静钻根植桩设计应用中若干问题探讨

张会

静钻根植桩设计应用中若干问题探讨

张会

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

基于静钻根植桩的特点，探讨了此先进桩基技术的设计选型和设计配桩方法，地方规程与国家标准一致性问题，研究了计算过程中单桩承载力计算公式及计算参数的选用，对如何合理确定单桩承载力等设计问题提出建议，说明此桩型具有单桩承载力高，适用深度大，桩身受力合理，质量可靠的优点，并就静钻根植桩推广应用问题进行探讨。

静钻根植桩；配桩；单桩承载力；推广

1　概述

随着我国工程建设领域快速发展，桩基础工程大量运用，新材料、新工艺、新技术的不断涌现，桩基技术也在不断改进和提高，使用较少混凝土方量、造价低、承载力高、沉降变形小、地基稳定性强的新型桩基技术成为岩土工程界迫切需要解决的问题之一［1］。静钻根植桩技术已在我国浙江、上海地区率先采用，是一种采用埋入法施工预应力预制管桩的技术，施工按照钻孔、桩端扩孔、注入水泥浆、提钻、植桩等步骤，制成由预制桩身、桩端水泥浆和土体共同承担荷载的桩基础，详见图1。静钻根植桩施工具有施工工期短、无沉渣、塌孔和缩颈现象，对地质复杂土层适应性好，无挤土效应，泥浆排放少，噪音振动小，环境影响小等优点。开创了预制桩扩底的先河，并通过注入水泥浆与土体形成整体，制成由预制桩身、桩端水泥浆和土体共同承担荷载的桩基础。静钻根植桩继承了预应力管桩和钢筋混凝土灌注桩的优点，摒弃了它们的缺点，从而达到桩基础工程质量提高，施工工期缩短，工程成本节约的效果。与预应力管桩相比，静钻根植桩具有单桩抗压、抗拔和抗水平承载力均较高，对周边地下设施无影响，适应桩端持力层变化大的地质条件，桩长可控，无需截桩，无损伤桩身等技术优势。与钻孔灌注桩相比，静钻根植桩具有桩身质量可控，混凝土强度高，节省材料，工程造价低，施工无沉渣、塌孔和缩颈现象，施工速度快，环境污染小等技术优势，如图1所示。随着这一新型桩基技术的普及，相关规范的配套和计算参数的完善，将会推广到全国更多地区，取得良好的社会效益和经济效益。但是从全国范围来看，静钻根植桩技术并未得以大面积普及和推广，本文将探讨此桩型在设计应用中存在的主要问题及对应措施。

图1　静钻根植桩施工方法示意图

2　静压根植桩推广应用中存在问题

静钻根植桩在浙江及上海地区已广泛应用，浙江省已发行两本建筑标准设计结构标准图集：《复合配筋先张法预应力混凝土管桩》［2］，《静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩》［3］；上海市已发行一本技术规程和两本建筑产品推荐性应用图集：《ZC静钻根植桩应用技术规程》［4］，《ZC复合配筋先张法预应力混凝土管桩》［5］，《ZC静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩》［6］。对于国内其它地区来说，相对应的桩基规范和配套图集的缺失是目前最主要的问题。现阶段并无与静钻根植桩相对应的国标规范、规程和标准图集，而现有的《建筑桩基设计规范》、《建筑地基基础设计规范》和《岩土工程勘察规范》并未针对静钻根植桩施工工法提供准确的桩基计算参数，导致设计计算单桩承载力准确度不高，从而只能过多地依赖于现场桩基检测数据。而建筑工程设计初期最主要的地质勘察报告推荐桩基础的桩型一般是钻孔灌注桩或者预应力管桩，并无针对静钻根植桩工法的相关桩基侧阻、端阻计算参数，导致设计单位无法预估静钻根植桩单桩承载力，从而在设计源头就放弃了此桩型。

除了以上主要问题以外，还有一些配套问题需要逐步解决：

1）随着国家对环境保护、节能减排的日益重视及相关制度的落实，对先进技术的政策扶持和帮助，将有效推动新型技术推广和普及；

2）随着静钻根植桩市场的普及和生产的规模的扩大，产品成本的降低，进一步提升产品的性价比（现阶段静钻根植桩工程造价比钻孔灌注桩工程造价低10%左右）和市场占有率；

3）加大新型桩基产品优秀性能的宣传力度，加大已建成工程的节能减排效果的宣传力度，让工程建设各环节相关单位和部门如工程建设管理部门、质监部门、设计单位、施工单位、业主能够了解并掌握相关知识，主动推动新型桩基技术的工程应用。

3　静钻根植桩设计规范对比及设计配桩

由刘汉龙教授、丁选明博士研制的现浇混凝土大直径管桩，代号PCC桩，桩长25m以内，主要用于复合地基的处理，已在我国江苏、浙江、上海、湖南、天津和河北等省市和地区推广应用，并有配套国家行业标准《现浇混凝土大直径管桩复合地基技术规程》，编号JGJ/T213-2010。

相对于现浇混凝土大直径管桩技术的普及，静钻根植桩相关规范及规程、标准图的配套完善有所滞后。除了上述浙江省已发行的两本标准图集和上海市已发行一本技术规程和两本建筑产品推荐性应用图集外，全国其它地区鲜有相关配套规程和标准图。

根据上海市《ZC静钻根植桩应用技术规程》，对静钻根植桩的设计、施工和验收进行了相关规定，设计方面主要包括了静钻根植桩一般规定，抗压、抗拔承载力计算以及构造要求等，并明确了适用范围：

1）抗震设防烈度小于等于7度地区的乙、丙、丁类建筑物承受竖向抗压、抗拔及水平荷载的低承台桩基础，铁路、公路、港口、水利、市政等工程在技术条件相同时也可适用。

2）粘性土、粉土、砂土、填土以及地质情况复杂、夹层多、软硬变化及桩端持力层层顶标高变化较大的土层。

3）需控制挤土效应的建筑场地。需要注意上海市《ZC静钻根植桩应用技术规程》以下内容与现行《建筑桩基技术规范》［7］的不同之处：

（1）静钻根植桩的中心距不应小于3D2（D2为钻孔直径）。《建筑桩基技术规范》规定的桩中心距不小于3d（d为圆桩设计直径），且与钻孔扩大端直径D也相关。（2）用作摩擦型桩时，桩的长径比不宜大于120；用作端承型桩时，桩的长径比不宜大于100。《建筑桩基技术规范》和《建筑地基基础设计规范》均取消了长细比限制。长细比限值主要是保证桩身不出现压屈失稳，以及考虑施工条件的要求，对于端承桩因有较坚硬、不变形的持力层，在桩顶竖向荷载作用下，桩身若过于细长，可能会像压杆一样出现失稳破坏。而对于摩擦型桩，桩身应力向下衰减，且桩会随着荷载加大而产生沉降，一般不会产生压屈失稳。根据我国的实际情况，迄今为止尚未发现质量正常的低承台桩在使用过程中出现压屈失稳的例子，所以两本规范不再提长细比的要求了。一些设计者在工程设计中仍以长细比来控制桩长或桩径，造成工程桩的不必要的浪费。而国家建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》［8］中第7.2.6条，管桩用作摩擦型桩时，其长径比不宜大于100；管桩用作端承型桩时，其长径比不宜大于80，也与上海规程要求不同。（3）计算值的不同，以下仅以单桩竖向承载力计算为例进行说明：上海规程第5.2.5条中，单桩竖向承载力设计值的确定应符合下列规定：单桩竖向承载力设计值须通过静载荷载试验按下式确定：Rd=Rk/rR，式中Rk是单桩竖向极限承载力标准值，可取单桩极限承载力试验统计值Rkt，按上海市工程建设规范《地基基础设计规范》中相关内容确定；rR是单桩竖向承载力分项系数，可取1.9。《建筑桩基技术规范》第5.2.2条规定的单桩竖向承载力特征值Ra按下式确定，R=Qvk/k式中QVK是单桩竖向极限承载力标准值，K是安全系数，取K=2。从以上计算公式可以得出结论，按上海规程计算的单桩竖向承载力设计值要大于按《建筑桩基技术规范》计算的值。（4）构造要求中静钻根植桩扩底直径不大于钻孔直径的1.6倍，《建筑桩基技术规范》中对于预应力管桩并无扩底的可能。其余不同之处不再赘述。

静钻根植桩桩身混凝土强度等级高，一般为C80及以上，桩身直径范围300mm～1200mm，最大施工深度可达80m，扩底直径最大可达钻孔直径的1.6倍，通过注入桩端和桩侧内外水泥浆，提高桩基承载力，同时水泥浆与土体形成整体，有效控制桩基沉降及场地不均匀沉降。静钻根植桩有两种桩型：（1）复合配筋先张法预应力混凝土管桩，代号PRHC；较国家建筑标准设计图集10G409预应力混凝土管桩（PHC）增加了非预应力钢筋，且施工中管桩内外均增加水泥土包裹，提高了桩身抗弯、抗剪及抗拉性能，设计中复合配筋管桩主要设置在桩基工程的中、上部，可以用于承担竖向受压、受拉荷载和水平侧向荷载。（2）静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩，代号PHDC，采用竹节状外径，提高了桩与周边混凝土的咬合力，设计中竹节桩主要设置在桩基工程的端部，与桩端扩大头相结合，主要用于承担竖向受压荷载。此两种桩型均可与预应力混凝土管桩（PHC）配套使用。预应力混凝土管桩因为不适合承担水平侧向荷载，设计中预应力混凝土管桩考虑设置在桩基工程的中部，主要用于承担竖向受压荷载。静钻根植桩设计配桩示意如图2所示。

图2　静钻根植桩配桩示意图

4　静钻根植桩按规范计算示例

4.1国标相关规定

根据《建筑基桩检测技术规范》［9］第3.1.2条，设计有要求或有下列情况之一时，施工前应进行试验桩检测并确定单桩极限承载力：

1）设计等级为甲级的桩基；

2）无相关试桩资料可参考的设计等级为乙级的桩基；

3）地基条件复杂、基桩施工质量可靠性低；

4）本地区采用的新桩型或采用新工艺成桩的桩基。

对于没有对应静钻根植桩规范及标准图集的全国其他地区，只能依据《建筑桩基技术规范》来参考选用，并利用桩基检测数据来匹配计算结果。根据规范5.3.1条要求：设计采用的单桩竖向极限承载力标准值应符合下列规定：

1）设计等级为甲级的建筑桩基，应通过单桩静载试验确定；

2）设计等级为乙级的建筑桩基，当地质条件简单时，可参照地质条件相同的试桩资料，结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定；其余均应通过单桩静载试验确定；

3）设计等级为丙级的建筑桩基，可根据原位测试和经验参数确定。

按照规范5.3.1条采用经验参数法，根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按（1）式估算：

静钻根植桩计算较其它类型桩不同，就是其采用几种不同类型桩基组合，式中u值为各类型桩身周长，对于竹节桩按节外径计算周长，其他类型桩按桩外径计算周长，上叙计算公式相应调整为：

（2）式明确了对应于不同的桩型，不同的土层，分别计算单桩极限侧阻力标准值。

式中：qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，建议按混凝土预制桩极限侧阻力标准值取值；Qpk为极限端阻力标准值，建议按混凝土预制桩极限端阻力标准值的二分之一取值。

以上两个参数qsik和Qpk若按照干作业钻孔桩取值，则计算结果QUk更小，更加保守。因为地质勘察报告中给出的两个参数qsik和Qpk值是针对预制管桩和钻孔灌注桩的，并无针对静钻根植桩的参数取值，所以只能采用以上方式取值。Ap建议取值为桩端扩底部分的投影面积。

根据相关试验研究资料，在宁波、温州数十根静钻根植桩抗压静载试验，极限承载力试验值均较采用上述公式计算值偏大，偏大范围在2%～22%之间，可见采用上述公式计算是偏于安全的。

4.2计算案例

上海S26公路东延伸（G15-G1501）新建工程为全程高架桥梁，桥梁下为双向地面道路，如图3所示，线路全长约10.6km。采用静钻根植桩基础，试桩S1直径0.8m，桩长62m，配桩方式详如图4所示。

本项目静钻根植桩试验桩由上海中测行工程

检测咨询有限公司进行检测，试桩S1竖向抗压承载力极限值为11600kN，检测结果详如图5所示，见表1。

图3　工程效果图

图4　试桩S1配桩示意图

图5　试桩S1单桩竖向静载试验结果

表1　试桩S1单桩竖向静载试验汇总表

从图表可知，S1桩的Q-s曲线为缓变型，无明显转折点，当加载到11600kN后，达到其最大沉降量，因此其竖向抗压极限承载力可取为11600kN。采用《建筑桩基技术规范》的公式来计算试桩S1竖向抗压承载力极限值，计算过程及结果详见表2。

表2　试桩S1单桩竖向抗压承力极限值计算表

从表2计算可见，S1桩侧摩擦力8399kN，桩端承载力1884kN，合计单桩竖向抗压极限承载力计算值为8399+1884=10283kN。桩基试验结果与桩基计算结果相比较：单桩竖向抗压极限承载力的试验值较采用上述公式计算值偏大，偏大值为11600-10283=1317kN，偏大范围为1317/10283=12.8%，可见采用上述公式计算静钻根植桩单桩竖向抗压极限承载力是可行的，也是偏于安全的。

5　静钻根植桩推广应用的建议

静钻根植桩技术的出现，推动了我国桩基技术的进步，但是在全国范围的推广和应用中存在诸多问题，包括规范滞后的问题、地勘资料配套的问题、设计计算的准确度问题等等，只有通过规范配套完善，更多工程的设计、应用和检验，才能得到来自工程建设领域的各部门单位的认可和接受。我国桩基行业市场巨大，近年来一直处于较快的增长，桩基技术也在不断进步中，桩基发展向着高承载、低污染、节能减排方向发展。静钻根植桩工法获得二十多项国家专利，也获得中国建材联合会科技进步二等奖、全国建材行业技术革新奖一等奖等荣誉，填补了国内空白，达到国际领先水平。在浙江和上海地区的率先应用，也为我国的桩基事业不断开拓创新，积累工程经验。对于这一先进桩基技术的推广，建议能够从国家标准上明确静钻根植桩设计计算参数、完备地质勘察、桩基

检测数据，做到设计、施工、检测均有章可循，加大新型桩基技术的宣贯和普及，同时也逐步满足建筑工程高标准的环保、节能降耗要求。

［1］ 刘汉龙，丁选明.现浇钢筋混凝土大直径管桩复合地基设计与施工［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［2］ 浙江大学建筑设计研究院.2012浙G36复合配筋先张法预应力混凝土管桩［S］.浙江：浙江工商大学出版社，2012.

［3］ 浙江大学建筑设计研究院.2012浙G37静钻根植先张法预应力混凝土竹节桩［S］.浙江：浙江工商大学出版社，2012.

［4］ 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司、上海申标建筑设计有限公司.DBJ/CT179-2013ZC静钻根植桩应用技术规程［S］.上海市建筑建材业市场管理总站备案，2013.

［5］ 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司、上海申标建筑设计有限公司.2013沪G/T-504ZC复合配筋先张法预应力混凝土管桩［S］.上海市建筑建材业市场管理总站备案，2013.

［6］ 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司、上海申标建筑设计有限公司.2013沪G/T-505ZC静钻根植先张法预应力混凝土管桩［S］.上海市建筑建材业市场管理总站备案，2013.

［7］ 中国建筑科学研究院.JGJ94-2008建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［8］ 中国建筑科学研究院.10G409预应力混凝土管桩［S］.北京：中国计划出版社，2010.

［9］ 中国建筑科学研究会.JGJ106-2014建筑基桩检测技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

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