课题3.4 桩基础施工
3.4.1 钢筋混凝土预制桩施工
钢筋混凝土预制桩是在预制构件厂或施工现场预制,用沉桩设备在设计位置上将其沉入土中。其特点有:坚固耐久,不受地下水或潮湿环境影响,能承受较大荷载,施工机械化程度高,进度快,能适应不同土层施工。目前最常用的预制桩是预应力混凝土管桩。它是一种细长的空心等截面预制混凝土构件,是在工厂经先张预应力、离心成型、高压蒸养等工艺生产而成。管桩按桩身混凝土强度等级的不同分为PC桩(C60,C70)和PHC桩(C80);按桩身抗裂弯矩的大小分为A型、AB型和B型(A型最大,B型最小);外径有300mm、400mm、500mm、550mm和600mm,壁厚为65～125mm,常用节长7～12m,特殊节长4～5m。
钢筋混凝土预制桩施工前,应根据施工图设计要求、桩的类型、成孔过程对土的挤压情况、地质探测和试桩等资料制定施工方案。一般的施工程序如图3.22所示。
图3.22 预制桩施工程序图
3.4.1.1 打桩前的准备
桩基础工程在施工前,应根据工程规模的大小和复杂程度,编制整个分部工程施工组织设计或施工方案。沉桩前,现场准备工作的内容有处理障碍物、平整场地、抄平放线、铺设水电管网、沉桩机械设备的进场和安装以及桩的供应等。
(1)处理障碍物。打桩前,宜向城市管理、供水、供电、煤气、电信、房管等有关单位提出申请,认真处理高空、地上和地下的障碍物。然后对现场周围(一般为10m以内)的建筑物、驳岸、地下管线等做全面检查,必须予以加固或采取隔振措施或拆除,以免打桩中由于振动的影响,可能引起倒塌。
(2)场地平整。打桩场地必须平整、坚实,必要时宜铺设道路,经压路机碾压密实,场地四周应挖排水沟以利排水。
(3)抄平放线定桩位。在打桩现场附近设水准点,其位置应不受打桩影响,数量不得少于两个,用以抄平场地和检查桩的入土深度。要根据建筑物的轴线控制桩定出桩基础的每个桩位,可用小木桩标记。正式打桩之前,应对桩基的轴线和桩位复查一次。以免因小木桩挪动、丢失而影响施工。桩位放线允许偏差为20mm。
(4)进行打桩试验。施工前应做不少于2根桩的打桩工艺试验,用以了解桩的沉入时间、最终沉入度、持力层的强度、桩的承载力以及施工过程中可能出现的各种问题和反常情况等,以便检验所选的打桩设备和施工工艺,确定是否符合设计要求。
(5)确定打桩顺序。打桩顺序直接影响到桩基础的质量和施工速度,应根据桩的密集程度(桩距大小),桩的规格、长短,桩的设计标高、工作面布置,工期要求等综合考虑,合理确定打桩顺序。根据桩的密集程度,打桩顺序一般分为逐段打设、自中部向四周打设和由中间向两侧打设3种,如图3.23所示。当桩的中心距不大于4倍桩的直径或边长时,应由中间向两侧对称施打,如图3.23(c)所示,或由中间向四周施打,如图3.23(b)所示。当桩的中心距大于4倍桩的边长或直径时,可采用上述两种打法,或逐排单向打设,如图3.23(a)所示。
图3.23 打桩顺序图
根据基础的设计标高和桩的规格,宜按先深后浅、先大后小、先长后短的顺序进行打桩。
(6)桩帽、垫衬和送桩设备机具准备。
3.4.1.2 桩的制作、运输、堆放
1.桩的制作
较短的桩多在预制厂生产。较长的桩一般在打桩现场附近或打桩现场就地预制。
桩分节制作时,单节长度的确定应满足桩架的有效高度、制作场地条件、运输与装卸能力的要求,同时应避免桩尖接近硬持力层或桩尖处于硬持力层中接桩,上节桩和下节桩应尽量在同一纵轴线上预制,使上下节钢筋和桩身减少偏差。
制桩时,应做好浇筑日期、混凝土强度、外观检查、质量鉴定等记录,以供验收时查用。每根桩上应标明编号、制作日期,如不预埋吊环,则应标明绑扎位置。
2.桩的运输
钢筋混凝土预制桩达到设计强度70%方可起吊,达到设计强度100%后方可进行运输。如提前吊运,必须验算合格。桩在起吊和搬运时,吊点应符合设计规定,如无吊环,设计又未作规定时,绑扎点的数量及位置按桩长而定,应按起吊弯矩最小的原则进行捆绑。钢丝绳与桩之间应加衬垫,以免损坏棱角。起吊时应平稳提升,吊点同时离地,如要长距离运输,可采用平板拖车或轻轨平板车。长桩搬运时,桩下要设置活动支座。经过搬运的桩,还应进行质量复查。
3.桩的堆放
桩堆放应遵守:桩堆放时,地面必须平整、坚实,垫木间距应根据吊点确定,各层垫木应位于同一垂直线上,最下层垫木应适当加宽,堆放层数不宜超过4层。不同规格的桩,应分别堆放。
3.4.1.3 施工方法
图3.24 打入桩施工
混凝土预制桩的沉桩方法有锤击沉桩、静力压桩、振动沉桩等。
1.锤击沉桩
锤击沉桩也称打入桩,如图3.24所示,是利用桩锤下落产生的冲击能量将桩沉入土中,锤击沉桩是混凝土预制桩最常用的沉桩方法。该法施工速度快,机械化程度高,适应范围广,但施工时有噪声振动,对于城市中心和夜间施工有所限制。
(1)打桩设备及选择。
打桩所用的机具设备主要包括桩锤(作用是对桩施加冲击力,将桩打入土中)、桩架(作用是支持桩身和桩锤将桩吊到打桩位置,并在打入过程中引导桩的方向,保证桩锤沿着所要求的方向冲击)及动力装置(包括起动桩锤用的动力设施,如卷扬机、锅炉、空气压缩机等)三部分。
桩锤是把桩打入土中的主要机具,有落锤、汽锤(单动汽锤和双动汽锤)、柴油桩锤、振动桩锤等几类。
桩锤的类型应根据施工现场情况、机具设备条件及工作方式和工作效率等条件来选择。锤重的选择,在做功相同而锤重与落距乘积相等的情况下,宜选用重锤低击,这样可以使桩锤动量大而冲击回弹能量消耗小。桩锤过重,所需动力设备大,能源消耗大,经济效率不高;桩锤过轻,施打时必定增大落距,使桩身产生回弹,桩不宜沉入土中,常常打坏桩头或使混凝土保护层脱落,严重者甚至使桩身断裂。
(2)桩架的选择。
图3.25 履带式桩架
1—导架;2—桩锤;3—桩帽;4—桩;5—吊车
桩架是支持桩身和桩锤,在打桩过程中引导桩的方向及维持桩的稳定,并保证桩锤沿着要求方向冲击的设备。桩架一般由底盘、导向杆、起吊设备、撑杆等组成。根据桩的长度、桩锤的高度及施工条件等选择桩架和确定桩架高度。
桩架的形式很多,常用的通用桩架有两种基本形式:一种是沿轨道行驶的;另一种是装在履带底盘上的履带式桩架。多能桩架是由定柱、斜撑、回转工作台、底盘及传动机构组成。多能桩架的机动性和适应性很大,在水平方向可做360°回转,导架可以伸缩和前后倾斜,底座下装有铁轮,底盘在轨道上行走。这种桩架可适用于各种预制桩及灌注桩施工。履带式桩架以履带式起重机为主机,配备桩架工作装置而组成,如图3.25所示。其操作灵活,移动方便,适用于各种预制桩和灌注桩的施工。
(3)动力装置的选择。
打桩机械的动力装置是根据所选桩锤而定的。当采用空气锤时,应配备空气压缩机;当选用蒸汽锤时,则要配备蒸汽锅炉和绞盘。
(4)打桩工艺。
1)吊桩就位。按既定的打桩顺序,先将桩架移动至桩位处并用缆风绳拉牢,然后将桩运至桩架下,利用桩架上的滑轮组,由卷扬机提升桩。当桩提升至直立状态后,即可将桩送入桩架的龙门导管内,同时把桩尖准确地安放到桩位上,并与桩架导管相连接,以保证打桩过程中不发生倾斜或移动。桩插入时垂直偏差不得超过0.5%。桩就位后,为了防止击碎桩顶,在桩锤与桩帽、桩帽与桩之间应放上硬木、粗草纸或麻袋等桩垫作为缓冲层,桩帽与桩顶四周应留5～10mm的间隙,如图3.26所示。然后进行检查,使桩身、桩帽和桩锤在同一轴线上即可开始打桩。
图3.26 自落锤桩帽构造示意图
1—桩帽;2—硬垫木;3—草纸(弹性衬垫)
2)打桩。打桩时用“重锤低击”可取得良好效果,这是因为这样桩锤对桩头的冲击小,回弹也小,桩头不易损坏,大部分能量都用于克服桩身与土的摩阻力和桩尖阻力上,桩就能较快地沉入土中。
初打时地层软、沉降量较大,宜低锤轻打。随着沉桩加深(1～2m),速度减慢,再适当增加起锤高度,控制锤击应力。打桩时应观察桩锤回弹情况,如经常回弹较大则说明锤太轻,不能使桩下沉,应及时更换。至于桩锤的落距以多大为宜,根据实践经验,在一般情况下,单动汽锤以0.6m左右为宜,柴油锤不超过1.5m,落锤不超过1.0m为宜。打桩时要随时注意贯入度变化情况,当贯入度骤减,桩锤有较大回弹时,表示桩尖遇到障碍,此时应将桩锤落距减小,加快锤击。如上述情况仍存在,则应停止锤击,查找原因进行处理。
在打桩过程中,如突然出现桩锤回弹、贯入度突增、锤击时桩弯曲、倾斜、颤动、桩顶破坏加剧等情况,则表明桩身可能已破坏。
打桩最后阶段,沉降太小时,要避免硬打,如难沉下,要检查桩垫、桩帽是否适宜,需要时可更换或补充软垫。
3)接桩。预制桩施工中,由于受到场地、运输及桩机设备等的限制,而将长桩分为多节进行制作。接桩时要注意新接桩节与原桩节的轴线一致。目前预制桩的接桩工艺主要有硫黄胶泥浆锚法、电焊接桩和法兰螺栓接桩等3种。前一种适用于软弱土层,后两种适用于各类土层。
2.静力压桩
静力压桩是在软土地基上,利用静力压桩机或液压压桩机用无振动的静力压力(自重和配重)将预制桩压入土中的一种新工艺,如图3.27所示。静力压桩已被我国沿海地区较为广泛地采用。与普通的打桩和振动沉桩相比,压桩可以消除噪声和振动的公害。故特别适用于医院和有防震要求部门附近的施工。
静力压桩机的工作原理:通过安置在压桩机上的卷扬机的牵引,由钢丝绳、滑轮及压梁,将整个桩机的自重力(800～1500kN)反压在桩顶上,以克服桩身下沉时与土的摩擦力,迫使预制桩下沉。桩架高度10～40m,压入桩长度已达37m,桩断面为400mm×400mm～500mm×500mm。
近年引进WYJ-200型和WYJ-400型压桩机,是液压操纵的先进设备。静压力有2000kN和4000kN两种,单根制桩长度可达20m。压桩施工,一般情况下都采取分段压入、逐段接长的方法。接桩的方法目前有焊接法、法兰接法和浆锚法三种。
图3.27 静力压桩机示意图
1—活动压梁;2—油压表;3—桩帽;4—上段桩;5—加重物仓;6—底盘;7—轨道;8—上段接桩锚筋;9—桩;10—压头;11—操作平台;12—卷扬机;13—加压钢绳滑轮组;14—桩架导向笼
图3.28 焊接法接桩节点构造
1—角钢与主筋焊接;2—钢板;3—主筋;4—箍筋;5—焊缝
焊接法接桩时,必须对准下节桩并垂直无误后,用点焊将拼接角钢连接固定,再次检查位置正确后则进行焊接,如图3.28所示。施焊时,应两人同时对角对称地进行,以防止节点变形不匀而引起桩身歪斜。焊缝要连续饱满。
图3.29 浆锚法接桩节点构造
1—锚筋;2—锚筋孔
浆锚法接桩时,首先将上节桩对准下节桩,使四根锚筋插入锚筋孔中(直径为锚筋直径的2.5倍),下落压梁并套住桩顶,然后将桩和压梁同时上升约200mm,以4根锚筋不脱离锚筋孔为度,如图3.29所示。此时,安设好施工夹箍(施工夹箍由4块木板,内侧用人造革包裹40mm厚的树脂海绵块而成),将溶化的硫黄胶泥注满锚筋孔内和接头平面上,然后将上节桩和压梁同时下落,当硫黄胶泥冷却并拆除施工夹箍后,即可继续加荷施压。
为保证接桩质量,应做到锚筋应刷净并调直;锚筋孔内应有完好螺纹,无积水、杂物和油污;接桩时接点的平面和锚筋孔内应灌满胶泥;灌注时间不得超过2min;灌注后停歇时间应符合有关规定。
3.其他沉桩方法
水冲沉桩法是锤击沉桩的一种辅助方法,它利用高压水流经过桩侧面或空心管内部的射水管冲击桩尖附近土层,便于锤击。一般是边冲水边打桩,当沉桩至最后1～2m时停止冲水,用锤击至规定标高。水冲法适用于砂土和碎石土,有时对于特别长的预制桩,单靠锤击有一定的困难时,亦用水冲法辅助之。
振动法沉桩是利用振动机,将桩与振动机连接在一起,振动机产生的振动力通过桩身使土体振动,使土体的内摩擦角减小、强度降低而将桩沉入土中。此法在砂土中效率最高。
3.4.2 灌注桩施工
混凝土灌注桩是直接在施工现场桩位上成孔,然后在孔内安装钢筋笼,浇筑混凝土成桩。与预制桩相比,灌注桩具有不受地层变化限制,不需要接桩和截桩,节约钢材、振动小、噪声小等特点,但施工工艺复杂,影响质量的因素多。灌注桩按成孔方法分为以下几种:泥浆护壁成孔灌注桩、干作业钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、沉管灌注桩等,近年来出现了夯扩桩、管内泵压桩、变径桩等新工艺,特别是变径桩,将信息化技术引进到桩基础中。
3.4.2.1 泥浆护壁成孔灌注桩
泥浆护壁成孔是利用原土自然造浆或人工造浆浆液进行护壁,通过循环泥浆将被钻头切下的土块携带排出孔外成孔,然后安装绑扎好的钢筋笼,用导管法水下灌注混凝土沉桩。此法对无论地下水高或低的土层都适用。但在岩溶发育地区慎用。
1.泥浆护壁成孔灌注桩施工工艺流程
泥浆护壁成孔灌注桩施工工艺流程如图3.30所示。
图3.30 泥浆护壁成孔灌注桩工艺流程图
2.施工准备
(1)埋设护筒。
护筒是用4～8mm厚钢板制成的圆筒,其内径应大于钻头直径100mm,其上部宜开设1个或2个溢浆孔。
埋设护筒时,先挖去桩孔处表土,将护筒埋入土中,保证其准确、稳定。护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50mm,护筒与坑壁之间用黏土填实,以防漏水。护筒的埋设深度,在黏土中不宜小于1.0m,在砂土中不宜小于1.5m。护筒顶面应高于地面0.4～0.6m,并应保持孔内泥浆面高出地下水位1m以上,在受水位涨落影响时,泥浆面应高出最高水位1.5m以上。
护筒的作用是固定桩孔位置,防止地面水流入,保护孔口,增高桩孔内水压力,防止塌孔和成孔时引导钻头方向。
(2)制备泥浆。
泥浆在桩孔内吸附在孔壁上,将土壁上孔隙填渗密实,避免孔内壁漏水,保持护筒内水压稳定;泥浆比重大,加大孔内水压力,可以稳固土壁、防止塌孔;泥浆有一定黏度,通过循环泥浆可将切削碎的泥石碴屑悬浮后排出,起到携砂、排土的作用。同时,泥浆还可对钻头有冷却和润滑作用。
制备泥浆方法:在黏性土中成孔时可在孔中注入清水,钻机旋转时,切削土屑与水旋伴,用原土造浆,泥浆相对密度值应控制在1.1～1.2;在其他土中成孔时,泥浆制备应选用高塑性黏土或膨润土。在砂土和较厚的夹砂层中成孔时,泥浆相对密度值应控制在1.3～1.5;施工中应经常测定泥浆相对密度值,并定期测定黏度、含砂率和胶体率等指标,应根据土质条件确定。对施工中废弃的泥浆、石碴应按环境保护的有关规定处理。
3.成孔
桩架安装就位后,挖泥浆槽、沉淀池,接通水电,安装水电设备,制备要求相对密度的泥浆。用第一节钻杆(每节钻杆长约5m,按钻进深度用钢销连接)接好钻机,另一端接上钢丝绳,吊起潜水钻对准埋设的护筒,悬离地面,先空钻然后慢慢钻入土中;注入泥浆,待整个潜水钻入土,观察机架是否垂直平稳,检查钻杆是否平直后,再正常钻进。
泥浆护壁成孔灌注桩成孔方法按成孔机械分类有回转钻机成孔、潜水钻机成孔、冲击钻机成孔、冲抓锥成孔等,其中以钻机成孔应用最多。
(1)回转钻机成孔。
回转钻机是由动力装置带动钻机回转装置转动,再由其带动带有钻头的钻杆移动,由钻头切削土层。适用于地下水位较高的软、硬土层,如淤泥、黏性土、砂土、软质岩层。
回转钻机钻孔方式根据泥浆循环方式的不同,分为正循环回转钻机成孔和反循环回转钻机成孔。
1)正循环回转钻机成孔的工艺如图3.31所示。由空心钻杆内部通入泥浆或高压水,从钻杆底部喷出,携带钻下的土渣沿孔壁向上流动,由孔口将土渣带出流入泥浆池。
2)反循环回转钻机成孔的工艺如图3.32所示。泥浆带渣流动的方向与正循环回转钻机成孔的情形相反。反循环工艺的泥浆上流的速度较高,能携带较大的土渣。
图3.31 正循环回转钻机成孔工艺原理图
1—钻头;2—泥浆循环方向;3—沉淀池;4—泥浆池;5—泥浆泵;6—水龙头;7—钻杆;8—钻机回转装置
图3.32 反循环回转钻机成孔工艺原理图
1—钻头;2—新泥浆流向;3—沉淀池;4—砂石泵;5—水龙头;6—钻杆;7—钻机回转装置;8—混合液流向
(2)潜水钻机成孔。
潜水钻机成孔示意图如图3.33所示。潜水钻机是一种将动力、变速机构和钻头连在一起加以密封,潜入水中工作的一种体积小而轻的钻机,这种钻机的钻头有多种形式,以适应不同桩径和不同土层的需要。钻头可带有合金刀齿,靠电动机带动刀齿旋转切削土层或岩层。钻头靠桩架悬吊吊杆定位,钻孔时钻杆不旋转,仅钻头部分放置切削下来的泥渣通过泥浆循环排出孔外。
图3.33 潜水钻机钻孔示意图
1—钻头;2—潜水钻机;3—电缆;4—护筒;5—水管;6—滚轮(支点);7—钻杆;8—电缆盘;9—5kN卷扬机;10—10kN卷扬机;11—电流电压表;12—启动开关
钻机桩架轻便,移动灵活,钻进速度快,噪声小,钻孔直径为500～1500mm,钻孔深度可达50m,甚至更深。
潜水钻机成孔适用于黏性土、淤泥、淤泥质土、砂土等钻进,也可钻入岩层,尤其适用于地下水位较高的土层中成孔。当钻一般黏性土、淤泥、淤泥质土及砂土时,宜用笼式钻头;穿过不厚的砂夹卵石层或在强风化岩上钻进时,可镶焊硬质合金刀头的笼式钻头;遇孤石或旧基础时,应用带硬质合金齿的筒式钻头。
(3)冲击钻机成孔。
冲击钻机通过机架、卷扬机把带刃的重钻头(冲击锤)提高到一定高度,靠自由下落的冲击力切削破碎岩层或冲击土层成孔,如图3.34所示。部分碎渣和泥浆挤压进孔壁,大部分碎渣用掏渣筒掏出。此法设备简单,操作方便,对于有孤石的砂卵石岩、坚质岩、岩层均可成孔。
冲击钻头形式有十字形、工字形、人字形等,一般常用十字形冲击钻头,如图3.35所示。在钻头锥顶与提升钢丝绳间设有自动转向装置,冲击锤每冲击一次转动一个角度,从而保证桩孔冲成圆孔。
冲孔前应埋设钢护筒,并准备好护壁材料。若表层为淤泥、细砂等软土,则在筒内加入小块片石、砾石和黏土;若表层为砂砾卵石,则投入小颗粒砂砾石和黏土,以便冲击造浆,并使孔壁挤密实。冲击钻机就位后,校正冲锤中心对准护筒中心,在冲程0.4～0.8m范围内应低提密冲,并及时加入石块与泥浆护壁,直至护筒下沉3～4m以后,冲程可以提高到1.5～2.0m,转入正常冲击,随时测定并控制泥浆相对密度。
施工中,应经常检查钢丝绳损坏情况,卡机松紧程度和转向装置是否灵活,以免掉钻。如果冲孔发生偏斜,应回填片石(厚300～500mm)后重新冲孔。
(4)冲抓锥成孔。
冲抓锥锥头上有一重铁块和活动抓片,通过机架和卷扬机将冲抓锥提升到一定高度,下落时松开卷筒刹车,抓片张开,锥头便自由下落冲入土中,然后开动卷扬机提升锥头,这时抓片闭合抓土,如图3.36所示。冲抓锥整体提升至地面上卸去土渣,依次循环成孔。
图3.34 简易冲击钻孔机示意图
1—副滑轮;2—主滑轮;3—主杆;4—前拉索;5—后拉索;6—斜撑;7—双滚筒卷扬机;8—导向轮;9—垫木;10—钢管;11—供浆管;12—溢流口;13—泥浆渡槽;14—护筒回填土;15—钻头
图3.35 十字形冲头示意图
图3.36 冲抓锥锥头
1—抓土;2—连杆;3—压重;4—滑轮组
冲抓锥成孔施工过程、护筒安装要求、泥浆护壁循环等与冲击成孔施工相同。
冲抓锥成孔直径为450～600mm,孔深可达10m,冲抓高度宜控制在1.0～1.5m。适用于松软土层(砂土、黏土)中冲孔,但遇到坚硬土层时宜换用冲击钻施工。
4.清孔
成孔后,必须保证桩孔进入设计持力层深度。当孔达到设计要求后,即进行验孔和清孔。验孔是用探测器检查桩位、直径、深度和孔道情况;清孔即清除孔底沉渣、淤泥浮土,以减少桩基的沉降量,提高承载能力。
泥浆护壁成孔清孔时,对于土质较好不易坍塌的桩孔,可用空气吸泥机清孔,气压为0.5MPa,使管内形成强大高压气流向上涌,同时不断地补足清水,被搅动的泥渣随气流上涌从喷口排出,直至喷出清水为止。对稳定性较差的孔壁应采用泥浆循环法清孔或抽筒排渣,清孔后的泥浆相对密度应控制在1.15～1.25;原土造浆的孔,清孔后泥浆相对密度应控制在1.1左右,在清孔时,必须及时补充足够的泥浆,并保持浆面稳定。
5.水下浇筑混凝土
在灌注桩、地下连续墙等基础工程中,常要直接在水下浇筑混凝土。其方法是利用导管输送混凝土并使之与环境水隔离,依靠管中混凝土的自重,压管口周围的混凝土在已浇筑的混凝土内部流动、扩散,以完成混凝土的浇筑工作,如图3.37所示。
图3.37 导管法浇筑水下混凝土示意图
1—导管;2—承料漏斗;3—提升机具;4—球塞
在施工时,先将导管放入水中(其下部距离底面约100mm),用麻绳或铅丝将球塞悬吊在导管内水位以上的0.2m(塞顶铺2～3层稍大于导管内径的水泥纸袋,再散铺一些干水泥,以防混凝土中骨料卡住球塞),然后浇入混凝土,当球塞以上导管和承料漏斗装满混凝土后,剪断球塞吊绳,混凝土靠自重推动球塞下落,冲向基底,并向四周扩散。球塞冲出导管,浮至水面,可重复使用。冲入基底的混凝土将管口包住,形成混凝土堆。同时不断地将混凝土浇入导管中,管外混凝土面不断被管内的混凝土挤压上升。随着管外混凝土面的上升,导管也逐渐提高(到一定高度,可将导管顶段拆下)。但不能提升过快,必须保证导管下端始终埋入混凝土内;其最大埋置深度不宜超过5m。混凝土浇筑的最终高程应高于设计标高约100mm,以便清除强度低的表层混凝土(清除应在混凝土强度达到2～2.5N/mm2后方可进行)。
导管由每段长度为1.5～2.5m(脚管为2～3m)、管径200～300mm、厚3～6mm的钢管用法兰盘加止水胶垫用螺栓连接而成。承料漏斗位于导管顶端,漏斗上方装有振动设备以防混凝土在导管中阻塞。提升机具用来控制导管的提升与下降,常用的提升机具有卷扬机、电动葫芦、起重机等。球塞可用软木、橡胶、泡沫塑料等制成,其直径比导管内径小15～20mm。
水下浇筑的混凝土必须具有较大的流动性、黏聚性以及良好的流动性保持能力,能依靠其自重和自身的流动能力来实现摊平和密实,有足够的抵抗泌水和离析的能力,以保证混凝土在堆内扩散过程中不离析,且在一定时间内其原有的流动性不降低。因此要求水下浇筑混凝土中水泥用量及砂率宜适当增加,泌水率控制在2%～3%以内;粗骨料粒径不得大于导管的1/5或钢筋间距的1/4,并不宜超过40mm;坍落度为150～180mm。施工开始时采用低坍落度,正常施工则用较大的坍落度,且维持坍落度的时间不得少于1h,以便混凝土能在较长时间内靠其自身的流动能力实现其密实成型。
每根导管的作用半径一般不大于3m,所浇混凝土覆盖面积不宜大于30m2,当面积过大时,可用多根导管同时浇筑。混凝土浇筑应从最深处开始,相邻导管下口的标高差不应超过导管间距的1/20～1/15,并保证混凝土表面均匀上升。
导管法浇筑水下混凝土的关键是:①保证混凝土的供应量应大于导管内混凝土必须保持的高度和开始浇筑时导管埋入混凝土堆内必须的埋置深度所要求的混凝土量;②严格控制导管提升高度,且只能上下升降,不能左右移动,以避免造成管内返水事故。
3.4.2.2 干作业钻孔灌注桩
干作业钻孔灌注桩是先用钻机在桩位处进行钻孔,然后在桩孔内放入钢筋骨架,再灌注混凝土而成桩。其施工过程如图3.38所示。
图3.38 螺旋钻机钻孔灌注桩施工过程示意图
1.施工特点
干作业成孔一般采用螺旋钻机钻孔。螺旋钻机根据钻杆形式不同可分为整体式螺旋、装配式长螺旋和短螺旋三种。螺旋钻杆是一种动力旋动钻杆,它是使钻头的螺旋叶旋转削土,土块由钻头旋转上升而带出孔外。螺旋钻头外径分别为400mm、500mm、600mm,钻孔深度相应为12m、10m、8m。适用于成孔深度内没有地下水的一般黏土层、砂土及人工填土地基,不适于有地下水的土层和淤泥质土。
2.施工工艺
干作业钻孔灌注桩的施工步骤分为以下几步:螺旋钻机就位对中→钻进成孔、排土→钻至预定深度、停钻→起钻,测孔深、孔斜、孔径→清理孔底虚土→钻机移位→安放钢筋笼→安放混凝土溜筒→灌溉混凝土成桩→桩头养护。
钻机就位后,钻杆垂直对准桩位中心,开钻时先慢后快,减少钻杆的摇晃,及时纠正钻孔的偏斜或位移。钻孔时,螺旋刀片旋转削土,削下的土沿整个钻杆螺旋叶片上升而涌出孔外,钻杆可逐节接长直至钻到设计要求规定的深度。在钻孔过程中,若遇到硬物或软岩,应减速慢钻或提起钻头反复钻,穿透后再正常进钻。在砂卵石、卵石或淤泥质土夹层中成孔时,这些土层的土壁不能直立,易造成塌孔,这时,钻孔可钻至塌孔下1～2m以内,用低强度等级细石混凝土回填至塌孔1m以上;待混凝土初凝后,再钻至设计要求深度。也用3︰7夯实灰土回填代替混凝土处理。
钻孔至规定要求深度后,孔底一般都有较厚的虚土,需要进行专门处理。清孔的目的是将孔内的浮土、虚土取出,减少桩的沉降。常用的方法是采用25～30kg的重锤对孔底虚土进行夯实,或投入低坍落度素混凝土,再用重锤夯实;或是钻机在原深处空转清土,然后停止旋转,提钻卸土。
钢筋骨架的主筋、箍筋、直径、根数、间距及主筋保护层均应符合设计规定,绑扎牢固,防止变形。用导向钢筋送入孔内,同时防止泥土杂物掉进孔内。钢筋骨架就位后,应立即灌注混凝土,以防塌孔。灌注时,应分层浇筑、分层捣实,每层厚度50～60cm。
3.操作要点
(1)螺旋钻进应根据地层情况,合理选择和调整钻进参数,并可通过电流表来控制进尺速度,如果电流值增大,说明孔内阻力增大,这时应降低钻进速度。
(2)开始钻进及穿过软硬土层交界处时,应缓慢进尺,保持钻具垂直;钻进含有砖头瓦块卵石的土层时,应控制钻杆跳动与机架摇晃。
(3)钻进中遇憋车、不进尺或钻进缓慢时,应停机检查,找出原因,采取措施,避免盲目钻进,导致桩孔严重倾斜、垮孔甚至卡钻、折断钻具等恶性孔内事故。
(4)遇孔内渗水、垮孔、缩径等异常情况时,立即起钻,采取相应的技术措施;上述情况不严重时,可调整钻进参数,投入适量黏土球,经常上下活动钻具等,保持钻进顺畅。
(5)冻土层、硬土层施工,宜采用高转速,小给进量,恒钻压。
(6)短螺旋钻进,每回次进尺宜控制在钻头长度的2/3左右,砂层、粉土层可控制在0.8～1.2m,黏土、粉质黏土在0.6m以下。
(7)钻至设计深度后,应使钻具在孔内空转数圈清除虚土,然后起钻,盖好孔口盖,防止杂物落入。
3.4.2.3 人工挖孔灌注桩
人工挖孔灌注桩是采用人工挖掘方法成孔,然后放置钢筋笼,浇筑混凝土而成的桩基础,也称墩基础。其施工特点:①设备简单;②无噪声、无振动、不污染环境,对施工现场周围原有建筑物的影响小;③施工速度快,可按施工进度要求决定同时开挖桩孔的数量,必要时各桩孔可同时施工;④土层情况明确,可直接观察到地质变化,桩底沉渣能清除干净,施工质量可靠。尤其当高层建筑选用大直径的灌注桩,而施工现场又在狭窄的市区时,采用人工挖孔比机械挖孔具有更大的适应性。但其缺点是人工耗量大,开挖效率低,安全操作条件差等。
1.施工设备
一般可根据孔径、孔深和现场具体情况选用,常用的有电动葫芦、提土桶、潜水泵、鼓风机和输风管、镐、锹、土筐、照明灯、对讲机及电铃等。
2.施工工艺
施工时,为确保挖土成孔施工安全,必须考虑预防孔壁坍塌和流砂发生的措施。因此,施工前应根据地质水文资料,拟定出合理的护壁措施和降排水方案,护壁方法很多,可以采用现浇混凝土护壁、沉井护壁、喷射混凝土护壁等。
(1)现浇混凝土护壁法施工即分段开挖、分段浇筑混凝土护壁,既能防止孔壁坍塌,又能起到防水作用。
桩孔采取分段开挖,每段高度取决于土壁直立状态的能力,一般0.5～1.0m为一施工段,开挖井孔直径为设计桩径加混凝土护壁厚度。
护壁施工段,即支设护壁内模板(工具式活动钢模板)后浇筑混凝土,模板的高度取决于开挖土方施工段的高度,一般为1m,由4～8块活动钢模板组合而成,支成有锥度的内模。内模支设后,吊放用角钢和钢板制成的两半圆形合成的操作平台入桩孔内,置于内模板顶部,以放置料具和浇筑混凝土操作之用。混凝土的强度一般不宜低于C15,浇筑混凝土时要注意振捣密实。
当护壁混凝土强度达到1MPa(常温下约24h)时可拆除模板,开挖下段的土方,再支模浇筑护壁混凝土,如此循环,直至挖到设计要求的深度。
当桩孔挖到设计深度,并检查孔底土质是否已达到设计要求后,再在孔底挖成扩大头。待桩孔全部成型后,用潜水泵抽出孔底的积水,然后立即浇筑混凝土。当混凝土浇筑至钢筋笼的底面设计标高时,再吊入钢筋笼就位,并继续浇筑桩身混凝土而形成桩基。
(2)当桩径较大,挖掘深度大,地质复杂,土质差(松软弱土层),且地下水位高时,应采用沉井护壁法挖孔施工。
沉井护壁施工是先在桩位上制作钢筋混凝土井筒,井筒下捣制钢筋混凝土刃脚,然后在筒内挖土掏空,井筒靠其自重或附加荷载来克服筒壁与土体之间的摩擦阻力,边挖边沉,使其垂直地下沉到设计要求深度。
3.4.2.4 沉管灌注桩
沉管灌注桩是利用锤击打桩设备或振动沉桩设备,将带有钢筋混凝土的桩尖(或钢板靴)或带有活瓣式桩靴的钢管沉入土中(钢管直径应与桩的设计尺寸一致),造成桩孔,然后放入钢筋骨架并浇筑混凝土,随之拔出套管,利用拔管时的振动将混凝土捣实,便形成所需要的灌注桩。利用锤击沉桩设备沉管、拔管成桩,称为锤击沉管灌注桩,如图3.39所示;利用振动器振动沉管、拔管成桩,称为振动沉管灌注桩,如图3.40所示。
图3.39 锤击沉管灌注桩
1—桩锤钢丝绳;2—桩管滑轮组;3—吊斗钢丝绳;4—桩锤;5—桩帽;6—混凝土漏斗;7—桩管;8—桩架;9—混凝土吊斗;10—回绳;11—行驶用钢管;12—预制桩靴;13—卷扬机;14—枕木
图3.40 振动沉管灌注桩
1—导向滑轮;2—滑轮组;3—激振器;4—混凝土漏斗;5—桩帽;6—加压钢丝绳;7—桩管;8—混凝土吊斗;9—回绳;10—活瓣桩靴;11—缆风绳;12—卷扬机;13—行驶用钢管;14—枕木
在沉管灌注桩施工过程中,对土体有挤密作用和振动影响,施工中应结合现场施工条件,考虑成孔的顺序:①间隔一个或两个桩位成孔;②在邻桩混凝土初凝前或终凝后成孔;③一个承台下桩数在5根以上者,中间的桩先成孔,外围的桩后成孔。
为了提高桩的质量和承载能力,沉管灌注桩常采用单打法、复打法、翻插法等施工工艺。
(1)单打法(又称一次拔管法)。拔管时,每提升0.5～1.0m,振动5～10s,然后再拔管0.5～1.0m,这样反复进行,直至全部拔出。
(2)复打法。在同一桩孔内连续进行两次单打,或根据需要进行局部复打。施工时,应保证前后两次沉管轴线重合,并在混凝土初凝之前进行。
(3)翻插法。钢管每提升0.5m,再下插0.3m,这样反复进行,直至拔出。
在施工时,注意及时补充套筒内的混凝土,使管内混凝土面保持一定高度并高于地面。
1.锤击沉管灌注桩
锤击沉管灌注桩适宜于一般黏性土、淤泥质土和人工填土地基。其施工过程如图3.41所示。
图3.41 沉管灌注桩施工过程
锤击沉管灌注桩施工要点如下:
(1)桩尖与桩管接口处应垫麻(或草绳)垫圈,以防地下水渗入管内和作缓冲层。沉管时先用低锤锤击,观察无偏移后,才正常施打。
(2)拔管前应先锤击或振动套管,在测得混凝土确已流出套管时方可拔管。
(3)桩管内混凝土尽量填满,拔管时要均匀,保持连续密锤轻击,并控制拔管速度,一般土层以不大于1m/min为宜,软弱土层与软硬交界处,应控制在0.8m/min以内为宜。
(4)在管底未拔到桩顶设计标高前,倒打或轻击不得中断,注意使管内的混凝土保持略高于地面,并保持到全管拔出为止。
(5)桩的中心距在5倍桩管外径以内或小于2m时,均应跳打施工;中间空出的桩须待邻桩混凝土达到设计强度的50%以后,方可施打。
2.振动沉管灌注桩
振动沉管灌注桩采用激振器或振动冲击沉管。其施工过程如下:
(1)桩机就位。将桩尖活瓣合拢对准桩位中心,利用振动器及桩管自重,把桩尖压入土中。
(2)沉管。开动振动箱,桩管即在强迫振动下迅速沉入土中。沉管过程中,应经常探测管内有无水或泥浆,如发现水、泥浆较多,应拔出桩管,用砂回填桩孔后方可重新沉管。
(3)上料。桩管沉到设计标高后停止振动,放入钢筋笼,再上料斗将混凝土灌入桩管内,一般应灌满桩管或略高于地面。
(4)拔管。开始拔管时,应先启动振动箱8～10min,并用吊铊测得桩尖活瓣确已张开,混凝土确已从桩管中流出以后,卷扬机方可开始抽拔桩管,边振边拔。拔管速度应控制在1.5m/min以内。拔管方法根据承载力的不同要求,可分别采用单打法、复打法和翻插法。
振动沉管灌注桩宜用于一般黏性土、淤泥质土及人工填土地基,更适用于砂土、稍密及中密的碎石土地基。
3.夯扩桩
夯扩桩(夯压成型灌注桩)是在普通沉管灌注桩的基础上加以改进,增加一根内夯管,使桩端扩大的一种桩型。内夯管的作用是在夯扩工序时,将外管混凝土夯出管外,并在桩端形成扩大头;在施工桩身时利用内管和桩锤的自重将桩身混凝土压实。夯扩桩适用于一般黏性土、淤泥、淤泥质土、黄土、硬黏性土;也可用于有地下水的情况;可在20层以下的高层建筑基础中使用。
夯扩桩施工时,先在桩位处按要求放置干混凝土,然后将内外管套叠对准桩位,再通过柴油锤将双管打入地基土中至设计要求深度。将内夯管拔出,向外管内灌入高度为H的混凝土,然后将内管放入外管内压实灌入的混凝土,再将外管拔起一定高度h。通过柴油锤与内夯管夯打管内混凝土,夯打至外管底端深度略小于设计桩底深度处(差值c)。此过程为
一次夯扩,如需第二次夯扩,则重复一次夯扩步骤即可,如图3.42所示。
图3.42 夯扩桩施工
a—柴油锤;b—外管;c—内管;d—内管底板;e—C20干硬混凝土注:H>h>c。