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桩基础施工技术
一、沉入桩施工
沉入桩所用的基桩主要为预制的钢筋混凝土桩和预应力混凝土桩。断面形式常用的有实心方桩和空心管桩两种。管桩(包括普通的和预应力的)一般由工厂以离心成型法制 成。沉入桩的施工方法主要有:锤击沉桩、振动沉桩、射水沉桩以及静力压桩等。这里介 绍锤击沉桩的施工方法。

锤击沉桩一般适用于中密砂类土、黏土。由于锤击沉桩依靠桩锤的冲击能量将桩打入土中,因此一般桩径不能太大(不大于0.6m),入土深度在40m左右,否则对沉桩设备要 求较高。沉桩设备是桩基施工的质量的关键,应根据土质、工程量、桩的种类、规格、尺寸、施工期限、现场水电供应等条件选择。

2. 施工要点

(1) 沉桩前,应对桩架、桩锤、动力机械等主要设备部件进行检査;开锤前应再次检查桩锤、桩帽或送桩与桩的中轴线是否一致;锤击沉桩开始时,应严格控制各种桩锤的 动能;用坠锤和单动气锤时,提锤高度不宜超过0.50m;用双动气锤时,可少开气阀降低 气压和进气量,以减少每分钟的锤击数;用柴油机锤时,可控制供油量以减少锤击能量; 如桩尖已沉入到设计标高,但沉入度仍达不到要求时,应继续下沉至达到要求的沉入度为止。沉桩时,如遇到沉入度突然发生急剧变化;桩身突然发生倾斜、移位;桩不下沉,桩 锤有严重的回弹;桩顶破碎或桩身开裂、变形;桩侧地面有严重隆起等现象时,应立即停止锤击,查明原因,采取措施后方可继续施工。

(2) 沉桩过程中应注意:桩帽与桩周围应有5 - 10mm间隙,以便锤击时桩在桩帽内可作微小的自由转动,避免桩身产生超过许可的扭转应力;打桩机的导向杆应予固定,以便施打时稳定桩身;导向杆设置应保证桩锤上、下活动自由;预制桩顶面应附有适合桩帽大小的桩垫,其厚度视桩垫材料、桩长及桩尖所受抗力大小决定;桩垫破碎后应及时更换;选用的桩帽,应将锤的冲击力均匀分布于桩顶面。

3. 锤击沉桩的停锤控制标准

(1) 设计桩尖标高处为硬塑黏土、碎石土、中密以上的砂土或风化岩等土层时,根据贯人度变化并对照地质资料,确认桩尖已沉入该土层,贯入度达到控制贯入度。

(2) 当贯入度已达到控制贯人度,而桩尖标高未到达设计标高时,应继续锤入0.10m 左右(或锤击30 ~ 50次),如无异常变化即可停锤;若桩尖标高比设计标高高得多时,应 报有关部门研究确定。

(3) 设计桩尖标高处为一般黏土或其他松软土层时,应以标高控制,贯入度作为校核。当桩尖已达设计标高,而贯入度仍较大时,应继续锤击,使其接近控制贯入度。

(4) 在同一桩基中,各桩的最终贯入度应大致接近,而沉入深度不宜相差过大,避免基础产生不均匀沉降。如因土质变化太大,致使各桩贯入度或沉桩深度相差过大时,应报有关部门研究,另行制订停锤标准。对于特殊设计的桩,当桩尖标高比设计标高高或低时(如拱桥的桥台桩等),应按设计要求处理。

从沉桩开始时起,应严格控制桩位及竖桩的竖直度或斜桩的倾斜度。在沉桩过程中, 不得采用顶、拉桩头或桩身办法来纠偏,以防桩身开裂并增加桩身附加弯矩。

二、钻孔灌注桩施工

1. 钻孔灌注桩的特点
钻孔灌注桩桩长可以根据持力土层的起伏面变化,并按使用期间可能出现的最不利内力组合配置钢筋,钢筋用量较少,便于施工,故应用较为普遍。

2. 钻孔灌注桩施工的主要工序
钻孔前应先布置施工平台。当场地为浅水时,宜采用筑岛法施工。筑岛面积应按钻孔方法、机具大小等要求决定,高度应高于最高施工水位0.5 ~ 1.0m。当场地为深水时,可采用钢管桩施工平台、双壁钢围堰平台等固定式平台,也可采用浮式施工平台。平台须牢靠稳定,能承受工作时所有静、动荷载。

钻孔灌注桩施工的主要工序有:埋设护筒、制备泥浆、钻孔、清底、钢筋笼制作与吊装以及灌注水下混凝土等。

1) 埋设护筒
护筒能稳定孔壁、防止坍孔,还有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位置和起到钻头导向作用等。

护筒要求坚固耐用,不漏水,其内径宜比桩径大20 ~ 40cm。 一般常用钢护筒,在陆上与深水中均能使用。

护筒高度宜高出地面0.3m或水面1.0 ~ 2.0m。当钻孔内有承压水时,应高于稳定后的 承压水位2.0m以上;当处于潮水影响地区时,应高出最高施工水位1.5 ~ 2.0m,并应釆取 稳定护筒内水头的措施。

护筒埋置深度应根据设计要求或桩位的水文地质情况确定,一般情况埋置深度宜为 2~4m,特殊情况应加深以保证钻孔和灌注混凝土的顺利进行。有冲刷影响的河床,应沉入 局部冲刷线以下不小于1.0~1.5m,护筒连接处要求筒内无突出物,应耐拉、压,不漏水。

旱地、筑岛处护筒可采用挖坑埋设法,护筒底部和四周所填黏质土必须分层夯实。水域护筒设置,应严格注意平面位置、竖向倾斜、倾斜角(指斜桩)和两节护筒的连接质量均需符合要求。沉入时可采用压重、振动、锤击并辅以筒内除土的办法。

护筒中心竖直线应与桩中心线重合,除设计另有规定外,平面允许误差为50mm,竖直线倾斜不大于1%,干处可实测定位,水域可依靠导向架定位。

2) 泥浆制备
钻孔泥浆由水、黏土(或膨润土)和添加剂按适当配合比配制而成,通过泥浆搅拌机或人工调和,贮存在泥浆池内,再用泥浆泵输入钻孔内。钻孔泥浆具有浮悬钻渣、冷却钻头、润滑钻具,增大静水压力,并在孔壁形成泥皮,隔断孔内外渗流,防止塌孔的作用。

钻孔泥浆的性能指标可根据钻孔方法,地质情况具体选用。对大直径或超长钻孔灌注桩,泥浆的选择应根据钻孔的工程地质情况、孔位、钻机性能、泥浆材料条件等确定。在地质复杂,覆盖层较厚,护筒下沉不到岩层的情况下,宜使用丙烯酰胺即PHP泥浆。

3) 钻孔

根据井孔中土(钻渣)的取岀方法不同,常用的方法有:螺旋钻孔、正循环回转钻孔、反循环回转钻孔、潜水钻机钻孔、冲抓钻孔、冲击钻孔、旋挖钻机钻孔。

(1) 正循环回转钻孔:系利用钻具旋转切削土体钻进,泥浆泵将泥浆压进泥浆笼 头,通过钻杆中心从钻头喷入钻孔内,泥浆挟带钻渣沿钻孔上升,从护筒顶部排浆孔排出 至沉淀池,钻渣在此沉淀而泥浆流入泥浆池循环使用。其特点是钻进与排渣同时连续进 行,在适用的土层中钻进速度较快,但需设置泥浆槽、沉淀池等,施工占地较多,且机具设备较复杂。

(2) 反循环回转钻孔:与正循环法不同的是,泥浆输入钻孔内,然后泥浆挟带钻渣从钻头的钻杆下口吸进,通过钻杆中心排出至沉淀池内。其钻进与排渣效率较高,但接长 钻杆时装卸麻烦,钻渣容易堵塞管路。另外,因泥浆是从上向下流动,孔壁坍塌的可能性 较正循环法的大,为此需用较高质量的泥浆。

(3) 冲击钻孔:冲击钻成孔灌注桩适用于黄土、黏性土或粉质黏土和人工杂填土层,特别适合于在有孤石的砂砾石层、漂石层、硬土层、岩层中使用。施工中应根据现场 地质状况,合理的选择冲击钻。冲击钻成孔一个最重要的关键点,就是泥浆护壁,护壁泥浆含沙量一定要小。泥浆的浓度可以根据试验测定或经验判断,泥浆太浓钻孔速度慢,泥浆太轻护壁容易坍塌。

开始钻进宜慢不宜快,因为护筒刃脚周围岩层要密实有个过程,需反复冲击挤压,因 为这个位置最容易穿孔。施工中注意垂直度校正,2~3m后立即校正,钻孔太深且偏差太 大只有回填重来。岩层一般是倾斜,与钻机接触面位置垂直,此处位置通过回填卵石反复冲钻,直到岩层平整,然后再继续钻进,防止卡钻、孔位倾(斜等。

施工过程中护筒及时跟进,护筒内的水头一定要保持,随时检查控制泥浆指标,不可马虎。随时检查钻机、钢丝绳等,防止掉钻;每天根据钻渣判断地质情况,做好地质柱状 图标识;钻至设计位置后通知监理一起验收,共同确定孔底地质与设计是否一致;钻孔整 个过程控制应严谨,防止刃脚穿孔、塌孔、偏孔、十字孔、卡钻、埋钻、吊钻事故发生。

(4) 旋挖钻机钻孔:旋挖钻机是一种高度集成的桩基施工机械,采用一体化设计、 履带式360。回转底盘及桅杆式钻杆,一般为全液压系统。旋挖钻机采用桶式钻斗,钻机就 位后,调整钻杆垂直度,注入调制好的泥浆,然后进行钻孔。当钻斗下降到预定深度后, 旋转钻斗并施加压力,将土挤入钻斗内,仪表自动显示桶满时,钻斗底部关闭,提升钻斗 将土卸于堆放地点。钻进施工过程中应保证泥浆面始终不得低于护筒底部,保证孔壁稳定性。通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土和泥浆撑护孔壁,反复循环直至成孔。

旋挖钻机特殊的桶型钻斗直接取土出渣,不需接长钻杆,钻孔时孔口注浆以保持孔内泥浆高度即可,因而能大大缩短成孔时间,提高施工效率。由于带有自动垂直度控制和自 动回位控制,成孔垂直度和孔位等能得到保证。桶钻取土上提过程中对孔壁扰动较小,桶 钻周边设有溢浆孔,溢出泥浆可起到护壁作用。

旋挖钻机一般适用黏土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层。对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机,可适用微风化岩层的钻孔 施工。

4)成孔检査与清孔

钻孔的直径、深度和孔形直接关系到成桩质量,是钻孔桩成败的关键。为此,除了钻孔过程中严谨操作、密切观测监督外,在钻孔达到设计要求深度后,应采用适当器具对孔 深、孔径和孔的倾斜度进行检验,符合设计及规范要求后,方可清孔。

(1) 清孔的方法:有抽浆法、换浆法、掏渣法、喷射清孔法以及用砂浆置换钻渣清孔法等,应根据设计要求、钻孔方法、机具设备和土质条件决定。其中抽浆法清孔较为彻底, 适用于各种钻孔方法的灌注桩。对孔壁易坍塌的钻孔,清孔时操作要细心,防止塌孔。

(2) 清孔的质量要求:对摩擦桩,孔底沉淀厚度应符合设计规定,设计未规定时, 对于直径小于1.5m的桩,≤200mm;对桩径大于1.5m或桩长大于40m或土质较差的桩, ≤300mm;对支承桩,孔底沉淀厚度不大于设计规定,设计未规定时,≤50mm。清孔后的泥浆指标,相对密度为1.03 ~ 1.10,黏度为17~20Pa s,含砂率小于2%,胶体率大于98%。
在吊入钢筋骨架后,灌注水下混凝土之前,应再次检査孔内的泥浆指标和孔底沉淀厚度;如超过规定,应进行第二次清孔,符合要求后方可灌注水下混凝土。不得用加深钻孔深度的方式代替清孔。

5) 钢筋笼制作与吊装

灌注桩钢筋骨架的制作、运输与安装应符合下列规定:
(1) 制作时应采取必要措施,保证骨架的刚度,主筋的接头应错开布置。大直径长 桩的钢筋骨架宜在胎架上分段制作并编号,安装时应按编号顺序连接。

(2) 应在骨架外侧设置控制混凝土保护层厚度的垫块,垫块的间距在竖向不应大于2m,在横向圆周不应少于4处。

(3) 钢筋骨架在运输过程中,应采取适当的措施防止其变形。骨架的顶端应设置吊环。骨架入孔一般用吊机,或采用钻机钻架、灌注塔架等,起吊应按骨架节段的编号入孔。

(4) 安装钢筋骨架时,应将其吊挂在孔口的钢护筒上,或在孔口地面上设置扩大受力面积的装置进行吊挂,不得直接将钢筋骨架支承在孔底。

6) 灌注水下混凝土

灌注水下混凝土的搅拌机能力,应能满足桩孔在规定时间内灌注完毕。灌注时间不得长于首批混凝土初凝时间。若估计灌注时间长于首批混凝土初凝时间,则应掺入缓凝剂。

水下灌注混凝土的泵送机具宜采用混凝土泵,距离稍远的宜采用混凝土搅拌运输车。 采用普通汽车运输时,运输容器应严密坚实,不漏浆、不吸水,便于装卸,混凝土不应离析。

水下混凝土一般用钢导管灌注,导管内径为200 ~ 350mm,视桩径大小而定。导管使用前应进行水密承压和接头抗拉试验,严禁采用压气试压。进行水密试验的水压不应小于孔内水深1.3倍的压力,也不应小于导管壁和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力P的 1.3 倍。

导管应自下而上顺序编号,单节导管作好标示尺度,导管吊装设备能力应充分满足施工要求。导管应定时进行水密试验,以确保桩基施工质量。

灌注水下混凝土时,混凝土拌合物运至灌注地点时,应检查其均匀性和坍落度等,如不符合要求,应进行第二次拌合,二次拌合后仍不符合要求时,不得使用。首批混凝土的数量应能满足导管首次埋置深度(,1.0m)和填充导管底部的需要。首批混凝土拌合物下落后,混凝土应连续灌注,导管的埋置深度宜控制在2 ~ 6m。在灌注过程中,特别是潮汐地区和有承压力地下水地区,应注意保持孔内水头;应经常测探井孔内混凝土面的位置, 及时地调整导管埋深。
为防止钢筋骨架上浮,当灌注的混凝土顶面距钢筋骨架底部1m左右时,应降低混凝土的灌注速度。当混凝土拌合物上升到骨架底口4m以上时,提升导管,使其底口高于骨架底部2m以上,即可恢复正常灌注速度。灌注的桩顶标高应比设计高出一定高度,一般不小于0.5m,以保证混凝土强度,多余部分接桩前必须凿除,桩头应无松散层。

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