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桩基础施工技术现状及未来发展趋向浅谈

发布时间:2014-04-02 信息来源:工勘院网站

桩基是一种古老的基础型式。桩工技术经历了几千年的发展过程,无论是桩基材料和桩类型,或者是桩工机械和施工方法都有了巨大的发展,已经形成了现代化基础工程体系。在某些情况下,采用桩基可以大量减少施工现场工作量和材料的消耗。
早在7000~8000年前的新石器时代,人们为了防止猛兽侵犯,曾在湖泊和沼泽地里栽木桩筑平台来修建居住点。这种居住点称为湖上住所。在中国,最早的桩基是浙江省河姆渡的原始社会居住的遗址中发现的。到宋代,桩基技术已经比较成熟。在《营造法式》中载有临水筑基一节。到了明、清两代,桩基技术更趋完善。如清代《工部工程做法》一书对桩基的选料、布置和施工方法等方面都有了规定。从北宋一直保存在上海市龙华镇龙华塔(建于北宋太平兴国二年,977年)和山西太原市晋祠圣母殿(建于北宋天圣年间,1023~1031年),都是中国现存的采用桩基的古建筑。
年代,中国曾发生了几次大地震。以其中的唐山大地震为例,凡采用桩基的建筑物一般受害轻微。这说明桩基在地震力作用下的变形小,稳定性好,是解决地震区软弱地基和地震液化地基抗震问题的一种有效措施。
近百年来,由于技术的不断发展,工业化程度的不断提高,社会城市化的脚步不断加速,地球表面的建筑物如雨后春笋般一幢幢拔地而起。
随着人类活动的加剧,我们生活的地球无论是表面还是内部都在发生着巨大的变化,台风侵袭暴雨洗礼,我们工作、居住、生活以及娱乐休闲场所无时无刻不在接受着考验,作为建筑结构最基础的部分,桩基对保障建筑物的安全,保证人民生活、生存正常进行就显得尤为重要。

桩基础施工技术现状及未来发展趋向浅谈

一、桩基础施工技术现状

按施工方法,桩可分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩三大类。再细分,桩的施工方法超过300种。施工方法的变化、完善、更新可以说是日新月异。图1中列出桩的部分施工类型。
以埋入式桩为例,图中仅列出三大类,实际上细分可有80种以上类型。所谓中掘施工法桩是把小于桩径30~40mm的长螺旋钻、或钻杆端部装有搅拌翼片的螺旋钻及钻斗钻等插入桩的中空部,在钻头附近的地层连续钻进,使土沿中空部上升,从桩顶排土的同时将桩沉设。在施工中通常将桩端注入压缩空气和水,促进钻进的同时也使桩沉顺利。为使桩获得更大的承载力,桩埋入孔中后可分别采用量终打击方式、桩端加固方式或扩大头加固方式。
按中掘埋入工艺、钻机、承载力发挥方法及采用的预制桩种类等,中掘施工法桩又可细分为40余种桩型。而预钻孔埋入式桩亦可细分为40余种。以泥浆护壁法钻孔扩底灌注桩的成孔方法为例,亦有40种以上,扩底方式可分为反循环扩底、钻斗钻扩底、正循环扩底及潜水钻扩底等。其中反循环扩底方式又分为扩刀上开、扩刀下开、扩刀滑降及扩刀推出等方式;钻斗钻扩底方式又分为水平推出、滑降及下开和水平推出的并用等方式。
以桩端压力注浆为例,注浆工艺可分为闭式注浆和开式注浆两大类,桩端压力注浆施工工艺的核心部件——桩端压力注浆装置又可分为预留压力注浆室、预留承压包、预留注浆空腔、预留注浆通道及预留特殊注浆装置五大类,两者组合,目前已有20余种桩端压力注浆桩工法,其中国内有18种。

二、常用桩设桩工艺选择桩型的选择应考虑以下原则

  1. “因荷载制宜”即上部结构传递给基础的荷载大小是控制单桩承载力要求的主要因素。
  2. “因土层制宜”,即根据建筑物场地的工程地质条件、地下水位状况和桩端持力层深度等,通过比较各种不同方案桩结构的承载力和技术经济指标,选择桩的类型。
  3. “因机械制宜”,即考虑本地区桩基施工单位现有的桩工机械设备;如确实需要从其他地区引进桩工机械时,则需要考虑其经济合理性。
  4. “因环境制宜”,即考虑设桩过程中对环境的影响,例如打入式预制桩和打入式灌注桩的场合,就要考虑振动、噪声以及油污对周围环境的影响;泥浆护壁钻孔桩和埋入式桩就要考虑泥水、泥土的处理,否则会造成对环境的不利影响。
  5. “因造价制宜”,即采用的桩型,其造价应比较低廉。
  6. “因工期制宜”,当工期紧迫而环境又允许,可采用打入式预制桩,因其施工速度快;再如施工条件合适,也可采用人工挖孔桩,因该桩型施工作业面可增多,施工进程也较快。
总之,在选择桩型和工艺时,应对建筑物的特征(建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、建筑物的安全等级等)、地形、工程地质条件(穿越土层、桩端持力层岩土特性)、水文地质条件(地下水类别、地下水位标高)、施工机械设备、施工环境、施工经验、各种桩施工法的特征、制桩材料供应条件、造价以及工期等进行综合性研究分析后,并进行技术经济分析比较,最后选择经济合理、安全适用的桩型和成桩工艺。
我国幅地辽阔,工程地质与水文地质条件复杂多变,东部与中西部地区经济发展不平衡,各类工程要求又不相同。大量施工实践表明,我国常用的各种桩型从总体上看,具有以下特点:大直径桩与普通直径桩并存;预制桩与灌注桩并存;非挤土桩、部分挤土桩与挤土桩并存;在非挤土灌注桩中钻孔、冲抓成孔与人工挖孔法并存;在挤土桩中锤击法、振动法与静压法并存;在部分挤土灌注桩的压浆工艺法中前注浆桩与后注浆桩并存;先进的、现代化的工艺设备与传统的、较陈旧的工艺设备并存等等。由此可见,各种桩型在我国都有合适的地层土质、环境与需求,也有发展、完善和创新的条件。需要引起注意的是:任何一种桩型都不是万能的,都有其适用范围,关键在于找到切入点,扬长避短;再好的桩型只要施工中不注意质量或超过其适用范围,就会出现质量问题甚至造成重大事故及经济损失。

三、桩基础施工技术发展趋向

在进入21世纪之际,桩基础施工技术发展中至少有以下一些动向值得人们关注。

(一)桩的尺寸向长、大方向发展

基于高层、超高层建筑物及大型桥主塔基础等承载的需要,桩径越来越大,桩长越来越长。欧美及日本的钢管桩长度已达100m以上,桩径超过2500mm;上海金茂大厦钢管桩桩端进入地面下80m的砂层,桩径为914。4mm;温州地区静压式钢筋混凝土预制桩长度已达70m以上,桩断面600×600mm2;郑州某工程反循环钻成孔灌注桩直径为1000~1100mm,桩长77。6m;厦门某大厦反循环钻成孔灌注桩深度达103m;南京长江二桥主塔墩基础反循环钻成孔灌注桩直径为3m,深度150m。

(二)桩的尺寸向短、小方向发展

基于老城区改造、老基础托换加固、建筑物纠偏加固、建筑物增层以及补桩等需要,小桩及锚杆静压桩技术日趋成熟,应用广泛。小桩又称微型桩或IM桩,是法国索勒唐舍(SOLETANCHE)公司开发的一种灌注技术。小桩实质上是直径压力注浆桩;桩径为70~250mm(国内多用250mm),长径比大于30(国内桩长多用8~12m,长径比通常为50左右),采用钻孔(国内多用螺旋钻成孔)、强配筋(配筋率大于1%)和压力注浆(注浆压力为1。0~2。5MPa)工艺施工。锚杆静压桩的断面为200×200mm2~300×300mm2;桩段长度取决于施工净空高度和机具情况,为1。0~3。0m,桩入土深度3~30m。

(三)向攻克桩成孔难点方向发展

以日本为例,成立由64家基础公司组成的岩层削孔技术协会,研究开发出20余种大直径岩层削孔工法,其中长螺旋钻进成孔法3种,回转钻进成孔法5种,冲击钻进成孔法7种以及全套管回转掘削孔法9种。国内也有不少单位成功地研究开发出岩层钻进成孔法及大三石层(大卵砾石层、大抛石层和大孤石层)钻进成孔法。

(四)向低公害工法桩方向发展

筒式柴油锤冲击式钢筋混凝土预制桩虽然具有桩身质量较可靠、施工速度快及承载力高等优点,但由于其施工时噪声高、振动大和油污飞溅(三者统称为一次公害)等缺点,在城区的住宅群及公共建筑群等场地施工中受到很大限制,为此静压实钢筋混凝土预制桩施工技术在国内得到业主的青睐。最近二十多年来,静压桩在我国软土地区(温州、武汉及珠江三角洲等地区)得到广泛应用,静压桩基础不仅适用于多层和一般高层建筑,还可用于20~35层高层建筑,压桩机的生产和使用跨进了一个新时代。湖南山河智能机械股份有限公司生产的系列静力压桩机是新型的环保型建筑基础施工设备,具有无污染、无噪声、无振动、压桩速度快、成桩质量高等显着特点,技术水平国际领先。有ZYJ(抱压式)和ZYDJ(顶压式)两大系列,20多个品种,压桩力从800~12000kN,采用静压法施工的桩长已达70m以上。实践表明,用步履式全液压静力压桩机施工开口预应力管桩(PC桩)和预应力高强度管桩(PHC桩)是桩机和桩型的优化组合,也是具有中国特色的施工工法。
国外已显现出用液压打桩锤取代筒式柴油锤的趋势。与筒式柴油锤相比,液压打桩锤具有桩锤短、噪声低、无油烟、省燃料、每一个工作循环中沉桩力持续时间长、打击力大、每一次冲击产生的桩贯入度较大等特点。
泥浆护壁法钻、冲孔灌注桩在地下水位高的软土地区虽然被较广泛地采用,但由于泥浆的使用造成施工现场不文明及泥浆排除称为二次公害)的困难,成为施工者头痛之事。因此,钻斗钻成孔灌注桩(即用旋挖钻机的钻斗钻头成孔而成的灌注桩),因其干取土作业加之所使用的稳定液可由专用的仓罐贮存,现场较为文明,在日本建筑业界此类桩型已成为泥浆护壁灌注桩的主力桩型,国内此类桩型的采用亦日趋增多。1998年8~12月,在北京某工地应用此桩型约为8000根,桩径0。8、1。0和1。2深12~15m,桩端进入砂砾石层0。5m。近年来,青藏铁路、北京鸟巢(北京奥运会主会场)工程及首都机场第三期工程均大量采用钻斗钻成孔灌注桩。
贝诺特(Benoto)灌注桩施工法为全套管施工法。该法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少,边摇动(或边回转)边压入,同时利用冲抓斗挖掘取土,直至套管下到桩端持力层为止。挖掘完毕后立即进行挖掘深度的测定,并确认桩端持力层,然后清除虚土。成孔后将钢筋笼放入,接着将导管竖立在钻孔中心,最后灌注混凝土成桩。贝诺特法实质上是冲抓斗跟管钻进法。
贝特诺灌注桩由于环保效果好(噪声低、振动小、无泥浆污染与排放)、施工现场文明,在海内外广泛采用,我国香港地区此类桩型的市场份额约占45%,昆明、温州及北京地区十余个工地已成功地采用此类桩型。
年上半年,北京某工地因杂填土层(含旧砖窑场地、块石及混凝土块等)过厚,深度8~23m,其他桩型无法施工,结果采用国产捷程牌摇动式全套钻机施工,历时四个月,顺利地完成976根桩,桩径为0。8、1。0和1。2m,桩长为20~24m穿越杂填土进入老土一定深度。从2001年起,在深圳、南京、杭州及天津等地13个地铁车站中采用捷程牌全套管钻机施工咬合桩成功地取代地下连续墙,为业主节省大量造价。

(五)向扩孔桩方向发展

北京地区普通直径钻孔扩底灌注桩(桩身直径0。3~0。4m,扩底直径0。8~1。2m)的静载试验结果表明,与相同桩身直径的直孔桩相比,前者极限荷载为后者的1。7~7。0倍,前者的单位桩体积的极限荷载为后者的1。4~3。0倍。大直径钻(挖)孔扩底桩具有承载力高、成孔后出土量少、承台面积小等显着优点,在国内外得到广泛运用。我国的钻孔扩底桩种类有20种以上,日本的大直径钻扩桩工法将近30种。
扩孔的成型工艺除钻扩外,还有爆扩、冲扩、夯扩、振扩、锤扩、压扩、注扩、挤扩和挖扩等种类。
注扩是指桩端压力注浆桩、桩侧压力注浆桩及桩端桩侧联合注浆桩。桩端压力注浆桩是指钻孔、冲孔和挖孔灌注桩在成桩后,通常通过预埋在桩身的注浆管利用压力作用,将能固化的浆液(诸如,纯水泥浆、或水泥砂浆、或加外加剂及掺合料的水泥浆、或超细水泥浆、或化学浆液等),经桩端的预留压力注浆装置(诸如,预留压力注浆室、或预留承压包、或预留注浆空腔、或预留注浆通道、或预留的特殊的注浆装置等)均匀地注入桩端地层;视浆液性状、土层特性和注浆参数等不同条件、压力浆液对桩端土层、中风化与强风化基岩、桩端虚土及桩端附近的桩周土层起到渗透、填充、置换、劈裂、压密及固结或多种形式的组合等不同作用,改变其物理力学性能及桩与岩、土之间的边界条件,消除虚土隐患,从而提高桩的承载力以及减少桩基的沉降量。
进入20世纪90年代后,桩端压力注浆技术在国内得到蓬勃发展,具体表现在:
  • 桩端压力注浆装置型式众多,据笔者收集到的资料可知,国内已有18种桩端压力注浆装置;
  • 注浆工艺水平得到较大提高和完善,使端桩压力注浆桩的承载力较初期使用时大为提高;
  • 不少施工单位制定出适应于当地情况的端桩压力注浆工艺操作规程和质量控制标准;
  • 有关桩端压力注浆桩的文章亦大幅度增加,据笔者收集到的散落在有关杂志及会议论文集中的文献已有200余篇;
  • 桩端压力注浆桩已成为土木建筑深基础中的一种重要桩型,初步分析国内已有数百幢多层、高层和超高层建筑桩基工程采用此类桩型;
  • 在开展桩端压力注浆工艺的同时,国内还开发桩侧压力注浆工艺,桩端桩侧联合注浆(统称为后压浆桩)获得更显着的技术经济效益。
沉管夯击式扩底桩具有单桩承载力较高,无泥浆排放及施工速度较快等优点。此类桩虽然可将扩大头设置在较好的持力层中,但扩大头的支承面积还是有限的,还没有充分地调动起更大范围的地基土体来参与承载。复合载体夯扩桩就是针对沉管夯击式扩底桩存在的问题发展起来的一种新桩型(专利技术)。
复合载体夯扩桩是采用细长锤夯击成孔,将护筒沉到设计标高后,细长锤击出护筒底一定深度,分批向孔内投入填充料和干硬性混凝土,用细长锤反复夯实、挤密,在桩端形成复合载体,然后放置钢筋笼,灌注桩身混凝土而形成的桩。
复合载体夯扩桩是由干硬性混凝土及填充料等经细长锤夯扩形成的复合载体和钢筋混凝土桩身组成,因此它具有挤密地基及扩大桩端面积的双重作用。
复合载体夯扩桩虽然也称做桩,但又不同于传统桩,似桩非桩。对于传统的等直径钢筋混凝土预制桩和灌注桩,为了提高其桩端阻力,通常采用将桩端置于承载力较高的地基土层中,或将桩端扩大,使其成为桩端扩大头桩,这些做法,都是使桩端荷载从桩端相对刚性体直接传递给该处的相对柔性的土体,均未充分地调动桩端地基土体参与承载。对于复合载体夯扩桩而言,桩端下面的复合载体的作用是将传递到桩端的荷载分散传递到其下面的持力土层上。由于复合载体的四个组成部分,由上至下刚度逐渐减小,而体积逐渐增加,这样,按照桩端应力扩散原理,桩端荷载从刚度较大但体积较小的夯实干硬性混凝土体经夯实填充料体、挤密土体和影响土体缓冲地传递到刚度较小但承载区域较大的持力土层上,即刚度介于桩身和持力层之间的复合载体起到了缓冲作用,同时也起到了扩大了持力土层的有效承载面积的作用。
由此可见,被加固土层成为一个硬层与其下的持力层形成了双层地基,这是构成复合载体夯扩桩承载力的主体。

(六)向异型桩方向发展。

为了提高单桩承载力(桩侧摩阻力和桩端阻力)国内外大量发展异型桩。广义地说,异型桩包括横向截面异化桩和纵向截面异化桩。
横向截面从圆截面和方形截面异化后的桩型有三角形桩、六角形桩、八角形桩、外方内圆空心桩、外方内异形空心桩、十字形桩、X形桩、T形桩及壁板桩等。
纵向截面从棱柱桩和圆柱桩异化后的桩型有楔形桩(圆锥形桩和角锥形桩。根形桩、扩底柱、多节桩(多节灌注桩和多节预制桩)、桩身扩大桩、波纹柱形桩、波纹锥形桩、带张开叶片的桩、螺旋桩、从一面削尖的成对预制斜桩及DX挤扩灌注桩等。
所谓DX挤扩灌注桩(简称DX桩),是指在钻(冲)孔后,向孔内下入专用的DX挤扩装置(专利技术),通过地面液压站控制该装置的弓压臂的扩张和收缩,按承载能力要求和地层土质条件在桩身不同部位挤压出3岔分布或3nn为挤压次数)分布的扩大岔腔或近似的圆锥盘状的扩大头腔后,放入钢筋笼,灌注混凝土,形成由桩身、分岔、分承力盘和桩根共同承载的桩型。
桩具有单桩承载力高,可充分利用桩身上下各部位的好土层;成孔成桩工艺适用范围较广;节约造价,缩短工期及承力盘(岔)形状可控且边界较清楚等优点,已在数个大型电厂及高层建筑等60个建筑中得到应用。

(七)向埋入式桩方向发展。

钢筋混凝土预制桩和钢桩的设桩工艺有打入式、压入式(静压式)和埋入式三种。前面提到筒式柴油锤冲击式(打入式)施工中存在一次公害。打入式和压入式设桩工艺在施工中产生挤土效应,使地基土隆起和水平挤动,不同程度地对邻近建筑物和地下管线产生不良影响。
为了消除一次公害(振动、噪声和油污飞溅)和挤土效应,日本从20世纪60年代初期起开发出以低噪声、低振动和无挤土效应为目标的埋入式桩系列工法,至今共有80余种。
所谓埋入式桩工法是将预制桩或钢管桩沉入到钻成的孔中后,采用某些手段增强桩承载力的工法。
年在日本埋入式桩工法占预制桩施工的56%,至2000年该法比例上升为78%。我国埋入式桩的种类很少,几乎是个空白点,这也正是给桩基施工企业发展和上升提供良好的空间。
北京地区采用的植桩法,即先用长螺旋钻成孔,穿过硬夹层或可液化层,然后将预制桩放入孔内,最后锤击沉桩使桩端进入设计要求的特力层。江浙地区采用将预制桩埋入到深层搅拌桩或旋喷桩中的施工方法。

(八)向组合式工艺桩方向发展。

由于承载力的要求,环境保护的要求及工程地质与水文地质条件的限制等,采用单一工艺的桩型往往满足不了工程要求,实践中经常出现组合式工艺桩。
例如,钻孔扩底灌注桩有成直孔和扩孔两个工艺;桩端压力注浆桩有成孔成桩与成桩后向桩端地层注浆两个工艺;预钻孔打入式预制桩有钻孔、注浆、插桩及轻打(或压入)等工艺。

(九)向高强度桩方向发展。

随着对打入式预制桩要求越来越高,诸如高承载力、穿透硬夹层、承受较高的打击应力及快速交货等要求,普通钢筋混凝土桩(简称R。C桩,混凝土强度等级为C25~C40)已满足不了上述要求,故预应力钢筋混凝土桩,混凝土强度等级为
~C80预应力强度混凝土桩(简称PHC桩,混凝土强度等级不低于C80)使用越来越多。
管桩在欧美、日本、前苏联及东南亚诸地区大量采用。日本使用的预制混凝土桩几乎均为PHC桩。从1970~1992年间,日本管桩的年产量在520~830万吨之间。
最近十几年来,我国管桩行业经历研制开发期、推广应用期、调整发展期和快速发展期等四个时期。以珠江三角洲和长江三角洲为基地,由南向北,由东向西,沿海沿江沿湖,向内陆地区健康而快速地发展,在产品品种和产量上均达到世界前列。具体地体现在:布局面广;产品品种与规格齐全;生产技术成熟;国产化装备和原材料完全满足生产需要;配套应用技术日趋完善;应用领域不断扩大;依靠技术进步求效益、求发展;质量意识不断强化,质量保证体系日趋完善;企业向多元化规模化发展。
到2003年全国管桩生产企业达220家,全国管桩年产量约1。4亿m。
苏州混凝土水泥制品研究院金舜教授级高工等提出管桩发展的建议:进一步开发磨细矿物掺合料在管桩中的应用技术;进一步开发钢纤维混凝土在管桩中的应用技术;开发钢管混凝土管桩、长管桩以适应重大工程需要;开发余浆的综合利用技术;推广碎石砂在管桩生产中的应用:重视管桩桩身混凝土的耐久性;在PHC桩生产中推广应用“管桩水泥”。

(十)向多种桩身材料方向发展。

以灌注桩为例,桩身材料种类亦出现多样化趋势,普通混凝土、超流态混凝土、无砂混
凝土、纤维混凝土、自流平混凝土及微膨胀混凝土等。打入式桩亦有组合材料桩,如钢管外壳加混凝土内壁的合成桩等。
所谓钻孔压灌超流态混凝土桩是用改装后的长螺旋钻机至设计深度;在提钻的同时,通过钻杆内腔经钻头上的喷嘴向孔底灌注一定数量的水泥浆;边提升钻杆边用混凝土泵压入超流态混凝土至略高于没有塌孔危险的位置;提出钻杆向孔内放入钢筋笼至桩顶设计标高;最后把超流态混凝土压灌至桩顶设计标高而成桩。