桩基础施工新技术专题讲座(十四)-第一工程机械网

讲解人：北京市建筑工程研究院沈保汉

大直径现浇混凝土薄壁筒桩

大直径现浇混凝土薄壁筒桩(Cast-in-situConcreteLarge-DiameterPile)，简称筒桩(CTP桩)，是谢庆道教授在长期从事深基础工程研究中，以及在大量工程实践的基础上，充分吸收了钻孔灌注桩、沉管灌注桩和预应力管桩的优点发明的一项技术。于1998年申报国家专利（专利号ZL98113070.4）。随着筒桩技术的不断推广应用，目前在国外的一些海洋工程中也采用中国筒桩技术。联体筒桩于2004年申请获得美国专利(专利号为US6，749，372B2)。

大直径现浇混凝土薄壁筒桩

筒桩基本原理

筒桩为混凝土薄壁筒状结构，目前常用的外径在1000～1500mm之间，并正在向2000mm或更大的方向发展，壁厚在120~250mm，也可根据工程需要另行设计。

成桩时利用内外两层钢管套装在预制好的钢筋混凝土环形桩靴上，通过上部特制的夹持器，在顶部中高频振动器的作用下，将钢管沉入地基土内并到达设计标高。套入内管的部分土芯可从外管的排土孔排出。移开夹持器，放入钢筋笼，在外钢管的灌入口中灌入混凝土，边振动边拔管直至钢管全部拔出地面，这样便形成中心填充有地基土的筒形桩体。

筒桩分类

根据筒桩有无设置钢筋笼分为钢筋混凝土筒桩或素混凝土筒桩，在承受较大水平力的情况下，应设置钢筋笼。当承受竖向力不大的情况下(如作为复合地基的增强体)则可采用素混凝土筒桩。钢筋的配置及混凝土强度等级应根据具体工程情况而定。

根据筒桩的布置可分为单体筒桩和联体筒桩。以单体分散布局的称单体筒桩；在两根单体筒桩之间以联体的方式，紧密咬合在一起形成连续墙的称联体筒桩。联体筒桩的直径通常为1000～1500mm，咬合厚度50~100mm，形成的空心连续墙，既可抗水平力又可用作防渗墙。这种联体筒桩目前在海洋工程中或深基坑支护中拥有广泛的应用前景。图1为联体筒桩组成的地下连续墙示意图。

筒桩可根据受力要求自由地组合成各种形式，如单排联体结构(图2a)，单面插板双排框架结构(图2b)及双面插板双排框架结构(图2c)等。桩顶可用现浇钢筋混凝土压顶梁连接，两排桩之间用系梁连接。在水深较大的海域或软土较深地区，水平方向荷载较大，多采用这种双排框架结构(若为挡土结构，可不用系梁，排桩间土体用土工织物或其他方法处理)，其稳定性好、强度高，抗冲击能力强。#d1cm#page#

筒桩技术特点

从桩的形态来看，属于大直径薄壁筒形桩，突破了普通沉管桩和普通预制桩直径600mm以内的限制，使桩径大大增加，可充分发挥大直径桩稳定和高强度的作用。

从桩的排土性能来看，它是属于少量挤土桩。在成桩的过程中大量土石不是挤向周围土体而是被内管套入其中，对于土质较软的黏土，当内管土挤到一定程度时，便从上部泄口中溢出。桩周土受挤程度较轻，可克服沉管桩和预制桩的桩身受施工桩的挤土作用，从而可避免地基土的隆起和桩身向上位移。

从成桩机理来看，筒桩有如下三大作用：模板作用。在振动力的作用下环形腔体成孔器沉入土中后，灌注混凝土，当振动模板提拔时，混凝土从成孔器下端进入环形槽孔内，空腹模板起到了护壁作用，因此不易出现缩壁和塌壁现象。从而成为成孔、护壁、灌注一次性直接形成筒桩的工艺；振捣作用。成孔器振动提拔时，对混凝土有连续振捣作用，使桩体充分振动密实，由于混凝土向两侧挤压，而使筒桩壁厚度得以保证，混凝土密实；挤密作用。在施工过程中由于振动、挤压和排土等原因，可对桩间土起到少量的密实作用。

从桩的承载能力来看，它具有较高的竖向极限承载力。在相同混凝土用量的情况下，圆筒形结构比圆柱形结构具有大得多的外表面积和惯性矩。作摩擦型桩使用时，承载力提高很多。软土地区现场试验显示，直径为1000mm、壁厚为120mm、桩长为18m的素混凝土筒桩，其极限承载力为1400~1500kN。以壁厚200mm、直径1500mm的筒桩与直径1000mm的钻孔灌注桩相比，两者混凝土用量大体相等，在相同桩长的情况下，前者的极限承载力是后者的1.55倍左右。筒桩作为支护桩使用时，抗弯强度提高很多。

从桩型结构特点来看，它是属于现场灌注薄壁圆形结构，且有较强的抗压抗弯性能。一般灌注桩竖向受力并不需要全断面，混凝土强度得不到充分发挥。从抗弯能力计算，断面中心部位混凝土所起的作用更可忽略不计，然而筒桩正是可避免灌注存在的混凝土和钢筋材料浪费问题，以最合理的材料获得最有效的结构效应。

从施工角度来看，由于筒桩是连续灌注而成，而且是在中高频振动下起拔，因而整体性和混凝土质量较好，施工方便迅速。尤其在海上施工，插入土层的桩体，进入海水层以及上部的桩柱，数十米长度可一次性灌注完成，对混凝土质量能进行有效的控制。由于采用中高频振动，对地表振动影响小，对地基土体起振密作用，提高地基土的承载力。施工中没有泥浆排放，故对环境无污染。

筒桩优缺点

优点

筒桩优点包括：承载力高；无泥浆污染；节省混凝土，工程造价低；施工速度快捷；挤土效应相对较少；工后沉降小以及随地质条件变化适应性强。

缺点

筒桩缺点主要有以下几点：桩架设备比较笨重，浅表处2～3m深的土层受压后可能会使半成品筒桩开裂，因此须对浅表层土加以保护；初期投入的成本较高；需用功率较大的变电器，以满足用电负荷的要求；土芯需用挖掘机等作业设备进行清运。

筒桩适用范围

筒桩适用于软弱土层及第四纪覆盖的松散地层，具体地说适用于软黏土、黏土、粉质黏土、砂土、砂砾土及严重风化成土状的岩层。软土层厚度一般为6～35m。桩端持力层为较厚的强风化或全风化岩层、硬塑～坚硬黏性土层、中密～密实碎石土、砂土和粉土层。筒桩对于嵌岩桩暂时还无能为力，因为筒桩的桩端是一个混凝土预制的管靴，当基岩超过混凝土硬度时无法进入基岩，满足不了桩基嵌岩深度。对于一定要达到嵌岩深度的筒桩，只能将钢管内土体挖除，用人工方法掘岩扩底，然后灌注成桩。筒桩不仅适用于陆地，更适用于海洋。

筒桩可应用于道路工程中的软基处理及桥涵的桩基工程；海洋工程中的支护结构及软基处理；工业和民用建筑中深基坑支护工程及多层建筑桩基础；其他重要建筑物的地基加固，如机场跑道、停机坪、发射场软基加固等。水文地质中利用筒桩的有利成孔条件，可为大量开发地下水资源开辟新的途径。筒桩也可广泛应用于城市地下工程、沿海防咸工程和护岸工程中的地下连续墙工程。

筒桩施工机械设备

筒桩施工设备主要包括桩架和成孔器，成孔器的关键设备是中高频振动锤。

桩架

不论采用何种形式的桩架，必须满足桩长、桩径、振动锤的形态和装载重量及其稳定性的需要，接地压力应满足地基承载力的要求，并且要求移位机动性强，调整位置和角度方便，此外选择桩架时还要考虑地面坡度等因素。在水上施工时可把桩架设置在船体上或搭设的排架上。

成孔器

成孔器可分为单桩成孔器和联体筒桩成孔器，分别用于单体筒桩和联体筒桩的施工。单桩成孔器包括中高频振动锤、夹持器、出泥孔、环形桩尖、内管、外管、混凝土受料槽以及环形空隙等部件(见图3)。

联体筒桩成孔器，由单桩成孔器相互连结而成(见图4)。#d1cm#page#

振动锤

选择合适型号的振动锤往往是工程顺利进行的关键，要考虑的因素是多方面的，包括发动机的功率、偏心力矩、振幅、振频、吊重、拔桩力、振动力、土壤性质和埋深等。其中振动力和最低可接受振幅是两个最关键的因素。各种类型的土质对最小振幅要求有所不同，在砂质的土体中，振动造成的液化程度较高，要求振幅比较小，只需3mm。在黏土中，由于土体会跟随桩壁运动，振幅要求达到6mm才能摆脱土体。在理想情况下，如在水下的砂质土体中振幅只需要2mm。桩阻力在振动时因为土体液化作用比静止时大幅度减弱，减弱程度根据振频大小和土质决定。

环形桩尖

环形桩尖形状及质量是筒桩施工工艺技术的关键，桩尖刃口形状决定筒桩施工排土量大小及沉管阻力，施工中必须按照现场工程地质条件、设计要求、筒桩排土量的具体情况来设计桩尖的刃口形状。一般桩尖采用C30钢筋混凝土预制。为减少施工中的挤土效应，桩尖采用如图5所示结构。

筒桩施工工艺

单体筒桩施工流程

单体筒桩施工流程见图6，单体筒桩施工流程框图见图7。

由图6可知，单体筒桩施工流程可分解如下：①钻机就位，埋好环形桩尖，使成孔器的内外钢管底端分别顶住桩尖的外台阶支承面，做好密封防水，并检测成孔的垂直度。②双管在激振力的作用下逐渐下沉到预定的标高，内管中的土芯逐渐上升。③沉管到预定标高后卸去振动锤和夹持器，并放置钢筋笼(无钢筋笼时省此步骤)。④安装振动锤及夹持器，向外管上的受料斗送入混凝土，落入内外管间的环形空腔中，达到适量后启动振动锤稍加密实。⑤无钢筋笼时，连续送混凝土至桩身混凝土理论方量，然后边振动边上拔夹持器，上拔至适当高度后，根据量测管内混凝土面决定需补混凝土量，要使灌注混凝土的实际高度高于设计桩顶标高500mm。⑥混凝土灌注结束后，成孔器拔出地表，钻机移至下一孔位，重复上述工作。

联体筒桩施工流程

联体筒桩施工流程：①利用特制的3～5个带有公型和母型导接器的联体筒桩成孔器(图4)，先将第1个成孔器振入土中，然后将第2个成孔器在入土前插入前者的导接器中，再借助振动锤的激振力振入土层中，依此类推连续振入第3个和第4个成孔器。在向第1个成孔器灌注混凝土时至少连续沉入2个成孔器(具体数量依据地层土质情况而定)。②连续振入几个成孔器后，再在每个成孔器中下入设计要求的钢筋笼。③对已经下入钢筋笼的成孔器内灌注混凝土后，振动起拔。④灌注混凝土后的所有筒桩连接成形，最终形成设计要求的咬合式联体筒桩结构的空心地下连续墙(图8)。若用于简单的防渗结构，亦可用素混凝土方式。

如果在施工期间遇到必须停顿时，就要在已灌注混凝土的联体筒桩的后面留一个空成孔器，以便在以后灌注后续联体筒桩时做到很好的相连。但还必须注意停顿过程不能超过2h，否则成孔器由于混凝土凝结无法拔起。当联体筒桩施工中发生咬合故障时，可采取相隔的缝隙用高压喷浆方法进行修补，保证其联体的良好性能。

施工特点

与普通直径的振动沉管灌注桩相比，筒桩外径突破600mm的限制，常用为800~1500mm，桩径大大增加，可充分发挥大直径桩的稳定和高强度作用，但也增加了施工难度。筒桩施工采用中频(偏心轴转速1000~2000r/min)和高频(偏心轴转速2000~3000r/min)电动或液压振动锤，大大地提高了沉桩效率，减少了对周围环境的振动和噪声影响。

筒桩采用自动排土振动沉管灌注混凝土而成，属于少量挤土桩，在成孔成桩过程中大量土砂不是挤向桩壁周围而是被内管套入其中，当内管土砂挤到一定程度时可以从上部的出泥孔溢出，受挤的土砂只是较少部分，大大地减少了类似普通直径沉管灌注桩和预制桩在沉桩过程中的挤土效应。#d1cm#page#

施工要点

桩位放样根据设计桩位布置及处理区域，填筑500～800mm厚的碎块石工作垫层，用全站仪或经纬仪测设处理网格控制桩位，并以控制点位为基准测设各单体筒桩桩位，并插上钢筋或木桩做明显标示。

桩尖预制及埋设桩尖的混凝土强度一般应比筒桩体强度高一个等级，桩尖可在现场预制，也可在场外预制，养护并达到强度后送至施工现场。

桩位放样后，先清除桩位上1.5m×1.5m范围内的填碴，再埋设桩尖，以便成桩后立即浇筑盖板及垫层，桩尖定位采用拉十字线法检查，桩尖中心和桩位中心偏差不大于20mm。

桩机就位桩机底座架坐在钢管上，钢管下垫枕木，桩机依靠卷扬机拉动钢丝绳在枕木上滚动钢管而前移，横向底座在钢管上滑移而横向移动。位置初步对中后，下放成孔器，使成孔器的内外钢管底端接近桩尖顶面，再调整纵横相对位置，使桩尖顶面凸台嵌入成孔器内外管壁间的空腔内，实现完全对中。对中时必须确保不扰动桩尖，对中后校正桩机底座水平和桅杆垂直度，垫实底座。为了防止地下水和淤泥从桩尖与内外管下端接角面挤入内外之间的空腔中，对中后在桩尖的内外台阶上铺纸袋或纤维性布料等，作为密封材料。

振动沉管将下端形成切削刃口的桩尖套入设在竖立的外护壁套管同内护壁套管之间的筒孔中，并使外护壁套管和内护壁套管的下端面分别同桩尖上端的外支承面和内支承面接触，要求桩尖的内支承面的内径略大于内护壁套管的外径。该外护壁套管和内护壁套管的上端同激振锤连接器相接，内护壁套管的上端形成穿出振动锤的同径出土孔。在振动锤的激振力作用下，作用力经内外护壁套管传递至桩尖，桩尖随外护壁套管和内护壁套管进入土层，被桩尖排挤的泥土则进入内护壁套管，并排挤先进入的土层，随着桩尖不断进入土层，内护壁管内的土逐渐向上顶移而从内管顶端排出。

成孔终止条件①桩端位于坚硬、硬塑的黏性土、卵砾石、中密以上的砂土或风化岩等土层时，以贯入度控制为主，桩端设计标高控制为辅。②桩端标高未达到设计要求时，应连续激振3次，每次持续1min，再根据其平均贯入度大小研究而定。③桩端位于软土层时，以桩端设计标高控制为主。④沉桩时如出现异常应会同有关单位研究处理。

混凝土灌注及拔管桩尖下沉至设计深度灌注混凝土前，必须进行成孔检查。如有钢筋笼，应先拆除振动锤和夹持器后再沉入钢筋笼，并再次用测绳检测孔底有无渗水和淤泥挤入。如淤泥厚度小于300mm时不必处理；当淤泥层厚度大于300mm时，应拔出成孔器，重新下桩尖成孔。如渗水较多，宜用气举或微型潜水泵抽排，少量渗水采用投入水泥粉，再用空气吹混水泥成浆。工艺性试桩探明地质后，若遇桩端为渗透性较大非黏性土层，沉孔进入该地层前预灌1.0m高混凝土阻止渗水。

从设在外护壁套管的混凝土受料槽向筒孔中灌注混凝土，并根据套管埋入混凝土中深度不小于1.0m的要求，同时将外护壁套管和内护壁管向上逐渐拉出，此时，桩尖将离开内外管底端并同灌注形成的混凝土筒体连成一体埋设在地基中。拔管时应注意振动时间的控制，严禁混凝土长时间振动，否则容易导致混凝土离析，根据施工经验，当沉管内灌满混凝土，振动时限控制在10min内较为合适，严禁振动超过20min。振拔灌注混凝土过程中为确保桩顶标高处混凝土的质量，按沉管桩质量控制要求，桩顶实际灌注面应高出设计要求500mm。

桩顶处理筒桩灌注完成后，桩机移位，继续下一根筒桩施工。筒桩混凝土终凝后开挖、凿除软弱桩头至设计标高，挖出筒内碴料，露出均匀密实的混凝土面。

施工注意事项

选择合适的坍落度。坍落度是混凝土灌注时的一个重要的控制指标，坍落度的大小直接影响到成桩后桩身的混凝土强度，而筒桩由于钢模空腔的厚度较小且主要针对含水量较高的软弱地基，混凝土坍落度的控制就显得更加重要。筒桩施工不是水下混凝土，而是常规混凝土，其坍落度宜为80～120mm。坍落度过大与过小都不利于桩的成形。坍落度过小(小于50mm)时在成桩的过程中易造成卡管，从而出现断桩和缩颈，从局部开挖的桩头看出桩壁厚度存在一边厚一边薄的现象。混凝土的坍落度过大(大于120mm)在运输的过程中及振动拔管过程易形成混凝土离析，从而会导致桩体在加料口一侧混凝土的石子多而另一侧混凝土砂子多的现象。

壁厚为180mm的筒桩，混凝土配合比中的骨料直径不宜过大，应在5～30mm之间。当有较多配筋时，应为5～25mm，且不得大于钢筋间最小净距的1/3。

预制桩尖的制作和设计应满足对倾斜率、防水性能及耐打性的要求。决定沉桩顺序时应尽量减少挤土效应及其对周围环境的影响。桩架或成孔器上应设置控制深度的标尺，以便准确控制成孔深度。桩机就位对中后，应根据地质条件在桩尖上端设置止水材料，再用成孔器压紧桩尖。桩尖中心应与成孔器中心线重合。在沉桩过程中如发现有地下障碍物应及时拔出成孔器，清除后继续施工。

沉孔前必须进行垂直度的测量，垂直度偏差按不大于1%控制。为防止成孔器倾斜，成孔器下沉速度应放慢，激振力刚开始选择不宜过大。施工中应及时检查成孔器垂直度，防止出现严重倾斜。一旦出现倾斜，必须重新调整桩机底座水平，将已沉孔的沉管提起，重新调整沉孔器垂直度，再次沉管，减缓沉孔速度，激振力均匀加大。

混凝土应一次连续灌注完成。施工过程中加强混凝土坍落度控制，确保电力供应正常。一旦由于坍落度控制不力或突然出现断电引起混凝土卡孔现象，需将沉孔器连同混凝土一起拔出，空振或拆除内、外套管，然后安装桩尖重新成孔。混凝土的充盈系数不得小于1.1。

地层中浮泥层对一次性连续灌注不利，因其土质较软时，向上挤出的浮泥或稀软的淤泥在成孔器上拔时会下沉，影响筒壁混凝土厚度的均匀性，为避免其严重的下沉反压作用，灌注混凝土时必须加较长的外护筒。

分段制作的钢筋笼应符合现行国家标准。

对筒桩结构海堤而言，施工在海上进行，应充分考虑波浪、潮差、流速、水深等条件对筒桩施工的影响。