长螺旋钻孔压灌混凝土桩在深基坑支护中应用与研究(硕士论文).pdf

论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作韵同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名c 掏砖坪签字嘲训，年6 月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌丕堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所和中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库和中国优秀博硕士学位论文全文数据 库中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) 砖扎够导师签名( 手写) ：皿心 f ， 签字日期： ，年参月妒日签- y - 日期：m ，年二月y 日 摘要 摘要 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工工艺在我国北方地区使用广泛，且为北京 奥运会的场馆建设做出了巨大的贡献，该工法具有工艺简单、可操作性强、工 期短，造价低，环境污染小等明显的优势，具有很好的经济效益和社会效益。 我国南方地区长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工工艺并未得到较好的推广，该种 新工艺在南方地区的推广是否能够顺利的进行，其工作性能是否能够完全满足 南方地区复杂的地理环境是需要考虑的首要问题，对其性能进行系统地理论分 析显得十分必要。 本文以中国人民武装警察部队水电第二总队公寓楼深基坑支护项目为研究 背景，该工程是南昌地区首次使用长螺旋钻孔压灌混凝土桩进行基坑支护的案 例，本文比较系统的介绍了长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工工艺及其支护特性， 分析了长螺旋钻孔压灌混凝土桩支护技术在南昌地区深基坑支护工程中的应 用，搜集整理基坑支护监测数据，分析得出长螺旋钻孔压灌混凝土桩的变形规 律，利用s p s s 数据分析软件建立支护桩变形关系，对基坑支护桩报警值进行预 测。 利用北京理正深基坑设计软件初步模拟基坑开挖情况，计算支护桩的单桩 变形能力，与基坑监测数据进行比较，验证施工监测数据的可靠性和初步预测 基坑在施工过程中的安全稳定性；利用m i d a sg t s 有限元软件，建立基坑开挖 三维模型，对基坑开挖进行分部开挖施工阶段数值模拟分析，分析了施工各个 阶段期间基坑支护体系的内力，变形以及基坑周边的变形情况；将有限元模型 的计算结果与施工现场实测数据资料进行比较，论述了施工现场实测数据的可 靠性和数值模型的正确性。为长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工工法优化、长螺 旋压灌混凝土支护桩的设计理论和计算方法完善和为南方地区引进该工法提供 了一定的参考。 关键词：基坑开挖；长螺旋；基坑监测；数值计算：m i d a sg t s ； i i a b s t r a c t a b s t r a c t l o n gs p i r a ld r i l lh o l eg r o u t i n gc o n c r e t ep i l e sa r ew i d e l yu s e di nn o r t h e r nc h i n a ， a n dm a d eag r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h eb e i j i n go l y m p i cv e n u ec o n s t r u c t i o n ，t h en e w m e t h o dh a so b v i o u sa d v a n t a g e so fs i m p l yp r o c e s s ，o p e r a b i l i t y , s h o r tc o n s t r u c t i o n p e r i o d ，l o wc o s t ，a n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , w i t hg o o de c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s h o w e v e r , i th a sn o tb e e nag o o dp r o m o t i o ni nt h es o u t ho fc h i n a , w h e t h e r t h en e wt e c h n o l o g yp r o m o t i o nc a r lb es m o o t hi nt h es o u t h e r no fc h i n a ，i si t s p e r f o r m a n c ea b l et of u l l ym e e tt h ec o m p l e xg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n to ft h es o u t h e r n ， i ti sv e r yn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ef o r c ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m a t i ct h e o r e t i c a l t h i sa r t i c l e sb a c k g r o u n di st h ec a p fa p a r t m e n tb u i l d i n g sd e e pf o u n d a t i o np i t p r o j e c tc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g ，t h i sp r o j e c ti st h en a n c h a n ga r e au s e df o rt h ef i r s t t i m el o n ga u g e rd r i l lh o l eg r o u t i n gc o n c r e t ep i l ee x c a v a t i o ns u p p o r tc a s e t h i sa r t i c l e i n t r o d u c el o n gs p i r a ld r i l lh o l eg r o u t i n gc o n c r e t ep i l ec o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n dt h e a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s s y s t e m a t i c ， c o m b i n e dw i t ha d e e p f o u n d a t i o n e n g i n e e r i n gi n s t a n c e ，f o c u so nt h el o n gs p i r a ld r i l lh o l eg r o u t i n gc o n c r e t ep i l e s t e c h n o l o g yi nd e e pf o u n d a t i o np i ts u p p o r te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fn a n c h a n g a n a l y z e sl o n gs p i r a ld r i l lh o l eg r o u t i n gc o n c r e t ep i l e sd e f o r m a t i o nl a wu s i n gs p s s d a m a n a l y s i ss o f t w a r et oe s t a b l i s ht h es u p p o r t i n gp i l e sd e f o r m a t i o nr e l a t i o n s h i p ，d e e p e x c a v a t i o na l a r mv a l u et op r e d i c t i na d d i t i o n ，u s eb e i j i n gl i z h e n g d e e pf o u n d a t i o nd e s i g ns o f t w a r ef o rt h ei n i t i a l s i m u l a t e de x c a v a t i o n ，c a l c u l a t i o ns u p p o r t i n gp i l e ss i n g l ep i l ed e f o r m a t i o n ，c o m p a r e d w i t ht h ee x c a v a t i o nm o n i t o r i n gd a t at o v e r i f yt h ec o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gd a t a r e l i a b i l i t ya n dp r e l i m i n a r yf o r e c a s tp i ts e c u r i t ya n ds t a b i l i t yi nt h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s a l s ou s em i d a sg t sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ec r e a t eaf o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o nt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，t h ef o u n d a t i o n p i te x c a v a t i o nt h ep a r t i a l e x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o np h a s en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ，d u r i n gt h ev a r i o u s s t a g e so fc o n s t r u c t i o nb r a c i n gi n t e r n a lf o r c e s ，d e f o r m a t i o na n da r o u n df o u n d a t i o n d e f o r m a t i o n ，t oa n a l y s i st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tt h ec o n s t r u c t i o np h a s eo ft h i s p r o j e c td e e pf o u n d a t i o n ，r e s e a r c ht h el a wa b o u tf o u n d a t i o nf o r c e ，d i s p l a c e m e n t a t 1 1 1 a b s l r a c t t h es a m et i m e ，c o m p a r e 埘也t h ec o n s t r u c t i o ns i t em e a s u r e dd a t a ，g e ts o m ev a l u a b l e c o n c l u s i o n s ，i no r d e rt op r o v i d es a m er e f e r e n c ef o rc o n s t r u c t i o nm e t h o dd e s i g nt h e o r y a n dc a l c u l a t i o nm e t h o df o rl o n gs p i r a ld r i l lh o l e g r o u t i n gc o n c r e t ep i l e s ，a l s o p r o v i d e ss o m es u g g e s t i o n sf o rt h es o u t h e r nr e g i o nt oi n t r o d u c et h en e wm e t h o d k e y w o r d s ：e x c a v a t i o no ff o u n d a t i o np i t ； c o n s t i t u t i v em o d e l ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； i v l o n gs p i r a l ；e x c a v a t i o nm o n i t o r i n g ； m b ) a sg t s 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言：1 1 2 国内深基坑现状3 1 2 1 深基坑的概念3 1 2 2 深基坑支护的概念及常见的支护技术3 1 2 3 深基坑监测在我国的发展状况4 1 2 4 国内深基坑支护的发展趋势4 1 3 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的基坑支护特性一5 1 3 1 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的概念5 1 3 2 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的国内外发展历程5 1 3 3 长螺旋钻孔压灌混凝土桩基坑支护特性6 1 4 本文所研究的内容和技术路线7 1 4 1 本文研究内容7 1 4 2 本文研究的技术路线7 第二章长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺的特点9 2 1 长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺9 2 2 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的在我国使用现状9 2 3 长螺旋钻孑l 压灌混凝土桩施工技术优点1 0 2 3 1 长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺大大缩短工程工期1 0 2 3 2 长螺旋钻孔压灌混凝土桩大大减小对环境的污染1 0 2 3 3 长螺旋钻孔压灌混凝土桩安全性较高1 0 2 3 4 长螺旋钻孔压灌混凝土桩对桩体强度和质量有很高的保证1l 2 3 5 长螺旋钻孔压灌混凝土桩可以有效防止断桩和缩颈现象1 1 2 3 6 长螺旋钻孔压灌混凝土桩噪声很低11 2 3 7 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的经济性能较高1 2 2 4 长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工中存在的问题及改进办法1 2 2 4 1 长螺旋钻孔压灌混凝土桩在施工过程中容易卡钻1 2 2 4 2 长螺旋钻孔压灌混凝土桩对混凝土的质量要求很高1 3 2 4 3 长螺旋钻孔压灌混凝土桩容易出现斜孔1 3 2 4 4 长螺旋钻孔压灌混凝土桩容易产生窜孔1 3 目录 2 4 5 长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工操作不当时易造成断桩1 3 2 4 6 长螺旋钻孔压灌混凝土桩容易产生堵管1 4 第三章公寓楼基坑实测数据研究1 6 3 1 深基坑工程施工监测的原则、要求及目的1 6 3 1 1 施工监测的原则1 6 3 1 2 施工监测的要求1 7 3 1 3 施工监测目的1 8 3 2 基坑监测数据报警值及基坑监测频率18 3 2 1 基坑监测的监测点位布置图由图所示2 0 3 2 2 基坑监测点位布置原则2 1 3 3 监测数据分析程序2 l 3 4 监测数据结果分析2 3 3 4 1 支护桩水平位移2 3 3 4 2 基坑周边沉降2 7 3 4 3 应用理正6 0 软件模拟基坑的开挖3 2 3 5 支护桩桩顶水平位移拟合处理分析3 6 3 5 1 曲线回归理论3 6 3 5 2 曲线回归方程3 7 3 6 本章研究成果3 8 第四章长螺旋钻孔压灌混凝土支护桩深基坑施工过程模拟分析4 0 4 1 岩土工程弹塑性有限元分析基本理论4 0 4 1 1 岩土工程弹塑性有限元分析4 0 4 1 2 基坑开挖土体应力力学分析表4 l 4 1 3 刚度等效原则4 l 4 2m i d a sg t sv 4 0 o 有限元分析软件简介4 2 4 3 深基坑数值分析模型的建立4 3 4 3 1 深基坑基本资料4 3 4 3 2 模型建立及网格划分。4 4 4 3 3 基坑开挖模拟4 6 4 4 开挖变形分析4 8 4 4 1 水平位移模拟4 8 v 目录 4 4 2 基坑支护结构变形分析5 1 4 5 数值模拟与基坑监测结果对比分析5 6 4 5 1 支护结构位移变化对比5 6 4 5 2 基坑周边土体位移变化5 6 4 6 本章小结5 6 第五章结论与展望5 8 5 1 结论5 8 5 2 展望5 9 致谢6 0 参考文献6 1 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着国家经济建设的快速发展，城市化的脚步加快，城市的规模不断扩大， 城市人口密度急剧增加。城市规模的扩大给城市带来了巨大的压力，住房困难、 交通运输压力大成为城市的普遍难题，缓解城市的压力已经是当务之急，尽可 能的扩大使用空间是解决城市问题的新方向。高层建筑是城市向上获取空间的 一种方法，地下工程的建设是城市向下部获取空间的另外一种方法，这两种方 法是解决城市压力有效途径，将房屋建高可以有效的增加使用空间面积，提供 更多的居住空间；开发地下工程可以获取地下交通运输和地下商业空间。 高层建筑的地下室、地下停车场、地铁以及地下车站，地下商场、地下仓 库以及其他的地下工业和民用设施等地下工程与城市生活息息相关。为了进行 地下环境的开发利用，进行大规模的开挖是必经之路，所以离不开基坑工程的 开挖与支护。城市基坑工程的建设对基坑的变形要求高，事故发生时易造成重 大的经济损失和人员伤亡，如何合理的设计基坑支护，选取合理的基坑施工方 案，控制基坑的变形，做到经济合理，安全可靠是基坑建设的重中之重。众多 的基坑建设中，已经产生了大量的基坑工程事故，这些教训也促进了基坑工程 技术的发展b 1 。 基坑工程是一个综合性岩土课题，涉及到土力学经典强度理论和变形理论， 土体与支护结构的相互作用；b 3 同时也涉及到工程地质学、水文地质学、岩土工 程、土力学、结构力学、施工技术、原位测试技术、以及环境保护等众多学科， 基坑工程是一门理论上不够成熟、技术上尚待发展的综合技术学科“3 。基坑工程 涵盖基坑开挖和基坑支护，两者之间相互制约又相互联系。基坑开挖与基坑支 护是一个系统工程，整个过程涉及到前期的水文和地质勘察，基坑工程结构设 计、相关建筑材料的选用；后期又涵盖了施工工艺、施工管理、基坑监测等多 方面的事项。基坑工程首先考虑基坑支护结构的合理性和可靠性，该过程直接 影响到基坑开挖的安全稳定性，影响到基坑周边建筑物、地下管线、道路等的 施工安全；其次在城市内进行高层建设时，受周边建筑物的影响比较大，地面 空间狭小，基坑开挖时无法放坡开挖，往往需要采用基坑围护的基坑支护方式峪1 。 基坑工程的施工涉及范围广，施工工序繁多，工况较为复杂，这导致基坑开挖 第一章绪论 具有一定的复杂性，其中影响基坑开挖施工的复杂性的因素包括： ( 1 ) 基坑开挖时，施工环境处于变化中，支护结构受力不断进行改变；基 坑开挖方案发生改变时，支护体系受到的外力也将发生改变，因此深基坑开挖 过程中其应力应变状态并非一成不变。 ( 2 ) 基坑支护体系结构设计的关键是控制支护体系的变形，影响基坑支护 体系变形因素，包括支护体系的选型、支护体系的结构刚度以及布置形式、土 体的分布情况、地下水位的情况、基坑周边建筑物的分布情况、施工环境的影 响以及施工方案等，其中地下水位对基坑的影响作用最大拍。1 。 ( 3 ) 基坑开挖过程中，地质条件并非一成不变，基坑土体随基坑开挖的进 行其性状参数也不断发生改变，影响着基坑支护结构与基坑内土体的作用关系。 ( 4 ) 基坑施工过程受环境的影响大，降水、未知的地下管线、超载、基坑 周边重荷载物件的堆放都将对基坑产生不利的影响，增大基坑的安全隐患。 ( 5 ) 当基坑工程的工作面积受限时，无法进行基坑放坡开挖，增大基坑开 挖的难度。 ( 6 ) 基坑开挖的开挖方案有多种可供选择，选择不同的施工方法对基坑的 安全稳定性影响不同“1 9 1 。 高层建筑的基坑工程存在以上特性，增大了旅工过程中的复杂性和风险程 度。降低基坑工程的旋工风险，确保基坑工程的安全稳定是高层建筑的第一步。 对基坑工程进行研究已经是迫在眉睫。在传统的基坑设计理论中，采用的经常 是经典土压力理论，但是该理论难以考虑基坑施工过程中不断变化的施工环境 和土体作用关系，容易得出与实际不吻合的解答。为对基坑工程进行更加精确 的求解，从施工阶段的角度上研究基坑的应力应变状态和安全稳定性，越来越 多的研究人员从有限元的角度对基坑进行分析。在有限元基坑数值分析的研究 中，从一开始d u n c a n 【2 毗和c h a n g 采用土体双曲线非线性弹性模型研究了有限 元法对边坡开挖预测的可行性，到后来p o s t s ”羽采用有限元分析方法、b o r i a 乜加 等人利用修正剑桥模型，刘建航、侯学渊心们对基坑进行预测的设计理论，俞 建霖、龚晓南”习昭、刘杰、姚海林、任建喜以某地铁车站为背景，对基坑 的监测数据进行分析，研究了在车站深基坑施工过程中，围护结构水平位移 随着基坑的分部开挖的变化规律，建立三维有限元模型对基坑开挖过程进行 数值模拟分析，研究基坑的变形规律等等。从前人的研究成果可以看出，基 坑工程的研究从理想理论分析阶段慢慢的进入到实际工程案例的分析阶段， 第一章绪论 有限元的思想在基坑工程的研究中应用越来越广泛，研究的深度也在不断深 化；前人也对基坑工程的监测重要性提出了看法，基坑监测应用于基坑工程 的施工过程中也将提高基坑工程研究的理论水平。 1 2 国内深基坑现状 1 2 1 深基坑的概念 根据建设部“建质2 0 0 9 年8 7 号文”关于印发危险性较大的分部分项工 程安全管理办法的通知规定：一般深基坑是指开挖深度超过5 米( 含5 米) 或地下室三层以上( 含三层) ，或深度虽未超过5 米，但地质条件和周围环境及 地下管线特别复杂的工程。在实践工程中，将深基坑的定义通俗的简化为：底 面积在2 7 平方米以内( 不是2 0 ) ，且底长边小于三倍短边，开挖深度超过5 米 ( 含5 米) 或地下室三层以上( 含三层) ，或深度虽未超过5 米，但地质条件和 周围环境及地下管线特别复杂的工程。 本文研究的背景工程为：中国人民武装警察部队水电第二总队公寓楼下部 基坑建筑面积为2 6 6 1 7 3 m 2 ，长6 5 0 6 m ，宽5 6 m ，基坑深度为6 m ，属于国家规 定的危险性较大的深基坑工程范畴。 1 2 2 深基坑支护的概念及常见的支护技术 深基坑支护，英文名：r e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gf o rd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o 玛 其解释为“为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对深基坑侧壁及周边 环境采用的支档、加固与保护的措施”1 2 8 。深基坑的支护技术经过长期的发展， 主要的支护技术有排桩支护、地下连续墙、钢板桩支护、环形支护结构、深层 搅拌水泥桩等。不同的支护技术适合不同的基坑环境，在实际基坑工程的施工 中，需要综合考虑基坑的开挖深度、土质条件，地下水位情况选择最适当的基 坑支护技术，保证基坑工程的安全稳定性和经济合理性。本文中中国人民武装 警察部队水电第二总队公寓楼地下深基坑采用的是排桩支护形式，其中用于支 护的4 2 9 根排桩全部采用长螺旋钻孔压灌混凝土桩的成桩工艺形成，该工程也 是南昌地区第一例采用长螺旋钻孔压灌混凝土桩来进行深基坑支护工程的项 目。 第一章绪论 1 2 3 深基坑监测在我国的发展状况 早在十年前，施亚霖就已经提出了基坑工程安全监测在深基坑施工中的重 要性，认为深基坑安全监测的内容应该涵盖基坑边坡坡项位移监测、支护桩水 平位移、桩体钢筋应力监测、锚杆拉力应力检测等多项深基坑安全监测的内容。 李爱民、胡春林【2 钔介绍了高层建筑基坑开挖施工的监测和险情预报。2 0 0 9 年， 刘俊岩提出了在基坑监测数据的基础上，建立操作性强的深基坑工程风险管理 系统，对深基坑进行风险识别、风险估计、风险评估和风险控制等。2 0 1 2 年， 胡园园对深基坑水平位移的监测方法进行了分析和比较，对多种深基坑的水平 位移监测方法进行经济性、测量精度、可操作性等方面的比较，得到最优的监 测方法。郭超对基坑开挖周边建筑物的影响进行了分析，在对基坑开挖监测数 据的处理中提出了对基坑进行改进、优化的思想。从我国深基坑监测的发展历 程可以看出，我国深基坑监测技术在不断的进行改进和优化，深基坑监测技术 水平不断提高，加强了深基坑监测的应变水平和加强深基坑风险意识管理，降 低深基坑的施工风险。 1 2 4 国内深基坑支护的发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以来，我国改革开放和国民经济的到了迅速的发展，全国范 围内大力开展基础工程建设，高层建筑得以快速发展，促进了建筑科学技术的 进步和施工技术、施工机械和建筑材料的更新与发展。为了满足建筑物的基础 嵌固埋深要求和建筑的稳定性要求，建筑高度越高，基础埋深就相应越深，对 基坑工程支护的要求也日益增长，特别是城市中心区的建筑施工存在很大的困 难。 我国基坑工程的快速发展使基坑工程支护的方法也有了很大的发展，基坑 工程支护的发展大致呈现以下发展趋势。 1 基坑发展的趋势是深度更深，面积更大，基坑周边环境日渐复杂，深基 坑开挖与支护的难度愈来愈大。从工期和造价的角度看两墙合一的逆作法将是 今后发展的主要方向。但逆作法施工受桩承载力的限制很大，采用逆作法时不 能采用一柱一桩，而是一柱多桩，增加了成本和施工难度。如何提高单桩承载 力，降低沉降，减少中柱桩( 中间支承柱) ，达到一柱一桩，使上部结构施工 速度可以放开限制，从而加快进度，缩短总工期，这将成为今后的研究方向。 2 土钉支护方案的大量实施，使得喷射混凝土技术得以充分运用和发展。 第一章绪论 为减少喷射混凝土的回弹量以及保护环境的需要，湿式喷射混凝土将逐步取代 干式喷射混凝土。 3 机械开挖代替人工作业，目前基坑开挖大多以人工挖土为主，人工开挖 耗时长，效率低，需开发小型、灵活、专用的地下挖土机械，提高工作效率， 缩减工程工期。 4 支护桩支护体系在现有基坑工程使用较多，但支护桩体系对基坑桩基工 程的施工要求高，桩体的强度要求大，地下水位的影响对桩基施工大。大力发 展支护桩桩基施工机械，降低桩基工程施工作业对基坑环境影响，提高支护桩 的应用效能，加快支护桩施工的施工进度成为支护支护体系的发展趋势。 1 3 长螺旋钻孑l 压灌混凝土桩的基坑支护特性 1 3 1 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的概念 长螺旋钻孔压灌混凝土桩是指采用长螺旋钻机进行机械钻孔，待钻机钻至 设计标高之后，由长螺旋钻机的泵管直接向孔内灌注混凝土，后插钢筋笼或者 是待钻机钻至设计标高之后，提钻插入钢筋笼然后再灌注混凝土而形成的混凝 土灌注桩。目前，长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工工艺经过不断的发展和改进， 逐渐形成了一套比较稳定的施工流程：主要施工工序为机械钻孔，往孔内灌压 混凝土，提钻，下钢筋笼振捣成桩，所有施工工序均一次性完成，具备高效、 快捷、低噪音等等优点。 1 3 2 长螺旋钻孑l 压灌混凝土桩的国内外发展历程 长螺旋钻孔压灌混凝桩是基于长螺旋钻机的发展而形成的一种新型的施 工工艺，经过国内外的不断技术改进和优化，成为一种比较完善的桩基础施工 工艺。二战之前，长螺旋钻机问世于美国卡尔维尔特公司，但是长螺旋钻机并 没有在二战之前得到比较长足的发展。二战结束以后，工业的迅速发展成为了 长螺旋钻机发展的良好契机，欧洲和亚洲对长螺旋钻机的发展做出了巨大的贡 献。1 9 4 8 年意大利迈特公司首先开始对长螺旋钻机进行研究，接着德国也开始 进行这方面工艺的研究，上世纪7 0 8 0 年代长螺旋钻机在亚洲国家日本得到快 速发展，日本对其定义为回转斗成桩，也叫阿司特利工法( e a r t h d r i l i ) ，在德国、 日本这类工法应用相当普遍。 第一章绪论 我国于8 0 年代初从日本引进了该种机械工艺，并且将其装配在k h 1 2 5 型 履带起重机上，此时中国国内的长螺旋钻机雏形开始形成。1 9 8 4 年，天津探矿 机械厂从美国r d i 公司引进了旋挖钻机，并对其进行探索研究，加以改进优化。 1 9 8 7 年，北京展览馆首席展出了意大利土力公司( s o i l m e c ) 产品，1 9 8 8 年，北 京城建机械厂参照土力公司的样机进行改进，研发出直径1 5 m 的履带起重机附 着式长螺旋钻机，中国第一台长螺旋钻机正式诞生。 第一台长螺旋钻机正式诞生以后，中国国内长螺旋钻机的发展开始进入了 一个研发设计，投产应用的阶段。1 9 9 4 年，郑州勘察机械厂从英国b s p 公司引 进了附着式旋挖钻孔机的生产技术，但是这项技术的引进并没有形成批量生产 的市场效应。1 9 9 2 年，德国宝峨公司开始对华业务，于北京设立了宝峨公司中 国代表处，1 9 9 5 年，宝峨公司在天津成立了独资子公司宝峨天津机械工程 有限公司，组装了适应中国市场的宝峨b g 2 0 型旋挖钻机。1 9 9 8 年，中德合资 上海宝峨金泰工程机械股份有限公司于上海成立，开始生产组装b g l 5 型、b g 2 4 型旋挖钻机。1 9 9 8 年，徐工集团开始自主开发研制r d l 8 旋挖钻机，于1 9 9 9 年 试制成功并投入批量生产，紧接着北京经纬巨力、三一重机等大型企业也纷纷 涉足旋挖钻机的研发生产行业，目前国内外有近二十家厂商生产旋挖钻孑l 机， 长螺旋钻机的发展开始盛行起来。 长螺旋钻机是一种适合建筑工程中桩基础工程成桩作业的施工机械。该种 机械采用长螺旋钻杆进行机械钻孔，对土质的适应能力高，在灌注桩、基础加 固、基坑支护等多种地基基础施工中得到广泛应用。伴随着长螺旋钻机的发展， 长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺也开始有了很大的进步，并且逐渐向高技术， 高效率，环保等方面发展。 1 3 3 长螺旋钻孑l 压灌混凝土桩基坑支护特性 长螺旋钻孔压灌混凝土桩作为基坑支护的支护体系，其结构形式相当于排 桩式的支护形式。该种支护形式具有较好的侧向刚度，可以采用桩体的侧向抗 弯刚度来抵抗基坑开挖过程中基坑的变形。该种基坑支护形式下，桩与桩之间 存在一定的间隔，可以大大降低基坑支护的造价和提高施工进度、降低施工作 业强度。但该支护桩均以个体形式存在，整体性能较差，防水能力较差，施工 过程中可以素混凝土挡水桩与钢筋混凝土支护桩工程咬合作业的方式来提高支 护体系的防水能力。 第一章绪论 1 4 本文所研究的内容和技术路线 1 4 1 本文研究内容 本文依据的实际项目为中国人民武装警察部队水电第二总队公寓楼。项目 位于南昌市市区内，为一占地面积较大的高层建筑。因其位于市区内施工，地 下管网系统复杂，施工工期紧张，地下深基坑面积达到2 0 0 0 多平方米，施工难 度较大而具备较强的挑战性。中国人民武装警察部队水电第二总队公寓楼项目 采用长螺旋钻孔压灌混凝土桩成桩，形成排桩型的基坑支护方案具备了南昌地 区施工的创新意义。本文以南昌市率先使用长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工工 艺进行基坑支护施工为研究背景，结合长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工中遇到的 问题，对基坑现场施工监测数据进行数据整理、数据分析、数值模拟等进行研 究，研究长螺旋钻孑乙压灌混凝土支护桩的变形规律，在基坑支护方案设计中对 变形进行预测和施工过程中的安全预警。为后期在南昌市推广该施工工艺，对 相似工程的设计、施工提供一定的参考。本文研究的具体内容有： ( 1 ) 对中国人民武装警察部队水电第二总队公寓楼长螺旋钻孔压灌混凝土 支护桩施工过程中所遇到的问题和解决问题的方法进行整理，为以后相类似工 程施工提供预警和解决方案。 ( 2 ) 搜集、整理、分析公寓楼长螺旋钻孔压灌混凝土桩基坑支护的监测数 据资料，总结变形规律。利用最d , - - 乘法原理，结合基坑监测平面图对长螺旋 钻孔压灌混凝土支护桩位移监测数据进行处理分析，总结桩体变形规律，提供 施工中最易出现报警数值的薄弱点，为以后的施工提供参考。 ( 3 ) 利用m i d a sg t s 有限元分析软件，建立数值模拟分析模型，动态模拟 深基坑开挖过程，得出整体基坑支护结构的有限元分析计算结果，与实际基坑 监测数据进行对比，分析不同基坑观测点以及不同工况下施工对基坑支护结构 的变形影响。 ( 4 ) 分析基坑开挖过程对基坑支护的影响，以及基坑支护周边环境对基坑 的影响，结合现场施工过程中的一些应急处理办法，为以后基坑支护的设计以 及施工提供一定的参考。 1 4 2 本文研究的技术路线 ( 1 ) 对已有数据进行整理分析：利用最小二乘法原理进行处理，建立多元 基坑变形曲线，指出关键控制点，实现对异常点预测和报警工作。 第一章绪论 ( 2 ) 采用有限元理论进行分析，考虑基坑周边的环境影响，动态模拟基坑 开挖过程，对基坑支护结构的应力应变状况进行分析。 ( 3 ) 采用优化反演分析方法，对以后深基坑的设计施工进行预测。 具体研究思路如下图： 第二章长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺特点 第二章长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺的特点 2 1 长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺 长螺旋钻孔压灌混凝土桩是由长螺旋干钻改进而来的，近几年发展成为机 械成孔灌注桩的新施工工艺。其主要施工流程包括钻孔、灌压混凝土、提钻、 下钢筋笼振捣成桩，所有施工工序均一次性完成。具体做法为先采用长螺旋钻 孔机进行钻孔，钻至设计标高深度之后，由长螺旋钻管的中心甭管往孔内灌压 混凝土成桩，再采用大功率振动器将预先制作好的钢筋笼插入混凝土中振捣成 钢筋混凝土桩。 2 2 长螺旋钻子l 压灌混凝土桩的在我国使用现状 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的新工艺新技术特点决定了其适用范围，长螺旋 钻孔压灌混凝土桩采用泵内压灌混凝土的方法，混凝土由钻杆内的甭管直接泵 入孔内，可以不受地下水位影响，能广泛适用于粘性土、素填土、粉土中密实 程度以上的砂土。近几年长螺旋钻孔压灌混凝土桩在我国范围内已经开始得到 比较广泛的推广，特别是在中国的北方地区，北方地区的土质良好、地下水位 较低、沉渣较少、长螺旋钻孔的施工工艺在北方地区使用比较平凡。2 0 0 8 年北 京奥运的场馆建设中，长螺旋钻孔压灌混凝土桩成为桩基础施工的重要施工工 艺，大大加快了工程进度，为保证北京奥运会的成功召开提供了技术支持。 中国的南方地区，长螺旋钻孔压灌混凝土的施工工艺并没有得到广泛的推 广，限制推广的主要原因是我国南方地区地下水位较高、地质条件相对复杂、 土体参数多变、土体沉渣清孔难度较高等。 南昌市井冈山大道的中国人民武装警察部队水电第二总队公寓楼项目采用 支护桩的基坑支护形式，支护桩采用了长螺旋钻孔压灌混凝土桩的新桩基施工 工艺。为南昌市首例采用长螺旋钻孔压灌混凝土桩进行基坑支护的基坑工程， 对长螺旋钻孔压灌混凝土桩这种新的施工工艺进入南昌地区的可行性及适用性 是一个比较好的考量实践例子。本人长期进驻工地现场，辅助进行施工管理和 技术改进，以方便获得第一手技术资料，为论文的撰写提供了很好的数据支撑。 经过长期的工地现场观测和数据资料提取，对长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工 第二章长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺特点 工艺有了一些新的认识。 2 3 长螺旋钻孑l 压灌混凝土桩施工技术优点 2 3 1 长螺旋钻子l 压灌混凝土桩施工工艺大大缩短工程工期 采用传统的机械钻孔成桩或者是人工挖孔桩的施工工艺，一天只能成桩卜2 根，当采用长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工工艺时，单桩成桩的时间大概为4 5 分钟左右，可以大大的缩短钻孔成桩的时间。长螺旋采用反向旋转向上排土的 方法，在钻孔的同时将多余的土体排除：j ：l p t - ，也减少了挖土方的时间。 中国人民武装警察部队水电第二总队公寓楼项目基坑支护工程支护桩的桩 数总计4 2 9 根，其中素混凝土桩1 8 6 根，钢筋混凝土桩2 4 3 根，素混凝土桩桩 长为7 m 一8 5 m 不等，桩径为7 0 0 r a m 一8 0 0 m m 不等，钢筋混凝土桩桩长为1 3 m 一1 5 m 不等，桩径为7 0 0 r a m 一8 0 0 r i o n 不等。按照设计采用的反循环钻孔灌注桩的施工工 艺，预计工期为1 2 0 天左右，实际施工中采用了长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施 工工法，计划工期2 8 天，在施工过程中遇到降雨等情况，最终3 1 天完成所有 的支护桩桩基工程。相比南昌地区比较普遍的反循环施工工艺以及人工挖孔桩 施工工艺，将施工工期缩短了四分之三，大大提高了施工效率。 2 3 2 长螺旋钻孔压灌混凝土桩大大减小对环境的污染 长螺旋钻孑l 压灌混凝土桩的施工工艺采用反向旋转向上排土同时向侧壁挤 土的钻孔方法，钻孔的过程中也排出了桩孔的土体，侧边挤土可以将桩孔土体 挤压密实，降低塌孑l 的风险，提高了桩体的稳定性。相比之下，假如采用南方 地区比较常见的反循环机械钻孔灌注桩施工工艺时，需要不断使用水来将孔内 的土体带出来，会浪费大量的水资源，且产生大约为3 倍桩体体积的泥浆，泥 浆的大量堆积会严重影响施工现场的文明施工质量，泥浆外运也将严重考验城 市的市容市貌和增加经济成本，相比之下，长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工工 艺具有比较高的环保性能。 2 3 3 长螺旋钻孑l 压灌混凝土桩安全性较高 长螺旋钻孔压灌混凝土桩的施工流程为钻孔、灌压混凝土、提钻、下钢筋 笼振捣成桩，这一系列的施工工序均由机械完成，无需人工进入孔内作业，提 高了桩体施工的安全性，保障了工人的人身安全。反观传统的人工挖孔桩的施 第二章长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工工艺特点 工工艺，工人需要进入孔内，不断使用泥浆护壁来保证桩孔的安全性，很大程 度上影响了施工速率和工人安全。人工挖孔桩也很难保证桩体下部的施工质量 和桩体长度，在很大程度上具有主观性，技术人员测定桩长和检验桩底质量时 具有一定的盲目性。长螺旋钻孔压灌混凝土桩，可以很清楚的从钻杆上测出钻 杆的入土深度，能很准确的测得桩体的长度，保证了桩体的入岩深度，对承压 型桩的施工质量是很好的保证；桩长的长度也是保证摩擦型桩的接触面积的重 要参数，长螺旋钻孔压灌混凝土桩对以通过与接触面的摩擦来提高承载力的摩 擦型桩的施工质量也是一个很好的保证。 2 3 4 长螺旋钻孔压灌混凝土桩对桩体强度和质量有很高的保证 长螺旋钻孔压灌混凝土桩采用长螺旋钻孔的施工工艺，同时不断的挤压周 边的土体，使得孔体周边的土体异常密实，可以保证空孔形状。长螺旋钻孔压 灌混凝土桩的混凝土通过长螺旋钻杆中间的混凝土管泵入孔内，使混凝土从桩 体下部往上浇筑，泵送的混凝土的巨大压灌离，可以提高混凝土的密实度，从 而保证桩身质量。在现场的实际操作中，通过桩基检测公司的桩体取芯样本可 以看出，桩体的混凝土密实度很高；成桩过程中采用中心管泵送混凝土的方法， 桩孔周围的泥土不容易进入桩体，对混凝土桩的桩体成形质量、桩身强度都是 一个很好的保证。 2 3 5 长螺旋钻子l 压灌混凝土桩可以有效防止断桩和缩颈现象 长螺旋钻孔压灌混凝土桩由长螺旋钻杆的中心泵管向孔内泵送混凝土，混 凝土受到巨大的泵送压力，由孔底往上压起，随着长螺旋钻杆的提钻过程不断 泵入新的混泥土，当钻杆提起时混凝土浇筑也完成，桩体混凝土一次性泵送到 位，可以保证浇筑桩体混凝土