桩基础：原理、类型与性能分析

### 桩基础：原理、类型与性能分析 #### 1. 引言 桩是一种细长的结构元件，用于将来自上部结构的荷载传递到深层土层。与浅基础相比，桩基础在平衡垂直荷载时，通常通过桩身和桩底与土壤相互作用。桩身所能平衡的最大荷载称为桩侧阻力（也常称为表面摩擦力），桩底所能承受的最大荷载称为桩端阻力（也常称为端承力或尖端阻力），桩接收上部结构荷载的顶部称为桩头。 需要采用桩基础的常见情况包括： - 地表附近土层的抗力和/或刚度不足以支撑上部结构施加的压缩荷载。 - 传递到基础的荷载为拉力时，桩基础是常用的解决方案，此时荷载平衡需要调动桩侧阻力。 - 桩头承受水平荷载和/或弯矩时，会产生桩的水平位移，从而使相邻土体产生法向反力，同时在桩身一定长度范围内产生弯矩和剪应力，该长度以及弯矩和剪应力的大小取决于土体和桩的刚度。 此外，由于桩的多功能性，在以下不同条件和目的下，桩也是一种方便的解决方案： 1. 具有足够承载能力的土层位于较深位置。 2. 表层土虽然可能有足够的承载能力，但变形性很大，或者其刚度在不同点之间变化很大。 3. 结构正下方的土层可能因渗流力或液化而发生内部侵蚀或不稳定。 4. 浅层地表土层可能会经历季节性移动（膨胀土）。 5. 待支撑的结构对差异沉降特别敏感。 6. 结构传递异常高的垂直和/或水平荷载。 7. 结构向基础传递拉力或弯矩，导致垂直荷载产生较大偏心。 桩的使用日益增多的另一个原因是，其施工比浅基础的施工涉及更多工业化（机械化）过程，在某些情况下可以减少施工时间和/或成本。尽管打桩工程在过去几十年取得了技术进步，但这种基础的基本概念非常古老。在河谷和岩土特性较差的地区，史前时期就开始使用桩。直到上世纪初，桩通常为木材，直径约30厘米，长度不超过10 - 15米。目前，桩的直径可达3 - 4米，单桩风力涡轮机的桩直径甚至可达6米，长度可超过60米，材料包括钢筋混凝土、预应力混凝土或钢材。 #### 2. 桩基础类型与施工方法 根据安装方法，桩通常分为两类：挤土桩和非挤土桩。挤土桩在施工过程中不清除土壤，需要土体移动以允许桩打入地下；非挤土桩则是先清除土壤形成孔洞，再将桩放入其中，通常由混凝土制成，用于填充钻好的孔洞。 以下是不同类型桩的分类及施工技术描述： | 桩类型 | 材料 | 施工技术描述/注意事项 | | --- | --- | --- | | 挤土桩 | 预制打入桩 - 木材 | 预制元件通过振动或冲击锤等不同技术压入地下。19世纪以前的传统桩，通常长度不超过10 - 15米。 | | 挤土桩 | 预制打入桩 - 钢型材或管材 | 适用于结构施加中等荷载，且需要最小化打桩过程中土体移动和地面振动的情况。 | | 挤土桩 | 预制打入桩 - 预应力混凝土 | 通常为方形截面，用于承受结构施加的较大荷载。混凝土元件进行预应力处理，以避免打桩过程中产生的拉应力波导致开裂。 | | 挤土桩 | 现浇挤土桩 - 钢和钢筋混凝土 | 用振动或冲击锤将密封尖端的管子打入地下，达到所需深度后，将钢筋笼放入管内，然后用混凝土填满。 | | 非挤土桩 | 带永久钢套管的钻孔桩 - 钢和钢筋混凝土 | 将开口钢套管打入所需深度，清除管内土壤，插入钢筋笼，最后用导管将混凝土灌入管内。 | | 非挤土桩 | 靠土浇筑的钻孔桩 - 钢筋混凝土 | 钻孔至所需深度，必要时采用临时稳定技术，如临时钢套管或稳定液。若采用临时钢套管，施工技术与上述类似，不同之处在于混凝土在套管拔出的同时浇筑；若采用稳定液，钻孔时孔内充满稳定泥浆，达到所需深度后插入钢筋笼，从孔底浇筑混凝土替换泥浆。 | | 非挤土桩 | 连续螺旋钻孔桩 - 钢筋混凝土 | 用空心螺旋钻将土钻至所需深度，然后从空心钻中注入混凝土，在旋转的同时平稳拔出螺旋钻以形成桩并清除土壤，混凝土浇筑完成后，将钢筋笼插入新浇筑的混凝土中。 | 挤土桩的安装会使桩周围土体移动，导致桩附近水平应力显著增加，并改变周围土体的强度特性。打桩在处理浅层为软土或松散土的深基础时是一种有吸引力的解决方案，但如果土体较硬，则需要增加打桩能量，这可能会导致地面振动幅度过大，对附近建筑物和设施造成损坏，或引起居民不满，影响敏感设备的正常运行。 非挤土桩通过钻孔并将桩放入孔中施工，一般为现浇桩，通常称为钻孔桩或钻挖孔桩。不同类型的非挤土桩在安装过程中对土体应力状态的改变不同。带永久钢套管的钻孔桩，土体的静止应力状态基本不变或因套管打入而使水平应力略有增加；而靠土浇筑的钻孔桩和连续螺旋钻孔桩，土体静止应力状态可能会有不同程度的降低，具体取决于钻孔稳定技术。 选择最适合特定基础场景的桩类型取决于多个因素，如土壤类型、荷载强度、环境问题（特别是噪音和振动方面）、施工所需的物流链等。以下是不同桩安装技术的优缺点总结： | 桩类型 | 优点 | 缺点 | | --- | --- | --- | | 挤土桩 - 预制打入桩 | 增加土体水平应力，从而增加桩侧阻力；改善桩附近的土体（主要是松散砂土）；无需钻孔稳定；安装速度快，施工人员少。 | 与常规挤土桩相比，桩的横截面减小；打桩产生的振动和噪音可能使其在城市环境、靠近建筑物和其他设施的地方无法使用；如果在现有结构附近打桩，土体移动可能会造成损坏；难以穿过坚硬土层或含有卵石或巨石的土层。 | | 非挤土桩 - 带永久钢套管的钻孔桩 | 适用于穿过非常软的土层；对土体性质的扰动较小；可采用较大的桩横截面；可穿过有障碍物（卵石或巨石）的土层；适用于需要嵌入岩石的情况。 | 钢套管会降低桩侧单位阻力；成本较高；在有承压水的土壤中安装时，桩端阻力可能会受到影响。 | | 非挤土桩 - 靠土浇筑的钻孔桩 | 可采用较大的桩横截面；可达到较大深度；可穿过有障碍物（卵石或巨石）的土层；适用于需要嵌入岩石的情况。 | 施