桩基础及其反循环成孔施工介绍

桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。其作用是将上部结构的荷载，通过较弱地层或水传递到深部较坚硬的、压缩性小的存一般房屋基础工程中，桩主要承受垂直的轴向荷载，但在河港、桥梁、高耸塔型建筑、近海钻采平台、支挡建筑、以及抗地震等工程中，桩还需承受来自桩基通过作用于桩尖（或称桩端、桩底）的地层阻力和桩周士_层的摩阻力最早使用的是木桩。早在新石器时代，人类在湖泊和沼泽地里，栽木桩搭台作为水上住所，汉朝已用木桩修桥。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祠圣母殿，都是现存的北宋年代修建的桩基建筑物。在英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。美国密西西比河上冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢管也被作为桩材用于基础工程。上海宝钢工本世纪初钢筋混凝土预制构件问世后，才出现厂制和现场预制钢筋混凝土到60年代，我国的铁路和公路桥梁，曾大量采用钻孔灌注混凝土桩和从成桩工艺的发展过程看，最早采用的桩基施工方法是打入法。打入的工艺从手锤到自由落锤，然后发展到蒸汽驱动、柴油驱动和压缩空气为动力的各种打随着就地灌注桩，特别是钻孔灌注桩的出现，钻孔机械也不断改进。如适用旋转套管机等等。为提高灌注柱的承载力，出现了扩大桩端直径的各种扩孔机，在钻孔灌注桩出现之前，由于打桩机械能力的限制，桩的直径较小，钻孔灌空心钢筋混凝土柱基称为管柱基础。但国外有些文献中提到的大直径桩，其直径不同成桩方法对周围土层的扰动程度不同，将影响到桩承载能力的发挥和计而使周围图层收到严重扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质有很大改变二、部分挤土桩。也称微排土桩，在成桩过程中，桩周围的土仅受到轻微的扰动，土的原状结构和工程性质的变化不明显。这类桩主要有打入小截面的I型因而桩周围的土较少受到扰动，但有应力松弛现象。这类桩主要有各种型式的挖根据桩的材料，可分为木桩，混凝土桩（含钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝一、木桩。大然原木是最早被用作桩的材料，也有经加工后的方二、混凝土桩。混凝土桩是当前各国使用最广泛的桩，它又可分为预制混凝预制混凝土桩多为钢筋混凝土桩，工厂集中生产，也可在场地附近预制。桩可将单节桩连接成所需桩长。为减少钢筋混凝土桩的钢筋用最和桩身的裂缝，又发展了预应力钢筋混凝上桩。我国现用的预应力钢筋混凝土桩多为圆型管桩，外就地灌注混凝土桩可根据受力的需要，放置不同深度的钢筋笼，其直径可根三、钢桩。如前所述，早期使用的铸铁板桩。现使用的钢桩主要为型钢和钢桩在基础工程中，可能主要承受轴向垂直荷载，或主要承受横向水平荷载，或两种荷载都有。在商耸塔形建筑物和水中的高桩承台基础中，桩还要承受风和浪所引起的往复拉和压的荷载。因此，按功能桩可分为抗轴向压的桩，抗横向压一、抗轴向压的桩。一般工业民用建筑物的桩基，在正常工作条件下（不考1．摩擦桩。外部荷载主要通过桩身侧表面与土层的摩阻力传递给2．端承桩。通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩，外部荷载通过桩身直接传给基岩，桩的承载力主要由桩的端部提供，一般不考虑桩侧摩阻力的作用，如武汉长江大桥的管柱基础。如果桩的细长比很大，由于桩本身的压缩，桩侧摩阻力也3．端承摩擦桩。即在外荷作用下，桩的端阻力和侧壁摩阻力都同时发挥作用。这也是最常用的桩，如穿过软弱地层嵌入较坚实的硬粘土或砂、砾持力层的桩。这类桩的端阻和侧阻所分担荷载的比例，与桩径、桩长、软土层的厚度，以二、抗侧压的桩。港口码头工程用的板桩，基坑的支护桩等都是主要承受作三、抗拨桩。主要抵抗作用在桩上的拉拔荷载，如板桩墙后的锚桩。拉拔荷成桩的方法和工艺，随科学技术和施工机械的发展，不断出现一些新的成桩一、打入桩。将预制桩用击打或振动法打入地层至设计要求标高。打入的机械有自由落锤、蒸汽锤、柴油锤、压缩空气锤和振动锤等。遇到难于通过的较坚1．沉管灌注桩。成孔方法是将钢管（钢壳）打人土层到设计标高2．钻孔灌注桩。使用机械形成桩孔，一般没有护壁或采用泥浆护壁，不扰动孔壁周闻土层。钻孔的机械有冲击钻、旋转钻、长螺旋和短螺旋等等，适用于为提高灌注桩的承载力，可用管内锤击法或扩孔器将桩的端部扩大，也可将预制桩包括木桩、钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩和钢桩。木桩在主要1．桩的单位面积承载力较高。预制桩属挤土桩，打入地层时使松1．单价较灌注桩高。预制桩的配筋是按抵抗搬运起吊和锤击时的的，远超过正常工作荷载的要求，钢的用量大。如果要接长时，接头增加了钢的2．预制桩一般用锤击或振动法下沉，施工噪音大，污染环境，不宜在城市使用。用静压法施工可消除噪音污染，但它要求的设备和环境条件使其应用受到3．预制桩是挤土桩，群桩施工时将引起周围地面的隆起。桩间距设计不当长桩时需接桩。桩的接头常形成桩身的薄弱环节，接桩后如果不能保证全桩长的垂直度，则将降低桩的承载能力，甚至在打入时造成断桩。日本某些资料认为接预应力钢筋混凝土桩与普通钢筋混凝土比较，其强度重量比大，节省钢减少桩身裂缝，耐久性和抗腐蚀性能增高，但制作工艺要求较复杂。我国除丰台桥梁工厂生产有厚壁预应力钢筋混凝土管桩外，宁波地区已生制桩可以工厂制造，也可在场地附近制造。工厂制造一般质量较易控制，节长规格化不易变更，长途运输增加成本。场地制造则节长可按地层条件变动，减小运费支出。但场地制造要求一定的场地，一般情况下，其质量不像工厂大规模生产5．大面积打桩工程。由于打入桩的设备和工序简单，工效高，在桩的数量灌注桩的类型和施工方法非常繁多，各有其特点。与预制桩相比，其共同的3．仅承受轴向压力时，不用配置钢筋。需配置钢筋笼时，按工作荷载要求2．桩身直径变化较大，孔底沉积物不易清除干净，因而单桩的承载能力变一、沉管式灌注桩。沉管式灌柱桩属于挤土桩，在沉挤密，引起地面隆起，造成噪音和震动污染。灌注混凝土过程中将外管1．带桩靴沉管灌注桩。带桩靴即将钢管端部封闭，再打入土层。可用平钢板、预制铸铁或混凝土桩靴。封底与钢管可脱离，钢管拔出后，封底材料即留在土中。根据需要，也可以扩大端部尺寸以提高承载力。在这方面发展了2．无桩靴沉管式灌注桩。显然将桩靴留在土中是不经济的。法兰克公司早在管内用管形芯棒夯击土塞，带动套管沉至设计标高。然后将钢管拔起约20cm，用落锤将士塞挤入周围土层形成扩大的桩端。我国浙江省使用的无桩靴夯扩灌注桩的工艺与此相似，只是采用芯棒和锤击钢管顶面使其下沉。管内夯锤较锤击顶3．薄壳沉管灌注桩。将波纹薄金属管或预制混凝土壳形管，通过内部芯棒打入地层至设计标高，然后拔出芯棒，在壳内灌注混凝土，壳体不抽出。壳体可预制成管节，随桩长需要而增减，其截面有常截面和变截面。壳体留在地层中，可保证桩身混凝土的灌注质量和桩体的几何尺寸。但这类桩的直径不能过大，特二、钻孔灌注桩。早期发展的沉管灌注桩，由于打入和拔出套管机械的能力的限制，桩的长度和直径都有限。钻孔灌注桩则利用各种钻机成孔，然后灌注混凝土成桩，因而可形成大直径的特长桩，且没有接头。这类桩主要有下述三种类1．螺旋钻孔桩。利用长螺旋或短螺旋钻机成孔，不采用任何护壁种工艺基本没有振动和噪音的污染，且能在贴近已有建筑物施工。由于不采取护壁措施，仅适周于无地下水的地层，且桩长有一定限度。螺旋钻孔机一般不能穿为使长螺旋钻孔桩能用于地下水位以下的土层，发展了一种新工艺，即压浆法。长螺旋钻头钻至设计标高后，将细石混凝土或砂浆通过螺旋钻头的空心轴管压入孔底，藉灌浆压力之助使钻杆提升，混凝土由下而上填满钻孔形成桩体。显然，这样形成的桩，可避免孔底沉泥，避免孔壁坍塌，较一般螺旋钻孔桩的质量在无地下水，且桩尖持力层为粘性土时，可采用特制的扩孔器，将孔底扩大2．挖孔灌注桩。用人力挖土形成桩孔，在向下挖进的同时，将孔壁衬砌以常用正循环法排出碎渣；旋转钻进时，则多用反循环法排渣，反循环法的清底效果较好。这种成孔工艺可穿过任何类型的地层，且不用套管因而较经济。其缺点是成孔的直径不规则，孔底易存有沉泥，影响桩的承载能力。钻孔灌注桩采用水下灌注混凝土法，工艺要求严格，易出现缩颈、断桩、露筋、离析、泥夹层等缺螺旋灌注桩和泥浆护壁灌注桩的孔底沉泥，严重影响桩尖承载力的发挥。从已建的一些公路桥、铁路桥的钻孔灌注桩的实测资料分析，桩的端部承载力发挥一、钢板桩。钢板桩的形式甚多，两侧带不同形状的子母接口槽。第一根板桩就位后，第二根桩则顺前一根桩的侧面槽口打人。这样，许多板桩可沿河岸或海岸纽成一个整体的板桩墙。也可将一组钢板桩形成围堰，或作为基坑开挖的临时支挡措施。钢板桩成本较高，但可多次使用，且较易打入各类地层，对地层的或水平荷载。型钢桩贯入各类地层的能力强，且对地层的扰动小，属于部分挤土桩。当打人桩的中心间距较小，为避免打桩过程引起地面隆起和侧向挤动，可采钢桩，现代的工程，如哈特尔普尔(Hartlepools)核电站也曾采用H型钢桩。H型钢桩的刚度大于一般钢板桩，但细长比较大时，仍易在打入时出现弯随三、钢管桩。与其它类型的钢桩比较，钢管桩的贯入能力，抗弯曲的刚度，单桩承载力和接长焊接等方面都有明显的优越牲。日本生产的钢管桩的外直径从钢管桩打入地层时，其端部可敞开或封闭。端部开口时，易于打入，但端部前面介绍的预制桩，就地灌注桩和钢桩是工程中最常用的三种桩，此外还有适用于特殊工程或地质条件下的一些特殊桩。如在多年冻土地带，为减少冻融对桩的不利影响，常预钻孔后将预制桩放入孔内，然后周围回填无粘性土。近十数年国外发展了一些微型桩，即将小于φ250mm的钢管打入地层，通过钢管将砂浆压入地层形成微型桩。这类桩早期多用于已有建筑物的基础加固工程，现也用于新建工程。国内也已有应用。其它还有在桩端高压灌浆，以提高端承力等等。这些工艺特殊的成桩方法，使其荷载传递和沉降规律更为复杂，可变因素较多。它1．建筑物本身的要求，如荷载的形式和量级，基础的几何尺寸，2．工程地质和水文地质条件。如前所述，各种类型的桩有其适用的土层条3．场地的环境。如前所述，桩基施工可能带来振动和噪音的环境污染，就地灌注桩如果用泥浆护壁则有泥水排泄问题。因此应对场地周围的环境污染的限4．设备、材料和运输条件。桩型和施工方法的选挥必须考虑到施工的技术5．经济分析。满足上述条件的情况下，常常有几种桩型可供选择，最终应2反循环钻成孔灌注桩以上的静水压力保护孔壁不坍塌，因而钻挖时不用套管。钻机工作时，旋转盘带动钻杆端部的钻头钻挖孔内土。在钻进过程中，冲洗液从钻杆与孔壁间的环状间反循环钻成孔施工按冲洗液（指水或泥浆）循环输送的方式、动力来源和工砂石泵7及管路系统形成一定的真空度，钻（被钻挖下来的岩土钻渣与冲洗液）在大气压作用下，通过钻杆流到地面上的泥还轻的泥砂水气混合物，由于压力差的作用，钻杆外侧的水柱压力将泥砂水气混水喷射反循环施工法是把高压水通过喷嘴射到钻杆内，利用其流速使水环流，把低位的泥砂水混合物与水一起吸上，通过钻杆流至地面处的泥浆池或贮水槽中，土、砂、砾和岩屑等便沉淀下来，水则流回孔内，见图2.1-加供气量和供气压力，钻杆内水流就能获得理想的上升速度，孔深超过50m砂石泵的抽吸作用使钻杆内的水流上升而形成反循环的。喷射反循环是利用射流泵射出的高速水流产生负压使钻杆内的水流上升而形成厦循环的。这两种方法，驱动水流上升的压力一般不大于—个大气压。因此，在浅孔时效率高，孔深大于率，充分利用各种反循环方式的最好工作孔段，有时可采用其中两种方式相结合3．因钻挖钻头不必每次上下排弃钻渣，只要接长钻杆，就可以进行深层钻5．反循环钻成孔采用旋转切削方式，钻挖靠钻头平稳的旋转，同时将土砂和水吸升；钻孔内的泥浆压力抵消了孔隙水压力，从而避免涌砂等现象。因此，反循环钻成孔是对付砂土层最适宜的成孔方式，这样，可钻挖地下水位下厚细砂反循环钻进成孔适用于填土、淤泥、粘土、粉土、砂土、砂砾等地层；当采我国和日本的部分反循环钻机的规格、型号及技术性能见表2.1-1和表反循环钻机是由钻头、加压装置、回转装置、扬水装置、接续装置和升降装给层达机1(19((挖（一）反循环施工法是在静水压力下进行钻挖作业的，故一般不应打入在填土层或砂层或砂砾层中，以保证护筒不漏水。如确实需要将护筒端部打入在填土、砂或砂砾层中时，应在护筒外侧回填粘土，分层夯实，以防在钻挖中，孔内泥浆一面循环，一面对孔壁形成一层泥浆膜。泥浆的作用如下：将钻孔内不同土层中的空隙渗填密实，使孔内漏水减少到最低限度；保持孔并搅拌成适当比重的泥浆。造浆粘土应符合下列技术要求：胶体率不低于95%;在砂层中钻挖需考虑泥膜形成的所需时间；在粘性土中钻挖则需考虑泥浆泵的能反循环法钻挖速度与钻头转速的参考表表2.1-5粘土粉土砾砂钻挖速度（min/m）钻头速度（次/min）1．清水钻进时，钻渣在沉淀池内通过重力沉淀后予以清除。沉2．泥浆钻进时，宜使用多级振动筛和旋流除砂器或其它除渣装置进行机械除砂清渣。振动筛主要清隙粒径较大的钻渣，筛板（网）规格可根据钻渣粒径的大小分级确定。旋流除砂器的有效容积，要适应砂石泵的排量，除砂器数量可根在填土层和卵砾层中钻挖时，碎砖、填石或卵砾石的尺寸不得大于钻杆内径开始钻进时，应先轻压慢转，待钻头正常工作后，逐渐加大转速，调整压力，并2．钻进时应认真仔细观察进尺和砂石泵排水出渣的情况；排量减少或出水3．钻进参数应根据地层，桩径，砂石泵的合理排量和钻机的经济钻速等加4．在砂砾、砂卵、卵砾石地层中钻进时，为防止钻渣过多，卵砾石堵塞管7．钻进时如孔内出现坍孔、涌砂等异常情况，应立即将钻具提离孔底，控制泵量，保持冲洗液循环，吸除坍落物和涌砂；同时向孔内输送性能符合要求的泥浆，保持水头压力以抑制继续涌砂和坍孔，恢复钻进后，泵排量不宜过大，以泵吸反循环钻进推荐参数和钻速表表2.1-6钻进参数和钻进钻压（kn）地层粘土层、硬土层10-25砂土层5-15砂层、砂砾层、砂卵石层3-10中硬以下基岩、风化基岩20-40钻头转速（rpm）砂石泵排量（m3/h）钻进速度（m/h）20-4020-400.5-18．钻进达到要求孔深停钻时，仍要维持冲洗液正常循环，清洗吸除孔底沉管柱钻杆方式。气水混合室应根据风压大个和孔深的关系确定，一般风压为清孔过程中应观测孔底沉渣厚度和冲洗液含渣量，当冲洗液含渣量小于4%，孔底沉渣厚度符合设计要求时即可停止清孔，并应保持孔内水头高度，防止发生在终孔时停止钻具回转，将钻头提离孔底50—80cm，维持冲洗液的循环，并在灌注混凝土之前进行第二次沉渣处理，通常采用普通导管的空气升液排渣气管底部喷出，如使导管底部在桩孔底部不停地移动，就能全部排除沉渣。在急泵吸反循环钻成孔灌注桩常遇问题、原因和处理方法泵吸反循环钻成孔灌注桩常遇问题、原因和处理方法表2.1-7常遇问题空度达不到要求或吸水但起动砂石泵大，孔口不返水尺缓慢，甚至不进尺很慢甚至不进尺在砂层、砂砾层或卵石突然中断或排量突然减小；钻头在孔内跳动钻头脱落转台不能旋转起动时间不够气水分离器中未加足清水管路系统漏气，密封不好真空泵机械故障操作方法不当真空管路或循环管路被堵钻头水口被堵住吸程过大管路系统被堵塞物堵死钻头水口被埋住管路系统漏气管路突然被堵钻头水口被堵吸水胶管内层脱胶损坏钻头有缺陷钻头有泥包或糊钻钻迸参数不合理岩石较硬，钻压不够钻头切削刃崩落，钻头有缺陷或损坏进尺过快，管路被砂石堵死冲洗液的比重过大管路被石头堵死冲洗液中钻渣含量过大孔底有较人的活动卵砾石钻管的连接螺栓松动或破损液压泵或液压马达发生故障工作油不足适当延长起动时问，但不宦超过lOmin向气水分离器中加足清水检修管路系统，尤其是砂石泵塞线和水龙头处检修或更换按正确操作方法操作检修管路，注意检查真空管路上的阀是否打开将钻头提离孔底，并冲堵降低吸程，吸程不宜超过6.5m清除堵塞物把钻具提离孔底，用正循环冲堵检修管路，紧固砂石泉塞线压盖或水龙头压盖冲堵管路清除钻头水口堵塞物更换吸水胶管检修或更换钻头清除泥包瑚市冲洗液的比重和粘度，适当增大泵量或向孔内投入适量砂石解除泥包糊钻调整钻进参数加大钻压（可用加重块）调整钻进参数修复或更换钻头控制钻进速度立即稍提升钻具，调整冲洗液比重至符合要求起闭砂石泵出水阀，以造成管路内较人的瞬时压力波动，可清除堵塞物：或用正循环冲堵，清除堵塞物：如无效，则应起钻予以排除降低钻速，加大排量，及时清渣起钻用专门工具清除大块卵砾石及时将螺栓拧紧，破损者及时更换及时补充液压油常遇问题孔壁坍塌水头压力保持不够护筒的埋深位置不合适，护筒埋设在砂或粗砂层中，砂土由于水压漏水后容易坍塌；而且由于振动与冲击等影响，使护筒的周围与底部地基土松软而造成坍塌因把旋转台盘直接安装在护筒上，由于钻进中的振动，使护筒周围与底部地基土松动，钻孔内的水也将漏失，引起孔壁坍塌（静水压）水头太大，超过需要时，护筒底部的水压将比该深度处覆盖土重为大，而使钻孔外侧的土发生涌起翻砂以致破坏有粗颗粒砂砾层等强透水层，当钻孔达该土层时，由于漏水使孔内水急剧下降引起孔壁坍塌有较强的承压水并且水头甚高，特别是比孔内水压还大时，孔底发生翻砂和孔壁坍塌地面上重型施工机械的重量和它作业时的振动与地基土层自重应力影响常导致地面以下10~15m左右处发生孔壁坍塌泥浆的比重和浓度不足，使孔壁坍塌成孔速度太快，在孔壁上还来不及形成泥膜，容易使孔壁坍塌成大空洞而漏水致使孔壁坍塌松散地层泵量过大，造成抽吸坍孔操作不当，产生压力激动护筒变形过大，或形状不合适，使钻孔内的水漏失，引起孔壁坍塌放钢筋笼时碰撞了孔壁，破坏了泥膜和孔壁给水泵、软管类的故障位必须比地下水位高2m以上将护筒的底部贯人粘土中约0,5m以上把旋转台盘设置在固定台上孔内静水压力原则上应取地下水头+2.Om最好不采用钻孔桩，选用打