旋转挤压灌注桩技术详解

重庆卓典建设工程有限公司主讲：陈超鋆,中国螺杆桩技术系列讲座旋转挤压灌注桩技术,国家级一级工法建设部科学技术项目计划全国建设行业科技成果推广项目,目录,旋转挤压灌注桩技术概述施工流程质量控制措施成桩设备要求及特殊技术措施单桩承载力的计算与确定重庆地区工程实例,第一节螺杆桩与旋转挤压灌注桩概述,螺杆桩基本桩型是一种“上部为圆柱型，下部为螺丝型”的组合式新型桩。,螺杆桩技术简介,螺杆桩技术简介,七种核心技术,四种工法,三种设备核心技术,四种桩型,中国螺杆桩技术,螺杆桩基本型,浅螺纹桩,旋转挤压灌注桩,桩端带有扩大头,四种专利桩型,螺杆桩技术简介,旋转挤压灌注桩是一种现浇混凝土灌注桩采用专用成桩设备旋转挤压土体成孔采用钻具管内连续泵送混凝土技术成桩采用后插筋工艺对桩体配筋,旋转挤压灌注桩及成桩原理,桩及成桩工法特点,旋转挤压灌注桩特点,钻具护壁，不塌孔，不取土，施工非常安全工法简单，成孔成桩一次性完成机械化、智能化、1小时一根桩承载力高、沉降小无泥浆、无噪音、无震动,旋转挤压灌注桩工程参数,可施工桩径：300800mm可施工桩长：35m,旋转挤压灌注桩三大正效应,挤密效应下钻和提钻过程中，钻具对土体产生合理挤密护壁效应钻具对桩周土体有良好护壁作用，不塌孔，也无需泥浆，不产生泥皮和沉渣胶结效应桩端持力层为卵石或岩层时，桩与土体在泵压作用下胶结为整体,解决了传统桩型的三大负效应,松弛效应取土成孔，孔壁土体应力释放，从而产生松弛效应，甚至塌孔泥皮效应采用泥浆护壁时，孔壁产生泥皮，隔断桩侧与土体的良好接触沉渣效应取土成孔和泥浆护壁产生的渣土落到桩底，形成难以清除的虚土和沉渣,三大正效应的作用与效果,作用有效提高和充分发挥桩侧阻力的作用有效保证桩端阻力的发挥调整了桩的侧阻力与端承阻力的应力分摊比效果：同等条件下缩短了桩长、减小了桩径,有限元仿真结果,螺杆桩应力泡,取土灌注桩应力泡,充分开发和提高了土体侧摩阻力，改善了应力分摊比，桩侧与桩端形成完整的大应力泡,护壁效应、挤密效应钻具护壁、合理挤压形成的桩孔,钻孔过程中不产生临空面，不会塌孔,成桩过程不使用泥浆，桩侧没有泥皮，桩端没有沉渣，桩土结合度良好，桩身垂直度和桩位偏差良好,桩土结合形成胶结状共同体，像岩石一样牢不可破,提供极高侧阻力在卵砾石、裂隙岩层中尤为明显,胶结效应,适用范围,旋转挤压灌注桩适用范围,适用基础形式1.独立承台2.条形、桩筏基础3.复合地基,施工不受地下水影响,适用土层深厚回填土软塑坚硬粘性土砂性土粉土卵石、碎石土全中风化岩（软岩或较软岩）,应用于独立承台,应用于桩筏基础,应用于复合地基,地下水丰富地区成桩,卵石层,强风化岩,中风化岩,第二节施工流程,施工前试桩并制订单项工程施工质量控制标准,试验、检测项目,检查与调试钻具尺寸检测同步控制调试成孔试验孔深、孔径是否满足设计要求成孔过程中电流及加压荷载变化情况成孔所需时间挤土效应观测试桩，记录泵数,钻具尺寸要求,同步控制调试,同步控制调试包含两个方面：双电机同步：不同步将使输出扭矩衰减，加剧机械损耗钻具旋转速度与钻进速度同步：形成良好同步有利于在土层中钻进，可节约施工时间和能耗,试成孔试验,成孔试验,成孔试验是试验前试验的关键环节，既是对之前的钻具尺寸检查、同步控制调试等环节的检验，又是后续环节的重要前提。由于岩土工程的特殊性，地质勘察资料有时难以描述复杂的地质情况，应在场地内进行数次试孔，摸清楚场地情况。,成孔试验要点,孔深、孔径是否满足设计要求成孔过程中扭矩电流及加压荷载的变化情况成孔所需时间挤土效应,检查试钻孔的直径,成孔终孔控制电流检测,制订每米钻进电流变化表如实记录，并取三个孔的数据根据电流变化表核对地质柱状图,挤土效应检测,按不同施工间距成孔，检查孔与孔之间的影响程度观测挤土效应，确定适当的最小施工间距,施工前试桩并制订单项工程施工质量控制标准,根据地质勘察资料和设计要求进行试桩试桩时全程观测并记录施工参数并形成试桩参数记录表，并结合静载试验结果制订单桩工程数据表。简称“一表一压”。结合检测结果形成工程桩施工流程，制订出满足单桩承载力的施工质量控制标准。,整理试桩参数,通过施工前试验和检测项目收集和整理下列数据成孔直径、深度、时长钻进过程中的电流与加压荷载，可与勘察报告比对以判断持力层最小施工间距场地充盈系数,破坏性静载试验检测承载力,静载试验证明承载力满足设计要求后，以试桩参数形成单项工程施工质量控制标准,成桩时间,安全系数,终孔参数,充盈系数,施工间距,试验检测,六大关键质量控制点,单项工程质量控制标准,工程桩施工流程,第一步、做好施工前的准备工作第二步、钻杆下钻第三步、钻杆上提，同时泵送混凝土第四步、后置法放置钢筋笼第五步、桩的检测第六步、基础开挖,第一步：做好施工前的准备工作,施工前准备事项,施放桩位并在打桩前复核试打1泵混凝土后回泵设置用于观测桩位偏差的基准点检查钻杆的双向垂直度,桩位复核,设置测量基准点,检查钻杆垂直度,第二步：钻杆下钻,下钻步骤及注意事项,检查阀门后，关门下钻，操作人员应蹲在桩机挡板下以保障人身安全正向旋转挤压土体下钻，直至设计标高,关闭钻头门，准备下钻,旋转挤压土体下钻,钻杆钻至设计深度、准备泵送混凝土,第三步：钻杆上提，同时泵送混凝土,注意事项,应先开泵，后开机提钻，防止提钻瞬间土体回涌连续泵送混凝土成桩泵送完成后，观察提出地面的钻杆头部是否被混凝土包裹每台班随机做至少一组试块,先开泵，后开机提钻,混凝土通过输送管道泵入空心钻杆至钻头,泵送混凝土,混凝土浇筑完成,每天每台班至少做一组试块检测砼强度,第四步：后置法放置钢筋笼,相关规范对后插筋工艺的说明,建筑桩基技术规范JGJ94-2008第310页强调：灌注桩后插钢筋笼工艺近年有较大发展，插笼深度提高到目前2030m，较好地解决了地下水位以下压灌桩的配筋问题。,后插筋工艺的质量控制要点,解读：后插筋工艺在灌注桩的推广过程中取得了比较多的经验和数据，“桩基规范”对后插筋工艺持肯定态度，但同时也提出了三个核心控制指标：钢筋笼导向垂直度保护层厚度,后插筋工艺注意事项,钢筋笼采用全节点焊接制作主筋上加焊耳筋以保证保护层厚度一人指挥、三人插筋卷扬或吊车应慢下、点动借助平板振动器插筋钢筋笼较长时用内导管辅助插筋,钢筋笼焊接制作,一人指挥、三人插筋,采用振动器后置法放置钢筋笼,采用内导管辅助插筋,钢筋笼安装完成,桩施工完成,第五步：桩的检测,检测桩径,检测桩位偏差,动测法检测桩的完整性,静载试验检测单桩承载力,第六步：基础开挖,注意事项,破除桩头时应用风炮凿桩头，不得横向锤击或用挖机撞击如不慎破除至桩顶标高以下，应以高标号早强混凝土接桩至桩顶标高以上,基础开挖前施工现场,基础开挖,凿桩头,切忌横向锤击,已形成的桩基础独立柱基,桩基础独立柱基与地梁结构,第三节成桩设备要求及特殊技术措施,一、专用成桩设备,采用卓典集团与武船重工联合研制的专用产品,选择专用成桩设备螺杆桩机,旋转挤压灌注桩专用成桩设备螺杆桩机,钻杆总成,立柱总成,动力头部分,链轮机构,卷扬机构,桩架部分,行走机构,1,2,3,4,5,6,7,8,电控操作系统,9,液压系统,结构简介,行走机构,该机构由驱动机构、行走机构机架、履带部分及旋转机构组成。履带行走传动通过电机-减速机带动履带实现整个设备的前进、后退和转向动作；旋转传动通过电机-减速机-小齿轮驱动回转支撑大齿轮实现桩机的绕中心旋转，从而方便地实现同一作业场地的工位转化,1,桩架部分,桩架是设备承载的主体部分，其结构主要由桩架主体、前后支撑腿部分、配重及驾驶室组成。桩架主体是设备的主体承载部件，桩架主体上连接立柱部分、链轮机构、卷扬机构、控制柜；前后支撑腿部分的支腿油缸在设备工作时起支撑整个设备和调平设备的作用；配重调整设备的重心处于回转中心上；驾驶室是设备的操作室，操作人员在驾驶室操作各控制按钮完成设备的整个打桩工作。,2,链轮机构,链轮机构由电机、减速机、二级齿轮传动、链轮加载系统组成，安装在桩架上。链轮机构实现动力头的提升、下降加载动作，完成螺杆桩的成型。,3,立柱总成,LGZ-I-50型螺杆桩机的立柱为可折混合式（板焊箱+桁架）结构，由四节立柱、顶部滑轮架、斜支撑、顶升油缸组成。立柱上的导轨与动力头形成滑接；链轮机构通过第三节立柱上的链轮实现动力头的提升、下降加载动作；卷扬机构通过顶部滑轮架上的滑轮（两套）实现钻杆和钢筋笼（或震动头）的升降；斜支撑上、下分别与立柱和桩架铰接，起支撑立柱的作用。,4,钻杆总成,钻杆由灌浆器、花键杆、螺纹钻杆、钻头组成。灌浆器上的动滑轮与卷扬机连接，实现钻杆部分的提升、下降；花键杆与动力头连接，实现钻杆扭矩及加载力的传递，钻杆通过动力头完成螺杆桩的成型。,5,动力头部分,动力头由减速机（含电机）、加载机构、动力头外架组成。旋转扭矩由电机-减速器-内花键轴-输出旋转扭矩，轴向加载由电动推杆-加载机构-实现轴向加载。动力头与立柱上的导轨形成滑接，实现动力头扭矩的承载和上下滑动功能。,6,卷扬机构,卷扬机构由一个8吨主卷扬机和5吨副卷扬机组成，分别安装在桩架上。8吨卷扬用来提升钻杆，5吨卷扬用来提升钢筋笼（或平板振动器），完成设备的相关辅助工作,7,电控操作系统,主要由控制柜、操作台组成。控制柜安装在桩架上，是电控操作系统的核心部分；操作台安装在驾驶室里，通过操作台面板上的按钮及手柄完成桩机的操作和控制。,8,液压系统,为二个顶升油缸和四个支腿油缸提供液压动力和控制。顶升油缸完成立柱的升降；支腿油缸实现设备工作时支撑设备和调平设备的作用，所有油缸顶升可通过液压系统和电控系统实现操作和控制。,9,二、合理配套设备,混凝土泵合理参数,60B或60C泵S阀混凝土缸行程1.41.6米最大泵送压力1013Mpa每分钟812泵应禁用60A泵，慎用80C泵,60A泵,使用60A泵导致严重堵管,平板振动器合理参数,转速3000r/min禁止使用振动锤、高频振动器插短钢筋笼时，在平板振动器上焊接短护筒，护筒长50cm，内径比钢筋笼大2cm插长钢筋笼时，在平板振动器上焊接导管，导管壁厚宜6mm，导管端部打磨平整后焊接在平板振动器上，焊接好后应校正,振动锤导致钢筋笼偏斜,高频振动器导管混凝土离析,加导管放置钢筋笼,三、特殊地质条件中的技术措施,回填土硬质岩层,一、回填土,重庆地区回填土中的技术难点与问题主要为以下几点塌孔固结产生负摩阻力大粒径孤石、建筑垃圾中难以成孔（与硬质岩层合并阐述）,1、防塌孔,旋转挤压灌注桩技术在整个成桩过程中均具有“护壁效应”，利用钻具的刚度平衡主动土压力，防止塌孔,2、通过挤密使填土迅速固结,松散填土的负摩阻力，主要是由于欠固结土体的固结而产生的旋转挤压灌注桩具备传统桩型所不具备的“挤密效应”，可使土体在成桩过程中被挤密而迅速完成固结,旋转挤压灌注桩土体挤密试验,针对旋转挤压灌注桩“挤密效应”的效果，在重庆进行了土体挤密试验经旋转挤压灌注桩挤密处理（600桩距1.5m），土体孔隙率比天然状态降低15%左右,天然状态,挤密状态,二、孤石与硬质岩层,孤石地层中，常规方法难以钻进硬质岩层中，常规方法成孔效率低采取以下两种“以硬制硬”的措施，成孔速率可达1米/小时螺杆桩机配合多种钻头成孔采用潜孔锤技术进行引孔,1、各种破岩钻头,各种破岩钻头（如牙钻、筒钻等）在岩层中的高效钻进能力已经得到充分验证。螺杆桩机具有破岩所需的大扭矩输出能力，因此可以将破岩钻头与螺杆桩机配合使用。,1、各种破岩钻头,截齿硬岩单底钻头,三锥全面破岩螺旋,合金板齿取芯钻头,1、各种破岩钻头,三锥全面破岩螺旋,三锥全面破岩螺旋,全面破碎岩石筒钻,2、潜孔锤技术引孔,潜孔锤技术是另一种在硬质岩层中快速钻进的技术，其原理是由锤身内部的活塞作高频往复运动产生打夯力，锤头分布有数十个合金破岩点，在打夯力作用下对岩层进行破碎，将破碎后的岩层碎屑带出地面。根据带出岩层碎屑方式的不同，分为气动式和泥浆式两大类。其特点是岩层越硬钻进效率越高，最高可达6m/h；缺点是耗能高、污染重（气动式产生扬尘污染，泥浆式产生泥浆污染）。,2、潜孔锤技术原理,2、潜孔锤技术原理,第四节质量控制措施,下钻阶段灌注阶段成桩后期,双向控制钻杆垂直度,一、下钻阶段质量监控,由于螺杆桩机动力输出方式为扭矩输出，因此对每个方向都有垂直度影响，仅仅控制一个方向是不足以保证成桩垂直度的，应分别对螺杆桩机的前后方向和左右方向的垂直度进行控制。,下钻过程中检测桩位偏差,一、下钻阶段质量监控,为保证桩位偏差满足规范要求，应在下钻约2m时停机检查桩位偏差，检查方法为测量各基准点与钻具距离的差异值。浅部土体较软时，容易出现桩位偏差较大的情形，应提钻、回填并重新开钻。,二、灌注阶段质量监控要点,下钻前阀门可否自由打开、有无破损混凝土质量是否满足泵送和成桩要求准备提钻时，是否先打2泵后提钻是否连续泵送（中断泵送的深度）是否先混凝土冒出地面，后钻头提出地面实际泵数（单桩充盈系数）,三、成桩后期质量监控,施工后对每根桩进行低应变自检,低应变自检的作用,检查桩身完整性，尤其是灌注阶段曾中断泵送的桩混凝土试块抽检率有限，可通过低应变检测的波速大致判断桩身混凝土是否有异常判断挤土效应的一项依据,注意事项,对于需要做静载试验的桩，应在静载试验前先进行低应变自检，确认桩身有无质量缺陷静载试验后还应进行一次低应变自检，作为判断桩身破坏类型的依据。,第五节单桩承载力的计算和确定,单桩承载力计算,国际上确定承载力的通用方法,英国学者MJTomlinson在PileDesignandConstructionPractice一书中推荐使用下式计算桩的承载力简言之，就是分别计算桩侧阻力Qs、桩端阻力Qb后减去桩自重Wp随着单桩承载力不断提高，桩自重最低仅为极限承载力的2%，故上式一般简化为：,Qs和Qb的计算方法,除部分符号不同，这种计算方法与建筑桩基技术规范JGJ94-2008第5.3.5条规定的“经验参数法”基本一致原理清晰、计算简单、数据直观，是计算单桩承载力比较理想的方法,计算参数取值,JGPotyondy提出，一种桩型在一种土层中的侧阻力qs可以按下式估算：根据Potyondy公式，土体侧阻力qs既与土体参数c和有关，也与成桩工法参数有关,计算参数取值,计算参数取值,旋转挤压灌注桩的土体参数c、和工法参数均大于传统灌注桩（如人工挖孔桩和取土型机械成孔灌注桩）类似的，传统灌注桩桩端先作用于沉渣后作用于持力层，而旋转挤压灌注桩直接作用于持力层，因此旋转挤压灌注桩的桩端阻力qp也大于传统灌注桩,旋转挤压灌注桩单桩承载力计算与“桩基规范”基本相同，见下式区别在于增加了一个修正系数，首次设计时可先保守取值，如1.21.3这是一种比较宏观而易于计算的方法,单桩承载力计算,计算可靠性与承载力的确定,如何确保计算结果的可靠性,建筑桩基技术规范JGJ94-2008第9.4.3条规定：采用新桩型或新工艺的桩基工程，应采用静荷载试验对工程桩单桩竖向承载力进行检测，检测数量应根据桩基设计等级、施工前取得试验数据的可靠性因素，按现行行业标准建筑基桩检测技术规范JGJ106确定。,建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003中第83页强调：为在推广应用新桩型或新工艺过程中不断积累经验，使其能达到预期的质量和效益目标，增加了本地区采用新桩型或新工艺时也应进行施工前期静载试验的规定，并可根据实际情况增加试桩数量。,解读：“桩基规范”和“基桩检测规范”均要求以静载试验作为承载力确定的依据，新技术运用初期可适当增加试桩数量，既可提高设计的安全性，又可增加试验统计意义,以静载试验二次优化,在同等条件下，旋转挤压灌注桩承载力与传统灌注桩相比有大幅提升（500单桩承载力极限值普遍达40005000kN，600单桩承载力极限值普遍达50007000kN），静载试验反力平台所提供的荷载宜为计算值1.5倍,试验数据丰富后，可对桩侧和桩端阻力分别修正，见下式,第六节重庆地区工程与试验,巴南东原香郡二期,桩筏,复合地基,复合地基,复合地基,独立承台,剖面图,地下水位,基底标高,中密卵石层550KPa,密实卵石层800KPa,桩顶标高,旋转挤压灌注桩桩底标高,冲孔灌注桩桩底标高,设计变更,原设计,会议结论：1桩施工过程中，桩进入卵石层判定可以按照地质勘查报告和设备电流值变化两种指标互相参考进行判定，粉土层按025A，卵石层按3560A判定。2桩的施工有效长度以控制桩进入卵石层3m（主楼）、3.5m（筒体）为主，由于卵石层面为起伏桩，标高不定，所以设计有效桩长为参考数据。3砼试件以一个工作班，留置一组。4旋转挤压灌注桩在本工程使用满足工程要求。,东区8#43层复合地基桩径500mm施工桩长为桩端进入卵石层3.0m复合地基承载力特征值750KN/m2桩间距1.48m*1.5m,东区9#、10#楼33层复合地基桩径500mm、550mm（核心筒）施工桩长为桩端进入卵石层3.0m复合地基承载力特征值625KN/m2桩间距1.75m*1.5m,东区11#楼33层桩筏基础桩径500mm施工桩长为桩端进入卵石层3.0m单桩承载力特征值1600KN桩间距1.5m*1.5m,重庆博建建筑设计有限公司设计,西区4#、6#、7#楼33层复合地基桩径500mm施工桩长为桩端进入卵石层3.5m复合地基承载力特征值625KPa桩间距1.55m*1.55m,中国建筑科学院地研所设计,西区5#楼43层复合地基桩径500mm施工桩长为桩端进入卵石层3.5m复合地基承载力特征值750KPa桩间距1.5m*1.5m,中国建筑科学院