嵌岩桩提高承载力成套技术施工技术指南.docx
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嵌岩桩提高承载力成套技术施工技术指南
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大直径嵌岩桩受力特性及提高承载力成套技术研究
嵌岩桩提高承载力成套技术
施工技术指南
§1钻孔扩底灌注桩技术………………………………………………………2
1.1钻孔扩底灌注桩的基本原理…………………………………………2
1.2桩身构造及技术参数……………………………………………………3
1.3钻扩桩施工工艺…………………………………………………………4
1.4钻扩桩施工质量保证措施………………………………………………9
§2钻孔灌注桩桩端后压浆技术……………………………………………11
2.1后压浆技术原理…………………………………………………………11
2.2桩端后压浆施工工艺……………………………………………………11
嵌岩桩提高承载力成套技术
施工技术指南
§1钻孔扩底灌注桩技术
扩底桩的施工方法主要有人工挖孔扩底法和钻孔扩底法两种。
人工挖孔扩底法在工程实践中应用广泛，技术经验也十分成熟，但是仍存在着应用上的局限性，特别是受工程地质条件和水文地质条件的影响很大。
在地下水丰富的地层中施工人工挖孔桩，不仅难度很大，且不安全，同时需要配合进行降水，这样不仅增加了施工的难度，还影响施工进度，增加工程费用；穿越流砂、软土层难度大且危险性大，井下施工条件恶劣，伤亡事故率偏高。
当遇到孤石或在中、微风化岩层开挖时，需要进行爆破施工，危险性较高。
因此，人工挖孔扩底法难以满足各种地层条件下实际工程的需求或者有效解决各种施工危害。
钻孔扩底灌注桩作为一种新桩型不但能适应各种地层条件且可避免各种施工危害和安全隐患，同时节省大量投资。
钻孔扩底灌注桩技术从1998开始在深圳地区得到应用以来，在我国部分地区得到使用，积累了一定的施工经验，取得了较好的经济效益和社会效益。
但该技术在桥梁桩基础中还未得到应用。
本课题通过对该技术在工程实践中的应用情况进行全面总结，形成一套系统的技术方法，为该方法的应用提供可靠的依据。
1.1钻孔扩底灌注桩的基本原理
钻孔扩底灌注桩（简称钻扩桩）是在直状钻孔桩基础上对施工工艺进一步改进和完善的新桩型。
施工时当柱状钻头（见图1-1）钻到设计持力层后，再换上特殊的扩底机械（扩底钻头，见图1-2），通过加压撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切削地层，对柱状钻孔灌注孔的底部进行扩大，在达到设计要求的扩底直径后浇灌硷成桩，形成底部混凝土扩大头。
同时采用泵吸反循环工艺钻进成孔和清孔，减少孔底的沉渣厚度，从而提高桩端承载力。
1.2桩身构造及技术参数
钻扩桩由直孔段和扩底段组成。
扩底直径比D/d按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）的要求，挖孔桩不应大于3，钻孔桩不应大于2.5。
在实际应用中，为达到既充分发挥桩身承载力作用，又提高经济效益的原则，一般选择扩底直径比D/d为2。
图1柱状钻头图2扩底钻头
图3为扩底段结构图，在桩端有一沉渣孔，其直径一般为300-400mm，高度一般为300-420mm，其目的为储存少量未清理干净的孔底沉渣，同时又不削弱桩端承载力。
图3钻扩桩扩底段结构图
d－直孔段直径，D－扩底最大直径，d’－沉渣孔直径，h1－扩底矢高，h2－扩底最大直径高度，h3－扩底段斜边高度，θ－扩底边锥角
根据广东地区钻扩桩的应用实践，扩底段各部分尺寸见表1。
表1钻扩桩直径与扩底端高度关系表
桩径d（mm）
扩底直径D（mm）
h1高度（mm）
h2高度（mm）
h3高度（mm）
夹角θ（0）
600
l200
l95
300
824
20
700
1400
227
300
962
20
800
1600
260
300
1099
20
900
1800
292
300
1236
20
1000
2000
325
320
1374
20
1100
2200
355
320
1511
20
1200
2400
390
320
1648
20
1300
2600
420
340
1786
20
1400
2800
455
350
1923
20
1500
3000
485
350
2061
20
1600
3200
520
350
2198
20
1700
3400
550
350
2335
20
1800
3600
585
350
2473
20
1900
3800
615
350
2610
20
2000
4000
650
350
2747
20
2100
4200
682
360
2885
20
2200
4400
715
360
3022
20
2300
4600
747
360
3160
20
2400
4800
780
360
3297
20
2500
5000
812
360
3434
20
1.3钻扩桩施工工艺
1.3.1施工工艺流程
钻扩桩是在普通钻孔桩基础上发展起来的新桩型，其工艺流程比普通钻孔桩多了一道扩底的工序，即为:
放线定位－埋设护筒－钻机就位－钻进成孔－第一次清孔－换扩底钻头－扩底成孔－第二次清孔－成孔检测－安放钢筋笼－下导管－第三次清孔－灌注混凝土成桩。
图4为钻扩桩的施工流程图。
1.3.2成孔工艺
1.护筒埋设
护筒用6～8mm钢板卷制焊接而成，护筒直径比设计桩径大200mm，上部开一个溢浆口。
护筒埋设时先开挖比护筒直径大0.2～0.3m，深1.3m左右的基坑，吊入护筒，按桩位中心线找正后四周倒入粘土压实，并认真进行复测以确保护筒中心与桩位中心一致，要求护筒中心与设计桩位中心偏差控制在50mm以内，护筒顶端应高于地面0.2m。
护筒底部用铁钎探测有无障碍物，若遇障碍物必须及时处理，必要时加长护筒高度。
护筒埋好后用钢丝绳做保险系在钢轨上。
测量放线定桩位
辅轨、埋设护筒
循环系统布置
开钻前准备
钻机就位校正
泥浆配制
反循环钻进成孔
换浆、浆渣外运
反循环清孔
换扩底钻头扩底
反循环二次清孔
终孔验收
钻机移位
钢筋笼制作
砼垫块制作
钢筋笼吊安
下入灌注导管
灌注设备就位
孔底沉渣检验
砼配制
反循环三次清孔
试件制作养护
灌注砼
灌注设备退位
起拔护筒
浆渣外运
回填清场
图4钻扩桩的施工流程图
2.轨道铺设
轨道铺设须遵守以下规定：
轨道的铺设，连接须按桩孔中心线平行摆放，枕木的摆设要牢固，不沉陷；轨道中心线与桩位中心线一致；轨道连接处用鱼尾板（夹板）将钢轨固定，钢轨两侧用轨道钉固定。
3.钻头与钻进参数
根据桩基设计，场地地层和设备性能，设计采用双腰带笼式钻头。
钻进参数：
①第四系粘土及砂土层钻进压力15～20KN,转速13～23r/min,泵量180m3/h。
②强风化层钻进:
压力20～30KN,转速13r/min。
4.钻进
⑴开钻前要全面检查钻机的各运转部位是否灵活可靠，润滑油是否够量，钻机安装是否平稳水平。
天车、转盘和桩位中心三者应在同一铅垂线上。
⑵根据土层岩性、孔径、孔深和泥浆消耗量来确定钻速。
⑶在护筒下１m范围内，宜慢速钻进，钻速不得大于2.0m/h；
⑷在淤泥或淤泥质土层中，钻速不宜大于1m/min；
⑸在松散砂层中，钻速不宜大于3.0m/ｈ。
为保证钻孔的垂直度，钻具要同心，导正性能要好。
5.入岩判断与终孔
入岩的判断方法主要是参考设计桩长、地质资料所反映持力层的埋深以及钻机的钻进速度，结合孔底返渣取样鉴定进行综合判断。
在钻进接近设计参考深度时开始观察返渣情况，取样验证。
监理、工勘部门确认已进入持力层后，再继续钻进达设计的入持力层深度。
再取样，并结合钻进时效确定能否终孔。
强风化岩时效一般50cm/h，中风化岩5cm/h，如时效过高须与有关人员商量加深钻孔。
每孔留取适量岩样备查。
6.扩底
当笼式钻头钻至桩持力层、经确认终孔并清孔后，即换入扩底钻头进行扩底。
⑴强风化岩层扩底采用合金扩底钻头。
合金扩底钻头基本结构为三翼下开式，刀齿为硬质合金，主要部份包括扩底翼、加压翼、底盘、连杆等，该系列钻头结构简单，使用方便、操作灵活、扩底直径、准确、可靠，检测方便，其扩底原理是：
将扩底钻头下入孔底，钻杆下降时，由钻杆的自重压缩上、下回转杆，继而通过连杆加压翼支撑开合金扩底翼，当驱动回转钻杆时便切削岩土实现扩底功能。
⑵使用前在地面检查钻头收缩和张开是否灵活（张、收试验）。
将钻头用吊车或钻机的卷扬机提起，然后缓缓放下，扩底钻头的扩底翼将随之收缩和张开，如此反复数次，使钻头动作灵活。
⑶地面进行张、收试验时，准确测量以下数据：
根据工程所需要的扩底直径，选择与桩身孔径相适应的扩底钻头，在地面试验确定其行程。
具体方法为：
用吊车吊起扩底钻头，然后下放于地面使扩底翼片扩张达到设计扩底直径时量取钻头总长H1，缓慢上提扩底钻头，使上下回转杆之间通过一定的行程扩底翼片收缩达到设计桩身直径，再量取钻头总长度H2，（H1-H2）即为扩底钻头扩底行程。
同一扩底钻头有不同扩底直径的扩底行程；每一定距离的扩底行程所对应的扩底直径，做到在扩底时心中有数，一旦孔内发生事故，造成扩底工作无法进行时，可以确定已完成的扩底直径，将数据提供给设计部门，便于计算桩的承载力和事故处理。
⑷扩底钻头入孔前，在地表进行整体强度检验，其主要内容为焊接部位是否牢固，销轴联结是否安全可靠，收张是否灵活，检查无问题后下入孔内。
⑸当扩底钻头下入孔底后，在主动钻杆上用粉笔记号或在扩底钻头固定好相应的行程限位器，以便确定扩底终点。
⑹扩底前，将扩底钻头提离孔底，使其处于悬吊状态，起动钻机和水泵，待钻机和水泵工作正常后即可开始扩底；扩底采用低速回转的技术参数，开始时不随意加压，当运转平稳后，依据钻机的能力和孔内的反映情况，适当调整压力。
⑺正常扩底时，无异常情况下不无故提动钻具。
⑻在扩底完成确定的行程后，在原位继续回转至清孔完毕后即可提钻。
提钻时轻轻地、缓慢地提动钻具，使之产生一定的向上收缩力，在径向和轴向的双重作用下，收拢钻头，提出孔口，如果出现提钻受阻现象，不急躁、不强提猛拉，采取上下窜动钻具，并在钻头脱离孔底的情况下，轻轻旋转，使钻头慢慢收拢。
⑼扩底钻头提出孔外后，及时冲洗干净，并进行检查，发现问题及时修理，以备下次使用。
1.3.3扩底成孔检测
扩完底后第二次清孔，在灌注混凝土前为了了解钻孔扩大头直径、形状、沉渣厚度、孔深、垂直度等情况，可通过CD-1型超声波大口径桩孔检测仪检测。
通常抽取总桩数的10％进行超声波检测。
1.3.4清孔
清孔方式：
采用泵吸反循环清孔。
利用泵吸反循环钻进成孔及清孔，具有泥皮薄、沉渣少、桩孔质量优等优点。
第一次清孔：
钻进达到设计深度后，先将钻头提离孔底约50cm，进行换浆清孔，回流泥浆比重控制在1.20左右。
第二次清孔：
扩底完成后，即进行第二次清孔。
第三次清孔：
在下入钢筋笼、灌注导管灌注砼前换泥浆，进行第三次清孔确保沉渣厚度满足设计要求。
即不大于50mm。
采用泵吸反循环清孔时，回流孔内的冲洗液不小于砂石泵的排量，防止冲洗液给量不足，孔内水位下降导致垮孔；返回孔内冲洗液的比重控制在1.15-1.25，孔内水头高度保持不小于1.5m。
清孔过程中，不断测量孔底沉渣厚度、泥浆比重，泥浆性能满足规范要求立即停止清孔，以防吸坍孔壁。
孔底沉渣厚度用标准测绳量测，泥浆比重用比重计测定，粘度用粘度计测定。
在第三次清孔过程中，不断置换泥浆，直到商品砼运输车进入现场，孔底沉渣、泥浆性能满足要求后，即刻开始进行灌注混凝土准备，浇灌混凝土前，孔底500mm以内的泥浆比重小于1.20，含砂率≤8％，胶体率≥90％，粘度≤25s。
一般（18-22秒）容易塌孔土层，泥浆比重小于1.3。
1.3.5灌注混凝土成桩
成孔工序完成之后，接着安放钢筋笼，安放导管，灌注混凝土成桩。
在灌注过程中如何保证扩底后混凝土的初灌量至关重要。
以下是扩大头混凝土量的计算方法（忽略了沉渣孔的部分容积）。
圆锥体：
圆台体：
圆台：
扩大头用砼量：
1.4钻扩桩施工质量保证措施
1.4.1成孔质量保证措施
⑴开钻时，应稍提钻杆，在护筒内旋转造浆，开动泥浆泵进行循环，待泥浆均匀后以低档慢速开始钻进，使护筒脚处有牢固的泥皮护壁。
钻至护筒脚下1.0m后，方可按正常速度钻进，再放下钻头旋转。
钻进过程中必须保证钻孔的垂直。
如护筒底土质松软，发现漏浆时，可提起钻头，向孔中倒入粘土。
再放下钻头倒转。
使胶泥挤入孔壁堵住漏浆空隙，稳注泥浆，继续钻进。
⑵在钻进过程中，应注意地层变化，对不同的土层，采用不同的钻进方法，在粘土中钻进，中等转速，大泵量稀泥浆，进尺不得太快。
在砂土或软土层中，钻进时要控制进尺，低档慢速大泵量，稠泥浆钻进，防止泥浆排量不足，钻渣来不及排除而造成埋钻事故。
在土夹砾（卵）石层中钻进时，宜采用低档、慢速、良好的泥浆，大泵量。
⑶钻进过程中，要随时观察孔内水位及进尺变化情况，钻机的负荷情况，以便判断坍孔或漏浆。
⑷钻进过程中，对于地层交界处软硬不匀，卵石料径大小悬殊，采用低速慢钻，上下反复扫孔，并随时注意占杆垂直度检测。
⑸在松软土层中钻进，根据泥浆补给情况控制钻进速度，在硬层中或岩层中的钻进速度以钻机不发生跳动为准。
⑹为了保证钻孔的垂直度，经常观察钻机平台是否平稳，转盘是否水平，若平台、转盘不成水平状态，发生倾斜，立即利用水平尺校正以防止斜孔。
⑺钻进过程中如发生斜孔、塌孔和护筒周围冒浆时，立即停钻，待采用相应措施后再继续钻进。
⑻施工期间护筒内的泥浆面控制在高出地下水位1m以上，在受水位涨落影响时，泥浆面控制在高出最高水位1.5m以上。
⑼钻速不要太快，在孔深4米以内不要超过2m/h，往后也不要超过3m/h。
⑽钻进过程中，经常注意泥浆指标变化情况，并掌握好孔内泥浆面高度，发现变化后及时调整。
1.4.2保证扩底直径措施
⑴扩底前保持孔底干净，钻渣清除彻底；
⑵下入扩底钻头前在地面上认真量取扩底钻头尺寸，确定行程；
⑶扩底钻头下入孔内后，保证到达孔底，并按行程扩到位；
⑷按总桩数的10％进行扩底直径抽检，检测仪器用CDJ-1型超声波大口径桩孔检测仪，通过检测仪可了解钻孔扩大头直径、形状、沉渣厚度、孔深、垂直度等情况。
§2钻孔灌注桩桩端后压浆技术
2.1后压浆技术原理
桩侧摩阻力和桩端阻力的大小及作用特性除与土层条件、桩的几何尺寸等有关外，还受施工工艺的影响。
在工艺因素中，以泥皮和孔底沉渣的影响最大。
①泥皮的影响。
在成孔过程中，为维持孔壁稳定，避免出现坍塌和缩径现象，钻孔桩一般采用泥浆护壁。
泥浆中的粘土颗粒在循环过程中吸附于孔壁，形成泥皮，从而起到保护孔壁的作用。
但泥皮的存在，阻碍了桩身混凝土与桩间岩或土的粘结，不同程度地降低了桩侧摩阻力。
摩阻力降低的程度与泥皮的质量、厚度等有关，泥皮质量越好，厚度越大，摩阻力越低。
②孔底沉渣的影响。
成孔过程中产生的钻屑与泥浆混合在一起形成悬浊液，当孔内循环终止时，就会不断产生沉渣，而要将孔内沉渣通过清孔全部带出至地表比较困难。
特别是当孔内泥浆比重、粘度较大，清孔不彻底时，沉渣往往较厚。
孔底沉渣的存在不仅降低端阻力，还对一定范围内的桩侧阻力产生弱化作用，因此，是影响钻孔灌注桩承载力的重要因素之一。
后压浆技术的基本原理是通过预先设置于钢筋笼上的压浆管，在桩体达到一定强度后（一般7—10天），向桩底压浆，固结孔底沉渣和桩侧泥皮，并使桩端和桩侧一定范围内的土体得到加固，从而达到提高承载力的目的。
后压浆技术自出现以来，在全国多个城市得到广泛应用。
近年来随着国家基础设施建设投资规模的日益增大，公路桥梁建设中的大直径超长钻孔灌注桩基础开始应用该项技术，如杭州湾跨海大桥，苏通大桥等，均取得了良好的效果。
后压浆的适用土层从以砂土为主，发展到在粘性土中得到应用，应用范围不断扩大，但在嵌岩桩中的应用还处于摸索阶段。
本课题组为解决嵌岩桩承载力的可靠性问题，开发适用于嵌岩桩的桩端压浆技术，在多个工程中进行了试验，取得了良好的应用效果。
2.2桩端后压浆施工工艺
2.2.1施工机具及劳动组织
⑴压浆设备（每班组）：
注浆泵（两台，一台注浆，一台清洗），浆液搅拌机，储浆桶，压浆管路，12MPa压力表，球阀，溢流阀，水准仪，16目纱网。
注浆泵必须配备卸荷阀，限定压力8-9MPa。
注浆泵最小流量不大于60L/min。
为确保压浆过程中不因机械事故而停顿，压浆设备必须有备用件。
⑵压浆装置：
桩端注浆管，桩身竖向导浆管。
桩身竖向导浆管可由声测管兼。
⑶施工中除压浆设备外，尚应配备以下机具：
电焊机、切割机、称量外加剂的计量器具等。
⑷后压浆施工班组可配5～6人，其中包括操作工人和具有施工经验的技术工人。
施工前应对有关人员进行技术培训和安全教育。
施工区设立警示牌，非工作人员严禁进入，防止受到高压浆液伤害。
⑸应经常检查和维修压浆设备、机具，并建立安全员负责制，对设备、电路等进行全面的检查，对压力表应定期检查、标定，合格后方可使用。
2.2.2桩端后压浆施工
1.桩端后压浆施工工艺流程
①泥浆护壁成孔。
成孔质量应满足有关的钻孔灌注桩施工要求。
②放钢筋笼及桩端压力注浆装置或桩侧压浆装置。
压力注浆装置绑扎在钢筋笼内侧，随钢筋笼同步放入孔内。
③按有关规范、规程要求灌注混凝土。
④进行压力注浆。
当桩身混凝土强度达到一定值（通常为75%）后，通过地面压力系统经桩端压力注浆装置向桩端土层压浆。
⑤卸下注浆接头，成桩。
桩端后压浆施工工艺流程见图5。
2.压浆前准备工作
①压浆管于安装前应进行清洗，以清除管内杂物。
②在桩混凝土浇筑完成后24-48小时，由压浆泵用清水将桩端注浆管单向阀冲开，确保压浆管路系统畅通。
③压水试验和压浆前，进行压浆管及接头耐压试验，并认真检查高压设备及管路系统，确保设备正常运转。
④计量好每盘外加剂，装进塑料袋，保证其掺量的准确性。
钻进成孔
校深、一次清孔
下钢筋笼压浆管
下灌浆导管
二次清孔
浇灌混凝土
压浆开塞
制作钢筋笼
制作压浆管
压浆管检验
测量沉渣
浆液制备
压浆施工
养护
图5桩端后压浆工艺流程
3.浆液的配制
①压浆水泥：
采用Po42.5Mpa或Po32.5Mpa普通硅酸盐无结块的双检水泥。
可根据需要加入外加剂。
②水泥浆性能要求：
水灰比0.5～0.6；28天强度：
≥70%桩身强度。
③浆液配制程序：
先放水，再加外加剂，搅拌均匀后加水泥。
④严格控制浆液配比，搅拌时间不少于2分钟，浆液应具有良好的流动性，
不离析，不沉淀，浆液进入储浆桶时必须用16目纱网进行2次过滤，防止杂物堵塞压浆孔及管路。
⑤试桩浆液最终配方必须通过现场试配确定，确认达到性能指标后，再付诸使用。
4.压浆管路布置及压浆管制作
①压浆管布置原则：
便于安装和保护。
②桩端压浆管制作要求：
桩端压浆管在下部均匀设置4～5排共Φ8mm钻孔；每个钻孔单独制作，形成一个单向阀。
其构成由三层组成：
第一层为逆止阀；第二层为弹性密封层；第三层为保护层。
③注意事项：
制作前，压浆管密封部位应用细砂纸打磨；应进行地面试压试验。
2.2.3桩端后压浆施工质量控制措施
1.后压浆施工控制原则
压浆总体控制原则：
实行压浆量与压力双控，以压浆量（水泥用量）控制为主，注浆压力控制为辅。
若注浆压力达到控制压力，并持荷5分钟，注浆量达到80％，也满足要求。
2.后压浆施工要点
①确保工程桩施工质量。
满足规范对沉渣、垂直度、泥浆比重、钢筋笼制作质量等要求；安装钢筋笼时，确保不损坏压浆管路，下放钢筋笼后，不得墩放、强行扭转和冲撞。
②压浆管下放过程中，每下完一节钢筋笼后，必须在压浆管内注入清水检查其密封性，若压浆管渗漏必须返工处理，直至达到密封要求。
③压浆管接头可采用丝扣或接箍套节焊。
必须保证管路密封，以防泥浆进入管内。
④压水开塞时，若水压突然下降，表明单向阀已打开，此时应停泵封闭阀门10-20min，以消散压力。
当管内存在压力时不能打开闸阀，以防止承压水回流。
⑤压浆工作一般在混凝土浇注完毕后3~7天进行。
也可根据实际情况，待桩的声测工作结束后进行。
⑥每管压浆完毕后，阀门封闭不小于10分钟，再卸阀门。
⑦水泥浆制配时，严格按配合比进行配料，不得随意更改。
⑧在压浆过程中，若发生不正常现象（如注浆泵压力表越来越高或突然掉压，地面冒浆等）时，应暂停压浆，查明原因后在继续压浆。
⑨有专人负责记录压浆的起止时间、注入的浆量、压力；测定桩上抬量。
⑩每根桩后压浆施工过程中，浆液必须按规定做试块。
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