大直径挤扩支盘灌注桩施工工法

大直径挤扩支盘灌注桩施工工法1.前言挤扩支盘桩是一种新型结构的钢筋混凝土灌注桩，其受力机理明确，它采用支盘挤扩机械，根据地质情况在硬土层中通过液压挤扩，对各分支和承力盘周围土体施以三维静压，挤扩支盘桩空腔，经挤密的周围土体与空腔内灌注的砼桩身、支盘紧密地结合为一体，发挥了桩土共同承力作用形成挤扩支盘桩。该技术能充分利用地基承载土层，在有效地减小桩径和桩长的同时大幅度提高桩的承载力，并减少桩体沉降量。图1.1挤扩支盘桩示意图挤扩支盘桩技术被国家五部局批准为“国家重点新产品”；被国家科学技术部评定为“重点国家级火炬项目”；是国家火炬计划重点推广项目；北京市科委列为“北京市重大科技成果推广计划”；宁波市节能减排重点项目。在工业与民用建筑工程中得到了大量的应用，桩长自7米多至50多米，桩径约430mm～850mm。近些年来，随着支盘桩的发展，支盘桩应用桩径逐渐增大，对盘径的要求也逐渐增大。特别针对桥桩桩径约1000mm～3000mm的特点，原有的挤扩支盘设备不能适应于大直径桩（直径大于1000mm）的需求，为在桥梁工程中采用支盘桩，需要开发出挤扩支盘直径能达到2500mm以上的挤扩支盘机。对小型支盘机进行技术升级，解决众多技术难题，研发成功盘径3米的大型支盘施工设备及配套工艺，设备最大工作压力为35MPa，为国际工程机械深孔作业最大液压动力，也是国内外最大挤扩支盘设备，为支盘桩在桥梁工程的应用奠定了基础；为充分发挥支盘桩优势，研发出大直径变径挤扩支盘桩。变径支盘桩，是指支盘桩主桩直径是变化的，通常是主桩上部直径大，主桩下部直径小，在成孔过程中，首先用大钻头施工上段主桩，然后更换小钻头施工下段主桩。桩上部直径大满足桩水平承载力要求，桩下部直径小，盘环面积大，桩承载力相对普通支盘桩更大，同时节省砼用量。通过多个工程应用对大直径挤扩支盘灌注桩施工新技术进行了系统性的完善和总结。从工程实例的使用效果来看，该工法具有很强的先进性，具有显著的节能减排效果，值得推广和借鉴。2.工法特点2.1能充分利用桩身上下各部位的硬土层，从而改变了普通等直径钻孔灌注桩的受力机理。增加了土的端承力，提高了抗压、抗拔的能力，其单方混凝土承载力为相应的直孔桩的1.5～3倍,有显著的技术经济效益。由于其特殊的挤压成盘工艺，使桩具有支盘的承载结构同时又挤压密实了盘周土体，将桩土刚度共同提高，从而大大减小了基础的工间和工后沉降。2.2大直径挤扩支盘桩，盘径达到3m，竖向承载力大幅度提高，可解决不断增加的桥梁荷载和基础结构安全间相互的矛盾，提高了安全储备。2.3变径支盘桩，桩上部直径大满足桩水平承载力要求，桩下部直径小，盘环面积大，桩承载力相对普通支盘桩更大，同时节省砼用量。2.4支盘桩承载能力发挥受施工影响较小，对地质变化采用可调控手段，避免了灌注桩诸多问题。3.适用范围该工法适用多种土层中成盘，一般为软可塑～坚硬状态的粘性土、稍密～密实的粉土、砂土和碎石土、极软岩和节理很发育的软岩，不受地下水位高低限制，可根据承载力的需要，充分利用硬土层，采用增设分支和承力盘数量高以提高单桩承载力（竖向抗压承载力、水平承载力、抗拔承载力）、桩身稳定性以及抗震性能；成桩工艺适用范围广，可适用于泥浆护壁成孔工艺、干作业成孔工艺、水泥注浆护壁成孔工艺和重锤捣扩成孔工艺等；4.工艺原理挤扩支盘桩是在已钻孔内放入专用挤扩支盘机设备，按承载力要求和地层土质条件，在设计要求部位对土体进行侧向挤压，挤扩成支或盘状孔腔，提离挤扩支盘机，放入钢筋笼，灌注桩身混凝土，形成的带有支盘结构的基桩同周围部分被挤密的土体共同作用的混凝土灌注桩。支盘的成形首先要钻孔，在实施钻孔之后，即可进行支盘的挤扩成形：4.1盘成形配套设备图4.1.1中所表示的支盘成形设备是现有的较为通用的挤扩支盘机，该设备主要由五个部分组成，即起重设备、液压站(包括液压胶管)、接长杆、支盘成形机主机和固定装置。各个部分的作用如下：(1)支盘成形机主机(简称主机)主机是实现支、盘成形的主要部件，其结构组成如图4.1.1a所示，主要有机架1、工臂工作机构(四连杆机构)2和液压驱动缸3等，图中b为其工作原理图。当活塞杆推出时，位于机身内的工臂向外支出，挤压孔壁实现支盘成形。挤扩完成后，工臂随活塞杆回缩恢复到机身内的原始位置。图4.1.1支盘成形机结构原理a)结构组成示意图b)机构工作原理图1－机架2－工臂工作机构3－液压驱动缸(2)接长杆是一个连接部件，上端与起重设备的吊钩连接，下端与主机连接。主机的出入孔、在孔内的上下移动、旋转以及定位都要通过接长杆来完成。(3)液压站是提供设备工作动力并完成对设备工作状态实施控制的部件。包括为主机液压缸提供液压动力，控制二臂的伸出与回缩，同时还可在挤扩过程中实时检测挤扩状况，为操作者提供挤扩过程中的动态信息等。(4)起重设备主要用于支盘成形设备主机的出入孔起重，对主机在钻孔中的位置实施控制和调整。还兼有施工场地设备组装拆卸的作用。目前的施工作业中，起重设备多选用汽车式起重机或履带式起重机。(5)孔口定位装置现场上常称固定装置，也叫转位器，用于通过接长杆使主机绕其中心线旋转并定位，从而确定主机的工作位置和挤扩方向，实现准确施工。但目前由于该装置在孔口的定位难度较大，故实际施工中还没有有效地利用其转位功能。近些年来，随着支盘桩的发展，工程中支盘桩的桩径逐渐增大，对盘径的要求也逐渐增大。特别针对桥桩桩径约1000mm～3000mm的特点，研发成功大型挤扩支盘机设备，设备可挤扩成形3m大盘，具有很高的工程应用价值和经济意义。大型挤扩支盘设备用图形的方式表示如图4.1.2所示：（a）（b）（c）图4.1.2支盘机设备的挤扩成盘质量图示（a）支盘机巨臂的正面形状；（b）支盘机设备普通臂的挤扩质量图示；（c）支盘机设备巨臂的挤扩质量图示。（阴影部分表示两次挤扩支盘的重叠部分）大型支盘成形设备的主要技术参数列表如表4.1.1所示：表4.1.1大型支盘成形设备主要技术参数桩孔直径（mm）1100～1800设备外径（mm）1000弓压臂挤扩最大尺寸（mm）3000弓压臂宽度（mm）580挤扩最大尺寸时两臂夹角（°）80液压系统额定工作压力（MPa）25油缸公称输出压力（kN）10000油泵流量（L/min）117电机功率（kW）75机身防护设施有密封件专配设计该设备自主创新缸内增压技术，可挤扩深层地质、密实砂土、卵砾石土、强风化岩石土质，改变原有技术只适合软土地质条件工作；大动力缸采用国际先进液压密封系统，设计结合支盘桩工况改进设计，实现和创造了国际工程机械最为恶劣工作条件下液压元件的保障，使设备液压元件寿命提高一倍。完成了超宽弓臂设计同时优化结构；全机身防刮土设计。有利于盘腔的成形质量、提高成盘检测合格率、孔内设备旋转和减少沉渣，以提高成桩效率。研发成功大直径盘腔清孔工艺及装置(1)盘腔清孔工艺大盘径的支盘腔，盘腔体积增大，钻孔泥浆正（反）循环不能将盘腔中的大泥块携带出盘腔，将影响盘腔质量，进而影响支盘桩承载力。设计出专用的盘腔清理装置，既是为了解决盘腔泥块存留的问题，使盘腔质量达标。在挤扩支盘施工结束后，将专用的盘腔清理装置，下方到孔内直至盘位标高，在孔口动力的驱动下，装置旋转，带动盘腔中泥浆，泥浆携带泥块清理盘腔。(2)盘腔清理装置盘腔清理装置主要结构如图4.1.3所示：图4.1.3盘腔清理装置结构图其中，L1——钻头部分的长度；L2——安装有叶片部分的长度；L3——稳定环部分的长度；L4——叶片连接装置的长度；L5——叶片的长度；L6——叶片的宽度；D1——钻头的外径；D2——钻杆的外径；D3——稳定环的外径；其中，盘腔清理装置现在分为三种型号，分别是1000mm、1200mm、1500mm三种型号，各型号的结构参数的具体数据可参看表4.12。表4.12盘腔清理装置结构参数结构参数盘腔清理装置的型号1000(单位：mm)1200(单位：mm)1500(单位：mm)L1110012001300L2160016001600L3110011001100L4840840840L5200，400200，400200，400L6350450600D197511751475D2909090D3970117014704.2支盘成形过程如图4.2.1所示，支盘成形机挤扩施工的基本过程是：图4.2.1挤扩支盘过程及成孔形状图示a)成形设备布置图b)分支形式c)整体断面及挤扩转位图1－支盘成形机主机2－桩孔3－液压站4－液压胶管5－接长杆6－旋转定位装置7－起重设备8－工臂(1)钻孔结束后，支盘成形设备组装并到位，由起重设备将支盘成形机主机及接长杆起吊入孔，对中下放，至接长杆上端接近孔口时，再用固定装置将入孔部分固定好，抽拉出第二根接长杆，一边下放一边把液压胶管固定于接长杆上，依次重复操作，直到主机位于设计的某一支、盘位深度时为止。(2)主机到位后，开动液压站，使液压缸作伸缩运动，推动工臂工作机构向外运动，挤压钻孔内壁；将主机绕吊挂中心线旋转规定的角度，控制液压缸作第二次伸缩运动，对钻孔内壁进行第二次挤压。重复上述动作若干次(约8～9次)，即可挤扩出一个上下呈锥体状的盘形空间。(3)改变深度位置，可以在同一钻孔中挤扩出若干个盘形空间(整体支盘)、十字异形空间(十字分支)或一字异形空间(一字分支)，形状如图4.2.1b所示。(4)挤扩可由上向下进行，也可由下向上进行，但为了保证挤扩出底盘，一般要选择由下向上的顺序，在下一个位置挤扩完毕后，起重设备将主机起吊到上一个支、盘位置，依次实现所有支、盘的挤扩施工。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工序挤扩支盘桩由钻进成孔及清孔，挤扩支盘施工，二次清孔，下钢筋笼及灌注混凝土成桩几道工序完成。施工工艺简单，仅在普通灌注桩施工的基础上多了挤扩支盘以及二次清孔的过程。具体的工艺流程见图5.1.1工艺流程详图。图5.1.1泥浆护壁变桩径支盘桩（钻孔灌注桩）施工工艺流程图主流程主要检测内容子流程编审施工方案场地准备、三通一平设备、器材进场检查桩位基线与高程桩位放样、设备安装护筒外形尺寸护筒加工护筒埋设护筒中心偏差、垂直度制备泥浆验收开钻钻进成孔下放钢筋笼、导管二次清孔会签隐检记录灌注水下砼成桩钻头直径钻机水平泥浆性能安全设施废浆外运孔深孔径孔斜检查钢筋笼制作，导管检查钢筋笼质量检查导管密封性检查钢筋笼定位高程与中心偏差准备清孔器具、制备清孔泥浆检查砼原材料、配合比、灌注高程及时通知商品砼厂家留取砼试样并养护拔出护筒泥浆性能调整孔底淤积厚度终孔验收挤扩成盘首次清孔检查变径前成孔检查换变径钻具，测量并调整至同心挤扩支盘桩施工包括有正循环支盘工法（图5.1.2）、反循环支盘工法、管桩支盘工法（图5.1.3）、旋挖支盘工法（图5.1.4）、冲击成孔支盘工法。图5.1.2正反循环支盘工法图5.1.3管桩支盘工法图5.1.4旋挖成孔支盘工法5.2施工要点5.2.1施工准备1．从事挤扩支盘桩工程施工、承包的企业应具有该技术的专业施工能力和具有相关资质的人员，工程技术人员，应了解并掌握挤扩支盘桩原理、钻孔施工与挤扩施工的要点，具有“再勘察、再设计”的理念，以便做好施工管理、控制质量，向设计部门和业主负责。2．施工前根据工程需要确定试成孔数量，一般试成孔为1-2个，中小桥或同条件工程具有较丰富经验可不打试成孔。试成孔终孔后，需按一定间隔对需检验土层进行旁压检测，分析试成孔挤扩压力值、反力上升值等资料，核对地质勘察资料，判断各土层物理力学性能后，提出支盘挤扩施工时的质量要求和检查内容、检验标准，做出调控支盘桩承载能力的初步方案。3．在粘性土、粉土和砂土层中一般可采用正循环法成孔，当淤泥土、粘土和卵石所占成孔工作量比例不大时，宜采用旋挖工法成孔，可提高效率和质量。在圆砾、卵石、碎石层中，宜采用旋挖工艺、冲击成孔工艺或反循环工艺成孔，当采用反循环成孔工艺时，应适当调配泥浆质量，以满足挤扩支盘要求。当采用水上作业或基桩桩身上部采用管桩结构时，应采用管桩支盘工法。管桩部分的沉桩可采用锤击、静压、振动沉入等方法，沉管部分可采用钢管