子項(xiàng)6.1　樁基礎(chǔ)組成與分類

樁基礎(chǔ)是深基礎(chǔ)應(yīng)用最多的一種基礎(chǔ)形式，它是由沉入土中的樁和連接樁頂?shù)某信_(tái)組成。樁基礎(chǔ)的作用是將上部結(jié)構(gòu)的荷載，通過較弱地層傳至深部較堅(jiān)硬的、壓縮性小的土層或巖層。本子項(xiàng)主要討論樁的概念、使用范圍、樁的作用及施工工藝。

6.1.1　樁基礎(chǔ)的概念、作用與適用范圍

圖6.1　樁基礎(chǔ)的組成

如圖6.1所示，樁基礎(chǔ)由一根或數(shù)根單樁（也稱基樁）和承臺(tái)兩個(gè)部分組成。在平面上樁可排列成一排或幾排，樁頂由承臺(tái)連接。樁基礎(chǔ)的修筑方法是：先將樁設(shè)置于地基中，然后在樁頂處澆筑承臺(tái)，將若干根樁連接成一個(gè)整體，構(gòu)成了樁基礎(chǔ)。最后在上面修建上部結(jié)構(gòu)，如房屋建筑中的柱、墻或橋梁中的墩、臺(tái)等。

樁基礎(chǔ)的作用是將承臺(tái)以上結(jié)構(gòu)傳來的荷載，通過承臺(tái)將外荷載傳至樁頂，再由樁傳到較深的地基土層中去。其中承臺(tái)不僅將外力傳至樁頂，并箍

住樁頂形成整體共同承受外力。各樁的作用是將所承受的荷載通過樁側(cè)土的摩阻力和樁端土的支承力，傳至地基土層中去。

當(dāng)?shù)鼗喜寇浫醵诳赡艿脑O(shè)計(jì)樁長范圍內(nèi)埋藏有堅(jiān)硬土層時(shí)，最適宜采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)如設(shè)計(jì)正確、施工得當(dāng)，則它具有承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小而均勻、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。樁基礎(chǔ)適宜在下列情況下采用：

①當(dāng)建筑物荷載較大，采用天然地基時(shí)地基承載力不足時(shí)；或地基淺層土質(zhì)差，采用換填或地基處理困難較大或經(jīng)濟(jì)上不合理時(shí)，采用樁基是較好的解決方案。

②即使天然地基承載力滿足要求，但因采用天然地基時(shí)沉降量過大；或是建筑物較為重要，對沉降要求嚴(yán)格時(shí)。

③高聳建筑物或構(gòu)筑物在水平力作用下為防止傾覆或產(chǎn)生較大傾斜時(shí)。

④為防止新建建筑物地基沉降對鄰近建筑物產(chǎn)生相互影響，對新建建筑物可采用樁基，以避免這種危害。

⑤設(shè)有大噸位的重級工作制吊車的重型單層工業(yè)廠房，吊車載重量大，使用頻繁，車間內(nèi)設(shè)備平臺(tái)多，基礎(chǔ)密集，因而地基變形大，這時(shí)可采用樁基。

⑥精密設(shè)備基礎(chǔ)安裝和使用過程中對地基沉降及沉降速率有嚴(yán)格要求，動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)對允許振幅有一定要求時(shí)。

⑦在地震區(qū)，采用樁穿過液化土層并深入下部密實(shí)穩(wěn)定土層，可消除或減輕液化對建筑物的危害。

⑧已有建筑物加層、糾偏、基礎(chǔ)托換時(shí)可采用樁基。

⑨水中建筑物如橋梁、碼頭、采油平臺(tái)等，地下水位很高，采用其他基礎(chǔ)形式施工困難時(shí)。

6.1.2　樁的分類與選型

根據(jù)樁體材料、使用功能、結(jié)構(gòu)形式、施工方法、擠土效應(yīng)和承臺(tái)位置等的不同，樁可分為如下幾大類型。

1）按樁體材料分類

（1）木樁

木樁是一種古老的樁基形式。常采用堅(jiān)韌耐久的木材，如杉木、松木、橡木等。其樁徑常采用160～360mm，樁長為4～10m。木樁制造簡單、質(zhì)量輕、運(yùn)輸和沉樁方便、造價(jià)低；但木樁承載力低，在干濕交替的環(huán)境中極易腐爛，使用壽命不長，現(xiàn)一般很少使用，僅在鄉(xiāng)村小橋和一些臨時(shí)應(yīng)急工程中使用。

（2）鋼筋混凝土樁

鋼筋混凝土樁是目前工程上采用最廣泛的樁。鋼筋混凝土樁可承壓、抗拔、抗彎，不受地下水水位和土質(zhì)的限制，無頸縮等質(zhì)量事故，安全可靠，成樁方法可采用工廠預(yù)制或現(xiàn)場預(yù)制后打入（或壓入）、現(xiàn)場鉆孔灌注混凝土等。截面形式有方樁、空心方樁、管樁、三角形樁等，近年來出現(xiàn)了截面為矩形、T形等的壁板樁，承載力很高。各種常見截面形式如圖6.2所示。對管樁，常施加預(yù)應(yīng)力形成預(yù)應(yīng)力管樁，提高樁身抗裂能力，防止在起吊時(shí)的彎矩應(yīng)力或采用錘擊法成樁時(shí)樁身產(chǎn)生的錘擊拉應(yīng)力下開裂斷樁。

圖6.2　鋼筋混凝土樁截面形式

（3）鋼樁

常用鋼樁有管狀、寬翼工字形截面和板狀截面等形式。其中鋼管樁的直徑一般為250～1200mm。鋼樁具有穿透能力強(qiáng)、承載力高、自重輕、接樁方便、錘擊沉樁效果好、施工質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；但也存在價(jià)格高、易銹蝕等不足。

（4）組合材料樁

組合材料樁是指一根樁由兩種或兩種以上材料組成的樁。它一般是為了降低造價(jià)，結(jié)合材料強(qiáng)度和地質(zhì)條件，發(fā)揮材料特性而組合成的樁。例如鋼管內(nèi)填充混凝土，水位以下采用預(yù)制而樁上段多采用現(xiàn)場澆筑混凝土，中間為預(yù)制而外包灌注樁（水泥攪拌樁中插入型鋼或預(yù)制小截面鋼筋混凝土樁）等，一般應(yīng)用于特殊地質(zhì)環(huán)境及施工技術(shù)等情況。

2）按承載性狀分類

作用在樁上的外荷載由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同承擔(dān)。樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的分擔(dān)比例主要受樁側(cè)和樁端土的物理力學(xué)性質(zhì)、樁的形式、樁與土的相對剛度及施工方法等因素的影響。根據(jù)摩阻力和樁端阻力占外荷載的比例大小，將樁基礎(chǔ)分為摩擦型樁和端承型樁。

（1）摩擦型樁

摩擦型樁可分為以下兩類：

①摩擦樁（圖6.3（a））：在極限承載力狀態(tài)下，樁頂荷載由樁側(cè)阻力承受，樁端阻力很小可忽略不計(jì)，即純摩擦樁。這種樁穿過的軟弱土層較厚，樁端達(dá)不到堅(jiān)硬土層或巖層上，樁頂?shù)暮奢d主要靠樁身與土層之間的摩擦力來支承。

②端承摩擦樁（圖6.3（b））：在極限承載力狀態(tài)下，樁頂荷載主要由樁側(cè)阻力承受，樁端阻力占的比例較小。例如，置于軟塑狀態(tài)黏性土中的長樁，樁端土為可塑狀態(tài)的黏土，就是端承摩擦樁。

圖6.3　不同支承類型的樁

（2）端承型樁

端承型樁可分為以下兩類：

①端承樁（圖6.3（c））：在極限承載力狀態(tài)下，樁頂荷載由樁端阻力承受，樁側(cè)阻力小到可忽略不計(jì)。較短的樁，樁端進(jìn)入微風(fēng)化或中等風(fēng)化巖石時(shí)，為典型的端承樁。這種樁穿過上部軟弱土層，直接將荷載傳至堅(jiān)硬土層或巖層上。

②摩擦端承樁（圖6.3（d））：在極限承載力狀態(tài)下，樁頂荷載主要由樁端阻力承受，樁側(cè)摩擦力占的比例較小。

3）按樁的施工方法分類

（1）預(yù)制樁

由于是在打樁以前將樁身提前預(yù)制，因此樁身質(zhì)量較容易保證。預(yù)制樁的沉樁施工主要有錘擊、振動(dòng)、靜壓等方法，當(dāng)沉樁困難時(shí)，可采用預(yù)鉆孔后再沉樁。由于錘擊和振動(dòng)沉樁產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)等危害，近年來采用靜力壓樁的施工方法在城市中得到了較多的應(yīng)用。靜力壓樁施工方法的優(yōu)點(diǎn)是噪聲小、無振動(dòng)，在樁身內(nèi)不產(chǎn)生錘擊沉樁所產(chǎn)生的很大錘擊應(yīng)力，可以減小樁身配筋，降低工程造價(jià)。因此，靜力壓樁方法已廣泛應(yīng)用于軟土地區(qū)的工業(yè)與民用建筑、灣港碼頭、水工圍堰、地鐵等工程的樁基施工。

當(dāng)要求單樁承載力較高、持力層埋深較深而使樁長較長時(shí)，預(yù)制樁必須采用分成幾節(jié)進(jìn)行預(yù)制和沉樁。因此，當(dāng)下節(jié)樁沉入土中，進(jìn)行上節(jié)樁沉樁時(shí)，必須將上、下節(jié)樁連接起來。目前常用的接樁方法主要有焊接法、螺栓連接法和漿錨法。

（2）灌注樁

灌注樁為在建筑工地現(xiàn)場成孔，并在現(xiàn)場灌注混凝土制成的樁。灌注樁大體可分為沉管灌注樁和鉆（沖、挖、抓）孔灌注樁兩大類。同一類樁還可以按照施工機(jī)械和施工方法以及直徑的不同予以細(xì)分。

①沉管灌注樁。沉管灌注樁早在20世紀(jì)30年代傳入我國，該樁身不用預(yù)制可就地灌注，施工速度快，不產(chǎn)生泥漿，造價(jià)低于其他類型的灌注樁而應(yīng)用較廣。但其施工過程中的噪聲和震動(dòng)對環(huán)境產(chǎn)生影響，使其在城市建筑物密集地區(qū)的應(yīng)用受到一定限制。沉管灌注樁可采用錘擊振動(dòng)、振動(dòng)沖擊等方法沉管成孔，其施工工序如圖6.4所示。

圖6.4　沉管灌注樁的施工工序示意圖

錘擊沉管灌注樁的常用直徑（指預(yù)制樁尖的直徑）為300～500mm，樁長在20m以內(nèi)，可打至硬塑黏土層中或中、粗砂層。這種樁的施工設(shè)備簡單，打樁速度快、成本低，但很容易產(chǎn)生縮徑（樁身界面局部縮?。鄻?、局部夾土、混凝土離析和強(qiáng)度不足等質(zhì)量問題。

振動(dòng)沉管灌注樁的鋼管底部帶有活瓣樁尖（沉管時(shí)閉合，拔管時(shí)活瓣張開以便澆筑混凝土），或套上預(yù)制鋼筋混凝土樁尖。樁橫截面直徑一般為400～500mm。

錘擊、振動(dòng)沉管施工時(shí)一般有單打、反插和復(fù)打法，根據(jù)土質(zhì)情況和承載力要求進(jìn)行選用。單打法適用于含水量較小的土層，且易采用預(yù)制樁尖；反插法及復(fù)打法適用于軟弱飽和土層。單打法即一次拔管成樁，拔管時(shí)每提升0.5～1.0m，振動(dòng)5～10s，再拔管0.5～1.0m，如此反復(fù)進(jìn)行，直至全部拔除為止。為了擴(kuò)大樁徑（這時(shí)樁距不易太?。┖头乐乖谟倌鄬又锌s徑或斷樁，沉管灌注樁施工時(shí)可采用反插和復(fù)打工藝。復(fù)打法就是在澆筑混凝土并拔出鋼管后，立即在原位重新放置預(yù)制樁尖（或閉合管端活瓣）再次沉管，并再次澆筑混凝土。復(fù)打后的樁，其橫截面面積增大，承載力提高，但其造價(jià)也相應(yīng)增加。反插法是將套管每提升0.5m，再下沉0.3m，反插深度不易大于活瓣樁尖長度的2／3，如此反復(fù)進(jìn)行，直至拔除地面。反插法也可擴(kuò)大樁徑，提高承載力。

②鉆（沖）孔灌注樁。各種鉆孔樁在施工時(shí)都要把鉆孔位置處的土排出地面，然后清除孔底殘?jiān)?，安放鋼筋籠，最后澆筑混凝土。

目前國內(nèi)的鉆（沖）孔灌注樁在鉆進(jìn)時(shí)不下鋼筋套筒，而是利用泥漿護(hù)壁保護(hù)孔壁以防坍孔，清孔（排走孔底沉渣）后在水下灌注混凝土。常用樁徑為600～1200mm等。更大直徑1500～2800mm鉆孔樁一般用鋼套筒護(hù)壁，所用鉆機(jī)具有回旋鉆進(jìn)、沖擊、磨頭磨碎巖石和擴(kuò)大樁底等多種功能，鉆進(jìn)速度快，深度可達(dá)60m，能克服流砂、消除孤石等障礙，并能進(jìn)入微風(fēng)化硬質(zhì)巖石。其最大優(yōu)點(diǎn)在于能進(jìn)入巖層，剛度大，因此承載力高而樁身變形很小。

③挖孔樁。挖孔樁可采用人工或機(jī)械挖掘成孔。人工挖孔樁施工時(shí)應(yīng)降低地下水位，每挖深0.9～1.0m，就澆灌或噴射一圈鋼筋混凝土護(hù)壁（上下圈之間用鋼筋連接），達(dá)到所需深度時(shí)再進(jìn)行擴(kuò)孔，最后在護(hù)壁內(nèi)安裝鋼筋籠或澆灌混凝土。

在挖孔樁施工中，由于工人下到鉆孔中操作，可能遇到流砂、坍孔、有害氣體、缺氧、觸電和上面掉下重物等危險(xiǎn)而造成傷亡事故。因此必須嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)安全生產(chǎn)的規(guī)定。挖孔樁的孔深一般不宜超過25m，當(dāng)樁長小于等于8m時(shí)，樁身直徑不應(yīng)小于0.8m；當(dāng)樁長為8～15m時(shí)，樁身直徑不應(yīng)小于1m；當(dāng)樁長為15～20m時(shí)，樁身直徑不應(yīng)小于1.2m；當(dāng)樁身超過20m時(shí)，樁身直徑應(yīng)適當(dāng)加大。挖孔樁的優(yōu)點(diǎn)是：可直接觀察地層情況，孔底易清除干凈，設(shè)備簡單，噪聲?。粓鰠^(qū)各樁可同時(shí)施工，樁徑大，適應(yīng)性強(qiáng)，又較經(jīng)濟(jì)。

4）按承臺(tái)的位置分類

樁基礎(chǔ)按照承臺(tái)的位置可分為高承臺(tái)樁（也稱高樁承臺(tái)）基和低承臺(tái)樁基（也稱低樁承臺(tái)）兩種，如圖6.1所示。通常將承臺(tái)底面置于地面或局部沖刷線以下的樁基稱為低承臺(tái)樁基，如圖6.1（a）所示；承臺(tái)底面高出地面或局部沖刷線的樁基稱為高承臺(tái)樁基，如圖6.1（b）所示。高承臺(tái)樁基的位置較高，可減小墩臺(tái)的圬工數(shù)量，施工較方便。然而在水平力的作用下，由于承臺(tái)及部分樁身露出地面或局部沖刷線，減少了承臺(tái)及自由段樁身側(cè)面的土抗力，樁身的內(nèi)力和位移都將大于低承臺(tái)樁基，在穩(wěn)定性方面也不如低承臺(tái)樁基。

當(dāng)常年有水、沖刷較深，或地下水位較深、施工時(shí)不易排水時(shí)，常采用高承臺(tái)樁基方案。另外，對于受水平力較小的小跨度橋梁，選用高樁承臺(tái)很可能是較為合理的方案。位于旱地、淺水灘或季節(jié)性河流的墩臺(tái)，當(dāng)沖刷不深，施工排水不太困難時(shí)，選用低承臺(tái)方案，有利于提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

5）按樁軸方向分類

若按樁軸方向分類可分為豎直樁和斜樁，如圖6.5所示。一般來說，豎直樁能承受的水平力較小，當(dāng)水平外力和彎矩不大，樁不長或樁身直徑較大時(shí)，可采用豎直樁，相應(yīng)的樁基稱為豎直樁樁基。反之，當(dāng)水平外力較大且方向不變時(shí)，可采用單向斜樁；當(dāng)水平外力較大且由于活載關(guān)系致使水平外力在兩個(gè)方向都可能同時(shí)作用時(shí)，則可采用多向斜樁樁基。由于施工技術(shù)上的原因，目前鉆（挖）孔灌注樁通常設(shè)計(jì)為豎直樁。

圖6.5　不同樁軸方向的樁

6）按成樁的直徑分類

《建筑樁基規(guī)范》按成樁直徑大小，將樁分為小直徑樁、中等直徑樁和大直徑樁三類。

（1）小直徑樁

小直徑樁指樁徑d≤250mm、長徑比l／d較大的樁，如樹根樁。小樁具有施工空間要求小、對原有建筑基礎(chǔ)影響小、施工方便、可在任何土層中成樁，并能穿越原有基礎(chǔ)等特點(diǎn)而在地基換托、支護(hù)結(jié)構(gòu)、抗浮、多層住宅地基處理等工程中得到了廣泛應(yīng)用。

（2）中等直徑樁

即普通樁，樁徑為250mm＜d＜800mm的樁。這種樁長期在工業(yè)與民用建筑中大量使用，其成樁方法和工藝很多。

（3）大直徑樁

大直徑樁指樁徑d≥800mm的樁，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮樁的擠土效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，此類樁大多數(shù)為端承樁。

7）按成樁分類

隨著樁的設(shè)置方式不同，樁孔處的排土量和樁周土體所受到的排擠及擾動(dòng)程度也會(huì)不同，這將直接造成土體的天然結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)和性質(zhì)的變化，從而影響到樁的承載能力、成樁質(zhì)量與對環(huán)境的影響等。按成樁過程中是否產(chǎn)生擠土效應(yīng)可分為下列三種：

（1）擠土樁

在成樁過程中，樁孔中的土未取出，造成大量擠土，使樁周土體受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)（重塑或土粒重新排列），土的工程性質(zhì)有很大改變。如采用打入、靜壓和振動(dòng)等成樁方法的實(shí)心預(yù)制樁、下端封閉的管樁和沉管灌注樁等。成樁過程中的擠土效應(yīng)主要是地面隆起和土體側(cè)移，對預(yù)制樁可能會(huì)造成樁的側(cè)移、傾斜、上抬等質(zhì)量事故，對灌注樁還可能造成斷樁和縮徑等。

（2）部分?jǐn)D土樁

在成樁過程中，對周圍土體引起部分?jǐn)D土效應(yīng)，樁周土體受到一定程度的擾動(dòng)。一般底端開口的鋼管樁、H型鋼樁、沖孔灌注樁和開口薄壁預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁等屬于部分?jǐn)D土樁。

（3）非擠土樁

采用鉆孔或挖孔方式，在成孔過程中將孔中土清除，故沒有產(chǎn)生設(shè)樁時(shí)的排擠土作用。一般現(xiàn)場灌注的鉆、挖孔樁或先鉆孔再打入的預(yù)制樁屬于非擠土樁。