公式明确了对应于不同的桩型，不同的土层，分别计算单桩极限侧阻力标准值。式中：ｑＳｉｋ为桩侧第　ｉ　层土的极限侧阻力标准值，建议按混凝土预制桩极限侧阻力标准值取值；ｑｐｋ为极限端阻力标准值，建议按混凝土预制桩极限端阻力标准值的二分之一取值；以上两个参数　ｑＳｉｋ和　ｑｐｋ若按照干作业钻孔桩取值，则计算结果　Ｑｕｋ更小。Ａｐ建议取值为桩端扩底部分的投影面积。以上计算配合现场试桩，综合确定单桩极限承载力。单桩竖向抗拔承载力、抗水平承载力及桩基沉降计算建议按照现行《建筑桩基技术规范》（　ＪＧＪ９４－２００８）执行。基桩的最小中心距建议按照现行《建筑桩基技术规范》（　　ＪＧＪ９４－２００８　中　３．３３　条）执行，桩的最小中心距按钻、挖孔扩底桩取值。静钻根植桩检测按照现行《建筑基桩检测技术规范》（　　ＪＧＪ１０６－２０１４）［１２］执行。桩基耐久性设计遵循《混凝土结构耐久性设计规范》（　　　ＧＢ／Ｔ５０４７６－２００８）［１３］，铁路工程可按照现行《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（　ＴＢ－１０００５－２０１０）［１４］执行。因静钻根植桩身内外均采用水泥浆土包裹，且桩身混凝土采用　Ｃ８０　以上高强混凝土，能够有效保护桩身内部的预应力钢筋和非预应力钢筋，所以耐久性薄弱部位位于桩基接头处，不论是焊接接头还是机械接头，仅仅只有水泥浆土包裹钢结构接头，若土体对钢结构有腐蚀，则接头处应涂刷防腐材料。防腐涂层检测要求详见《钢结构现场检测技术标准》（　　　ＧＢ／Ｔ５０６２１－２０１０）［１５］。　６结论随着科技的发展，我国桩基技术也在不断进步中，桩基发展向着高承载、低污染、节能减排方向发１工３铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·岩土工程·展。静钻根植桩技术吸收了预应力管桩和混凝土灌注桩的优点，是我国桩基工程的一大创新，具有适用范围广、单桩承载力高、桩身强度高、施工工艺简单、质量易于控制、节约材料、环境污染小、环保节能等特点，在各类工程建设领域中的推广具有重要应用价值，将产生巨大的经济效益和社会效益。参考文献［１］　刘汉龙，丁选明．现浇钢筋混凝土大直径管桩复合地　　　　　基设计与施工［Ｍ］．　　　　　　　　北京：中国建筑工业出版社，２０１４．［２］　张英．河道卵石地层桩基础成桩技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（Ｓ１）：　１０－１１．［３］　　　　ＧＢ５０８７０－２０１３建筑施工安全技术统一规范［Ｓ］．［４］　住房和城乡建设部工程质量安全监管司、中国建筑标准设计研究所．全国民用建筑工程设计技术措施　２００９结构（地基与基础）［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１０．［５］　浙江大学建筑设计研究院．２０１２　浙　Ｇ３６　复合配筋先张法预应力混凝土管桩［Ｍ］．杭州：浙江工商大学出版社，２０１２．［６］　浙江大学建筑设计研究院．２０１２　浙　Ｇ３７　静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩［Ｍ］．杭州：浙江工商大学出版社，２０１２．［７］　　　　ＤＢＪ／ＣＴ１７９－２０１３ＺＣ　静钻根植桩应用技术规程［Ｓ］．［８］　２０１３　沪　　　　Ｇ／Ｔ－５０４ＺＣ复合配筋先张法预应力混凝土管桩［Ｓ］．［９］　２０１３　沪　　　　Ｇ／Ｔ－５０５ＺＣ静钻根植先张法预应力混凝土管桩［Ｓ］．［１０］　　　ＪＧＪ９４－２００８建筑桩基技术规范［Ｓ］．［１１］庞元志．深厚杂填土铁路桥梁桩基础设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（１）：　１３－１６．［１２］　　　ＪＧＪ１０６－２０１４建筑基桩检测技术规范［Ｓ］．［１３］　　　ＧＢ／Ｔ５０４７６－２００８混凝土结构耐久性设计规范［Ｓ］．［１４］　　　ＴＢ１０００５－２０１０铁路混凝土结构耐久性设计规范［Ｓ］．［１５］　　　ＧＢ／Ｔ５０６２１－２０１０钢结构现场检测技术标准［Ｓ］檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪．　　（上接第　３３２　页）因子β的概念。通过对某边坡工程的综合分析发现：随着边坡系数　ｍ　的增大，边坡的安全系数　Ｋｃ增大，综合影响因子β先减小后增大，呈现出抛物线变化的趋势，该趋势对于均质土层的边坡更为明显。工程设计人员在边坡设计时，可以选取综合影响因子β为最小值时所对应的边坡系数作为设计边坡系数，可以在满足边坡稳定性要求的前提下，既减少了占地面积，又降低了工程投资，达到优化设计的目的。参考文献［１］　叶啸敏．铁路高边坡防护与整治［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（９）：　８１－８３．［２］　魏洪斌，吴克宁，赵华甫．未来　１０　年我国耕地数量质量变化对区域粮食产能影响研究［Ｊ］．广东农业科学，２０１４（１９）：　２１３－２１９．［３］　谭鑫．湖南省高速公路土质高边坡安全风险评估指标体系研究［Ｄ］．长沙：长沙理工大学，２０１３：２３．［４］　覃学友．公路边坡稳定性分析及治理［Ｊ］．技术与市场，２０１１（９）：　５４－５５．［５］　黄润秋．公路边坡稳定性快速评价方法及应用研究［Ｄ］．成都：成都理工大学，２００７：８８．［６］　胡海蓝．阿尔及利亚　１７５　铁路项目深路堑边坡研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（１）：　１３－１６．［７］　中华人民共和国水利部　　　．ＳＬ３８６－２００７水利水电工程边坡设计规范［Ｓ］．北京：水利水电出版社，２００７：１３．［８］　中交第二公路勘察设计研究院有限公司　　．ＪＴＧＤ３０－　２０１５公路路基设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社股份有限公司，２０１５：６４．［９］　重庆市城乡建设委员会　　　．ＧＢ５０３３０－２０１３建筑边坡工程技术规范［Ｓ］．北京：北京中国建筑工业出版社，２０１３：２６．［１０］顾声龙，吴玉帅，解宏伟．青海省某水库面板堆石坝边坡稳定性分析［Ｊ］．青海大学学报：自然科学版，２０１４（１２）：　２０－２５．［１１］林继镛．水工建筑物［Ｍ］．５　版．北京：水利水电出版社，２０１０：　２３４－２３５．［１２］丁参军，张林洪，于国荣．边坡稳定性分析方法研究现状及趋势［Ｊ］．水电能源科学，２０１１（８）：　　１１２－１１４＋２１２．［１３］陈泽辉，刘长武，王宇．典型极限平衡法在贮灰坝坝坡稳定分析中的应用［Ｊ］．国土资源科技管理，２０１３（４）：　７１－７５．［１４］牛效辉．土石坝断面优化设计研究［Ｄ］．成都：西华大学，２００８：５３．［１５］陈坤杰．基于可靠度理论的风化岩质边坡稳定性分析研究［Ｄ］．长沙：长沙理工大学，２０１３：　３３－３４．［１６］李扬波，陈文胜，刘龙武．土质边坡最大滑坡推力滑动面研究［Ｊ］．中外公路，２０１４（１）：　１９－２２．［１７］赵克烈．岩质高边坡施工期监测及其稳定性研究［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００６：２４．２工３铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）