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一种安全可靠、值得推广的预应力管桩植桩施工工艺广东顺德华兴达岩土工程有限公司 前言 预应力管桩以桩身工厂化生产、质量稳定可靠、施工方便速度快、承载力高、造价低而广受建筑市场的欢迎，它从九十年代初开始到现在的二十多年间，迅猛发展,已成为我国特别是广东地区建构筑物采用的最主要桩种,根据资料，1998年以来,全省生产的管桩逐年增加,累计已经超过6亿米.然而,随着社会经济的发展,随着建筑楼高的不断刷新,随着地下空间的不断加深，随着城市发展的需要和人们环保意识的提高，无论是锤击法还是静压法施工，预应力管桩的应用空间正在逐步被压缩，那么如何充分延续管桩的优势，这就需要我们考虑用技术更先进、经济上更合理、质量更可靠、低碳环保的施工工艺来实现，笔者认为，埋入式预制桩施工即钻孔植桩工艺是一种未来的选择，不过利用目前市场上已有的一些设备,做大直径搅拌桩植桩的工艺是一种安全可靠、值得推广的工艺。 一、植桩方法简介 对于管桩施工，为了减少压桩挤土效应、或者为了穿越某一硬夹层、又或为了增加桩入土深度，我们通常会采用钻孔的方法来进行植桩，目前钻孔植桩的方法通常有以下几种： 1、传统引孔植桩法：目前又分为湿法和干法 湿法： 也就是我们现在所用的回旋钻机成孔，然后把桩放到孔内再压入到预定持力层的成桩方法。由于成孔过程需要用水、泥浆或其他循环液，施工过程有大量的泥水浆排出，因此称为湿法。湿法主要适用于穿越砂夹层或较硬土层，也可用于增加进入强风化岩层的深度，它钻进的深度容易调节，适应性广,但不适用于进入较硬的岩层。 另外，施工时有泥浆二次污染，并且回旋钻机的钻进效率较低,而压桩机施工占用的范围又较大,这样，就使得钻机与静压桩机之间要来回穿插，加上钻进压桩后泥浆水的影响,需要不断地补充回填砖渣,造成施工的效率非常之低. 干法： 主要是用（长）螺旋钻机成孔，施工过程靠连续的螺旋叶片把土排出地面直接成孔，然后把桩放到孔内再压入到预定持力层的成桩方法。由于成孔过程不需要用水、泥浆或其他循环液,排出的土为天然的土，因此,称为干法.它适用于穿越硬砂层和硬土层，特别适用于强风化岩埋藏浅而厚需要增加入岩深度和加大桩长的工程。干法的效率高，速度快，如果动力够的话，入强风化岩能力比较强，缺点是深度受机架高度限制（除了一些改装定做的设备外目前大部分的长螺旋只能引到二十多米），有大量的土排出,如果排出的是淤泥或软土，处理起来还是比较麻烦的. 另外,对于穿越中密的中粗砂、砾砂层，它存在一定的不适应性。具体是因中粗砂、砾砂层的粘粒含量较少,成孔后必须要在短时间内压桩，否则，会因孔内砂层处塌孔使桩端无法再穿越砂层而进入到预定的持力层。 2、注浆植桩法：通过专用设备成孔，钻到预定的深度后放入管桩，在放入管桩的前或后,注入水泥浆，水泥浆在管桩的桩周和桩管内凝固固结成桩的植桩法，这种植桩方法目前实际上还没有一个具体的名称（以上的名称仅仅是作者本身的归纳取名），而且具体的施工方法五花八门，各有所长,有些还有带有专利，但这些施工方法代表着未来管桩施工的发展方向，也是最有可能部分替代冲孔、旋挖灌注桩的一种工艺桩型,它的特点就是桩端可支承在岩层或特定土层，而且桩径大、承载力高.这些方法大致可以归纳为几类:静钻根植法、随管跟进法和搅拌桩植桩法： 静钻根植桩法： 采用具备扩底功能的单轴钻机,按照设定的深度进行钻孔，桩端部按预定尺寸进行扩底，扩孔完成后即注浆,边注浆边提钻,钻孔完成后，依靠桩的自重将预制桩放入孔内并到达设计标高,通过桩端和桩周水泥浆液硬化,使桩与桩端及桩周土体形成一体，形成由预制桩身、桩端水泥土和土体共同承载的桩基础施工工艺.静钻根植桩还可以通过不同桩的外形(如竹节状）和型号（不同配筋类型)的组合，使预制桩的抗压、抗弯、抗剪承载能力不断提高，预制桩基础得到更广泛的应用，目前可以做的桩径由4001200mm均可。 随管跟进法: 也有称中掘法，即在管桩中间放置钻具,在钻进成孔的同时将管桩沉至孔底,土岩渣从管桩内排出,桩端以旋喷注浆或混凝土封闭，管壁与孔壁之间灌注水泥浆或水泥砂浆形成的桩的方法.由于是在管桩的中间掘进，因此也有人称之为中掘法,这种方法要用专用的扩孔长螺旋钻机,适用于大直径(D≥600mm，最好是8001200mm）的管桩. 搅拌桩植桩法: 采用工法钻机或大直径搅拌桩钻机进行切削搅拌并部分排土，同时加以固化剂及适量的外加剂为主要组成的浆液，使浆液与土层充分搅拌，钻入到预定深度后,在搅拌桩浆体还处在流动的状态下，用静压桩机将管桩压入搅拌桩体内并达到终压力的施工方法.此方法实际上是水泥土搅拌桩和静压桩施工的结合，可以利用市场上现有的设备进行少量的改良即可实现，它可以解决很多目前传统引孔植桩不能解决的复杂问题，例如穿越砂层或硬土层塌孔、强风化持力层内增加桩长但不能压至引孔深度、突变起伏持力层桩端滑动、持力层下卧软土层加固和压桩挤土效应等复杂的岩土工程问题。这种工法目前可以在300800mm桩径范围,深度1050米范围应用，这种工法使静压预制桩的应用范围更加广泛，使它在一些复杂地质条件中的使用得到延伸，是一种值得推广的施工工法。 3、水冲钻沉桩施工法 这种工法主要应用于穿越密度、厚度较大的砂层，具体方法是在桩端压入到中密密实的砂层时，用高压水流束将桩端附近的砂土冲散悬浮，并在桩顶排出地面,以减少桩端阻力使桩身能够顺利压入穿越的一种沉桩施工方法。该方法主要的优点是设备简单,但由于水流流出后难以控制,对地面破坏严重,使得桩机行走施工更为困难，仅适用于地表施工条件好的工程项目。 三、搅拌植桩法的优缺点 1、 优点： 现在用于做大直径搅拌桩的设备一般都具有扭矩较大、钻进能力强、钻进深度大、适应性强的特点，适用于各种复杂的岩土层，能钻进到强风化岩层或软质的中风化岩层内； 施工速度快、效率较高,一般一台机一天能完成810根或多，可基本跟随上静压管桩的施工进度; 成桩效果好，经过搅拌掺入水泥浆液后，使砂、土处于一种液化状态，减少桩端阻力,使压桩时的沉桩压力大幅减少，使桩端能压入到预定的土层，并消除振动对周边民居的影响; 成桩后，由于水泥土的固化作用对管桩及管桩的接口起到一个裹握作用，使得管桩的安全性更高，质量更好； 可做持力层及下卧层的加固，即使持力层下有软卧层,也可以通过搅拌桩的施工来加固软卧层； 由于施工部分排土,加上可不用桩尖或用开口桩尖,使具相对流动性的水 泥土进入到管桩的中心或从孔口溢出，有效地防止挤土效应对桩身及周围环境的破坏； 减少钻孔泥浆的污染，搅拌后置换出来的固结土还可以用来回填场地，节省了部分重复填土的费用； 工程造价比旋挖灌注桩大幅降低。 2、缺点： 工程造价比普通管桩可能要略为提高； 设备比较大型,占用场地较多，动力强大，可能要求配置的临电较大； 这种工法在广东的经验不多。 四、搅拌植桩工艺能够解决的几个问题概述（以图作例概述) 1、解决覆盖层中含有静压桩难以穿越的中密密实的砂土夹层问题 如图1所示,在28米深处有一层1。5米厚、标贯击数达35击的密实粗砂层,如果用传统的引孔方法，估计引孔后砂层会塌孔,压桩时桩端仍然压不穿密实的砂层，此时可以通过搅拌桩施工，搅拌桩穿透砂层到强风化岩层面,把粗砂层搅松液化,在砂颗粒尚在悬浮的状态下，水泥土固结前把桩压入到持力层内，从而达到穿越砂层的目的。 2、解决中密密实的砂土持力层有下卧软土层问题 如图2所示,在28米深处有一层3。5米厚、标贯击数达40击的密实粗砂层，其下有一层厚达4。5米的淤泥质粘土层，如果用传统的引孔方法，估计引孔后砂层会塌孔，压桩时桩端仍然压不穿密实的砂层,但如果直接用粗砂层做持力层时,存在桩底持力层的厚度是否足够、还有其软下卧层强度是否满足要求等等问题，此时可以考虑通过搅拌桩施工，搅拌桩穿透砂层到强风化岩层内,把粗砂层搅松液化，同时也把粗砂层下的淤泥质土层进行加固,在砂颗粒尚在悬浮的状态下，水泥土固结前把桩压入到持力层内。此时,可能会出现两种结果，一是桩端穿越了粗砂层，压入到强风化岩层内，这时桩的承载力肯定是最好的，达到了穿越砂层的目的;二是桩端不能穿越粗砂层，但由于对粗砂层下的淤泥质土进行了搅拌加固,消除了软卧层的问题,桩的安全性也得到了保障,达到了软卧层加固的目的. 3、解决砂土层深厚，持力层为中粗砂土层，上覆土层为静压桩难以穿过的中密密实的中细砂层问题 如图3所示，从6米开始一直到25米深，为中密以上的细砂层，25米以下为密实的粗砂层和砾砂层,现在拟用密实的粗砂层作桩端持力层，由于上部的细砂层比较密实，而且厚度大,静压桩施工时，估计压力很大并且压入困难，会出现越压越浅、桩长较短且参差、承载力不保证、桩身损伤等现象.如果用传统的引孔方法,估计引孔后砂层还会塌孔,压桩时桩端仍然很难压到密实的粗砂层,此时可以通过搅拌桩施工,搅拌桩做到粗砂层内，把上部的细砂层搅松液化，在砂颗粒尚在悬浮的状态下，水泥土固结前把桩压入到持力层内，从而达到以粗砂层为持力层的目的. 4、解决强风化岩埋藏浅且深厚，需要增加桩的有效长度问题 如图4所示，从10米深就已进入了强风化岩层，如以通常的静压桩施工，估计桩端进入强风化岩13米就压不下去，这样其有效桩长较短,桩的承载力就不能充分发挥,单桩承载力就较低。这时，我们通常会用引孔的方法来增加桩长和提高单桩承载力。如果用传统的引孔方法引孔，孔径引大了，桩身与孔壁不能紧密接触，桩身在孔内就不稳定，而且由于摩擦力消失使得单桩承载力较低；孔径引小了，桩可能又压不下去或者压不到引孔的深度，甚至桩端悬空造成桩的承载力缺陷及隐患.此时可以通过搅拌桩施工，把孔径做大，并且做到足够的深度，桩压入到持力层等水泥土固结成桩，从而达到增加桩长及提高承载力的目的。 5、解决上覆为软粘土层，只有很薄的过渡土层或没有过渡土层直接就进入静压桩难以压进的岩状强风化岩层或中风化岩层问题 如图4、图5所示,上覆均为软粘土层,基本没有过渡层就直接到管桩难以进入的岩状强风化岩层或中风化岩层，在这种地质条件下，由于桩端不能有效嵌固进入岩层，桩的稳定性较差，施工时经常会出现断桩现象，此时可以通过大直径搅拌桩施工，把孔引入到岩状强风化岩层或中风化岩层内，保证桩端嵌固并且支承在岩层上，桩压入等水泥土固结成桩,从而解决在这种地质条件下桩端稳定的问题. 6、解决多桩承台挤土效应问题 如图7、图8所示，上覆为粘土层或中密细砂层,在这种地质条件下，如进行管桩的多桩承台施工，很容易会出现挤土效应现象，具体表现在:粘性土地层会出现桩周土体隆起，桩顶上浮;砂土地层会出现桩身损伤等影响桩基质量的问题.此时可以通过大直径搅拌桩施工,引孔穿过上覆土层进入到持力层面,等水泥土还在流动状态时桩压入孔内，多余的水泥土从孔口溢出,等水泥土固结成桩从而解决挤土效应的问题. 六、某工程桩基方案造价比较 某工程项目,建筑物高约为24米，设计提出了管桩和灌注桩两种桩基方案，我们假定管桩采用搅拌桩植桩工艺（实际不采用植桩也是可以的）施工。图9 图10 1、管桩：采用Phi；500mmA型预应力管桩基础,桩端考虑支承在稳定的强风化泥质粉砂岩层内,由于场地紧靠民居，施工方法不能采用锤击法而只能采用静压法成桩。又因场地地质条件比较特殊，在强风化岩持力层上面、自然地面下约2123米处有一层厚约2。7至6。8米的、密度达中密的砾砂存在，层厚不稳定，且下卧有强度要低的残积粉土层不均匀分布,这给静压桩施工带来了一些不利因素(可能会有挤土效应、不能压穿砂层、压入砂层时可能会有震动、持力砂层局部厚度不足、持力层下局部有稍软层等等）。从最不利的条件考虑,假定在本工程中采用搅拌桩引孔植桩，具体方案考虑如图9、 图10所示,施工时以正常的终压力收桩，能穿越砂层就穿越砂层，不能穿越则以砾砂层做持力层，由于砾砂层和残积粉土层都经过搅拌水泥固结，等于在桩端进行了加固，即使桩端不能穿越砾砂，其承载力和安全性都得到了保障。预计桩长最大为36米左右,如果压桩不能穿越砂层时预计在2526米左右. 2、灌注桩：地质资料显示,场地强风化岩埋深在28米左右，厚度大，深40多米还没到中风化岩层,因此,根据单桩承载力要求，预计把桩端放置在强风化岩内，桩深45米左右. 3、造价比较： 灌注桩：约272万元（灌注桩按45米桩长计算） 搅拌植桩：约125万元（搅拌桩和管桩都按36米桩长计算) 本估算是按管桩最大深度进行计算的，假如管桩不穿越砾砂层，其造价更低，也就是说，实际总造价比125万还要低。从上比较可知，本工程灌注桩的造价比搅拌植桩贵一倍以上，如果加上检测的费用、工期 等因素综合考虑,其效益差别更明显，因此,搅拌植桩工艺是一种值得推广的管桩施工工艺。 七、工程试验 我们选择了在中密中粗砂层的地质条件下做了2根500mm管桩的搅拌桩植桩工艺试验,搅拌桩直径取650mm,深度钻入到强风化岩层01米,达36米，静压管桩终压力值4800KN，进入支承在中密中粗砂层内13米，试验成桩后委托顺德区建设工程质量安全检测检验中心做了大应变的检验，结果证明桩身完好，单桩极限承载力分别为4241.2KN和5089KN，进入砂层大的承载力较高. 结语 经过以上分析、比较和试验，笔者认为，采用搅拌桩植桩工艺来做管桩基础不仅可行，而且安全可靠，并能防挤土和减振动，造价和工期与灌注桩相比可大幅减少和缩短，另外，还可以推广到大直径预应力管桩(如800mm管桩)领域去使用，值得在建设工程领域推广,建议业主和设计人员考虑选择。精品论文 参考文献