常用桩基础经济对比分析要点.doc

常 用 桩 基 础经济对比分析桩基础对比分析随着经济的快速发展，城市中各类建筑拔地而起，基础部分往往在整个建筑物投资中占据了较大的比例。因此，如何选择合理的基础形式，对于确保安全，节约投资，降低造价等起到举足轻重的作用。这就要求我们根据勘察报告、结构类型、荷载情况等进行仔细分析，选择一个最经济、合理的基础方案。下面主要对桩基础设计进行比较分析。一、桩基础的类型近年来由于建筑施工能力及技术水平的不断提高，桩基础在建筑结构领域被广泛采用，并且随着时代的发展，桩基础的类型不断增多，目前本地区常用的桩型为：高强预应力管桩，人工挖孔灌注桩，长螺旋钻孔灌注桩，泥浆护壁钻孔灌注桩，内夯沉管灌注桩（即夯扩桩），以及上述各种桩型的改进，如扩底，注浆等。二、桩基础的功能及适用条件1、桩基础的功能桩基础的主要功能是将上部结构的荷载传至地下较深的密实或低压缩性的土层中，以满足承载力和沉降的要求。桩基础也可用来承受上拔力、水平力，或承受垂直、水平、上拔荷载的共同作用以及机器产生的振动和动力作用等。2、适用条件桩基础的适用条件主要根据场地的工程地质条件、设计方案的技术经济比较以及施工条件等而定。一般来说，在下列情况下可考虑选用桩基础方案（基础设计应优先考虑浅基础方案）：（1）基础持力层较深，不适合做浅基础。（2）高、重建筑物下的浅层地基土承载力与变形不能满足要求时。（3）地基软弱，而采用地基加固措施在技术上不可行或经济上不合理时，或地基土性特殊，如液化土、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等特殊土时。（4）除了存在较大的垂直荷载外，还有较大的偏心荷载、水平荷载、动力荷载及周期性荷载作用时。（5）上部结构对基础的不均匀沉降相当敏感，或建筑物受相邻建筑或大面积地面荷载的影响时。（6）对精密或大型的设备基础需要减少基础振幅，减弱基础振动对结构的影响，或应控制基础沉降和沉降速率时。（7）地下水位很高，采用其它基础形式施工困难，或位于水中的构筑物基础，如桥梁、码头、采油钻井平台等。（8）需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。三、常用桩基础的适用范围和特点任何一种桩型都不是万能的，都有其适用范围，关键在于找到切入点，扬长避短，再好的桩型只要施工中不注意质量或超过其适用范围，就会出现质量问题甚至造成重大事故及经济损失。因此必须结合工程特点，选择经济、合理、安全的桩型。1、高强预应力管桩1）适用条件：(a)、持力层上覆盖为松软土层，没有坚硬的夹层。(b)、持力层顶面的土质变化不大，桩长易于控制，减少截桩或多次接桩。(c)、水下桩基工程。（d）、工期比较紧的工程，因已在工厂预制，缩短工期。2）优点：(a)、管桩的单桩承载力高，400的管桩单桩承载力特征值可达到1300KN；其单位承载力的造价比钻（冲）孔灌注桩要低。管桩桩身混凝土强度高，管桩打入持力层后，桩尖附近的土或岩层经过强烈的挤压，桩端承载力可比原状提高约一倍，所以同样直径管桩比钻（冲）孔灌注桩单桩承载力高许多。 (b)、管桩应用范围广，适用于各种不同建筑物的基础。管桩常用直径为300600，既可以作为单层建筑物的基础，又可作为高层、超高层建筑物的基础，只须结构设计人员根据柱荷载的不同，采用不同的桩径及桩数。 (c)、管桩适应性强，抗弯性能好。管桩有卓绝的贯入性能，能穿透密实的砂层，对持力层起伏变化大的地质条件比钻（冲）孔灌注桩优势明显，因管桩长短不一，从412米不等，持力层起伏变化大时，可以根据地质情况进行合理配桩，搭配灵活；管桩采用预应力工艺成型，其抗弯性能良好。(d)、管桩本身质量容易保证。由于采用工厂预制的生产方式，能利用先进的工艺和设备，保证产品质量。(e)、成桩质量容易保证。若地质无特殊情况，控制桩长和贯入度这两个参数，其承载力基本上都能保证，而且这两个参数容易把握。(f)、施工速度快，工期短。管桩在工厂可提前批量生产，能按施工要求及时提供各种桩型，施工前期准备时间短，一般能缩短工期一二月。(j)、施工现场文明。施工现场无砂石、水泥，无泥浆污染，对施工现场狭窄的工程特别有利。3）缺点：(a) 、若打桩，主要有噪音污染和空气污染（注：因柴油是不充分燃烧）；若为静压桩，成本则比打桩高，故不宜在人口密集的城区施工等。(b) 、打桩或静压桩都有挤土作用的问题，容易导致浮桩。(c) 、管桩不宜用于孤石和障碍物多的地层；因为桩尖接触到孤石或地下障碍物时，会导致桩身偏位或大幅度倾斜，桩尖破损、桩身折断或桩头打烂等情况。(d) 、管桩在石灰岩地区应慎重采用；在石灰岩地区，因溶洞、溶沟、石笋等“喀斯特”现象相当发育，在这种地质条件下施打管桩，容易发生以下工程质量事故：(d.1) 、若岩层表面比较平坦，当管桩接触到岩面时，贯入度急剧减少，桩身反弹，管桩会出现桩尖变形、桩身断裂或桩头打烂等情况；(d.2) 、若岩层表面比较倾斜，当管桩接触到岩面时，会沿岩面发生滑移；(d.3) 、因“喀斯特”地形的复杂性，在施打桩过程中，配桩相当困难，有些桩可能落在岩顶，有些桩则可能落在溶洞、溶沟内；(d.4) 、管桩几乎不能嵌入石灰岩中，因此桩的稳定性差。(e) 、有坚硬夹层时不宜应用或慎用，在坚硬夹层中施打管桩，容易发生下列工程质量事故：(e.1) 、在贯穿坚硬隔层过程中，每米锤击数剧增，这样很容易使桩身混凝土产生疲劳破坏；(e.2) 、桩身和桩头的破损率高；(e.3) 、有的桩能穿过坚硬隔层，有的不能穿过，导致同一承台内桩持力层不同。4）施工工艺：平整场地 桩位放样 桩机就位 起吊预制桩 稳桩 打桩 接桩 送桩 中间检查验收 移桩机至下一个桩位最终验收。2、人工挖孔灌注桩1）适用条件：(a)、适用于地下水较少、较低。(b)、对安全的要求较高，如有害气体，易燃气体，孔内气体稀薄等，尤其在有地下水时需边抽边控，因此对漏电保护等也有特殊要求。(c)、地质条件良好，地层土体密实；不适用于较厚的砂土层和较厚的淤泥质土层等。(d)、桩长度较短而荷载较大。2）优点：(a) 、人工挖孔桩具有施工设备简单，无噪音，无振动，无废泥浆排出等公害，施工操作方便，占用场地小，对周围环境及建筑物影响小，造价低等。(b) 、人工挖孔桩单桩承载力高，充分发挥桩端土的端承力，单桩可以承受几千KN乃至几万KN荷载，能满足高层建筑及重型设备基础的需要,嵌入地层一定深度，抗震性能好。(c) 、人工挖孔桩，易于扩大桩底孔径，增加桩底面积，可以弥补机械施工的一些不足，施工时下放钢筋笼方便，桩底虚土厚度清理较彻底，为提高单桩承载力打下了基础。(d) 、人工挖孔桩，施工质量可靠，桩基质量易于保证，在机械成孔困难狭窄地区亦能顺利成孔。(e) 、当土质复杂时，施工时可以直接在孔内检查成孔质量，可以边挖掘边用肉眼验证土质情况。(f) 、可利用多人同时进行若干根桩施工，每孔可连续作业，互不影响，可全面展开施工，缩短工期。3）缺点：(a) 、人工挖孔桩直径大，每m3混凝土所提供的承载力比小直径灌注桩小，因而混凝土用量较大。(b) 、人工消耗较大，人工开挖效率低，在扩底时往往因支护方案不当，造成扩底部位土层坍方，人身安全隐患大。(c) 、地下水对人工挖孔桩的施工影响很大，对地质条件要求较高。4）施工工艺：平整场地测量放线、定桩位 检查桩位（中心）轴线 安装施工机具 开挖成孔（分节挖土和出土）安装护壁钢筋和护壁模板灌注护壁混凝土加设垂直运输、照明、通风等设备拆模 逐层往下循环作业直至设计深度 进行扩底（当需扩底时）清理虚土、排除积水验孔（检查尺寸和持力层）浇筑封底混凝土吊放钢筋笼 浇筑桩身混凝土验收。3、长螺旋钻孔灌注桩1）适用条件：该桩型适用于粘性土，粉土，填土等各种土层中施工，能在有缩径的软土、流砂层、砂卵石层、硬夹层、有地下水等复杂地质条件下成桩，不需要泥浆护壁，因此施工周期比水钻孔桩要短，现场无泥浆污染。2）优点：(a) 、适应性广，适合在各种地层中施工，桩长、桩径选择范围大，单桩承载力较高。 (b) 、桩长可因地改变，没有接头。 (c) 、仅承受轴向压力时，只需配置少量构造钢筋，配制钢筋笼时，按工作荷载要求布置，节约了钢材。(d) 、穿硬土层能力强，能在复杂地质条件下成桩，单桩承载力较高，施工效率高，操作简便。(e) 、低噪音、不扰民、不需要泥浆护壁不排污、不降水、不挤土、施工现场文明，适合在建筑密集的市区施工。3）缺点：(a) 、施工工艺比较复杂，影响质量的因素较多，施工质量难以控制。(b) 、桩身质量不易控制，容易出现断桩、缩颈、露筋、钢筋笼上浮和夹泥层的现象。(c) 、孔底沉积物不易清除干净，容易出现桩底沉渣量过大，因而影响单桩承载力。(d) 、一般不宜用于水下桩基。4）施工工艺：平整场地桩位放样组装设备安放钢护筒钻孔机就位钻至设计深度停止钻进边提升钻杆边用混凝土泵经由内腔向孔内泵注超流态混凝土提出钻杆放入钢筋笼成桩桩头处理桩顶保护措施。4、泥浆护壁钻孔灌注桩1）适用条件：(a)、此类桩除了在碎石土，自重湿陷性土，砾石层中不宜使用，其余土层目前基本都使用，特别适用于单桩承载力较大的高层建筑，大跨度工业厂房，大型桥梁等工程中。(b)、水下桩基工程。2）优点：(a)、单桩承载力高；常用桩径为6001200，单桩承载力特征值范围为80015000KN；通常框架结构可以采用单柱单桩，承台体积与承台用钢量都比较小。(b)、几乎不受场地的限制。尤其是在建筑物密集的地方优势明显，因为在建筑物密集的地方一般情况下不能打桩，另一种桩施工工艺静压桩经常碰到压边桩时场地位置不够的问题，有时边桩须采钻（冲）孔灌注桩；如某小高层住宅，周围都是居民区，原方案采用打管桩，试打桩时当地居民就提出抗议，认为打桩震动影响居民房子的结构安全，噪音影响他们的正常生活；后来改为静压桩，又因吨位比较大，压桩施工时当地居民感到房屋有震动，又提出不准用静压桩，最后只好采用钻孔灌注桩。(c)、能适应复杂的地质条件，对有坚硬夹层的地质条件比管桩优势明显。如某一高层，原设计为500的管桩，持力层为强风化岩层，入土深度约20米；因部分场地存在极密实的砂层，管桩打到约8米时很难继续入土，后改用冲孔灌注桩冲到了20米，持力层为中风化岩层，满足设计要求。(d)、无噪音污染和空气污染。3）缺点：(a)、施工工期长，一根约20米深的钻（冲）孔灌注桩需3天左右的时间。 (b)、泥浆问题困扰大。 (c)、单位承载力造价比管桩高。 (d)、相对管桩而言质量难控制，钻（冲）孔灌注桩入持力层深度比较难把握，不同的技术人员对土质判别可能会出现差别，还有清渣是否合格，因此钻（冲）孔灌注桩比管桩的质量事故明显多。4）施工工艺：平整场地测量放线、定桩位 检查桩位（中心）轴线 埋设护筒钻孔机就位制备泥浆成孔清孔下钢筋笼水下浇筑混凝土。5、内夯沉管灌注桩（即夯扩桩）1）适用条件：(a)、持力层上覆盖为松软土层，没有坚硬的夹层。(b)、持力层顶面的土质变化不大，桩长易于控制。(c)、水下桩基工程。2）优点：(a)、该桩具有设备简单、施工方便、操作简便、造价低廉等优点。(b)、与钻孔灌注桩相比，施工工艺简单，速度快，无排污困扰。3）缺点：(a)、只能用于软土地基，桩径小，单桩承载力低。(b)、当施工进度偏快时，先施工好的桩在还没有完全硬化时由于挤土效应被后施工的桩挤压而偏位甚至水平向断裂。(c)、由于拔管速度控制不当，极容易造成缩颈、断桩、夹泥。(d)、桩机施工时振动大，噪声高，故不宜在人口密集的城区施工等。4）施工工艺：平整场地测量放线、定桩位 检查桩位（中心）轴线 桩机就位锤击（振动）沉管上料边锤击（振动）边拔管，并继续浇筑混凝土下钢筋笼、继续浇筑混凝土及拔管成桩。6、常用桩型与成桩工艺对比分析表：桩型高强预应力管桩人工挖孔灌注桩长螺旋钻孔灌注桩泥浆护壁钻孔灌注桩内夯沉管灌注桩（即夯扩桩）桩径桩身（mm）30080080020003008006001200325,377扩大头（mm ）无8003000无6001600500700最大桩长（m）6030303025穿越土层一般粘性土及填土淤泥和淤泥质土x粉土砂土碎石土季节性冻土膨胀土非自重湿陷性黄土自重湿陷性黄土中间有硬夹层xx中间有砂夹层中间有砾石夹层xx桩端进入持力层硬粘性土密实砂土碎石土软质岩石和风化岩石x地下水位以上以下环境影响振动和噪音有无无无有排浆无无无有无孔底有无挤密有无无无有桩基承载性状端承摩擦桩（以摩擦为主）端承桩摩擦端承桩（以端承为主）摩擦端承桩（以端承为主）摩擦端承桩（以端承为主）桩基挤土效应挤土桩非挤土桩非挤土桩非挤土桩挤土桩地质条件要求无坚硬的夹层不适用于较厚的砂土层和淤泥质土层基本能适合各种地层基本能适合各种地层无坚硬的夹层施工安全安全安全性差安全安全安全施工质量容易断桩不易保证质量可靠易于保证容易缩颈、夹泥，不易保证容易缩颈、夹泥，不易保证容易缩颈、夹泥，不易保证适合建筑物均适用，选择不同桩径即可高层建筑均适用，选择不同桩径即可高层建筑，大跨度工业厂房，大型桥梁多层建筑注：表中符号表示比较合适；表示有可能采用；x表示不宜采用。四、桩型选择原则1、“因荷载制宜”即上部结构传递给基础的荷载大小是控制单桩承载力要求的主要因素。2、“因土层制宜”，即根据建筑物场地的工程地质条件、地下水位状况和桩端持力层深度等，通过比较各种不同方案桩结构的承载力和技术经济指标，选择桩的类型。3、“因机械制宜”，即考虑本地区桩基施工单位现有的桩工机械设备；如确实需要从其他地区引进桩工机械时，则需要考虑其经济合理性。4、“因环境制宜”，即考虑设桩过程中对环境的影响，例如打入式预制桩和打入式灌注桩的场合，就要考虑振动、噪声以及油污对周围环境的影响；泥浆护壁钻孔桩和埋入式桩就要考虑泥水、泥土的处理，否则会造成对环境的不利影响。5、“因造价制宜”，即采用的桩型，其造价应比较低廉。6、“因工期制宜”，当工期紧迫而环境又允许，可采用打入式预制桩，因其施工速度快；再如施工条件合适，也可采用人工挖孔桩，因该桩型施工作业面可增多，施工进程也较快。五、桩基础设计桩基础设计应根据建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层、地下水位、施工设备、施工环境、施工经验、制桩材料供应条件等综合考虑。在设计桩基础时，应力要求做到安全、合理和经济。从保证安全的角度出发，桩基础应有足够的强度、刚度和耐久性。对地基来说，桩持力层要有足够的强度以及不能产生过大的变形。同时，采用的施工方法应满足施工现场的环境要求。桩基础的设计内容和步骤如下：（1）进行调查研究,场地勘察,收集有关设计资料;（2）综合地质勘察报告、荷载情况、使用要求、上部结构条件等确定持力层;（2）确定桩的类型、外型尺寸和构造;（4）确定单桩承载力特征值;（5）根据上部结构荷载情况,初拟桩的数量和平面布置;（6）根据桩平面布置,初拟承台尺寸及承台底标高;（7）单桩承载力验算;（8）验算桩基的沉将量;（9）绘制桩和承台的结构及施工详图.（一）收集设计资料 桩基础设计资料包括：建筑物上部结构的情况、结构形式、平面布置、荷载大小、结构构造、使用要求等；工程地质勘察资料；建筑场地与环境的有关资料；施工条件的有关资料如沉桩设备、动力设备等；当地使用桩基础的经验。.（二）选择桩型、桩长和截面尺寸1、桩基础设计时，首先应根据建筑物的结构类型、荷载条件、地质条件、施工能力和环境限制(噪音、震动、对周围建筑物地基的影响等)选择桩的类型。如城市中不宜选用的挤土桩，在深厚软土中不宜采用大片密集有挤土效应的桩基，可考虑用挤土效应软弱的预应力混凝土管桩或钻孔灌注桩等非挤土桩。桩基础设计中对桩型及桩长的合理选择均会对基础设计产生重大的影响，合理的桩型、桩长选择将产生巨大的经济效益。2、桩长主要取决于桩端持力层的选择。桩端最好进入坚硬土层或岩层，采用端承桩的形式。当坚硬土层埋藏很深时，则宜采用摩擦桩，但桩端也应尽量达到压缩性较低、强度中等的土层（持力层土）。桩端进入持力层的深度宜为桩身直径的13倍，嵌桩嵌入完整或较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度为0.5m，确保桩端与岩体面接触。若持力层下有软弱下卧层时，桩端以下的持力层厚度不宜小于4倍桩径，否则端承力将降低甚至丧失。3、桩的截面尺寸应与桩长相适应，桩的长径比主要根据桩身不产生压屈失稳及考虑施工现场条件来确定。对预制桩而言，摩擦桩长径比不宜大于100；端承桩或摩擦桩需穿越一定厚度的硬土层，长径比不宜大于80。对灌注而言，端承桩的长径比不宜大于60，当穿越淤泥、自重湿陷性黄土时不宜大于40，摩擦桩的长径比不受限制。当有保证桩身质量的可靠措施和成熟经验时，长径比可适当增大。4、如何选择合理的桩基础形式，对于保证安全、施工方便、降低造价起着举足轻重的作用。这就要求设计人员对每个建筑物的勘察报告进行仔细分析，选择一个最优化的基础方案。现举例：例1：某火车站多种经营综合楼结构设计中，该楼主体为6层框架结构体系。地质报告提供的地质条件、空间分布特点是：场地内上覆盖的素填土、淤泥质粘土层、砾砂层、粉砂层均为软弱土层，具有高压缩性，且分布不均，不宜做基础持力层，因此不能直接在软弱土层上做浅基础设计；根据地质勘察报告素填土层等软弱土层较厚，换土须大开挖至地面下89米，对周围建筑有较大影响，施工时必须做大范围的护坡，施工难度很大，所以也不宜对地基进行大开挖的换土回填处理。地面下12米的中风化泥岩层承载力高到2000Kpa，宜作为持力层，采用桩基础较好；并结合场地环境及当地施工条件对几种桩基础形式做了分析：由于场地位于铁路家属生活区，若用钻孔灌注桩基础，孔内产生出的泥浆无处排放，会造成环境污染；拟建场地三面相临有三栋建筑物，若用锤击灌注桩基础，施工时产生的震动波会对附近的建筑物及设施造成不良影响；由于场地地段在残积层中存在中风化岩孤石，对预应力管桩施工带来困难，容易断桩。考虑到人工挖孔桩基础具有进退场方便、对环境污染少、噪音影响小、施工质量有保证、造价相对较少，且无地下水等优点，最终确定采用人工挖孔桩基础。例2：芙蓉南路新省政府附近某26层住宅楼，地下一层。地质报告提供的地质条件、空间分布特点是：场地内上覆盖的人工填土、淤泥质粘土层、砾砂层、粉砂层均为软弱土层，具有高压缩性，分布不均，且软弱土层较厚（10-15米），地下水丰富，局部有砾石、岩石等夹层。若采用人工挖孔桩，地下室开挖后其基底以下主要为强透水性的砾砂、中砂等，地下水丰富，透水层厚，且场地周边多为市政道路或住宅小区，采用人工挖孔桩，将须采取有效的降止水措施，降止水成本高，且拟建场地不能采用降水措施，大幅度降水会引起上覆地层沉降影响周边建筑物的正常使用和安全。地下水丰富对人工挖孔桩施工也不安全，容易出现塌方等现象，故不能采用人工挖孔桩。由于场地局部有砾石、岩石等硬夹层，对预应力管桩施工带来困难，且容易断桩。最终考虑采用对环境污染少、噪音影响小、施工质量有保证、造价相对较少的长螺旋钻孔灌注桩。六、桩基础经济分析桩基的截面尺寸及长度是其经济与否最主要的因素，由于工程设计经济与否是个综合指标，对于基础工程的经济性除桩基以外还应考虑承台的大小，它与桩的直径及单桩承载力密切相关。按规范要求桩间距一般为2.53.5倍的桩径，单桩承载力一定时，桩径越小承台相对越经济。常用桩型费用对比分析表（考虑桩长一致，取1米计算）：桩型高强预应力管桩人工挖孔灌注桩长螺旋钻孔灌注桩泥浆护壁钻孔灌注桩内夯沉管灌注桩（即夯扩桩）多层房屋（6层）柱轴力22002200220022002200桩径大小400800500600400扩底尺寸无1200无无600单桩承载力1200220012001300650桩数（取整和按轴力）21.851121.8521.743.39桩基费用（元/米）单根桩170 490 150 185 90 柱下桩340315490490300277370315360305承台费用承台尺寸长x宽x高2000x800x10001200x1200X10002000x1000X10002800x1200X9001900x1900X600总费用6085477601150823每米费用4742598863预估总费用（元/米）387362532532359336458403423368小高层（18层）柱轴力56005600560056005600桩径大小4001000600800400扩底尺寸无1900无无600单桩承载力1200560018002300600桩数（取整和按轴力）54.671143.1132.449根（不适合）桩基费用（元/米）单根桩170780203340-柱下桩8508007807808126311020830-承台费用承台尺寸长x宽x高2500x2500X10001400x1400X11002600x2600x10003200x2950x1000（三角形）-总费用237582025692546-每米费预估总费用（元/米）1033983843843101082912161026-注：1、人工挖孔灌注桩：550元/m3（含护壁），折合成桩身综合单价