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静压沉管灌注桩的简介施工工艺质量事故分析及处理等相关研究

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静压沉管灌注桩的简介、 施工工艺、 质量事故分析及处理等相关研究

目 录
一、 背景由来 3
1.1、 灌注桩系 3
1.2、 沉管灌注桩 3
二、 静压沉管灌注桩施工 3
2.1、 概述 3
2.2、 静压桩的沉桩机理及常见问题分析 4
2.3、 特点及适用范围 5
2.4、 施工工艺 5
2.5.施工注意事项 6
三、 常见质量事故分析及处理 7
3.1、 桩身上抬 7
3.2、 引孔压桩的问题 7
3.3、 桩端封口不实 7
3.4、 桩顶(底)开裂 8
3.5、 地质构造带 8
3.6、 基坑开挖 8
静压沉管灌注桩
一、 背景由来
1.1、 灌注桩系
灌注桩是一种直接在现场桩位上就地成孔, 然后在孔内浇筑混凝土或安放钢筋笼再浇筑混凝土而成的桩。按其成孔方法不同, 可分为钻孔灌注桩, 沉管灌注桩、 人工挖孔和挖孔扩底灌注桩等。
1.2、 沉管灌注桩
沉管灌注桩, 又叫套管成孔灌注桩, 是当前采用较为广泛的一种灌注桩。沉管灌注桩是指利用锤击打桩法或振动打桩法, 将带有活瓣式桩尖或预制钢筋混凝土桩靴的钢套管沉人士中, 然后边浇筑混凝土(或先在管内放入钢筋笼)边锤击或振动边拔管而成的桩。依据使用桩锤和成桩工艺不同, 分为锤击沉管灌注桩、 振动沉管灌注桩、 静压沉管灌注桩、 振动冲击沉管灌注桩和沉管夯扩灌注桩等。这类灌注桩的施工工艺是: 使用锤击式桩锤或振动式桩锤将带有桩尖的钢管沉人土中, 造成桩孔, 然后放人钢筋笼、 浇筑混凝土, 最后拔出钢管, 形成所需的灌注桩。沉管桩对周围环境有噪音、 振动、 挤压等影响。
沉管灌注桩成桩过程为: 桩机就位一锤击(振动)沉管一上料一边锤击(振动)边拔管, 并继续浇筑混凝土一下钢筋笼, 继续浇筑混凝土及拔管一成桩。
二、 静压沉管灌注桩施工
2.1、 概述
静压沉管灌注桩, 简称静压桩:桩基础的一种, 采用的方法是采用静力压桩机压桩, 工作原理与锤击截然相反, 主要优点是没有噪声。
液压静压桩属于挤土桩。桩在压入过程中对周围土体进行排挤, 使地基的侧向应力增加, 从而导致土的密度的增加。它的挤土效应取决于桩截面的几何形状和压桩力。对同样截面的桩截面来说, 静压桩的挤土效应小于打入桩。
一般来说, 采用静压桩工艺的地基土含水量较高, 孔隙比较大, 在桩受垂直静压过程中, 桩尖直接使土产生冲剪破坏, 伴随或先发生沿桩身土体的直接剪切破坏, 从而也产生了超孔隙水压力, 扰动了土体结构, 使桩周约一倍桩径土体的抗剪强度降低, 发生严重软化(粘性土)或稠化(粉土、 砂土), 出现土的重塑现象, 从而可连续地将静压桩送入很深的地基土层中。相反, 若遇砂层, 超孔隙水压力消散, 则摩阻力增加, 压桩困难。
2.2、 静压桩的沉桩机理及常见问题分析
1) 静压桩沉桩机理沉桩施工时, 桩尖”刺入”土体中时原状土的初应力状态受到破坏, 造成桩尖下土体的压缩变形, 土体对桩尖产生相应阻力, 随着桩贯入压力的增大, 当桩尖处土体所受应力超过其抗剪强度时, 土体发生急剧变形而达到极限破坏, 土体产生塑性流动( 粘性土) 或挤密侧移和下拖( 砂土) , 在地表处, 粘性土体会向上隆起, 砂性土则会被拖带下沉。在地面深处由于上覆土层的压力,土体主要向桩周水平方向挤开, 使贴近桩周处土体结构完全破坏。由于较大的辐射向压力的作用也使邻近桩周处土体受到较大扰动影响, 此时, 桩身必然会受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗, 当桩顶的静压力大于沉桩时的这些抵抗阻力, 桩将继续”刺入”下沉。反之, 则停止下沉。
2) 压桩时, 地基土体受到强烈扰动, 桩周土体的实际抗剪强度与地基土体的静态抗剪强度有很大差异。随着桩的沉入, 桩与桩周土体之间将出现相对剪切位移, 由于土体的抗剪强度和桩土之间的粘着力作用, 土体对桩周表面产生摩阻力。当桩周土质较硬时, 剪切面发生在桩与土的接触面上;当桩周土体较软时, 剪切面一般发生在邻近于桩表面处的土体内, 粘性土中随着桩的沉入, 桩周土体的抗剪强度逐渐下降, 直至降低到重塑强度。砂性土中, 除松砂外, 抗剪强度变化不大, 各土层作用于桩上的桩侧摩阻力并不是一个常值, 而是一个随着桩的继续下沉而显著减少的变值, 桩下部摩阻力对沉桩阻力起显著作用, 其值可占沉桩阻力的50～80％, 它与桩周处土体强度成正比, 与桩的入土深度成反比。
3) 终压力与极限承载力。在静压桩施工完成后, 土体中孔隙水压力开始消散, 土体发生固结强度逐渐恢复, 上部桩柱穴区被充满, 中部桩滑移区消失, 下部桩挤压区压力减小, 这时桩才开始获得了工程意义上的极限承载力。从大量的工程实践看, 粘性土中长度较长的静压桩其最终的极限承载力比压桩施工时的终压力要大, 在某些土体固结系数较高的软土地区, 静压桩最后获得的单桩竖向极限承载力可比终压力值高出一二倍, 可是粘性土中的短桩, 土体强度经一段时间的恢复, 摩阻力虽有提高, 但因桩身短, 侧摩阻力占桩的极限承载力的比例差异不大, 最终极限承载力达不到桩的终压力。因此桩的终压力与极限承载力是两个不同的概念, 一些初接触静压桩的设计、 施工人员往往将两者混为一谈。两者数值上不一定相等, 主要与桩长、 桩周土及桩端土的性质有关, 但两者也有一定的联系。
2.3、 特点及适用范围
(1)静压桩具有无震动、 无噪声、 场地小和能定量监测单桩承载力等优点, 特别适合在人口密集的市区及建筑群中施工。
(2)施工引起的土体隆起和水平挤动比打入式桩小, 适宜于危房、 精密仪器房、 岸边和地下管线多的地区内施工。
(3)由于避免了锤击应力, 可减少钢筋和水泥用量, 降低工程造价。
(4)压桩力能自动记录和显示, 桩的承载力有保证, 而且避免锤击过度而使桩顶或桩身开裂的现象。
(5)压桩力有限, 单桩垂直承载力相对锤击桩来说较低。
(6)施工速度快, 工期短。
(7)只适应于软土地基, 不适用于贯穿厚度大于2m的中密以上的砂土夹层或进入中密以上的砂土持力层。
2.4、 施工工艺
静压桩施工工艺分为定位、 桩尖就位、 对中、 调直、 压桩、 接桩、 再压桩、 送桩等过程。
(1)定位: 根据控制点和控制轴线, 定出施工桩位, 并在桩位中心插入一根短钢筋, 洒上石灰粉使桩位标志明显。
(2)桩尖就位、 对中、 调直: 对于步履式全液压静压桩机而言, 经过大、 小船行走油缸的动作, 作纵横向的行走, 从而将桩尖对准桩位, 并开动压桩油泵将桩压入土中2m后停止压桩, 用两台经纬仪校正桩在两垂直方向的垂直度。
(3)压桩: 利用夹紧器的浮顶增力原理, 夹紧工程桩, 用压桩油泵的压力将桩压入地下。每次压桩行程为2m。当压完第一行程后放松夹紧器装置, 用压桩油缸提起夹紧器, 当夹紧器到位后, 再次夹紧压桩, 如此循环。
(4)接桩: 当下一节桩压到露出地面0.5～1.0m时, 应接上一节桩。
(5)送桩: 送桩可用专用的送桩器, 也可用一节长度超过要求的桩, 放在被送的桩顶上便可送桩。
(6)移位: 若桩顶高出地面一段距离, 而压桩力已达到规定值时则要截桩, 以便桩机移位。
2.5.施工注意事项
(1)因压桩机自重很大, 对地面承载力要求较高, 故在地面松软处施工时要及时采取加固措施, 以确保压桩机的平衡。
(2)压入力由压力表反映, 在压桩过程中要认真记录桩入土深度和压力表读数的关系, 以判断桩的质量及承载力。当压力表读数突然上升或下降时, 要停机, 对地质资料进行分析, 看是否遇到障碍物或产生断桩情况等。液压静压桩机的压入力与压力表读数换算式如下式所示。
F=2PS+G
式中: F--------- 压入力;
P--------- 压力表读数;
S--------- 压下油缸活塞面积;
G--------- 夹头箱、 压下油缸柱塞及送桩器三者重量之和。
(3)实践表明: 因接送桩的中途停留(25～30分钟)使得压桩阻力增长36～68%。而且, 停留时间较长, 其阻力增长越多; 压桩入土越深, 其阻力增长也越大。故静压桩施工时不宜中途停顿。必须接桩停留, 宜考虑浅层接桩, 还应尽量避开在好土层深度处停留接桩, 且尽可能缩短接桩时间。
(4)桩压入过程中, 需随时用两台经纬仪从正面和侧面校正其垂直度, 确保桩的垂直度偏差小于0.5%。
(5)施工时, 整体沉桩流水要合理安排, 避免向单一方向推进。当桩距小于3.5倍桩宽时, 压桩顺序应符合下列规定: ①对于密集桩群, 自中间向两个方向或向四周对称施压; ②当一侧毗邻建筑物时, 由建筑物一侧向另一侧施压; ③应严格遵守”先密后稀、 先深后浅、 先长后短”三原则施压。
(6)由于静压桩不同于打入桩, 邻近桩相互挤土的干扰影响很小。实践证明, 对于压入同样深度土层的压桩力, 并不随邻近的压桩先后而有所不同(有条件时, 邻近桩施工间隔时间不能太长)。故施工中注意此点, 在局部桩群中施工时, 就能够灵活地安排施工顺序, 以减少桩机的移位及行走时间。
(7)终止压桩的控制原则如下: 对于摩擦桩以达到桩端设计标高为终止条件; 对于端承摩擦型桩, 是以设计桩长控制为主, 终压力值作对照为控制条件。
三、 常见质量事故分析及处理
3.1、 桩身上抬
由于静压桩是挤土桩, 在场地桩数量较多, 桩距较密的情况下, 时常后压的桩会对已压的桩产生挤压上抬, 特别对于短桩, 易形成所谓的吊脚桩。这种桩在做静载试验时, 开始沉降较大, 曲线较陡, 但当桩尖达到持力层, 承载力又有明显增加, 沉降曲线又趋于平缓, 这是桩身上抬的典型曲线。桩身上抬除了静载沉降偏大外, 对桩而言可能会把接头拉断, 桩尖脱空, 同时大大增加对四周桩的水平挤压力,导致桩倾斜偏位。在处理上施工前合理安排压桩顺序,同一单体建筑物一般要求先压场地中央的桩,后压周边的桩;先压持力层较深的桩,后压较浅的桩。出现桩身上抬后一般采用复压的办法使桩基按正常使用, 但对承受水平荷载的基础要慎重。
3.2、 引孔压桩的问题
为了防止桩间的挤土效应太大, 或土质太硬而使桩身较短, 施工中往往采用引孔压桩的工艺 , 即先钻比管桩略小规格的直径钻孔, 深度是桩长的( 2/3～1) L, 然后将管桩沿预钻孔压下去。引孔应随引随压, 中间间隔时间不宜大长, 否则孔内积水, 一是会软化桩端土, 待水消散后孔底会留有一定空隙; 二是积水往桩外壁冒, 削弱了桩的侧摩阻力。
对于较硬土质中引孔压桩还会有桩尖达不到引孔孔底的现象, 施工完成后孔底积水使土体软化, 使承载力达不到设计要求。
3.3、 桩端封口不实
当桩尖有缝隙, 地下水水头差的压力可使桩外的水经过缝隙进入桩管内腔, 若桩尖附近的土质是泥质土, 遇水易软化, 从而直接影响桩的承载力。对于桩靴的焊接质量要求与端板间无间隙、 错位,保证焊缝饱满,无气孔。施焊对称进行,焊拉时间控制得当,焊接完成后自然冷却10分钟左右方可施打,因高温焊缝遇水后变脆,容易开裂。工程上比较有效的补救技术措施是采用”填芯混凝土”法, 即在管桩施压完毕后立即灌入高度为1.2m左右的C20细石混凝土封底, 桩端不漏水, 桩端附近水压平衡, 桩端土承受三相压力, 承载力能保持稳定。
3.4、 桩顶(底)开裂
由于当前压桩机越来越大, 最重可达6800KN, 对于较硬土质, 管桩有可能依然压不到设计标高, 在重复复压情况下,管桩桩身横向产生强烈应力, 如果桩还是按常规配箍筋, 桩顶混泥土抗拉不足开裂, 产生垂直裂缝, 为处理带来很大困难。另一种情况就是管桩由软弱土层突然进入硬持力层, 没有经过渡层,桩机油压迅速升高,桩身受到瞬间冲击力也容易引起桩顶开裂,如果硬持力层面不平整,桩靴卡不进土引起桩头折断破碎,桩机油压又下降,再压时压力不稳定,吊线测量桩长发现比入土部分短。处理上事前改进桩尖形式(圆锥形桩尖易滑),事后用压力灌浆把桩底破碎混凝土粘结住,适当折减承载力设计值。
3.5、 地质构造带
广州市区不少地段处在地质断裂破碎带上, 如麓湖断裂带、 瘦狗岭断裂带等,在这些场地采用静压桩, 由于受构造断裂的影响, 地层结构受到改变, 破碎带作为地下水通道常软化持力层。压桩时虽满足终压力及桩长要求,而静载时桩又不合格。不合格桩长范围可从8米至30米都会出现, 与规程统计的经验公式完全不符, 在瘦狗岭断裂带曾有压桩长80米仍止不住,可见由于土体的破碎加上水的润滑,土的抗剪强度基本散失,压力不再随桩长的增加而增加,这要特别引起重视。对于有软硬夹层, 特别是硬夹层不厚的情况下, 施工时桩尖到达硬夹层, 由于超孔压的反向作用, 使桩的终压力满足设计要求, 而施工完成后随孔压消散, 土抗剪强度还没恢复, 静载时桩尖土承受更大的压力, 传递到软弱下卧层后引起该层土压缩增大, 进而桩顶下沉增加,位移不满足要求。
3.6、 基坑开挖
由于静压桩逐渐用在高层建筑中,基坑开挖不可避免。应根据开挖深度考虑是否需要先围护开挖再沉桩的方案。边打桩边开挖是不可取的,先打桩后开挖应考虑对称均匀,如在中间开挖把土堆在周围就会造成四周和中心的土体高差悬殊,同时超孔隙水压及震动会使管桩倾斜或折断,因此合理制定基坑开挖方案是必不可少的。