水运工程和房建桥梁工程桩基特点初探

钟华

摘要：只有掌握桩基础的分类、承载力特点及适用范围，才能在设计和施工过程中更好地发挥各类桩基的优势，合理选择适宜的桩基础，以确保上部结构物能安全、经济并高效地使用。笔者主要概括了水运工程中港口工程桩基础设计与施工方面的部分特点，并与工民建工程、桥梁工程做对比，为不同领域工程项目的具体实施过程提供参考。

关键词：工程桩基；设计；施工要点

Abstract: the only master of the pile foundation of the bearing capacity of classification, characteristics and applicable scope, can in the design and construction process better play the advantage of all kinds of pile foundation, reasonable selecting the appropriate pile foundation, to ensure that the upper structures can security, economic and efficient use. The author mainly summarized the water project of port engineering design and construction of the pile foundation of the features, and civil engineering, and bridge engineering be compared, for different field project of the concrete implementation process to provide the reference.

Keywords: engineering pile foundation; Design; Key points of construction

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1 港口工程桩基础

水运工程中桩基础的应用极为广泛，尤其是高桩码头，桩不仅是基础，同时也是承受荷载的主体结构，其功能是通过桩基将作用在上部结构的荷载传到地基深处，这也同样有利于稳固岸坡。桩基布置不仅影响整个码头结构受力情况，在码头结构的造价中也占有相当大的比重。合理的桩基设计应该让所有的桩充分发挥其承载力，且使同一桩台下的各桩受力尽量均匀，使码头的不均匀沉降较小，令整个码头结构更经济，且应该考虑桩基施工的可能与方便的布置原则。

由于开挖港池和打桩过程中会削弱岸坡稳定性，港口工程桩基设计时应考虑该如何使岸坡更加稳定，工程实际中通常可采用“砍头”、“束腰”和“压脚”等方法来达到目的。同时，也应该考虑桩所产生的负摩擦力、群桩效应以及桩的抗拔性的影响。

高桩码头设计中，桩型主要根据工程实地的地质情况、码头排架所承受的船舶撞击力、作用在码头上部结构上的荷载大小及工程总投资等因素所确定，目前在港口工程中主要采用钻孔灌注桩、预制钢筋混凝土桩及钢管桩等。

1.1 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩的施工设备相对简单，不需要预制厂、打桩船及其他辅助船舶以及一定面积和深度的施工水域，对岸坡稳定性无太大影响。钻孔灌注桩施工过程中应先钻孔并采用泥浆护壁，后下放钢筋笼，并进行二次清土后实施水下混凝土浇筑。钢筋笼的长度可不用抵达桩尖，一般情况下，可伸入地面以下1/3入土深度即可，泥面以上的桩端可采用钢套筒。

1.2 预制钢筋混凝土桩

1.2.1 预应力钢筋混凝土桩

预应力混凝土管桩通常是由工厂预制生产得到，其生产工艺包括先张法和后张法。先张法预应力管桩的桩身质量稳定可靠，承载力高，适应性强，耐久性好，最适宜在基岩埋藏深、强风化岩层和风化残积土层厚的地质条件下使用。后张法预应力混凝土管桩为大直径管桩，又称为大管桩，它与钢管桩相比耐久性好，使用寿命长。

我国研究生产的后张法预应力大直径钢筋混凝土管桩，是采用拼装的方式，将标准长度为4 m的预制管节连接起来。预制管节被运送至工地后，按照施工图设计所需，用可调性接桩小车进行接桩。为增加接缝的强度，管节的端面需要磨平，并且应将边缘做成1cm的倒角，之后采用环氧树脂黏结剂将两预制管节连接起来。为使得混凝土与环氧树脂更好地连接，在预制管节端面往往需要涂以机偶联剂。

在沉桩过程中，通常利用外力将预应力混凝土桩沉入地基中，而锤击沉桩是最常用的方法。锤击法的设备主要包括打桩锤、打桩架及附属设备。对于高桩码头的预应力混凝土管桩通常是由打桩船在水上实施作业；而如果岸边水浅，由于打桩船无法靠近岸边但离岸距离较小，则可吊龙口施打。其桩锤常用的形式包括：蒸汽锤、柴油锤和液压锤。桩锤应尽可能通过试桩选择，而且须满足克服沉桩阻力和保证沉桩速度和质量两个要求，这样既可以保证桩身完整，又可以使得沉桩效率高。

1.2.2 PHC 桩

当前，我国从国外引进的新桩型一种混凝土强度等级可高达C80，强度更高的预应力高强混凝土管桩，也称为PHC桩。这种高强度预应力混凝土桩是同时经由两次常压和高压蒸汽养护过程，在短时间内即可达到养护28 d 龄期的工程强度，其强度高、耐久性好、工程造价适中；当前在国内自主生产的PHC桩其桩径可达1.2m，整根无接缝桩长超过50m，可作为嵌岩桩使用。

1.2.3 预应力混凝土空心方桩

预应力混凝土空心方桩是一种新型的预制混凝土桩，同样具有承载力高、生产周期短、节约材料等优点。该桩的截面常为正方形，内部空心的横截面形状是圆形，按混凝土的等级强度及混凝土承载面的大小可分为预应力混凝土空心方桩(KFZ)、预应力高强混凝土空心方桩(HKFZ)、薄壁预应力混凝土空心方桩(TKFZ)，其中 TKFZ主要用于以纯摩擦桩为主的地质，而HKFZ 主要用于高层建筑上或有高耐腐蚀要求的地质情况。

同样规格的方桩和管桩，由于方桩的截面积较大，且外形呈方形或多边形，因此在土层中方桩的桩体比圆形桩的摩擦系数要大得多。若在同等地质条件下，方桩的承载力更大些。因方形桩头耐冲击力好，故桩头破损率较小，且桩头焊接周长较长，焊接牢固不易脱节。预应力混凝土空心方桩比管桩优点更明显，且造价相对较低，近些年来，在上海、江浙一带得到大力推广应用。

1.3 钢管桩

钢管桩较钢筋混凝土桩的成本高且用钢量大，但其强度高，抗弯及抗水平荷载能力较强，能有效减小船舶撞击力，施工方便，能有效节省工期。在外海大型港口码头中，由于水深、波浪、洋流、潮汐、冰凌及大型船只带来的船舶撞击力作用明显，采用钢管桩作为码头基桩往往是合理的选择。

钢管桩一般采用A3钢、16MnCu钢或其他合金钢卷焊成型，桩直径可根据工程需要进行选择，其最大桩长现已大于60m，同样可作为嵌岩桩使用。类似于预应力钢筋混凝土桩，钢管桩一般在预制场制作成单节管桩，运到工地后再进行拼装焊接。为确保两单节桩接头处的稳定性，采用分段拼接时，可以在接头内侧加焊一衬套。

在施工过程中，钢管桩起吊多采用一点绑扎，打桩前要在钢管桩的桩头上放置特制的桩帽，桩帽上放置减震垫。打桩时，由于打桩机会因贯入量大而空打，开始锤击时应慢慢地间断试打，直到打入地层一定深度后，方可连续击打。为了使桩沉放到设计的位置，必须使用2台经纬仪分别架设在桩的正面和侧面，来校正桩的垂直度。在打入阶段发现桩位不正或倾斜，应调整或拔出钢管桩重新插入打。

在钢管桩使用上两大主要问题包括钢管桩的防锈和桩尖型式。

1.3.1 钢管桩防锈措施

港口工程的桩基常年浸泡在水中，受腐蚀非常严重。为保证港口码头建筑物的安全使用，应采取人工措施，防止钢管桩被腐蚀破坏。当前，应用较为广泛的钢管桩的防腐保护措施主要包括两大类：防腐涂层保护措施和阴极保护措施。

1) 防腐涂层保护措施。通过在钢管桩表面上涂上防腐涂层，防止钢管桩与外界环境接触，根据电化学腐蚀原理，钢铁的腐蚀必须要有氧气、水和离子的存在，漆膜阻止了腐蚀介质和材料表面的存在，隔断腐蚀电池的通路增加了电阻，起到了防腐蚀作用。当前，这种工艺比较灵活，可进行现场施工，由于涂料与桩基结合紧密，可增加钢管桩的硬度和耐磨性能，同时可以大大增长桩基的使用寿命。

2) 阴极保护措施。其原理是将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。其常用的有 2 种方法，分别是牺牲阳极和外加电流。牺牲阳极的阴极保护措施是将钢管桩和一种能够提供阴极保护电流的活性金属连接起来，从而损耗阳极，降低阴极受腐蚀的速率，从而保护钢管桩。这种方法安装简单、收效良好、不需专业人员维护，可以达到“一次安装、长期保护”的效果。外加电流阴极保护措施，是通过人为提供保护电流，将钢管桩作阴极，选用相关特定材料作为阳极，使钢管桩免受腐蚀的保护方法。但此方法系统较为复杂、抗干扰能力弱且时常需要专业人士维修管理。

在实际情况中，通常将上述 2 种措施进行联合使用。①由于阴极保护措施可有效防止防腐涂层破坏处而引起的孔蚀，延长涂料的使用寿命；②防腐涂料可改善使阴极保护电流的分布更为均匀，从而增大阴极保护的范围，这样将更为高效且经济。此外，亦可通过预留腐蚀厚度来达到保护钢管桩的目的。

1.3.2 桩尖的型式

钢管桩的3种桩尖包括全封闭、半封闭和开口形式。全封闭的桩沉桩时会产生挤土作用，沉桩比较困难，但承载能力较高；开口的沉桩较为容易，能贯入硬土层，挤土作用小，施工方便，但承载能力亦有所降低，较同直径的闭口桩要少 20%左右。为解决上述矛盾，可综合两者在开口桩桩尖或桩中设置纵向或横向隔板，或做成半封闭式桩尖。

半封闭式桩尖中间装有空心管芯，其余部分全部封闭，同时将管芯与钢管桩之间用加劲板相连接，这样既可以消除水浮力的影响，同时也可以减小打桩阻力。这种桩尖型式适用于硬土层，当桩尖进入硬土层时，由于土体进入管芯产生闭塞效应，桩尖被完全封闭，此时桩基的承载能力与全封闭式桩尖一致。若在砂性土壤中施工时，为避免由于打桩振动造成的砂土液化，由桩内外水头差引起的“管涌”现象而降低桩的承载能力，可采取在桩侧进行开孔的措施，从而消除水头差的影响。

1.4 小结

在港口工程中，桩的受力情况比较复杂，除桩身自重、承台上部荷载及船舶荷载之外，还承受着波浪力、水流力及地震荷载等作用，因此，保证桩基础的施工质量是整个港口工程的关键。桩基础施工项目工艺复杂，技术含量高，且影响质量因素多。施工过程中应尽量避免桩位偏移过大、断桩、扩桩、缩径、桩体加泥以及孔壁坍塌、孔底沉渣超高、钢筋笼上浮和混凝土离析等质量问题。施工技术人员必须对施工的全过程给予严密的质量监控，采取有效的预防措施，确保工程质量与施工安全。

2 工民建工程桩基础

随着社会的发展，各类工业与民用建筑日益走向高层化，这些高层建筑的结构和功能安全要求十分严格，对其基础的要求也相对较高。在工民建工程领域，桩基础也被广泛应用。工民建桩基础的类型同港口工程有类似之处，一般包括预应力混凝土桩、钢筋混凝土桩以及各类钻孔桩，且绝大多为低桩承台型式。以下分别就工民建工程中人工挖孔桩和钻孔灌注桩两方面阐明其设计与施工的特点。

2.1 人工挖孔桩

对于工民建工程，由于大多数情况下是进行干地作业施工，故可采用人工挖孔桩。人工挖孔桩主要适用于桩直径大于0.8m，所含地下水较少的黏土、粉质黏土，特别适于黄土层，其深度一般为20m左右，可用于高层建筑和公共建筑，不宜使用于有流沙、地下水位较高、涌水量大的冲积地带及近代沉积的含水量高的淤泥、淤泥质土层。

人工挖孔桩施工速度较快，不需要大型机械设备；其抗震能力较混凝土打入桩强，造价较冲锥冲孔、回旋钻机钻孔和沉井基础更加节省。因此，人工挖孔桩在工民建中得到广泛应用。

但人工挖孔桩在地下水位高的砂性土和淤泥质土中施工时，易造成管涌、坍孔事故。如果桩孔清底不彻底，成孔时没有控制垂直度，成孔后未及时浇灌混凝土，容易导致护壁受侧压力变形，桩位发生偏移。而且在有机质含量高的土层中会排放出有害气体，使得钻孔内缺乏氧气，造成人身安全隐患。

2.2 钻孔灌注桩

与港口工程相比，钻孔灌溉桩基在工民建工程中同样十分重要，因其普遍适用性强、成本适中和施工简便等特点而广泛应用于各类工民建深基础中。但由于灌注桩施工时，混凝土需在桩孔中泥浆液面下浇筑，因此其施工程序和质量控制同一般混凝土浇筑有所不同，由于影响混凝土施工质量因素较多，因此其施工技术性要求较高。

如若不能很好地掌握钻孔灌注桩的一些施工技术，就有可能发生较为严重的质量事故，尤其是当地下水位较高，水下混凝土浇筑所成桩的质量缺陷难以弥补，可能直接影响到上部结构的稳定安全，这是必须要注意的问题。

3 桥梁工程桩基础施工要点

3.1 场地平整

场地位于旱地时，清除现场杂物,硬化场地。场地位于浅水时，采用筑岛法(引桥),场地位于深水时，采用钢管桩施工平台法(主桥 )。平台必须平整 ，连接牢固。

3.2 桩位测量

在平整好的场地上测定桩位，用方木桩准确标识各桩位的中心及标高，同时埋设护桩。护桩埋设方法：在桩中心向外大于桩径50cm均匀分布三个并量出距离，护桩顶要与地面相平，并用砂浆固定牢固,做出明显标记。深水桩基的定位由钢护筒定位架固定。

3.3 埋设护筒

护筒采用钢护筒，水上主墩钢护筒用12mm厚钢板卷制，在顶部和底部用 12mm钢板加固，直径2.5m的钢护筒用14mm厚钢板卷制，其余则用10mm厚钢板卷制。护筒内径大于钻头直径20cm～40cm，护筒高视土质而定，最小不小于2m。安置时，护筒顶高出地面30cm以上，高出最高施工水位或地下水位1.5m～2.0m。旱墩护筒周围50cm范围内黏土夯实，深度至护筒底，并用稳定护筒内水头的措施。

3.4 钻孔泥浆

在开钻前，应选择和备足良好的造浆黏土或膨润土,科学选料配制，泥浆比重1.1～1.2，泥浆粘度一般地层为16Pa•s～ 22Pa•s。含砂率必须小于2%。钻孔时泥浆需要不断的循环和净化，故在施工前应对泥浆的循环和净化做适当布置，设置好制浆池、储浆池、沉淀池，并用循环槽连接。废弃泥浆根据现场情况在桥旁设置一储浆池，作为废弃泥浆的倾倒场地。

4 结 语

桩基在工程中应用极为广泛。在港口工程中，相对于重力式结构等实体基础，桩基的应用可有效减少水下施工工程量。此外，桩除了作为码头结构的深基础之外，同时也是结构物的重要组成构件，承受各种外部荷载，并且能够有效防止结构物的变形。在工民建工程、桥梁工程当中，由于地质条件、地貌形态以及结构功能要求等各方面原因，不同工程项目的桩基础，其设计与施工过程与港口工程桩基础既有相同，也存在着差异。故在具体设计施工过程中，应针对各种不同条件下桩基础自身的特点，保证其上部结构物的整体稳定和综合质量，做到安全、适用和耐久，实为整个工程关键之所在。

[参考文献]

[1] 章春宏. 高桩码头桩基选型[J]. 科技传播，2010(8): 143.

[2] 韩理安. 港口水工建筑物[M]. 北京：人民交通出版社, 2000.

[3] 中华人民共和国交通部. 港口与航道工程规范汇编（上、下册）[M].北京：人民交通出版社,2003.

[4] 邱驹. 港工建筑物[M]. 天津：天津大学出版社，2002.

[5] 杨克己. 实用桩基工程[M]. 北京：人民交通出版社，2004.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。