（岩土工程专业论文）引孔静压桩施工技术难题研究.pdf

引孔静压桩施工技术难题研究 内容摘要 预应力高强混凝土管桩( p h c 桩) 是预应力技术与离心制管技术相结合的产 物，由于其具有诸多的优点而在基础建设中获得同益广泛的应用。然而，打桩过 程中由于受到施工工艺及地质条件、环境等的影响，常常导致管桩偏斜、悬桩、 断桩等问题。目前对于解决预应力高强混凝土管桩偏斜、悬桩、断桩等的研究还 不多。论文结合具体工程实际，针对9 1 - 孑l 静压桩法出现的上述技术难题进行正确 分析评价，并提出有效的解决措施，解决了施工中的技术难题。 论文首先阐述了管桩的施工工艺、引孔的研究背景与研究意义、国内外关于 管桩的施工工艺及引孔工程的发展现状。其次通过对玉都阳光商住楼项目的方案 设计背景、岩土工程地质情况进行分析研究，并引用了3 个典型的案例，论证引 孔工程作业必要性和可行性。针对玉都阳光商住楼工程地质和基础设计实际，提 出引孔静压桩法施工方法，分析了实际施工中出现的斜桩、悬桩、断桩等现象的 各种原因，提出了相应的解决方案和技术措施。通过实际应用、试验检测等多种 手段验证，表明这些措施有效解决了弓i - t l 静力压桩施工中的难题，对该项目的施 工有实际指导意义，而且对其他类似工程的施工具有一定的参考借鉴作用。 关键词：抱压式静压桩桩斜；悬桩；断桩 第1 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 a b s t r a c t p h cp i p e - p i l ei saf i n ec o m b i n a t i o no fp r e - s t r e s s e dt e c h n o l o g ya n dc e n t r i f u g e p i p e - m a k i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hi sn o wp u tt oi n c r e a s i n ga p p l i c a t i o ni nv a r i o u s i i l 矗镪t m c 吨i r e so w i n gt op l e n t yo fa d v a n t a g e si tp o s s e s s e s w h e r e a s ，p r o b l e m sl i k e s l o p i n gp i p e - p i l e ，s p i r a lp i l ea n db r e a k i n gp i l eu s u a l l ye m e r g ed u et ot h ei n f l u e n c eo f c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya sw e l la sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nt h ep r o c e s so fp i l i n g ， l e a d i n gt oan o r m a ls i n k i n gp i l eo u to fw o r k a tp r e s e n t ，j u s tf e wr e s e a r c h e si n t ot h e m e n t i o n e dp r o b l e m sa r ea v a i l a b l e a g a i n s tt h et e c h n i c a lp r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ， c o m b i n e dw i t ht h es p e c i f i ce n g i n e e r i n gc a s e ，t h i sp a p e ri sc a r r i e do u tt ot h ec o r r e c t a n m y s i sa n de v a l u a t i o n , p r o p o s e se f f e c t i v em e a s u r e s ，s o l v e st h et e c h n i c a lc o n s t r u c t i o n p r o b l e m s t ob e g i nw i m ，t 1 1 i sp a p e l d e a l sw i t ht h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h s i g n i f i c a n c eo fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fp i p e - p i l ea n dl e a d - - h o l dp r o j e c t si na d d i t i o n t ot h ep r e s e n t d a yd e v e l o p m e n ti nt h i sf i e l da th o m ea n da b r o a d s e c o n d l y , i ta n a l y s e s a n dr e s e a r c h e st h ep r o g r a m - d e s i g n i n gb a c k g r o u n da n dt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f y u d o ns u n s h i n eb u i l d i n gp r o j e c t ，q u o t i n gt h r e et y p i c a lp r o j e c t st oa r g u et h en e c e s s i t y a n df e a s i b i l i t yo fl c a d h o l dp r o j e c to p e r a t i o n a i m e dt ot h eg e o l o g i c a la n df o u n d a t i o n d e s i g no fy u d o us u n s h i n eb u i l d i n gp r o j e c t ，b r i n g sf o r w a r dt h ec o n s t r u c t i o nm e a s u r e o fg u i d i n g - h o l es t a t i ep r e s s u r ep i p i n ga n da n a l y s e sv a r i e t i e so fc a u s e sw h i c he x i s t i n g i nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，l i k ep i l es l a n t ，s p i r a lp i l ea n db r e a k i n gp i l ee t c ，p r o p o s e s t h er e l a t e ds o l u t i o n sa n dt e c h n i c a lm e a s u r e s t h r o u g ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，m e a n s t e s tt ov e r i f yt h a tt h e s em e a s u r e se f f e c t i v e l yr e s o l v et h ec o n s t r u c t i o np r o b l e m so f g u i d i n g - h o l es t a t i cp r e s s u r ep i p i n g t h e ya r en o to n l yh a v i n gap r a c t i c a lg u i d et ot h i s p r o j e c tc o n s t r u c t i o n ，b u ta l s oh a v eac e r t a i nf u r t h e rr e f e r e n c et oo t h e rs i m i l a rp r o j e c t c o n s t r u c t i o n s k e yw o r d s ： s l a n tp i l eo fh o l d i n gt y p es t a t i cp r e s s u r ep i l i n g ；s p i r a lp i l e ； b r e a k i n gp i l e 第2 页共7 4 页 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。 声明人( 签名) ：瑾音荔 d c | 年毛其f oe t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ， ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签孙瑚落 痧9 c 年6 只t ob 引孔静压桩施工技术难题研究 第一章导论 1 1 研究背景 1 1 1 预应力高强混凝土管桩出现的历史 桩是深埋在土层中的柱型构件，其发展过程历史悠久，早在新石器时代，人 类就通过打入木桩或竹桩在湖泊和沼泽地搭台作为水上住所，浙江省河姆渡就发 现了这种原始社会遗址【1 1 ，在国外，距今1 2 0 0 0 年历史的智利古文化遗址中就已 经发现了桩的雏形【2 1 。正如文献【3 1 所指出的：“在人类有历史记载以前，就已经在 地基条件不好的河谷及河流洪基地区采用桩基作为基础的工程方法，在不同文化 时期都可以找到以桩作为基础的房屋。 在我国，到了宋朝，桩基技术已比较成 熟，现今上海的龙华塔和山西太原的晋祠圣母殿，都是现存的北宋年代所修建的 桩基建筑物。 随着社会的发展，城市人口越来越多，造成城市土地使用紧张，建筑物层数 不断增加。同时伴随交通事业的飞速发展，跨海大桥的兴建，及多层、高层建筑 的兴建，人类开始对桩的要求往预制、深长及高承载的方向发展。由于预应力高 强混凝土管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的以一种空心体细长 混凝土预制构件，既可以提高单桩承载力，又具有良好的抗裂性、抗冲击疲劳性 及贯入性，且具有对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性强、桩身耐打、穿 透力强、沉桩长度不受施工机械的限制、设计选用范围广、现场制作方便及造价 经济等优点，于是预应力高强混凝土管桩开始应运而生。 我国应用预应力高强混凝土管桩最早的地区应是台湾省，大约是在6 0 年代 开始被应用的，那时主要应用于铁路工程和桥梁工程中，大规模应用是在8 0 年 代，预应力高强混凝土管桩在我国大陆应用的历史已有三十多年了，但真正得到 迅速发展的还是近十多年的事情。预应力高强混凝土管桩的应用主要在广东和华 东地区，广东预应力高强混凝土管桩的应用占了全国的7 0 之多，它受到越来越 多设计人员的欢迎，是我国各种预制方桩理想的更新换代产品。 预应力高强混凝土管桩桩基工程与一般的基础工程相比，具有桩材质量好、 施工快、工程地质适应性强、场地文明的优点。因而被广泛应用于各类建筑和构 筑物的基础工程上。它是在预制厂经过先张预应力、离心成型及高压蒸养等工艺 生产而成的一种细长的空心环形等截面预制混凝土构件。与传统预制桩型相比， 第7 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 预应力高强混凝土管桩还具有如下的特点【4 】： 1 ) 使用高强度等级混凝土、离心成型技术及高压蒸养工艺，故桩身强度高， 单桩承载力大； 2 ) 由于预压应力的存在，故桩体具有良好的抗弯抗剪抗裂性能； 3 ) 具有良好的穿透能力； 4 ) 沉桩质量稳定、可靠； 5 ) 施工方便快捷，施工周期短； 6 ) 单位承载力造价比普通桩型便宜； 7 ) 管桩基础具有较好的抗震性能； 8 ) 管桩的检测手段简易、成熟。 置于地基土中的预应力高强混凝土管桩属于细长结构，若桩周地基土发生水 平位移，可导致桩发生挠曲甚至弯断，产生断桩。根据桩基与周围土体的相互作 用，可将水平荷载桩分为两类：一类为桩基直接承受外荷载并主动向土中传递荷 载，称为“主动桩”；另一类为桩基由于桩周土体在自重或外荷载作用下发生的 水平位移而对其产生影响，所承受的是由桩周土水平位移所产生的水平荷载，称 为“被动桩 【5 1 。偏斜桩是指随着桩周土的水平运动，桩与土之间产生的水平压 力导致桩身产生水平向挠曲和弯矩，而致使桩偏斜或弯曲断桩的被动桩。偏斜桩 承受竖向荷载的性能与竖直桩相比有一定的差异。 预应力高强混凝土管桩常常受到施工的影响，常使桩身偏斜，如桩周软弱土 层侧向流动，使管桩变形、偏移，形成偏斜预应力高强混凝土管桩。形成偏斜预 应力高强混凝土管桩的工程原因可归结为下述两点【6 】： 一是施工过程，如桩基础的施工一般是先将桩送至设计标高，然后再进行基 坑开挖，这一施工过程常常导致土体发生变形，从而产生显著的地基沉降和水平 位移。研究表明，在软土地基中，这类水平位移可达开挖深度的1 - - 2 ，甚至更 大。因而，深基坑开挖所引起的软粘土地基侧向流动将引起很大的作用于桩上的 侧向压力，足以使较大尺寸的桩产生变形，甚至破坏，这是偏斜预应力高强混凝 土管桩形成的主要原因。 形成偏斜预应力高强混凝土管桩的另一个工程原因是一些软弱土地区的桩 撑建筑物，由于周边荷载作用或其邻近打桩等施工影响，如压桩机对桩的影响， 第8 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 导致桩周软弱土层侧向运动，引起基桩横向挠曲，致使竖向承载力下降，当布桩 较密时，先打的桩容易被后打的桩挤斜，挤动及上抬，桩基质量得不到保证。 1 1 2 国内外桩工机械发展及研究历史【7 】 桩工机械是各种桩基础工程的主要施工机械，按其工作原理可分为冲击式、 振动式、静压式和成孔灌注式几类。常用的有柴油锤、蒸汽锤及液压锤、振动锤、 静力压桩机、各种钻孔机以及与桩锤配套的各种打桩架等。 在选择桩型和施工方法时，应根据桩的大小、使用功能、穿越土层、桩端持 力层性质与厚度、地下水情况、施工设备、施工环境、施工经验、制桩场地、材 料供应等因素综合考虑【8 1 。桩基础的施工需要一整套的施工技术要求、施工管理、 施工技巧、检测手段。我国上海、天津、山东、江苏、浙江、福建、广东等沿海 地区，在建筑工程实践中积累了大量的设计和施工经验，采用了不少新技术、新 工艺、新桩型，迅速推动了桩基础工程及桩工机械的发展。 目前在建筑工程基础中，预制桩工法是运用最广泛和最具有代表性的施工工 法之一。 1 ) 冲击锤 锤击打桩是人类最早采用的桩基础施工方法之一。坠锤是冲击锤的原始形 式，此后是蒸汽锤，目前国内广泛应用的是柴油锤，而另一种更先进的液压锤正 在国内外悄悄兴起。在2 0 世纪5 0 年代，最大的蒸汽锤为6 t ，可以用来锤击由 5 5 0 m 的预应力钢筋混凝土管桩。2 0 世纪6 0 年代建设时，使用了6 t 和8 t 的蒸 汽锤 9 1 。蒸汽锤的辅助设备多，效率低。以日本车辆制造株式会社开发的世界上 第一台履带式三支点柴油锤打桩机为起点，桩基础施工从此掀开了新的篇章，展 现出无限的机械化前景随着柴油锤技术的日臻成熟与推广使用，柴油锤曾一度占 领了桩基础施工机械的全部市场，蒸汽锤基本被淘汰。我国福建地区最初的桩基 施工机械主要采用的就是柴油锤，如省政府大楼、福州汽车北站等。目前国内使 用的大型进口柴油锤主要有德国的马克、日本三菱和神钢江的产品【1 0 1 。 上海工程机械厂自1 9 9 2 年与德国马克公司合作生产d 一1 0 型l o t 柴油锤，将 国产柴油锤的级别与质量提到了一个新的高度。但与进口柴油锤相比，国产柴油 锤质量较差，主要表现在活塞环材质及热处理工艺和气缸材质等方面，返修率较 高。 第9 页一共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 2 ) 振动锤 振动沉桩是利用高频振动，以高加速度振动桩身，使桩身周围的土体产生液 化，减小桩侧与土体间的摩擦力，然后靠振动锤与桩体的自重将桩沉入土层中。 主要适用于各类钢板桩和钢管桩的沉拔作业，也可用于混凝土桩的沉桩作业【1 1 】。 在武汉大桥建设时期，我国试制了苏制b i i 。型振动桩锤，成为当时激振力最 大的振动桩锤。2 0 世纪7 0 年代，为南京长江大桥3 6 0 0 m m 预应力高强混凝土管 桩下沉作业，又研制了大型振动锤2 5 0 型，激振力可达2 5 0 0 k n 。此后许多年， 国内振动桩锤的研制工作基本止步不前。 国外振动桩锤主要向液压振动桩锤的方向发展。自2 0 世纪7 0 年代中期，美 国m k t 公司首次在世界上研制成功第一台液压式振动桩锤以来，便受到建筑界的 重视并得以迅速发展，发达国家己普遍推广使用液压式振动桩锤。目前国际上的 生产厂家多为大型专业公司，如德国的m g f 、k r u p p 、p v e 、m f n c k 公司，美国的 m k t 、i c e 公司，日本的日平公司等。k r u p p 公司生产的高频无级调幅桩锤激振力 可达4 0 0 , - - , 4 0 0 0 k n t l7 1 。 3 ) 液压静力压桩机 液压静力压桩是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种桩基础施工新工艺。它利用桩机 本身的重力以克服压桩过程中桩侧的摩擦力和桩尖反作用力，将桩体压入土中。 它具有无噪声、无污染、无振动、施工速度快、节约材料、质量可靠等优点，是 城市老区改造和新区开发的理想机具。用静力压桩机施工，不仅具有上述优点， 而且静力压桩对桩身产生的应力小，不容易对桩产生损害，能起到保护桩的作用， 因此可以减少混凝土预制桩的钢筋用量，这对降低工程造价具有一定的意义。 早在1 9 6 7 年，交通部第三航务局就已开始研究压桩技术，并在福建一个工 地进行了施工实践，接着，上海同济大学、上海建工局等也研制了一台压桩装置， 并于1 9 7 0 年在宁波完成了一座桥梁的基础施工。但那时的压桩设备仅仅是一个 装置，一个工地完了，这个装置就拆掉不存在了。1 9 7 5 年武汉地区开始研制静 力压桩设备，由武汉市建筑机械厂生产出我国第一台全液压式静力压桩机，并投 入使用，在全国迅速得到了推广，上海、南京、西安等地先后引进这种机器，开 始在工程实践中普遍使用。随着生产的不断发展，静力压桩机的吨位也越来越大。 发展至今，由于静力压桩机的最大吨位已能达到1 0 0 0 吨，故单桩允许承载力可 第l o 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 达5 0 0 0 k n ，可满足3 5 4 5 层以内的高层建筑所要求的桩基深度和压力【1 3 】。 目前，国内应用的液压静力沉桩机主要有中南大学液压所开发的z y b 系列、 武汉建筑机械有限公司开发的y z y 系列、湖南长沙山河智能的z y j 系列桩机等。 液压静力压桩机在实践应用中解决了一些其他桩基础施工机械无法解决的 问题，解决了在一些市区、学校、医院、文物保护地区以及周边有危房等对振动、 噪声、污染有严格要求地区的桩基础施工。静力压桩在施工中利用了在压桩时的 直观性，解决了由于地质状况复杂的不可预见性，为建筑设计提供了桩基施工承 载能力的可靠性判断。 静力压桩的优越性得到了普遍的认同，但在施工时存在一些必须克服的问题 一挤土效应对周边环境的影响，施工作业时机身不平，桩身倾斜，夹桩破损和桩 身折断，机身过于庞大，机动性能差，智能测试系统空白等。对于如何保证静力 压桩的压桩质量和桩机结构的改进等一系列问题，桩机设计人员们不断的进行着 探索和创新。 1 1 3 预应力高强混凝土管桩的分类 预应力高强混凝土管桩桩节由圆筒形的预应力混凝土桩身和两端的钢端板 及钢板圈组成，它是预应力技术与离心制管技术结合的产物【1 3 】。管桩持力层一般 选在强风化岩层中，桩尖进入强风化岩层l 、- 2 m ，一般可满足设计承载力要求。 在我国，预应力高强混凝土管桩主要从三方面分类： 1 ) 产品品种：预应力高强混凝土管桩按强度分为预应力混凝土管桩( p c ) 、预 应力高强混凝土管桩( p h c ) 和预应力混凝土薄壁管桩( p t c ) 。p c 桩的离心混凝土 等级不得低于c 5 0 级，一般为c 6 0 ；p h c 桩的离心混凝土强度等级不得低于c 8 0 级。 1 9 3 4 年，日本开始制造离心混凝土管桩( r c ) 。1 9 6 2 年又开发出预应力混 凝土管桩( p c ) 。开发初期用先张法和后张法同时生产p c 桩，后来以先张法生 产工艺为主。1 9 6 8 年制订了先张法离心预应力高强混凝土管桩标准) ) j i s a 5 3 3 5 。 由于异型预应力钢筋的开发使用进一步促进了p c 管桩的发展，6 0 年代末至7 0 年代初，日本又开发出预应力离心高强混凝土管桩( p h c ) ，1 9 8 2 年制订了先 张法离心高强预应力高强混凝土管桩标准j i s a 5 3 3 7 ，并于1 9 9 3 年对该标准进 行了修订，制定了国家标准先张法预应力高强混凝土管桩g b l 3 4 7 6 9 2 。 第1 1 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 2 ) 产品规格：预应力高强混凝土管桩按外径为3 0 0 r a m 、3 5 0 m m 、4 0 0 m m 、4 5 0 r a m 、 5 0 0 m m 、5 5 0 r a m 、6 0 0 r a m 、8 0 0 m m 和1 0 0 0 m m 。 3 ) 预应力高强混凝土管桩按抗裂弯矩的大小分为a 型、a b 型、b 型和c 型。 一些常用预应力高强混凝土管桩的规格和力学性能见表卜1 及表卜2 。 表卜1 预应力高强混凝土管桩( p h c ) 的规格及力学性能【6 】 桩身结构竖向承 外径壁厚混凝士强 抗裂弯矩检验值极限弯矩检验值 型号载力设计值 d ( 咖)t ( m m )度等级m c r ( k n m )m u ( k n m ) r p ( k n ) a2 33 4 a b2 84 5 3 0 07 0c 8 01 2 5 0 b3 35 9 c3 87 6 a5 27 7 a b6 31 0 4 4 0 09 5c 8 02 2 5 0 b 7 51 3 5 c8 7 1 7 4 a9 91 4 8 a b 1 2 12 0 0 5 0 01 0 0c 8 03 1 5 0 b1 4 42 5 8 c1 6 63 3 2 a9 91 4 8 a b1 2 12 0 0 5 0 01 2 5c 8 03 7 0 0 b1 4 42 5 8 c1 6 63 3 2 a1 2 51 8 8 a b1 5 42 5 4 5 5 0i 0 0c 8 03 5 5 0 b1 8 23 2 8 c2 1 14 2 2 第1 2 页一共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 a1 2 51 8 8 a b1 5 42 5 4 5 5 01 2 5c 8 04 1 5 0 b1 8 23 2 8 c2 1 14 2 2 a 1 6 42 4 6 a b 2 0 13 3 2 6 0 01 1 0c 8 04 2 5 0 b2 3 94 3 0 c2 7 65 5 2 a1 6 42 4 6 a b2 0 1 3 3 2 6 0 01 3 0c 8 04 8 0 0 b2 3 94 3 0 c2 7 65 5 2 表卜2 预应力高强混凝土管桩( p h c ) 的力学性斛1 2 】 拄：( 1 嫩身强度设计德；o6 y e l p - qt d p d r p c ；糍寄允许搀麟桩力= q4 5 f f 。, - ) 南，是= m 取耱身允许疆搓鹾褫力= t1 ) 桩身免 许绝腹压攘力。( 2 ) 单搋蟹觑承载力设诗德纛不太子穗身强度设谤使，静载试验。顶嫒式搓掇巍工及拖矮毓鞔送掀时麓搓链力均不成天予搋 身允许预鹾鹾辗力，抱压式捱桩帆麓工时麓压力不成丈予摭身允许抱饪压皴力 1 1 4 预应力高强混凝土管桩的优缺点 1 、管桩承载时主要有如下优点【6 】： 1 ) 单桩承载力高。由于管桩的桩身混凝土强度等级在c 6 0 - c 8 0 之间，桩身 强度高，并可打入中密密实的砂砾层及强风化层，桩端持力层经过强大的挤压 而极大地改变受力性能，因而可以获得较大的单桩设计承载力。 2 ) 持力层起伏变化大的地质条件适用性强。因为管桩节长长短不一，搭配 第1 3 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 灵活，接长方便，可随时根据施工现场持力层深度的变化来调整接桩长度，减少 截桩，节约用桩量。 3 ) 桩身耐打，穿透力强。由于管桩桩身强度高，加上有一定的预应力，桩 身可承受较大的压力或冲击力而不破裂，可以穿透较大的压力或冲击力而不破 裂，可以穿透5 - - - 6 米厚的密集砂隔层。 4 ) 沉桩质量较可靠。由于工厂生产，桩身质量稳定可靠，加上管桩的耐打 耐压性，只要桩基施工时操作规范、认真，沉桩质量是各种桩基中最可靠的。 5 ) 设计选用范围广。由于管桩规格多，常见规格3 0 0 6 0 0 ，既适用于 多层建筑，也适用于高层建筑，且在同一建筑物基础中，还可根据桩荷载的大小 采用不同直径的管桩，既容易解决设计布桩问题，也可发挥每根桩的最大承载力， 并使桩基沉降均匀。 2 、预应力高强混凝土管桩也有它的局限性和缺点【1 4 】 1 ) 打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后截去的条桩较多，同时基坑开 挖时，若每次开挖的深度及开挖的顺序不当时，易产生桩体倾斜。 2 ) 对下面一些地层条件不宜采用预应力高强混凝土管桩。 ( 1 ) 障碍物、老基础及孤石较多的地层不宜采用。桩尖接触到孤石或地下 障碍物石，桩身会突然偏离原位产生大幅倾斜，甚至会折断桩身，造成断桩现象。 ( 2 ) 石灰岩地区岩溶发育的地区。由于石灰岩地区岩溶较发育，造成的石 芽和石沟使基岩岩面起伏变化极大，并发育浅部溶洞现象，加上石灰岩是水溶性 岩石，不存在强风化层，基岩表面直接是新鲜的岩石，强度高。在这样的地质条 件下进行管桩施工，桩长很难控制，容易发生断桩、斜桩、桩身跑位及桩身稳定 性差等现象。 ( 3 ) 有坚硬夹层且不能作持力层时不宜应用或慎用。有些场地存在有一层 或多层次密实状态的砂砾层或卵石夹层，由于厚度薄或下有软弱层，不能作为持 力层，桩基必须穿越此坚硬夹层到下部设计坚硬的持力层，管桩施工遇到这些夹 层时，要么穿不了，要么破损率很高，不能保证工程的质量。 ( 4 ) 从软弱地层突变成坚硬地层。在上软下硬、软硬突变的地层中，采用 锤击法进行预应力高强混凝土管桩施工时，由于缺少一层“缓冲层 ，桩尖一接 触硬岩层，贯入度就立即变小甚至为零，使得管桩桩身容易破损，另外，由于桩 第1 4 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 端进入持力层深度浅，桩的稳定性差，当布桩较密时，先打的桩容易被后打的桩 挤斜，挤动及上抬，桩基质量得不到保证。， 由上述管桩缺点和局限性可知，预应力高强混凝土管桩在特定地段必须采用 辅助措施，以利于沉桩。本文推荐的机械引孔植桩法，主要针对引孔植桩过程中 出现的桩斜、悬桩、断桩等问题进行分析研究。 1 2 课题的提出及研究意义 1 2 1 课题的提出及研究意义 泉州华恒房地产开发有限公司所承建的玉都阳光商住区1 # 4 # 楼场地位于 泉卅i 惠南工业园区，处在洛秀组团以东，主要为1 6 层1 8 层剪框架小高层建筑 ( 局部4 层框架结构，1 # 楼及2 # 楼及其中部下有一层地下室，约5 m ) ，场地属剥 蚀残丘地貌单元，地基土为人工回填、坡残积、风化成因类型。 场地内岩土层自上而下主要为：素填土( 局部含建筑垃圾及碎石较多) 、 粉质粘土、残积砂质粘性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎 块状强风化花岗岩、中风化花岗岩等。 根据钻探资料分析结果，工程拟采用冲( 钻) 孔灌注桩或预应力高强混凝土 管桩：对于冲( 钻) 孔灌注桩，选择散体状强风化花岗岩或碎块状强风化花岗 岩或中风化花岗岩作为桩端持力层；对于预应力高强混凝土管桩，选择散体 状强风化花岗岩或碎块状强风化花岗岩作为桩端持力层。 场地中的强风化岩层埋深一般在6 一- - 2 3 m 左右。由于工期较紧，经设计院与 业主协商及对基础型式比选后，考虑到选择预应力高强混凝土管桩自身的优点 ( 效率高、可靠性好，较经济) ，决定采用预应力高强混凝土管桩( p h c 管桩) ， 桩径采用4 0 0 m m 的c 8 0 预应力高强混凝土管桩，桩端选择散体状强风化花岗岩 或碎块状强风化花岗岩作为持力层，拟建物的场地勘探点平面位置图如下图 1 1 ： 第1 5 页共7 4 页 引孔静压桩箍工技术堆是研究 圈卜1 ：玉都阳光商住区勘探点平面位置图”i 场地基本呈东低西高的变化趋势，孔口高程变化 3 m 。该工程施工至l # 楼a 楼时，由于该处场地强风化岩底板埋深大多 、 一 二l il i i i |f 图4 ：平底型桩尖受力 2 4 引孔作业施工工艺流程 2 4 1 成孔机械的选择 1 ) 一般地，引孔机械可采用高压旋喷z j l 孑l ，其工艺为： ( 1 ) 测量放线，准确定出桩位；深入了解桩位处坚硬层的埋深、厚度；高 第“页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 压旋喷钻机就位、调平，制备膨润土泥浆。 ( 2 ) 高压旋喷钻机下钻，下钻的同时低压喷射清水，注水压力2 0 m p a 。钻头 底与侧面的喷射孔全部喷射水流，便于下钻。 ( 3 ) 钻头下钻到距桩端( 有效桩长处) 时停止，然后在钻杆芯内下一个钢珠， 将钻头底喷孔封闭，使只从侧面喷浆，边提钻边高压改喷1 ：1 膨润土浆液。喷浆 压力提升至2 5 2 8 m p a ，旋转速度1 8 2 0 r m i n ，提升速度0 2 5m m i n ，以便将 坚硬夹层扰动并悬置，形成一个6 0 0 - - 8 0 0 m m 的扰动层圆柱体。钻头提升到硬夹 层以上时，改喷稀释至1 ：8 , - 1 ：1 0 的膨润土浆液，直至提出地面。 为防止砂粒堵塞喷孔，接、拆钻杆前，先上下往复动作数次，并待钻孔内液面 略有下降时再接拆。 2 ) 长螺旋引孔。长螺旋引孑l 能大幅度减小沉桩区及其附近土体变形和超静 孔隙水压力，减少对附近建筑的危害，减少地基后期的土体固结沉降量以及相应 的负摩阻力。其工艺为： ( 1 ) 场地平整，清理地下地上障碍物。 ( 2 ) 钻机就位，铺垫平稳，确保钻杆垂直稳定牢固，钻头对准桩位。钻尖与桩 点偏移5 0 m m ，垂直度控制在1 5 以内。 ( 3 ) 钻尖对准桩位后，接触地面开始钻孔，开孔时下钻速度要慢，钻进速度视 地层情况确定，杂填土、粘性土0 2 - - 0 5 m m i n ，粉土、砂层为1 o 1 5 m m i n 或 根据实际情况确定。钻出的土应随钻随清。钻进过程中应随时检查钻杆垂直度， 确保钻杆垂直，并作好记录。 ( 4 ) 钻到一定标高后，提升钻杆、清理泥土，及时清理钻杆及孔周围的泥土， 该工作要求尽量短时间完成，以防坍孔。随着钻杆旋转，提升钻杆出地面。 ( 5 ) 引孔完毕，立即压桩，不得拖延。也可使用开口桩尖，使部分松软土进入 桩腔内，以降低沉桩阻力。 3 ) 玉都阳光商住楼引孔机械的选择：本工程结合先前多个工地已成功的引 孔先例，且出于造价上的考虑，引孔机械预采用衡阳x y - 1 5 0 型( 或3 0 0 型) 地质 钻机，该钻机理论钻入深度可达15 0 m 。 又考虑到本工程不同于先前的引孔作业，主要要引植入的土层为散体状强风 化花岗岩，局部引植入碎块状强风化花岗岩，属于端承摩擦桩，以端承发挥主要 第4 5 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 作用为主( 桩侧阻力小且长度小) ，故此次配置了4 2 0 m e 直径的金钢钻头( 静压 式预应力高强混凝土管桩桩径为4 0 0 m m ) ，以保证引孔后静压式预应力高强混凝 土管桩作业可顺利沉桩，但同时对桩的承载力也有一定的影响。 表2 5 玉都阳光商住楼各岩土层力学参数建议值表【1 5 】 直剪试验 预应力管桩 天然压缩承载力 岩土层名称 重度 粘聚内摩 模量特征值 r 力擦角 e s o 1 - o 2f l k 桩周土极限桩端极限端 及编号 c由 摩阻力q 。t t阻力q p k k n m 3 k p a 度 m p a k p ak p ak p a 素填十 1 7 5 0 *7 8 粉质粘土 1 9 8 72 8 91 9 34 92 1 04 5 残积砂质粘性土 1 8 5 72 0 52 2 84 82 2 06 0 全风化花岗岩 1 9 5 0 *1 5 0 半3 5 08 0 散体状强风化花岗岩 2 1 0 0 3 5 0 木4 5 0 1 0 01 0 0 0 0 碎块状强风化花岗岩 2 2 0 0 7 0 01 5 01 2 0 0 0 中风化花岗岩 2 5 0 0 1 5 0 0 桩的承载力估算：例如以z k 8 号孔为例，假设桩的断面半径r 为2 5 0 m m ，预 计桩长为1 3 5 0 m ，选择强风化花岗岩为桩基持力层，则 q u k = q 。k + q p k = ueq s i k l 。i + q ，k a p = 2 3 1 4 o 2 5 ( 4 5x2 1 0 + 6 0 4 0 + 1 0 0x5 6 3 ) + 3 1 4 o 2 5 o 2 5x1 0 0 0 0 = 1 4 0 9 + 1 9 6 2 = 2 4 6 7 ( k n ) 第4 6 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 图2 8 ：玉都阳光商住楼z k 8 地质剖面图【1 5 】 由以上的计算公式及计算结果分析：对于选择强风化花岗岩为桩端持力 层，桩长不长的情况下( 一般小于2 0 米) ，桩端承载力起着主要作用( 大于5 0 ) 。 而对于局部在设计有效桩长范围内的桩底标高处- 3 5 0 m 均为碎块状强风化花岗 岩，按以往经验预应力高强混凝土管桩按4 0 0 m m ，而引孔桩按3 8 0 m m 来引孔的话， 由于本工程主要为引入强风化岩，偏于安全考虑，按4 2 0 m m 金钢钻头口径进行引 孔。引孔设备采用最经济的衡阳x y 一1 5 0 型地质钻机进行引孔。 2 4 2 循环系统设置 现场设置若干沉淀池和一个泥浆池，泥浆池的容积为1 5 m 2 ，受场地限制，沉 淀池需灵活布置，与泥浆池通过泥浆的循环问题，沉淀池溶积为3 m 3 以上，地面 挖设坡度1 ：2 0 0 的循环槽，将沉淀池与桩孔连成一个循环系统。 2 4 3 打桩顺序 桩位编号与压桩相同，考虑到本工程施工工艺的特殊性，钻孔速度要与压桩 速度相协调，打桩路线应根据现场具体情况安排落实。 2 4 4 土层情况及相应成孔技术措施 第4 7 页一共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 1 ) 引孔目的：为压桩工作提供导孔，使工程桩顺利穿越强风化花岗岩层达到 设计要求的深度。 2 ) 桩位准确控制：由施工员放线确定桩位，并将控制点引到不妨碍钻孔作业 的位置，钻孔完成后重新定出桩位控制点，作为压桩依据。 3 ) 垂直度控制：引孔的垂直度直接决定了工程桩的垂直度，所以垂直度的控 制是最关键的环节，特别是桩机就位后，第一节钻杆的控制，需经现场质安员复 核合格后方可开钻，以后每增加一节钻杆复核垂直度一次。 4 ) 成孔质量控制：钻进过程应根据地质资料反映情况密切注意钻孔内土质、 水位变化情况，若发现地下有障碍物应立即停止进尺，找出原因后再继续施工， 如遇含粗砂较多的土层则应及时补充泥浆，并浓浆循环，确保不发生塌孔现象， 各土层护孔措施可参照钻孔灌注桩施工工艺要求进行。钻孔过程通过循环冲洗液 携带出部分孔底钻渣，使之符合规定要求，验孔前先提钻杆进行冲孔，将钻杆提 高5 0 m m 左右，转动钻杆，开动泥浆泵，泥浆相对密度控制在1 2 5 1 3 0 之间， 循环1 0 m i n 左右，钻渣基本排除清净后逐渐调稀，使泥浆膜减薄，增加桩身摩擦 力。 5 ) 口径：按以往的经验，引孔孔径以小于预应力高强混凝土管桩桩径2 0 5 0 m m 为宜，例如本工程玉都阳光商住楼所采用的预应力高强混凝土管桩桩径 4 0 0 m m ，引孔直径宜为3 8 0 r a m 左右，但由于工程的特殊性，下部主要以引强风化 花岗岩为主，多处在预定有效桩长下为碎块状，若按常规3 8 0 m m 引孔，无法得到 正常的扩孑l ( 正常引3 8 0 r a m ，孔可扩至4 0 0 m m ) ，不利于沉桩。故采用4 2 0 m m 金钢 石钻头进行引孔。 6 ) 引孔深度：引孔深度以小于桩总入土深度的0 5 1 o m 为宜，以保证沉桩 时最少有0 5 - - - 1 0 m 的桩尖进入原状土中，本工程下部需引入一定厚度的强风化 花岗岩，局部引入厚度较大，阻力也大，引孔深度应增加，有效总桩长控制为主， 结合地质剖面分析为辅。 7 ) 引孔的时效性：引孔完成后在1 2 h 内进行压桩施工，以免造成坍孔，影响 桩的入土深度。同时必然确保引孑l 的垂直度及护壁质量，以保证沉桩效果。 第4 8 页一共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 2 4 5x y - 15 0 型地质钻机引孔植桩作业施工工艺流程 图2 9 ：x y - 1 5 0 地质钻机引孔植桩作业施工工艺流程图 第4 9 页一共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 第三章玉都阳光商住楼引孔静压桩法施工技术难点及对策 3 1引孔后打桩桩斜问题 3 1 1抱压式静力压桩法施工桩斜的主要原因 1 ) 机身没有调平。 2 ) 地面平整度太差或承载力过低，容易导致机身失平。 3 ) 原场地为旧建筑拆迁，基底回填土中含有少量碎石、碎砼块，若压桩过程 中出现压力徒然升高或桩突然偏斜，则可能土体下部有不规则碎石、碎砼块等硬 质物，应立即停止压桩，先用人工或者挖掘机挖出后方可继续压桩。 4 ) 钳口油缸不同步，造成抱压央紧后，钳口面不垂直，桩身偏斜。可以通过 在调心块后加挚钢板，适当调整钳口自身倾斜度，从而来保护夹桩后桩垂直。 图3 1 ：机身失平引起钳口偏斜图 5 ) 立柱装配精度低，垂直平行度差，导向轮与导轨配合间隙不规则或过大。 6 ) 导向轮磨损严重或焊接位置不当。 7 ) 压桩过程中，压桩与松桩动作间隔过短，压桩力尚未缓冲卸荷，引起机身 对地面剧烈冲击，使机身摆动失平。 8 ) 校正时，桩端距离地面较高，在桩刚进入地面时，就已经倾斜了一定的角 度。应尽量使桩端贴近地面，然后进行垂直校正。这样可以保证夹桩箱倾斜较小 的角度时把桩压入地下，通过桩的作用来辅助保证夹桩箱不倾斜。压第一根桩时， 校正后利用导向轮与导轨间隙较小部分先压约1 3 程，把桩压入土体后，再重新 进行垂直校正。 第5 0 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 9 ) 由于考虑经济造价原因，且先前有多个工地成功的施工经验指导，本次引 孔时采用的衡阳k y - 1 5 0 型地质引孔钻机，但其扭矩较小，钻头遇软硬交接地带 易偏向，造成成孔偏移，进而导致压桩偏斜。偏斜桩示意图如下： p 1 图3 2 ：偏斜桩受力及地质示意图 3 1 2 抱压式静力压桩法施工桩斜的处理方法 抱压式静力沉桩机压桩过程分为4 步骤：夹桩、压桩、松桩、提升。不考虑 地质因素影响下，在压桩中，桩端刚入土体时桩的倾斜状态决定了本根桩的压入 状态。若此时桩的倾斜度较小，则即使在以后的行程中导向轮与导轨有较大的间 隙，也不会造成很大的影响。装配时，立柱之间的平行度很难绝对保证，特别是 对于立柱焊接在机身上的情况。一般来说，立柱是刚性结构件，其间的平行度误 差是与立柱的长度成线性正比的。因此，装配和施工中可以考虑这一点，通过使 用较短的行程先把桩垂直压入地下后再用满行程压桩。通过以上分析，在机器装 配和施工中可采用以下方法减小斜桩误差。 1 ) 改用衡阳x y 一3 0 0 型地质引孔钻机进行作业，增加钻头扭矩，增强钻杆钻 进的稳定性。 2 ) 桩机入场前对场地进行平整压实。 第5 1 页共7 4 页 引孔静压桩施工技术难题研究 3 ) 若压桩过程中出现压力陡然升高或桩突然偏斜，则可能土体下有碎石、碎 砼块，应立即停止压桩，先挖出碎石、碎砼块后方可继续压桩。 4 ) 施工中保证机身调平。 5 ) 在立柱装配焊接时，为防止焊接变形，加拉杆保证立柱间平行度，焊后进 行时效处理。 6 ) 装配时把夹桩箱提至立柱中间校正，把平行度误差分配至立柱两端，有效 减小导向轮导轨间隙。 7 ) 夹桩油缸不同步，引起夹紧桩后钳口面不垂直，桩身偏斜。对于这种情况， 可以通过在调心块后加垫钢板，适当调整钳口自身倾斜度，从而保证夹桩后桩垂 直。 8 ) 使桩端尽量贴近地面，然后进行垂直校正。这样可以保证夹桩箱倾斜较小 的角度时把桩压入地下，通过桩的作用来辅助保证夹桩箱不倾斜。 9 ) 压第一根桩时，校正后，利用导向轮与导轨间隙较小部分先压约1 3 行 程，把桩压入土体后，再重新进行垂直校正。 1 0 ) 口径修正：先前考虑强风化花岗岩不易扩孔，采用 4 2 0 钻头钻进，成 孔后放钢筋笼