淺析超高層建筑樁基礎(chǔ)承載分析及質(zhì)量控制

張國平 張飛

摘要：建筑工程在我國城鎮(zhèn)化、現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中所占據(jù)的位置是十分關(guān)鍵的，而建筑基礎(chǔ)則是主要的保障，尤其是對超高層建筑而言，樁基礎(chǔ)承載能力更是重中之重，關(guān)乎于整個工程的安全，因此需要加強(qiáng)質(zhì)量控制?；诖耍疚氖紫葘Τ邔咏ㄖ痘A(chǔ)承載進(jìn)行分析，包括樁的受力、荷載傳遞性狀的影響因素以及荷載傳遞分析等，其次對超高層建筑樁基礎(chǔ)承載質(zhì)量控制措施進(jìn)行研究，以期能為整個工程的質(zhì)量控制提供助力。

關(guān)鍵詞：超高層建筑;樁基礎(chǔ)承載;質(zhì)量控制

Analysis on Pile Foundation Bearing Capacity and Quality Control of Super High-Rise Building

Guo-Ping Zhang*， Fei Zhang

Chenyue Project Consulting Group Co.， Ltd.， Chengdu 638500， Sichuan， China

Abstract： The position of construction engineering in the process of urbanization and modernization in China is very critical， and the building foundation is the main guarantee; especially for super high-rise buildings， the bearing capacity of pile foundation is the top priority. It is related to the safety of the entire project， so it is necessary to strengthen the quality control. Based on this， this paper firstly analyzes the bearing capacity of the pile foundation of super high-rise buildings， including the factors of the pile’s stress， load transfer properties， and load transfer analysis. Secondly， it studies the bearing quality control measures of pile foundation of super high-rise building， in order to provide assistance for the quality control of the whole project.

Keywords： Super high-rise building; pile foundation bearing; quality control

一、前言

在建筑行業(yè)技術(shù)突破發(fā)展的推動下，超高層建筑類型開始出現(xiàn)，與高層建筑相比較而言，超高層建筑的樓層更高，基礎(chǔ)承載能力要求也更高，但由于建筑物的規(guī)模宏大，因而同時也存在安全隱患。為了能夠滿足超高層建筑的功能需求，確保使用壽命達(dá)到預(yù)期，就需要對建筑樁基礎(chǔ)的承載能力做出正確的評價與判斷，避免出現(xiàn)超負(fù)荷的現(xiàn)象。與此同時，應(yīng)當(dāng)要對超高層建筑樁基礎(chǔ)承載進(jìn)行有效的質(zhì)量控制，確保質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，滿足工程使用需求，降低風(fēng)險。處于這樣的背景下，針對超高層建筑樁基礎(chǔ)承載進(jìn)行分析并探究質(zhì)量控制措施十分必要，希望能從中總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)以供參考。

二、超高層建筑樁基礎(chǔ)概述

（一）超高層建筑

超高層建筑指的是高度超過100米，層數(shù)40以上的建筑物[1]。根據(jù)我國現(xiàn)行《民用建筑設(shè)計通則》之規(guī)定，只要建筑物的高度超出100米以上，則無論建筑物的用途是公共建筑或者是居民住宅，都?xì)w屬于超高層建筑的概念范疇之內(nèi)。國內(nèi)比較知名的超高層建筑有廣州塔、中國深圳平安大廈、上海環(huán)球金融中心、上海金茂大廈等[2]，本文是基于南充綠地中心超高層建筑而作?，F(xiàn)階段我國超高層建筑的數(shù)量整體上并不多，原因是盡管超高層建筑可解決城市擁堵問題，但同時安全隱患仍然存在，對建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、供電、電梯、消防等工作的要求較高，施工難度較大[3]。面對這樣的情況，在超高層建筑的施工過程中，便需要采取深基礎(chǔ)的模式，將持力層嵌入至微風(fēng)化巖層之中，使地基強(qiáng)度足以支撐大體量的建筑需求，而這也正是超高層建筑樁基礎(chǔ)的應(yīng)用價值所在，只有夯實(shí)的建筑樁基礎(chǔ)，超高層建筑施工才能順利推進(jìn)。

（二）超高層建筑樁基礎(chǔ)概述

樁基礎(chǔ)由基樁、連接樁頂?shù)某信_所構(gòu)成。如果樁身整體都位于土層之下，承臺的底面完全和土壤接觸，那么把這種樁基礎(chǔ)稱之為低承臺樁基;相反，如果樁身的上半部分暴露在外，承臺底面位于地面之上，那么稱之為高承臺樁基。一般而言，高層建筑施工使用的是低承臺樁基礎(chǔ)類型，從而才能夠?yàn)楣こ谭€(wěn)定性提供保證[4]。建筑樁基礎(chǔ)的豎向單樁承載力較強(qiáng)，位于地質(zhì)堅(jiān)硬的持力層之中因而對于超高層建筑所產(chǎn)生的豎向荷載均可消化;建筑樁基礎(chǔ)的豎向單樁剛度大，處于相鄰荷載環(huán)境中，所產(chǎn)生的不均勻沉降也比較有限，繼而避免建筑物過度傾斜;由于建筑樁基礎(chǔ)的單樁側(cè)向剛度較強(qiáng)，因而具備抗傾覆性，對于地震等自然因素導(dǎo)致的壓力，均可消化承受，這恰好是保障超高層建筑穩(wěn)定性的關(guān)鍵[5]。

三、超高層建筑樁基礎(chǔ)承載分析

（一）樁基礎(chǔ)的受力分析

超高層建筑樁基礎(chǔ)可根據(jù)受力原理為條件，劃分為摩擦型樁、端承樁兩種。

1. 摩擦型樁以地層與基樁之間產(chǎn)生的摩擦力作為建筑物的承載力，又包含壓力樁、拉力樁。摩擦型樁為大直徑樁，樁端位置的持力層以黏性土質(zhì)居多，樁頂位置荷載遭受橫向靜荷載的條件下，荷載擴(kuò)大，樁土隨之產(chǎn)生較為明顯的位置移動，此時樁側(cè)摩擦力形成阻力，但是如果摩擦力接近水平極限后，便會產(chǎn)生超范圍的沉降。

2. 端承樁基樁底部處于承載層之上，由此來承載建筑物。持力層基巖短樁屬于嵌巖樁，因而被視作端承樁[6]。軸向荷載對樁頂產(chǎn)生壓力，在荷載增加后，樁身混凝土所存在的彈性將會受到壓迫，隨后作用于樁側(cè)摩擦力，并將力傳遞到樁端位置。處于這樣的情況之下，樁周土所發(fā)生的相對位移作用十分有限，因而樁端承擔(dān)了樁頂?shù)闹饕奢d壓力。

（二）樁基礎(chǔ)荷載傳遞分析

樁基礎(chǔ)荷載傳遞屬于整個樁基礎(chǔ)工作系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)，從比較寬泛的視角來看，這一環(huán)節(jié)是處于外荷載作用之下整個樁基礎(chǔ)和土系統(tǒng)的反映情況，包含對荷載力的分配、分布、傳遞規(guī)律以及彼此之間的相互關(guān)系，了解并掌握樁基礎(chǔ)荷載傳遞情況，才能更加有效利用并發(fā)揮樁基礎(chǔ)的性能與作用。樁基礎(chǔ)荷載傳遞基本上可以劃分為如下幾個主要步驟：樁側(cè)摩阻力、樁端阻力、樁端沉降、樁側(cè)摩阻力極限，以及樁端持力層塑性階段[7]。樁側(cè)摩阻力產(chǎn)生并發(fā)揮作用的階段中，樁端所處位置不會出現(xiàn)沉降現(xiàn)象;樁端阻力形成之后，會與樁側(cè)摩阻力聯(lián)合分擔(dān)樁頂荷載壓力;樁端沉降情況出現(xiàn)之后，最初是沉渣的壓實(shí)現(xiàn)象，隨后轉(zhuǎn)變成為對樁端持力層的壓縮作用;當(dāng)樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限水平之后，周圍的沉降現(xiàn)象會加劇;最后樁端持力層進(jìn)入塑性狀況之中，或者會出現(xiàn)樁身破損的情況。

（三）荷載傳遞的影響因素

荷載傳遞的過程中，可能會受到一些因素的影響，需引起關(guān)注。

1. 隨著樁身進(jìn)入土層的深度變化，樁周土層的剛度也可能變化。樁周土剛度越大，樁身受到的摩阻力越大。當(dāng)樁周土與樁端土兩者之間的剛度比值隨深度增加而減小時，樁側(cè)摩阻力將隨深度逐漸減小，意味著整個樁身軸力會順著樁深度減小而增大，也就是說此時傳遞給樁端的荷載壓力相對較小。

2. 在樁周土與樁端土剛度比值隨深度增加而增大之后，荷載傳遞給樁端的壓力將會升高，樁側(cè)摩阻力的作用空間隨之?dāng)U大。如果樁周土與樁端土的剛度比值超出1000之后，那么樁端阻力所能夠分散的荷載將會降低，甚至?xí)_(dá)到忽略不計的水平。

3. 樁端位置擴(kuò)徑比的數(shù)值擴(kuò)大之后，樁端所能分散的荷載數(shù)值也將會隨之?dāng)U大。

4. 當(dāng)樁基礎(chǔ)的長徑比數(shù)值擴(kuò)大后，意味著能夠傳遞給樁端的荷載量降低，樁基礎(chǔ)下半部分側(cè)阻力的發(fā)揮空間比較有限。一般而言，如果長徑比的數(shù)值超出40以上，均勻土層中端阻荷載靠近無;如果長徑比的數(shù)值超出100以上，則樁端土的剛度可以被忽略，這也意味著端阻幾乎不再承擔(dān)荷載[8]。因此，在超高層建筑樁基礎(chǔ)承載質(zhì)量控制中，需要對荷載傳遞影響因素形成正確的認(rèn)識與判斷，對樁周土與樁端土剛度比值大小及產(chǎn)生的不同影響進(jìn)行相應(yīng)的控制與調(diào)整。

四、超高層建筑樁基礎(chǔ)質(zhì)量控制措施

（一）鉆孔偏斜質(zhì)量控制

鉆孔偏斜指的是施工過程中，設(shè)計中的空間位置與實(shí)際施工的空間位置兩者之間發(fā)生了偏差，實(shí)際情況偏離了原本的目標(biāo)，與設(shè)計軸線之間不能符合，該情況產(chǎn)生之后，將會對樁基礎(chǔ)的承載能力造成巨大的干擾，因而需對此進(jìn)行質(zhì)量控制。具體來看，使用鉆孔機(jī)進(jìn)行鉆孔的施工活動當(dāng)中，務(wù)必要時刻關(guān)注到校核鉆孔垂直度情況，如果有傾斜的跡象，就需要立即停止鉆孔作業(yè)，并對傾斜部分進(jìn)行糾正。為了避免不必要的返工，在整個工程項(xiàng)目開始之前，就要開展大量前期的調(diào)查工作，內(nèi)容包括地基均勻情況、土層分布、土層內(nèi)巖石及其他硬物分布情況等等，提前做好準(zhǔn)備工作。如果施工環(huán)境位于不均勻土層之中，可以選擇自重大的鉆機(jī)、剛度高的鉆桿，這對于鉆孔作業(yè)的推進(jìn)較為有益;如果鉆孔作業(yè)中遭遇硬層、巖層以及孤石，則對鉆機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整，處于慢檔狀態(tài)下進(jìn)行操作，并且也可以選擇復(fù)合式牙輪鉆頭替換原本設(shè)備，以加強(qiáng)鉆孔效率，降低鉆孔偏斜現(xiàn)象的發(fā)生可能性。

（二）鉆孔漏漿質(zhì)量控制

鉆孔漏漿是超高層樁基礎(chǔ)作業(yè)過程中可能會發(fā)生的工程質(zhì)量問題。施工處于地下水流動、透水性較強(qiáng)的環(huán)境之中，對施工防水性的要求較高，如果在此過程中護(hù)筒所埋設(shè)的深度不夠，或者回填時，土壤沒有壓實(shí)、護(hù)筒的接縫不貼合，那么在護(hù)筒的刃腳、護(hù)筒接縫的位置便極有可能會出現(xiàn)漏漿的問題，因此便需要進(jìn)行有效的質(zhì)量控制。為避免鉆孔漏漿情況的出現(xiàn)，使用過程中可以添加黏土或者稠泥漿，慢速狀態(tài)下進(jìn)行攪動，也可以選擇繼續(xù)回填土壤、石子來加強(qiáng)護(hù)壁;為預(yù)防護(hù)筒接縫位置漏漿的風(fēng)險，施工人員可加入棉絮進(jìn)行堵塞，使接縫位置相貼合，降低漏漿可能性。

（三）縮徑與擴(kuò)徑質(zhì)量控制

縮徑與擴(kuò)徑是地下水、軟土層、砂土層當(dāng)中較為常見的質(zhì)量問題，表現(xiàn)為空心、串樁以及蜂窩等，甚至有斷樁的可能性。縮徑與擴(kuò)徑問題的產(chǎn)生主要是與孔內(nèi)砼壓力、土層側(cè)壓力之間偏差過大有關(guān)，混凝土質(zhì)量不過關(guān)、承載力與預(yù)計值之間的差距過大，也有可能會引起縮徑與擴(kuò)徑出現(xiàn)問題。為降低縮徑與擴(kuò)徑的發(fā)生風(fēng)險，需要加強(qiáng)縮徑與擴(kuò)徑的質(zhì)量控制，具體措施如下。

1. 泥漿的質(zhì)量必須得到保障，選用質(zhì)量合格的原材料，并且對泥漿的比值、泥漿的黏性、泥漿的黏稠度等指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，從根源上降低風(fēng)險。

2. 對鉆頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。必要的情況下，可以將鉆頭的直徑擴(kuò)大，對導(dǎo)正器進(jìn)行改裝，焊接若干個合金刀片，所起到的作用是鉆孔作業(yè)時，加強(qiáng)掃孔效果，這對縮徑與擴(kuò)徑問題的控制可產(chǎn)生積極影響。

（四）坍孔與斷樁質(zhì)量控制

坍孔指的是孔壁中的泥漿上漲并溢出護(hù)筒之外，冒出氣泡且出渣增加，鉆機(jī)壓力加大。斷樁指的是混凝土灌注作業(yè)時，泥漿混入混凝土之中，正常灌注的混凝土被分割為兩段，導(dǎo)致截面受損，斷樁不能荷載。如圖1所示。坍孔與斷樁的質(zhì)量控制中，可以采取如下措施。

1. 處理流砂、松散沙土?xí)r，鉆孔進(jìn)尺需進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，并選擇優(yōu)質(zhì)泥漿，黏性、膠體率以及比重都需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢查;施工期處于汛期時，地下水位勢必會發(fā)生較大的變動，對于此類現(xiàn)象，可將護(hù)筒升高到一定水平線，保證水頭，采用虹吸管來進(jìn)行連接。

2. 如果出現(xiàn)坍塌的情況，應(yīng)及時回填，并埋設(shè)護(hù)筒之后再次鉆孔;如果坍塌位置位于孔內(nèi)，則回填的高度需超出坍孔1米左右。此外，為避免樁基礎(chǔ)不連續(xù)所引起的荷載受限的情況，應(yīng)重新進(jìn)行計算和配置，明確混凝土的配合比值，保證流動性良好。

（五）灌注樁補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量控制

為保證樁基礎(chǔ)作業(yè)順利完成，需要加強(qiáng)對灌注樁補(bǔ)強(qiáng)的質(zhì)量控制。操作地質(zhì)鉆機(jī)鉆兩個取芯孔，其中一個取芯孔的用途是進(jìn)漿，另外一個取芯孔用作出漿。鉆孔作業(yè)時，需保證孔深不小于補(bǔ)強(qiáng)位置。隨后，使用高壓水泵，向進(jìn)漿孔內(nèi)泵入清水，隨后混雜的混凝土碎渣將會從出漿孔流出，到清水排出為止。隨后使用壓漿泵，將水灰比0.8的純水泥稀漿，全部泵入進(jìn)漿孔之中，進(jìn)漿管需進(jìn)入鉆孔內(nèi)至少1米的位置，必要的情況下，使用棉絮把周圍縫隙塞滿，避免水泥漿流出。此外，為保證水泥漿的擴(kuò)散充分，需進(jìn)行壓、停穿插操作，如果出漿孔內(nèi)流出濃漿，暫停壓泵操作，以土石進(jìn)行填縫，在此基礎(chǔ)上，調(diào)配比例為0.4的水泥漿泵入其中，關(guān)閉進(jìn)漿孔。最后，檢查效果，確認(rèn)無誤即可。

（六）鋼筋籠浮沉質(zhì)量控制

鋼筋籠浮沉指的是鋼筋籠在上浮、下沉的過程中，所處的位置與設(shè)計中的預(yù)期位置產(chǎn)生偏差的情況，如果鋼筋籠上浮范圍過大，會削弱樁基礎(chǔ)抵抗水平剪切的能力;如果鋼筋籠的上浮范圍過大，則會干擾施工正常秩序。

1. 為加強(qiáng)鋼筋籠浮沉的質(zhì)量控制，需要確認(rèn)鋼筋籠初期位置是否有偏離預(yù)期，確認(rèn)之后才能夠與孔口之間聯(lián)系，并進(jìn)行固定。

2. 吊裝、聯(lián)合套管使用，頂住鋼筋籠上方位置，避免鐵絲被拉長的情況發(fā)生。

3. 加強(qiáng)灌注作業(yè)流程控制，盡可能控制混凝土澆筑的時間，在必要的情況下，添加緩凝劑，控制混凝土在鋼筋籠內(nèi)的流動性。通過這樣的方式，避免鋼筋籠的上浮、下沉發(fā)生可能性，避免鋼筋籠與設(shè)計位置發(fā)生偏差，確保質(zhì)量。如圖2就是正常的鋼筋籠，能夠起到抗拉作用，約束柱身的混凝土，使其承受一定的水平力。

在整個高層建筑樁基礎(chǔ)承載施工的過程中，需要進(jìn)行全方位的質(zhì)量控制，消除其中潛在的不穩(wěn)定因子，為整個工程質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代化城市建設(shè)持續(xù)推進(jìn)的情況下，國內(nèi)城市對超高層建筑的需求增加，而超高層建筑本身的難度較高，為了能順利完成建筑任務(wù)，確保建筑物投入使用之后的安全與質(zhì)量達(dá)標(biāo)，就務(wù)必要對建筑物樁基礎(chǔ)予以重視，尤其是要對樁基礎(chǔ)承載力形成客觀的認(rèn)識與評價。在此基礎(chǔ)上，需要對建筑物樁基礎(chǔ)承載力進(jìn)行有效的質(zhì)量控制，落實(shí)質(zhì)量要求，進(jìn)行規(guī)范化操作。希望通過這樣的方式，能為超高層建筑夯實(shí)基礎(chǔ)，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，推動建筑工藝水平的突破，繼而促進(jìn)整個超高層建筑物工程的成熟發(fā)展。

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通訊作者：張國平，1983年3月，男，漢族，四川廣安人，現(xiàn)任晨越建設(shè)項(xiàng)目管理集團(tuán)股份有限公司總監(jiān)理工程師，本科。研究方向：工程技術(shù)、工程管理。