第一讲桩基础施工技术现状及发展方向

1、2000年5月第29卷第5期施工技术CON STRU CT I ON T ECHNOLO GY编者按本刊从2000年第5期开始举办“桩基础施工”系列技术讲座,由北京市建筑工程研究院教授级高级工程师沈保汉先生主讲。讲座内容突出实用、新颖,重点反映最近10多年来国内外桩基施工发展水平。第1讲阐述桩基础施工技术现状及发展方向,从第2讲起,介绍有关桩型的基本原理、适用范围、优缺点、施工机械、施工特点、施工要点、施工工艺及经常遇到的问题。讲座深入浅出,便于读者推广应用,从而实现提高我国桩基施工整体水平的愿望。桩的施工类型非挤土桩非挤土灌注桩干作业法钻孔扩底灌注桩多节扩孔灌注桩螺旋钻孔灌注桩长螺旋短螺旋机

2、动洛阳铲成孔灌注桩人工挖孔(扩灌注桩泥浆护壁法反循环钻成孔灌注桩钻斗钻成孔灌注桩潜水钻成孔灌注桩正循环钻成孔灌注桩钻孔扩底灌注桩套管护壁法钻斗钻成孔灌注桩短螺旋钻成孔灌注桩贝诺特灌注桩摇动式回转式反循环钻成孔灌注桩长螺旋钻成孔灌注桩部分挤土桩部分挤土灌注桩M IP工法桩C IP工法桩小桩(I M桩桩侧压力注浆桩桩端压力注浆桩冲击钻成孔灌注桩P IP工法桩压注桩(CFA工法桩钻孔压浆桩钻孔压灌超流态混凝土桩爆扩灌注桩钻孔挤扩灌注桩埋入式桩预钻孔埋入式预制桩中掘施工法桩旋转埋设施工法桩喷旋式预制桩打入式开口管桩组合桩挤土桩挤土灌注桩沉管灌注桩静压沉管桩振动冲击沉管桩锤击沉管桩振动沉管桩振动加压沉管

3、桩旋转挤压沉管桩沉管灌注同步桩沉管扩底桩夯击式扩底桩西方扩底桩福兰克桩打孔灌注桩得尔塔桩阿尔法桩中国夯扩桩静压(振动扩底桩锤击振动扩底桩预制平底大头桩长螺旋挤压式灌注桩干振灌注桩挤土预制桩打入式桩冲击施工法桩蒸汽锤落锤柴油锤筒式导杆式液压锤振动施工法桩静压桩图1桩的施工类型收稿日期2000202216作者简介沈保汉(1938,男,浙江余姚人,北京市建筑工程研究院,教授级高级工程师,北京市复兴路34号100039,电话:(01068166316,(01068224422-2328第一讲桩基础施工技术现状及发展方向沈保汉(北京市建筑工程研究院,北京100039中图分类号TU75313文献标识码E文

4、章编号100228498(20000520043203The Presen t Situa tion and D evelop m en t forTechn ique of P ile Founda tion Con structionSHEN B a o2ha n(B eij ing B u ild ing Construction R esea rch Institu te,B eij ing,1000391桩基础施工技术现状111桩的分类桩可按荷载机理、材料、形状、直径(或断面、长度、使用性能及桩端支承情况等多种范畴进行分类,本节主要涉及以下3种分类方法。11111按材料分类桩按材料可

5、分为木桩、钢筋混凝土桩、钢桩及组合材料桩等。其中,钢筋混凝土桩又可分为普通钢筋混凝土桩(简称RC桩,混凝土强度等级为C15C40;预应力钢筋混凝土桩(简称PC桩,混凝土强度等级为C40C80和预应力高强度混凝土桩(简称PHC桩,混凝土强度等级不低于C80。钢桩又可分为钢管桩、钢板桩和H型钢桩。组合材料桩中有钢管外壳加混凝土内壁的合成桩等。11112按形状分类桩按形状可分为圆形桩(实心圆断面桩、空心圆断面桩和管桩、角形桩(三角形桩、四角形桩、六角形桩、八角形桩、外方内圆空心桩及外方内异形空心桩等、异形桩(十字形桩、X形桩、楔形桩、扩底桩、桩身扩大桩、树根形桩、梯形桩、锥形桩、T形桩及波纹形锥形桩

6、等、螺旋桩、带扩大头的钢筋混凝土预制桩、多节桩、多分支承力盘桩、DX桩、凹凸形灌注桩等。11113按施工方法分桩按施工方法可分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩3大类型。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。桩的部分施工类型如图1所示。以埋入式桩为例,图34中仅列出3大类,实际上细分可有60种以上类型;泥浆护壁法钻孔扩底灌注桩的成孔方法亦有40种以上。112常用桩设桩工艺选择11211桩型选择的基本原则简言之为:因荷载制宜、因土层制宜、因桩工机械制宜、因环境制宜、因造价制宜及因工期制宜等。总之,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

7、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。11212常用桩设桩工艺选择参考表综合国内外施工实践编制而成的常用桩设桩工艺选择参考表,如表1所示。我国幅地辽阔,工程地质与水文地质条件复杂,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。大量表1一些常用桩设桩工艺选择参考表桩型桩径或桩宽(mm桩长(m穿越土层一般粘性土及其填土黄土非自重湿陷自重湿

8、陷季节性冻土膨胀土淤泥和淤泥质土粉土砂土碎石土中间有硬夹层中间有砂夹层中间有砾石夹层桩端进入持力层硬粘性土密实砂土碎石土软质岩石和风化岩石地下水位以上以下对环境影响振动和噪音排浆孔桩底有无挤密长螺旋钻孔灌注桩300150030××××低无无短螺旋钻孔灌注桩300300080××××低无无小直径钻孔扩底灌注桩(干作业桩身300600扩大头800120030××××××低无无机动洛阳铲成孔灌注桩27050020××××&

9、#215;××中无无人工挖(扩孔灌注桩800400040无无无潜水钻成孔灌注桩450450080×××低有无钻斗钻成孔灌注桩800150060×××××低有无反循环钻成孔灌注桩4004000150××低有无正循环钻成孔灌注桩400250050×××低有无大直径钻孔扩底灌注桩(泥浆护壁桩身8004100扩大头1000438070××××低有无贝诺特灌注桩600300090低无无冲击成孔灌注桩600200050

10、××中有无桩端压力注浆桩400200080××低有无无钻孔压浆桩40080030×××低无有锤击沉管成孔灌注桩27080035××高无有振动沉管成孔灌注桩27070050×××高无有振动冲击沉管成孔灌注桩27050025高无有夯扩桩32553025×××中无有福兰克桩32560020×中无有挤扩多分支承力盘灌注桩桩身300800承力盘700200043×××××低有无有预钻孔打入式预制桩

11、300120070低有无有中掘施工法桩300150080××低有有打入式钢管桩(开口300150080高无有打入式RC桩25080060××高无有打入式管桩300100060××高无有静压桩30060070××××无无有注:表中符号:O2表示比较适合,即在大多数情况下适合,施工实绩较多;2表示有可能采用,或在某些情况下适合,或施工实绩不多;×2表示不宜采用,或在大多数情况下不适合,或几乎没有施工实绩。表中设桩工艺选择的可能性及桩径、桩长参数会随着设桩工艺进步而有所突破或变化。钻机、成孔

12、机的成孔深度往往比实际桩长大得多,如正、反循环钻机最大钻孔深度分别可达到600m和650m,但最大桩长分别为50m和150m。44施工技术第29卷施工实践表明,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。任何一种桩型都不是万能的,都有其

13、适用范围,关键在于找到切入点,扬长避短;再好的桩型只要在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。2桩基础施工技术发展方向在面向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:211桩的尺寸向长、大方向发展基于高层、超高层建筑物承载的需要,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91414mm;温州地区静压式钢筋混凝土预制桩长度已达70m以上,桩断面达600mm×600mm;郑州某工程反循环钻成孔灌注桩直径为10001100mm

14、,桩长7716m;南京长江二桥主塔墩基础反循环钻成孔灌注桩直径为3000mm,深度150m;厦门某工程人工挖孔桩长度为73m,桩径118m。212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、增层以及补桩等需要,小桩及锚杆静压桩技术日趋成熟。小桩(又称为微形桩或I M桩实质上是小直径压力注浆桩,桩径为70250mm,桩长为820m。锚杆静压桩的断面为200mm×200300mm×300mm;桩段长度取决于施工净空高度和机具情况,为110310m,桩入土深度330m。213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

15、,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。214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施工中受到很大限制,为此静压式钢筋混凝土预制桩施工技术在国内得到业主的青睐,国外已显现出用液压打桩锤取代筒式柴油锤的趋势。泥浆护壁法钻、冲孔灌注桩在地下水位高的软土

16、地区虽然被较广泛地采用,但由于泥浆的使用使施工现场不文明,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,因其干取土作业加之所使用的稳定液由专用的仓罐贮存,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。贝诺特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10余个工程已成功地采用此类桩型。215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013 014m、扩底直径018112m的静载试验结果表明,与相同桩身

17、直径的直孔桩相比,前者的极限荷载为后者的117710倍,前者的单位桩体积的极限荷载为后者的114310倍。大直径钻(挖孔扩底桩具有承载力高、成孔后出土量少、承台面积小等显著优点,在国内外得到广泛应用。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近30种。扩孔的成型工艺除钻扩外,还有爆扩、夯扩、振扩、锤扩、压扩、冲扩、注扩、挤扩和挖扩等种类。216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。挤扩多分支承力盘桩是由桩身、分支、分承力盘和桩根等部分组成的纵横断面均异化的异型桩,其单位桩体积的极限荷载为相

18、应的直孔桩的2倍以上。217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3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。为了消除一次公害和挤土效应,日本在近20多年来开发出埋入式桩工法,共有60余种。所谓埋入式桩工法是将预制桩沉入到钻成的孔中后,采取某些手段增强桩承载力的工法的总称。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持力层。218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