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单元2 地基处理与基础施工
2.3 桩基础施工
2.3.3灌注桩施工
灌注桩是直接在桩位上用机械成孔或人工挖孔，在孔内安放钢筋、灌注混凝土而成型的桩。根据成孔方法的不同可分为钻、挖、冲孔灌注桩，套管灌注桩和爆扩桩等。
与预制桩相比由于避免了锤击应力，桩的混凝土强度及配筋只要满足使用要求就可以，因而具有节约材料、成本低廉、施工不受地层变化的限制、无需接桩及截桩等优点。但也存在着技术间隔时间长，不能立即承受荷载，操作要求严，在软土地基中易缩颈、断裂，在冬季施工较困难等缺点。桩基础的使用可以在施工中省去大量土方支撑和排水降水设施，施工方便，且一般均能获得良好的技术经济效果。
1、螺旋钻成孔灌注桩
（1）螺旋钻孔机钻孔
成孔一般采用螺旋钻机钻孔。螺旋钻头外径分别为Φ400mm、Φ500mm、Φ600mm，钻孔深度相应为12m、10m、8m。利用螺旋钻叶片出土，适用于成孔深度内没有地下水的一般粘土层、砂土及人工填土地基，不适于有地下水的土层和淤泥质土。
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。
图2-28 螺旋钻机钻孔灌注桩施工过程示意图
（a）钻机进行钻孔 (b)放入钢筋骨架 （c） 浇筑混凝土
螺旋钻机
螺旋钻机
步履式螺旋钻机
施工常遇问题及预防处理方法:
①钻孔偏斜：钻杆不垂直，钻头导向部分太短、导向性差，土质软硬不一，或者遇上孤石等，都会引起钻孔偏斜。
防止措施：钻孔偏斜时，可提起钻头，上下反复扫钻几次削去硬土；或在孔中回填粘土至偏孔处0.5m以上重新钻进。
②孔底虚土：施工时，孔底虚土较规范大时必须清除，因虚土影响承载力。
防止措施：目前常用的治理虚土的方法是用20kg铁饼人工夯实。
③断桩：水下灌注混凝土桩的质量除混凝土本身质量外，是否断桩是鉴定其质量的关键。
防止措施：力争首批混凝土浇灌一次成功；分析地质情况，研究解决对策；严格控制现场混凝土配合比。
2、泥浆护壁成孔灌注桩
泥浆护壁成孔灌注桩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带出孔外成孔，然后安放钢筋笼，水下灌注混凝土成桩。
成孔方式有正(反)循环回转钻成孔、正(反）循环潜水钻成孔、冲击钻成孔、冲抓锥成孔、钻斗钻成孔等。
泥浆护壁成孔灌注桩适用于地下水位以下的黏性土、粉土、砂土、填土、碎(砾)石土及风化岩层；以及地质情况复杂，夹层多、风化不均、软硬变化较大的岩层。
(1)施工工艺
测定桩位、埋设护筒、桩机就位、制备泥浆、机械(潜水钻机、冲击钻机等)成孔、泥浆循环出渣、清孔、安放钢筋骨架、浇筑水下混凝土。
1)埋设护筒和制备泥浆
护筒的作用是固定桩孔位置，保护孔口，防止地面水流入，增加孔内水压力，防止塌孔，成孔时引导钻头的方向。
护筒用4～8mm厚钢板制成，内径比钻头直径大100～200mm，顶面高出地面0.4～0.6m，上部开1～2个溢浆孔。埋设护筒时，先挖去桩孔处表土，将将护筒埋入土中，其埋设深度，在粘土中不宜小于1m，在砂土中不宜小于1.5m。其高度要满足孔内泥浆液面高度的要求，孔内泥浆面应保持高出地下水位1m以上。采用挖坑埋设时，坑的直径应比护筒外径大0.8～1.0m。护筒中心与桩位中心线偏差不应大于50mm，对位后应在护筒外侧填入粘土并分层夯实。
　挖埋法埋设护筒图 1－护筒；2－地面；3－夯填粘土；4－施工水位
①挖坑埋设
②填筑法埋设
当地下水位较高，挖埋比较困难时，宜采用填筑法安装护筒。
填筑法埋设护筒图 1－护筒；2－土岛；3－地下水位
在钻孔过程中，向孔中注入相对密度为1.1～1.5的泥浆，使桩孔内孔壁土层中的孔隙渗填密实，避免孔内漏水，保持护筒内水压稳定；泥浆相对密度大，加大了孔内的水压力，可以稳固孔壁，防止塌孔；通过循环泥浆可将切削的泥石渣悬浮后排出，起到携砂、排土的作用。泥浆净化的方法有自然沉降法、机械净化法和化学净化法等。
钢护筒
水上搭操作平台，进行钻孔灌注桩施工，埋设钢护筒。
护壁的泥浆有采用膨润土制浆、原土制浆等，其泥浆的比重应根据土质进行调整，维持孔壁一定的泥浆压力，不塌孔。
泥浆池制浆
2)成孔
①潜水钻机成孔
潜水钻机是一种旋转式钻孔机，其防水电机变速机构和钻头密封在一起，由桩架及钻杆定位后可潜入水、泥浆中钻孔。注入泥浆后通过正循环或反循环排渣法将孔内切削土粒、石渣排至孔外。
（a） (b)
图2-30 潜水钻机成孔排渣
（a）正循环排渣 (b)泵举反循环排渣
1-钻杆；2-送水管；3-主机；4-钻头；5-沉淀池；6-潜水泥浆泵；
7-泥浆池；8-砂石泵；9-抽渣管；10-排渣胶管
正循环排渣法:在钻孔过程中，旋转的钻头将碎泥渣切削成浆状后，利用泥浆泵压送高压泥浆，经钻机中心管、分叉管送入到钻头底部强力喷出，与切削成浆状的碎泥渣混合，携带泥土沿孔壁向上运动，从护筒的溢流孔排出。
泵举反循环排渣法: 砂石泵随主机一起潜入孔内，直接将切削碎泥渣随泥浆抽排出孔外。
图2-31正循环回转钻机成孔工艺原理 图2-32 反循环回转钻机成孔工艺原理1 钻头;2 泥浆循环方向;3 沉淀池; 1 钻头;2 新泥浆流向;3 沉淀池;
4 泥浆池；5 泥浆泵；6 水龙头； 4 砂石泵；5 水龙头；6 钻杆；
7 钻杆;8 钻机回转装置 7 钻机回转装置;8 混合液流向
②回转钻机成孔
回转钻机是由动力装置带动钻机回转装置，再经回转装置带动装有钻头的钻杆转动，钻头切削土壤而形成桩孔。根据泥浆循环方式的不同，分为正循环和反循环两种工艺。
③冲击钻成孔
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(图2-33)。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。
图2-33 简易冲击钻成孔机示意图
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
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。冲抓锥整体提升至地面上卸去土渣，依次循环成孔。
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。
适用于松软土层(砂土、粘土)中冲孔，但遇到坚硬土层时宜换用冲击钻施工。
图2-34 冲抓锥头
（a）抓土；（b）提土
1-抓片；2-连杆；3-压重；4-滑轮组
3)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。
对于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。
◆抽渣筒排渣，如右图所示，构造简单，操作方便，抽渣时一般需将钻头取出孔外，放入抽渣筒，下部活门打开，泥渣进入筒内，上提抽渣筒，活门在筒内泥渣的重力作用下关闭，将泥渣排出孔外。
抽渣筒示意图
（a)平阀抽渣筒 （b)碗形活门抽渣筒
1-筒体；2-平阀；3-切削管轴；4-提环
4）吊放钢筋笼：
5)浇筑混凝土：
图2-35 水下浇筑混凝土
1-上料斗；2-贮料斗；3-滑道；4-卷扬机；5-漏斗；6-导管；7-护筒；8-隔水栓
水下混凝土浇筑常用导管法(图2-35)。导管一般用无缝钢管制作，直径为200～300 mm，每节长度为2～3m，最下一节为脚管，长度不小于4m，各节管用法兰盘和螺栓连接。承料漏斗利用法兰盘安装在导管顶端，其容积应大于保证管内混凝土所必须保持的高度和开始浇筑时导管埋置深度所要求的混凝土的体积。
浇筑时，用提升机具将承料漏斗和导管悬吊起来后，沉至孔底，往导管中放隔水栓，隔水栓用绳子或铁丝吊挂，然后向导管内灌一定数量的混凝土，并使其下口距地基面约300 mm，立即迅速剪断吊绳(水深在10m以内可用此法)、或让球塞下滑至管的中部或接近底部再剪断吊绳，使混凝土靠自重推动球塞下落，冲向基底，并向四周扩散，球塞被推出管后，混凝土则在导管下部包围住导管，形成混凝土堆，这时可把导管再下降至基底100～200mm处，使导管下部能有更多的部分埋入首批浇筑的混凝土中。一般情况下，在泥浆中浇混凝土时，导管最小埋置深度不能小于1m，适宜的埋置深度为2～4m，但也不宜过深，以免混凝土的流动阻力太大，易造成堵管。混凝土浇筑过程应连续进行，不得中断。混凝土浇筑的最终标高应比设计标高高出0.5 m。
浇筑混凝土
钢筋笼主筋净距必须大于3倍的骨料粒径，加劲箍宜设在主筋外侧，钢筋保护层厚度不应小于35mm(水下混凝土不得小于50 mm)。可在主筋外侧安设钢筋定位器，以确保保护层厚度。为了防止钢筋笼变形，可在钢筋笼上每隔2m设置一道加强箍，并在钢筋笼内每隔3 ～4m装一个可拆卸的十字形临时加劲架。
3、人工挖孔灌注桩
特点是设备简单;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；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，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。
缺点是人工消耗大，开挖效率低，安全操作条件差等。
施工设备一般可根据孔径、孔深和现场具体情况加以选用，常用的有:电动葫芦、提土捅、潜水泵、鼓风机和输风管、镐、锹、土筐、照明灯、对讲机及电铃等。
人工挖孔桩的施工安全应予以特别重视。孔下操作人员必须戴安全帽；孔下有人时孔口必须有监护人员；孔内必须设置应急软爬梯供人员上下井；不得用麻绳和尼龙绳吊挂或脚踏井壁凸缘上下,使用的电葫芦、吊笼等应安全可靠并配有自动卡紧保险装置；每日开工前必须检测井下的有毒有害气体；桩孔开挖深度超过10m时，应有专门向井下送风的设备，风量不宜少于25 L/s。
护壁应高出地面200～300 mm，以防杂物滚入孔内；孔周围要设0.8m高的护栏。
孔内照明要用12V以下的安全灯或安全矿灯。使用的电器必须有严格的接地、接零和漏电保护器(如潜水泵等)。
图2-36 混凝土护圈挖孔桩 图2-37 沉井护圈挖孔桩 图2-38 套管护圈挖孔桩
常用的井壁护圈有下列几种：
（1）混凝土护圈
采用这种护圈进行挖孔桩施工，应分段开挖，分段浇筑混凝土护圈，到达井底设计标高后，将钢筋笼放入，再浇筑桩基混凝土。现浇混凝土护壁厚度 D/10 + 5 (cm)
特点：设备简单，现场干净，噪音小，无挤土现象，速度快，可直接观察土层、 桩径不受限制。
（2）沉井护圈
先在桩位上制作钢筋混凝土井筒，然后在筒内挖土，井筒靠自重或附加荷载来克服筒壁与土壤之间的摩阻力，使其下沉至设计标高，再在筒内浇注混凝土。
施工工艺：制作安放刃脚→分节浇筑沉井和开挖下沉→（井内混凝土施工）
1）现浇带刃脚的钢筋混凝土圆或方形井筒，可设内隔墙，可竖向分段；
2）井筒内挖土或水力吸泥后，井筒靠自重逐步下沉，边挖边沉；
3）沉至设计标高后用素混凝土封底防水渗，浇钢筋混凝土底板，或内填；
4）若沉井为内空的地下结构物，则浇筑钢筋混凝土顶板。
（3）钢套管护圈
在桩位处先用桩锤将钢套管强行打入土层中，再在钢套管的保护下，将管内土挖出，吊放钢筋笼，浇注桩基混凝土。待浇筑混凝土完毕，用振动锤和人字拔杆将钢管立即强行拔出移至下一桩位使用。这种方法使用于流砂地层，地下水丰富的强透水地层或承压水地层，可避免产生流砂和管涌现象，能确保施工安全。
4、沉管灌注桩(图2-39)
图2-39 沉管灌注桩
（a）就位；（b）沉钢套管；（c）开始灌注混凝土；
（d）下钢筋骨架继续浇注混凝土；（e）拔管成型
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带有活瓣式桩靴的钢管沉入土中，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。
沉管灌注桩适于在有地下水、流砂、淤泥的情况。
根据沉管方法和拔管时振动不同，可分为锤击沉管灌注桩、振动沉管灌注桩。
（1）桩靴(图2-37)
a）活瓣桩尖　　　　　　　　　　b）桩靴
图 2-37 活瓣桩尖及桩靴 1一桩管； 2一锁轴； 3一活瓣； 4—桩靴
桩靴可分为钢筋混凝土预制桩靴和活瓣式桩靴，作用是阻止地下水及泥沙进入套管。
（2）套管
一般采用无缝钢管，直径270～600mm，要求有足够强度和刚度。
（3）成孔
常用的成孔机械有振动沉管机和锤击沉桩机。
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。
间隔一个或两个桩位成孔；在邻桩混凝土初凝前或终凝后成孔；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。
（4）混凝土浇筑与拔管
拔管的方法，根据承载力的要求不同，可分别采用单打法，复打法和翻插法。
1）单打法，即一次拔管法。拔管时每提升0.5～1.0m，振动5S～10S后，再拔管0.5m～1.0m，如此反复进行，直到全部拔出为止。
2）复打法，在同一桩孔内进行两次单打，或根据要求进行局部复打。在第一次沉管，浇筑混凝土，拨管完毕后，清除桩管外壁上的污泥，立即在原桩位上再次安设桩靴，进行第二次复打沉管，使第一次浇筑未凝固的混凝土向四周挤压以扩大桩径，然后再浇筑第二次混凝土，拨管方法与单打桩相同。
复打—般在下列情况下应用：
①设计要求扩大桩的直径，增加桩的承载力，减少桩的数量，减少承台面积等。
②施工中处理工程问题和质量事故。例如怀疑或发现有缩径、吊脚，夹泥等缺陷或持力层起伏不平，个别桩由于桩管长度所限达不到设计规定的进入持力层深度，以致使贯入度不符合要求，作为补救措施而采用复打法。
复打施工时，桩管中心线应与初打(单打)中心线重合；第一次灌注的混凝土应接近自然地面标高；复打前应清除桩管外壁污泥；必须在第一次(单打)灌注混凝土初凝前，完成复打工作；复打以一次复打为宜；钢筋笼在第二次沉管后吊放。
3）反插法，即将桩管每提升0.5～1.0m，再下沉0.3～0.5m，反插深度不宜大于活瓣桩尖长度的三分之二。在桩尖处1.5 m范围内，宜多次反插以扩大桩的局部断面。穿过淤泥夹层时，应放慢拔管速度，并减少拔管高度和反插深度。在流动性淤泥中不宜使用反插法。
2.3.4承台施工
承台梁安放、绑扎钢筋前, 应清除槽底虚土及杂物, 浇筑混凝土前应进行隐蔽工程验收。
2.3.5桩基工程的施工安全
2.3.6桩基检测与验收
1、预制桩质量要求及验收
(1)施工结束后应对承载力进行检查。桩的静荷载试验根数应不少于总根数的1%，且不少于3根；当总桩数少于50根时，应不少于2根；当施工区域地质条件单一，又有足够的实际经验时，可根据实际情况由设计人员酌情而定。
(2)桩身质量应进行检验，对多节打入桩不应小于桩总数的15%，且每个柱子承台不得少于1根。
(3)由工厂生产的预制桩应逐根检查，工厂生产的钢筋笼应抽查总量的10%，但不少于5根。
(4)现场预制成品桩时，应对原材料，钢筋骨架、混凝土强度进行检查；采用工厂生产的成品桩时，进场后应作外观及尺寸检查，并应附相应的合格证、复验报告。
(5)施工中应对桩体垂直度、沉桩情况、桩顶完整状况、桩顶质量等进行检查，对电焊接桩、重要工程应作10%的焊缝探伤检查。对长桩或总锤击数超过500击的锤击桩，必须满足桩体强度及28d龄期的两项条件才能锤击。
(6)施工结束后，应对承载力及桩体质量做检验。
(7)打入桩桩基工程的验收通常应按两种情况进行：当桩顶设计标高与施工场地标高相同时，应在打桩完毕后进行；当桩顶设计标高低于施工场地标高需送桩时，则在每一根桩的桩顶打至场地标高；应进行中间验收，待全部桩打完，并开挖到设计标高后，再作全面验收。
2、灌注桩质量要求及验收
3、桩基工程桩位验收规定
4、桩基工程验收时应提交下列资料：
（1）工程地质勘察报告、桩基施工图、图纸会审纪要、设计变更及材料代用单等。
（2）经审定的施工组织设计、施工方案及执行中的变更情况。
（3）桩位测量放线图，包括工程桩位线复核签证单。
（4）成桩质量检查报告。
（5）单桩承载力检测报告。
（6）基坑挖至设计标高的基桩竣工平面图及桩顶标高图。
图2-36 锚桩反力装置
1—锚桩(4根)；2—次梁；3—主梁；4—实验桩；
5—基准桩；6—千斤顶；7—百分表；8—基准梁
5、静载试验法检测
模拟实际荷载情况，采用接近于桩的实际工作条件，通过静载加压，得出一系列关系曲线，确定单桩的极限承载力，综合评定确定其允许承载力，作为设计依据；或对工程桩的承载力进行抽样检验和评价。荷载试验有多种，通常采用的是单桩竖向抗压静载试验、单桩竖向抗拔静载试验和单桩水平静载试验。
（1）锚桩反力法
图2-37 压重平台反力装置
1—支墩；2—钢锭(砂袋)；3—钢横梁；
4—实验桩；5—基准桩；6—千斤顶；7—百分表
（2）压重平台反力法
（3）试验要求
预制桩在桩身强度达到设计要求的前提下，对于砂类土，不应少于7天；对于粉土和粘性土，不应少于15天；对于淤泥或淤泥质土，不应少于25天，待桩身与土体的结合基本趋于稳定，才能进行试验。灌注桩应在桩身混凝土强度达到设计等级的前提下，对砂类土不少于10天；对一般粘性土不少于20天；对淤泥或淤泥质土不少于30天，才能进行试验。在同一条件下的试桩数量不宜少于总桩数的1%，且不应少于3根，工程总桩数在50根以内时不应少于2根。
6、动测法
动测法，又称动力无损检测法，是检测桩基承载力及桩身质量的一项新技术，作为静载试验的补充。
①与静载试验比较
一般静载试验可直观地反映桩的承载力和混凝土的浇筑质量，数量可靠。但试验装置复杂笨重，装、卸、操作费工费时，成本高，测试数量有限，并且易破坏桩基。动测法试验，仪器轻便灵活，检测快速；单桩试验时间仅为静载试验的1/50左右；数量多，不破坏桩基，相对也较准确，可进行普查；费用低，单桩测试费约为静载试验的1/30左右，可节省静载试验错桩、堆载、设备运输、吊装焊接等大量人力、物力。目前，国内用动测法的试桩工程数目，已占工程总数的70%左右，试桩数约占全部试桩数的90%，有效地填补了静载试桩的不足。
②试验方法
　动测法是相对静载试验法而言；它是对桩土体系进行适当的简化处理，建立起数学-力学模型，借助于现代电子技术与量测设备采集桩-土体系在给定的动荷载作用下所产生的振动参数，结合实际桩土条件进行计算，所得结果与相应的静载试验结果进行对比，在积累一定数量的动静试验对比结果的基础上，找出两者之间的某种相关关系，并以此作为标准来确定桩基承载力。

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