高层建筑桩基施工方法简介.ppt

高层建筑灌注桩施工方法简介,在世界各国的深基础工程中，桩基是主要手段，而在桩基中应用最广泛的是混凝土灌注桩。在高层建筑、桥梁工程中大直径混凝土灌注桩的应用越来越普遍，这是由于它具有一系列优点： (1)单桩承载力高，一根桩可以承受几百吨乃至几千吨，能满足高层建筑的框架结构、筒体结构和剪力墙结构体系的需要，由于单桩承载力高，可以作到一根柱子下面只有一根桩，可以不作承台； (2)岩层埋藏较浅时，大直径灌注桩可以嵌入岩层一定深度，使桩更加结实牢固； (3)大直径灌注桩由于成孔直径大，施工时下放钢筋笼方便，灌注水下混凝土也易于保证质量； (4)大直径灌注桩既能承受较大的垂直荷载，也能承受较大的水平荷载，而且能嵌入地层一定深度，其抗震性能也较好，同时沉降也小，能防止不均匀沉降。 (5)灌注桩施工不存在沉桩挤土问题，振动和噪音均很小，对邻近建筑物、构筑物及地下管线、道路等的危害极小。 但是，混凝土灌注桩的成桩工艺较复杂，尤其是湿作业成孔时，成桩速度也较预制打入桩慢。且其成桩质量与施工好坏密切有关，成桩质量难以直,观的进行检查。 大直径的混凝土灌注桩，在我国高层建筑施工中得到愈来愈广泛的应用。北京、上海、天津、广州、深圳等地一些著名的高层建筑不少都是利用混凝土灌注桩。通过工程实践，在机械设备、成桩工艺和质量检测方面都取得长足的进步。 混凝土灌注桩的成孔，按设计要求和地质条件、设备情况，可采用钻、冲、抓和挖等不同方式。成孔作业还分为干式成孔(孔内无水)和湿式成孔(孔内有水)，分别采用不同的成孔设备和技术措施。湿式成孔时，需采用泥浆护壁，并用水下混凝土的浇筑方式浇筑桩身混凝土。,钻孔灌注桩施工可采用干式成孔或湿式成孔，成孔后吊放钢筋笼，灌注混凝土而成。施工时要保证设计要求的孔径、孔深和孔的垂直精度，并保证孔底松士沉渣厚度满足规范要求。 (一)干式成孔的钻孔灌注桩 干式成孔用螺旋钻机(图5-10)，它由主机、滑轮组、螺旋钻杆、钻头、滑动支架、出土装置等组成。由螺旋钻头切削土体，切下的土随钻头旋转并沿螺旋叶片上升而排出孔外。这种钻机效率高，无振动、无噪音，宜用于匀质粘性土，亦能穿透砂层。,用螺旋钻机成孔时，钻机就位检查无误后使钻杆慢慢下移，当接触地面时开动电机，先用慢速钻进，以免钻杆晃动，又易于保证桩位和垂直度。遇硬土层亦应慢速钻进。钻至设计标高时，应在原位空转清土，停钻后提出钻杆弃土。钻出的土应及时清除，不可堆在孔口。钻进时如发现钻杆不正常的晃动或难以钻进，应立即提钻检查，排除障碍。 钢筋笼宜一次整体吊入，如过长亦可分段吊，两段焊接后再徐徐沉放孔内。吊放钢筋笼时严防碰撞孔壁。 经检验合格后，应及时灌注混凝土，深度大于6m时靠混凝土下冲力自身砸实，小于6m者以长竹杆插捣，上面的2m用振动器捣实。 螺旋钻孔灌注桩目前在国内外发展很快。除上述用干式成孔的螺旋钻机施工法之外，还有下述几种方法： 1.大芯管、小叶片的螺旋钻机成桩法，这种钻机的钻杆芯管较粗，待钻至设计标高后，通过芯管下放钢筋笼，然后灌注混凝土，留下钻头、拔出钻杆即可。该法无振动、无噪音，是美国60年代开始使用的，现在欧、美一些国家仍在使用。,2日本的CTP工法 该法是用带普通螺旋钻杆的钻机成孔，待钻至设计深度后停钻，打开钻头底活门，然后边提钻杆边通过中空的钻杆芯管向孔内泵送混凝土直至孔口，然后向孔内混凝土中压入或打人钢筋笼而成桩。该法日本从70年代开始应用，目前欧洲各国仍应用较多。但该法混凝土的泵送压力小于2MPa，且向已灌注混凝土的桩孔内压入钢筋笼较困难，因而应用受到一定的限制。 3钻孔压浆成桩法 该法是我国的一项专利。其工艺原理是：先用螺旋钻机钻孔至预定深度，通过钻杆芯管利用钻头处的喷嘴向孔内自下而上高压喷注制备好的以水泥浆为主剂的浆液，使液面升至地下水位或无坍孔危险的位置处，提出全部钻杆后，向孔内沉放钢筋笼和骨料至孔口，最后再由孔底向上高压补浆，直至浆液达到孔口为止。成桩的桩径3001000mm,深度可达50m。 该法连续一次成孔，多次由下而上高压注浆成桩，具有无振动、无噪音、无护壁泥浆排污的优点，又能在流砂、卵石、地下水位高易坍孔等复杂地质条件下顺利成孔成桩，而且由于高压注浆时水泥浆的渗透扩散，解决了断桩、缩颈、桩间虚土等问题，还有局部膨胀扩径现象，因此单桩承载力由摩擦力、支承力和端承力复合而成，比普通灌注桩约提高1倍以上。,该成桩工艺，自1985年以来已在国内几百个高难度基础工程中成功应用，累计达几十万延米，也引起世界上许多国家的重视，技术在国际上领先。 (二)湿式成孔的钻孔灌注桩 湿式成孔钻孔灌注桩的成孔，可用冲抓锥成孔机、斗式钻头成孔机、冲击式钻孔机、潜水电站、大直径旋入全套管护壁成孔钻机(贝诺托Benote钻机)和工程水文地质回转钻机等。 1冲击式钻孔机成孔 该机主要用于岩土层中，施工时将冲锥式钻头提升一定高度后以自由下落的冲击力来破碎岩层，然后排除碎块后成孔。冲击式钻头重量一般为5003000kg，按孔径大小选用，多用钢丝绳提升。 在孔口处埋设护筒，稳定孔口土壁及保持孔内水位，护筒内径比桩径大300400mm，护筒高1.52.0m，用厚68mm钢板制作，用角钢加固。 掏渣筒用钢板制作，用来掏取孔内渣浆。 2潜水电钻成孔 潜水电钻是近年来应用较广的一种成孔机械。它是将电机、变速机构加以密封，与底部的钻头连接在一起组成钻具。可潜入孔内作业，以正(反)循环方式将泥浆送人孔内，再将钻削下的土屑由循环的泥浆带出孔外。,潜水电钻体积小，重量轻，机动灵活，成孔速度较快，适用于地下水位高的淤泥质土、粘性土、砂质土等，换用合适的钻头亦可钻入岩层。钻孔直径约8001500mm，深度可达50m。它常用笼式钻头(图511)。,3.斗式钻头成孔机成孔 斗式钻头成孔机国内尚无定型产品，多为施工单位自行加工。国外有定型产品，日本的加藤式(KATO)钻机即属此类，有20HR、20TH、50TH型号，钻孔直径5002000mm，钻孔深度60m。斗式钻头成孔机由钻机、钻杆、土斗、传动与减速装置等组成，如图所示。,钻机利用履带式桩机，钻杆由可伸缩的空心方钢管与实心方钢芯杆组成。芯杆的下端以销轴与斗式钻头相连。提起钻杆时，内、中钻杆均收缩在外套杆内，钻孔取土时，随着钻孔深度的增加，先伸出中套杆，后伸出内芯杆。电动机通过齿轮变速箱减速后作用于方形钢钻杆上，控制工作转速为7rmin。 用此法成孔的施工过程如图5-13所示先开孔，斗式钻头装满土后提出钻孔卸于翻斗汽车，然后继续挖土，待其达到一定深度则安设护筒并输入护壁泥浆，然后正式开始钻孔。达到设计深度后仔细进行清碴，接下来吊放钢筋笼和用导管浇筑混凝土。,用此法成孔的优点是：机械安装简单，工程费低；最宜在软粘土中开挖；无噪音、无振动；挖掘速度快。其缺点是：如土层中有压力较高的承压水时挖掘较困难；挖掘后桩的直径可能比钻头直径大1020；如不精心施工或管理不善，会产生坍孔。 4大直径旋入全套管护壁成孔(Benote)钻机成孔 贝诺特钻机首先用于法国，后来传至世界各地。它是利用一种摇管装置边摇动边压进钢套管，同时用冲抓斗挖掘土层。除去岩层，几乎所有的土质都可挖掘。该法是工大直径钻孔桩有代表性的三种方法之一，在国外应用较为广泛，我国在施工广州花园酒店的直径1200mm的灌注桩时，也曾使用过法国制造的贝诺特钻机。 贝诺特钻机的主要构造如图所示，施工时先将套管垂直竖起并对准位置，然后用摇管装置1将套管2边摇动边压入。套管长度有6、4、3、2和1m等几种供选用，一般多选用6m，套管之间用锁口插销进行连接。 摇管装置由夹紧器、摇动装置、上面的链条滑车以及压进和拔出用的千斤顶组成。施工时用摇动臂和专用的夹紧千斤顶将钢套管夹住，利用摇动千斤顶使钢套管在圆周方向摇动，同时尚可压进或拔出套管。由于摇动使套管与土层间的静摩擦消失，使套管借助自重和压进千斤顶的压力顺利地进行下沉。,用贝诺特钻机挖土时，在压入钢套管后，用卷扬机将冲抓斗(一次抓土量为0.180.50m3 )放下与土层接触抓土，然后将其吊起至位置4，再向前推出至状态5，此时靠钢丝绳操纵使冲抓斗的抓瓣张开，使土落至砂土槽6上，装于翻斗车运出。如此反复进行挖土，直至挖到设计规定的深度为止。在钻孔达到设计深度后，清除钻碴，然后放下钢筋笼，用导管进行浇筑混凝土，并拔出套管。,用贝诺特钻机施工时，保证套管垂直非常重要，尤其是在埋设第一、二节套管时更应注意。 为了保证能垂直的埋设套管，首先应当注意贝诺特钻机本身是否水平。在软土地基上安装机械，即使开始时呈水平状态，但在起吊和竖立套管时，由于重心位置前移，容易造成前方向下倾斜。此时，就应在地面上满铺枕木以扩大支承面积。挖掘开始时，应随挖掘随测定套管是否垂直，一旦发现套管倾斜，就要拔出套管，重新调正贝诺特钻机的水平。为保证桩体垂直，第一、二节套管必须谨慎地加以埋设。 用贝诺特钻机施工，会由于冲抓斗冲击、抓瓣抓土和地下水压力引起的翻砂等使桩尖处土层松软。也会由于套管刃脚与套管外围尺寸的差额、地下水及摇动套管等使桩周围的土层变松软，这对于砂性土尤为显著。由于上述原因，减少使桩周围土层变松软的范围(塑性区域)方法为： 为减少桩尖处土层的松软，在开挖时应使桩孔内的水位保持在地下水位以上，使地下水压不致产生翻砂现象，另外，桩尖处的土层应绝对避免超挖，还应该避免采用冲击方式挖掘桩尖处的土层。 贝诺特法的优点是： (1)相比较而言，无噪音、无振动；,(2)除岩层外，其他任何土质均可适用； (3)在挖掘时，可确切地搞清楚持力层的土质，便于选定桩的长度； (4)挖掘速度快，挖深大，一般可挖至50m左右； (5)在软土地基中开挖，由于先行压入套管，不会引起坍孔； (6)由于有套管，在靠近已有建筑物处亦可进行施工； (7)可施工斜桩，可用搭接法施工柱列式地下连续墙。 贝诺特法的缺点是： (1)因为贝诺特钻机是大型机械，施工时需要占用较大的施工场地； (2)在软土地层中施工，尤其是在含地下水的砂层中挖掘，由于套管的摇动会使周围一定范围内的地基松软； (3)如地下水位以下有厚细砂层时(厚度5m以上)，由于套管摇动会使土层产生排水固结作用，往往因此而不能继续向下挖掘； (4)由于冲抓斗的冲击会使桩尖处持力层变得松软； (5)根据地质情况的不同，已挖成的桩径会扩大410。,5、工程水文地质回转钻机成孔 回转钻机是目前灌注桩施工用得最多的施工机械，该钻机配有移动装置，设备性能可靠，噪音和振动小，效率高，质量好。该钻机配以笼式钻头，可多档调速或液压无级调速，以泵吸或气举的反循环或正循环方式进行钻进。它适用于松散土层、粘土层、砂砾层、软硬岩层等各种地质条件。其施工程序如图5-16所示。,回转钻机成孔工艺应用较多，现分别详述如下。 (1)正循环回转钻机成孔。 正循环回转钻机成孔的工艺原理图如图5-17所示，其设备简单，将常用的地质钻机、水文钻机等稍加改装即可。操作简单、工艺成熟。当孔深不太深、孔径800mm时钻进效果较好。当桩孔径较大时，钻杆与孔壁间的环形断面较大，泥浆循环时返流速度低，排碴能力弱。如使泥浆返流速度达到0.200.35ms，则泥浆泵的排量需很大，有时难以达到，此时不得不提高泥浆的相对密度和粘度。但如果泥浆相对密度过大，稠度大，难以挂出钻碴，孔壁泥皮厚度大，影响成桩和渣孔，这是正循环回转钻机成孔的弊病。 正循环成孔，专用钻机有GPS一10、XY5G、GJC40H等型号；改装后的钻机有SPJ-300、红星400、SPC一300H型等。,正循环回转钻机成孔的基本参数为： 1)钻压： 钻孔时，钻头是在钻压和回转扭矩作用下切削和破碎岩土而获得进尺切削下来的钻碴则由泥浆携出桩孔。为此，钻进时需有一定的钻压。钻压一般根据地层条件、钻杆与桩孔的直径差、钻头形式、切削刀具数目、钻具强度、设备能力等因素综合考虑确定。当用硬质合金钻进成孔时，每片切削刀具的钻压以8001200N或每颗合金的钻压取400600N为宜，可由此确定钻头的钻压。 2)转速： 转速的选择除满足破碎岩土的扭矩需要外，还要考虑钻头不同部位切削刀具的磨耗情况。 正循环回转钻机成孔时，根据岩土情况合理选择钻头和泥浆性能。下钻头后，先使其距孔底5080mm，开动泥浆泵，待泥浆循环35min后再启动钻机慢速回转，同时慢慢降下钻头，轻压慢转数分钟后逐渐增大转速和钻压而进入正常钻进。此时合理掌握和调整钻进的基本参数，不要随意提动钻具，掌握卷扬机钢丝绳的松紧度，减少水龙头晃动。加接钻杆时，先将钻头提离孔底，待泥浆循环35min后再拆卸加接钻杆。,正循环回转钻进由于需用相对密度大、粘度大的泥浆，加上泥浆上返速度小，排碴能力差，孔底沉碴多，孔壁泥皮厚，为了提高成孔质量，必须认真清孔。 清孔的方法主要采用泥浆正循环清孔和压缩空气清孔。用泥浆正循环清孔时，待钻进结束后将钻头提离孔底200500mm，同时大泵量泵入性能指标符合要求的新泥浆，维持正循环30min以上，直到清除孔底沉碴和孔壁泥皮，泥浆含砂量小于4时为止。 用压缩空气清孔时，用压缩空气机将压缩空气经送风管和混合器(图518)送至出水管，使出水管内的泥浆形成气液混合体，其重度小于孔内(出水管外)泥浆的重度，产生重度差。在该重度差作用下，管内的气液混合体上升流动，使孔内泥浆经出水管底进入出水管，并顺其流出桩孔将钻碴排出。同时不断向孔内补给含砂量少的泥浆(或清水)，形成孔内泥浆流动而达到清孔目的。 调节风压即可获得较好的清孔效果。一般用风量69m3min、风压07MPa的压缩空气机。出水管用100150mm左右的钢管，用法兰盘螺栓连接。混合器一般用1825mm的水管弯成，穿进出水管壁焊牢。混合器的下入深度，应满足L1/L20.60。,(2)反循环回转钻机成孔。 反循环回转钻进是泥浆从钻杆与孔壁间的环状间隙流入钻孔，来冷却钻头并携带钻屑由钻杆内腔返回地面的一种钻进工艺。由于钻杆内腔断面积比钻杆与孔壁间的环状断面积小得多，因此泥浆的上返速度大，一般达23ms，多是正循环工艺泥浆上返速度的数十倍，因而提高排碴能力，保持孔内清洁，减少钻屑在孔底重复破碎的机会，能大大提高成孔效率。,实践证明，反循环回转钻进成孔工艺是大直径成孔施工的一种有效的、先进的成孔工艺。这种工艺50年代初期当时的联邦德国首先应用于煤田钻井，后引起各国的注意，60年代初传至日本应用于钻孔灌注桩成孔施工，使这一工艺日趋完善。我国于70年代初期就开始试验反循环钻进成孔工艺，后逐渐应用于工程实践。 反循环钻进成孔工艺(图5-19)，按钻杆内泥浆上升流动的动力来源、工作方式和工作原理的不同，分为泵吸反循环钻进、气举(压气)反循钻进和喷射(射流)反循环钻进三种。它们各有其特点和量佳孔深。,它们都是浅孔时效率高，孔深大于80m时效率降低很多(图5-20)。而气举反循环钻杆内三相混合液的上升流速与钻杆内外液柱的重度差有关，因此孔浅时压力不足，三相混合液上升流速低，排碴能力差。当孔深增大后，只要增加供气量和供气压力，钻杆内的三相混合液就能获得理想的上升流速，从而提高钻进效率。因此，孔深在10m以内时气举反循环的钻进效率很差，孔深超过50m后，即能保证较高的钻进效率(图5-20)。,灌注桩施工中多用效率较高的泵吸反循环钻进工艺，因为在一般情况下钻孔深度不会太大，当然个别情况下例外，而且用泵吸反循环钻进工艺时，钻头寿命长、功率消耗少、钻进效率高。泵吸反循环时，泥浆上返速度快、排碴能力强，当钻头切入地层在回转扭力作用下一经松动，就很快被泥浆携带出来，不必重复破碎，因而钻头寿命长，钻进效率高，钻进成本也较低。 此外，泵吸反循环时要求不断向孔内补给泥浆，并始终保持孔内水头压力比孔外地下水的水头压力大2m以上，该压差既可平衡地层压力，又可保持孔壁稳定；同时，由于泥浆下流速度低(一般小于0.3ms)，所以对孔壁的冲刷作用亦小。因此，采用泵吸反循环钻进时，对多数地层，只要能保持2m以上的静水压力，就可用清水钻进。清水钻进不用专门制备泥浆，孔壁泥皮薄，有利钻碴分离，孔底沉碴少，成孔质量好。 采用反循环钻进工艺时，要注意正确选择下列基本参数： 1)钻杆内径： 钻杆内径取决于钻杆直径，钻杆内径大，能通过的钻碴颗粒直径也大，有利提高钻进效率，减少压力损失和扩大地层的适用范围。但钻杆内径大，要保证泥浆上返速度Va则泵量亦增大。同时在孔径较小时，过大的钻杆内径，会使补给泥浆的下流速度大，易冲刷孔壁，对孔壁稳定不利，故钻杆内径亦不,可过大。一般可参考表5-4进行选择，但钻杆内径d不宜小于100mm，钻杆内径过小，稍大的钻碴进不去，或易产生卡堵现象，也不利于提高钻进效率。,2)泥浆上返速度： 在反循环回转钻进中，钻碴是不规则的几何形体在有限的流动空间内运动的。为了分析的方便，先假定钻碴是几何形状规则的球体，当球体在无限大静止流体中自由下沉时，作用在球体上的力有重力W、浮力P和流体阻力R(图521)。由于流体阻力R与沉降速度的平方成正比，当沉降速度达到某一数值v0时，使w=P+R，球体即以恒定速度沉降，此恒定速度v0称为球形物体的自由沉降速度。,如果泥浆以小于V0速度向上运动时，则球体将下沉；如果泥浆以大于V0速度向上运动时，则球体将上升；如果泥浆以等于v0速度向上运动时，则球体将既不上升也不下降，在某一水平面上呈摆动状态。此时泥浆的速度称为该球体的自由悬浮速度。悬浮速度与沉降速度数值相等、方向相反。 球体的悬浮速度为：,由于钻碴非球体，再考虑管壁影响等，则在泵吸反循环钻进中钻碴的自由悬浮速度：,再考虑到一般d较大，钻碴表面粗糙且是群体，所以对vg打七折，而且ds=0.45d时悬浮速度最大，代入则得钻碴的悬浮速度：,为排除钻碴，泥浆上返速度vavg，即钻碴上升速度vs=va-vg0或va=vs+vg。由此可见，vg一定时，va大、vs亦大，钻碴排出快，钻进效率提高。但va亦不能过太，因为钻碴泥浆混合液通过钻杆内腔时的压力损失由三部分组成：,由式(5-19)可看出，pf与va2成正比，va过大时pf较大，一般va15ms即可钻进。国外认为va=34ms较好，但国内经过实践发现此值过大，对孔壁冲刷厉害，不利于孔壁稳定，认为va=23ms较好，可使钻碴上升速度vs=11.5ms。,3)砂石泵排量 可按下式计算,其他符号同前。 我国生产的砂石泵，进水口直径为100250mm，排量为150400m3/h，可根据式(5-21)合理选用。 4)主动钻杆长度H： 主动钻杆长度H直接影响水龙头顶部最高点T至孔内液面的距离HL，而HL的大小又直接影响水龙头顶部最高点T处的压力，而此压力不得小于循环介质的汽化压力，以防引起气蚀现象，损坏水龙头和砂石泵。因此，主动钻杆长度不宜过长，但如果太短则加接钻杆时间长，不利提高钻进效率。在HL一定时，宜增大H。正常钻进时，当钻完主动钻杆加接一根钻杆后HL最大(图5-22)，此时,HL=Ha+H+Hb+a (2-22),由式(2-22)可知，为了增大H，就要尽量降低钻机转盘的设计和安装高度Ha和尽量缩短水龙头的高度Hb。过去认为只要主动钻杆的长度不大于35m就可以起动砂石泵，实现反循环钻进。以致常由于转盘安装高度过