（地质工程专业论文）静压桩施工技术研究.pdf

静压桩施工技术研究 摘要 静压桩具有无噪音、无振动、无冲击力等诸多优点，其施工技术的研究一直是 近几年来一个热门问题。静压桩属于挤土桩，在沉桩过程中会对桩周的土体产生挤 压，并在施工过程中会遇到“压不下”的问题，“压不下”问题有两种情况：第一、 施工场地的地质中有一层硬土层，这一硬土层预制桩施工中压不下去，用来做持力 层又薄，所以要穿透硬土层；第二、预制桩压到持力层但没压到设计深度。许多学 者在静压桩施工方面进行了探索，但由于这个问题的复杂性，至今还没有获得满意 的结果。作者在前入研究的基础上，做了如下一些工作： 首先分析了预制管桩不同的施工法及其施工法的工艺流程，得出静压桩以其特 有的优点已被广泛地应用。还对静压桩的理论分析进行了简要的概述并对静压桩及 其问题研究的现状进行了介绍，还提出了减少静压桩挤土效应的施工措旋。 其次简述了静压桩的旋工机械液压静力压桩机施工技术的现状，详细说明 了液压静力压桩机的工作原理，对抱压式静力压桩机的适应性作了分析。 最后对于许多工程压桩达不到设计深度，即“压不下”的问题进行了研究，在 总结了前人的方法：旋转挖土、高压射水、静压加冲击、引孔( 掏孔) 压桩等方法 的基础上提出用气动潜孔锤掏孔的方法，主要是贯通式气动潜孔锤反循环钻进连续 取芯( 样) 的方法。在静压桩施工过程中如遇到“压不下”问题时用此方法辅助旆 工，并与静压桩形成一体化。研究了旌工技术方法、施工流程工艺和所要注意的事 项，同时为了取得较好的钻进取芯效果，还初步探讨了反循环专用钻头的摆角问题。 关键词：钻孔掏土，静压穿层，静压桩，气动潜孔锤钻进 c o n s t r u c t i o nt e c h n i c si n v e s t i g a t i o no ft h ej a c k e dp i l e j a c k e dp i l eh a ss o m ee x c e l l e n c es u c ha sn o n n o i s e s ，n o n - v i b r a t i o n ，n o n w a l l o p ，a n d i ti sa l w a y sah o tp r o b l e ma b o u tt h et e c h n o l o g yo f c o n s t r u c t i o nf o rt h i sy e a r s j a c k e dp i l e i sb e l o n g e dt os o i lc o m p a c t i o np i p e ，a n di tc a l ls q u a s hs o i la r o u n dp i l ei nt h ep r o c e s so f p i l e ss e d i m e n t a t i o n a n di tm a y b eb r i n g st h ep r o b l e mo f “c a n ts u b s i d e ”i nc o n s t r u c t i o n i th a st w oi n s t a n c e s ，f i r s t l y , i th a sah a r dl a y e ri nt h ef i e l do fc o n s t r u c t i o n ，a n di ti s i m p o s s i b l et os u b s i d ei nt h eh a r dl a y e rw h i c hi st h i nu s i n gt os u p p o r tl o a d ，s oi tm u s t s u b s i d et h i sl a y e r s e c o n d l y , t h ep i l ei ss u b s i d e di nt h el a y e ro fs u p p o r t i n gl o a d b u tt h e d e p t ho fl a y e rc a l ln o tc o n t e n tt h ea p p e a lo fd e s i g n m a n ys c h o l a r sh a di n v e s t i g a t e dt h e c o n s t r u c t i o no f j a c k e dp i l ei nm a n ya s p e c t s ，b u ti th a s n ta c h i e y e daa p p r o v i n gr e s u l tf o r t h i sp r o b l e mi ss oc o m p l e x ih a dc o m p l e t e dt h i sd i s s e r t a t i o no nt h eb a s eo fp e o p l e s i n v e s t i g a t i o na n de x p l o r a t i o n ，a n dd o n es o m ew o r ka sf o l l o w s ： f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec o n s t r u c t i o no f p r e f a b r i c a t ep i p ep i l ea n dt e c h n i c sf l o w o fc o n s t r u c t i o n ，a n dg a i nt h er e s u l tm a tj a c k e dp i l ei sa p p l i e dw i d e l yf o ri t sp a r t i c u l a r e x c e l l e n c e i na d d i t i o n ，t h ep a p e rg e n e r a l i z et h et h e o r e t i c so f j a c k e dp i l ea n di n v e s t i g a t i o n a c t u a l i t yo ft h ep r o b l e m ，a d v a n c et h ec o n s t r u c t i o nm e a s u r er e d u c i n gt h es o i lc o m p a c t i o n e f f e c to f j a c k e dp i l e s e c o n d l y , t h ep a p e rd e p i c tt h ea c t u a l i t yo fj a c k e dp i l e sc o n s t r u c t i o nm a c h i n e - - h y d r a u l i cs t a t i cp r e s s u r ej a c k e dm a c h i n eb r i e f l y , a n de x p l a i nt h ee l e m e n t so fw o r k i n g d e t a i l e d ) ；t h ep a p e ra l s oa n a i y z e dt h ea d a p t a b i l i t yo f t a c k l i n g j a c k e dm a c h i n e i nt h el a s t ，i na l l u s i o nt ot h ei n s t a n c et h a tm a n y p i l ec a r l tb ep r e s s e di n t ot h ed e p t ho f d e s i g n ，w h i c hi st h ep r o b l e mo f “c a l l ts u b s i d e ”s u m i n gu pt h em e t h o dw h i c hw a su s e d ： d r i l lp i p ec i r c u m r o t a t et oe x c a v a t i o n ，s h o o tw a t e ro fh i g hp r e s s u r e ，i m p a c to fs t a t i cp r e s s ， d r a wh o l ea n dp r e s sp i l e 髓ep a p e rb r i n gf o r w a r dt h em e t h o do fd r a w i n gh o l et h a tu s i n g a i r - d r i v eh a m m e rh o l l o w i n go u th o l e t h em e t h o di s p e r f o r a t i o na i r - d r i v i n gr e v e r s e c i r c u l a t i o nh o l l o w - t h r o u g hd t hi nf e t c h i n gt h es a m p l i n g w eu s et h i sa s s i s t a n tm e t h o dw h e n a p p e a r i n gt h ep r o b l e mo f “c a l l ts u b s i d e i nt h ep r o c e s so f j a c k e dp i l e sc o n s t r u c t i o n ，a n d t h i sc a ni n c o r p o r a t e 、v i 廿lj a c k e dm a c h i n e t h ep a p e rd i s c u s st h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d t h e t e c h n i c sf l o wt h et h i n g sw h i c hn e e dn o t i c e ，a tt h es a m et i m e ，i nt h en e e dt og a i nf i n e r e s u l to f g a i n i n gs o i l ，t h ep a p e rd i s c u s st h es w i n ga n g l eo fr e v e r s ec i r c u l a t i o ns p e c i a lp i t k e y w o r d s ：d r i l lt op u l lo u tt h es o i l ，s t a t i cp r e s s i n gt h r o u g hs o i ll a y e r , j a c k e dp i l e ， a i r - d r i v i n gr e v e r s ec i r c u l a t i o nh o l l o w t h r o u g hd t hd r i l l i n g 声明 本人的学位论文“登压蕉蕉王挂盔班塞”是在导师指导下独立撰写并完成的， 除论文中加以标注的地方以外，没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权 行为，否则本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 论文作者签名：昊排 日期：二o o 六年六月 华北水利水电学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 桩基工程是一种比较古老的基础形式，也是应用最为广泛的建筑基础形式。最 早的桩基础可以追溯到新石器时代人类在湖泊和沼泽地里栽木桩搭台作为水上住 所，这是桩基础的最原始的形式【l 】。桩被设置于地基中，把上部结构的荷载和应力 作用于桩顶传递给地基下部较坚固、稳定、可靠的岩土之上，起到承上启下的作用， 以满足建筑物的正常安全使用和限制变形量在一定范围之内 2 1 。由于桩的材料、长 度与设置方法以及桩的施工方法都可以有很大的调节与变化。因此桩很容易适应建 筑物荷载的不同受力条件和要求，具有良好的工程技术性能以满足建筑物对地基的 各种要求【4 】。 随着建筑业日益向机械化、专业化方向发展，对桩基础也提出了更高的要求， 随着科学技术的快速发展，特别是机械技术的发展，桩基础也由简单趋向于复杂， 改变了木桩的单一型式，逐渐发展为钢筋混凝土桩和钢桩【5 l 。同时，桩基础在建筑 业的重要性越来越突出主要体现在以下几点【36 】： ( 1 ) 桩基础一般穿过软弱土层或中等压缩土层，桩端支承在坚硬的( 基岩、密 实的卵砾层) 或较硬的( 硬塑粘性土、中密砂层等) 持力层上，具有较大的竖向承 载力，来承担上部建筑物的竖向荷载和偏心荷载。 ( 2 ) 桩基础具有很大的竖向刚度，在建筑物1 9 重或相邻建筑物的影响下，不致 产生过大的不均匀沉降，确保建筑物倾斜不超过有关规范的允许范围。 ( 3 ) 凭借桩基础巨大的侧向刚度及整体抗倾覆能力，可抵御由于风和地震引起 的水平荷载与力矩荷载的作用，确保建筑物整体抗倾覆的稳定性。 ( 4 ) 当桩穿过可液化土层支承在稳定密实的土层上，在地震造成浅部土层液化 与震陷的情况下，桩基础凭借深部稳固土层、仍具有一定的抗压与抗拔承载力，从 而确保建筑物的稳定，不致于产生过大的沉陷与倾斜。 1 2 预制管桩的施工方法的特点2 】 随着现代建筑业的飞速发展，各种桩基的旌工技术也应运而起。下面分析预制 管桩的不同施工方法的特点： 按施工设旌不同，预制管桩的越工法可分为夯实打桩、振动沉桩和静压沉桩。 华北水利水电学院硕士学位论文 1 2 1 夯实打桩 最早采用的方式是坠锤，后来是蒸汽锤，2 0 世纪5 0 年代，最大的蒸汽锤为6 t ， 可用来锤击中5 5 0 m m 的预应力钢筋水泥土管桩。在2 0 世纪6 0 年代南京长江大桥建 设时使用的就是6 t 和8 t 的蒸汽锤。人们在实践过程中深刻认识到桩基础施工机械 化是一个重要的发展方向，在这种的趋势下，柴油锤应运而生并一度占领了桩基础 施工机械的全部市场。随着柴油锤的日益成熟和广泛使用，柴油锤也逐渐取代了蒸 汽锤，比如我国的西安地区最初的桩基础主要采用的就是柴油锤打桩机打桩法。目 前国内采用的柴油锤主要是德国马克、日本三菱和神钢的产品。同时，国内一些厂 家也在研制柴油锤，比如上海工程机械厂自1 9 9 2 年与德国马克公司合作生产d - i o 型l o t 柴油锤，将国产柴油锤的级别和质量提高到了一个新的高度。但是国产柴油 锤与进口的柴油锤相比，还存在比较大的质量问题，主要反映在活塞环材质及热处 理工艺和气缸材质方面，因此国产柴油锤的反修率较高，利用率较低。 近几十年来国内外的柴油锤有了很大的发展，但由此产生的振动、噪音及挤土 效应对相邻建筑物、管道、地下设施的不利影响也随之突出。随着时代的需要和科 学技术的发展，许多新的工法也应运而生，同时，人们也开始从考虑技术性、经济 性的方向逐渐转到重视环保的方向及其发展。 由于柴油锤施工中噪音大、油烟污染严重，我们国家也有许多地区已明令禁止 柴油锤在市区施工。在日本柴油锤已被液压锤所代替。 液压锤在施工中噪音小，无油烟污染的特点。自2 0 世纪6 0 年代液压锤在欧洲 首次成功开发以来，在发达国家得到快速地发展。到2 0 世纪7 0 年代，世界各国先 后开发研制了液压锤以适应建筑行业的需要，目前已成为建筑施工中一种不可缺少 的大型桩工机械，国际上的主要产品有日本的n h 系列和荷兰h b h 系列。液压锤在夯 锤是锤落下的高度可自由调整，可以适用于不同地基硬度、桩种及桩径，实现了一 台液压锤能进行多种施工。我国于2 0 世纪9 0 年代初由上海工程机械厂以合作生产 的方式从日本引进液压锤生产技术并投入小批量生产。但由于液压锤也有一些缺点， 如打击效率低，约为柴油锤的二分之一，价格偏高等原因，液压锤在我国的桩基础 施工中还没有得到普及，目前正处在推广阶段。 预制管桩锤击打桩法的旌工工艺流程为：测量定位一底桩就位，对中和调直一 锤击沉桩一接桩一再锤击、接桩一打至持力层一收锤。 2 华北水利水电学院硕士学位论文 锤击旌工中应注意的闯题：准备工作：施工前，首先应对进场的预制管的质 量进行检验，管桩必须具有出厂合格证和产品说明书，还应对施工周围环境进行详 细调查，清除障碍物，并对影响施工的因素采取必要措施。还要确定施工方案、打 桩顺序。桩锤选择：桩锤的大小应能满足打桩的各项技术指标要求。为了防止桩 锤回弹过大，锤击应力过高而将桩头打坏，同样也为了提高打桩速度，桩锤应遵循 “重锤轻击”的原则。桩帽和垫层：桩帽应该有足够的强度、刚度和耐打度。垫 层有“桩垫”和“锤垫”之分，锤垫设在桩帽的上部，是保护柴油锤和桩头的，一 般采用竖纹硬木或盘圈层叠的钢丝绳制作，厚度取1 5 2 0 c m ；桩垫设在桩帽下部的 套筒里面，与桩顶接触，它可以延长锤击作用时间，降低锤击应力，保护桩头。桩 垫一般采用麻袋、硬纸板、水泥纸袋、胶合板等材料，要求厚度均匀，软硬合适， 锤击后压实厚度不应小于1 2 c m 。防止偏心打桩：打桩过程中，如果出现偏心打桩， 则桩头受偏心锤击而使应力增大，容易打坏桩头，另外也影响最后的成桩质量，因 此打桩时应保证桩锤、桩帽和桩身中心线重合，如有偏差应随时纠正，特别是第一 节底桩，对成桩质量影响大，因此垂直度偏差不得大于0 5 。保证接桩质量：我 国目前在接桩中大多数工地都选择焊条电弧焊。焊接时电流应合适，旋焊应对称、 分层、均匀、连续进行，焊缝应饱满，大风或低温条件下施工时，应采取必要的防 风保温措施。焊接后应对焊接质量进行细致的检查，不得有凹痕、咬边、焊瘤、夹 渣等表面缺陷。焊后应采用自然冷却，时间不宜小于8 m i n ，严禁用水冷却，防止淬 硬，以免降低接头部位的强度而造成断桩。在较厚的粘土、粉质粘土中施打多节 管桩时，宜连续施工，一次完成。控制送桩深度：对承载力较大的摩擦端承桩， 送桩深度不宜超过2 m ，否则桩头容易被打碎，桩顶位移也大。打桩至送桩宜连续进 行，防止周围土体的固结，承载力增大而使沉桩困难。送桩帽宜制成圆形，并保证 足够的强度、刚度和耐打性，上下端面应平整，且与送桩中心轴线垂直，防止偏心。 送桩器轴线应与桩轴心线重合，不得在晃动下施工。送桩器在制作时，考虑到为了 便于管桩空腔内空气或水分外溢，防止施工中管桩出现竖向劈裂缝，应在送桩器下 端面设排气孔。 管桩施工中应注意的几个方面： ( 1 ) 桩靴选择：桩靴又h q 桩尖，它的形式很多，有封闭式、外开放式、内开放 式、钢管式、平桩靴、钢板靴、钢十字劲板靴等，根据工程地质条件来选择； 3 华北水利水电学院硕士学位论文 ( 2 ) 垫层要求：为使桩锤i 桩头受力均匀，不易损坏，打桩时必须在桩头上与 桩帽内加以垫层。桩头垫层一般采用有弹性的麻袋、三合板、纸板，压缩厚度为1 2 0 1 5 0 r a m ，在锤机过程中要经常检查，及时更换； ( 3 ) 驳接、焊接要求：1 ) 当管桩需要接长时，其入土部分桩段的桩头宜高出 地面0 5 1 0 m ；2 ) 下节桩的桩头处应设导向箍以便上节桩就位。接桩时上下节桩 段保持顺直，错位偏差不大于2 m m ；3 ) 管桩对节前，上下端板表面应用钢丝刷清 刷干净，坡口处应刷至露出金属光泽；4 ) 焊接时宜先在坡口圆周上对称固定焊4 6 点，待上下桩节固定后，拆除导向箍再分层施焊，施焊时应由二个焊工对称进行； 5 ) 焊接层数不得少于二层，内层焊渣必须清理干净以后方能施焊外面一层。焊缝应 饱满连续；6 ) 焊好后的桩接头宜自然冷却8 m i n 后才继续锤击，严禁用水冷却或焊 好即打。 ( 4 ) 垂直度的要求：测量管桩及桩架导杆的垂直度，可用两台经纬仪在离桩架 1 5 m m 处成正交方向进行观察，也可在正交方向上设置两根吊砣垂线进行观察校正。 每台打桩机尚应配备一把长条水准尺，可随时量测桩身的垂直度。一般桩插入地面 的垂直度偏差，不得超过桩长的0 5 。 此外，为了确保工程质量，施工必须作好充分的准备，施工阶段加强监理，结 合施工经验，制定并落实技术措施，主要有： 1 ) 先打探桩，结合地质资料和实际情况合理配桩： 2 ) 采用送桩器时，严格要求收锤贯入度； 3 ) 采用每桩一气呵成的施工法； 4 ) 严格打桩顺序，坚持从场区中心往外施打的原则； 5 ) 重锤低击： 6 ) 进行桩身回弹值实测及最后十击贯入度等技术指标，比较准确估算管桩的单 桩承载力； 7 ) 监督桩的垂直度，驳接时焊接质量等要求。 1 2 2 振动沉桩 振动沉桩的原理是利用振动锤产生的周期性振力，使桩周边的土壤液化，减少 了土壤对桩的摩阻力，达到使桩下沉的目的，主要适用于各类钢板桩和钢管桩的沉 桩作业，也可用于混凝土的沉桩作业。武汉大桥建设时我国试制了苏制b 】i ，型振动 4 华北水利水电学院硕士学位论文 桩锤，成为当时激振力最大的振动桩锤。振动桩锤在我国真正得到了迅速发展是在 改革开放以后，2 0 世纪6 0 年代，为南京长江大桥夺3 6 m 预应力混凝土管桩下沉， 又研制了大型振动桩锤2 5 0 型，激振力可达2 5 0 0 l 甜。此后许多年，国内振动桩锤的 研制工作基本停止不前，近l o 年来，由于石油工程和桥梁工程的需要，大型振动桩 锤的研制有了新的发展。 在振动桩锤和桩处于垂直位置是，作用于桩上的正弦变化的激振力，向下作用 时和重力相加，向上作用是与重力相减，这样振动桩锤的振幅和桩的振幅实际上向 下要大一些，向上要小一些当进入土壤沉桩时，在振动桩锤和桩的重力大于土壤 对桩端部阻力的情况下，每一个振动周期中桩向下的振幅都会大于向上的振幅，桩 也就不断地下沉。当桩沉到某一坚硬土层是，如果振动桩锤和桩的重力等于或小于 土壤的端部阻力，这时桩向下的振幅不再大于向上的振幅，桩也就停止下沉了。在 桩下沉的过程中，是重力作的功。电机驱动振动桩锤所作的功，只是用于克服阻尼 力，维持桩的振动，通过振动使土壤对桩的侧面摩擦阻力大大降低。 振动沉桩时使桩顺利地打入预定深度的三个条件为：第一、振动桩锤的激振力 p 必须大于桩和土壤的侧面摩擦阻力f ，即p f ；第二、振动桩锤和桩的重力q 必 须大于土壤对桩端部的阻力r ，即q r ：第三、振动桩锤和桩的振幅a 必须大于土 壤的临界振幅a o ，即a a o 。 国外振动桩锤主要向液压振动桩锤的方向发展。自7 0 年代中期，美国m k t 公司 首次在世界上研制成功了第一台液压式振动桩锤，并得到建筑界的重视。从此液压 桩锤得以迅速发展，在发达国家已普遍推广使用液压式振动桩锤。 液压振动桩锤是一种可以方便地改变振动频率的振动桩锤。它和电动振动桩锤 最主要的不同就是将电机驱动改成了液压马达驱动。通过无级地改变液压马达的供 油量，可以无级地改变液压马达的转速，从而达到无级地改变振动频率。 液压振动桩锤和电动振动桩锤相比，有许多优点： ( 1 ) 液压振动桩锤能够在工作中随时方便地无级调节振动频率，使液压振动桩 锤可以在不同的土质条件下取得最佳的沉桩效果。如果配合无级调节偏心力矩，将 会使这种效果更加明显。 ( 2 ) 液压振动桩锤由柴油发动机带动的动力装置提供动力，起动方便。其柴油 发动机的功率一般只略大于桩锤的功率。而传统的电动振动桩锤如果由柴油发动机 5 华北水利水电学院硕士学位论文 组供电，柴油发动机组的功率必须大于桩锤功率的2 2 5 倍以下，否则桩锤难于起 动。如果由电网提供动力，也必须考虑变压器的容量，施工地点距离等等因素。若 条件不满足，桩锤也会难于起动。 ( 3 ) 液压振动桩锤噪音低。通过对振动频率和偏心力矩的适当调节，可以减轻 振动和噪音对周边的影响，因而可以降低公害。 ( 4 ) 液压振动桩锤操作使用比较方便。 1 2 3 静力沉桩 柴油锤和振动桩锤会产生相当大的噪音，在城市居民密集区施工时对环境影响 极大，目前世界各国都在环保法中规定了噪音污染的限度，禁止在城市中心地带使 用柴油锤和振动锤。为此液压静力沉桩机也随之兴起。我国在2 0 世纪7 0 年代开始 研制静力沉桩机，到8 0 年代初期，才出现较为先进的静压沉桩方法，但压力都较小， 只有9 0 0 k n 和1 2 0 0 k n ，只能解决一些荷载不大的短桩施工，故应用范围不广。到 9 0 年代初期，由于液压制造业的发展，压桩机的吨位逐步地提高到2 0 0 0 k n ，可满 足1 5 层以下的高层建筑物的沉桩深度所需要的压力。至今，最大吨位的压桩机已达 到8 0 0 0 k n ，单桩允许承载力可达4 0 0 0 k n ，可满足3 5 4 0 层以内的高层建筑物所需 要的桩基深度和压力。 静力沉桩法施工工艺流程概括起来大致如下：测定桩位一压桩机就位调平一将 管桩吊入压桩机夹持腔一夹持腔对准桩位调直一压桩至底桩露出地面2 5 3 0 m 时 吊入上节桩与底桩对齐，夹持上节桩，压底桩至桩头露出地面0 6 0 o 8 0 m 一调整 上下节桩，与底桩对中一电焊接桩、再静压、再接桩直至需要深度或达到一定终压值， 必要时适当复压一截桩，终压前用送桩器将工程桩头压至地面以下。 随着大吨位压桩机的诞生，使静压桩逐渐得到了广泛的应用并取得了很好的效 果。静压桩相对于打桩而言有以下优点：无噪音、无振动、无冲击力、施工应力 小，桩顶不易损坏，而且在施工过程中不出现拉应力，桩身完整性有保障；沉桩 精度高，不易产生偏心沉桩；压桩力能自动记录或自动显示，可直观预估和验证 单桩承载力，实现信息化旌工；施工速度快，工艺简单、易操作、无泥浆排放、 施工文明。 但是静压预制管桩也有它的局限性，主要有：( 1 ) 由于静压预制管桩施工会产 生挤土效应，因此在四周密集的居民区旌工时，要考虑对邻近房屋的影响，不宜采 6 华北水利水电学院硕士学位论文 用。( 2 ) 由于施工机械庞大，在周边场地有限时，不宜采用。( 3 ) 压桩过程中如遇 地下有较多孤石、障碍物或较厚卵石层( 4 m 以上的硬隔离层) 时，若强行施工容易 引起桩身被夹破或爆裂，不宜采用。( 4 ) 由于静压管桩是采用液压机械施工，对于 单桩设计承载力超高的桩，则需要大吨位的机器设备，造价昂贵，且运输不便，不 宜采用。 由于液压静力压桩所具有的沉桩质量好、速度快、造价低和无环境污染的优点， 再加上有些城市打桩施工受到严格的限制，采用静压桩旌工的工程在大幅度上升， 因此静压桩法的应用前景非常广泛。 1 3 课题的提出与研究思路 1 ，3 1 课题的提出及意义 静压桩的施工过程本身就比较复杂，随时都会出现意想不到的情况。它涉及到 土力学理论中的各个方面。但是在许多的簏工实例中出现了“压不下”的问题，具 体有两种情况：1 ) 在旌工场地的地质条件中有一层硬土层，当预制管桩压到这一硬 土层时压不下去，而这一硬土层作为持力层的话又太薄且下部有下卧软弱层达不到 设计要求，所以要穿透这一硬土层；2 ) 预制管桩已经压进持力层，但还没达规范的 要求及进入持力层1 5 d ( d 为管桩直径) 【1 4 1 深度不能达到设计要求。 在静压桩施工过程中经常会出现的“压不下”的问题，比如有个别工程在设计 的时候就明确要求的是采用静压桩的，但在施工过程中出现了这种“压不下”的问 题又解决不得了，最后只有改换成别的桩型，造成造价成本增加，且延误工期。所 以对静压桩旌工技术的研究很有实践意义。 1 ，3 2 研究的思路 首先对静压桩的理论研究进行了简单分析，还概述了静压桩的应用发展情况， 对静力压桩的施工机械液压静力压桩机进行了系统分析，在实际施工当中，遇 到“压不下”的问题，就是液压静力压桩机的最大压桩力也没法把管桩压穿穿硬土 层或压到设计标准，所以要寻找一个辅助的施工设备来解决这个问题。总结前人的 研究结果，提出改进的技术方案，并进行了设计。 7 华北水利水电学院硕士学位论文 第= 章静压桩施工技术的研究 静压桩具有无可比拟的优点，现已得到了广泛地应用。然而，也还存在一些问 题许多学者对此进行了研究，在理论上也取得了一定的成绩。现就这一问题简述如 下： 2 1 静压桩的应用 2 1 1 国内情况【8 1 5 _ 1 6 、1 7 、1 8 1 从国内来看对静压桩的研究较多地采用了与静力触探相似的研究理论和方法。 这些理论和方法可概括为以下5 种：承载力理论( 或称滑移线理论) 、圆孔扩张理论、 应变路径法、有限元分析及模型试验法。 应用上述理论或机理，在国内对静压桩的挤土效应进行了比较多地研究，而且 针对某些地质条件，也在一定程度上解决了对周围环境的影响问题。 静压桩的沉桩过程是稳态贯入过程，类似于双桥静力触探，但不完全同，因为 两者在尺寸、材质方面显著不同。同时，静压桩贯入过程的受力也不同于桩的静载 荷试验，因为后者并没有处于运动的过程。 在静压桩的承载力研究方面，有的学者提出将静压桩贯入问题视为承载力问题， 并像对待一般的深基础一样采用滑移线理论来解决，即把桩尖的贯入视为局部土体 剪切破坏过程，该局部土体被视为刚塑性无体应变的材料，根据边界受力条件求出 滑移线场，或根据试验及经验假定滑动面，用应力特征线法或极限平衡法求出极限 承载力，即贯入阻力。事实上，桩尖在贯入土层一定深度后，观察不到土体在破坏 阶段运动轨迹的完整滑动面，故该理论得不到验证，也不能从理论上解释稳态贯入 的许多特征。 意识到了上述刚塑性理论纯剪切机理的缺陷后，有的学者按压缩机理推导了桩 端力的公式，这种思路无疑是正确的，但所做的推导仅限于均质砂土，使用条件受 到限制。 在贯入阻力研究方面，众多的研究者都未注意到静力压桩的沉桩过程中桩侧存 在着滑动摩擦，而且这种滑动摩擦不同于常规这一关键问题；在静力压入桩的承载 力确定方面，发表的文章较多，这些文章多是工程技术人员对菜一工程经验的总结， 带有明显的区域性和经验性特点。 8 华北水利水电学院硕士学位论文 通过大型静力压入桩的试验( 2 0 0 0 年) 及其分析，张明义注意到了静力压桩和 静力触探的相似性，在静力压入桩的贯入阻力模拟等方面做了许多工作，提出了人 工神经网络法( 2 0 0 1 年) 、位移贯入法( 2 0 0 3 年) 、调节系数法( 2 0 0 4 年) 。这些方 法在多数情况下计算出的贯入阻力都有着工程上可以接受的精度，但未区分桩端与 桩侧阻力，缺乏对贯入过程的细致分析与反映。于是，又进一步提出了将桩端阻力 和桩侧滑动摩阻力分开计算的球孔扩张一滑动摩擦计算法( 2 0 0 3 年) 。 对静压桩研究的目的：是解决不同土层上各类静压桩型( 如方桩、管桩等) 沉 桩可能性问题、沉桩机械的选配问题、挤土效应问题以及由施工时的最终压桩力推 算的承载力问题；发挥和体现出静压桩的特点和优势，从而解决影响静压桩经济性 和安全性方面的关键理论和技术问题。 我国是静力压桩的应用大国，采用静压桩的工程遍布全国各地。目前，静力压 桩的研究明显落后于应用，所以有必要加大研究力度，使我国在这方面的研究水平 能够在世界上占有领先地位。 静压桩沉桩时能够显示压桩力，可以绘制出压桩力随压入深度变化的曲线，这 是其他桩型难以比拟的。压桩力实际上是提供了一种显式边界条件，将隐蔽工程明 朗化，包含有很多的信息，充分利用静压桩这一得天独厚的条件，以压桩力作为突 破口开展研究，这也是研究者的一种新思路。 2 ，1 2 国内不同地区应用情况【8 1 9 、2 0 、2 1 2 2 、2 3 】 近几年来，静力压桩在我国已经发展成为一套较为完整的旋工技术。静压桩相 对于其他桩型有许多优越之处，深受设计、施工等部门的欢迎。已成为我国地基基 础设计施工中的一种主要桩型。 回顾静压桩的历史，2 0 世纪5 0 年代初，静力压桩法首先在我国沿海地区开始 使用，交通部三航局在上海首次使用压桩船通过钢丝绳加压来压桩：2 0 世纪7 0 年 代初，上海基础公司制成使用蒸汽锅炉和蒸汽卷扬机为动力的项部加压7 0 0 k n 滚管 式静压桩机，其后改进为电力驱动的步履式静压桩机；同期长沙研制出3 2 0 0 k n 液 压式静力压桩机，用于北京地铁工程；1 9 7 5 年后我国才开始有压桩机的专业生产厂， 武汉生产了8 0 0 k n 抱压式液压静力压桩机；此后伴随着专业厂家和基础公司的出现， 自制的静力压桩机品种和数量增多。技术有了长足的进步，如配套安装能记录压桩 时的贯入阻力值的微机处理系统，改革夹持机构以及整机造型的创新等。静压沉桩 9 华北水利水电学院硕士学位论文 法在我国软土地区多层建筑和高层建筑中得到了较为广泛地应用。以下简要叙述一 下几个地区的应用情况。 广东地区从1 9 8 8 年年初开始使用液压式静力压桩机，主要是对静压预制方桩进 行施工。当时由广东省基础公司首先引进了武汉研制的y z y 一1 6 0 型全液压式静力压 桩机，旌压边长为3 0 0 m m 、3 5 0 m m 和4 0 0 m m 的预制混凝土方桩。1 9 8 8 年年底，在 中山交通商业大厦工地完成了第一静力压桩工程，接着该工程又在广州芳村等地施 工了几个静力压桩工程，工程质量都满足了设计要求，取得了较好的经济效益和社 会效益，并引起了许多工程界人士的关注。目前最大压桩力可达8 0 0 0 k n 以上，能 施压5 0 0 m m 、5 5 0 m m 的预制方桩，单桩承载力设计值高达2 5 0 0 3 0 0 0 k n ，很适合 在繁华市区内应用。另外，随着珠江三角洲地区小型农民别墅的大量兴建，小型液 压静力压桩机也应运而生，可专门施压边长为2 0 0 n u n 、2 5 0 m m 的方桩，在当地很受 欢迎。 武汉地区从1 9 9 0 年起盛行使用静力压入桩，完成了不少打桩任务。如武汉市江 汉街小商品交易大楼、武汉市汉正街余庆里1 4 3 4 楼、武汉市汉正街济南路楼、同 济医科大学研究生楼等均是用静压桩施工的，其中压桩机最大压桩力为1 6 0 0 1 7 0 0 k n ，最小压桩截面尺寸为3 0 0 m m 3 0 0 m m ，最大为4 5 0 m m x 4 5 0 m m 。目前武 汉地区应用的静压预制桩截面形状为方桩，常用的截面尺寸为3 5 0 m m 3 5 0 m m 、 4 0 0 m i n x 4 0 0 m m 、4 5 0 m m x 4 5 0 m m ，常用的节长为6 m 、7 m 、8 m 。从已完成的工程 来看，最短桩长6 7 m ，最长3 5 m 左右。单桩竖向承载力：3 5 0 m m 方桩，r a = 7 0 0 1 0 0 0k n ；4 0 0 m m 方桩，r a - 8 0 0 1 2 0 0 k n ；4 5 0 m m 方桩，r a = 9 0 0 1 3 0 0 k n ，静压桩 被广泛应用于1 6 层以下的多层或高层建筑基础工程中。 上海的静压桩开发较早，近几年，在上海宝钢二期工程中，开发研制了压入力 分别为3 6 0 0 k n 和1 2 0 0 k n 的环抱式夹持液压压桩机，同时又购置了数台全液压步履 式静力压桩机，分别对不同类型的桩型进行施压，如巾4 0 6 m m 钢管桩、中5 5 0 m m 预 应力混凝土管桩和4 0 0 m m 4 0 0 m m 混凝土方桩等。根据上海的工程地质情况，对其 中由4 0 6 m m 钢管桩采用3 6 0 0 k n 桩机，压入深度多为6 0 6 5 m ；m5 5 0 m m 混凝土管 桩采用1 6 0 0 k n 桩机，压入深度为4 5 m ；4 0 0 m m 4 0 0 m m 混凝土方桩采用1 6 0 0 k n 和1 2 0 0 k n 桩机均可，压入深度多为3 0 m ，达到了规定的标准，对个别未达到设计 深度的桩，要求其最终压入力达到或接近该桩的单桩承载力的2 倍。建成的工程使 1 0 华北水利水电学院硕士学位论文 用效果良好。 西安有计划地实施旧城改新计划，兴建了大量的高层建筑。由于西安北部位于 渭河i i 级阶地上，其土层分布除上部为湿陷性黄土和软弱饱和黄土层外，在1 6 1 8 m 以下深度普遍分布着一层厚度较大的密实砂层，砂层下部所分布的黏性土也较密实， 无软弱下卧层。砂层的标贯击数在4 0 5 0 m 击以上，这一深度的砂层是理想的桩尖 持力层。因此，如果在这些地区建造高层建筑，由于这些建筑的基础埋深大、荷载 重，采用天然地基的可能性很小。所以，大部分高层建筑都采用桩基。以穿透湿陷 性黄土和软弱饱和黄土层，支承在较好或较稳定的下部土层上，采用的钢筋混凝土 预制桩以端承桩为主。为了减少施工时的噪音振动等对周围环境的污染，采用静力 压桩法施工较为理想。 山东青岛及周边地区于1 9 9 2 年开始使用静压桩，已在多处有影响的工程中使用 了静压桩，并编有地区性的静压桩的设计图集。曾在青岛某石油化工厂进行过安装 测试元件的大型原位静压桩沉桩受力及承载力测试。该地区的特点是静压桩桩端一 般在密实粗砾砂层及风化岩上，在桩身不致被破坏的前提下，压桩力可以加得很大， 从而得到的承载力也比较大。 全国其他许多地区，都已经或正在开始使用静压桩，就不在一一列举。特别需 要提及的是，香港也在使用静压桩，还提出了关于静压桩的简单易行的、被静载荷 试验证明是十分有效的打桩公式，并于2 0 0 3 年春天召开了有关静压桩的专门学术会 议。 2 1 3 国外应用情剐8 j 国外早期的研究较多地借用静力触探和其他挤土桩研究成果。近几年，国外利 用先进的试验观测仪器设备也进行了一些专门针对静压桩的研究。 在英国，静力压桩法被称为p r e s s i nm e t h o d 。英国剑桥大学的戴维瓦特( d a v e w h i t e ) 博士等人近几年在平面应变试验箱以及离心试验机上进行了静压桩模型试验 以及野外试验，对静压桩机理进行了理论上的探讨。 研究分为两部分，一方面是对设置于砂土中的静压桩机理的研究，进行了8 组 试验箱模型试验，动态观测到了模型沉桩时的位移场等，研究了土的种类及初始密 度对其的影响，提出了桩端和桩侧摩阻力分布的预测的“竖向拱线理论”：另一方面 是足尺寸桩的野外试验，进行了4 组试验，用于验证室内模型试验的理论结果。 华北水利水电学院硕士学位论文 沉桩机理研究利用平面应变试验箱进行，采用数字摄影、颗粒影像速度测量、 照相测量法等高技术影像分析方法对静压桩贯入土中的位移场、应力场进行观察分 析。这些方法较常规方法的精度大为提高。 关于打桩前后土体强度的变化以及对桩竖向承载力的影响，可以根据未沉桩时 原状土的不排水抗剪强度来研究。有时引入一个系数来考虑因沉桩引起土体扰动而 带来的土体强度变化。t o m i n s o n 等建议根据土体的强度对该系数取值，w r o t h 进一 步把应力历史也考虑进去，但不管怎样，该系数本质上还是经验值。 后来，c h a n d l e r 等人认为，要根据桩周土中的有效应力来估算桩的竖向承载力， 即考虑固结效应等，但由于缺乏对桩周土中有效应力的了解，进一步的研究遇到了 困难。 静压桩在国外的应用规模虽不及中国，但应用历史较长。在日本，有些公司使 用静力压桩法已近3 0 年，桩型有预制方桩、大直径管桩、h 型钢桩、板桩等，桩长 依据土层和荷载条件而定。另外，目本有一种静力压桩机是利用已施工桩提供的反 力来施压后面的桩，多用在海岸工程中。 2 2 静压桩施工环境影响分析【2 0 】 2 2 1 对已压入桩的影响 当静压桩被压入土中时，会对桩周土体产生较大的附加应力及水平和竖向的位 移，这些应力对已压入或打入的桩而言会产生轴力和弯距，影响的结果可能有以下 几个方面： ( 1 ) 产生的弯矩会造成结构的破坏和桩体( 对于混凝土桩而言) 的开裂； ( 2 ) 产生的轴向力会使桩体受拉而破坏； ( 3 ) 由于土体的竖向位移会使桩头上抬，桩端也会从持力层脱离，造成悬桩， 对于端承桩，极大地影响了单桩承载力的发挥。 上述三种情况对近桩距，多桩数、大直径的排土桩的影响更为严重。h a g e r t y p e c k 通过现场实测，得出土的隆起量近似为桩所排开土体体积的一半，并在桩身受 力平衡的基础上给出了邻桩上浮量的估算。c h o w t b e 在利用s a g a s e t a 的方法得出 桩周土体位移场的情况下，采用弹性理论给出了隆起量的矩阵形式，并分析了隆起 量随桩与土的模量比及长径比的变化规律。p o u l o s 采用边界圆的数值方法，分析挤 士效应造成的轴向力和桩身弯矩，并给出桩距、桩长、桩数对其的影响。 华北水利水电学院硕士学位论文 2 2 2 对邻近建筑物、管道及道路的影响 静压桩常用于城市的基础建设，由于建筑红线与相邻的建筑物、管道及道路很 近，群桩施工可能会对邻近的建筑物的基础上抬，结构变形，地坪和墙面开裂，附 近地下管道及设施的破坏等工程事故。王浩、魏道垛采用数值方法分析了表面约束 下的沉桩挤土效应问题，讨论了周边环境与沉桩的相互作用对地表隆起及水平位移 的影响。 2 3 减少静压桩挤土效应的施工措施【2 4 】 有关旋工措施方面的理论研究很少，大多数静压桩工程中，虽然采用了一些工 程措施，但都没给出具体的分析与评价。 常用的方法有： ( 1 ) 采用预钻孔取土打桩； ( 2 ) 合理的安排打桩顺序； ( 3 ) 控制打桩速度： ( 4 ) 设置排水砂井或塑料排水板； ( 5 ) 挖槽或钻孔取土减少挤土效应； ( 6 ) 为了减少沉桩对周围环境的影响，还可以采取一些辅助措施，如设法增加 单桩的设计长度、减少桩数。 2 4 静压桩施工的理论分析 静压桩问题的性质比较复杂，涉及到有限变形、摩擦接触、本构关系、固结理 论等问题。自5 0 年代开始就有许多学者对此问题进行研究，以下是对一些主要研究 方法的简要分析。 2 4 1 刚塑性理论【8 】 这是土力学中地基承载力计算采用的经典理论。根据这种理论，对于砂土地基， 基底极限荷载可简化为： p 。= f l z n q ( 2 1 ) 式中：碲有效覆盖压力( k p a ) ； n 。深基承载力系数。 由于深基础的直径一般比深度要小得多，因此公式( 2 1 ) 中忽略了宽度的影响， 1 3 华北水利水电学院硕士学位论文 或将其合并在深度项中考虑。在平基底的条件下，虬主要是砂土内摩擦角的函数。 但由于不同研究者在推导时，假设滑动面图形的不同，故所得结果也不同。 从公式( 2 1