高层建筑桩基础设计中的几个问题

桩基技术的发展不断产生新的桩型，为高层建筑桩基础设计开辟了广阔的空间，使设计人员能够选择技术性能更优良、经济效益更高的桩。.

高层建筑桩基础设计中的几个问题

1.桩的选择原则
（1）地质条件

这通常是首先要考虑的因素，也是一个相对复杂的问题。一般规则有两点：
第一：所选用的桩型必须是在特定地质条件下最经济、最有效，适合上部结构的要求（承载和沉降），即先进的；;

第二：所选桩型在地质、环境条件下可施工，即可行性。.

例如：当基岩或固体碎石层不太深时，首先考虑支护桩，为充分利用桩头（持力层）的承载潜力，必须选择直径大、强度高、质量可靠（特别是桩基、柱），并能清理孔底、卡入岩石的桩。.

如果施工荷载不太大或不集中（柱距较小），也可以利用沉积层作为承重层，从中选取较小直径的桩。.

当岩石基础很深时（例如超过100m），可以只考虑采用摩擦桩，但需要使桩在具有足够特性和厚度的持力层（中密砂层或固体粘土）上得到良好的支撑，以确保高层建筑不会下沉过多。.

此时，桩型可供选择的种类相当多，而且桩基础的承重层并非只有一种土层。选择桩型时，必须注意以下问题：

当桩必须穿透相当厚度的砂层时，需判断打入桩的穿透能力或深孔时挡土墙的有效性，并考虑钻孔灌注桩的施工能力或打入桩身的穿透能力及强度；若良好持力层厚度足够而又不太深（中密砂层或硬塑性黏土），则可考虑采用短桩或扩底桩。.

（2）结构特点
选择桩的类型时，必须仔细考虑结构形式、底层柱距（宽阔空间）、楼层高低关系以及高层建筑的刚度和荷载。.

例如，深圳东风汽车大厦的主楼有一层地下室和17层地上楼层，采用现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构；三层高的附属楼也采用现浇钢筋混凝土框架结构。主楼和附属楼之间没有沉降缝或伸缩缝。.

鉴于这两部分房屋的高度和荷载明显不同，同时地质条件又相对较好，因此选择了两种不同的桩型：

主屋框架柱及剪力墙下方剪力集中，选用大直径钻孔灌注桩承受集中荷载（f1400mm和f2200mm），桩端插入弱风化基底岩层800mm，满足主屋的承载和沉降要求；对于荷载较轻的围护房屋，则选用价格低廉的沉降桩（f480mm）在柱下形成小型群桩基础，虽然为摩擦桩，但桩端位于夹有黏土的砂砾石层中，下方无软弱层，沉降也很小。.

这样的处理使得高层建筑与低层建筑的沉降差异很小，实践证明，本工程所选用的桩型经济合理。.

（3）施工工艺及环境条件
任何类型的桩，都需要专门的机械施工设备和一定的施工工艺流程才能够实施。.

因此，在确定的地质和环境条件下，选择桩型一方面需要考虑是否利用了现有的设备和技术能力来达到桩径和桩深的目标，另一方面场地的环境条件是否允许施工技术顺利进行，这些问题都必须经过仔细的计算，否则选择的桩型就无法成为现实，也不合理。.

例如在上海地区，对于长度超过50m的预制钢筋混凝土桩，由于桩打入地下时阻力较大，必须加大锤的冲击力，这将导致锤击时产生的拉应力超过混凝土的强度，所以必须使用预应力桩，否则就需要改用其他类型的桩。.

再如：在施工现场周围，如果靠近街道或其他施工现场，路面下交织着许多管道，打桩振动较大，填土、噪声影响较大，通常不允许实施，只能采用不填土、不振动、噪声小的滤料类型。.

（4）技术经济效益
桩型的最终选择也需要对设计进行全面的技术经济分析。如果只看桩的承载力或单桩的造价而忽略了整个工程的总体经济效益，或者只考虑施工速度而忽略了环境影响和社会效益，就无法选择真正合适的桩型。.

2. 桩/桩基的构造与计算
这里仅提及高层建筑中桩及桩基础的具体问题，一般问题按相应的桩设计和施工标准的规定处理。.

（1）桩的布置
通常情况下，打入式桩（施工过程中压实土体）的间距为3-4d（d为桩径），非打入式桩的间距为2-3d，开口桩的间距为1.5-2D（D为开口直径）。当桩与土共同承受荷载时，则需要采用不同的计算方法。.

桩的布置必须使群桩的重心与组合荷载的冲击点相匹配。桩的布置形式，柱下多为对称多边形，墙下为一排桩；筏板或箱体下，必须沿柱网、肋梁或隔墙的中心线布置。.

（2）预制钢筋混凝土桩
a) 放置桩钢筋
a1) 钢筋密度:锤击桩不小于0.8%,压制桩不小于0.5%,桩身较小且较长的压制桩不宜小于0.8%。.

在下列情况下，必须将钢材密度提高到1%-2%：
– 桩尖必须穿透一定厚度的坚实土层；;
– 桩的长径比（L/D）大于 60；;
– 堆积物密集地分布在大片区域。

当L/D大于或等于80时，单桩承载力很大，而基础下的桩数很少或桩只有1排，则必须增加钢筋密度。
a2) 钢筋直径及数量
纵向钢筋直径不宜小于14mm，当桩宽或直径大于350mm时，钢筋根数不宜少于8根。.

a3) 下列情况应设置附加钢筋:
– 当使用 1-2 根桩或单排桩时，如果存在偏心荷载，则必须在桩身顶部放置额外的钢筋。.
– 当桩身仅按起桩应力放筋时，需增加吊车吊钩区域的放筋量。.

b) 桩身混凝土
桩身混凝土强度不低于C30。纵筋保护层厚度不小于30mm。.

c) 桩接头
桩连接器的数量不宜超过两个。当浅层有困难土层时
当厚度超过3m时，连接器必须布置在土层以下。.

在预计桩子容易穿透地面的地方可以使用胶接接头。.
当设计荷载较大，桩体较小而较长，且必须穿透一定厚度的坚硬土层时；在地震地区或桩体较多集中的地方，必须采用焊接方法。.

3.钻孔桩
钻孔桩的类型：常用的钻孔桩类型直径 D = 600~1500mm，深度为 35 – 60m 或更大。.

钻孔桩的结构要求
高层建筑可采用钻孔灌注桩、打入桩、套管桩和开挖桩。钻孔灌注桩的直径、长度、间距、混凝土强度等必须满足以下要求：

a.钻孔桩的直径和长度通常必须适合施工荷载和地面条件的要求；;
b.钻孔桩桩间距布置范围为2.5～3.5d；;
c.桩身混凝土强度不低于C15。.
水下浇筑混凝土时不得低于C20。.

d. 混凝土管作为抱墙人工挖孔时，混凝土强度等级不得低于C15。计算单桩承载力时，不考虑混凝土管抱墙作用，仅取内径d作为桩的计算直径。.

e. 钻孔灌注桩钢筋的布置必须经计算确定，并应符合下列要求：
– 轴向受压桩中钢筋的密度不应小于（0.2～0.4）%，纵向钢筋的直径不应小于10mm，桩中的纵向钢筋必须沿桩身的整个长度连续布置，并且必须沿桩的圆周均匀分布。.

– 受侧向力作用的桩，其桩身内力可采用“m”法计算。纵向钢筋长度为4.0/a。当桩长小于4.0/a时，钢筋应沿桩身全长布置。公式中，a为桩身变形系数。纵向钢筋与桩身钢筋之比不应小于(0.4～0.65)%。.

对于设计用于承受上拔力的桩，必须进行计算，以便在桩身的整个长度或部分长度上布置受拉钢筋。纵向钢筋必须均匀分布在桩的周边。纵向钢筋的焊接接头必须满足受拉接头的要求。.

箍筋直径可为 6～10 mm，间距为 200～300 mm。应采用螺旋箍筋或圆形箍筋。对于承受侧向荷载的桩，桩顶处的箍筋必须适当加厚。当纵向钢筋长度超过 4 m 时，应每隔 2 m 布置一根焊接钢筋。.

– 保护纵向钢筋的混凝土保护层厚度不得小于 30 毫米；水下浇筑混凝土时，保护钢筋的混凝土保护层厚度不得小于 50 毫米。.

4.桩基础
（1）车站结构
单桩基础、筏板基础、相贯梁基础的基底及箱形基础的底板必须按下列要求与桩设置连接结构：

a. 车站基本尺寸：
– 边界柱中心到基础边缘的距离不应小于柱的直径、桩的直径或平均边长，桩到基础边缘的距离不应小于 150 毫米。

双排或单排桩帽底板的宽度不应小于桩直径或边长的两倍，也不应小于 600 毫米，桩边缘到桩帽边缘的距离不应小于 150 毫米。.

桩基础的厚度必须根据上部结构的要求和程度来确定。
该厚度从垫层表面向上不得小于300mm，当平台为圆锥形时，
基座边缘不得小于300mm。.

b. 基础混凝土和钢筋浇筑要求：
混凝土强度等级不应低于C15；梁内纵向钢筋直径不应小于12mm，竖向钢筋直径不应小于10mm，箍筋直径不应小于8mm。.

板状基础宜采用较小直径的承重钢筋，但不小于10mm，间距不宜大于200mm，也不宜小于100mm，基础底部的承重钢筋应在桩头按设计配筋刨平后直接放置在桩头上。.

c. 桩与基础或箱形基础底板的连接要求：
桩头嵌入承台或箱形基础底板的长度不宜小于50mm，桩身纵筋插入承台或箱形基础底板的长度按受拉时的锚固长度取。.

d.钢筋混凝土基础保护混凝土层厚度：
钢筋混凝土平台保护层厚度不小于50mm，当有混凝土垫层时，其下方钢筋混凝土保护层厚度可减至30mm。.

（2）桩帽拉梁位置
a. 桩帽必须具有沿两个相互垂直方向延伸的梁，双桩帽必须具有沿帽短方向延伸的梁。.

b.平台大梁底部应与平台底部等高，大梁高度必须经计算确定，且不得小于相邻平台中心距的1/15，宽度不应小于200mm。.

受拉梁纵向受拉钢筋的最小截面可按其所连接柱的最大轴力的1/10作为受拉钢筋确定，但上下两侧不得少于2根直径为14mm的钢筋。箍筋直径不应小于8mm，间距不应大于300mm。.

c.可利用支撑钢筋混凝土墙体的地基梁，或有抗震设计时地基梁，做成平台梁。.
d.设计抗拉梁时，必须考虑施工过程中桩位误差引起的弯矩和偏心扭矩的影响。.

（3）筏板桩、箱桩基础底板抗剪承载力计算问题
现行程序、法规和一些相关设计文件已经对冲切抗力、剪切强度和直线截面强度等结构要求和计算方法做出了规定……

特别是数字文档对筏板桩和箱桩基础底板在竖向荷载作用下的穿刺和剪切计算进行了较为详细的介绍。.

需要强调的是，当桩头弯矩M较大，而底板厚度不够时，底板上产生的弯矩会很大，加上竖向力N产生的剪应力后，必须特别注意验算其强度。.
副教授，阮巴克博士

（来源：《建筑报》2006年第1期）

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