土木工程施工技术第五讲基础工程

三、桩基础概述及本科课程回顾1、桩的分类2、预制桩施工3、灌注桩施工桩基础是一种适用性很强的基础形式，可应用于多种工程地质条件和多种类型的工程中。在桥梁工程、港口工程、近海石油钻井平台、高耸和高重建筑物、支档结构物等建筑工程中都大有用武之地。它发展迅速，不断有新的桩型、新的施工工艺、新的桩基设计理论和计算方法涌现，是现代化基础工程体系之一，也是基础施工工业化途径之一。桩基础可以是单根桩，如柱下单桩的形式，但绝大多数情况下，桩基础是由多根桩组合而成。为了使所有单桩能够共同工作，常将桩群设在钢筋混凝土板或者梁下，以保证将荷载分配给各根桩，并使各桩具有基本相同的沉降。这种钢筋混凝土板横向结构称为承台。桩基础施工较浅基础复杂，成本也较高，但在下列一些情况下，为了确保结构安全，必须采用桩基础，而且与其他深基础如沉井、沉箱、地下连续墙等相比，桩基础的应用范围最广，而且也是优先考虑的深基础方案。(1)地基上层具有软弱土层，不能承受由上部结构传递的荷载，而且软弱土层较厚，不便挖除或不宜采用地基处理等措施时，可采用桩将荷载传递到下面基岩，或者当基岩埋藏很深时传递到下面较好土层中。(2)在设计和建造承受风荷载、水压力、滑坡推力或地震荷载的支挡结构物和高层建筑的基础时，经常在承担上部结构传递的竖向荷载的同时承受水平荷载，因桩基础可通过弯曲来抵抗水平力，故桩基础是优选方案。(3)如果地基上层不是软弱土层而是膨胀土或湿陷性土等特殊土。随着含水量的增加和减少，膨胀土发生膨胀和收缩，其产生的膨胀压力会很大；湿陷性土随含水量增加而塌陷。在这种情况下，如果采用浅基础，结构可能发生严重的破坏，而桩基能穿过会发生膨胀、收缩或湿陷的土层，故用桩基础代替浅基础。(4)桥台和桥墩采用桩基，可避免采用浅基础时因河床冲刷较大，河道不稳定等导致其承载力的降低。(5)有些构筑物的基础，如输电线塔、近海(石油)平台和位于地下水位以下的筏基，承受着上拔力，采用桩基能抵抗上拔力。从上面桩的应用场合可以看出：桩基础不仅是一种深基础，而且是处理软弱土、膨胀土和湿陷性土等特殊土地基的有效措施。四、桩基础工程施工新技术（参考书目：《现代建筑施工新技术》孟文清主编）（一）灌注桩后注浆施工（注浆桩，二十几年）在成桩过程中，在桩底或桩侧预先布置管路和注浆装置，待桩身混凝土达到一定强度后，通过注浆管路利用高压注浆泵压入以水泥为主的浆液（或其他化学浆液如硅酸盐），对孔底和桩侧泥皮进行固化，桩端阻力及桩侧阻力相应提高，提高单桩承载力、减少沉降量。1、按施工机具和注浆先后顺序的不同划分：前处理注浆桩：借助于专用的钻机设备，在浇注混凝土桩体前，对桩端、孔壁进行压力注浆。下钻——灌注水泥浆（混凝土）并提升螺旋外管——拔钻清土——振沉钢筋笼——成桩。后处理注浆桩：不需要专门的机具，按普通钻孔灌注桩造孔浇混凝土，然后待桩混凝土达到一定强度后，利用预埋的注浆设施对灌注桩桩底和桩周土进行注浆处理。2、桩底注浆按施工工艺闭式注浆工艺：将预制的弹性良好的腔体或压力注浆室随钢筋笼放入孔底，成桩后在压力作用下，浆液注入腔体内；随注浆压力和注浆量的增加，弹性腔体逐渐膨胀、扩张，在桩端土层中形成浆泡，浆泡逐渐扩大，压密沉渣和桩端土体，并用浆体取代部分桩端土层，在压密的同时，桩端土体及沉渣排出部分孔隙水；再进一步增加注浆压力和注浆量，水泥浆土体扩大扩大头逐渐形成，压密区范围也逐渐增大，直至达到设计要求为止。效果：扩径，对桩起到一定的预加应力作用，对土层起到压密作用。开式注浆工艺：浆液通过注浆管（单根、双根或多根），经桩端的预留注浆空腔、预留注浆通道或预留的特殊注浆装置等，直接注入桩端土、岩体中，浆液与桩端沉渣和周围土体呈混合状态，呈现出渗透、填充、置换、劈裂等效应，在桩端显示出复合地基的效果。效果：对桩端土体进行加固，小部分水泥石固结于桩端，扩径效果很小。3、桩底后注浆提高桩基承载力的机理提高桩端阻力：桩端土体性质得以改善，其密实度、强度、刚度得到提高，从而提高桩底阻力；桩底扩大头的形成：加大了桩底的支撑面积；对桩底施加预应力：压力注浆过程中，压力对桩底施加向上的作用力，使桩身微微上抬，专题产生向下的负摩阻力，相当于在桩底施加了一个预应力。提高桩侧摩阻力：改善桩-土界面特征，消除桩周泥皮的影响；增强了桩侧阻力的强化效应；增加桩周法向应力；产生桩侧负摩阻力。4、桩底后注浆技术施工工艺：钻机定位——钻孔——清孔——吊放钢筋笼（注浆管制作，绑扎预埋在钢筋笼旁）——灌注混凝土——成桩，桩基移位——注浆管开塞——调整注浆量、注浆压力、注浆速度达到控制标准要求——桩底高压灌注水泥浆液——停止注浆，封死进浆管口和出浆管口，卸下送浆管，终孔。5、后注浆质量控制措施注浆时机：桩身混凝土强度达到设计值的75%以上并大于20MP；从灌注桩浇注到开始注浆的时间间隔一般为10d左右，夏天可适当缩短，但不少于7天，冬季间隔时间适当延长。浆液浓度控制：水泥浆水灰比0.4——0.6；水泥水玻璃浆水灰比0.6——1.0；先稀浆，再中浆，最后浓浆。实践表明：0.5——0.55水灰比的浓浆可以取得较佳的灌浆效果。注浆量控制：根据压水试验及注浆过程中的反应适当调整注浆量。浆液浓度和注浆量愈大，注浆压力愈高，加固效果愈好。注浆压力与速度控制：注浆压力是在不会使地表产生隆起和基桩上抬量过大前提下，注浆时能采用的最大压力。一般应用低压、慢速注浆。桩身上抬控制：对于桩周土层为砂土且休止期长时，桩身上抬一定数值则可能破坏桩周土层。注浆终止标准确定：根据注浆压力、注浆量和桩的上抬量控制，一般达到下列条件之一可终止注浆：注浆总量和注浆压力均达到设计要求；注浆总量已达到设计要求的70%，且注浆压力达到设计要求的150%并维持5min以上；注浆总量已达到设计要求的70%，且桩顶或地面出现明显的上抬。（二）长螺旋钻杆孔压灌混凝土桩施工在长螺旋干钻法的基础上发展的压灌混凝土桩成桩技术，采用长螺旋钻机钻至设计标高，利用混凝土泵将混凝土从钻头底部压出，边灌注边提钻至成桩，然后利用专门震动装置将钢筋笼一次插入桩体，形成钢筋混凝土灌注桩。优点：（1）受地下水和复杂地质情况影响较小；（2）机械投入少；（3）低噪音，无振动，不需要设置泥浆池和沉淀池；（4）成孔、成桩由长螺旋钻机一次完成。施工工艺：定位放线——钻机就位——校正桩与钻杆垂直度——钻进至设计深度——（备料、泵送混凝土、送入混凝土泵料斗）——边提钻边泵送混凝土至孔口（混凝土试块制作）——钻机移位——迅速清理空口虚土——钢筋笼制作——插放钢筋笼——成桩——凿除桩头。（三）挤扩支盘灌注桩施工名称：挤扩多分支承力盘灌注桩；挤扩多支盘灌注桩，支盘桩，挤扩支盘桩是在直桩基础上通过在桩周适宜土层增设承力盘而形成的一种新型变截面桩。挤扩支盘桩技术是上个世纪九十年代由原北京俊华集团董事长张俊生先生发明的一种新型桩基技术。是在原普通灌注桩基础上增加设置承力盘或整理分支而成，桩身由主桩、底盘、中盘、顶盘及数个分支所组成。该技术2000年通过了由北京市建委组织的成果鉴定，此后，国家以及相关部门先后颁布了《挤扩支盘灌注桩技术规程》、《火力发电厂挤扩支盘桩暂行技术规范》等相关技术规范、规程，使得该技术有了设计、施工依据，促进了挤扩支盘桩技术的标准化。经过将近三十年的发展，已经成为一种相对比较成熟的技术广泛应用于各种工程中。优点：端支承力强、侧摩阻力大、单桩长度短或群桩数量少、能承受较大弯矩、有效降低工程造价、缩短工期、大幅度提高单桩的竖向承载力、对不同土质的适应性强、成孔工艺适用范围广、环保；节约材料50%左右，工期缩短30%左右缺点：不适应深厚软土或淤泥土地层，施工速度慢、施工程序复杂，两分支型的液压成型机不易对中，支盘直径受挤扩设备限制。（四）预应力混凝土管桩（1982年广东省从日本引进，1993年建设部重点推广）优点：质量较可靠、植桩方便、施工进度快、桩身耐打、穿透力强、场地闻名、桩基抗震性能好、单桩承载力高、桩质量检测随机性强、综合工程造价低等。目前全国已有25个省市自治区（不包括港澳台）生产管桩，广东、上海、浙江、江苏、福建、天津、云南、湖北、北京、山东、安徽、河北、海南、四川、河南、广西、辽宁、黑龙江、吉林、湖南、江西、陕西、甘肃、山西、内蒙等。20年高速发展，从最初的引进国外的全套或者主要生产设备、生产用的管桩结构主筋——低松弛高强阴螺纹钢筋和外加剂，到九十年代中期至今，管桩的生产装备已全部实现国产，并且还出口东南亚等国家，管桩结构主筋——低松弛高强阴螺纹钢筋也实现国产，质量稳定性和加工工艺水平有了长足提高，目前国内已建有80多条生产线，完全满足了我国管桩生产的需求。1993-2012年全国管桩产量统计2、编制系列标准和技术规范：GB13476－2009《先张法预应力混凝土管桩》（1992年首次制订，1999年第二次修订）GB/T19496－2004《钻芯检测离心高强混凝土抗压强度试验方法》JGJ272－2010《预制高强混凝土薄壁钢管桩》JC/T605－2005《先张法预应力混凝土管桩钢模》（1995年首次制订，2005年第一次修订）JC/T822－2003《水泥制品生产用离心成型机技术条件》JC/T699－1998《钢筋混凝土管钢筋骨架滚焊机》JC/T966－2005《预应力混凝土用钢棒镦头机》JC/T947－2005《先张法预应力混凝土管桩用端板》JC/T950－2005《预应力高强混凝土管桩用硅砂粉》GB/T5223.3-2005《预应力混凝土用钢棒》等。10G409《预应力混凝土管桩》国家建筑标准设计图集（2003年首次制订，2009年第一次修订）另外，一些省市（如广东、浙江、上海、江苏、天津、云南、安徽、湖北、四川、山西等）也制订了相应的地方图集、管桩基础施工规范。3、预应力混凝土管桩的分类（1）按混凝土强度等级分预应力混凝土管桩（PC）：离心混凝土强度等级不得低于C50；预应力高强混凝土管桩（PHC）：离心混凝土强度等级不得低于C80（2）按外径分（mm）：300、350、400、450、500、550、600、800、1000mm，长度7-15m（3）按抗裂弯矩大小分：A型（有效预压应力3.92N/mm2）、AB型（5.88）、B型（7.85）、C型（9.81）4、预应力混凝土管桩适宜的地质条件桩端持力层为强风化岩层、全风化岩层、坚硬黏性土层、密实卵石、碎石和圆砾、角砾土、砂土、粉土层等。以下场地不宜用或应慎用：（1）孤石、老基础及地下障碍物多的底层：管桩施工困难，易产生质量问题；（2）有坚硬夹层且该夹层不能作为持力层的地基；（3）持力层太深：持力层超过40m时，经济效果明显降低；（4）从软土层直接进入中风化或微风化基岩的地基：缺少“缓冲层”，管桩桩身易破损；（5）石灰岩地区：石灰岩地区岩溶较发育，基岩岩面起伏变化极大，且石灰岩是水溶性岩石，不存在强风化层，桩长很难控制，易发生断桩、斜桩、桩身跑位及桩身稳定性差等现象。5、管桩静压法施工管桩的施工方法：锤击法、静压法、抱压法、预钻孔沉桩法等。（1）施工准备A、现场及压桩机进场准备三通一平；压桩机；运输方法；布置合格桩；选择桩尖。B、管桩准备管桩的桩径、长度、类型、根数；管桩的外观质量；管桩是否存在纵、环向裂缝。C、桩位控制（2）主要施工工艺