人工挖孔桩与地挑梁相结合在旧城改造中的应用

摘要：随着我国国民经济的发展和城市化进程的不断加快，旧城区的改造成为了我国大部分城市城建工作中的一项重要内容。但是，旧城区大多为上世纪60~80年代建设完成，建筑物的布局较为密集，在改造过程中经常会遇到一些新建筑与古建筑或者那些有特殊纪念意义建筑毗邻的情况，施工现场也多为居民区，这就对施工提出了许多新要求。本文首先对人工成孔桩的有关情况进行了介绍，重点对其构造、设计、施工工艺进行了探讨，最后对人工挖孔桩的优点及适用范围进行了总结。

关键词：人工挖孔桩；旧城改造；地跳梁；混凝土护壁

1 引言

随着改革开放的深入进行，我国的国民经济得到了飞速的发展，人民群众的生活水平逐渐提高，城市化进程也不断加快。近年来，农村人口开始向城市集中，人口增加与土地资源短缺的矛盾逐渐成为了城市发展中不可忽视的一个重要问题，就目前的实际情况来看，我国大部分城市的旧城区基本为上世纪60~80年代建设完成，无论是在整体规划上还是在建筑层数上都已经无法满足城市现代化发展的要求，因此，旧城的改造就成为了当前城市建设中的一项重要内容。

在对旧城区的改造过程中，经常会遇到一些新建筑与古建筑或者那些有特殊纪念意义建筑毗邻的情况，而且旧城区的土质也大多属于杂填土，因此适合采用预制桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩等桩基形式。为了对其中人工挖孔桩的应用范围等情况进行讨论，本文结合某工程实例，对人工挖孔桩进行探讨，并针对有关问题提出一些意见和建议。

2 工程概况

本次研究所涉及的工程为某公司承建的住宅楼，该住宅楼的施工现场位于城市的旧城区，并且与几栋具有特殊纪念意义，需要保留的建筑物毗邻，工程的地质情况详见表1。

表1 工程地质情况

在设计过程中，主要对有关方案和模式进行了如下比较：如果采用条形毛石基础，虽然会降低施工难度，但是由于施工现场的杂填土层过厚，因此强度和变形均不能满足建筑的设计要求，故舍弃；如果采用沉管灌注桩，虽然能够在降低施工难度的同时确保强度和变形符合设计要求，但是该方法的振动干扰比较严重，容易对周围需要保护的建筑物的稳定性构成威胁，故舍弃。因此，建设方最终决定采用人工挖孔桩作为基础形式进行施工。

3 人工挖孔桩单桩承载力计算及构造要求

3.1 对于单桩承载力的计算

在进行初期设计时，可根据以下公式完成对单桩容许承载力的计算：

摩擦桩：R =ηq A +μpΣq +L

端承桩：R =ηq A

在公式中，R 表示的是单桩竖向承载力的标准值；η表示的是土质的容许承载力随着桩端面积增大而发生变化的折减系数；q 表示的是桩端土质承载力的标准值；A 表示的是桩身的横截面积；μp表示的是包裹桩身土质摩擦力的标准值；L 表示的是各段桩长；

根据有关标准和规范的要求，在按端承桩对嵌岩灌注桩进行设计时，要确保桩底部三倍于桩半径的范围内不存在洞隙、断裂带或者软弱夹层，并且在桩端应力的扩散范围内也不应存在岩体临空面，要根据施工的具体条件、岩石强度等因素合理选择桩端岩石承载力的设计值。如果将基岩作为持力层，那么就需要在对桩身材料的强度和抗裂度进行验算后才能对单桩容许承载力进行确认。如果人工回填土的厚度较大，或者桩长超过了7m，就不需要再考虑桩周土的容许摩擦力。

3.2 对于构造的要求

人工挖孔桩主要由三部分组成，分别是桩帽、桩身和扩大头，在成孔后，还要在桩身的外侧设置钢质或混凝土材质的护壁。一般来说，桩身直径应超过0.8m，如果护壁材质为混凝土，那么平均厚度应超过0.1m。根据工程地质条件的差异和上部结构荷载的不同，可以选择将桩直接打入基岩或是设计成扩底的型式。如果选择设计扩底，那么应将扩大头斜面的宽高比限定在1:2之内，将扩底的直径限制在桩身直径的2倍左右，且不应大于桩身直径的3倍，具体数值根据施工现场的土质情况而定。如果持力层为基岩，那么桩端的进入深度应大于1/2桩身直径，如果为其它土层，进入深度宜为（1~3）D，且不少于1.0m。

直桩的桩中距一般为桩体直径的2.5~3.5倍，扩底桩的桩中距一般不应小于3d,且不应小于2D，桩身以及混凝土护壁的混凝土型号应≥C15，配筋的设置主要通过实际工程中的具体参数而定，一般应≥0.3% ，并且要采用不少于8根的Ⅱ级钢筋。与主筋焊接成为钢筋笼的箍筋应尽量采用螺旋式8@200―300，，钢筋笼的长度一般应选为桩长的1/2，同时注意每隔2m左右要设置一道l2一l4的加劲箍，以便进一步增强钢筋笼的刚性。如果施工所在地为地震高发区，那么应该增加钢筋和箍筋的长度、直径和密度。

4 施工工艺

根据我国大部分城市旧城区的实际情况，人工挖孔桩的施工应按照以下流程进行：

在确定人工挖孔桩的桩位后，可由1~2名工人完成单独桩位的挖土工作，每日的掘进深度应该以1~2m为宜。每日的掘进工作结束后，应该完成护壁的设置和浇筑，并于次日将内模拆除，继续掘进。如此循环，直至孔深达到设计中的要求为止。在成孔并经过验收合格后，应对扩大头部分的混凝土进行及时浇筑，并在安装完钢筋笼之后及时浇筑混凝土成桩。按照上面的方法，每组每月大约能够完成4~5根桩的挖掘和浇筑。在扩大头部分的混凝土浇筑结束后，可集中进行桩身的浇筑，从而提高施工效率。

如果需要对采用人工挖孔桩是否合理进行判断，则应在全面开工前选择施工场地内地质情况最为复杂的若干个地段进行试挖孔，以便对土层的变化等情况进行实际了解。如果有可能引发流砂或是流泥，或者桩距较为密集，则应隔孔施工。如果施工现场的土质为透水性较低的粘土、亚粘土或是淤泥，则可直接挖掘至扩大头位置。

如果流砂、流泥的情况不是特别严重，可在挖掘的同时浇筑混凝土护壁；如果流砂、流泥的厚度小于2.5m，则可以通过厚度为3mm、高度小于3m的钢护筒进行强夯法一次穿透。如果流砂、流泥的厚度超过2.5m或摩擦力过大，则可采用二节钢护筒的方式进行处理。如果存在透水层，则可设置相应的排水管，以便降低水压的负面影响，在进行桩身的浇筑时再将排水管堵死。如果在挖掘过程中发现了中、粗砂土层，则可通过井点降水法来降低水位。

在进行人工挖孔桩的施工时，应该重点注意施工人员的安全问题，尤其是在土质较差的情况下特别容易在扩大头的变径部分发生塌方事故，所以在这一部分应采用喇叭型护壁进行防护。在深度大于20m的粘土、有机质淤泥土层进行施工时，应设置通风机向井下送风，确保空气中氧气含量，如果施工需要照明，应采用35V的低压安全用电等，并在水泵开关闸上设置漏电保护器，确保用电的安全性。另外，要注意对井口进行遮挡，避免杂物落入而将工作人员砸伤。

5 人工挖孔桩的适用范围

通过对工程实践的总结，笔者认为人工挖孔桩的优点主要集中在以下几个方面：

（1）施工场地的土质情况可以用肉眼进行分辨，因此成孔的质量能够得到有效保障。

（2）施工所使用的设备较为简单，对于场地和运输的要求较低，即便是在非常狭窄的环境中也能够顺利完成施工。

（3）施工对于电力的消耗较小，并且可以批量挖掘，施工周期较短。

（4）对于资金的需求也相对较小，并且桩底部为可以根据承载力的不同要求而随时扩大，灵活性较高。

据有关资料显示，人工挖孔桩的桩长在理想情况下能够达到60m，在实际工程中也能够达到约30m左右的长度，对于持力层的要求也比较宽松。并且桩底可随着承载力的提升而扩大，在绝大多数情况下都可以适应1000~10000KN左右的承载力变化。

如果地层中含有毒气，或者存在着内聚力C＜0.08的粉土、淤泥、轻亚粘土，并且含有承压水，就容易造成流砂或流泥。尤其是在斜长、云母含量较高的变质岩、花岗岩地区，极易诱发流泥，若施工现场的地质情况与上面所介绍的类似，则应避免采用人工挖孔桩的形式。

6 旧城改造新旧建筑衔接处的处理

由于建筑专业和土地征用中对于美观性有着一致的要求，因此在进行旧城改造时，审批部门都会要求新旧建筑之间最多只能留下变形缝的宽度，或者紧密的连结在一起。那些不愿意留出缝隙的改造工程经常会根据常规设计的要求放大脚的宽度，以达到寸土必争和美观的目的。对框架结构问题并不是十分明显，柱基和框架柱可以距离原有建筑物的基础的放大脚一定位置处设定，只需从柱子上挑梁，托起围护墙即可。

如果新建建筑为砖混凝土结构，那么传统的做法就是降低建筑物自重，将与之毗邻的建筑局部墙体改为轻质不承重墙，而新建建筑物从基础部分开始在每一层设施托墙梁和悬挑梁。但是由于在发生地震时，轻质墙体无法发挥出承重作用，并且会使工程墙体呈现出不闭合状态，降低整体刚度。挑梁设置过多，也不利于兼顾经济型，如果为了增加新建工程的抗震和整体性能而将轻质墙体改为承重砖墙，其基础宽度就会变得难以控制，并且挑梁根部会出现局部承压增大的现象。

图一基础挑梁示意图

从上图可知，p是外墙上部荷载传来的集中力，q是基础梁上部砌体形成的面线荷载，N是框架柱上部传来的轴力。h是基础梁的设计高度，此梁高度是根据上部结构传来的集中力p的大小而定。如果上部结构是砖混结构，p可能会很大，地梁h必须满足上部传来的p和q所产生的剪力和弯矩，一般情况下，四层楼以下可选择砖混结构;如开间跨度较大或上部层数为五层以上时，宜选用框架结构，可层层出挑梁，这样地梁的h就不会取很大。

根据目前的抗震要求，如上部结构是砖混结构的，在托梁上面应按规定设置一些构造柱以满足抗震要求，保证新建筑物的整体刚度。从地质情况而言，选用柜架结构时，应根据使用要求，e2值可相应加大，但又不能太大，外伸梁过大会增加投资指标，不利于兼顾经济型.因此，在设计过程中，应因地制宜，既考虑实用又兼顾经济更注意抗震安全。

7 结语

总的来说，人工挖孔桩的污染、振动和噪音都很小，并且施工不会对周边建筑物的使用功能和安全造成威胁，因此在旧城区建筑群内的施工中，是首选的桩型之一。

注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看