桩基础施工新技术专题讲座(三十)

在20世纪60年代，沉管灌注桩广泛应用于我国软土地区。沉管灌注桩具有设备简单、施工方便、操作简单；造价低；无泥浆污染；施工速度快、，工期短；随地质条件变化适应性强等优点。沉管灌注桩的缺点是：由于桩管直径的限制，影响单桩承载力；振动较大、噪声较高；承载力偏差较大；施工方法和施工工艺不当，将会造成缩颈、隔层、断桩、夹泥和吊脚等质量问题；遇淤泥层时处理较难；在标准贯入击数N>30的砂层中沉桩困难。

20世纪70年代末期，杭州在沉管灌注桩基础上开发出沉管夯扩桩。夯扩灌注桩的优点是：在桩端处夯出扩大头，单桩承载力较高；借助内夯管和柴油锤的重量夯击灌入的混凝土，桩身质量高；可按地层土质条件，调节施工参数、桩长和夯扩头直径以提高单桩承载力；施工机械轻便，机动灵活、适应性强；施工速度快、工期短、造价低；无泥浆排放。夯扩灌注桩的缺点是：遇中间硬夹层，桩管很难沉入；遇承压水层，成桩困难；振动较大，噪声较高；属挤土桩，设桩时对周边建筑物和地下管线产生挤土效应；扩大头形状很难保证与确定。

20世纪90年代初，建基建设集团有限公司在融合了振动沉管桩和端夯扩桩的各自优点后优化组合成一种复合工艺的新桩型――锤击振动沉管扩底灌注桩。该桩型的基本原理是利用振动锤或振动锤与内击锤的共同作用沉管，在达到设计持力层后再用内击锤进行夯击处理，然后吊放钢筋笼，灌注混凝土，振拔桩管使之成桩。

该桩型具有以下优点：遇较硬土层时，可利用自由落锤（重力15～30kN）和振动锤共同作用，穿透能力大为增强；在桩端地基土得到夯实挤密的同时，桩端截面可增大60%-240%，使单桩承载力大为提高；桩身混凝土可借助于自由落锤和振动锤的重力加压成型，桩身质量高，可避免一般沉管桩在淤泥质土中易产生桩身缩颈、断桩、密实度差和混凝土强度偏低等通病。“无桩靴端夯扩振动灌注桩的试验与应用”科技成果于1993年11月9日通过连云港市市级鉴定。

近几年来，建基建设集团有限公司在上述科技成果的基础上又研发出锤击振动双管复合扩底灌注桩新的科技成果。

工艺原理

桩端选用地基承载力不低于80kPa的粉土、粉砂，且厚度不少于3m的土层作为持力层。用柴油锤夯山内、外管在底端夯击成扩大头时，为了防止沉管底端出现的液化现象，该工艺在夯击沉管底端时一般选用粒径150～300mm的碎石、砖块、混凝土块等作为辅料，每次加料量为管内高度的2.0～2.5m，根据土质情况外管上拔0.8～1.0m后，用柴油锤夯击内管扩底至设计桩底标高，根据锤重、落锤高度及十击贯入度，确保桩端土层的地基承载力不得低于200kPa，这样才能确保之后的混凝土在桩底夯扩呈蘑菇形扩散；如果十击贯入度达不到设计要求，则必须加料复夯（80kPa的土层一般复夯1～2次即可达到200kPa以上，同时根据锤重、落锤高度及十击贯入度，调节复夯的加料量）；经上述辅料锤击后，桩端阻力达到设计要求后随之拔出内管，加入0.20～0.25m3混凝土用柴油锤夯击内管进行扩底并根据设计承载力要求，选择复夯次数及加料量，桩底在达到设计扩大头直径后，拔山内管，安放钢筋笼焊接吊筋固定在内管顶部，随后灌注桩身混凝土，接着启动振动锤振动拔管，同时确保桩长所需混凝土用料及充盈系数，最后拔管结束移至下一根桩施工。

优缺点

优点

该桩型具有以卜优点：单桩承载力高，施工造价低，施工速度快，适应性强，工期短。

缺点

该桩型分挤土桩和非挤土桩2种类型，前者在设桩时对周边建筑物和地下管线会产生挤土效应。

技术特点

从成桩工艺来看，锤击振动双管复合扩底灌注桩是集锤击沉管、桩端夯扩、桩身灌注混凝土和振动拔管4个施工工艺优点于一体的新思路新工艺。

从成桩设备来看，锤击振动双箭复合桩机其核心创新足在原振动沉管桩机的基础上增加桩机接地而积，增大其稳定性；增大立柱直径和筒体卷板厚度以增强立柱的刚度从而能经受住拔管时较大的抗拔力；住沉管的外管上增设电动或液压振动锤，在灌注桩身混凝土后启动振动锤，利用振动锤的上下振动，减轻拔管时外管与土间的摩阻力，从而减少桩架和立柱的抗拔力；在上拔振动过程中，采取边拔管边振动或适时停拔振动的方式，以增加桩身混凝土的密实度，有效防止桩身混凝土的蜂窝、缩颈及混凝土强度达不到设计要求等缺陷。

从桩的承载能力来看，锤击振动双管复合扩底灌注桩属于端承型桩（摩擦端承桩或端承桩），具有较高的竖向极限承载力，主要由经夯实挤密的填充辅料和桩端混凝土组成的复合扩大头所提供。

从施工方法来看，锤击振动双管复合扩底灌注桩可分为挤土桩方式和非挤土桩方式。前者在设桩时对周边建筑物和地下管线会产生挤土效应，因此在成桩过程中需要安排合理的打桩顺序。非挤土桩方法是适合于对挤土效应较敏感的地区（桩身软黏土层较厚，布桩密度大及桩基周边管道较多的地区）。具体做法是，内管外径必须小于外管内径50mm，同时在内管设置卸土装置，并在其端部设置活瓣开口取土装置。锤击沉桩时遵循内、外管同步入土原则，并在入土5m左右拔出内套管卸土一次，根据桩长和土层地质情况随时调正内管卸土次数，直至达到扩底端部取土完成。随后分别先后进行夯击辅料和混凝土。由此将传统的沉管挤土成孔改变为非挤土成孔，从而可消除常见的因挤土造成的断桩、缩颈及土体上涌等诸多弊端。

从控制和保证单桩竖向承载力来看，沉桩的最后十击贯入度达到设计要求是关键指标。在选择合适的桩端土层地质条件后，通过选用粒径150～300mm的碎石、砖块、混凝土块等作为辅料进行桩端夯扩，根据设计竖向承载力的要求，选择合适的柴油锤型号（锤重和落距），确定填充夯击辅料的数量和次数，确保最后十击贯入度达到设计要求。

扩大头混凝土投料量根据设计扩大头要求确定，并由此决定复夯的扩端次数。

从保证钢筋笼与复合扩大头抗压和抗拔共同承力的要求来看，钢筋笼必须固定在扩大头一定深度，在同步夯击作用下，内外管同时在混凝土扩大头内部1m左右的范围内，拔出内管形成空间后沉入钢筋笼并设置吊筋，把钢筋笼固定在扩大头0.5～1.0m深度范围以内，灌注混凝土后形成全长钢筋笼混凝土灌注桩。

适用范围

锤击振动双管复合扩底桩的实施，第一要选择合适的地质条件，粉土、粉砂等持力层厚度不得少于3m，桩端持力层地基承载力要大于80kPa；第二，由于传统夯扩投料碎石粒径较小，而且经水泥、粉细砂拌和后经多次锤击易形成端部液化，呈“橡皮状”，造成扩底效果不佳，且形状差异较大，所以锤击振动双管复合扩底桩工艺必须改用150～300mm粒径的碎石、混凝土块或块砖进行端部夯击扩底；第三，根据设计单桩承载力的要求，确定填充夯击辅料的种类、数量及次数，选择锤击柴油锤的型号（锤重和落距），选择最后十击贯入度，并调正内、外管上拔高度来确定扩底直径，确保辅料经夯击后桩端承载力不低于2200kPa，达到设计承载力的要求。表1为桩端承载力与辅料数量、导杆式柴油锤型号及冲击部分质量的关系。

施工设备

桩架（即锤击振动复合扩底桩机）

针对原有振动沉管桩机进行了4方面的改造，以使其具有成桩深度大、底盘稳定、消除挤土效应、提高夯扩功能、确保桩身混凝土密实以及降低拔管阻力等诸多优点和特点。

考虑到江苏盐城大丰地区上覆淤泥质软土层较厚，原振动沉管桩机成桩深度小，无法进入较好的持力层，单桩承载力低。为此，首先扩大底盘尺寸，适应加大桩长所需的底盘稳定性；其次，加大支架和简体的构件尺寸，增加其竖向和水平刚度，以增强承载更大的卷扬和振动设备的能力。在此基础上，可将沉管深度加深到25m。

提高底盘运行灵活性和适应软土场地运行条件。将底盘改造为步履式和走管式2种形式，可根据场地条件进行优选。

考虑到沉管挤土效应的负面影响，增设了内套管取土装置，供非挤土成桩时使用。具体办法是将双套管锤击沉入，内套管下端设置活瓣、开口取土装置，一般每沉入50mm将内管拔出取土一次，并可根据地质情况适当调整。由此将传统的沉管挤土成孔改造为非挤土成孔，从而消除了常见的因挤土造成的断桩、缩径、土体上涌等诸多弊端。

在外套管上增设振动锤，灌注桩身混凝土后，拔管时启动振动锤，边拔管边振动，或适时停拔振动，这样既可显著降低管土间摩阻力，提高拔管效率，又可使管内混凝土因振动而密实，提高成桩质量。

导杆式柴油锤

视单桩竖向承载力和桩外管直径，采用DD25、DD32、DD40、DD63导杆式柴油锤。该类型柴油锤为气缸冲击式，在软土中启动性能好，适用于打中小型锤击振动双管复合扩底灌注桩。

表2为锤击振动双管复合扩底灌注桩常用的导杆式柴油锤的规格与技术性能。

电动振动桩锤

用于锤击振动双管复合扩底桩的常用电动振动桩锤有DZ40、DZ45和DZ55三种类型，其规格与技术性能见表3。

桩管

桩外管一般采用直径377mm、426mm、450mm、480mm、500mm、530mm和600mm的钢管，相应的内夯管一般采用直径247mm、273mm、297mm、325mm、377mm、426mm和450mm的钢管配套使用。

内夯管端部需加焊一块直径比外管内径小20～30mm、厚度为50～70mm的圆形钢板，以代替预制桩尖。内夯管在桩施工中起主导作用：①作为夯锤的一部分，在锤击力作用下将内外管同步沉入地基中。②在夯扩时作为传力杆，将辅料和桩端混凝土夯出管外，夯实端部而形成桩端复合扩大头。③在桩身施工时，利用桩端和内夯管本身的自重将桩身混凝土加压成型。

内夯管的上端固定在柴油打桩锤的底座下端，并连成一体，可沿桩架导轨自由上下移动。内夯管设计的好坏是桩施工成败的关键之一。要求内夯管下端夯锤头与外管之间的间隙小，但又要使内夯管在外管内活动自如；同时还要求内夯管不弯曲，与外管内径一致，内夯管有足够的强度和刚度，在夯扩施工时，不产生弯曲和变形。

施工工艺

施工设备

挤士桩施工设备见图1，非挤土桩施工设备见图2。

施工工艺

挤土桩施工流程见图3。

挤土桩施工流程说明如下：①桩机现场组装检查。在内管下端焊接直径小于外管内径20～30mm、厚度为50～70mm的钢板封口，作为内夯管，将内、外管叠套在一起。②将外管中心对准桩位。③柴油锤将内外管同步锤击至设计标高。④拔出内夯管。⑤向外管投入高度为H1的夯击辅料（粒径150～300mm的碎石、砖块、混凝土块），H1为2.0～2.5m，辅料体积约0.25-0.30m3。⑥放下内管，将外管上拔一定高度h1=（0.3～0.5）H1，h1约1.0～1.5m。⑦通过柴油锤与内夯管夯打外管内的辅料，夯击扩底。⑧至桩底设计深度处，观察最后十击贯入度和柴油锤落距是否达到设计要求，否则重复④～⑧。⑨拔出内管。⑩向外管投入高度H2为0.20～0.25m（相当于体积为0.20～0.25m3）、坍落度为30～60mm、强度等级为C30的混凝土拌合物。11.放下内管，上拔外管h2高度，h2=（0.4～0.6）H2。12.通过柴油锤与内夯管夯打外管内的混凝土，再次夯击扩底。13.再次夯击扩底后，最终单击贯入度不大于20mm。如果最终扩底贯入度达不到上述要求，必，须再次加入适量混凝土夯击扩底直至达到上述值为止。14.拔出内管。15.安放钢筋笼。在钢筋笼上端焊接吊筋，用钢丝绳与内管及钢筋笼连接，确保钢筋笼在外管内竖直悬挂在外管中间，同时确保钢筋笼底部处于扩大头内0.5～1.0m之间。16.在外管内灌入桩身所需的混凝土。17.开启振动锤振动拔管，边振动边拔管，直至外管拔出离地面150～250mm为止。18.剪断钢筋笼吊筋，由此结束1根复合扩底桩施工，桩机移位。

非挤土桩施工流程见图4。

非挤土桩施工流程说明如下：①桩机现场组装检查。在内管下端焊接直径小于外管内径20～30mm、厚度为50～70mm的封头钢板，并在其下部设置活瓣开口取土装置，将内外管叠加在一起。将外管中心对准桩位。②柴油锤将内外管同步锤击至设计标高。③打开内管取土活瓣。由于活瓣开口取土装置的取土活瓣只能向上并拢而不能向下打开。在入土过程中，外部的土将取土活瓣向上挤开，土不断地进入内管内H高度（4-6m）。④内管和外管每入土4～6m拔出内管取土一次，在拔出内管的过程中，取土活瓣将内管内的土封住；内管完全拔离外管后，向下打击内管取土封头钢板，带动取土活瓣向下，使得取土活瓣脱离内管底部，内管内的土自由散落。图4中4为内管第一次卸土过程，4’为内管第二次卸土过程。⑤清土完毕，双管至设计桩底标高。⑥拔出内夯管。⑦向外管投入高度为H1的夯击辅料（粒径150～300mm的碎石、砖块、混凝土块），H1为2.0～2.5m，辅料体积约0.25～0.30m3。⑧放下内管，将外管上拔一定高度h1，h1=（0.3～0.5）H1，h1约1.0～1.5m。⑨通过柴油锤与内夯管夯打外管内的辅料，夯击扩底。⑩至桩底设计深度处，观察最后十击贯入度和柴油锤落距是甭达到设计要求，否则重复⑥～⑩。11.拨出内管。12.向外管投入高度H2为0.20～0.25m（相当于体积为0.20～0.25m3）、坍落度为30～60mm、强度等级为C30的混凝土拌合物。13.放下内管，上拔外管h2高度，h2=（0.4～0.6）H2。14.通过柴油锤与内夯管夯打外管内的混凝土，再次夯击扩底。15.再次夯击扩底后，最终单击贯入度不大于20mm。如果最终扩底贯入度达不到上述要求，必须再次加入适量混凝土夯击扩底直至达到上述值为止。16.拔出内管。17.安放钢筋笼。在钢筋笼上端焊接吊筋，用钢丝绳与内管及钢筋笼连接确保钢筋笼在外管内竖直悬挂在外管中间，同时确保钢筋笼底部处于扩大头内0.5～1.0m之间。18.在外管内灌入桩身所需的混凝土。19.开启振动锤振动拔管，边振动边拔管，直至外管拨出离地面150～250mm为止。20.剪断钢筋笼吊筋，由此结束1根复合扩底桩施工，桩机移位。

施工特点

合理选择导杆式柴油桩锤。桩锤应根据工程地质条件、桩径、桩长、单桩竖向承载力、布桩密度以及现场施工条件等因素，通过试成桩合理选择使用。

应选择25m以内的承载力高的优质土层作为复合扩大头的持力层。

柴油锤夯击辅料，辅料应选粒径150～300mm的碎石、砖块、混凝土块，双管沉至设计标高，通过连续夯击辅料，对桩端土体进行充填、夯实、挤密、固结于一体，大幅度增强桩端土体强度和承载的参与度，是一种深层地基处理新技术。

柴油锤夯实桩端混凝土，该混凝土拌合物的坍落度为30～60mm，强度等级为C30-C40，该参数值由单桩竖向承载力确定，承载力大时取高值，承载力小时取低值。

扩底施工参数h（h1、h2）是扩底成功的关键，根据极限桩端阻力的大小，调节h（h1、h2）值，辅料扩底时h1=（0.3～0.5）H1，H1为投入外管中辅料高度，H1为2.0～2.5m；混凝土扩底时，h2=（0.4～0.6）H2，H2为投入外管中混凝土高度。

在粉土、粉砂土层中扩底时，作为抗压桩，辅料体积为混凝土体积的（1.0～1.6）倍；作为抗拔桩，辅料体积为混凝土体积的（0.6～1.0）倍。

桩身混凝土灌注后，开启振动锤，边振动拔外管（桩身如有钢筋笼，杜绝用内管压在桩顶上，否则形成钢筋笼变形，钢筋保护层被破坏）。

复合扩大头直径和影响土体的估算

锤击振动双管复合灌注桩是一种以桩端复合扩大头承载的桩端阻力为主的桩型，复合扩大头依靠辅料和混凝土锤击夯扩挤压成型，却又隐藏在地层深处，桩端没有像预制桩那样固定的尺寸和面积，因此设法估算出复合扩大头的最大直径，对估算桩的端阻力和承载力具有实用价值。

目前，主要靠开控结果来评价复合扩大头直径。根据桩端土层为粉土和粉砂土，多处开挖出的桩的扩大头直径如表4所示。该工艺在粉土及粉砂土中被加固的桩端土体直径为复合扩大头直径的1.8-2.2倍。

施工要点

施工工序要求

锤击振动双管复合扩底桩工序应按设计参数严格执行；精选扩底辅料、严格控制H1（投入外管中辅料高度）、h1（辅料夯实后外管上拔高度）、辅料用量、严格确保最后十击贯入度；合理桩端混凝土配合比、严格控制H2（投入外管中混凝土高度）、h2（混凝土夯击后外管上拔高度）、混凝土用量、严格确保最终单击贯入度；确保桩身混凝土配合比、质量及振动拔管的要求。现场施工质量专人负责，检查各工序步骤的完成情况是否达到设计的质量控制参数要求，并做好详细的施工记录。

打桩顺序

打桩顺序的安排应有利于保护已打入的桩身不被损坏和不产生桩位偏差。根据工程地质和水文地质状况选择挤土型或非挤土型锤击振动双管复合扩底桩；打桩顺序应符合下列规则：可采用横移退打的方式自中间向两端对称进行，或一侧向另一侧单一方向进行。根据基础设计标高，按先深后浅的顺序进行。根据桩的规格，按先大后小、先长后短的顺序进行。当持力层埋深起伏较大时，宜按深度分区进行施工。

合理确定量入度

锤击振动双管复合扩底灌注桩属于端承型桩，施工工艺中有两大夯击工艺，即辅料夯击和混凝土夯击，组成复合扩大头，故需要确定该两个工艺的贯入度。根据具体的桩端持力层的物理力学特性、锤击能量及设计承载力的要求，对辅料夯击工艺按施工的最后十击贯入度的平均值作为控制标准，对混凝土夯击工艺按施工的最终单击贯入度作为控制标准，这样由试成桩确定的两项贯入度作为该类桩施工质量控制的关键技术指标，设计持力层标高作为参考标准。

施工注意事项

工程桩在施工前必须试成孔，位置宜选择在靠近地质钻孔部位，以便核对地质资料，检验锤击后的各项参数、施工工艺及技术是否合适，若出现缩颈、塌孔、十击贯入度累计下沉时过大等不能满足设计要求的现象时，应拟订补救措施或重新考虑施工工艺。根据试桩结果来决定是否对桩长、桩位布置及单桩承载力等进行调整。

桩基施工过程中应采用措施控制邻桩的上浮量。对于桩身混凝土已经终凝的邻桩，上浮量不宜大干20mm；对于桩身混凝土处于流动状态的邻桩，上浮量不宜大于50mm。施工时可采用跳打，及时封堵已施工的桩头等措施控制邻桩上浮量。

当桩端进入承压水位以下时，应掺加适量的干燥的3：7灰土或干拌水泥砂填充料封堵桩端，具体用料量由试桩确定。

拔外管注意事项：在灌注混凝土之前不得将外管上拔。以含有承压水的砂层作为桩端持力层时，第一次拔外管高度不宣过大。拔外管时严禁将内管压在超灌混凝土上。拔外管速度要均匀，对一般土层以2-3m/min为宜，在软弱土层中与软硬土层交界处以及扩大头与桩身连接处宜适当放慢，以1～2m/min为宜。

防止桩身缩颈的措施：严格控制拔管速度，采用慢拔密振的方法，将在淤泥质土层中的拔管速度控制在0.6～0.8m/min为宜。外管内混凝土高度保证在2m以上，且比地下水位高1～2m，以保证混凝土的侧向压力。严格控制混凝土的配合比，粗骨料粒径不宜过大，适当增加水泥用量，减小混凝土坍落度，保证其和易性和灌注质量。

钢筋笼制作尺寸和就位必须准确，应确保主筋锚入承台的设计锚固长度。钢筋笼在制作、运输和安装过程中应采取措施，防止出现不可恢复的扭转及弯曲等变形。

桩顶超灌长度不得小于500mm，桩身混凝土充盈系数大于1.10为宜。为保证桩身混凝土的灌注质量，混凝土的坍落度应控制在80-100mm。