新型桩基技术――现浇薄壁筒桩技术

第23卷第4期岩石力学与工程学报23(4)：704～7072004年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.，20042002年6月22日收到初稿，2002年8月20日收到修改稿。作者卢建平简介：男，1964年生，现任高级工程师、浙江大学在读博士生，主要从事海洋工程及桩基技术方面的研究工作。E-mail：lu·jian·[e-mail]。新型桩基技术——现浇薄壁筒桩技术卢建平1，4曹国宁2张志强2徐建达2陈刚3金翔龙4(1浙江大学地球科学系杭州310027)(2浙江省交通规划设计研究院杭州310006)(3杭州市公路管理局杭州310004)(4国家海洋局第二海洋研究所杭州310012)摘要阐述了现有各种桩基的不足，重点介绍了谢庆道教授的专利技术，即桩基工程的创新技术——现浇薄壁筒桩技术的工艺原理以及该技术与现有各种桩基比较下所具有的经济、高效、承载力高、环境效益好等特点，并以温州银策大厦为例，对其技术经济指标进行了对比分析，指出了该技术在交通工程、水利工程、海洋工程以及工业与民用建筑工程等领域的应用前景及研究意义，借以抛砖引玉，以推动该创新技术在各类工程中的推广与应用。关键词桩基工程，创新技术，现浇薄壁筒桩技术，经济高效、承载力高、环境效益好，推广与应用分类号TU473.1文献标识码A文章编号1000-6915(2004)04-0704-04INNOVATIONOFTECHNOLOGYOFPILEFOUNDATIONENGINEERING——CAST-IN-SITUTHINWALLPOTPILETECHNOLOGYLuJianping1，4，CaoGuoning2，ZhangZhiqiang2，XuJianda2，ChenGang3，JinXianglong4(1DepartmentofGeologyScience，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027China)(2ZhejiangProvincePlanDesignandResearchInstituteofCommunications，Hangzhou310006China)(3HangzhouHighwayAdministrationBureau，Hangzhou310004China)(4SecondInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012China)AbstractFirst，allthedefectsofexistingpilefoundationsaresetforth.ThenthetechnologicalprocessandprincipleofProfessorXieQindao′spatenttechnology，i.e.pilefoundationengineeringinnovationtechnology—cast-in-situthinwallpotpiletechnologyisspeciallyintroduced.Theeconomicalandefficientcharacteristics，highload-bearingcapacityandgoodenvironmentbenefitofthistechnologyarespeciallydiscussedbycomparingwithotherkindsofpilefoundations.ThetechnologyandeconomyindexesarecomparedandanalyzedbytakingWenzhouYinceHotelasanexample.Atlast，thegoodapplicationprospectsandsignificancearepointedoutinsuchfieldsascommunicationproject，waterconservancyproject，marineengineering，andsoon.Keywordspilefoundationengineering，innovationtechnology，cast-in-situthinwallpotpiletechnology，economicalandefficient，highload-bearingcapacity，goodenvironmentbenefit，disseminationandapplication1前言随着我国建设工程的飞速发展，城市高层建筑、地下工程、铁路、高速公路、港口码头、电力及核电站、海上石油平台、水利工程设施等不断兴建，桩基基础则以其承载力高、稳定性好，抵抗不均匀沉降能力强等特点得到日益广泛的应用，我国东南沿海软土地区以及对沉降要求较高或者对不均匀沉降较为敏感的地区兴建各类工程，桩基技术更是一第23卷第4期卢建平等.新型桩基技术——现浇薄壁筒桩技术•705•种处理下部结构必不可少的措施和行之有效的重要手段。据不完全统计，每年我国投资桩基工程的费用达200多亿元。因此，整个工程建筑界对桩基工程不得不投以注视的目光。2目前工程中常用桩型存在的问题[1～4]我国幅原辽阔，各地区的地质条件千差万别，适应于各类地质条件下的桩型、桩种类也名目繁多，目前，各类工程中使用的桩基达数十种，根据施工工艺的不同，我国目前的主导桩型有钻孔灌注桩、振动灌注桩、夯扩桩、人工挖孔桩、预应力管桩、预制方桩以及用于软基处理的各种柔性半柔性桩(如水泥搅拌桩与粉喷桩、砂石桩或碎石桩)。就目前使用的各类主导桩型而言，存在如下问题：(1)钻孔灌注桩的工艺复杂，施工时间较长，劳动力投入大；固体废弃物量大，环境污染严重；孔底沉渣不易排出与泥浆护壁留下了桩侧泥皮，由此大大降低了桩基的桩底反力与侧壁摩擦力，降低了桩基的承载力。(2)预制方桩施工尽管质量较好控制，但必须在工厂预制，设备要求高；水泥标号与混凝土强度要求高，运输工作量大；静力压桩式施工设备笨重，场地要求高，设备运进运出难度大，移位困难，成本高；锤击式振动大，桩头易打裂。(3)另外，上述2种桩型还存在如下带有共性的问题：①建材用量大，造价高，有的占整个工程造价的30%～40%；②钻孔灌注桩的质量问题明显，常出现诸如断桩、缩颈、离析夹泥等质量问题，造成工程隐患；③一旦发现质量问题，处理极为困难，即使进行处理，处理成本很高。为此，我校谢庆道教授在长期从事岩土工程与桩基技术研究的基础上，在实践中不断探索控制基桩质量的关键因素，经过长期不懈的摸索，于1995年创造性地提出了薄壁筒桩技术的设想。谢教授根据浙江沿海软土地区和海洋工程的特点，对成桩工艺做了深入细致的研究，按照省材、优质、高效、环境效益好的原则，对工艺进行了不断改进，于1998年初，发明研制成“埋于软土地基的混凝土筒体的施工方法及压入式一次成孔器”(该技术已获国家专利，专利号为CN1221056A)，由此出现的桩基技术称为现浇薄壁筒桩技术。与此同时，谢教授将该项技术发明投入现场工程试验，1998年底，在温州乐清柳市试验获得成功，4根试桩无一例外地一次成孔成桩。该技术的成功引起了交通部、水利部等权威设计部门的兴趣和重视，建筑界的同仁与专家认为，该技术的发明如果得到全面推广，将是灌注桩发展史上的一次重大变革，也是灌注桩发展史上的一个重要里程碑。该工程技术不仅成本低、工艺简单、施工快捷，而且较好解决了灌注桩的几大难题——桩底沉渣与桩侧泥皮、早期沉降和水下混凝土灌注质量。3现浇薄壁筒桩技术的工艺原理预制环形桩靴，桩靴上部凸出，下部呈环锥状；施工时把环形桩靴套入内外套管之间，内外套管的下端面与桩靴上部环形凸面的内外侧相接触；套管上部与压盖相连，内套管上部锥管穿过压盖，插入施力压头与出泥孔导通；将桩靴尖头压入土层；接着振动下沉，在成筒形孔的同时亦同步自动排出软土；放入钢筋笼，灌注混凝土，最后拉出内外套管即成筒状桩基。4现浇薄壁筒桩技术的特点(1)一次成孔灌注成桩，施工快捷。(2)能使被桩靴挤出的多余软土通过内套管内侧抬升而自动排出，构成了自动排土技术，因而大大减少地面隆起、桩体被拉长、拉裂等问题，施工质量易于控制。(3)采用环形桩靴，施工时贯入阻力小，口径可根据工程需要或承载力要求进行调节。(4)专用的振动压入式一次成孔器结构简单，对设备要求不高，易于安装；施工时对材料要求低，材料运输工作量小，散体运输，随意性好；施工速度快，节省大量的建筑材料。(5)施工时无需造浆，无废土运进运出的问题，环境效益好。(6)无桩侧泥皮与桩底沉渣，相同条件下的承载力较高；如果成桩后将顶部振捣密实并浇上混凝土盖板，承载效果更好。(7)在传统桩型无法施工的工程地质条件或施工难度较大的工程，如地基施工中遇到流沙，亦会因现浇薄壁筒桩技术的采用而易于解决，起到事半功倍的效果。•706•岩石力学与工程学报2004年(8)水下成桩可实施一次性成桩，可大大节约工时，有效地降低工程费用。5现浇薄壁筒桩与其他桩基技术和经济指标对比[5～8]1998年底，现浇薄壁筒桩试验成功后，1999年2月，温州建筑设计院在温州银策大厦设计过程中，为了选择桩型，在桩基工程论证中，根据勘测部门提供的初勘资料，以同一钻孔进行单桩承载力分析比较，然后以薄壁筒桩承载力为基础，计算各桩混凝土量进行造价分析，对现浇薄壁筒桩与目前我国使用频率较高的4种传统桩型——振动灌注桩、钻孔灌注桩、预制方桩、预应力管桩作出技术和经济指标的初步对比，见表1。从表1可知，对比中选用的现浇薄壁筒桩的外径1200mm，内径800mm，筒桩壁厚0.2m，纵然如此，它亦较4种对比桩型造价低。经计算，筒桩壁厚0.15m即可保证质量和工程要求，造价则更低。此外，还应指出，温州建筑设计院所做的桩基础对比并未考虑现浇薄壁筒桩的内侧摩阻力及桩靴的桩底反力。因此，现浇薄壁筒桩实际的单桩承载力明显超过2990kN。现浇薄壁筒桩桩径可根据工程需要与承载力要求进行调整，其各桩径的技术和经济指标与钻孔灌注桩亦可作一对比，如果混凝土造价为1000元/m3，钻孔灌注桩不计护壁泥浆的摩阻力耗损，薄壁筒桩的内壁摩阻力以侧摩阻力的20%参与计算，桩靴端承力未计，则2者的对比见表2。从表2可见，现浇薄壁筒桩技术有极为广泛的应用前景，其经济效益十分巨大。有人作过保守的估计，假设全国目前每年用于基础工程的费用为表2现浇薄壁筒桩与钻孔灌注桩技术和经济指标对比Table2Comparisonoftechnologyandeconomyindexbetweencast-in-situthinwallpotpileanddrillpouringpile桩型桩径/m混凝土量/m3单桩承载力/kN单桩造价/元0.60.212130055120.80.306173076561.00.4012170104261.20.4952600128701.50.6363250165363.01.3436500349180.60.339108088140.80.6031450156781.00.9431810245181.21.3572170352821.52.1212710551463.08.4825420220532注：薄壁筒桩壁厚为0.15m，充盈系数为1.2，桩长为6.0m，按假定地质剖面进行理论计算。200亿元，若50%采用现浇薄壁筒桩技术，以低于传统桩型成本的25%计算，则每年可为国家节约25亿元资金。6现浇薄壁筒桩在海洋工程应用中的前景和意义如上所述，现浇薄壁筒桩由于具有成桩快速、工艺简单、成本低、承载力高、质量易于控制、污染少等特点，因此，它在各类工程中有良好的开发应用前景。目前，杭宁高速公路指挥部已经立项投资约表1温州银策大厦桩基础方案比较Table1ComparisonofpilefoundationschemesforWenzhouYinceHotel桩型施工方法桩径/mm桩长/m混凝土标号单桩承载力/kN单桩混凝土量/m3