桩基础施工新技术专题讲座(二十)

静压(振动)沉管扩底灌注桩

适用范围

静压(振动)沉管扩底灌注桩适用范围大体上与夯扩桩或锤击振动沉管扩底桩相同。

施工机械与设备

静压沉管机在我国尚无标准设备，均是利用一般振动沉拔桩机加以改装而成。静压沉管扩底灌注桩是借助于桩架自重和配重通过卷扬机和滑轮组加压于桩管顶部，将桩管徐徐压入土中。桩架行走方式可以是滚管式，但多数为轨道式，以减少移动摩擦力。

施工顺序

静压(振动)沉管扩底桩施工顺序如图4所示。(1)预埋桩尖，要求桩尖埋设与地表相平，偏位应小于20 mm。(2)沉管，压入外管前应控制其垂直度偏差小于1%，沉管压力应大于1.5倍单桩承载力特征值。(3)灌入扩底混凝土，其高度为H1，一般H1值视桩扩头截面而定，通常取3 m左右。(4)放进内管，然后锚固内管。(5)根据设计要求，提升外管H2高度(一般为1.2 m左右)。(6)将外管锚固，把内管往下加压。(7)把内管压至与外管等平时，将外管放松。(8)将外管与内管一起再往下压，至压不下去抬架为止，此时混凝土又外挤，扩底形成。(9)抽出内管，灌注混凝土，安放钢筋笼，然后拔出外管。(10)成桩。

施工注意事项

尽量采用长管打短桩，桩身混凝土一次灌满为宜。为增加混凝土在管内下落速度，在混凝土中可适量掺加减水剂，以形成流态混凝土，减少管内混凝土对管壁的摩阻力，使桩身混凝土达到不振自密的效果。静压加适时适量的振动，有利于桩身混凝土的密实性和连续性，对于拔管加振动的情况，混凝土坍落度以100～120 mm为宜。混凝土灌注前应查验外管内是否进泥进水。

桩端扩大头直径的估算

桩端扩大头直径D与灌入外管内混凝土的体积有关，即与桩端扩大部分混凝土灌入高度有关，其扩大头直径D可按下式估算：

式中  D——扩大头的最大直径， m；

H1——压扩大头时投料在外管内的高度， m；

H2——外管、内管同步贯入深度， m；

d1——外管内径，m；

η——扩大头计算修正系数(见表1)。

表1 η 修正系数 

图4 静压沉管扩底灌注桩施工顺序示意图

静压全套管(筒)护壁灌注桩

静压全套管护壁灌注桩基本原理

静压全套管护壁灌注桩施工法是借助于专用桩架自重和配重及钢套管的自重，通过压梁或压桩将上述荷重由电动液压泵或卷扬机滑轮组，以静压的形式施加在钢套管上，当施加给钢套管的作用力与钢套管入土所受的土体阻力达到平衡时，钢套管缓慢刺入地基土层中。当钢套管入土达到一定深度时，用抓斗、旋挖钻斗或其他专用取土装置取出刺入钢套管内的土体，然后接长套管，继续施压使其进入更深的地层。如此反复，直至钢套管到达设计持力层深度，取出套管内全部土芯，进行入土深度测定，并确认桩端持力层符合设计要求后，清除孔内虚土，成孔结束后放入钢筋笼，边灌注混凝土边拔出钢套管直至成桩。

静压全套管护壁灌注桩适用范围

配合各种专用取土装置不仅能穿过一般黏性土、粉土、淤泥质土、淤泥，而且在遇到密实，坚硬的砂层、砾石、碎卵石甚至大直径的漂石而无法刺入压进时，可以采用超挖的措施保证施工顺利进行。

静压全套管护壁灌注桩施工工艺

施工程序  在设计桩位上挖除杂填土，并放置第一节钢套管；静压钢套管，并用专用取土装置取出套管内土芯；接长钢套管，继续压钢套管入土，边压边取土，直到进入设计持力层深度；清除孔底虚土；放置钢筋笼；灌注混凝土，在灌注混凝土的同时振动上拔钢套管直至成桩。

施工特点  静压钢套管护壁干作业成孔灌注桩施工的基本原理是在全套管贝诺特灌注桩施工方法(见本技术讲座四)的基础上提出并加以改进的，它们的施工工艺基本相同，其本质区别在于两者使用不同的机械设备及沉桩方式。全套管贝诺特灌注桩施工方法是采用贝诺特钻机，利用摇动装置的摇动(或回转装置的回转)使钢套管与土层间的摩阻力大大减小，边摇动(或边回转)边压入，同时利用冲抓斗(或旋挖外钻斗)挖掘取土，直至钢套管下到桩端持力层为止。而静压全套管(筒)护壁干作业成孔灌注桩施工方法是利用其桩架自身重量和配重及钢套管的自重，以静压方式将反力施加于钢套管上驱使钢套管刺入地基土层中，同时用专用取土装置取出套管内的土芯，直至钢套管下到桩端持力层为止。

与钻、冲孔灌注桩相比较，静压全套管（筒）护壁灌注桩具有以下技术特点：在挖掘清除套管内土体过程中，钢套管充当护壁，既可防止孔壁坍落，又利于控制桩的断面尺寸形状。在钢套管护壁条件下施工，钢套管起到了部分止水作用，沉管及取土过程中不必采用泥浆护壁，从而避免了因泥浆造成的环境污染问题，同时有效清除因水下灌注混凝土影响成桩质量的问题。能准确判别场地土层分布情况及桩端持力层，并能根据持力层的起伏变化进行合理的桩长选择，而钻、冲孔桩施工过程中，难以准确判别所进入的土层。能有效地、较彻底清除孔底浮土及沉积物，有利于提高单桩承载力。

与静压沉管灌注桩相比较，静压全套管（筒）护壁灌注桩具有以下技术特点：该桩属于部分挤土灌注桩。静压时对周边土体挤压影响较小，不会造成邻近建筑物和地下结构物的破坏。而静压沉管灌注桩属于挤土灌注桩，如设计布桩不合理或施工方法选择不当，都将引起严重的挤土效应，诱发超孔隙水压，导致桩的缩颈、隔层、倾斜、断桩、夹泥及吊脚等质量问题；在饱和软土地层中采用沉管灌注桩，甚至会引发严重的工程事故。

该桩适用范围广泛。而静压沉管灌注桩在遇到大厚度、高含水量、高灵敏度的淤泥层时引发桩身质量及周围环境事故；遇有中等密实以上的砂层、砾石和坚硬的碎卵石、漂石时又往往难以施工。

该桩可采用大直径长桩。而静压沉管灌注桩因挤土问题及大深度压进受到静压机械能力的制约而往往难于实现。

与人工挖孔桩相比较，静压全套管（筒）护壁灌注桩具有以下技术特点：人工挖孔桩适宜于地下水位之上的场地施工，在遇有地下涌水量较大的地层，尤其是在地下水位以下的砂层、碎石土层以及松软土层(如淤泥、淤泥质土)施工时，常遇到成孔困难或不能挖掘成孔。而静压全套管护壁灌注桩适用范围更广泛，成孔的方法能部分止水，并能防止孔壁坍落，因此适用于地基条件较恶劣的情况下施工。

人工挖孔桩需采用护壁(如混凝土护壁或喷射混凝土护壁等)，既增加了工序又提高了工程造价，而静压全套管护壁灌注桩施工方法是采用钢套管护壁，施工简捷，钢套管又能回收重复使用。

施工关键技术

静压全套管护壁灌注桩，不同于静压沉管灌注桩，其端部开口，在静压沉入过程中一部分土体将刺入套管内形成“土塞”，进入套管内的“土塞”在沉管过程中因受到套管内壁摩阻力的作用产生一定的压缩，而套管边因受到“土塞”的反向摩阻力作用阻碍套管的下沉，形成“闭塞效应”现象。

当钢套管处于完全闭塞状态，钢套管刺入土体时端部地基土无法挤入套管内，而是被挤到钢套管以外，产生挤土效应，此时的静压情形就类似于静压沉管灌注桩。为避免静压钢套管时产生较大的挤土破坏作用，在土塞达到闭塞状态之前应利用取土装置及时清除套管内土塞，以确保施工顺利进行。

当钢套管入土较深或因遇到坚硬的土层，外侧摩阻力较大而使得钢套管在静压荷载作用下难于沉入土中，在土塞尚未达到完全闭塞状态，此时应采取措施及时降低套管阻力。具体措施有：及时清掏套管内土体，降低土塞高度，以减少土塞对套管的内侧阻力。当遇坚硬地基土层时，应采取超挖措施及时清除坚硬的土层，如砂石、碎卵石层。如遇大块孤石、漂石，可采取爆破的方式加以清除，以降低套管端部阻力。启动电动振动装置，借助振动使套管周边土体受到扰动，从而在一定程度上削弱套管与土体之间的摩阻力。增加机械设备配重或提高机械液压静载能力。

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大直径静压沉管灌注桩

大直径静压沉管灌注桩是指桩身直径不小于500 mm的静压沉管灌注桩。

大直径静压沉管灌注桩基本原理

大直径抱压式静压沉管灌注桩施工法指采用静力压桩机以压桩机自重及桩架上的配重作反力将直径为600～800 mm的带钢制锥形桩靴的长度为10～20 m的钢套管抱压沉入地基土中，当钢套管长度不足时可进行接管，甚至进入持力层。当终压力和桩长度到设计要求后在钢套管内放入钢筋笼，然后边灌注混凝土边振动钢管并将钢管拔出至地面而形成钢筋混凝土灌注桩。

大直径静压沉管灌注桩适用范围

该桩型具有较强的场地适应能力，不仅能穿过一般黏性土、粉土、淤泥质土和淤泥，还能够贯穿标准贯入击数N为30～60击的中粗砂土层、残积土、全风化岩层及强风化岩层，在直径300～800 mm孤石存在的场地可正常施工。工程实践表明该桩型能够适应地质条件复杂、城市环境质量要求高和近海场地地下水具有腐蚀性等不同条件的要求。

大直径静压沉管灌注桩优缺点

优点  符合环保要求。静压沉桩避免了采用柴油锤或液压锤锤击沉管产生的噪声，施工场地避免了钻、冲孔灌注桩的泥浆污染等情况，从而使得该工艺能符合环保要求。

图5 1000F型静压沉管灌注桩机构造示意图

单桩承载力高。采用抱压钢套管沉桩，静压桩机能够采用更高的压桩力沉桩而不必担心出现如静压PHC管桩夹桩部位桩身破损的现象。更高的压桩力能够使钢套管贯穿或进入标惯N为30～60击的砂土层、残积土和强风化岩层，有效保证桩管到达设计持力层。同时施工对桩周土及桩端土产生明显的挤密作用，从而明显提高桩侧阻力和桩端阻力。

承载力直观。压桩力是桩侧阻力和桩端阻力的综合反映，由于桩周土层的挤密效应，因而压桩力和静载试验结果存在着一定的相关性，可从终压力能够预估单桩竖向承载力。

抗腐蚀。成桩后钢筋笼周围有混凝土保护层保护，减少或避免地下水对钢筋的腐蚀。

成桩质量可靠。孔底无沉渣，完成混凝土灌注后管内超灌一定高度的碎石以保证管内压力，并控制混凝土坍落度，拔管过程开启抱夹式振动机并反插等措施保证混凝土密度，从而保证成桩质量。

施工速度快。钢套管之间采用螺纹连接，现场操作方便，施工周期短。

缺点  桩机体积大、结构复杂、造价较高。由于桩机自重较大，在较软的地表面施工时容易发生陷机而挤偏邻桩，针对此种情况应采取硬化地面等措施。该桩属挤土桩，设桩时对周边建筑物和地下管线产生挤土效应。

大直径静压沉管灌注桩施工机械与设备

大直径静压沉管灌注桩机是湖南山河智能装备股份有限公司与国内施工企业联合研制的一种新型沉管灌注桩施工设备，(山河智能拥有多项专利技术)，在大吨位静压桩机平台上，增加了扶管桁架、拔管反顶油缸、振动器等一系列部件，最大限度地结合了静力桩机与灌注桩的优势。同时，又避免了传统灌注桩和预制桩成桩工法中的不利因素。既可以施工预制桩，也可以施工灌注桩，一机两用，转换方便。图5为1000F型静压沉管灌注桩机的构造示意图。表2为ZYJ1000静压沉管灌注桩机技术参数。

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大直径静压沉管灌注桩施工工艺

施工程序

桩机就位，按照施工要求将桩机移动到桩点位置。放置桩尖，将桩尖放到桩点位置，起吊钢管并从夹桩箱中穿过，钢管与桩尖对接，夹桩箱夹紧。沉管，操纵桩机实施压桩过程。接管，压完一节管后，吊入第二节管，使用动力驱动装置转动第二节管，完成两节之间螺纹连接的紧固。在一个工地内，只有施工第一根桩时需要接管工序。测量沉管深度，并按要求压至设计深度。制作并放置钢筋笼。灌注混凝土。充填卵石：当建筑物有地下车库等基础设施时，地面以下2～3 m处不需要灌注混凝土，灌注卵石可节约成本。成桩：振动拔管，桩身进入养护期。

表2 ZYJ1000静压沉管灌注桩机的技术性能参数

施工注意事项

桩施工之前，应做好详细的地勘调查工作，确保资料准确和施工的针对性，遇有较大孤石且残积土层较厚，钢管无法将其挤开时，可造成桩尖破坏和钢管变形以及机器损坏，不可强行施工，应及时采取移位补桩措施。

钢筋笼制作应尺寸准确，焊接质量可靠，以防止拔管时钢筋笼上下跑位。混凝土质量要求骨料粒径不超过25 mm，塌落度不超过140 mm为宜。灌注混凝土应及时、连续，以防混凝土离析、结拱、堵管。桩管提出地面后，管内应及时清洗。每班应对夹桩箱内落入的混凝土残渣及时清洗，加入润滑油。确保桩机内部部件运动不受阻碍。沉管到设计标高后应及时灌注拔管，不可延误而造成拔管困难。

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