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爆破论文
现浇混凝土薄壁管桩技术及其在工程中的应用
前言
现浇混凝土薄壁管桩（下称PCC桩）是河海大学岩土工程研究所刘汉龙教授等人开发研制的一种软土地基加固专利技术，专利号ZL01273182.X，CN1367296A。
是一种近年来刚刚兴起的新型优质高效桩型，在国内属于初期应用开发阶段。
它是采用振动沉模自动排土，现场灌注混凝土而形成管桩来加固软土地基的。
具体步骤是依靠沉腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体在活瓣桩靴的保护下打入预定的设计深度，在腔体内现成浇注混凝土，之后振动拔管，在环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。
其加固效果好（1m桩径的管桩加固面积一般大于10m2）、施工简易（加固同等面积软土地基效率提高40%以上）、成本节约（大直径管桩，节约大量砼）、适用范围广（多层及小高层建筑物、高速公路、市政道路、大型油罐及煤气柜、瀑气池、沉淀池、江河堤防等的地基处理），越来越被广泛应用于各种软基处理工程。
本文以在建的京津高速公路天津段项目第六合同段软基处理工程为依托，介绍PCC桩的技术原理、施工组织、施工工艺及施工方法，并根据试验检测与其它几种类型的桩相比较，总结其技术的优越性和先进性，为以后PCC桩的施工总结经验，提供技术指导，借以增强我公司的技术水平，提升公司的品牌效应。
现浇混凝土薄壁管桩技术原理
一、技术原理
振动沉模大直径现浇管桩动力设备是振动锤，振动锤的两根轴上各装有偏心块，由偏心块产生偏心力。
当两轴相向同速运转，横向偏心力抵消，竖向偏心力相加，使振动体系产生垂直往复高频率振动。
振动体系具有很高的质量和速度，产生强大的冲击动量，将环形空腔模板迅速沉入地层。
腔体模板的沉入速度与振锤的功率大小、振动体系的质量和土层的密度、粘性、粒径有关。
振动体系的竖向往复振动，将腔体模板沉入地层。
当激振力R大于以下三种阻力之和：
刃面的法向力N的竖向分力、刃面的摩擦力F的竖向分力，腔体模板周边的摩阻力P的合力时（见下图），模板即能沉入地层；当R与N、F、P竖向分力平衡时或达到预定深度时，则模板停止下沉。
由于腔体模板在振动力作用下使土体受到强迫震动产生局部剪胀破坏或液化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减小，提高了腔体模板的沉入速度。
同时挤压、振密作用使得环形腔体模板中土芯和周边一定范围内的土体得到密实。
该成桩机理为：
（1）模板作用。
在振动力的作用下环形腔体模板沉入土中后浇注混凝土；当振动模板提拔时，同时混凝土从环形腔体模板下端注入环形槽孔内，空腹模板起到了护壁作用，因此不会出现缩壁和塌壁现象。
从而成为造槽、扩壁、浇注—次性直接成管桩的新工艺，保证了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。
（2）振捣作用。
环形腔体模板在振动提拔时，对模板内及注入槽孔内的混凝土有连续振捣作用，使桩体充分振动密实。
同时又使混凝土向两侧挤压，管桩壁厚增加。
（3）挤密作用。
振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩在施工过程中由于振动、挤压和排土等原因，可对桩间土起到一定的密实作用。
挤压、振密范围与环形腔体模板的厚度及原位土体的性质有关。
二、适用范围
适用范围振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩技术适用于各种结构物的大面积地基处理。
如
（1）多层及小高层建筑物地基处理；
（2）高速公路、市政道路的路基处理；
（3）大型油罐及煤气柜地基处理；
（4）污水处理厂大型瀑气池、沉淀池基础处理；
（5）江河堤防的地基加固等。
地基处理的土层，应以以下土层为代表：
（1）表层土：
有1～2m厚的填土，或可～软塑的素填土3～5m。
（2）下部土层：
以软～流塑状态的粉土、粉质粘土为主体。
（3）底部土层：
以进入砂层为持力层，稍密的砂约1～2m，中密以上的进入该层0.5m；
（4）对于砂土的夹层厚度不宜大于4m的土层。
根据以上几点的要求，该机械设备制作的管桩应具有一定的承载力及抗水平的推力；该桩型同时也可放置钢筋笼及改进桩尖结构增大筒内土体的挤密作用，以提高其承载效果。
现浇混凝土薄壁管桩在工程中的应用
一、工程概况：
京津高速公路天津中段工程是2008年奥运会重点工程，第六合同段工程路线起点位于北辰区霍庄子，从京津高速公路天津段工程第五标段终点开始，沿北京排污河西侧向北，经赵庄子东侧，接京津高速公路天津中段工程第七标的修筑起点为终点。
起点桩号k37+638.23，终点桩号k42+600，全长4.96公里。
其中k38+942.5中桥桥头用现浇混凝土薄壁管桩进行软基处理，共2个工点，工程量12328m。
二、自然地理概况
1、地形、地貌：
沿线主要为河流相或海相沉积，以粘土、亚粘土、砂层为主。
地质情况见右图。
2、气候、水文：
本合同段所经地区属大陆性气候，年平均气温9.2度，月平均最高气温28.3度，最低-17.2度。
年平均降水量429mm，多集中在5-8月份，相对湿度最大76%，最小29%。
冬季多西北风，初春风力可达8级。
11月初开始封冻，11月下旬开始降雪，翌年4月解冻。
三、设计资料：
根据设计文件，PCC桩桩径1.0m（外径），桩距3.0m，三角形布桩，管壁厚0.12m，打桩时第一排桩应距桥头背墙3m。
布桩图见下图。
天津方向：
北京方向：
A区桩数为104，桩长16mA区桩数为104，桩长16m
B区桩数为78，桩长14mB区桩数为78，桩长14m
C区桩数为291，桩长12mC区桩数为277，桩长12m
四、人员、设备、材料：
1、人员情况：
序号
职务
数量
职责
1
施工队长
1
负责协调、管理所有内、外部协调事务
2
技术员
1
负责解决施工技术问题
3
钻机操作手
2
钻机施工及机械日常维护
4
发电机操作手
2
保证电力供应及电力机械维护
5
砼搅拌机操作手
2
保证砼供应及砼质量
6
配合工
8
冲洗、移位、配合等杂务
7
测量
2
桩位放线和桩间距、桩的垂直度等的检测
2、设备情况：
1、振动沉模现浇薄壁管桩施工机具：
主要技术性能要求：
（1）沉桩深度达25m以上；
（2）桩径为1000~1500mm；
（3）管桩壁厚100~150mm；
（4）混凝土可多次加料；
（5）提升力达到30t，压桩力加上高频振动荷载达到100t。
主要组成部分：
（1）底盘（含卷扬机等）；
（2）龙门支架：
可以保证桩机稳定，提供足够的抗拔力；
（3）振动头：
产生的激振力，提供足够的压桩力，将套管沉入到底层中去。
（4）钢质内外套管空腔结构：
形成大直径管桩，（可达1.5m以上），与实心桩（一般桩径小于600mm）相比，提高桩摩擦力，节省大量混凝土，从而大大降低造价。
（5）活瓣桩靴结构：
避免使用预制钢筋混凝土桩头，降低造价，加快施工进度，并可以调整成桩挤土方向。
（6）成模造浆器等：
遇到硬夹层时，减少沉管时环形套模内外摩擦阻力，保护桩芯和侧壁土稳定。
（7）混凝土分流器：
避免浇筑时，混凝土离析和厚度不均匀。
3、材料情况：
混凝土标号：
C15，水泥用P32.5普通硅酸盐水泥，中砂，5~25mm碎石。
混凝土应以细石料为主，适当掺入减水剂，以利于腔体中混凝土的流动。
配合比：
水泥：
砂：
碎石：
水：
矿粉=1：
2.97：
4.27：
0.76：
0.252
五、工艺流程
场地平整→测量放样→桩基就位→振动沉管→浇筑混凝土→振动拔管→移机搅拌混凝土
六、施工准备：
1、熟悉地基与基础的施工详图，熟悉施工场地范围内的高压线、电话线、地下管线、构筑物等有关资料。
2、按工程实际需要配备足够的人员、设备，组建施工队伍。
3、搭建现场施工临时设施，如供水、供电、道路，临时用房，工作台、材料等。
4、平整场地，清除地下障碍物。
当场地低洼时应回填粘性土料，不得回填杂填土料；当地表过软时，应有采取防止机械失稳的措施；当在边坡附近施工时应考虑施工对边坡的影响，并采取确保边坡附近施工时应考虑施工对边坡的影响，并采取确保边坡稳定的措施；当在基坑边抢险施工时，应考虑操作作业面，设备的稳定性并采取安全防护措施。
5、由技术人员、安全员进行技术和安全操作交底，使操作人员能理解施工目的、工艺流程、技术参数、机械性能及安全操作规程等，确保施工质量和施工安全。
6、测量人员按布桩图施工放样，复核。
测量放线完成，经监理工程师检查认可后，依据施工规范和设计图纸的标准和要求，按桩位进行PCC桩的施工。
7、现场准确测放桩位，钻机就位平整稳固，对位误差﹤1.5cm。
测量人员随时用经纬仪或铅垂线严格控制钻机立轴垂直度，保证成孔垂直度﹤1%。
七、试桩
施工前根据设计资料，结合工程实际情况进行试桩。
通过试桩，检验施工设备是否满足施工要求，确定施工参数及施工工艺是否满足设计和规范要求。
在试桩时注意以下几个方面：
（1）成孔时判断处理区地层情况是否与设计资料一致；
（2）当土层中含有较多的大粒径块石，以及地下水流速过大等，必须通过试桩确定其适用性。
2006年6月8日到2006年6月20日，在k38+942.5中桥北京方向的特殊路基处理范围内进行试桩，此中桥特殊路基的处理范围共分A、B、C三个处理区过渡，对应桩长分别为16m、14m、12m，根据施工图纸对试验桩数量的要求，选取具有代表性的试验桩16m的3根，14m的3根，12m的3根。
经天津市建联基础工程检测服务有限公司对试桩进行单桩承载力试验、符合地基承载力、低应变、抽芯试验，确定我合同段所使用的机械设备、材料、施工参数和施工工艺可以满足设计及规范要求。
八、PCC桩施工：
PCC桩采用隔孔隔排施工及间隔跳外法，先长后短，且间隔时间应大于36小时。
1、沉管成孔：
启动振动设备，依靠压桩力和高频振动荷载进行沉管。
沉管速度无特殊要求，根据地层情况调整，如遇到硬夹层，可由成模造浆器在沉桩过程中注入泥浆，减少沉入阻力，加快沉管速度。
沉管时，随时检测桩机的垂直度，如有偏差立即调整，保证成桩的垂直度。
如遇到地下障碍物时，应及时将桩管拔出，待处理后方可继续施工。
成孔达到设计深度后应及时验收深度，并做好成孔施工纪录。
验收完毕后尽快浇筑混凝土，减少间隔时间。
2、制备混凝土：
现场严格按照配合比搅拌混凝土，控制好混凝土制备和成孔的配合，尽量减少制备完毕的混凝土的等待时间。
按设计要求检测坍落度，非泵送宜控制在6~8cm，符合要求的方可用于PCC桩的浇筑。
3、浇筑混凝土：
沉管前，即向沉腔内灌满混凝土，混凝土灌注满腔体后，开始振动沉管到预定深度。
然后振动拔管。
先振动5~10s,再开始拔管，边振边拔，每拔0.5~1.0m停拔振动5~10s。
由于混凝土经过振动后，体积减小，当桩尖振拔到距离腔体内混凝土顶面05m左右，再次向腔体内灌注混凝土，然后继续振动拔管，如此反复，直至桩管全部拔出。
这是我施工人员改进了的振动沉管和灌注混凝土的工序顺序（常规方法：
先成孔，在成孔到达预定深度后，向腔内灌注满混凝土，然后边振边拔），即在沉管以前，向环形腔体内灌注满混凝土，然后沉管成孔，既增加了压桩力，加快了沉管速度，到达设计孔深后，也可直接振动拔管，减少等待灌注混凝土的时间，减少了对周围土的扰动影响，保证了成桩质量。
浇筑混凝土用小型运输车倒运，卷扬机提升料斗进行浇筑。
随时测定混凝土的坍落度，保证混凝土质量。
同时，按设计要求制作混凝土试件，检验其质量。
当气温低于0℃时，浇筑混凝土应采取保暖措施，浇筑时，混凝土的温度不得低于5℃，当气温高于30℃时，应根据具体情况对混凝土采取缓凝措施。
为保证在含地下水地层中桩的质量，保证在成桩过程中地下水、流砂、淤泥不自桩靴进入管腔，浇筑采用二步法工艺，即在成桩管下到地下水位以上即进行第一次浇筑，将桩靴完全封闭，然后继续下到设计深度后进行第二次浇筑成桩。
浇筑后的桩顶应高出设计标高至少50cm，待基础开挖时剔除至设计标高。
4、振动拔管：
边振动边拔管，拔管速度不得超过设计速度，避免出现断桩及混凝土振捣不密实的情况。
一般情况下，拔管速度宜为1.2~1.5m/min，在砂性土层中，宜放慢上提的速度，在软弱土层中，宜控制在0.6~0.8m/min。
必须严格控制最后30s的电流、电压值，其值按设计要求或根据试桩和当地经验确定，一般控制在。
5、由于桩间土与桩周土和桩之间存在差异沉降，为了保证桩与土共同承担荷载，并调整桩与桩间土之间竖向荷载及水平荷载的分担比例，减少基础底面的应力集中问题，在桩顶设置50cm碎石褥垫层，在垫层中间铺设一层钢塑土工格栅，从而形成PCC桩复合地基，提高PCC桩的加固效果。
九、质量检测
1、检测标准：
（1）根据设计文件要求，PCC桩质量标准按照下表的规定检查：
技术内容
允许偏差
桩位中心位置
150mm
桩径
不小于设计桩径
桩身斜度
小于1%
桩壁厚度
不小于设计厚度
桩深
比设计深度超深不小于50mm
桩顶标高
±50mm
（2）桩身质量检测采用以下方法：
①桩身完整性检查：
现场开挖检查桩身外观质量，并在桩壁钻芯取样进行室内试验，该项工作在桩基完工14天后进行，检查数量不得少于3根。
②低应变动力检测：
根据《基桩低应变动力检测规程（JTJ/T93-95）》的规定，对桩身完整性进行检测，动测时在桩体上应取4个测点。
③采用现场静荷载试验确定单桩竖向极限承载力标准时，在同一条件下的试桩数量不小于总桩数的1%，且不应小于3根，工程总桩数在50根以内时不应小于2根。
试验及单桩竖向极限承载力取值按《建筑桩基技术规范（JGJ94-94）》中的附录C进行。
④采用高应变试验时，应对桩头采取封闭措施，防止因试验造成的桩体破坏，按《基桩高应变动力检测规程（JGJ106-97）》的有关规定进行。
⑤PCC桩单桩承载力不应小于800KN，符合地基承载力不应小于160KPa。
2、检测结果：
2006年7月12日，天津市建联基础工程检测服务有限公司对我第六合同段k38+942.5中桥桥头软基处理PCC桩进行检测，结果如下：
（1）单桩静载试验结果表：
序号
位置
试验
点号
设计
桩长
（m）
设计
桩径
（m）
最大加载量
（m）
最终沉降量
（m）
极限承载力
（KN）
承载力
实测值
（特征值）
（KN）
1
K38+942.5中桥北侧
16-4
16
1000
1600
37.92
1600
≥800
2
36-18
12
1000
1600
16.93
1600
≥800
3
18-12
14
1000
1600
34.46
1600
≥800
4
K38+942.5中桥南侧
38-4
12
1000
1600
24.32
1600
≥800
5
14-8
14
1000
1600
47.89
1600
≥800
6
29-17
16
1000
1600
37.79
1600
≥800
结论：
①K38+942.5中桥北侧16-4、36-18、18-12薄壁管桩单桩竖向极限承载力特征值均≥800KN，达到设计要求；②K38+942.5中桥南侧38-4、14-8、29-17薄壁管桩单桩竖向极限承载力特征值均≥800KN，达到设计要求。
（2）复合地基静载试验结果表：
序号
位置
试验
点号
压板
面积
（m2）
置换率
（%）
最大加载量
（KPa）
最终沉降量
（mm）
符合地基极限承载力
（KPa）
s/b=0.008
对应荷载
（KPa）
符合地基承载力（KPa）
1
K38+942.5中桥北侧
5-19
7.79
4.26
320
40.03
≥320
213
≥160
2
30-14
7.79
4.26
320
32.66
≥320
251
≥160
3
28-4
7.79
4.26
320
33.96
≥320
248
≥160
4
K38+942.5中桥南侧
15-17
7.79
4.26
320
45.60
≥320
214
≥160
5
10-4
7.79
4.26
320
36.13
≥320
192
≥160
6
29-9
7.79
4.26
320
45.31
≥320
209
≥160
结论：
①K38+942.5中桥北侧5-19、30-14、28-4薄壁管桩单桩复合地基承载力均≥160KPa，达到设计要求；②K38+942.5中桥北侧15-17、10-4、29-9薄壁管桩单桩复合地基承载力均≥160KPa，达到设计要求。
（3）低应变检测结果表
序号
位置
试验点号
设计桩长（m）
设计桩径（mm）
桩身完整性平价
1
K38+942.5中桥北侧
5-11
12
1000
基本完整
Ⅱ类
2
29-19
12
1000
基本完整
Ⅱ类
3
40-8
12
1000
完整
Ⅰ类
4
31-11
14
1000
基本完整
Ⅱ类
5
30-2
16
1000
基本完整
Ⅱ类
6
K38+942.5中桥南侧
4-10
12
1000
基本完整
Ⅱ类
7
31-3
12
1000
基本完整
Ⅱ类
8
45-9
12
1000
基本完整
Ⅱ类
9
32-10
14
1000
基本完整
Ⅱ类
10
19-15
16
1000
完整
Ⅰ类
结论：
所检测10根薄壁管桩桩身完整性合格。
（4）抽芯检测结果表
桩号
桩长
（m）
外径
（mm）
内径
（mm）
钻芯取样壁厚（cm）
抽芯深度
（m）
抗压强度
（MPa）
前
后
左
右
桥南
15-19
16
1000
760
12.5
14
13
12.5
2.5
＞15
18-10
14
1000
760
13
12
12.5
13
2.5
＞15
22-4
12
1000
760
14.5
13
12.5
13.5
2.5
＞15
桥北
17-7
16
1000
760
12.5
13
12
12.5
2.5
＞15
18-14
14
1000
760
13.5
12.5
12
12
2.5
＞15
18-20
12
1000
760
12
12.5
13.5
13
2.5
＞15
结论：
根据壁厚抽芯检验结果，所抽取的6根薄壁管桩壁厚最小值12cm，达到设计要求；试块强度均＞15MPa，达到设计要求。
十、PCC桩与高压旋喷桩对比
1、加固效果：
（1）单桩承载力：
根据设计文件及现场试验结果，PCC桩（12m、14m、16m）单桩承载力不小于800KN。
高压旋喷桩单桩承载力8m桩长不小于350KN，10m桩长不小于400KN，12m桩长不小于450KN，14m桩长不小于460KN。
（2）复合地基承载力：
根据设计文件及现场试验结果，PCC桩（12m、14m、16m）复合地基承载力不小于160KPa。
高压旋喷桩复合地基承载力8m桩长不小于130KPa，10m桩长不小于140KPa，12m桩长不小于150KPa，14m桩长不小于155KPa。
（3）桩身抽芯：
根据抽芯试验结果，PCC桩抽芯抗压强度＞15MPa，高压旋喷桩抽芯抗压强度一般在3~6MPa。
2、成本及利润
取50×50=2500m2作为一个对比单元。
根据本工程设计文件，采用三角形布桩，在地基土层相似的情况下，要达到相同的加固效果：
PCC桩：
桩距3.0m，桩径1.0m，桩长14m，数量314根，投标报价250元/m，成本190元/m，利润60元/m。
高压旋喷桩：
桩距1.8m，桩径0.6m，桩长12m，数量880根，投标报价110元/m，成本90元/m，利润20元/m。
（1）成本：
PCC桩=314根×14m×190元/m=835240元
高压旋喷桩=880根×12m×90元/m=950400元
成本节约=（950400-835240）/950400=12.12%
（2）利润:
PCC桩=314根×14m×60元/m=263760元
高压旋喷桩=880根×12m×20元/m=211200元
利润增加=（263760-211200）/211200=24.89%
3、施工效率：
正常情况下，单管高压旋喷桩每天施工的工程量约在200m左右,加固面积50m2左右，加固完毕50×50m2的软基需50天左右。
PCC桩每天施工的工程量约在300m左右，实际加固面积可达170m2，加固完毕50×50m2的软基需15天左右，大大加快了施工进度，提高了施工效率。
从工期角度看，PCC桩所节约的成本是难以用数字来具体衡量的。
十一、安全和文明施工
1、施工安全注意事项
（1）PCC桩操作人员上岗前，须进行安全培训，特殊工种如：
电工必须持证上岗，混凝土搅拌机操作手、钻机司机必须熟悉机械性能、操作熟练、能排除故障并能进行机械维修与保养。
（2）作业人员要严格遵守劳动纪律，覆行自己的岗位职责，工作中不擅自脱岗、不打闹、不睡觉、上班前不喝酒。
（3）作业人员进入施工现场必须穿戴劳动保护用品，上塔作业必须系好安全带，严格执行职工安全规则。
（4）发电机组、混凝土搅拌机必须架设在平整、坚实场地上，松软的场地必须夯实，加垫机台木板。
（5）施工用电必须遵循有关的规定，生产作业现场的电器线路要规范，包括：
无私搭乱接且保护零线齐全完好，严格执行“一机一闸一箱一漏”确保线路完好无破损，易燃易爆场所符合防爆要求。
（6）钻机就位前必须对场地进行平整，剔除淤泥质等软土。
（7）钻机要有效定位，确保钻机稳固，操作过程不发生倾斜、移位、塌陷。
（8）钻机移位时无关人员不得靠近机具，行走时要有专人指挥。
2、文明施工注意事项
（1）施工现场应设置“五牌一图”，并悬挂相应的QHSE管理制度。
（2）进入施工现场人员必须穿戴好劳动保护用品，特种作业人员须持证上岗。
（3）需要断交时，应提前办理断交审批手续，及时通告，并做好警示标志，夜间设置警示灯。
繁华地段应设专人看管。
（4）施工路段经过村镇、集市、路口时，要采取安全措施，防止安全事故发生。
（5）施工现场要做到：
①严格按照“HSE作业计划书”的要求进行生产作业；
②设备机具摆放合理，设备清洁、维护保养及时，无跑、冒、滴、漏、脏、松、缺、废等现象，并有明确的责任人；
③物料摆放整齐合理，规格一致且物流有序；
④有效控制现场车辆，有明显的车辆行走指示路线和必要的防护设施；
⑤废弃物集中处理，禁止私自排放和丢弃；
⑥警示标志齐全，符合现场要求；
⑦现场指挥及监护职责明确，岗位及人员落实。
总结
总起来讲，现浇混凝土薄壁管桩的特点主要有以下几个方面：
1、现浇混凝土薄壁管桩属于空心管桩，无需配筋，节省了大量的混凝土，造价相应降低。
2、使用空腔结构，管径可以达到1.5m以上，由于桩身表面积大，单桩承载力大为提高，与实心混凝土桩或粉喷桩相比，单桩在复合地基处理中有效加固的面积大：
1m桩径的管桩加固面积一般大于10m2；
3、桩壁厚100~150mm，加上环形腔体模板的高频振动，混凝土可以得到充分的振捣，密实性好，不宜断桩，桩体质量有保证，可沉桩较深（25~35m）；
4、隔孔隔排法施工，由于施工过程中的振动、挤压和排土等原因，对地基土进行
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