高层建筑工程施工中桩基础施工技术分析

2023-09-27定震

城市建设理论研究（电子版） 2023年27期

定震

浙江省建工集团有限责任公司浙江杭州 310013

承台与基桩共同构成的深基础结构在建筑工程中被称之为桩基础。现代建筑工程发展过程中，除地上可直观查看的建筑工程结构外，地下基础结构施工技术也不断发展。现代建筑中高层建筑占比不断攀升，在建筑高度不断提升的情况下，其对于地基的要求也越来越高，桩基础是位于地基之上用于传递载荷的重要基础结构，其对于高层建筑建设使用过程中产生的各方向载荷均有较好的载荷承载和载荷传递功能，完善的桩基础工程是保障高层建筑建设使用质量的关键所在。目前高层建筑建设过程中不仅使用低承台桩基础同时也根据实际需求使用高承台桩基础，而桩基础的形式根据基桩形式可分为预制桩和灌注桩，本文主要针对现浇灌注桩进行分析，此类桩基础施工过程中需要进行钻孔成孔、混凝土灌注以及钢筋笼施工等多个施工步骤，每个施工步骤都有较为详尽的施工技术要求，任何步骤出现质量问题都会直接影响桩基础整体承载参数，这对于高层建筑工程整体建设质量亦有重要影响。不同建筑企业钻孔灌注桩的施工流程基本一致，根据施工流程深入分析各步骤施工技术有利于提升高层建筑桩基础整体施工质量，这是推动我国高层建筑工程建设施工技术发展的重要前提。

1 桩基础施工对高层建筑工程整体质量的影响

桩基础施工质量对高层建筑工程整体质量有至关重要的影响，不同区域地质情况差异较大，而且相同区域不同土层的承载能力也不相同。高层建筑随着层数和高度的增加其竖直载荷也不断增大，而且高层建筑重心相对较高，其受风力或其他外力作用影响下会产生较大的倾覆力矩，因此对于高层建筑而言其基础需要具备承受不同方向较大动静载荷的能力，这就对桩基础提出了较高要求。从当前高层建筑桩基础设计施工情况来看，更为科学的桩基础形式和更为精湛的桩基础施工技术都能使高层建筑具有更为稳定和坚实的基础结构，此部分工程直接影响着高层建筑的底层结构强度和抗震能力，而这正是高层建筑两项关键的质量指标，优秀的桩基础工程不仅能提升高层建筑的抗震性能，而且也能承载更大的风载荷，这是进一步提升建筑高度的重要前提[1]。从一些既往桩基础施工质量问题中可以发现，桩基础施工质量问题是较为典型的建筑工程质量安全隐患，这部分质量问题将给高层建筑工程带来致命性风险。现阶段高层建筑普遍选择灌注桩作为桩基础，其具有承载能力强、适应性好以及成本相对较低等优点，而且在施工过程中不会造成挤土或震动等不利问题。针对不同承载力要求的桩基础，灌注桩可以通过增加配筋、增加基桩直径等相对简单的方式实现。灌注桩施工分为多个步骤，每一步骤均对桩基础整体质量有直接影响。

2 高层建筑桩基础特点

由于高层建筑会产生较大的竖直载荷，因此高层建筑桩基础具有较高的竖向承载力，单基桩本身就具有较强的竖直承载力，而多个基装共同形成的群桩更是具有极大的竖直方向承载能力，其能够满足高层建筑的高竖直方向承载力需求。另外从高度角度看，高层建筑桩基础普遍具有高刚度、高摩擦力特点，这是因为高层建筑对桩基础抗沉降能力有较高要求，由于竖直方向载荷较大，而且容易受各种外力影响产生不同方向的载荷应力，因此高层建筑桩基础必须具备抗不均匀沉降的能力[2]。此外，高层建筑桩基础还必须有较强的抗倾覆能力，为实现这一目标，桩基础通过良好的设计和精准的施工作业使各桩基均具备较强的侧向刚度。桩基础在承受来自建筑上部载荷时会通过基装将载荷传递至承台，而承台又可以将载荷传递至与之直接接触的、具有较强承载力的地基土层，因此桩基本身会穿过承载力不足的土层并通过与承台相连进行载荷释放，这样桩基础就实现了将建筑上部载荷妥善传递至高承载力土层的目的[3]。

3 高层建筑桩基础施工技术分析

3.1 初期勘察

完善的周边环境勘察是桩基础施工的必要前提，不同施工区域的地质环境各不相同，在施工过程中还受包括气候因素、既有建筑因素等其他因素影响，因此必须在施工前开展全面且精确的初期勘察工作。首先要明确施工区域的地形地貌情况，同时结合工期分析施工阶段区域的气候条件。其次要采集施工区域既有的地质勘察信息，根据基桩设计参数明确该深度下此区域的岩土地质情况，为保障相关信息准确，还要根据既有信息和桩基础施工需求，开展相应的现场地质勘查工作，不仅要了解岩土层类型，还要对地下水情况进行分析，应根据实际勘查结果明确岩土层类型，根据饱和单轴抗压强度判定施工区域岩土层是硬质岩还是软质岩，同时还要根据风化系数、波速比等分化指标判断岩土层的风化程度[4]。在完善一系列地质勘察工作后明确既定土层的承载力情况。最后，还要针对施工区域既有工程进行勘察分析，包括受桩基础施工影响的既有地面建筑工程以及地下管线工程等。

3.2 基桩要求

目前桩基础主要包括灌注桩和预制桩两类，预制装虽然具有操作便捷，施工工期短等优势，但其对施工区域地址要求相对较高，而且其抗剪能力相对较弱，而灌注桩则具有地质适应性强、单桩承载力相对较大的优势，因此灌注桩更符合高层建筑桩基础需求[5]。灌注桩施工过程中埋设护筒、钻孔成孔、清孔、凝土灌注等施工步骤均有严格的施工技术要求，不仅要结合基桩设计参数制备符合要求的泥浆，在钻孔过程中实施泥浆护壁，而且也要在钻孔过程中严格把控垂直参数。在完成护筒埋设工作后工作人员需将钻机移动至钻孔位置，在实际钻孔前要再次进行参数测量，确保钻机钻头与施工水平面垂直。钻孔作业必须保证精度，在实施泥浆护壁的过程中渣浆分离和泥浆循环要与钻孔作业同步进行。应根据施工区域图层情况选择对应的钻头，如属于风化岩或碎石土土层应使用冲击钻，而如果属于较为松软的填土层或淤泥土层则应选择回转钻。总体来讲，桩基施工必须严格遵守相应的施工标准，应尽量排除外部因素对不同施工作业的影响。

3.3 灌注桩泥浆制备使用

钻孔是灌注桩重要的施工步骤，而钻孔过程中需要进行泥浆护壁，在该过程中使用的泥浆能够在钻机钻孔过程中，在孔壁形成保护层防止孔洞坍塌。通常来讲，灌注桩泥浆主要由膨润土、碳酸钠、水、CMC以及某些外加剂配置而成，以某灌注桩泥浆支配工作为例，该泥浆水、碳酸钠、CMC、膨润土比例为700:3.5:0.27:100，按照该比例少量适配检查后，明确该泥浆符合护壁需求，而后搅拌桶内加水至1/3并启动搅拌桶，将膨润土、碳酸钠倒入搅拌桶内，根据比例继续通过水箱向搅拌桶内加水，持续搅拌2～3min后投入定量的CMC，填料完毕后，继续搅拌1～2min并将制备好的泥浆转移至待用池中静置膨化，静置等待时间为24h，使用前对浆液膨化度进行检查，膨化度达标即可投用。在使用不同钻头钻孔时泥浆护壁的泥浆需求不同，空心钻头钻孔时，应保障泥浆比重在1.2左右，而实心钻头钻孔时则要根据土层类型控制泥浆比重，如为松软土质则将该参数控制在1.3以内，如为岩石层则孔底泥浆比重应控制在1.2以内。对于高层建筑桩基础钻孔护壁而言，在实施泥浆护壁时所使用的泥浆含沙率应控制在4%以内。泥浆主要通过泵送的形式进入孔内，施工过程中要分设新浆池和泥浆循环池，注意在清孔过程中做好渣浆分离和泥浆循环利用工作，泥浆循环池中，应设置沉淀池和循环净化系统，在排渣后重新进入循环体系。注意在泥浆循环过程中要动态清除沟槽沉淀物，防止堵孔，要确保泥浆循环供给通畅。

3.4 钻孔清孔

在钻孔前要对钻机进行全面检查，保障其各项功能正常。在完成钻孔定位工作后，将钻机移动至钻孔位置，检查钻机底座是否稳固，对钻头、桩位中心点以及钻机钻架进行测量，保证其处于同一垂线上（见图1），可根据实际情况选择不同的测量方法并保障其偏差量在3cm以内。测试泥浆供应系统，确保其能够正常供浆和循环过滤。在钻孔过程中，首先采取正循环缓钻形式向下钻进，达到预定钻进深度后采取减压反循环钻进法继续向下钻进，过程中应动态监测钻压，保障钻进压力不超过整套钻具质量的75%。原则上钻孔工作应连续进行，一般情况下不能中途暂停，如必须停钻应按步骤逐渐调低钻机转速，缓慢提升钻头（约2m），防止钻头被埋。不论是暂停钻孔还是完成钻孔停钻，都需在钻头离开孔底后再停止供风，最大限度避免出渣口堵塞。在钻孔过程中要注意观察孔壁情况，护壁泥浆应始终在地下水位线以上。钻孔工作必须在平稳安全的环境下进行，要确保钻孔工作不受外部因素影响。一旦出现偏孔、卡钻等问题要按照正确的暂停程序停止钻孔并立即安排工作人员查明原因排除故障。按照建筑工程桩基础钻孔成孔标准，孔中心位置偏差量应控制在±100mm以内，倾斜度应小于1%，孔径和孔深均应高于设计参数，而底层沉淀则应在450mm以内。为保障孔底满足后续钢筋笼吊装和混凝土灌注要求，必须在成功后进行1次清孔作业，可以根据实际情况选择抽浆或换浆清孔法，也可以选择孔底掏渣清孔法。完成清空作业后，要对孔深、孔位及孔底情况进行检查，目前比较常用的方法为探笼检查，下放探笼后明确终孔参数（见图2），在达到施工标准后完成钻孔作业。

图1 钻机钻架必须与水平面垂直

图2 探笼检孔是比较常用的检孔方法

3.5 钢筋笼施工及混凝土灌注

钢筋笼施工包括钢筋笼制作和钢筋笼安装两部分，其中钢筋笼制作应在标准化钢筋加工车间或符合现场钢筋加工制作标准的施工区域完成。钢筋笼安装首先要完成钢筋笼的组合连接，通常钢筋笼采取节段加工方法，每一节段长度约在10m左右。在焊接连接过程中应对主筋和加强筋进行焊接，二者必须垂直且外层应配置加强圈，根据受力情况，加强圈外部也应通过焊接形式形成加强筋。钢筋笼节段连接包括焊接连接和套筒连接，焊接连接主要采取电弧焊的形式，而套筒连接则要注意确保套筒扭紧，在连接过程中要检查各部位套筒是否符合设计要求。钢筋笼主筋连接过程中要确保连接重合长度在98cm以上，机械连接后要对不同阶段进行检查，保障钢筋笼变形量在标准范围以内。在各部位进行焊接前，优先进行试焊，保障焊接方法满足焊接要求后，方可实际进行焊接。下放钢筋笼时要注意根据设计要求在规定位置布设垫块。钢筋笼吊放到位后应进行固定，防止其在灌注前位移或在灌注过程中上浮。采用导管法进行混凝土灌注时要注意保障导管的密闭性，实际灌注前要进行检查，确保导管无泄漏问题。混凝土要在使用前进行坍落度检测，保障混凝土符合施工要求。各孔进行混凝土灌注时要在孔内水面上设置隔水栓，避免混凝土出现骨料分离的情况。在灌注过程中导管插入混凝土中的深度应在1～4m之间，在提升管时要注意垂直提升，避免导管对孔壁产生影响。混凝土最终灌注高度应略高于基桩，超出长度应控制在2～3m之间。彻底拔出导管后做好空孔回填并完成整个施工工作。