单桩承台式塔机深基础施工工法

江苏中兴建设有限公司

赵济生、黄林、生智勇、徐华荣、王晓松

1.前言

在较深回填土区，或软土地区土质等条件差的状态下，施工塔吊基础是较为麻烦的事，比较合理的塔基设计方案宜用桩基础。塔基采用桩基多用四根桩来承载，施工既复杂，又增加材料用量。本工法采用一根大直径的桩基础，即单桩承台式基础，来抵抗塔机的倾覆保持整体稳定性和满足地基承载力的要求，是在深回填土区和深基坑边施工塔机基础最经济合理的施工方法。单桩承台式塔机深基础，适用于不同土质类别的地基，不论是岩石或非岩石的土类，特别在西南部地区，采用人工挖孔灌注桩，风化泥岩为持力层，最为方便。该施工方法在重庆市区已实施八个塔机基础，回填土深度10～20m，取得良好的效果。本工法是塔机深基础新型的施工方法，技术先进，工艺简单，施工方便，具有创新性。

2．工法特点

2.1塔机采用桩基础时，一般设计为四根桩，本工法采用一根大直径桩基，是塔机深基础新型的施工技术。

2.2 单桩承台式塔机深基础的地基，适用于岩石和非岩石的土类，具有它的普遍实用性。

2.3施工方便，采用人工挖孔灌注桩施工时，不用钻孔机械，减少环境污染。

2.4减少施工程序，工艺简单，节省施工费用，具有良好成效。

2.5施工现场场地狭小，在深基坑边立塔时，采用单桩承台式塔机深基础最为合适。

本工法是深回填土区和在深基坑边缘处安装塔机时，最经济合理的塔机基础施工方法。

3．适用范围

本工法用于回填土石方较深的场地和软土地区，也适用于直壁开挖的深基坑地下室基础、在靠近坑外侧立塔，并采用人工挖孔灌注桩施工的桩基础。

4．工艺原理

单桩承台式基础，是承台基础和桩基的联合体，承台支撑塔机，桩基传递荷载，它们共同起到抵抗塔机的倾覆，保持整体稳定性，和满足地基承载力的要求。随着不同地区的不同风荷载，塔吊基础的受力最大值也不一样，还有在不同的地基土质状态的影响下，塔吊基础的设计和施工是因地而异的。所以说，不论什么型式的塔机基础，它只是提供一种设计方案，还需因地制宜地重新进行设计计算。

5．施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

5.1.1塔机基础的设计计算→塔机基础施工。

5.1.2塔机基础的设计流程

塔机基础抗倾覆的计算模式→确定承台和桩基的设计尺寸→塔机单桩基础桩顶水平位移计算→桩底地基承载力计算→承台配筋计算。

5.1.3塔机基础施工工艺

放线定位→承台基础开挖→人工挖孔桩施工→桩基和承台基础钢筋绑扎→预埋塔机地脚螺栓→浇筑基础砼→砼养护。

    5.2操作要点

5.2.1 单桩承台式塔机深基础受力计算模式

固定式塔机基础的计算必须满足两项要求：一是能保证塔机在各种不利工况下，其产生的荷载均能由基础来平衡而保持整体的稳定性；二是在承受塔机的上部传送的荷载到基础后，加上基础自重再传给地基时不会超过地耐力。

采用有桩基础的承台，特别是单桩承台基础，与筏板式承台基础的结构型式不同，它的受力计算模式不适宜采用《塔式起重机设计规范》（GB/T13752-1992）中塔基抗倾覆稳定性及地基承载力计算方式，需寻求新的计算模式。

塔机单桩基础考虑土的作用，在深回填土区或软弱土质中埋置一定的深度，在塔机非工作工况时的倾覆力矩和水平推力的作用下，计算桩基础的桩顶水平位移，当桩顶位移在允许位移值范围之内，则桩基础是安全的，它能满足抗倾覆稳定性的要求。

塔机单桩基础还需满足地基承载力的要求，所以要求塔机单桩基础地基的持力层，必须座落在老土层上，满足偏心受压作用下的地基承载力要求。

5.2.2 塔机基础的抗倾覆设计计算

1、确定承台和桩基的设计尺寸。

1）承台基础设计尺寸：平面尺寸b为4m×4m，高度为1.3m。

2）桩基础的设计尺寸：直径d=1.5m，桩深h=10m。

3）当桩基较深、直径较大时，则承台基础的平面尺寸b可缩小成3.5m，高度变成1.2m。

2、塔机单桩基础桩顶水平位移计算（m法，αh＞2.5）

1）基本资料

以QTZ-63型塔吊为例，打一根圆形截面桩，直径d＝1500mm；桩入土深度h＝10.00m。

桩类型：桩身配筋率＜0.65%的灌注桩；

桩顶约束情况：桩与承台为固接；

混凝土强度等级 C30，f t＝1.43N/mm2，Ec＝30000N/mm2，

桩身纵筋（竖向钢筋）16@250，共18根，As＝3617.28m㎡，螺旋箍筋Ф8@200，加强筋Ф14@2000；钢筋弹性模量 Es＝200000N/mm2；

桩身配筋率：；

土质状况：软弱土、回填土，地基土水平抗力系数的比例系数取m=4MN/m4，基本为最小值。

2）桩的水平位移计算

在塔机倾覆力矩和水平推力的作用下，通过计算桩的水平位移x0=7.746mm＜xOα=10mm；桩是安全的，塔机单桩基础桩顶水平位移在规范的允许值内，所以单桩承台式塔机深基础的抗倾覆稳定性满足要求。

详细计算方法见附录。

5.2.3 桩底地基承载力计算及应用

单桩基础不能利用《塔式起重机设计规范》导出的地基承载力计算公式，按照建筑地基基础设计规范《GB50007–2002》中的地基承载力有关公式进行计算。

基础底面边缘最大压力值PKmax=+≤1.2fa。

桩基础承受的垂直力QK=N+GC=4+（42×1.3+3.14×0.752×10）×25=1426KN；

桩基础承受的力矩MK=M倾+1.3H=1347+1.3×67=1434KN·m。

按偏心受压公式计算，则

PKmax=+=+

=807.4+4330=5137.4KN/m2=5.14N/mm2。

1、当为岩石地基

1）中风化岩石，岩石地基承载力特征值fa=·，式中折减系数=0.5，泥岩天然湿度单轴抗压强度标准值取=9N/mm2，则fa=0.5×9×1.2=5.4N/mm2＞PKmax=5.14N/mm2，满足地基承载力的要求。

2）强风化和全风化的岩石，可参照所风化成的相应土类，取相应的承载力修正系数，进行承载力的修正。

岩石的单轴抗压标准值，需对基岩取样做抗压强度试验，如满足不了要求，则采取扩大底部桩头直径的技术措施。

2、对非岩石的土类地基，桩基础必须座落在老土层上，也必须采取桩底扩孔的技术措施；并根据埋置深度和桩底直径对地基承载力特征值进行修正，来满足地基承载力的要求。

5.2.4 塔机基础施工

1、放线定位：根据建筑物的平面图，确定塔吊位置，放出塔机的基础位置。

2、承台基础开挖。

3、人工挖孔桩：挖孔→护壁→直到老土层或岩石层→验收、检底。

4、基础钢筋绑扎：浇垫层砼→桩基钢筋安装就位→绑扎承台钢筋。

5、预埋塔机地脚螺栓：根据塔机基础图，放线预埋地脚螺栓，用模具或机座固定位置。

6、浇筑基础砼，先浇桩基砼，后浇承台砼，并制作砼试压块。

7、砼养护，覆盖麻袋浇水养护。

6. 材料与设备

6.1 主要材料

6.1.1 钢筋，HPB235，Ф8∽10圆钢 

           HRB335，Ф14∽20螺纹钢

6.1.2 塔机基础地脚螺栓

6.1.3 砼，C30

6.2 主要设备

6.2.1 铁铣、镐头。

6.2.2 运土器具。

6.2.3 砼泵车，振捣器，浇筑砼。

7．质量控制

7.1 桩基开挖必须到达老土层，而且持力层承载力符合设计要求。

7.2 钢筋绑扎按图纸要求实施。

7.3 地脚螺栓位置准确，用模具固定。

7.4 基础砼表面必须平整，达到塔机安装要求。

7.5 本工法参照的规范：塔式起重机设计规范GB/T13752-1992。

7.6 本工法遵照的规范：建筑地基基础设计规范GB50007–2002；

建筑桩基技术规范JGJ94–94；宁波市建筑桩基础设计与施工细则（2001甬DBJ02-12）。

8．安全措施

8.1 施工人员戴好安全帽。

8.2 挖孔桩较深时，上面由专人照管孔内施工人员，并设置36V低压照明，采用防水罩安全灯具。为防止地毒，必要时进行送风。

8.3 对土质较差的孔壁，需做钢筋砼护壁，防止塌孔。

8.4 如有地下水，需及时抽排水，防止塌孔。

8.5 电器设备由专人管理维护，并安装漏电保护器。

8.6  桩口四周设置护栏。

9.环保措施

9.1 用风镐打岩石时，减少施工噪音。

9.2 夜间不施工。

9.3 运输出土渣的车辆，必须覆盖封闭，防止土尘飞扬。

10．效益分析

一根大直径比四根小直径的挖孔桩，节省护壁材料，少挖土，节省砼和钢筋，而且施工方便，减少污染。四根ф800的挖孔桩，每米长的砼用量为2m3，而一根ф1500的挖孔桩，每米长的砼用量为1.76 m3,,而且节省承台中的暗梁钢筋,其它用量相应的也减少。如采用ф600的钻孔灌注桩基础4根，桩基砼量虽小，但需增加钻孔机械费用，现场污染也大。通过计算每个基础节约施工费用约3500元，经济数值虽不大，但比值较大，占塔机基础费用约1/6的节约率。它的施工工艺简便，节省施工材料，减少环境污染，具有较好的社会效益。

11．应用实例

11.1 本工法在重庆地区应用，2006年5月份施工的重庆电子科技职业学院新校区，9栋6～7层楼的教学楼工程，共安装塔吊12台。其中A3、A5和A7教学楼，场地回填为土夹石，深10～12m，这三台塔吊基础，都采用本工法施工的单桩承台式基础，桩基为人工挖孔灌柱桩，取得较好的效果。

11.2  2007年11月施工的重庆恒大城首期工程，12栋32层的高层建筑，建筑面积21.5万m2。该场地为深回填土区，回填土深度为13～20m，现场布置六台塔吊，其中五台都采用本工法施工的塔机基础，确保了塔吊的安装和工程施工，取得良好的效果。

附录：

塔机单桩基础桩顶水平位移计算（m法，αh＞2.5）

1）基本资料

以QTZ-63型塔吊为例，打一根圆形截面桩，直径d＝1500mm；桩入土深度h＝10.00m。

桩类型：桩身配筋率＜0.65%的灌注桩；

桩顶约束情况：桩与承台为固接；

混凝土强度等级 C30，f t＝1.43N/mm2，Ec＝30000N/mm2，

桩身纵筋（竖向钢筋）16@250，共18根，As＝3617.28m㎡，螺旋箍筋Ф8@200，加强筋Ф14@2000；钢筋弹性模量 Es＝200000N/mm2；

净保护层厚度C＝50mm；

钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值=6.667；

桩身配筋率：；

桩身换算截面受拉边缘的表面模量：

π×1.500/32×[1.5002+2×(6.667-1)×0.20%×1.4002]＝0.3377m3；

桩身换算截面惯性距：I0＝WO×d/2＝0.3377×1.500/2＝0.253m4；

桩身抗弯刚度EI：对于钢筋混凝土桩，EI＝0.85×Ec×Io

EI＝0.85×30000×106×0.253＝58.51MN·m2

2）桩的水平变形系数

桩侧土水平抗力系数的比例系数

查表2-1，取m=4MN/m4；

      地基土水平抗力系数的比例系数m表         表2-1

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－94），求桩的水平变形系数，当直径大于1米时，b0=0.9（d+1）= 2.25米：

3）桩的水平位移计算

按塔吊高度基础最大荷载计算，见表3-1。

计算单位力作用于桩顶时，桩顶的水平位移和转角，根据《宁波市建筑桩基础设计与施工细则》（2001甬DBJ02-12）和《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－94）计算。荷载计算简图如图3-1，塔机基础受力简图如图3-2。

 QTZ-63型塔吊高度基础最大荷载（重庆地区）  表3-1

（1）单位水平力（H=1）作用于桩顶时，桩顶的水平位移与转角按下式计算： 

当桩的换算深度=0.268×10=2.68时，式中=3.0586， =1.9724（插入法），见表3-2。

（2）单位弯矩（M=1）作用于桩顶时，桩顶的水平位移与转角按下式计算： 

（位移互等定理）

当=2.68时，式中=1.9634（插入法），见表3-2。

、、影响函数表       表3-2

《宁波市建筑桩基础设计与施工细则》（2001甬DBJ02-12）

（3）计算在水平力与弯矩M作用下桩顶的水平位移和转角。

其中：M=1347+H×1.3=1434.1kN·m

=7.746mm＜=10mm，桩是安全的。

——桩顶的水平位移容许值，当以位移控制时取10mm。

=1.911×10-3（rad）

塔机单桩基础桩顶水平位移在规范的允许值内，所以单桩承台式塔机深基础的抗倾覆稳定性满足要求。

4）计算桩身最大弯矩及其位置：

先计算：

从表3-3中按与查得值（插入法）：0.4362

最大弯矩在地面下1.628米处。

从表3-3中按和查得值（插入法）：1.0531

桩身最大弯矩截面系数、最大弯矩系数              表3-3