一、任务介绍
一般工程中，常采用在地表浅层地基土上建造浅基础的方法。但当建筑物荷载较大而对变形和稳定性要求较高时，或者地基的软弱土层较厚，对软土进行人工处理又不经济时，常采用桩基础。合理使用桩基础既能有效地控制建筑物的沉降变形，又能提高建筑物的抗震性能，从而确保建筑物的长期安全使用。本任务主要介绍桩基础的概念、应用范围、类型及桩型选择。
二、理论知识
1．桩基础的概念
桩基础简称桩基，是一种基础，它由延伸到地层深部的基桩和连接桩顶的承台组成，如图8－1所示。桩基可由单根桩构成，如一柱桩的独立基础；也可以由两个以上的基础构成，形成桩基础，荷载通过承台传递给各基桩桩顶。
图8－1 桩基础示意图
桩基可以承受竖向荷载，也可以承受横向荷载。承受竖向荷载的桩是通过桩侧摩阻力或桩端阻力或两者共同作用将上部结构的荷载传递到深处土（岩）层，因而桩基的竖向承载力与基桩所穿过的整个土层和桩底地层的性质、桩基的外形和尺寸等因素密切相关；承受横向荷载的桩基是通过桩身将荷载传给桩侧土体，其横向承载力与桩侧土的抗力系数、桩身的抗弯刚度和强度等密切相关。工程实际中，以承受竖向荷载为主的桩基居多。
2．桩基础的应用范围
桩基作为深基础，具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、沉降速率低而收敛等特性。因此，桩基几乎可应用于各种工程地质条件和各种类型和建筑工程，尤其适用于建造在软弱地基上的高层、重型建（构）筑物。桩基一般可用于以下几种情况。
（1）浅层地基土承载力与变形不能满足要求时。
（2）地基软弱，而采用地基加固措施在技术上不可行或经济上不合理时，或者地基土性特殊，如液化土、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等特殊土时。
（3）承受较大的水平荷载、上拔荷载和力矩荷载的高耸结构物。
（4）上部结构对基础的不均匀沉降敏感，或者建筑物受相邻建筑或大面积地面荷载的影响时。
（5）需要减震的精密或大型的设备基础，或应控制基础沉降及重型工业厂房（设有大吨位重级工作制吊车的车间）和荷载过大的料仓、仓库等。
（6）地下水位很高，采用其他基础形式施工困难，或者位于水中的构筑物基础，如桥梁、码头、采油钻井平台等。
（7）需要长期保存且具有重要历史意义的建筑物。
3．桩的类型
桩可按承载性状、使用功能、桩身材料、成桩方法和工艺、桩径大小等进行分类。
1）按承台位置高低分类
按承台位置高低分类可分为高承台桩基和低承台桩基。
（1）高承台桩基 由于结构设计上的需要，群桩承台底面有时设在地面或局部冲刷线之上，这种桩基称为高承台桩基。这种桩基在桥梁、港口等工程中经常使用。
（2）低承台桩基 凡是承台底面埋置于地面或局部冲刷线以下的桩基称为低承台桩基。房屋建筑工程的桩基多属于这一类。
2）按承载性质的不同分类
按承载性的不同可分为摩擦型桩和端承型桩，见图8－2。
（1）摩擦型桩。
①摩擦桩 竖向荷载下，基桩的承载力以桩侧摩阻力为主，外部荷载主要通过桩身侧表面与土层之间的摩擦阻力传递给周围的土层，桩尖部分承受的荷载很小，主要用于岩层埋置很深的地基。这类桩基的沉降较大，稳定时间也较长。
②端承摩擦桩 在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧摩擦阻力承受。即在外荷载作用下，桩的端阻力和侧壁摩擦力都同时发挥作用，但桩侧摩擦阻力大于桩尖阻力。例如，穿过软弱地层嵌入较坚实的硬黏土的桩。
（2）端承型桩。
①端承桩 在极限荷载作用状态下，桩顶荷载由桩端阻力承受的桩。例如，通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩，外部荷载通过桩身直接传给基岩，桩的承载力由桩的端部提供，不考虑桩侧摩擦阻力的作用。
②摩擦端承桩 在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受的桩。例如，通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩，由于桩的细长比很大，在外部荷载作用下，桩身被压缩，使桩侧摩擦阻力得到部分地发挥。
图8－2 摩擦型桩和端承型桩
3）按桩身材料分类
根据桩身材料可分为混凝土桩、钢桩和组合材料桩等。
（1）钢筋混凝土桩 混凝土桩是目前应用最广泛的桩，具有制作方便、桩身强度高、耐腐蚀性能好、价格较低等优点。它可分为预制混凝土方桩、预应力混凝土空心管桩和灌注混凝土桩等。
（2）钢桩 由钢管桩和型钢桩组成。钢桩桩身材料强度高，桩身表面积大而截面积小，在沉桩时贯透能力强而挤土影响小，在饱和软黏土地区可减少对邻近建筑物的影响。型钢桩常见有工字形钢桩和H形钢桩。钢管桩由各种直径和壁厚的无缝钢管制成。由于钢桩价格昂贵，耐腐蚀性能差，故应用受到一定的限制。
（3）木桩 目前已经很少使用，只在某些加固工程或能就地取材的临时工程中使用。在地下水位以下时，木材有很好的耐久性，而在干湿交替的环境下，木材很容易腐蚀。
（4）灰土桩 主要用于地基加固。
（5）砂石桩 主要用于地基加固和挤密土壤。
4）按桩的使用功能分类
（1）竖向抗压桩 竖向抗压桩主要承受竖向荷载，是主要的受荷形式。根据荷载传递特征，可分为摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩及端承桩四类。
（2）竖向抗拔桩 主要承受竖向抗拔荷载的桩，应进行桩身强度和抗裂性能以及抗拔承载力验算。
（3）水平受荷桩 港口工程的板桩、基坑的支护桩等，都是主要承受水平荷载的桩。桩身的稳定依靠桩侧土的抗力，往往还设置水平支撑或拉锚以承受部分水平力。
（4）复合受荷桩 承受竖向、水平荷载均较大的桩，应按竖向抗压桩及水平受荷桩的要求进行验算。
5）按成孔方法分类
（1）非挤土桩 非挤土桩是指成桩过程中桩周土体基本不受挤压的桩。在成桩过程中，将与桩体积相同的土挖出，因而桩周围的土很少受到扰动。这类桩主要有干作业法、泥浆护壁法和套管护壁法钻挖孔灌注桩，或者钻孔桩、井筒管桩和预钻孔埋桩等。
（2）部分挤土桩 这类桩在设置过程中，由于挤土作用轻微，故桩周土的工程性质变化不大。这类桩主要有打入的截面厚度不大的工字型和H型钢桩、开口钢管桩和螺旋钻成孔桩等。
（3）挤土桩 在成桩过程中，桩周围的土被挤密或挤开，使桩周围的土受到严重扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质发生很大变化。挤土桩主要有打入或压入的混凝土方桩、预应力管桩、钢管桩和木桩，另外沉管式灌注桩也属于挤土桩等。
6）按桩径大小分类
依据桩径大小及相应的承载性能、使用功能和施工方法的一些区别，并参考世界各国对的分类界限，可分为以下三类。
（1）小直径桩 凡桩基d≥250mm的桩，称为小直径桩。由于桩径小，沉桩的施工机械、施工场地与施工方法都比较简单。小直径桩适用于中型工程和基础加固。例如，用于虎丘塔倾斜加固的树根桩，桩径仅为9mm，为典型小直径桩。
（2）中等直径桩 凡桩径为250mm＜d＜800mm的桩均称为中等直径桩。中等直径具有相当可观的承载力，因此长期以来在世界各国的工业与民用建筑物中大量使用。这类桩的成桩方法和施工工艺种类很多，是最主要的桩型。
（3）大直径桩 凡桩径d≥800mm的桩称为大直径桩。因为桩径大，而且桩端还可扩大，因此单桩承载力高。例如，上海宝钢一号高炉采用的φ914钢管桩，即大直径桩。大直径桩通常用于高层建筑、重型设备基础，并可实现一柱一桩的优良结构形式。
4．桩型选择
桩型与工艺选择应根据建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境、施工经验、制桩材料供应条件等，选择经济合理、安全适用的桩型和成桩工艺。选择时可参考《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）。对于桩型的选择来讲，主要考虑三个因素，即足够的承载能力（结构形式、水文地质条件），方便的桩基施工（场地环境、施工水平、设备运输条件）及合理的经济指标。
（1）一般情况下当土中存在大孤石、废金属以及花岗岩残积层中未风化的石英脉时，预制桩将难以穿越；当土层分布不均匀时，混凝土预制桩的预制长度难掌握；在场地土层分布比较均匀的条件下，采用质量易于保证的预应力高强混凝土管桩比较合理。对于软土地区的桩基，应考虑挤土对桩基的影响，这时宜采用承载力高而桩数较少的桩基，同一结构单元宜避免采用不同类型的桩。
（2）桩的截面尺寸选择应考虑的主要因素是成桩工艺和结构的荷载的情况：从楼层数和荷载的大小来看，10层以下的建筑桩基，可以考虑采用直径为500mm左右的灌注桩和边长为400mm的预制桩；10～20层的可采用直径为800～1 000mm的灌注桩和边长450～500mm的预制桩；20～30层的可用直径为1 000～1 200mm的钻（冲、挖）孔灌注桩和边长或直径等于或大于500mm的预制桩；30～40层的可用直径大于1 200mm的钻（冲、挖）孔灌注桩和直径为500～550mm的预应力混凝土管桩和大直径钢管桩；楼层更多的高层建筑所采用的挖孔灌注桩直径可达5m左右。
（3）桩的设计长度主要取决于桩端持力层的选择；桩端进入坚实土层的深度，应根据地质条件、荷载及施工工艺确定。一般宜为1～3倍桩径（对黏性土、粉土不宜小于2倍桩径；砂类土不宜小于1．5倍桩径；碎石类土不宜小于1倍桩径）。
嵌岩桩或端承桩桩端以下3倍桩径范围内应无软弱夹层、断裂破碎带、洞穴和空隙分布，这对荷载很大（大直径灌注桩）的桩基础尤为重要。主要桩基类型的优缺点见表8－1。
表8－1 主要桩基类型的优缺点
三、任务实施
【例8－1】 桩型选择分析案例。
某项目位于厦门市海沧区，南侧为海沧大道，北侧为已建住宅区，西临滨湖北路，东侧为扬福滨海商住中心。拟建建筑主塔楼为5栋32层、高度为99．9m的住宅楼，设有一层六级人防地下室。上部结构为纯剪力墙结构，基础形式初定为桩基础。根据工程地质勘察报告，可供选择的桩型有以下三种：①冲钻孔灌注桩；②大直径沉管灌注桩；③高强预应力管桩。
1．地质情况
拟建场地位于海沧，原为滩涂地，后经围海填方整平，地面较平坦，地面高程4．58～6．05m。本工程的地质勘探已由中建东北设计研究院完成，根据地质报告，场地土层分布如下。
①素填土：黏性土、中粗砂组成，厚2．80～9．40m，尚未完成自重固结，fak＝80kPa，全场分布。
②淤泥：饱和流塑，全场分布，厚6．90～13．50m，fak＝50kPa。
③黏土：可塑，均匀性一般，全场分布，厚0．60～12．4m，fak＝200kPa。
④淤泥质土：饱和、软塑或流塑，半数钻孔有分布，层厚0．50～6．40m，fak＝75kPa。
⑤－1花岗岩残积土：可塑或硬塑、以黏性土为主，工程性能一般，场地中局部分布，层厚2．0～11．10m，fak＝250kPa。
⑤－2辉绿岩残积土：可塑或硬塑，以黏性土为主，工程性能一般，场地大部分地区有分布，与⑤1交互分布，层厚0．80～11．40m，fak＝250kPa。
⑥－1全风化花岗岩：岩芯呈土状，主要成分为石英、长石及闪长石风化物，为极软岩，岩体基本质量为V级，层厚1．70～7．20m，fak＝350kPa。
⑥－2全风化辉绿岩：主要成分为辉石及长石风化物，为极软岩，系岩脉穿插风化而成，岩体基本质量为V级，层厚0．80～11．40m。
⑦－1砂砾状强风化花岗岩：砂工状结构，主要成分为石英、长石、闪长石及其风化残留物，岩芯呈砂土状，岩体结构破碎，属极软岩或软岩，岩体基本质量为V级，工程性能良好，层厚1．80～9．10m。
⑦－2砂砾状强风化辉绿岩：岩性及组成与⑦－1稍有差别，层厚0．60～12．4m，工程性能良好，与⑦－1类似的力学结构。
⑧－1碎块状强风化花岗岩。
⑧－2碎块状强风化辉绿岩。
⑨－1中风化花岗岩，未钻穿。
⑨－2中风化辉绿岩，未钻穿。
2．地下水
勘察期间为雨季，对场地水位影响较大，场地初见水位埋深为0．20～3．30m，场地混合稳定水位埋深0．60～3．60m，相当于黄海高程1．86～4．85m。地下水位年变化幅度为1．0～2．0m，地质报告建议年最高水位取室外设计地坪下0．5m考虑。
场地地下水对弱（微）透水层中的混凝土结构具弱腐蚀性，在长期浸水条件下，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性，在干湿交替条件下，对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性；对钢结构具中等腐蚀性。
3．地震效应和场地土类别
拟建4＃、5＃楼场地为Ⅲ类，其系均取Ⅱ类。
厦门海沧抗震设防裂度为七度，设计地震组为第一组，设计基本地震加速度值为0．15s，设计特征周期4＃、5＃楼为0．45s，其余为0．35s。
本场地无饱和砂土和黏土分布，不考虑液化问题。
4．基础选型分析
本工程地上32层，建筑高度为99．9m，地下一层为平线结合的地下室。按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），本工程地基基础设计等级为甲级。依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008），桩基础安全等级为一级，桩基重要性系数r0＝1．1。
根据工程地质勘察报告，可供选择的桩型有三种：①冲钻孔灌注桩；②大直径沉管灌注桩；③高强预应力管桩。
究竟采用哪一种桩型，设计单位和业主进行了充分的讨论，业主也邀请了工程界专家进行了论证，最终确定采用桩型为PHC500－125－A型的高强预应力管桩为桩基础型式，施工方法为锤击法。下面就桩基础的选型过程进行了总结。
该桩型的选型综合了设计、施工、检测等各方面专家的意见，主要论证的内容包含以下几个方面：①地下水、土的腐蚀性；②基础承台下部有8～13m的淤泥层；③“挤土效应”；④成桩质量和施工的难易程度；⑤经济性指标。
下面分别从以上五个方面进行论述。
1）地下水、土的腐蚀性
根据地质报告，本工程地下水地砼结构具弱腐蚀性；在长期浸水条件下对钢筋砼结构中的钢筋具弱腐蚀性，在干湿交替条件下，对钢筋砼结构中的钢筋具强腐蚀性；对钢结构具中等腐蚀性。由于地下水对钢筋砼结构中的钢筋具强腐蚀性的范围在干湿交替条件，而桩顶标高为设计标高－7．000m左右，已避开干湿交替条件，进入长期浸水条件。主要问题是长期浸水条件下的防腐蚀问题。设计单位认为在防腐蚀方面，大直径沉管灌注桩和冲钻孔桩均具有优势，而高强预应力管桩为空心成品管桩，施工过程中需要接桩。因地下水在长期浸水条件下对钢结构具中等腐蚀性，若采用钢端板焊接接头的话不利于桩的耐久性，接头处焊缝受地下水腐蚀后，桩身水平承载力受影响。特别是桩身有倾斜的情况下，其竖向承载力也受影响。从这个角度出发，设计单位提出应优先考虑采用大直径沉管灌注桩。如果采用管桩，应考虑如何处理接头问题；考虑如何保证桩的抗压和抗水平力的承载力均不受影响。
2）基础承台底部为8～13m厚的淤泥层
根据地质报告，本工程场地土内全场分布8～13m厚的淤泥层。考虑到淤泥土层为软质土层，上部结构为三十二层的高层建筑，基础承受荷载较大，在地震作用下，要求桩基础具备较好的抗侧刚度。而淤泥土层为软弱土层，对桩基础的约束较差。在这个定义上，采用冲钻孔灌注桩和大直径沉管灌注桩是较佳的选择，而高强预应力管桩本身直径较小，并且系空心管桩，抗侧刚度较差，对抗震是不利的。
3）挤土效应
桩基础布置较为密集时，对施工工艺为挤土类型的挤土桩，往往会产生“挤土效应”，其主要表现是使土体向上隆起并向侧向挤压，对已施工的工程桩产生挤压影响，使桩身发生偏移和倾斜。“挤土效应”严重时，可致工程桩上浮产生“浮桩”。对于本工程来说，主楼若采用挤土类型的“管桩”或“大直径沉管灌注桩”时，必须考虑这方面的因素，尤其是“管桩”，施工时应注意合理安排打桩的顺序，对周边环境和工程桩进行及时监测。而冲钻孔灌注桩为非挤土桩，施工时不会产生“挤土效应”。
4）成桩质量和施工难易程度
高强预应力管桩为预制桩，其施工方法为锤击法或静压法，无论采用哪一种方法，均具备施工安全快速、易于操作的特点，成桩质量较容易保证。特别是“锤击法”施工，即可以保证桩端进入持力层一定深度，又可以减弱挤土效应，其承载能力比静压法施工的管桩要高。
大直径沉管灌注桩也是一种施工方便、工期较短的桩型。但由于桩身砼为现场沉管灌注，桩身质量控制不直观，受场地淤泥土质和较大地下水量的影响，可产生现桩身“缩径”、“露筋”等现象。要求施工队伍经验丰富，管理先进。
对于“冲钻孔灌注桩”，采用泥浆护壁成孔，水下浇灌混凝土，并且要求设计成“嵌岩桩”，桩端嵌岩深度为1m左右。该桩型施工质量难以抗制，主要表现在施工时“塌孔”，桩身“缩径”，桩身混凝土胶接不良，发生“离析”现象，特别是对嵌岩桩，桩底部“沉渣”难以清理干净，往往造成桩在荷载作用下变形较大，单桩承载力不能满足设计要求。该类型桩的成桩质量不容乐观，施工过程中的意外事故较多，要求施工队伍管理先进，施工经验丰富。
5）经济性指标
下面以3＃楼为例，计算分析该三种桩型的经济性指标（见表8－2）。
表8－2 三种桩型的经济指标计算
从以上经济指标的分析来看，采用高强预应力管桩的优势还是较明显的。
5．基础型式确定
综合以上分析数据，经讨论决定，本工程主塔楼之基础型式为锤击预应力管桩，桩型为PHC500－125－A型。不采用大直径沉管灌注桩和冲（钻）孔灌注桩主要原因有以下几点。
（1）目前，厦门地区大直径沉管灌注桩的施工机械较少。据了解，近期厦门仅有的5台大直径沉管灌注桩的施工机械都在会展中心和五缘湾一带进行施工作业，短期内无法在本工程场地进场施工。因此，设计选用大直径沉管灌注桩的条件不具备。
（2）冲（钻）孔灌注桩固然具备单桩承载力高的优点，但考虑到该桩型造价高、工期长、施工难度较大和成桩质量难以控制，特别是对“嵌岩桩”，桩底“沉渣”难以清除干净，直接影响桩的承载能力。而预应力管桩施工机械较多，施工速度快，工期短，造价低，施工质量直观，在三十层左右、100米以下的建筑工程里应用优势明显。当然，预应力管桩受其自身的特点的限制，抵抗水平荷载能力比大直径沉管灌注桩和冲（钻）孔灌注桩差，接桩方法必须考虑地下水腐蚀性的影响，施工时还应注意解决“挤土效应”的影响。采用锤击预应力管桩必须解决这些问题。
针对以上几个因素，设计单位提出如下措施。
（1）接桩方法为钢端头板焊接接桩，桩型为PHC500－125－AB，要求管桩端头板焊缝坡口高度、宽度按照标准尺寸加大1mm；要求采用15m定长的管桩与其他定长的管桩焊接，以保证接头数不超过1个；此外，打桩前应将桩顶用4mm厚、直径360mm的钢板封口。在桩管内采用C35细石混凝土通长由下往上压力灌芯。
（2）管桩采用防腐蚀管桩，而且要求采用带混凝土桩尖的成品管桩（福建省××管桩有限公司生产）。要求管桩混凝土采用铝酸三钙含量不大于5％的普通硅酸盐水泥，并且要求加入钢筋阻锈剂。
（3）采用大厚板群桩桩筏基础，增大基础刚度，提高管桩基础的水平承载力。
（4）施工时应选择合理的打桩路线，在桩布置密集处应由中间向四周施打，先施工较长桩，后施工较短桩。在施工场地内设置“监测桩”，监测是否出现“现象”。另外，还可考虑控制打桩速度，设置减压孔等措施。
（5）另按照专家意见，考虑到地下水在干湿交替条件下对钢筋砼结构中的钢筋具强腐蚀性，设计拟在桩顶1．0m左右范围设置管桩150mm厚的钢筋混凝土护筒，护筒与管桩的接触面应清理干净，刷界面剂。
如果采取以上措施并能够有经验丰富的施工队伍施工，采用锤击预应力管桩应该是一个非常合适的桩基础型式。
四、任务小结
桩可按承载性状、使用功能、桩身材料、成桩方法和工艺、桩径大小等进行分类。
（1）按承台位置高低分为高承台桩和低承台桩。
（2）桩按承载性能分为摩擦桩和端承桩。
（3）按桩身材料分为木桩、钢桩和混凝土桩。
（4）按成桩方法分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩。
（5）按桩径大小分为小直径桩、中等直径桩和大直径桩。
五、拓展练习
1．何为桩基础，桩基础由哪些组成？适用范围如何？
2．桩有哪些分类，常用桩的特点和适用性有哪些？
3．桩基类型选择有哪些因素需考虑？
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