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项目2 桩 基 础 工 程
2.1 桩基础的分类
2.2 钢筋混凝土预制桩施工
2.3 钢筋混凝土灌注桩施工
2.4 桩基础工程模拟实训
　　【教学目标】 熟悉预制桩的制作、起吊、运输和堆放等施工要求；掌握预制管桩的施工工艺；了解灌注桩的种类、特点和适用范围；掌握钻孔灌注桩的施工工艺；掌握沉管灌注桩的施工工艺；掌握人工挖孔灌注桩的施工工艺。
　　桩基础是一种在建筑工程中被广泛采用的基础形式，它是一种深基础。
　　桩基础的作用是将上部结构较大的荷载通过桩穿过软弱土层传递到较深的坚硬土层上，它可以解决浅基础承载力不足和变形较大的地基问题。
　　桩基础具有承载力高、沉降量小而均匀、沉降速率缓慢等特点，它能承受垂直荷载、水平荷载、上拔力以及机器的振动或动力作用，已广泛用于房屋地基、桥梁、水利等工程中。
　　
　　工程中的桩基础通常由数根桩组成，桩顶设置承台，把各桩连成整体，并将上部结构的荷载均匀传递给桩。
　　1．按承载性质不同分类
　　(1) 端承桩。端承桩(见图2-1)是穿过软弱土层而达到坚硬土层或岩层上的桩，上部结构荷载主要由岩层阻力承受，桩侧较软弱的土对桩身的摩擦作用很小，其摩擦力可忽略不计。施工时以控制贯入度为主，桩尖进入持力层深度或桩尖标高可作参考。
2.1 桩基础的分类
　　
　　
图2-1 端承桩
　　(2) 摩擦桩。摩擦桩(见图2-2)完全设置在软弱土层中，将软弱土层挤密实，提高了土的密实度和承载能力，上部结构的荷载由桩尖阻力和桩身侧面与地基土之间的摩擦阻力共同承受。施工时以控制桩尖设计标高为主，贯入度可作参考。
　　
　　
图2-2 摩擦桩
　　2．按桩身的材料不同分类
　　(1) 混凝土桩。混凝土桩可以预制也可以现浇，根据设计，桩的长度和截面尺寸可任意选择。
　　(2) 钢桩。钢桩可采用管型、H型或其他异型钢材，常用的有直径250～1200 mm的钢管桩和宽翼工字形钢桩，分段长度为12～15 m，接头采用焊接，其焊接接头应采用等强度连接。钢桩的承载力较大，起吊、运输、沉桩和接桩都较方便，但消耗钢材多、造价高，我国目前只在少数重点工程中使用钢桩。
　　3．按制作工艺分
　　(1) 钢筋混凝土预制桩。钢筋混凝土预制桩是在工厂或施工现场预制的桩，常用的有预应力混凝土空心桩。
　　(2) 钢筋混凝土灌注桩。钢筋混凝土灌注桩又叫现浇桩，它是直接在设计桩位的地基上成孔，再在孔内放置钢筋笼，最后在孔内灌注混凝土而成的桩。
　　
　　钢筋混凝土预制桩包括混凝土实心桩(见图2-3)及预应力混凝土空心桩(见图2-4)。
2.2 钢筋混凝土预制桩施工
　　
　　
图2-3 混凝土实心桩
图2-4 预应力混凝土管桩
　　预应力混凝土空心桩按截面形式可分为管桩和空心方桩；按混凝土强度等级可分为预应力高强混凝土管桩(PHC桩)和空心方桩(PHS桩)、预应力混凝土管桩(PC桩)和空心方桩(PS桩)等。
　　预应力混凝土管桩采用离心法成型，混凝土中多余的水分由于离心力而被甩出，故混凝土致密、强度高，抵抗地下水和其他腐蚀的性能好。管桩径有300 mm、400 mm、500 mm等，每节长度8 m、10 m、12 m不等。管桩各节段之间的连接可以用焊接、法兰螺栓连接及机械快速连接，接桩时，每根桩的接头数量不宜超过4个。
图2-5 预应力混凝土管桩的堆放
　　预应力混凝土管桩的堆放场地应平整、坚实，最下层与地面接触的垫木应有足够的宽度和高度，堆放时，桩应稳固，不得滚动，如图2-5所示。
　　当场地条件许可时，宜单层堆放；若场地条件不许可时，则可叠层堆放，外径为500～600 mm的桩不宜超过4层，外径为300～400 mm的桩不宜超过5层。叠层堆放桩时，应在垂直于桩长度方向的地面上设置两道垫木，垫木应分别位于距桩端1/5桩长处，底层最外缘的桩应在垫木处用木楔塞紧。
2.2.1 桩的接长
　　当桩的长度较大时，由于桩架高度以及制作运输等条件限制，往往需要分段制作和运输，沉桩时，分段之间就需要接头。
　　预应力混凝土管桩的连接可采用焊接、法兰连接或机械快速连接(螺纹式、啮合式)。
　　1．焊接
　　当预应力管桩采用焊接连接时(见图2-6)，钢板宜采用低碳钢，焊条采用E43，下节桩段的桩头宜高出地面0.5 m，并设有导向箍。
　　
　　
图2-6 管桩焊接
　　焊接前，上下端板表面应采用铁刷子清刷干净，坡口处应刷至露出金属光泽。焊接时，上下节桩段应保持顺直，宜在桩四周对称地进行，待上下桩节固定后拆除导向箍再分层施焊，焊接层数不得少于两层，第一层焊完后必须把焊渣清理干净，方可进行第二层的施焊，焊缝应连续、饱满。
　　焊好后的桩接头自然冷却后方可继续锤击，自然冷却时间不宜少于8分钟，严禁采用水冷却或焊好后立即施打。
　　2．法兰连接
　　当预应力管桩采用法兰连接时，钢板和螺栓宜采用低碳钢。
　　在预制桩时，先在桩的端部设置法兰，需要接桩时，再用螺拴把它们连在一起。这种施工方法简便、速度快，但法兰盘的制作工艺复杂，且用钢量大。
　　3．机械快速连接
　　预应力混凝土管桩的机械快速连接方式是先将加工好的机械连接接头预先浇筑在混凝土管桩两头，然后在施工现场连接的一种新型管桩连接工艺，它有螺纹式和啮合式两种。
　　接桩时，其下节桩端宜高出地面0.8 m。
图2-7 螺纹连接示意图
图2-8 机械啮合接头
　　1) 螺纹连接
　　接桩时，先卸下上下节桩两端的保护装置，清理其接头残物，涂上润滑油，然后采用专用接头锥度对中，对准上下节桩并进行旋紧连接。可采用专用链条式扳手进行旋紧，锁紧后两端板应有1～2 mm的间隙，如图2-7所示。
　　2) 啮合连接
　　接桩时，先将上下接头板清理干净，用扳手将已涂抹沥青涂料的连接销逐根旋入上节桩Ⅰ型端头板的螺栓孔内，用钢模板调整好连接销的方位，再剔除下节桩Ⅱ型端头板连接槽内泡沫塑料保护块，在连接槽内注入沥青涂料，并在端头板面周边抹上宽度20 mm、厚度3 mm的沥青涂料(当地基土、地下水含中等以上腐蚀介质时，端头板板面应满涂沥青涂料)如图2-8所示。最后将上接桩吊起，使连接销与Ⅱ型端头板上各连接口对准，随即将连接销插入连接槽内，加压使上下节桩的桩头板接触，完成接桩。
　　
　　
图2-9 啮合式接桩施工图
(a) 上节桩的下端粘沥青胶
图2-9 啮合式接桩施工图
(b) 下节桩的上端放沥青胶
　　
　　
图2-9 啮合式接桩施工图
(c) 上、下节桩对接
图2-9 啮合式接桩施工图
(d) 对接完成
2.2.2 桩的施工方法
　　预制桩的沉桩方法有锤击法、振动法、射水法和静力压桩法等。
　　锤击法利用桩锤的冲击克服土对桩的阻力，使桩沉到预定持力层，如图2-10所示，它是一种较常用的沉桩方法。
　　
　　
图2-10 锤击法
　　振动沉桩利用固定在桩顶部的振动器所产生的激振力，通过桩身使土颗粒受迫振动，使其改变排列组织，产生收缩和位移，这样桩表面与土层间的摩擦力就会减少，桩在自重和振动力共同作用下沉入土中。
　　振动沉桩设备简单，不需要其他辅助设备，并且具有重量轻、体积小、搬运方便、费用低、工效高等优点，不仅适用于在黏土、松散砂土、黄土和软土中沉桩，更适合于打钢板桩，同时借助起重设备可以拔桩。
　　射水沉桩也叫水冲沉桩，大多数情况下它与锤击或振动相辅使用，视土质情况可采取以下不同方式先用射水管冲桩孔，然后将桩身随之插入(锤可置于桩顶，以增加下沉的重量)；一面射水，一面锤击(或振动)；射水锤击交替进行或以锤击或振动为主，射水为辅等。一般多采取射水与锤击联合使用的方式以加速下沉，亦可先用射水管冲孔至离桩设计深度约1 m左右，再将桩吊入孔内，用锤击打入到设计深度。
　　射水法沉桩宜适用于砂土和碎石土。
　　静力压桩法借助于专用桩架自重、配重或结构自重，通过压梁或压柱将整个桩架自重、配重或结构反力，并以卷扬机滑轮组或电动油泵液压方式架在桩顶或桩身上，当架给桩的静压力与桩的阻力达到动态平衡时，桩在自重和静压力作用下逐渐沉入地基土中，如图2-11所示。
　　这种方法施工时无噪音、无振动、无污染，对周围环境的干扰小，不仅适用于软土地区、城市中心或建筑物密集处的桩基础工程，也适用于精密工厂的扩建工程。
　　
图2-11 静力压桩法
2.2.3 锤击桩施工工艺
　　1．打桩设备
　　打桩设备主要由桩锤、桩架和动力装置三部分组成。
　　桩锤对桩施加冲击力，将桩打入土中，主要有落锤、单动汽锤、双动汽锤、柴油锤和液压锤等。
　　桩架可用来支持桩身和桩锤，它能将桩吊到打桩位置，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。桩架的选用应考虑桩锤的类型、桩的长度和施工条件等因素，常用的桩架形式有滚筒式桩架、多功能桩架、履带式桩架等。
　　动力装置主要有卷扬机、空气压缩机等，它是给桩锤提供动力的设施。
　　2．打桩顺序
　　打桩时，由于桩对土体的挤密作用，先打入的桩会被后打入的桩水平挤推而造成偏移和变位或被垂直挤拔造成浮桩，而后打入的桩会由于难以达到设计标高或入土深度，造成土体隆起和挤压，导致截桩过大。所以，群桩施工时，为了保证质量和进度，防止周围建筑物被破坏，打桩前应根据桩的密集程度、规格、长短、埋深以及桩架移动是否方便等因素来选择正确的打桩顺序。
　　对于密集桩群，自中间向两个方向或四周对称施打；当一侧毗邻建筑物时，由毗邻建筑物处向另一方向施打；根据基础的设计标高，宜先深后浅；根据桩的规格，宜先大后小，先长后短。
　　3．打桩方法
　　打桩机就位后，将桩锤和桩帽吊起，先吊桩并送至导杆内，垂直对准桩位缓缓送下插入土中，然后固定桩帽和桩锤，使桩、桩帽、桩锤在同一铅垂线上，确保桩能垂直下沉。
　　在桩锤与桩帽、桩帽与桩之间应加设硬木、麻袋、草垫等弹性衬垫，桩帽或送桩帽与桩顶周围应有5～10 mm的间隙，以防损伤桩顶。
　　打桩开始时，应先采用小的落距(0.5～0.8 m)作轻的锤击，使桩正常沉入土中约1～2 m后，经检查桩尖不发生偏移后再逐渐增大落距至规定高度，继续锤击，直至把桩打到设计要求的深度。
　　锤击时宜采用“重锤低击”的方式，最大落距不宜大于1 m。
　　在打桩过程中，遇到有贯入度剧变、桩身突然发生倾斜、移位或有严重回弹、桩顶或桩身出现严重裂缝或破碎等异常情况时，应暂停打桩，及时研究处理。
　　4．截桩
　　在打完预制桩开挖基坑时，要按设计要求的桩顶标高，将桩头多余的部分截去。
　　截桩头时不能破坏桩身，要保证桩身的主筋伸入承台，长度应符合设计要求。
　　当桩顶标高在设计标高以下时，需在桩位上挖成喇叭口，凿掉桩头混凝土，剥出主筋并焊接接长至设计要求长度，与承台钢筋绑扎在一起，用桩身同强度等级的混凝土与承台一起浇筑接长桩身。
2.2.4 静力压桩施工工艺
　　1．压桩设备
　　压桩机用液压静力压桩机，它有顶压式和抱压式两种，宜根据单节桩的长度选择。
　　压桩机的主要部件有桩架底盘、压梁、桩帽、卷扬机、滑轮组、配置和动力设备等。
　　2．压桩顺序
　　压桩顺序宜根据场地工程地质条件确定，并应符合下列规定：
　　(1) 对于场地地层中局部含砂、碎石、卵石的情况，宜先对该区域进行压桩。
　　(2) 当持力层埋深或桩的入土深度差别较大时，宜先施压长桩后施压短桩。
　　3．压桩方法
　　静压预制桩的施工一般采用分段压入、逐段接长的方法。其施工流程为：测量定位→压桩机就位→吊装喂桩→桩身对中调直→压桩→接桩→再压桩→(送桩)→终止压桩→切割桩头。
　　压桩时，先将桩起吊，对准桩位，将桩顶置于梁下，然后开动卷扬机牵引钢丝绳，逐渐将钢丝绳收紧，使活动压梁向下，将整个桩机的自重和配重荷载通过压梁压在桩项，如图2-12所示。
　　压桩是通过主机的压桩油缸的伸程力将桩压入土中，压桩油缸的最大行程因压桩机型号的不同而有所不同，一般为1.5～2.0 m，每一次下压，桩的入土深度约为1.5～2.0 m，然后再按照松夹具→上升→再夹紧→再压的顺序反复进行，方可将一节桩压下去。
　　当一节桩被压到其桩顶离地面0.8～1.0 m时，可进行接桩，如图2-13所示。
　　
　　
图2-12 静力压桩
图2-13 接桩
　　当施压最后一节桩的桩顶面达到施工地面以上1.5m左右时，应再吊一节桩放在被压桩的顶面，不要将接头连接起来，一直下压直到桩顶面压至符合终压控制条件为止，然后将其上面的一节桩拔出来即可。
　　终压条件有下面几条：
　　(1) 压桩至设计标高，压力值达到或大于桩承载力设计值时，可终压。
　　(2) 压桩至设计标高，压力值未达到桩承载力设计值时，应立即将情况报设计单位，由设计单位决定是否继续压桩。
　　(3) 压力值达到桩承载力设计值的2倍，桩未压至设计标高时，应根据该桩位地勘资料与设计单位协商决定是否继续施压。
2.2.5 预制桩施工质量控制
　　预制桩质量评定包括两个方面：一是能否满足设计规定的贯入度或标高的要求；二是沉桩后的偏差是否在施工规范允许的范围内。
　　1．贯入度或标高必须符合设计要求
　　当桩端达到坚硬、硬塑的黏性土、碎石土，中密以上的粉土和砂土或风化岩等土层时，应以贯入度控制为主，将桩端进入持力层深度或桩尖标高作为参考；当贯入度已达到而桩端标高未达到时，应继续锤击3阵，其每阵10击的平均贯入度不应大于规定的数值。
　　桩端位于其他软土层时，应以桩端设计标高控制为主，将贯入度作为参考。
　　沉桩时如桩端达到设计标高而贯入度指标与要求相差较大，或者贯入度指标已满足，而标高与设计要求相差较大，这两种情况说明地基的实际情况与设计原来的估计或判断有较大的出入，属于异常情况，都应会同设计单位研究处理，以调整其标高或贯入度达到控制的要求。
　　2．平面位置或垂直度必须符合施工规范要求
　　桩沉入后，桩位的允许偏差应在施工质量验收规范的允许范围内。
　　预制桩桩位的允许偏差必须使桩在提升就位时对准桩位，桩身要垂直；在施工时，必须使桩身、桩帽和桩锤(或压梁)三者的中心线在同一垂直轴线上，以保证桩的垂直入土；
短桩接长时，上下节桩的端面要平整，中心要对齐，如发现断面有间隙，应用铁片垫平焊牢；沉桩完毕，基坑挖土时，应制订合理的挖土方案，以防挖土而引起桩的位移或倾斜。

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