改“超灌-截桩头”为“负差-补桩头”施工工艺工法的理论和经济可行性研究
一、“超灌-截桩头”传统施工工艺存在的问题
《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中对不同类型灌注桩的混凝土超灌高度作了具体规定：
6.3.30（泥浆护壁成孔灌注桩）灌注水下混凝土的质量控制应满足下列要求：应控制最后一次灌注量，超灌高度宜为 0.8～1.0m，凿除泛浆高度后必须保证暴露的桩顶混凝土强度达到设计等级。 6.4.11（长螺旋钻孔压灌桩）压灌桩的充盈系数宜为 1.0～1.2。桩顶混凝土超灌高度不宜小于 0.3～0.5m。 6.5.4（沉管灌注桩和内夯沉管灌注桩 ）成桩后的桩身混凝土顶面应高于桩顶设计标高 500mm 以内。
《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202 2002则不加区分基桩的施工工艺，在桩基础的一般规定中，5. 1. 4条统一规定为：灌注桩的桩位偏差必须符合有关规定，桩顶标高至少要比设计标高高出0.5m。
基桩施工中混凝土灌注高度高于设计高度（超灌）的规定，主要是考虑到混凝土灌注过程产生的浮浆（泥浆跟砂浆混合物）强度较低，为了保证桩顶混凝土截面的面积和强度不低于设计要求而采取的施工措施，并由此产生了一个工种或工艺，截桩头，俗称“破桩头”。
由于质量验收规范仅仅规定了超灌的下限，而并无上限的规定，甚至认为超灌越多质量越好，再加上基桩施工中桩顶标高控制相对难度较大等原因，实际施工过程中，除了400mm-500mm小直径长螺旋钻孔压灌桩可以控制超灌高度在500mm以上，大多数混凝土超灌高度多在1米以上（例如2012年天津市建设工程预算基价定额说明中明确：截凿混凝土钻孔灌注桩子目按截凿长度1.5m以内且一次性截凿测算编制），有些甚至达到3、4米，“破桩头”如同“伐树”，甚至发生破桩头时将人砸死的安全事故，反映出实际工程中的超灌量或超灌高度是比较大的。桩顶混凝土超灌以及由此产生的截桩头施工工艺主要存在桩头质量、环境污染和经济浪费等以下3个方面的问题：
（1）桩头质量。自2008年以来，建筑用工成本急剧上升，目前建筑蓝领工人的薪资水平已经达到了普通白领工资水平的3倍左右；根据全国总工会新生代农民工问题课题组2011年发布的《关于新生代农民工问题的研究报告》，传统农民工在建筑业中的从业比例为12.3%，而新生代农民工只有3.7%，大批过去的熟练技工逐年退休也不愿意让自己的子女再接班干建筑；2013年我国适龄就业人口数量达到峰值，由于施工现场苦、脏、累、险，我国的建筑产业将首先失去人口红利。为了避免破坏基桩，在接近桩头的部位应当由人工挖土，但由于人工费用高、效率低，尽管规定机械挖土时应保留足够厚度的保护土层，但在实际施工作业中，保护土层的厚度往往得不到保证，从而引起日益严重的断桩事故。
大型土方施工机械引起断桩的主要原因是设备重量大，侧向挤压桩间土，施工机械作用于桩头附近的侧向挤土压力相当于在桩头施加一水平力，桩头在土方施工阶段处于自由状态，而桩间土对基桩的约束作用随深度增加，达到一定深度以后可视为固结嵌固，侧向挤土水平力对桩身产生的弯矩大约在5-10米左右达到峰值，地基土越软则峰值深度越大，而这一深度恰恰就是常见的发生断桩的位置；另外，由于大型土方施工机械挖机的挖斗在桩头附近进行作业，难免会与桩头发生碰撞，从而引起桩头的破坏，通常是浅层断桩。
随着用工成本增大和建筑产业资本有机构成的提高，接近桩头部位的人工挖土作业减少，极易产生上述质量问题，而超灌和截桩头的施工工艺，使桩顶标高超过了设计标高，又极大地增大了产生上述质量问题的概率，而且深度大于2米以上的断桩由于不易处理又不影响静载条件下基桩的竖向承载力，往往不作处理，对基桩遭遇地震等水平荷载留下了安全隐患。
此外，在破桩头的施工作业过程中，通常为采用风镐（空压机）或钢钎打入，先将钢筋暴露，再将钢筋笼内部的混凝土沿圆周一般打入3个点，利用张力使上部的一段桩头和下部的脱离，欧洲桩头破除时采用的机械挤压破碎法和整体截除法所利用的原理与此类似，均是利用混凝土材料抗拉强度低的特点，在桩身施加集中外力，使桩头混凝土在预定位置形成水平裂缝，由于混凝土受拉破坏具有突变性，混凝土一旦断裂就会产生较大的位移，有可能使混凝土中的钢筋受到损伤。
（2）经济浪费。以平均桩长20米、超灌1米粗略计算，超灌引起的工程直接损失大约5%，在造价工程量计算规则中，通常规定“人工挖土或机械挖土凡是挖至桩顶以下时，土方量应扣除桩头所占体积”，也反映出超灌量并不是一项可以忽略的工程量；此外，截桩头、凿桩头等作业还要增加一笔费用，各地定额计价和取费方法不同，有些以混凝土方量计算（市场价大约每立方300元），有些以数量计算，例如安徽省2001年综合估价凿截每根桩头定额基价为106.15元，而市场价已远在此定额价格之上。
（3）环境污染。所截掉的桩头属于建筑垃圾，破碎成本高且材质不均，可再生利用的价值较低，如果没有碰巧遇到填海、高填方等工程，处理方法多为露天堆放，占用耕地污染环境。
二、用“负差-补桩头”施工工艺解决上述问题的思路
1、将目前处理桩身浅层缺陷的方法发展为通用工法
图1 接桩头示意图（现有技术）
2、进一步发展改进为桩伴侣构造措施
以400mm直径CFG桩（长螺旋工艺）配伴侣为例来简述一个伴侣现场浇筑施工方案（参见图2）：
（1）、基桩施工控制桩顶标高， CFG桩停止浇灌混凝土的高度为天然地基设计标高以下500mm，不考虑截桩而增加浇注高度；
（2）、机械开挖至天然地基设计标高，此时地表土距离桩顶500mm，可以最大限度避免桩头截断；
（3）、人工在桩头周围向下开挖1000mm，黄土直立好则不放坡或适当放坡，上端直径1400-1500，下端直径1200；
（4）、桩头部位凿去或磨去浮浆20-200mm；
（5）、桩头坑内侧壁和底部砂浆抹面2-5mm；
（6）、放置伴侣钢筋笼（环筋和纵筋）；
（7）、分别套内、外衬钢模，浇注混凝土，其中：内衬钢模内径450mm，高度400mm，中桩适当增大高度，边桩角桩适当减小高度（变刚度调平），内部浇注砼补桩头（可铺设聚苯板预留净空）；外衬钢模外径800mm，高度800mm，外部浇注砼做伴侣；
（8）、养护3天脱模；
（9）、坑内进行素土回填，夯填度根据设计，中桩适当增大夯填度或者增大桩顶标高，边桩、角桩适当减小夯填度或者降低桩顶标高（变刚度调平）；
（10）、铺设100mm素混凝土垫层（桩头局部100-250mm），刷冷底子油，做卷材防水，伴侣纵筋钢筋部位局部增设止水环；
以下施工顺序与常规工艺相同，例如防水层保护砂浆；绑扎基础地板钢筋，浇注混凝土，等等。
图2 桩伴侣现场浇注施工方案示意图（创新技术）
三、“负差-补桩头”施工工艺的优点
1、补桩头扩大了桩身上部的截面积，从设计角度来说，如果有意识地设计“负差-补桩头”的高度和强度，即将等截面桩设计为变截面桩、变强度桩，可以降低对刚性基桩中部、下部材料的强度要求。
2、《建筑桩基技术规范》特别强调对承台周边回填土的夯实，但在实际施工中，由于场地狭小、人工费用高，而且不影响静载条件下基桩的竖向承载力，如果不发生周边环境导致压力差或地震时也质量问题不会暴露，而这类其实是自身内部因素造成的质量问题又可以推卸给外部因素，因次，施工、监理、业主甚至设计人员自身在主观上和客观上都会忽视这一问题，过分强调也被认为是吹毛求疵、小题大做，“负差-补桩头”的现浇方案对地表土无扰动，并且执行了桩基规范最严格的素混凝土回填，“负差-补桩头”施工工艺通过体制上的设计，能够最大限度地杜绝这样的质量隐患。
附：《建筑桩基技术规范》解说4.2.7 承台和地下室外墙的肥槽回填土质量至关重要。在地震和风载作用下，可利用其外侧土抗力分担相当大份额的水平荷载，从而减小桩顶剪力分担，降低上部结构反应。但工程实践中，往往忽视肥槽回填质量，以至出现浸水湿陷，导致散水破坏，给桩基结构在遭遇地震工况下留下安全隐患。设计人员应加以重视，避免这种情况发生。一般情况下，采用灰土和压实性较好的素土分层夯实；当施工中分层夯实有困难时，可采用素混凝土回填。
3、“负差-补桩头” 施工工艺可以便捷地实施桩身的主筋不直接插入承台而仅以补桩头钢筋进入承台的桩头构造，真正实现桩头构造的“半刚度”设计，对于减小桩身的峰值弯矩有利。
4、由于桩头采用现场“补”浇筑混凝土，可以在“补”之前进行防水施工处理，防水质量可控；而“超灌-截桩头”只能在桩的外侧做防水，质量难以保证。
5、从体制上彻底解决“超灌-截桩头”传统施工工艺存在的桩头质量、环境污染和经济浪费等问题。
希望寻求合作，实现该项目成为国家级工法，并进入相应设计规范。
