樁基礎技術的綜合分析

趙 翔 宇

(重慶大學土木工程學院，重慶 400030)

隨著我國城市化進度的不斷推進以及人口的不斷增長，土木工程的需求與緊缺的土地資源之間的矛盾日益突出。作為解決方案，擁有更大土地利用率的高層建筑與超高層建筑逐漸受到人們的青睞，但是這同時也對樁基礎技術提出了更嚴格的要求。因此，加強對樁基礎技術的分析與討論有著重要意義。

1 樁基礎技術概述

1.1 樁基礎介紹

樁基礎是基礎工程中深基礎的一種形式，它通過把長樁打入土層，可以將建筑物的荷載通過承臺傳遞給有著一定剛度的基樁，并進一步傳遞至土地深部壓縮性更小、密實度更大的硬土層。

1.2 樁基礎分類

根據(jù)使用材料、安裝方式、位移大小等因素，可以將樁基礎分為很多類別，以下僅介紹土木工程中常見的分類。

1.2.1按受力方式分類[1]

1)摩擦樁：承載能力極限狀態(tài)下，基樁的承載力主要由側(cè)方摩擦阻力提供，樁尖提供的承載力十分微小，可以忽略。通常情況下，摩擦樁的沉降較大，需要更長的時間穩(wěn)定。

2)端承摩擦樁：承載能力極限狀態(tài)下，基樁的承載力由側(cè)方摩擦阻力與頂部阻力共同提供，但側(cè)方摩擦阻力大于頂部的阻力。

3)端承樁：承載能力極限狀態(tài)下，基樁的承載力主要由樁的端部阻力提供，側(cè)方摩擦阻力的作用十分微小可以忽略不計。

4)摩擦端承樁：承載能力極限狀態(tài)下，基樁的承載力大部分由樁端阻力提供，同時樁的側(cè)端摩擦阻力也提供部分承載力。

1.2.2按施工方法分類

1)灌注樁：灌注樁直接在施工現(xiàn)場灌漿制作，直徑較大并且發(fā)出的噪聲較小，不易對周圍居民產(chǎn)生影響。但其對環(huán)境的影響較大且質(zhì)量不易控制，花費時間久。

2)預制樁：預制樁提前在工廠制作，質(zhì)量容易控制且施工時速度較快。但是其直徑小，且施工時噪聲較大，需要更好的施工場地以避免對周邊居民產(chǎn)生影響。

1.2.3按成樁方法分類

1)非擠土樁(非排土樁)：在樁基礎制作的過程中，將與樁體體積相等的土挖出，從而使得樁周圍的土受到的擠壓微乎其微，但同時也會導致樁側(cè)和樁底土產(chǎn)生應力松弛現(xiàn)象。常見的非擠土樁有挖孔灌注樁、預鉆孔埋樁等。

2)部分擠土樁：在樁基礎制作的過程中，樁周圍的土受到的擠壓較為輕微，因而其工程性質(zhì)的變化也較小。常見的部分擠土樁有打入式敞口鋼管樁、螺旋孔成樁等。

3)擠土樁：在樁基礎制作的過程中，樁周圍的土受到擠壓，導致其工程性質(zhì)發(fā)生較大變化，與天然狀態(tài)產(chǎn)生差異。常見的擠土樁有預應力管樁，沉管式灌注樁等。

2 樁基礎適用條件

當土木工程中出現(xiàn)如下情況時，通?？煽紤]使用樁基礎技術。

2.1 受力需求

1)基礎需要承受豎直方向向上的力：比如在透水性飽和地基、黏性土地基、地下水位季節(jié)性漲落地區(qū)等地方設計建筑物時，需要考慮向上的浮托力。此時可以使用樁基礎，依靠基樁側(cè)方的摩擦阻力抵消向上的力。

2)基礎需要承受水平方向的力：比如異形建筑、拱形建筑等。此時可以使用抗彎剛度大的基樁來承受。

2.2 場地需求

1)“上軟下硬”類場地：場地上部的土層承載力較弱，且無法滿足抗變形能力要求，但是場地下部存在可以滿足承載能力和抗變形能力的要求的土層或巖層。此時可考慮使用端承類樁基礎，將建筑物的荷載直接傳遞給下部的土層或巖層。

2)無理想土層類場地：場地在較大深度范圍內(nèi)沒有理想的土層或巖層，此時可考慮使用摩擦類樁基礎，依靠樁側(cè)的摩擦阻力來抵抗建筑物的荷載。

3)存在特殊性土的場地：場地內(nèi)存在特殊性土，如黃土、軟土、凍土、鹽漬土、紅黏土等，為避免直接以特殊性土作為地基可能導致的工程地質(zhì)問題，可以考慮使用樁基礎越過特殊性土，將建筑物的荷載直接傳遞給下部的硬土層或巖層。

2.3 建筑物需求

1)承載力需求：高層建筑、超高層建筑等建筑物對承載力有較高需求，使用淺基礎難以承受其荷載，此時可考慮使用樁基礎。

2)特殊性需求：建筑物或設備對基礎有特殊性需求，如水利、橋梁工程中基礎周圍可能發(fā)生電化學腐蝕、沖刷侵蝕等，亦或者精密儀器需降低來自振動的影響等情況，此時常采用樁基礎。

3)周邊影響：當建筑物附近存在建筑群或者地面堆載等周邊影響時，淺基礎可能會產(chǎn)生過量沉降，此時可考慮使用樁基礎。

3 樁基礎應用

3.1 設計應用

3.1.1整體設計

樁基礎整體設計的基本內(nèi)容主要包括以下六點：

1)確定基樁的類型與樁長、樁徑；

2)確定基樁的承載力設計值；

3)確定基樁的平面布置(包括樁數(shù)、樁間距、布置方式)；

4)樁基礎的承載能力和抗變形能力驗算；

5)樁體結(jié)構與承臺結(jié)構設計；

6)施工圖繪制。

3.1.2單樁設計

樁基礎的單樁設計內(nèi)容主要為整體設計中的前兩點，即基樁的類型與幾何參數(shù)確定，和基樁的承載力設計值確定。

1)基樁的樁型、樁長、樁徑。

單樁設計的首要內(nèi)容是樁型設計，基樁的樁型可以直接決定成樁質(zhì)量，基礎承載性能與材料用量。

此外，基樁的樁長與樁徑也會對基礎承載能力產(chǎn)生很大影響：增大基樁長度可以提升基樁側(cè)方的摩擦阻力大小，增大基樁直徑可以提升基樁端部阻力的發(fā)揮能力。但是這并非是成比例增長的關系，因此在設計時通過簡單地換用更長的基樁有時難以獲得更高的承載力。

同時，長徑比的選取也有著很大的影響，應綜合場地、承載力要求等多方面因素進行分析。不同大小的長徑比對于樁身軸力、樁身側(cè)摩阻力均會產(chǎn)生影響，如圖1，圖2所示[2]。

可以看出，隨著樁長徑比的不斷增加，側(cè)摩阻力所占總承載力的比例迅速增大，相應地基樁端部所發(fā)揮的承載力則不斷減小。同時還可以得出，基樁上段周圍土層的極限側(cè)阻力值與基樁的長徑比呈正相關，基樁中段周圍土層的極限側(cè)阻力值通常可以得到充分發(fā)揮，而基樁下段周圍土層的極限側(cè)阻力值則與基樁的長徑比呈負相關[2]。

因此，在設計時應根據(jù)實際的場地狀況，地質(zhì)條件，承載力需求等因素對基樁的樁型、樁長、樁徑進行專門設計，以充分發(fā)揮樁基礎的性能。

2)基樁的承載力。

基樁的承載力設計是樁基礎設計的核心內(nèi)容之一，也是樁基礎設計的難點。為確定單樁承載力，通?？墒褂玫姆椒ㄓ徐o載試驗、靜力觸探、動力觸探、經(jīng)驗設計等等，其中靜載試驗是最基礎且可信的方法。靜載試驗在現(xiàn)場進行，可以如實反映出樁基礎的荷載傳遞性能以及可能對其產(chǎn)生影響的因素。但是靜載試驗也有不足之處，包括成本較高、設備笨重，試驗時間較長、數(shù)量不多等[3]。因此工程中可使用經(jīng)驗參數(shù)法、靜力觸探法對單樁承載力提前進行預估，并根據(jù)建筑等級來決定是否要使用現(xiàn)場靜載試驗，具體判斷方法可見《建筑樁基技術規(guī)范》[4]。

3.2 施工應用

樁基礎的施工應用通?？煽傮w分為施工準備階段與施工階段。

3.2.1施工準備階段

樁基礎在施工準備階段的工作主要包括以下四點：

1)勘察工作：樁基礎在施工前需要首先對場地及周圍環(huán)境進行勘察，對可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題或者其他影響因素進行搜集與分析?？辈旃ぷ魍ǔＳ挚杉毞譃檫x址勘察階段、初步勘察階段與詳細勘察階段。選址勘察階段又稱可行性研究勘察，主要目的為判斷工程場址是否適宜建設項目；初步勘察階段主要目的是結(jié)合初步設計對場地穩(wěn)定性進行評估；詳細勘察階段主要目的則是密切結(jié)合設計或施工圖對場地、地基的具體方案作出論證和建議。

2)場地清理工作：在樁基礎施工前，應先對施工現(xiàn)場進行清理，將影響場地平整或者通常的因素清除。

3)放樣工作：使用龍門板、軸線控制樁等方法根據(jù)設計圖在現(xiàn)場進行放樣，落實軸線控制點的位置。

4)制定方案工作：根據(jù)場地性質(zhì)、工程內(nèi)容、施工特點等因素對施工階段進行討論與分析，并制定施工方案。

3.2.2施工階段

樁基礎技術在施工階段根據(jù)施工技術的不同，通常也有著不同的施工過程與施工特點。常見的樁基礎施工技術主要有四種：振動沉樁、靜力壓樁、鉆孔灌注樁和人工挖孔樁。

四種技術各有千秋，振動沉樁難度低，用時短，并且可以降低造價；靜力壓樁噪聲污染很小，質(zhì)量有保障，但對施工環(huán)境有要求[5]；鉆孔灌注樁施工效率高，效果好，近年來應用廣泛；人工挖孔樁健康環(huán)保，對周邊環(huán)境的干擾小，但施工工期較長。

在實際施工中應根據(jù)工程建筑項目靈活選用施工技術，并根據(jù)施工技術制定相對應的施工安排。

4 樁基礎發(fā)展前景

隨著21世紀以來土木工程的不斷發(fā)展，樁基礎技術作為基礎施工技術中最常用的一種方法在不斷的研究與應用中漸趨成熟。但是，在一些新興的領域與方向，樁基礎技術尚存在大片的空白可待填充。

4.1 裝配式建筑

自2016年起，我國大力推行裝配式建筑，在此后的幾年間，裝配式建筑快速發(fā)展，各省市裝配式建筑面積不斷增長。而在2020新冠疫情期間，雷神山、火神山醫(yī)院的高速建造過程也展現(xiàn)出了裝配式建筑的巨大優(yōu)勢。

但是另一方面，我國現(xiàn)階段的裝配式建筑也存在著諸多短板：

1)從技術層面來看，一些預制建筑構件的強度有限，難以趕及現(xiàn)澆構件，例如預制樁基礎相較灌注樁基礎的直徑較??；

2)從制造層面來看，不同工廠生產(chǎn)的預制構件尺寸存在差異，生產(chǎn)線的質(zhì)量控制不夠嚴格；

3)從設計層面來看：部分工程項目“掛羊頭賣狗肉”“為裝配而裝配”，為了達到裝配指標而強行使用裝配式構件，無法發(fā)揮出裝配式建筑的優(yōu)勢。

而樁基礎作為建筑物最根本的部分，在裝配式應用方面更是有著諸多限制。雖然近年來預制樁也在不斷發(fā)展，但是仍存在短板，并且距離真正的裝配式也存在不小的距離。在這一方面，樁基礎技術仍需要大量研究以實現(xiàn)真正的裝配一體化，靈活融合進裝配式建筑的應用當中。

4.2 人工智能

近年來人工智能的飛速發(fā)展，為我們呈現(xiàn)出了解決問題的一種全新方式。通過神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化學習，人工智能可以在樁基礎的勘察、設計乃至施工階段發(fā)揮重要作用。諸如群樁基礎、復合樁基、數(shù)值分析等復雜研究設計工作都有著借由人工智能簡化甚至完成的可能。通過對已有工程、研究的學習，也可以借由人工智能實現(xiàn)快速的分析計算過程，從而大幅降低工作量，縮短項目的勘察、設計乃至施工時間。

4.3 自動化

在現(xiàn)有樁基礎設計施工中，已經(jīng)有部分環(huán)節(jié)通過機械設備、智能科技實現(xiàn)了自動化，但是也有很多機械性、重復性的工作仍停留在人工完成的階段。對樁基礎的勘察設計施工過程進行更深入的自動化普及，將有助于提高精度、提升效率與增加經(jīng)濟效益，有利于標準化、質(zhì)量控制與減少不確定性。

此外，自2019年起第五代移動通信技術的逐漸普及，也將支持著樁基礎技術在自動化領域?qū)崿F(xiàn)更深入的應用與交互。

5 結(jié)語

樁基礎技術是土木工程中常用的基礎施工技術之一。本文通過對樁基礎的類別、適用條件、設計施工與發(fā)展前景四方面進行討論，綜合地對樁基礎技術進行了分析。結(jié)果表明，樁基礎技術的運用十分廣泛且靈活，對于不同的工程與場址，針對性地進行樁基礎選用與設計都可以有效提升地基承載力或者減少造價。并且對于當下逐漸受到青睞的高層、超高層建筑，樁基礎技術相對于其他基礎技術也有著更為明顯的優(yōu)勢。此外，樁基礎技術還有著廣泛的發(fā)展可能，無論是在當下正快速發(fā)展的裝配式建筑還是其他交叉學科領域，樁基礎技術都有著很多空白等待開發(fā)。