大直径静压沉管灌注桩应用技术

【摘要】金山湖景大厦桩基工程，采用大直径静压沉管灌注桩施工，有效保证了桩端入土深度、桩身整体性和承载力要求，达到工效高、无污染排放、造价节约的预期目的。

 
【关键词】大直径静压沉管灌注桩
 
静压预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）和大直径锤击沉管灌注桩近年来在厦门地区工程建设中得到广泛应用，已取得十分成熟的施工经验。预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）具有单桩承载力较高、施工速度快等优点，但因管桩桩身强度高的因素也存在着夹桩处易夹碎、遇孤石或地基岩土中相对硬层易发生折断、爆桩，存在穿透力差、桩接头端头板焊接可靠度低以及当地基土存在腐蚀性地下水（如近海地区海水影响区域）时桩接头和桩身裂缝缺陷处易腐蚀等缺点。大直径锤击沉管灌注桩具有单桩承载力高、成桩质量可靠、施工速度快等优点。但在施工过程存在剧烈震动影响邻近建筑物，且噪音污染大、桩架高易倒伏、高空作业影响安全等缺点，已不适合在城市市区施工中使用。而大直径沉管灌注桩吸收了静压预应力管桩和锤击沉管灌注桩的优点，采用改进后的液压静力压桩机进行抱压式施工，改进后的压桩机具有沉管和拔管的功能，设置了能对具有螺旋接头的钢管进行快速对接和拆卸的装置，适用于直径600mm～800mm的桩管进行沉入和拔出，利用拔管复插法和抱箍上附带的小型偏心振动器使浇灌后的混凝土振捣密实，比锤击施工具有低噪音无污染、工效快、承载力直观可预见、对孤石和硬土层穿透力强（最大压桩力可达8000KN），比起人工挖孔桩和冲钻孔灌注桩，具有无污染排放、相同桩长承载力更高（挤土施工提高桩侧摩阻力）、工效高等优势。
 
1   工程概况
金山湖景大厦位于厦门仙岳路以南、云顶中路以东，东侧和南侧紧邻湖边水库。地下室二层，地上建筑由三层商业裙房和一栋28层高层建筑组成。本工程为高层建筑，对基桩承载力要求高。由于拟建场地北侧和南侧均为既有住宅小区，对震动和噪音污染敏感。南侧距厦门市淡水储备区的湖边水库堤岸仅30米，对施工环保要求极高，严禁出现施工排放污染水库水质的情况。
 
2            地基岩土构成分布情况及桩型选择
根据地质勘察情况表明，地基岩土构成自上而下分布情况详见下表：

强风化层埋深约36~48m，中风化层埋深约48m以上。场地地下水位埋深约7.4~8.7m，但除杂填土外，其它土层透水系数小，属于弱透水层或微透水层。进行抽水试验，表明地下出水量较小。
本工程所处区域对施工环保极高的要求和岩层埋深决定了不适宜采用冲（钻）孔灌注桩或人工挖孔桩。因此，勘察报告推荐采用静压预应力管桩或静压沉管灌注桩。
在该地质条件下，若采用静压预应力管桩，由于持力层埋置深度较深，对保持预制桩沉桩施工过程的桩身完整性和接桩质量提出了更高的要求。当桩长较长、或遇孤石、硬土层需采用较大压桩力穿透时，桩头和夹桩部位容易出现爆桩、夹碎现象。另外，由于土层起伏变化较大，预制桩配桩长度较难掌握，而如果采用截桩接长或截短，则存在预制管桩预应力消退，影响桩身最终承载力，且后期接桩、截桩处理过程增加工期，限制了预应力管桩的使用。而静压沉管灌注桩由于采用的是由无缝钢管和钢桩靴组成的封闭成孔系统，施工过程可以采用更高的压桩力压桩施工，对小型孤石和砂质粘土等硬土层穿透力强。压管成孔过程，压力直观可控。沉管后钢筋笼通长安装，加上是现浇混凝土，桩身整体性和质量容易得到保证，很好的克服和避免了预应力管桩的不足。
 
3   桩基工程设计
3.1 本桩基工程设计采用直径700的静压沉管灌注桩，共计193根。其中抗压桩161根，抗压桩兼抗拔桩32根，桩基竖向抗压承载力特征值3000kN，桩基竖向抗拔承载力特征值800kN。桩尖设计持力层为强风化花岗岩①层，设计要求桩端全断面进入持力层不小于1m，抗压桩有效桩长不小于28m，抗压桩兼抗拔桩有效桩长不小于24m。设计要求通过试桩确定压桩施工控制标准，设计试桩数量不少于2根。
3.2  设计试桩
    正式沉桩施工前，进行了设计试桩，通过设计试桩确定了如下压桩施工控制标准：
应以压桩力控制为主，桩长控制为辅的双控原则;
压桩管施工终压力不小于6000kN；
桩端持力层为强风化花岗岩①层，桩端全断面应进入持力层不小于1m；
设计有效桩长不小于28m，当施工中桩的有效长度小于26m时，应采用6500kN压桩力进行超压；当施工中桩的有效长度大于31m（或桩管入土深度大于44m时），且桩端已进入强风化岩层，允许此时施工终压力为5400kN。
 
4   桩基工程施工
4.1 抱压式大直径静压沉管灌注桩施工工艺步骤
场地平整及地上障碍物清理→桩机设备进场安装调试→测量放样定位→桩机设备就位→钢套管桩管和桩靴就位→钢套管桩管对中调整→静压沉管→达到终压条件→终止压管→放置钢筋笼→浇灌混凝土→振动拔升桩管并间隔反插→移机→桩顶以上空孔灌填碎石反压→单桩施工完毕。
4.2 沉桩顺序
    施工过程应考虑沉管过程超静孔隙水压力在施工期可能会产生较高的水头也可使桩身混凝土产生离析现象导致影响桩身承载力降低，并且先期沉桩挤密土体后增加后续沉桩施工难度。因此，施工过程应合理安排沉桩顺序，合理调整沉桩施工间距由中间扩向四周顺序沉桩。桩群密集处可实施跳打，使得相邻施工的桩中心距>3.5d，并控制拔管速度控制好桩身质量。当相邻桩中心距≤3.5d时，桩基施工间隔应满足先期施工的桩身混凝土强度达到80%以上的要求，避免因挤土效应影响相邻桩桩身质量。
4.3 沉管控制
    桩机设备进场后，进行安装调试并验收合格，油缸压力表应在标定使用期内使用，现场应配备备用压力表，移机至桩位处就位并调平。成品钢桩尖就位在桩位上，钢套管桩管放入桩靴就位，并点焊固定，桩管与桩靴缝隙处可用稻草堵塞，防止沉管过程泥水进入桩管。接着桩管对中和垂直度调整，桩身垂直度应控制在1%以内，需采用两台经纬仪进行双向垂直观测控制桩的垂直度。符合要求后开始沉管。沉管完成后，应用探灯检查桩管底部有无进泥进水或桩尖被土吞没现象，如有则应采取措施予以消除。
    沉管时，以试打桩确定的压桩施工控制标准作为终压控制的主要依据，满足压桩控制标准后，即可停止压管。
4.4 灌注混凝土和拔管
    沉管达到终压控制标准后，应及时吊装钢筋笼并进行混凝土灌注和拔管。避免停顿时间过长因桩管四周土体回缩固结导致拔管困难。
钢筋笼应批量制作，预先验收。可制作几种标准长度的钢筋笼待配用。根据桩套管实际入土深度计算钢筋笼长度，及时吊装钢筋笼。当钢筋笼长度小于24m时，宜通长制作，大于24m时，也可以分节吊装并在桩套管顶口焊接接长。吊装时焊接接头宜设在桩身下半段。
混凝土采用分次灌注方法。混凝土应具有良好的和易性，塌落度控制在120㎜±20㎜。一般第一次应灌至桩底部标高以上2~3m（约1m3混凝土），然后振动桩管约2min，使底部混凝土密实。接着再灌注混凝土至桩顶标高。应先振动5~10秒才能开始拔管，边振边拔，每拔0.5~1m停拔振动5~10秒，并向下反插深度为300㎜～500㎜,如此反复直至桩管全部拔出。拔管速度要均匀，一般限以1.2~1.5m/ min为宜。
   灌注混凝土面应高于设计桩顶标高0.5m以上。本工程设计混凝土充盈系数为1.15。
 
5 桩基工程检测
本工程设计193根桩，因设计增补等原因实际累计施工196根桩，桩管入土深度约在36~47m之间，有效桩长在26~38m之间。
灌注桩施工完毕后，应按规范对基桩进行必要的质量检测。单桩竖向极限抗压、抗拔承载力按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）的要求分别进行检测，检测桩数量均为总桩数的1%且不少于3根。桩身质量采用低应变动测法进行检测，检测数量不小于总桩数30%且不少于20根。
    本工程基桩质量检测情况如下：根据建筑基桩检测技术规范关于检测数量的要求在抗压和抗拔桩中各选取3根桩分别按单桩竖向抗压极限承载力标准值6000kN和单桩竖向抗拔极限承载力标准值1600kN进行静载抗压、抗拔检测试验。同时因本工程基桩总数量不多，应建设单位的要求，对所有基桩均进行低应变检测试验。检测结果显示，抗压、抗拔承载力均满足设计和检测规范要求，桩身完整性检测结果为I类桩189根占96.4%、II类桩7根占3.6%，未出现III类桩。检测结论本工程基桩质量优。
 
6 经验与建议
6.1 沉管结束后，例行的管底探灯检查均未发现底部有进水现象，表明在此类地质条件下一般不会发生管底进水现象。
6.2 从本工程静载试验结果来看，静载试验单桩竖向抗压极限承载力值比施工时的终压力能提高800～1000kN左右，因而从施工终压力预估单桩竖向抗压承载力是比较直观可靠的。
6.3 基坑开挖后发现实际桩顶标高比预期超高1.8~2.5m，而桩直径并未出现缩小现象，表明在此地质条件下设计采用的混凝土充盈系数1.15偏大，按规范正常取1.10即可，有同类地质施工经验时，建议混凝土充盈系数可取1.05~1.10。
6.4 沉管灌注桩对土体有明显的挤密和隆起效果，因此，桩位放样定位后在沉管施工前应再次校核，防止桩位出现偏差。
6.5 采用的桩机设备具有施工过程对桩套管进行拆卸或接长功能，但使用存在一定的局限性。因接、卸转盘工作行程与油缸行程相符，遇地质原因当沉管深度超过预期深度时，可以在接、卸转盘行程范围内比较方便的接长；当遇到桩管无法沉到预期深度时，需要卸管才能吊装钢筋笼和浇灌混凝土时，若桩管接头位置不在接、卸转盘工作行程内则无法卸管，遇此类情况只好拔空管，并对空孔填土处理，待桩管卸短后再回车重新沉管。
6.6 沉管、吊放钢筋笼、浇灌混凝土和拔管各工序应连贯施工，避免停滞时间过长土体回缩固结导致拔管困难。
6.7 桩长较短时，钢筋笼应尽可能通长吊放，若桩长较长，钢筋笼需要拼接时，焊接接头应尽可能放在桩的下半段。
 
7  结语
大直径静压沉管灌注桩在金山湖景大厦桩基工程上的到了成功的应用，取得了预期的社会、经济效果。该工艺在消除或减少噪音、污染排放、缩短工期有良好的适用性，并且从本工程静载试验结果来看，从施工终压力能够能够直观可靠地预估单桩竖向承载力。当然也有它的局限性，需要针对具体工程地质情况进行有条件选用，现有桩机设备在吊放钢筋笼焊接接长和桩套管接长、卸短工艺措施适用性上还需加以改进和完善，而且在施工过程中必须严格控制各个工序的施工质量，严格控制相邻沉桩间距，防止出现断桩、缩颈等不良现象，才能做到安全适用、经济合理，质量保证。
参考文献
[1] JGJ94-2008 建筑桩基技术规范
[2] 桩基工程手册 人民交通出版社,2008
[3] JGJ106-2003 建筑桩基检测技术规范
[4] 李翔 静压沉管灌注桩压桩力的确定宁波大学大学学报理工版,1997
[5] 洪子云抱压式大直径静压沉管灌注桩施工方法及压桩机