（岩土工程专业论文）钻孔灌注桩孔径变化规律研究.pdf

摘要 摘要 钻孔灌注桩因其对各种地层的适应性强、无挤土效应、无振害、无噪声、 承载力高、成本适中等优点，成为高层建筑的主要桩型。由于钻孔灌注桩施工 是在地下或水下进行的，属于隐蔽工程，影响成桩质量的不确定性因素较多，成 桩质量是人们最为关心的问题。在成孔之后对孔径大小进行检测，所测得的孔 径数据中包含着丰富的信息，各种因素对成桩质量的影响能够通过孔径的变化 “解读”出来。本文以成孔后孔径的变化规律为切入点，分析研究各种因素对 孔径变化和成桩质量的影响，所得主要结论如下： ( 1 ) 孔壁粗糙度是反映钻孔灌注桩孔径变化的重要特征，本文在凹凸度因 子r f 的基础上，提出了对于不同土层粗糙度的计算方法，从而能够更为准确的 描述钻孔孔径在不同土层内的变化特点。 ( 2 ) 在上海地区，采用下循环方式成孔时，g p s 1 0 型钻机成孔的孔径大 易坍孔，g p s 1 5 型钻机的稳定性好，孔壁成锯齿桩，有利于侧摩阻力的发挥； 采用反循环成孔，孔壁较光滑，对于以摩擦桩和端承摩擦桩为主的上海地区， 不利于承载力的发挥；随着钻头直径的增大，孔径的扩大值会减小，中下部的 土层的孔径扩大值小于上部土层，这一现象在选取钻头直径时应引起足够重视， 确保孔径大小满足设计要求。 ( 3 ) 由于泥浆正循环的特点，泥浆比重、粘度的增加会使泥皮加厚， 平均孔径、孔壁平均粗糙度都会减小，泥浆比重、粘度的增加对深部土层的影 响比对上部土层影响大。施工时，在能保证清孔质量和孔壁稳定的情况下，尽 量减小泥浆的比重和粘度。 ( 4 ) 随着钻孔耗时的增长，平均孔径会表现为波动下降的趋势，在钻孔时 间超过“时问区分点”以后，平均孔径的波动较大，且不同土层平均孔径波动 的特点和维持稳定的时i 日j 有差异。随着成孔时l 日j 的增长，上部粘土层坍孔和缩 径同时存在，孔壁粗糙度变化较小，对侧摩阻力的发挥影响较小；下部砂土层 摘要 主要以缩径为主，加上泥皮变厚，造成羊h 糙度降低，孔壁变得光滑，严重影响 了侧摩阻力的发挥。对试成孔采用公式d 0 0 = a + b e x p ( 一x t ) 对孑l 径一时i 日j 变 化规律进行拟和，拟和度较高，说明此公式能够反映出孔径变化的特点和规律。 ( 5 ) 运用弹性理论，结合拟和公式，推导出符合粘弹性特点的孔径变化公 式和能够反映出孔壁稳定性的公式，并合理地解释了造成不同土层稳定性差异 的原因。 关键词：钻孔灌注桩，粗糙度。平均孔径， 泥皮，侧摩阻力 a b s t r a c t a b s t r a c t c a s t i n - p l a c eb e c a m et h ep r i m a r yp i l em o d e lo fh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，b e c a u s ei tp o s s e s s m a n ym e r i t ss u c ha sc a l lb ea d a p t e dt od i v e r s es t r a t u m s ，w i t h o u ts o i lc o m p a c t i n g e f f e c ta n ds h a k i n g ，l a c ko fn o i s e ，c a np r o v i d eh i g hb e a r i n gc a p a c i t yw i t hm e d i u mc o s t t h ec o n s t r u c t i o no fc a s t i n p l a c ep i l e ，w h i c hb e l o n g i n gt oc o n c e a l e dw o r k ，i sc a r d e d o u tu n d e rg r o u n do rb e n e a t ht h ew a t e rt a b l e t h ep i l eq u a l i t yc a l lb ei n f l u e n c eb y m a n yu n c e r t a i nf a c t o r s ，s ot h ep i l eq u a l i t yb e c a m et h em o s tc o n c e r n e di s s u e p o r e d i a m e t e ri sm e a s u r e da f t e rp o r ef o r m i n g , t h ep o r ed i a m e t e rc o n t a i n s p l e n t y i n f o r m m i o n t h ee f f e c t so fv a r i o u sf a c t o r st op i l eq u a l i t yc a nb eu n s c r a m b l e d ，t h i s d i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e do nt h ea v e r a g ep o r ew h o l ec h a n g i n gr u l e ，m e a nw h i l et h e m e c h a n i s mo fd i f f e r e n tf a c t o r sh o wt oa f f e c tt h ep i l eq u a l i t yi sr e s e a r c h e d t h e p r i m a r yc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g t h er o u g h n e s so fw a l lo fh o l ei sas i g n i f i c a n td a t a ，w h i c hc a nr e f l e c tt h ep o r eh o l e c h a n g i n gr u l e b a s e do nt h et h e o r yo f c o n c a v ec o n v e xf a c t o rr et h ec a l c u l a t i o n m e t h o do f r o u g h n e s so fw a l lw h o l ei ns i n g l es t r a t u mi sb r i n gf o r w a r d ，h e r e i nt h ep o r e h o l ec h a n g i n gr u l ei nd i f f e r e n ts t r a t u m sc a nb ee x a c t l yd e s c r i b e d i ns h a n g h a id i s t r a c t ，w h e na d o p t i n gn o r m a l c i r c u l a t i o nd r i l l i n gm e t h o d ，t h ep o r e d i a m e t e rd r i l l e db yg p s 一1 0b o r i n gm a c h i n ei sl a r g e rt h a nt h a to fb yg p s - 1 5b o r i n g m a c h i n e ，a n di st h ew h o l ee a s i e rt oc o l l a p s e h o w e v e rg p s 一1 5b o r i n gm a c h i n ei s m o r es t a b l e ，t h ep o r eh e l el o o k sl i k es a w t o o t h ，w h i c hc o n t r i b u t e sal o tt ot h el a t e r a l f r i c t i o n t h ew a l lo fh o l ei sl u b r i c o u s ，w h e na d o p t i n gr e v e r s ec i r c u l a t i o nd r i l l i n g m e t h o d ，i t sad i s a d v a n t a g ef o rt h ep r e s e n to fp i l eb e a r i n gc a p a c i t y , b e c a u s et h em o s t a d o p t e dp i l em o d e li sf r i c t i o np i l ea n de n d s u p p o r tf r i c t i o np i l ei ns h a n g h a i t h e e x t e n s i v em a g n i t u d eo fp o r ed i a m e t e rd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fd r i l lb i t d i a m e t e ra n dt h ee x t e n s i v em a g n i t u d eo fp i l ed i a m e t e ri nm i d d l e - l o w e rs t r a t u m si s s m a l l e rt h a nt h a ti nu p p e rs t r a t u m s t h en o r m a lc i r c u l a t i o no fs l u r r yp r o c e s st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ei n c r e m e n t o fs l u r r y g r a v i t ya n dv i s c o s i t yw i l ll e a dt ot h em u ds l i c eb e c o m et h i c k e ra n dt h e d e c r e m e n to fa v e r a g ep o r ed i a m e t e ra v e r a g er o u g h n e s so fw a l lo fh o l e i t si n f l u e n c e t od e e p e rs t r a t u m si sg r e a t e rt h a nt h a tt os h a l l o ws t r a t u m s w e l lc o n s i d e r a t i o ns h o u l d b ep a i d et ot h ed e c r e m e n to fs l u r r yg r a v i t ya n dv i s e o s i t yw h e nt h ep o r ei sw e l lc l e a r e d a n dw a l lo fh o l ei sw e l lm a i n t a i n e di nc o n s t r u c t i o n t h ea v e r a g ep o r ed i a m e t e rf l u c t u a n td e c r e a s e dw i t ht h ed u r a t i o no fp o r ef o r m i n ga n d a b s t r a c t i tw i l lf l u c t u a t eg r e a t e rw h e nt h ed u r a t i o np o r ef o r m i n ge x c e e dac e r t a i nt i m e 1 1 1 e f l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fa v e r a g ep o r eh o l ea n dm a i n t a i nt i m ed i f f e r si nd i f f e r e n t s t r a t u s w i t ht h ei n c r e m e n td u r a t i o no fp o r ef o r m i n g t h ew a l lo fh o l ec o l l a p s e da n d t h ea p e r t u r es h r i n k e da tt h es a m et i m e ，t h ec h a n g e so ft h er o u g h n e s so fw a l lo f h o l e i sl i t t l e ，t h u si tw i l ll e s s l ya f f e c tt h ew e l lp e r f o r m a n c eo fl a t e r a lf r i c t i o n t h ea p e r t u r e s h r i n k e dg r e a t e ri nd e e p e rs a n ds t r a t u m s ，t h er o u g h n e s sd e c r e a s e da n dt h ew a l lo f h o l e b e c a m el u b r i c a t e dw i t ht h em u ds l i c eb e c a m et h i c k e r ，a l lt h ea b o v ew i l lw o r s e l y a f f e c tt h el a t e r a lf r i c t i o n t e s tp o r eh o l et h e e x c e p t i o n a l d e c r e a s ef o r m u l a d | 砜= a + b e x p ( 一x 旧p r o c e s sag o o dd i s p l a yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o r eh o l e d i a m e t e rr u l e c o m b i n e dw i t ht h ef i t t i n gf o r m u l aa n de l a s t i ct h e o r y , t h ep o r eh o l ed i a m e t e rc h a n g i n g f o r m u l a ，w h i c ha c c o r d 晰t lv i s c o e l a s t i c i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ee q u a t i o nw h i c h c o u l dw e l ld e s c r i b et h es t a b i l i t yo fw a l lw h o l ew e r ed e d u c e d aw e l le x p l a n a t i o no f s t a b i l i t yo f d i f f e r e n ts t r a t u m sc o u l db ea c h i e v e df r o mt h ee q u a t i o n k e yw o r d s ：c a s t - i n p l a c ep i l e ，r o u g h n e s s ，a v e r a g ep o r ed i a m e t e r ，m u ds l i c e ， 1 a t e r a lf r i c t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：蓓垒贸 勿0 7 年，；月加日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：钎垒贤 勿，7 年3 月z 口日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 桩基础介绍 桩是深入土层的柱型构件，桩和连接于桩顶的承台共同组成深基础，简称桩 基础，将桩基中的单桩叫做基桩。其作用是将上部结构的荷载，通过较弱土层或 水传递到深部较孥硬的、压缩性小的土层或岩层。当采用天然地基上的浅基础不 能满足设计的承载力和变形要求时，可采用地基加固，也可采用桩基础将荷载传 至深部土层。 桩基础是一种历史悠久的基础型式，桩的应用至少已有1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 年历 史，早在1 9 8 1 年美国的考古学家在太平洋东南沿岸智利古文化遗址已发现了 一阃支撑于木桩上的木屋，是目前人类历史上最早采用桩的记录。我国的考古学 家在浙江余姚河姆渡遗址“1 发掘了7 0 0 0 多年以前新石器时代的河姆渡文化遗 址，发现了数百根木桩。人类使用木桩经历了漫长的历史时代，但在水泥等人 工材料出现以前，实际上能利用的桩型只是由天然材料作成。在2 0 0 0 年以i j 的 汉代，我们的祖先在桥梁建设上就有大规模使用木桩的记载”1 ，到了宋代我国桩 基应用已逐渐普及，山西晋祠圣母殿和上海华龙塔等古代建筑都采用桩基础，历 经千载而存留尚好。 1 9 世纪中期开始，钢材、水泥、混凝土、钢筋混凝土相继问世，随后被成 功地运用到桩基制作中。此后，木桩和钢桩、混凝土桩并存了几十年，木桩因其 性能不能满足时代需要而逐渐被钢桩、混凝土桩取代，到2 0 世纪7 0 年代基本停 止使用。到了2 0 世纪初，特别是第二次世界大战以后，桩基的技术和理论都 有了较大发展。首先在美国出现了各种类型的型钢，特别是h 型钢桩被大量使 用，3 0 年代开始各种直径的无缝钢管被当作桩材广泛应用于基础工程当中“1 。 随着钢筋混凝土预制构件的问世，产生了预制混凝土桩，1 9 4 9 年美国雷蒙德公 司最早用离心机生产出预应力混凝土管桩，我国在5 0 年代开始使用。 以混凝土或钢筋混凝土为材料的另一种类型的桩，是就地灌注混凝土桩。2 0 世纪2 0 到3 0 年代已出现沉管灌注桩，上海在3 0 年代修建的一些高层建筑的 基础，就曾采这种桩型。到5 0 年代，随着大型钻孔机械的发展，出现了钻孔灌 第1 章绪论 注混凝土或钢筋混凝土桩。在5 0 年代到6 0 年代，我国的铁路和公路桥梁，均 大量采用钻孔灌桩和挖孔灌注桩。 1 9 5 9 在河南发明了利用打井锥成孔的钻孔灌注桩，之后随着成孔机械的不 断改进，出现了正、反循环钻孔灌注桩、螺旋钻孔灌注桩、旋挖桩、压浆桩及挤 扩灌注桩、爆破桩和人工挖孔桩等，桩的直径从几十厘米发展到3 4 米，使桩 的应用范围也不断扩大，出现了形形色色、花样繁多的桩型。由木桩发展为预制 混凝土桩、高强度混凝土桩和钢桩、从最初的打入桩到就地施工的灌注桩以及各 种异型桩，长度由十几米发展到百余米，充分展示了我国桩基技术的高速发展历 程。 从成桩工艺的发展过程看，最早采用的桩基施工方法是打入法。打入的工艺 从手锤到自由落锤，然后发展到蒸汽驱动、柴油驱动和压缩空气为动力的各种打 桩机，另外还发展了电动的震动打桩机和静力压桩机。 随着就地灌注桩，特别是钻孔灌注桩的出现，钻孔机械也在不断改进。如适 用于地下水位以上的长、短螺旋钻孔机，适用于不同地层的各种正、反循环钻孔 机，旋转套管机等等。为提高灌注桩的承载力，出现了扩大桩端直径的各种扩孔 机和孔底或周边压浆的新工艺。 1 2 灌注桩介绍 1 2 1 灌注桩发展历史 人工挖孔灌注桩于1 8 9 3 年在美国问世，至今已有1 0 0 多年的历史。3 。当时芝 加哥、底特律等城市用地紧张，高层建筑不断增加，但是这些城市地表以下存在 着很厚的软土或中等强度的粘土层，建造高层楼宇，如果采用当时通行的摩擦桩， 必将会产生很大的沉降。工程师们借助掘井技术，把桩孔挖到很深的持力层，桩 径足够大，人工挖孔灌注桩就这样产生了。钻孔灌注桩技术始于2 0 世纪4 0 年 代，随着大功率钻孔机具的产生，也是在美国问世的。随着二次世界大战后世界 经济的复苏与发展，高层、超高层建筑物的不断兴建，它们绝大多数都选择了钻 孔灌注桩。尤其是7 0 年代以后，钻孔灌注桩技术在世界范围内出现了蓬勃发展 的局面。 2 第1 章绪论 中国钻孔灌注桩是1 9 6 3 年在河南省涎生的。这年冬在河南安阳冯宿桥的 两座桥台中首先采用了钻孔灌注桩基础；当时钻孔使用的是水利部门打井用的大 锅锥，孔径一般6 0 7 0 c m ，用人力推磨方式钻孔，方法虽然比较原始，但钻孔质 量仍可得到保证，使用效果很好接着在河南省竹竿河和白河两座大桥扩大应用， 国内一些其他省市也相继推广。1 9 6 5 年4 月交通部在河南召丌钻孔桩技术鉴定 会，认为它是一项重大技术革新，决定在全国推广。 这种简易机具的钻孔桩，解决了桥梁水下深基础的施工问题而且把水下工 作改为在水上进行，和原来的沉井基础等形式对比，其技术经济优越性十分突出， 因而很快被全国公路科技人员所认识和接受，成为公路桥梁下部基础的首选形 式，城建，铁路水利等系统的桥梁工程也相继采用。 1 9 6 5 年交通部在河南举行鉴定会之后，随即以交通部公路科学研究所为首， 河南、吉林、湖南、陕西、四川等省参加，组成专题研究组，并动员全国公路桥 梁系统大协作，对钻i l 桩的施工工艺、设计方法进行全面系统的研究。专题研究 组收集了全国1 0 5 根桩径最大达1 4 0 c m ，桩长最大达4 7 m 的试桩资料进行分析 整理，除了施工工艺外，最重要的是提出了钻孔灌注桩的设计方法。 这项研究工作相当艰巨而又十分细致，具有很高的学术水平，所得成果被纳 入1 9 7 5 年我国交通部颁布的公路桥涵设计技术规范( 试行) ，和1 9 8 5 年新颁 公路桥涵地基与基础础设计规范( j t j 0 2 4 8 5 ) 中。此后，钻孔灌注桩就有了符 合我国具体条件和成桩方法的规范化设计方法。对指导生产和促进灌注桩的发展 都起到积极的作用。这样，简易机具钻孔灌注桩以其工艺简便、承载力大、适应 性强的特点迅速在全国基础工程中得到广泛的推广应用，为我国的基础工程建设 作出了重要的贡献，并产生了不可估量的经济效益。 随着改革开放步伐的加快，钻孔灌注桩技术在我国得到迅速发展，数年间已 普及于全国数以百计的大中城市及各新兴丌发区。迄今，挖孔灌注桩的最大直径 己达8 m ，深度愈6 0 m ；钻孔灌注桩最大直径超过4 m ，深度愈1 5 0 m 。据统计， 自9 0 年代年以来我国应用钻孔灌注桩数量之多已堪称世界各国之首，每年用量 在1 0 0 万根以上，可谓起步晚而发展迅猛。目前钻孔灌注桩技术不仅广泛应用于 工业建筑、高层楼宇、重型仓储基础，而且还应用于江海大桥、地质灾害的治理 等领域，因此具有广阔的发展| j 景。 第1 章绪论 1 2 2 灌注桩的分类 灌注桩是指在设计桩位处用人工或机械成孔，然后在桩孔内加放钢筋笼浇灌 混凝土形成的桩。目前，国内外的灌注桩有几十种之多，按照不同的分类标准可 以做如下分类”1 ： ( 1 ) 按使用功能分类可分为轴向抗压桩( 一般工业与民用建筑中使用) 、轴 向抗拔桩( 如船坞抗浮力桩、送电线路塔桩基、高层建筑地下车库桩基等) 和水 平受荷桩( 主要承受水平方向的荷载，如风和地震荷载等) 。 ( 2 ) 按桩土相互作用的特点分类：在竖向荷载下，依掘桩侧阻力与桩端阻力 的发挥程度和荷载分担比，分为摩擦桩、端承摩擦桩、端承桩、摩擦端承桩；在 水平荷载作用下，分为主动桩( 桩顶受荷载引起桩身偏离仞始位置，而将荷载传 递到桩侧土体上) 和被动桩( 桩身因承受侧向土压力而偏离初始位置，如基坑支 护中的护坡桩) 。 ( 3 ) 按照桩对环境的影响分类：非挤土桩，部分挤桩和挤土桩“。 非挤土桩分为：干作业法( 包括长螺旋、短螺旋钻孔灌注桩，钻孔扩底灌注 桩，机动洛阳产钻孔灌注桩，人工挖孔灌注桩) ；泥浆护壁法：正循环钻孔灌注 桩、反循环钻成孔灌注桩、潜水钻成孔灌注桩、钻孔扩底灌注桩、机挖异型灌 注桩；套管护壁法：如贝诺特( b e n o t o ) 灌注桩。 部分挤土灌注桩包括冲击成孑l 灌注桩和钻孑l 压注成孔灌注桩。 挤土灌注桩包括震动沉管灌注桩、锤击沉管灌注桩、震动锤击沉管灌注桩、 爆扩灌注桩和弗兰克灌注桩等。 ( 4 ) 按照成孔工艺可分为沉管灌注桩、机械成孔灌注桩( 钻、挖、冲孔灌注 桩等) 和人工挖孔灌注桩等类别。 沉管灌注桩是采用沉管打桩机的钢管沉入土中，然后边灌注混凝土、边振动 或边锤击边拔出钢管而形成灌注桩。沉管灌注桩是最早出现的现场灌注桩，其施 工顺序一般包括四个步骤：沉管、放笼、灌注、拔管。沉管灌注桩具有设备简单、 施工方便、操作简单、造价低、无泥浆污染、施工速度快、工期短；随地质条件 变化适应性强等优点。沉管灌注桩的缺点是：由于桩管直径的限制，影响单桩承 载力；振动较大、噪声较高；承载力偏差较大；施工方法和施工工艺不当，将会 造成缩颈、隔层、断桩、央泥和吊脚等质量问题；遇淤泥层时处理较难；在n 3 0 第1 章绪论 的砂层中沉桩困难。根据不同沉管方法可分为静压沉管桩、振动冲击沉管桩、锤 击沉管桩、振动沉管桩、振动加压沉管桩、旋转挤压沉管桩、沉管灌注同步桩嘲。 机械成孔灌注桩包括钻孔灌注桩、冲孔灌注桩等各种用机械成孔的非挤土灌 注桩。钻孔灌注桩是指在地面用机械方法取土成孔的灌注桩，其施工方法主要分 为三大步：成孔、沉放钢筋笼、导管法浇灌水下混凝士成桩。水下钻孔、成孔过 程中，通常采用具有一定重度和粘度的泥浆进行护壁，维持钻进成孔过程中孔壁 的稳定，泥浆不断循环，同时完成携土和运土的任务。钻孔灌注桩按照泥浆循环 方式的不同可以分为j 下循环钻进成孔和反循环钻进成孔。 人工挖孔灌注桩是指采用人工和适当的爆破，配合简单机具设备下井挖掘成 孔( 或桩端扩大) ，然后安放钢筋笼，灌注混凝土而成为基桩。人工挖孑l 灌注桩施工 工艺简单、成孔机具少、作业时无震动和噪声，对周边环境影响小，此外施工过 程中可直接检查孔壁和孔底持力层情况，施工质量可靠、单桩承载力高，工程造 价低，适合我国劳动力价格低的环境，缺点是井下作业条件差，环境恶劣，劳动 强度大，安全和质量特别重要。 1 2 3 灌注桩的技术特点 灌注桩与其它桩相比较有如下技术特点”1 ： ( 1 ) 灌注桩属于非挤土或少量挤土桩，施工时低噪音、轻振动，无地面隆 起或侧移，也无浓烟排放，因而对环境影响小，对周围建筑物、路面或地下设施 等危害小。 ( 2 ) 可根据土层分却情况灵活选取桩长，容易适应持力层面高低不平的变 化。 ( 3 ) 大直径灌注桩直径大，入土深。迄今人工挖孔桩最大直径已达8 m ，人 工挖孔桩入土深度已达6 0 m ，钻孔桩已达1 5 0 m 。 ( 4 ) 可采取扩大底部的形式，更好地发挥桩端土的作用，这是其它任何桩 型所不能做到的。 ( 5 ) 单桩承载力高，视地质条件、桩身尺寸、混凝土强度等级不同，一般 可达数千至数万千牛，因此常可设计一柱一桩，不需桩顶承台，简化了基础结构。 ( 6 ) 桩身刚度大，除能承受较大的竖向荷载外，还能承受较大的横向荷载， 增强建筑物的抗震能力，并能有效地充当坡地抗滑桩、堤岸支护桩以及地铁或建 筑物基坑丌挖的支护桩，还可在基坑丌挖后继续作为地下室的承重墙等永久性结 构使用。 第1 章绪论 ( 7 ) 灌注桩通常布桩间距大，群桩效应小，设计中无需为此而进行繁琐的 计算。对桩的沉降及沉降对周围地面影响的估算也较常规中等直径桩更为简便。 ( 8 ) 不需要搬运吊装，不必承受打击，因而可用较低的配筋率，并可视建 筑物的重要性和荷载条件仅在桩身上段配筋或沿深度做变截面配筋。 ( 9 ) 施工工艺种类多而且同新月异。这主要是由于各国工程技术人员为了 保证这类桩的成桩质量、施工安全和提高工效，长期来针对不同的地质条件和环 境条件，研制了各种机具和施工方法，从而形成了种种各具特色的工艺。 ( i 0 ) 可穿越各种软、硬央层，也可将桩端詈于峰实土层或嵌入基岩。 ( 1 1 ) 可根据建筑物的荷载分布与土层情况采用不同桩径，对于承受横向荷 载的桩，可设计成有利于提高承载力的异形桩，还可设计成变截面桩，即在受弯 矩较大的上部采用较大的截面。 ( 1 2 ) 桩身配筋可根据荷载大小与性质及荷载沿深度的传递特色以及土层的 变化配置，无需像预制桩那样配置起吊、运输、打击应力筋，其配筋率远低于预 制桩，相比预制桩可较大幅度地降低造价。 ( 1 3 ) 施工机具比较简单、轻便，可用简单设备施工出单桩承载力很高的桩。 ( 1 4 ) 不论采用挖孑l 法还是采用钻孔法施工。对桩所穿越土层的性质均可用 桩孔排除的土进行鉴别验证，当挖孔时，工程技术人员便可以下孔直接检查桩端 土性质，或做必要的原位测试。 ( 1 5 ) 灌注桩施工的现场作业太多，影响桩的质量人为因素较多，质量不够 稳定。有时会发生缩颈、断桩、桩身局部央泥、桩身混凝土离析、桩顶混凝土疏 松、混凝士强度较难保证等质量事故：桩侧阻力和桩端阻力的发挥常随工艺变化 丽有变化，且又在较大程度上受施工操作影响；另一方面，由于其承载力高，进 行的常规静载荷试验常难以测定其极限荷载，因此对在各种工艺条件下形成的桩 受力、变形和破坏机理至今犹未完全弄清；此外，当用泥浆护壁施工时，排污问 题令人困扰，这都是灌注桩迫切需要解决的问题。 1 3 钻孔灌注桩现状 1 3 1 钻孔灌注桩的主要施工工艺 钻孔灌注桩的施工是一项复杂的系统工程。钻孑l 灌注桩的工艺流程主要有测 量定位、整平场地、设泥浆池、竖机架、埋设护简、开钻及护壁、测钻孔深度、 第一次清孔、下钢筋笼、第二次清孔、测沉渣厚度、下导管、浇混凝土。施工工 序复杂，并且每道工序都有指杯控制和操作要求，例如钻孔有垂赢度、沉渣厚度、 6 第1 市绪论 孔径大小、钻进速度等规定，泥浆有比重、粘度、含砂率、胶体率、失水量、稳 定性等要求。 根据钻孔过程中泥浆循环方式的不同分为正循环钻进成孑l 和反循环钻进成 孔。正循环钻进成孔是由钻机带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，钻进时用泥浆 护壁、排渣；泥浆由泥浆泵经地表管线压人钻杆内孔，经钻头的出浆口射出，携 带岩土屑沿钻具与孔壁之间的环状间隙( 常称外环问隙或外环空间) 上返，从孔口 流出后进人泥浆沉淀池中净化，再供使用，泥浆在泥浆泵、钻杆、钻孔和泥浆池 之间反复循环，如图1 1 。 由于j 下循环钻进循环系统向胃简单，使用设备少，比较容易实现，目前仍普 遍应用。但是，由于钻孔外环间隙很大，泥浆沿外环间隙上返速度小，不利于排 除较大的岩土屑，存在重复破碎问题，孔底岩土屑多，必须进行清孔，施工效率 低。正循环钻进成孔用于填土层、淤泥层、粘土层、砂土层，也可在卵砾石含量 不大于1 5 、粒径小于1 0 r a m 的砂卵粒石层中使用。 j 。l 一水龙头 回转装量一 w ( n ，p ) 时，接受该样本服从正态分布，反之则不服从正态分布 第2 章数据统计计算方法 2 3 异常数据检验 文献【4 9 】介绍，曾有人对混入另一母体的异常数据进行一万次以上的模拟试 验( 用m o n t e c a r l o 方法) ，结果表明采用g r u b b s 方法进行检验的效果最好。故 本文在所测得的孔径数据服从正态分布x = n ( p ，盯) 条件下，采用g r u b b s 方法确 定异常数据，步骤如下： ( 1 ) 用式2 1 2 求出子样平均值：孑 子样标准差： _ 怯扎叼： 铲、忑备忱i 吖r ( 2 1 8 ) ( 2 ) 确定错判概率o r ，一般常取口为5 或1 ，则有： 撕一等邛孙害) = l - a r = 9 5 ( 或9 ) ( 2 1 9 ) ( 3 ) 按照子样数目r l 和口值查g r u b b s t ( n ，口) 表( 参见文献【4 9 】) 确定i 川值， 则测试数据的上下限分别为： x m 。= 孑+ s l 。f ) ( 2 2 0 ) x m 。= i j 4 ) ( 2 2 1 ) 当测试数掘满足x 。 z ， x 一时为正常数据，反之则为异常数据，当剔除异 常数据后，根据新的予样数目n 重新计算x 。和x 。直到没有异常数据。 第3 章施t 机械对孔杼的影响 第3 章施工机械对孔径的影响 3 1 常用钻孔灌注桩机械 自从1 9 6 4 年河南省在公路桥梁中采用“人工推磨”的方式实现了直径6 0 0 1 0 0 0 m m 钻孔灌注桩的施工以后，钻孔灌注桩机械在我国有了较快的发展“。1 9 7 2 年山东、安徽、河南、铁道部利用s p j 一3 0 0 型和红星一4 0 0 型水文钻机完成了8 0 1 0 0 m 钻孔灌注桩的施工，在桩长上有所突破。1 9 8 3 年铁道部大桥局武汉机桥厂 制造的b d m 一4 型气举反循环钻机在郑州黄河大桥完成了直径2 2 m 、孔深7 0 m 的 摩擦桩的施工，接着在广东肇庆完成了直径2 5 m 嵌岩桩的施工，使桩径突破2 m 大关。9 0 年代郑州勘察机械厂、洛阳矿山机械厂等研制开发的q z - 3 5 0 型、q z 一3 0 0 型钻机、k p 一3 0 0 型钻机、k o p - 4 0 0 型钻机和k p y - 6 0 0 型钻机，这些钻机都能够完 成大直径灌注桩的施工，性能均能和日本、德国的钻机相比，价格仅为进口的 1 4 1 6 。国内灌注桩钻机的发展取得了丰硕的成果，目前国内常用的正循环和 反循环钻机见表3 1 和表3 3 。 在实际工程中应根据钻机的钻头直径、钻孔深度、转盘扭矩、卷扬机提升能 力、驱动动力、钻机质量、场地条件和经济因素等综合考虑。此外不同类型的钻 头具有不同的钻进特点，所适合的地层条件也不同，钻进时应选取合适的钻头， 以保证工程的顺利进行，目前国内常用的币循环钻机钻头和反循环钻机钻头见表 3 2 和表3 4 。 正循环钻机主要由动力机、泥浆泵、卷扬机、转盘、钻架、钻杆、水龙头和 钻头等组成，见图1 1 。正循环钻机简单轻便，能适应狭小场地作业，操作简单， 配套设备少，工程费用低，所以目前仍普遍应用。由于正循环中泥浆上返速度慢， 对于孔径直径较大( 大于l m ) ，桩孔深度较深( 大于8 0 m ) ，极易塌孔的地层，正 循环工艺表现出钻进效率低，排渣能力差，孔低沉渣多，孔壁泥皮厚等特点，对 有卵砾石的地层也不适用。 与正循环钻机相比，反循环钻机比较复杂，通常由钻头、加压装置、回转装 置、接续装置和升降装詈等组成，泵吸反循环中有砂石泵和真空泵，气举反循环 中有空压机，喷射反循环中有高压水喷射装置。钻机重量也通常在1 0 吨以上， 移动和使用较为不便。 第3 章施t 机械对孔杼的影响 表3 1 常用止循环同转钻机型号、规格及技术性能 钻机型弓钻机直彳；： 钻孔深度转盘扭矩提升能力( k n )驱动动力钻机质量 k n m 土卷扬机副卷扬机 功率( k ) ( k g ) g p s 1 04 0 0 41 2 0 05 08 0 2 9 41 9 6 3 78 4 0 0 s p j 一3 0 0 5 0 03 0 07 02 9 41 9 66 06 5 0 0 s p c 一5 0 05 0 05 0 01 3 04 99 87 5 2 6 0 0 0 s p c - 6 0 05 0 06 0 01 1 57 52 3 9 0 0 g o 一8 06 0 0 8 0 04 05 53 02 22 5 0 0 x y 一5 g 8 0 0 1 2 0 04 02 5 04 04 58 0 0 0 表3 2 常用正循环钻头的特点和适用范围 钻叉形式 钻进特点适用范围 存钻脉和同转扭师的作用下，合令钻头切削破碎岩七而获 双脞带粘土层、砂土层，砾 得进尺切削下来的钻渣，由泥浆携带f i 树孔对第朗系 砂层、粒径小的卵石 地层适m 忤好，川转| i i 力小，钻头只仃良好的扶i f 导向性， 全合台血翼状钻头层和风化摹岩 自利十清楚扎底优渣 钻进钻臾 d 钻卡和川转扭衍的什用下，合令钻三l 切削破醉右十向欹 得进j t 。切削下来的钻治，由泥浆携带小枷扎。这种钻义 鱼尾钻头粘七层和砂土层 制仃简单，导向性差钻三l 直径般较小小适宜钻扎较 人的树扎施- 冲沈液顺螺旋翼片之间的卒隙卜返，形成旋流，流速增大， 合金括孔钻头粘土层和砂土层 有利十孔底排渣 表3 3 反循环钻机犁号、规格及技术性能 钻机型号 钻j 【方式 钻机直径钻孔深度转盘扭矩驱动动力转盘转速 k n o功率k r p m g p s 一1 5正，反循环 8 0 0 1 5 0 05 01 7 73 01 3 ，2 3 ，4 2 红星4 0 0正、反循讣 6 5 04 0 02 5 ，3 5 ，5 0 ，1 3 24 02 2 5 9 ，8 6 ，1 2 0 z j l 5 0 1正、反循鄂 1 5 0 07 0 1 0 03 5 。4 9 7 2 ，1 9 6 5 52 2 。5 9 ，8 6 1 2 0 o j 2 5 0正、反循环 2 5 0 01 0 06 8 69 51 2 8 。2 l ，4 0 正、反循环 5 0 02 0 0 3 0 0 s p c 一3 0 伽1 1 85 2 。7 8 ，1 2 3 冲击钻进 7 0 08 0 正反循环 5 0 0 1 5 0 03 0 0 4 0 0正4 0 1 2 3 g j c - 4 0 f l 9 8 0 1 1 8 冲击钻进7 0 08 0反3 2 4 0 b 蹦一0 8 正、反循环 1 2 0 04 0 6 04 2 8 72 21 5 - - 4 1 b r m 一1 正，反循环 1 2 5 04 0 4 6 03 3 1 2 ，1 2 29 5 2 b 蹦一2正、反循环 1 5 0 04 0 6 07 0 2 8 o2 85 3 4 9 第3 章施t 机械对礼行的影响 b r m 一4诈、反循环3 0 0 04 0 1 0 0 1 50 8 0 07 56 3 5 6 9 ，1 3 。1 7 。 b r m 一“气举反循环1 5 0 0 3 0 0 04 0 8 01 5 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 5 ，8 0 7 5 2 5 ，3 5 正反循耶 1 5 0 0 2 0 0 05 0 g j d - 1 5 0 0 3 9 2 冲击钻进 1 5 0 0 2 0 0 05 06 36 3 ，1 4 4 。3 0 6 表3 4 常用反循环钻头的特点和适用范围 钻头形式钻进特点适用范围 效辟z 扇使用较多和n 值超过4 0 以i 的礁一般十质( 粉士、粘十、砂和砂砾层) 多瓣式钻头 十层中钻进时，钻川刃u 会扣滑，尤法托钻粒杼比钻杆小1 0 m m 左右的卵砾层 n 值小于5 0 的一般土( 粉土、粘土、砂 三翼式钻头钻头为带有平凶状硬质合金的二三叶片 和砂砾层) 钻头的刃尖钻挖部分为阶梯式圆筒形，钻挖时 碗土层特别是坚硬的砂砾层( 无侧限 四翼式钻头 先钻一个小圆孔，然后阶梯形扩大抗压强度小于1 0 0 0 k p a 的硬七) 3 2 钻机型号对孔径的影响 本文的数掘来自上海浦东某高层住宅小区的基桩施工单位的施工记录和检 测部门的测试资料。在丌工初期，为确保施工质量，应甲方和监理要求，施工单 位在0 # 楼分别用g p s l o 型和g p s 一1 5 型两种钻机进行了正循，_ 试成孔。 为检验这两种钻机成孔质量的差别，4 个试成孔的间距在5 m 以内，以防地 层差异的影响，成孔时间( 钻孔时间和第一次清孔时间之和) 都在1 8 2 0 h ，设 计孔径为8 0 0 m m ，钻头直径为8 1 8 m m ，为防止塌孔钻头均采用导向性好、钻进平 稳的双腰带钻头，孔深为6 4 8 0 3 m ，试验过程中所用泥浆性能均相同。用 g p s 1 0 型钻机所做的试一l 和试一2 桩测孔曲线如图3 1 、图3 2 所示，用g p s 一1 5 型钻机所做的试一3 和试一4 桩测孔曲线如图3 3 所示。 表3 5g p s 1 0 裂、g p s 一1 5 型钻机试成孔数据比较 g p s 一1 0g p s 一1 5 孔径 试一i #试一2 并试一3 并试一4 # i 均值( m m )8 3 7 78 3 4 28 2 7 9 8 3 l l 变异系数 0 0 3 80 0 3 60 0 2 50 0 3 3 屉人值( m ) 9 8 49 7 l9 8 09 8 8 最小值( m m ) 8 0 3 8 0 08 0 38 0 2 籼糙度 0 0 4 l0 0 4 10 0 2 40 0 3 0 第3 章施t 机械对孔径的影响 2 0 3 0 名 v 斑 痒帅 试一1 孔杼( i n ) 6 0 0 8 饿il o ( k i 尹 一一己 一一 专一 0 隧 矗 试1 塌孔部位 图3 1 试一1 # 桩成孔曲线图 试2 扎径( - - ) 试一2