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桩基础施工技术

桩基础施工技术

摘要

随着工业技术的进步和工程建设规模的扩大，桩基技术在近几十年间得到了突飞猛进的发展，桩基础已成为高层或超高层建筑、铁路公路大桥、港口码头、重型储仓及水闸、船闸等建筑结构物最常用的基础形式。

桩基础是指通过桩支撑着承台的基础，也就是由承台和支撑着这个承台的桩组成的基础。

桩基技术的发展有着悠久的历史，其发展过程，大致可分为三个阶段：

木桩，钢桩，钢筋混凝土桩。

目前，桩基工程的绝大部分都是钢筋混凝土桩，按成桩方法来说，主要分为预制桩和灌注桩。

因此，我们接下来主要研究的就是以成桩方法来分类的各种预制桩和灌注桩的特点和应用、以及分析这几种桩基础的施工技术，和施工过程中容易出现的难点和问题等质量通病的防治。

[关键词]：

桩基础预制桩灌注桩特点施工技术问题

1.绪论

1.1研究背景

在城市建设中，由于人口密集而土地有限，人们便向空中及地下发展，建造了大量高层建筑，以获得更大的活动空间。

然而传统的天然基础是远远不能满足现代高层建的设计须要的。

近年来，高层、大跨和其它特殊结构的建筑物不断增加，在荷载大、地基弱、变形控制严和使用要求高等条件下，深基础越来越多地被采用。

其中桩基础由于承载力大，沉降量小，能适应不同结构形式、地基条件和荷载性质，有利于结构的防震减灾，因而应用更为广泛。

并且对软基础的处理上，桩基础的稳定性以及在施工工期上远远要比换土、挤石等，在一定程度上桩基础的施工更加稳定，安全性高在工期上更容易掌握。

1.2研究桩基础现状、研究目的和意义

随着工业技术的进步和工程建设规模的扩大，桩基技术在近几十年间得到了突飞猛进的发展，桩基础已成为高层或超高层建筑、铁路公路大桥、港口码头、重型储仓及水闸、船闸等建筑结构物最常用的基础形式。

桩基础是指通过桩支撑着承台的基础，也就是由承台和支撑着这个承台的桩组成的基础。

承台承受上部建（构）筑物的荷载，并把荷载传递给下面的桩，使各桩受力均匀。

而桩是竖直或微倾斜的基础构件，其作用是把上部的荷载传给下部的地基。

地基是承受建筑物全部荷载（包括基础自重）的那部分土层。

与其他类型的深积储相比，桩基础具有施工快，投资少，效果好等优越性，是一种应用最广泛，大有发展前途的深基础。

深基础目前普遍是指桩基础，而钢筋混凝土灌注桩作为桩基础的主要形式之一，在国内外已被广泛的应用于各类基础工程之中。

在工程实践中，一般在下列情况下可考虑采用桩基础：

（1）建筑物荷载较大，地基软弱，采用天然地基不能满足承载力的要求或地基沉降过大对建筑物造成危害时；

（2）经技术经济指标、工程质量、施工条件等方面综合比较，采用桩基础比天然地基或地基加固处理优越时；（3）高耸建筑物对整体倾斜有严格限制时；（4）重要、大型、精密机械设备的基础对地基变形有严格限制时；（5）因地基沉降对相邻建筑物产生相互影响巨大时。

桩基技术的发展有着悠久的历史，其发展过程，大致可分为三个阶段。

第一个阶段是木桩：

（1）早在新石器时代，人类在湖泊和沼泽地里，用木桩搭作水上住所，汉朝己用木桩修桥。

到宋朝，桩基技术已比较成熟。

今上海市的龙华塔和山西太原的晋词圣母殿，都是北宋年代修建的桩基建筑物。

（2）在英国也保存有一些罗马时代修建的木桩基础的桥和居民点。

近年来，由于木桩承载力较低，耐腐蚀性差，木材资源不足，已经逐渐被淘汰。

第二个阶段为钢桩：

19世纪20年代，开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头。

到本世纪初，美国出现了各种型式的型钢，特别是H型的钢桩受到营造商的重视。

美国密西西比河上的钢桥大量采用钢桩基础，到30年代在欧洲也被广泛采用。

二次大战后，随着冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢也被作为桩材用于基础工程。

钢桩具有抗冲击性能好、节头易于处理、运输方便、施工质量稳定等优点，但其最大的缺点是造价高，大致相当于钢筋混凝土桩的3到4倍。

因此，目前还只能在极少数深厚软土层上的高重建筑物或海洋平台基础中使用。

第三个阶段为钢筋混凝土桩：

本世纪初钢筋混凝土预制构件问世后，出现了厂制和现场预制钢筋混凝土桩。

我国50年代开始生产预制混凝土桩，多为方桩。

1949年美国雷蒙德混凝土桩公司最早用离心机生产了中空预应力钢筋混凝管桩。

我国铁路系统于50年代末也开始生产使用预应力钢筋混凝土桩。

（3）钢筋混凝土桩出现后，因其取材方便、价格便宜、耐久性好、适合各种地层和成桩直径及长度可变范围大等优点，随即成为地基支撑方式的首选。

目前，桩基工程的绝大部分都是钢筋混凝土桩。

钢筋混凝土桩的早期主要是预制桩，但在灌注桩出现后，预制桩由于相对造价高、适用范围小、施工不便等缺点，逐渐被灌注桩所取代。

灌注桩因施工过程无噪声和振动、可根据土层及荷载任意变化桩长桩径甚至截面、桩身钢筋可随需要调整等优点成为现今的主要桩型。

当前，灌注桩己形成多种成桩工艺、多类桩型，使用范围已扩及到土木工程的各个领域。

因此，我们接下来主要研究的就是以成桩方法来分类的各种预制桩和灌注桩的特点和应用、以及分析这几种桩基础的施工技术，和施工过程中容易出现的难点和问题等质量通病的防治。

2.各种桩基础的特点及应用

按成桩方法来说，我们可以把桩基础分为两大类：

预制桩和灌注桩。

2.1预制桩

多年来，钢筋混凝土预制桩是建筑工程的传统的主要桩型。

七十年代以来，随着我国城市建设的发展，施工环境受到越来越多的限制，预制桩的应用范围逐渐缩小。

但是，在市郊的新开发区，预制桩的使用是基本不受限制的。

预制桩总体来说，具有以下特点：

（1）预制桩不易穿透较厚的砂土等硬夹层（除非采用预钻孔、射水等辅助沉桩措施）,只能进入砂、砾、硬粘土、强风化岩层等坚实持力层不大的深度。

（2）沉桩方法一般采用锤击，由此会产生一定的振动和噪声污染，并且沉桩过程会产生挤土效应，特别是在饱和软粘土地区沉桩可能导致周围建筑物、道路和管线等受到损坏。

（3）一般来说预制桩的施工质量较稳定。

（5）预制桩打入松散的粉土、砂、砾层中，由于桩周和桩端土受到挤密，其侧摩阻力因土的加密和桩侧表面预加法响应力而提高；桩端阻力也相应提高。

基土的原始密度越低，承载力的提高幅度越大。

当建筑场地有较厚砂砾层时，一般宜将桩打入该持力层，以大幅度来提高承载力。

当预制桩打入饱和粘性土时，土结构受到破坏并出现超孔隙水压，桩承载力存在显著的时间效应，即随休止时间而提高。

（6）建筑工程中预制桩的单桩设计承载力一般不超过3000kN，而在海洋工程中，由于采用大功率打桩设备，桩的尺寸大，其单桩设计承载力可高达10000kN。

（7）由于桩的灌入能力受多种因素制约，因而常常出现因桩打不到设计标高而截桩，造成浪费。

（8）预制桩由于承受运输、起吊、打击应力，要求配置较多与钢筋，混凝土标号也要相应提高，因此其造价往往高于灌注桩。

预制桩主要有以下几种类型：

普通钢筋混凝土预制桩（R.C桩），这是一种传统桩型，其截面多为方形（250×250-500×500mm），这种预制桩适宜在工厂预制，高温蒸汽养护。

蒸养可大大加速强度增长，但动强度的增长速度较慢，因此，蒸养后达到了设计强度的R.C桩，一般仍需放置一个月左右碳化后再使用。

预应力钢筋混凝土桩（P.C桩），这种预制桩主要是对桩身主筋施加预拉应力，混凝土受预拉应力从而提高起吊时桩身的抗弯能力和冲击沉桩时的抗拉能力，改善抗裂性能，节约钢材。

预应力钢筋混凝土桩具有强度高、抗裂性能好，耐久性好，能承受强烈锤击，成本低等优点，所以各国都逐步将普通钢筋混凝土桩改用预应力钢筋混凝土桩。

P.C桩的制作方法主要有离心法和捣注法两种，离心法一般制成环形断面，捣注法多为实心方形断面，也可采取抽芯办法制成外方内圆孔的断面。

为了减少沉桩时的排土量和提高沉桩灌入能力，往往将空心预应力管桩桩端制成敞口式。

预应力管桩在我国多用采用室内离心成型、高压蒸养法生产，其标号可达C60以上，规格有Φ400、Φ500两种，管壁分别为90mm、100mm，每节标准长度为8m、10m.，也可按需确定长度。

我国预应力钢筋混凝土桩均为中小断面，大直径管桩尚处于试验阶段，产量也比较低。

国外大直径管桩的应用则很广泛。

锥形钢筋混凝土桩。

锥形桩在沉桩过程中能起到比等截面桩更多的对土的挤密效应，并可利用其锥面增大桩的侧面摩阻力，从而提高承载力。

在桩身体积相同的条件下，其承载力可比等截面桩提高1~2倍，沉降量也降低。

这种桩一般长度较小，多用于非饱和填土等软弱土层不太厚、对承载力要求不太高的情况。

螺旋形钢筋混凝土桩。

这种桩基通过施加扭矩旋转置入土中，因而可避免冲击沉桩产生的噪声和振动污染。

螺旋形可提高桩侧阻力和桩端阻力。

当硬持力层较浅且上部土层很软时，可只在桩端部分设螺旋叶片，带螺旋叶片的桩端可用铸铁制成，用销子将其与钢筋混凝土桩管连接，或将铸铁的叶片装在与之混凝土圆柱上。

除此之外还有，结节性钢筋混凝土预制桩，这种桩型主要可以用于防止地震时地基土的液化。

钻孔预制桩，采用这种桩型可以降低打桩时引起的振动和噪声污染，避免打桩时产生的挤土效应对周围建筑物的危害，以及克服打桩时硬层难以贯穿等问题。

2.2灌注桩

灌注桩的成桩技术日新月异，就其成桩过程、桩土的相互影响特点大体可分为三种基本类型：

非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩、挤土灌注桩。

每一种基本类型又包含多种成桩方法，现归纳如下：

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、部分挤土桩和挤土桩并存;在非挤土桩中钻孔、冲抓成孔和人工挖孔法并存;在挤土桩中锤击法、振动法和静压法并存;在部分挤土灌注桩的压浆工艺工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土层地质、环境与需求,也有发展、完善与创新的条件。

3.各种桩基础的施工技术的分析

在选择桩型与工艺时,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）、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。

在这里，本文主要是对钻斗钻成孔灌注桩，振动法沉桩，夯扩桩等一些常用的桩基础施工技术进行分析。

3.1钻斗钻成孔灌注桩

钻斗钻成孔法是20世纪20年代在美国利用改造钻探机械而用于灌注桩施工的方法,钻斗钻成孔施工法是利用钻杆和钻斗的旋转及重力使土屑进入钻斗,土屑装满钻斗后,提升钻斗出土,这样通过钻斗的旋转,削土,提升和出土,多次反复而成孔。

该方法有以下优点:

①振动小、噪音低;②最适宜粘性土中干作业钻成孔（此时不需要稳定液）;③钻机安装简单,桩位对中容易;④施工场地内移动方便;⑤钻进速度较快;⑥工程造价较低;⑦工地边界到桩中心距离较小。

其不足之处是:

①当卵石粒径超过100mm时,钻进困难;②稳定液管理不适当时,会产生坍孔;③土层中有强承压水时,施工困难;④废泥水处理困难;⑤沉渣处理较困难,需用清渣钻斗。

钻斗钻成孔灌注桩适用范围较广,它适用于填土层、粘土层、粉土层、淤泥层、砂土层以及短螺旋不易钻进的含有部分卵石的地层。

采用特殊措施,还可嵌入岩层。

施工程序为:

⑴安装钻机;⑵钻头着地钻孔,以钻头自重并加液压作为钻进压力;⑶当钻头内装满土、砂后,将之提升上来,开始灌水;⑷旋转钻机,将钻头中的土倾卸到翻斗车上;⑸关闭钻头的活门,将钻头转回钻进点,并将旋转体的上部固定;⑹降落钻头;⑺埋置导向,灌入稳定液,护筒直径应比桩径大100mm以便钻头在孔内上下升降。

按土质情况,定出稳定液的配方,如果在桩长范围内的土层都是粘性土时,则可不必灌水或注稳定液,可直接钻进;⑻将侧面铰刀安装在钻头内侧,开始钻进;⑼孔完成后,用清底钻头进行孔底沉渣的第一次处理并测定深度;⑽测定孔壁;⑾插入钢筋笼;⑿插入导管;⒀第二次处理孔底沉渣;⒁水下灌注混凝土,边灌边拨导管（直径口为25cm,每节2~4m,水压合格）,混凝土全部灌注完毕后,拨出导管;⒂拨出导向护筒成桩。

施工要点为:

①确保稳定液的质量;②设置表层护筒至少需高出地面300mm;③为防止钻斗内的土砂掉落到孔内而使稳定液性质变坏或沉淀到孔底,斗底活门在钻进过程中应保持关闭状态;④必须控制钻斗在孔内的升降速度,因为如果升降速度过快,水流将会以较快速度由钻斗外侧与孔壁之间的空隙中流过,导致冲刷孔壁;有时还会在上提钻斗时在其下方产生负压而导致孔壁坍塌,所以应按孔径的大小及土质情况来调整钻斗的升降速度。

在桩端持力层中钻进时,上提钻斗时应缓慢;⑤为防止孔壁坍塌,用稳定液并确保孔内高水位高出地下水位2m以上;⑥根据钻孔阻力大小考虑必要的扭矩,来决定钻头的合适转数;⑦第一次孔底沉渣处理,在钢筋笼插入孔内前进行,一般采用清底钻头,如果沉淀时间较长,则应采用水泵进行浊水循环;⑧第二次孔底沉渣处理在混凝土灌注前进行,通常采用泵升法,此法较简单,即利用灌注导管,在其顶部接上专用接头,然后用抽水泵进行反循环排渣。

3.2振动法沉桩

偏心块式振动法沉桩是采用偏心块式电动或液压振动锤进行沉桩的施工方法,该类型桩锤通过电力或液压驱动,使2组偏心块作同速相向旋转,其横向偏心力相互抵消,而竖向离心力则叠加,使桩产生竖向的上下振动,造成桩及桩周土体处于强迫振动状态,从而使桩周土体强度显著降低和桩端处土体挤开,桩侧摩阻力和桩端阻力大大减小,于是桩在桩锤与桩体自重以及桩锤激振力作用下,克服惯性阻力而逐渐沉入土中。

该方法有以下优点：

①操作简便,沉桩效率高;②沉桩时桩的横向位移和变形均较小,不易损坏桩体;③电动振动锤的噪声与振动比筒式柴油锤小得多,而液压振动锤噪声低,振动小;④管理方便,施工适应性强;⑤软弱地基中沉桩迅速。

其不足之处为：

①振动锤构造较复杂,维修较困难;②电动振动锤耗电量大,需要大型供电设备;③液压振动锤费用昂贵;④地基受振动影响大,遇到硬夹层时穿透困难,仍有沉桩挤土公害。

施工要点为：

振动法沉桩与锤击法沉桩基本相同,不同的是采用振动沉拔桩锤进行施工。

操作时,桩机就位后吊起桩插入桩位土中,使桩顶套入振动箱连接固定桩帽或用液压夹桩器夹紧,启动振动箱进行沉桩到设计深度。

沉桩宜连续进行,以免停歇时间过久而难于沉入。

一般控制最后3次振动（加压）,每次5min或10min,测出每min的平均贯入度,当不大于设计规定的数值时,即符合要求。

摩擦桩则以沉桩深度符合设计要求深度为止。

在施工要注意以下几点：

（1）沉桩中如发现桩端持力层上部有厚度超过1m的中密以上的细砂、粉砂和粉土等硬夹层时,可能会发生沉入时间过长或穿不过现象,硬性振入较易损坏桩顶、桩身或桩机,此时应会同设计部门共同研究采取措施。

（2）桩帽或夹桩器必须夹紧桩顶,以免滑动,否则会影响沉桩效率,损坏机具或发生安全事故。

（3）桩架应保持竖直、平正,导向架应保持顺直。

桩架顶滑轮、振动箱和桩纵轴必须在同一垂直线上。

（4）沉桩中如发现下沉速度突然减小,此时桩端可能遇上硬土层,应停止下沉而将桩提升0.5~1.0m,重新快速振动冲下,以利于穿透硬夹层而继续下沉。

（5）沉桩中控制振动锤连续作业时间,以免动力源烧损。

3.3夯扩桩

夯扩桩是在锤击沉管灌注桩机械设备与施工方法的基础上加以改进,增加1根内夯管,按照一定的施工工艺（无桩尖或钢筋混凝土预制桩尖沉管）,采用夯扩的方式（一次夯扩、二次夯扩、多次夯扩与全复打夯扩等）将桩端现浇混凝土扩成大头形,桩身混凝土在桩锤和内夯管的自重作用下压密成型的一种桩型。

该方法的优点在于：

①在桩端处夯出扩大头,单桩承载力较高;②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;③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;④施工机械轻便,机动灵活、适应性强;⑤施工速度快、工期短、造价低;⑥无泥浆排放。

不足之处在于：

①遇中间硬夹层,桩管很难沉入;②遇承压水层,成桩困难;③振动较大,噪声较高;④属挤土桩,设桩时对周边建筑物和地下管线产生挤土效应;⑤扩大头形状很难保证与确定

其施工要点分三个部分注意。

首先是混凝土制作与灌注部分，要注意：

①混凝土的坍落度扩大头部分以40-60mm为宜,桩身部分以100-140mm（d≤426mm）及80-100mm（d≥450mm）为宜;②扩大头部分的灌注应严格按夯扩次数和夯扩参数进行。

③当桩较长或需配置钢筋笼时,桩身混凝土宜分段灌注,混凝土顶面应高出桩顶0.3-0.5m。

其次是拔管部分，要注意：

①在灌注混凝土之前不得将桩管上拔,以防管内渗水;②以含有承压水的砂层作为桩端持力层时,第1次拔管高度不宜过大;③拔外管时应将内夯管和桩锤压在超灌的混凝土面上,将外管缓慢均匀地上拔,同时将内夯管徐徐下压,直至同步终止于施工要求的桩顶标高处,然后将内外管提出地面;④拔管速度要均匀,对一般土层以1-2m/min为宜,在软弱土层中和软硬土层交界处以及扩大头与桩身连接处宜适当放慢。

最后是打桩顺序，要注意打桩顺序的安排应有利于保护已打入的桩不被压坏或不产生较大的桩位偏差。

夯扩桩的打桩顺序可参考钢筋混凝土预制桩的打桩顺序。

除此之外，还不能忽视对桩管入土深度的控制和挤土效应的重视。

除以上几种常用的桩基础施工技术之外，因为桩基础的分类和成桩的方法很多，以及不同的场地,不同的地质条件等，还有很多种桩基的施工技艺，鉴于篇幅原因，暂不放入此文内讨论，将在以后的学习和工作中，继续探究和累计经验。

4.各种桩基础施工难点以及问题

在桩基施工技术取得长足进步和巨大成就的同时，也存在不少问题，近年施工事故时有发生，也令人震惊。

以下按桩的类型分别对施工中存在的问题作一简述。

4.1钢筋混凝土预制桩

（1）接桩处焊接不可靠，打桩时造成断桩废桩，桩锤能量不足，桩尖打不到标高等。

上海浦东近2年发生此类事故多达数十起，其中有30余层的高楼，也有国家重点工程，事故的发生除造成数千万元的直接损失外，还使工期拖延1-2年，间接损失更大。

（2）预制桩时蒸养升温速度过快，以致其后期强度和抗冲击能力不能满足设计要求。

（3）打桩挤土给邻近建筑或工程设施带来危害，本来对此已有较为成熟的预防措施，但有些地方不加注意。

4.2预应力混凝土管桩

较为普遍的问题是上下节桩连接后停置时间过长，以致续打困难，强行打入则很容易将桩顶打坏。

据统计资料，广东有的工地此类坏桩率达40%以上。

此外，上述预制桩施工存在的问题，预应力管桩也时有发生。

4.3沉管灌注桩

常发生布桩过密、盲目追求打桩速度，或因打桩工艺流程不合理或拔管速度过快而造成的缩颈、位移、断桩、废桩及土体隆起。

江苏连云港曾连续发生多起此类事故，有的断桩率高达70%-100%，以致大面积补桩或不得不将全部桩报废。

山东潍坊、浙江杭州等地也有类似情况发生。

4.4钻孔桩、冲孔桩和挖孔桩

常见的事故是孔壁坍塌、桩身缩颈或膨胀、混凝土离析分层、孔底沉渣超标等。

近年来由于采取了调整泥浆比重、实施压力灌浆等措施，使情况有所改善，挖孔桩也基本做到了安全施工。

用此类桩组成排桩作基坑支护时，由于桩身质量差或计算有误等原因造成桩断坑塌的事故并非偶见。

4.5对上述事故的剖析

上述事故的发生，除了设计不周、地质不详等原因之外，从施工角度考虑，笔者认为主要原因有二:

其一是各种桩型本身都难免有某些潜在的薄弱环节，施工者对之事先未加防护或认真对待;其二是施工时掉以轻心，操作不当，管理不严。

归根结底，是由于施工队伍的素质（包括思想、文化、专业及职业道德）跟不上形势的需要。

实践证明，对于一支素质优良的施工队伍，即使设计、地质或桩型本身有问题，也能防患于未然。

因此，当务之急是全面提高桩基施工队伍的素质，以迎接更艰巨的任务。

5.结语

我国目前应用的桩型具有以下特点:

大中小直径并存，就地灌筑与预制并存，机械成孔与人工开挖并存，锤击、振动与静压并存，以及接近90年代国际水平的工艺与传统工艺并存，等等。

这既是由于地域大、地质条件复杂、工程性质不同等客观实际需要，也是由于我们特别重视桩型经济性所致，它们既符合我国当前的国情，也是发展中国家应采取的技术政策和社会主义市场经济规律的具体反映。

经验证明，对于各种打入桩，尤其是沉管桩，施工须慎之又慎，才能杜绝隐患;另一方面，可以预料桩型的发展还将会因各地日益严格的环保要求而兴衰。

如果以桩型体系中存在的诸多先进因素，或以桩所支承的建筑物的最大高度和桥梁的最大跨度及其技术复杂程度等，作为衡量一国一地桩基施工水平的主要指标，那么，根据我国现状偏保守地说，我国的桩基施工技术水平至少已具有发达国家80年代中期或末期的水平，因此我们可以欣喜地说，我们只用了20年时间就走了发达国家发展桩基经历的百年历程。

我国现在与发达国家在桩基施工技术上的差距主要是:

施工事故频繁，巫应加大整治力度;现场文明程度和施工对环境造成的危害，函需进一步分别改善和控制;一批新桩型，包括能承受超量竖向和横向荷载的巨型灌注桩（矩形或条形，或称Barrette），以及硬土地基的大深度灌注桩等，亟待研究开发，否则，与国外的差距将会拉大。