大直径桩墩在工程中的设计与应用

２０１　１年第４期　煤炭工程　

大直径桩墩在工程中的设计与应用　

王长军　

（中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司，北京１００１２０）　

摘要：大直径桩墩基础是一种较新的基础类型，其特点是刚度大、承载力高、结构简单、　

受力明确、传力直接，大直径桩墩在工程中越来越被人们广泛的应用，根据设计中的问题及结合　

多年所做工程实例，总结了大直径桩墩在工程中设计方法和构造取值规定及应用范围。　

关键词：大直径；扩底墩；承栽力大　

中图分类号：ＴＵ４７３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—０９５９（２０１１）０４－００２５－－０３　

１　大直径桩墩的特点及分类　２　大直径桩墩工程中的应用　

桩墩基础，顾名思义似桩似墩，这是因为其功能同桩　

基础，利用桩侧摩阻力和桩端反力平衡上部荷载，而其特　

点是刚度大，承载力大，传力直接，直径大，最小桩径　ｄ￣８００，端部还可扩大，与普通桩相比，直径大１．０～３．０　

倍。故桩之细长比减小，有墩的作用，就其自身的结构形　

式又可以分为直墩身与有扩大墩底两种类型，分析知其受　

力性能与设计方法、施工方法不同，通常称前者为大直径　

桩，后者为扩底墩，按其在不同土层中的作用，桩分类如　图１所示。桩底形状有方行、矩形、园形、椭圆形等。　

㈨－匀质土Ｌ｝Ｊ磨擦桩墩　

末　

（ｂ）端承　丁：土中桩墩　

（ｃ）端承于岩　的桩墩　

图ｌ大直径桩墩种类示意图　桩墩基础在土木工程中的应用十分广泛。在结构中，　

有承受垂直荷载的铁路和公路桥梁基础，工业与民用建筑　物基础，有承受水平荷载的水工，建筑物深基坑开挖道边　

坡的支挡结构，特别是在煤矿上筒仓工程的基础，工业设　备大，荷载重的厂房基础，还有大跨度的钢桁架下支柱，　

通常采用一柱一桩等。桩墩越来越受到人们的重视，尤其　

对不太深的软土地基和填土地基，桩墩更不失为一经济可　靠的选择方案。　

大直径桩墩作为一种新型基础，国外起步较早，且发　展迅速，但从施工角度就其发展而言，与我国并元异样，　即使是科学技术发达的美国，桩墩基础早期施工也是借鉴　

古老的人工挖井技术，边开挖边支护的人工作业；直到后　

来才逐步实现了钻孔机扩成形，而我国仍以人工作业为主，　虽已有钻孔机具投产使用，但开口直径太小，尚无扩孔，　

桩墩基础多数为人挖人扩，少量的机钻人扩。我国的桩墩　基础设计也是属经验或半经验型，特别应注意的是扩底墩　

工程成功与否，很大程度上决定于勘探和施工，包括工艺　

过程和质量检验。因此设计前应有详细的勘探资料，现场　施工时还需要观察验证土质或钻取岩芯的测试，以保证设　计的可靠性或依据现场的地质实际资料修改设计，施工经　

验和技术对岩石或土的承载力也有直接影响，如对孔壁和　墩底土的扰动，地下水流动都将削弱承载力，如采取的措　

施合理，也可以减少不良影响和保证质量，因此桩墩工程　

的成功及今后的推广不仅依赖于设计，同样依赖于勘察和　施工水平的提高。　

３大直径桩扩底墩的组成及功能　

大直径桩扩底墩由桩帽、桩身、和扩大端组成，桩身　

可为直身或锯齿形，一般扩底部分不配筋，只浇注素混凝　

收稿日期：２０１０一Ｏ８—３０　作者简介：王长军（１９６３一），男，北京人，高级工程师、国家注册一级结构工程师，１９８９年毕业于北京建筑工程学院　

工民建专业，主要从事建筑结构设计工作。　

２５　煤炭工程　２０１１年第４期　

土即可。扩底墩桩身横剖面一般为圆形，但当直径较大，　

为充分发挥桩、身材料强度，节约混凝土，也可做成空心　园环形，墩底为锅底形，或为圆台（柱）形。　

大直径扩底墩其功能：①可穿透软弱土层支承到坚硬　土层上，利用深层土的承载力；②可利用桩侧摩阻力平衡　

部分上部荷载，扩底桩一般以端承力为主的桩基，摩擦力　

为辅，当桩身较短可忽略摩擦阻力作用。大直径桩类型及　

断面选择应因地制宜，综合考虑当地的施工设备机械性能、　

地层土质、地下水位情况、场地环境条件以及上部结构类　

型、荷载大小与性质等因素，力求做到技术先进，经济合　

理，确保工程质量。　

扩底墩明显的特点，具有刚度大，承载力高。单桩承　载一般为１０００～５０００ｋＮ，高者可达上万千牛，且无需承台　

梁，结构简单，受力明确，传力直接。　大直径扩底墩从施工角度看，我国大直径钻孔机械不　

够发达，目前大直径扩底墩，多为人工挖孑Ｌ成形，可在土　层，岩层中进行挖掘，最大桩长在土层中已达３５ｍ，岩层　

中３０ｍ，最大直径３．２ｍ。人工挖孔施工机具简单，便于　

施工。　

４人工挖孔大直径桩施工方法　

人工挖孑Ｌ大直径桩，指人工挖掘，逐段边开挖，边支　

护浇注混凝土护壁，待桩孑Ｌ成形后一次完成浇注钢筋混凝　土桩身的桩。人工挖孔最小内径￣８００ｍｍ，实际施工开挖　

最小直径￣１０００ｍｍ。山西吕梁沙曲矿井二号转载点至产品　

装车仓过河胶带输送机栈桥，全长５１１．７８２ｍ，宽６ｍ，其中　

跨越河流３００ｍ长，采用６０ｍ预应力钢桁架，桥架支柱下　

采用人工挖孔大直径桩，桩径￣１５００ｍｍ。在结构中多以单　

桩式出现，不需要承台梁（板）组成群桩，可用地梁连结。　

若嵌入岩层，则嵌入深度应大于５００ｍｍ，也可支承于未风　

化岩层或坚实土层上。护壁的作用是稳定桩孔周围土层，　

保证施工安全和桩芯质量。护壁设置与否根据地质条件和　

桩长而定，一般在地下水位以上施工，且桩长小于１０ｍ，　

对硬塑、坚硬状态的粘性土，密实的老粘土可不设护壁。　

但在地下水位以下或风化岩层，软弱土层中开挖必须设置　护壁，影响挖孔的主要条件是地下水和流砂，而土质的软　

硬程度只决定于护壁或支撑的形式。通常护壁形式为截头　圆锥形，外壁圆柱，内壁锯齿这种形式最多用，或内外壁　

均为锯齿，或内外壁都为锯齿同时逐次向下扩大，各种形　

式施工各有繁易之处，如外圆内齿式开挖易，支膜繁；也　

有相反的内圆外齿式，开挖稍繁支膜则易。但外齿式受力　

性能有优越性，可以利用变截面处的支承力增大护壁的竖　向抗滑力。对软弱土层特别是淤泥地层更为适宜。其护壁　

厚度可随桩深而增大，桩径也随深度扩大。挖孔桩护壁厚　

度耋１００ｍｍ，采用边挖边支护的分节施工方法，每节深度　

５００～１０００ｍｍ，桩身混凝土浇注应从底部到顶一次完成，　

浇注时需用漏斗和串筒下送料使混凝土自由落下高度不超　

２６　过２ｍ。扩底墩承载力大，故必须保证质量，除设计取值安　

全可靠外，施工时浇注混凝土前清孔检查逐一逐项验收，　为检验桩的承载力，必须现场载荷试验，桩断面的选择是　根据工程受力条件及地质条件决定的，至于桩径则由承载　

力计算来决定。　

５大直径扩底墩设计原则及计算方法的适用性　

根据桩基设计原理，按土的阻力确定桩墩容许承载力，　

根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，确定单　桩竖向极限承载力标准值时可按《建筑桩基技术规范ＪＧＪ９４　

２ｏｏ８））５．３．６：　

Ｑ　＝Ｑ　＋Ｑ　＝Ｍ　ｇｍｚ　＋　Ｐ　Ｐ　

式中Ｑ　Ｑ　——分别为单桩总极限侧阻力和总极限端阻　

力标准值；　

Ｑ　——单桩竖向极限承载力标准值；　ｑ　、ｇ　——分别为桩侧ｉ层土的极限侧阻力标准值　

和极限端力标准值（ｇ　对于扩底桩变载　

面以下不计侧阻力）；　

——大直径桩（墩）侧阻、端阻尺寸效应系数；　ｕ——桩身周长；　

ｚ　——桩ｉ层土的桩身长度；　桩端面积（扩底墩的面积）直径取扩大断面之　

直径。　

式中忽略桩墩自重，此法考虑扩底墩的工作状况以桩　

的作用为主，利用桩侧摩阻力和桩端反力来平衡上部荷载，　适用于桩侧土与墩底土均较坚硬、密实，或墩底土强度大　

于桩侧土强度的地质条件，前者相当于摩擦桩，后者相当　

于端承桩（桩侧摩阻力较少时可忽略）。从扩底墩的施工特　

点：机械或人工在天然地基上挖孔浇注成形，桩侧地基土　

整体说来未被扰动，保持原结构，各土层颗粒间都有一定　

的凝聚力，墩基础沉降很小时，其上土层并不随之沉降，　而是与其产生缝隙继而脱空，保持天然土层的整体性，因　

此土层重量没有作用在墩上，不传给地基，扩底墩只独立　

沉降。　

扩底墩设计的关键是侧摩阻力与墩底反力的计算，因　

为它似桩非桩，兼有扩展式基础，故计算时必须与普通桩　

有所区别。　１）关于桩侧摩阻力问题。扩底墩具有桩的功能，可以　

利用桩侧摩阻力支承上部荷载，桩墩长摩阻力所占比例越　

大。当桩身（墩身）高度小于６ｍ时，可不计桩侧摩阻力，　

摩阻力通过桩杆和其周围土层的相对位移发挥出来，地层　

条件是影响的因素之一，一般土层摩阻力只占１０％一２０％，　因此必须根据工程地质的地层条件判断摩阻力的取舍，若　

墩底土强度甚大桩的位移很小，摩阻力不能发挥，如支承　

在砂卵石或基岩上的扩底墩可不计摩阻力，若桩侧土的强　度较小，是压缩扩大的软土，填土有慎重对待，这些土在　

荷载作用下还要继续固结沉降，若与桩墩沉降相同，没有　２０１　１年第４期　煤炭工程　

相对位移，不计摩阻力，若地基沉降超过桩墩沉降，则将　产生负的摩阻力，相当于增加外荷载，尤为不利。至于摩　

阻力计算长度问题，同大直径桩一样，考虑临界深度内的　

增长和超出临界深度为常量计算长度是宜取扩大端以上一　倍扩底高度，还要注意桩长的结构尺寸——有效桩长（从扩　

大端上缘计起的桩长，即摩阻力计算长度为Ｌ　＝Ｌ　效一　

扩高）。　２）关于地基承载力问题。桩端持力层容许承载力是指　

桩人土深度大于６ｍ，桩端面积为０．５ｍ　（直径０．８ｍ）时的允　许承载力确定进行压桩载荷试验，或深荷载旁压等原位测　

试和随施工进度对是建筑物的系统沉降观测，通过桩底标　高处深荷实验确定桩端容许承载力值，并考虑桩身自重造　

成的附加荷载。为了控制大小不同面积有相同变形的原则，　故随着桩端面积的增大，容许承载力要作相应的扩减。　

大直径扩底墩构造及一般规定：大直径扩底墩是以端　承力为主的桩基，应支承在承载能力较高的坚硬土层上如　

硬塑的粘性土，中密或密实的砂类土，砂卵石层等。　

扩底墩进入持力层的深度，粘性土和砂类土不小于　１．５ｍ，砂卵石层不小于０．５ｍ，基岩不小于（０．５～１．０）（，Ｊ　

为墩身直径）。　

布桩原则：根据上部结构类型及地基持力层的不同应　

区别对待，对柱基原则上应采用一柱一桩。其平面布置，　最小桩中心距为　

钻（挖）孔桩：１．５或Ｄ＋１Ｍ（当Ｄ≥２　）时　

沉筒夺扩桩：２．Ｏ（其中Ｄ为扩大端设计直径）　扩底墩的扩底端尺寸宜按下列规定确定（见图２）。　

薯　

Ｉ　．——　）＿一　Ｊ　

图２扩底桩尺寸示意图　

当持力层承载力低于桩身混凝土受压承载力时，可采　

用扩底，扩底端直径与桩身直径比Ｄ／ｄ应根据承载力要求　

及扩底端部侧面和桩端持力层土性确定，最大不超过３．０。　扩底端侧面的斜率应根据实际成孔及支护条件确定ａ／ｈ　

一般取１／３～１／２，砂土取约１／３，粉土、粘性土取约１／２。　

扩底端底面一般呈锅底形，矢高ｈ　取（０．１０～０．１５）Ｄ。　扩底墩的混凝土强极等级不应底于Ｃ２０，配筋应根据　

受力情况由计算确定，但纵向钢筋最小配筋率为０．４％，且　

不得少于８根，抗震设计或风载较大或墩长小于１５ｍ时，　墩身纵向钢筋应直伸到底；在非地震区且风载较小，以及　

墩长较大时，纵向钢筋可有一半到底（且不得少于８根），　

另一半可伸至１／２墩长。扩底部分不需要另行配筋。箍筋　可用螺旋箍或封闭单箍，宜采用环形焊接箍，直径不宜小　于８ｍｍ，间距２００～３００ｍｍ，在墩顶１．５ｍ范围内箍筋直径　

加大一级，间距缩小一倍，可每隔２ｍ左右设置一道直径为　１２ｍｍ或１４ｍｍ焊接加强箍筋。墩身纵向钢筋保护层厚度无