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灌注桩施工工艺和方法
何谓灌注桩
灌注桩是直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼灌注混凝土而成。根据成孔工艺不同，分为干作业成孔的灌注桩、泥浆护壁成孔的灌注桩、套管成孔的灌注桩和爆扩成孔的灌注桩等。灌注桩施工工艺近年来发展很快，还出现夯扩沉管灌注桩、钻孔压浆成桩等一些新工艺。
灌注桩能适应各种地层的变化，无需接桩，施工时无振动、无挤土、噪音小，宜在建筑物密集地区使用。但其操作要求严格，施工后需较长的养护期方可承受荷载，成孔时有大量土渣或泥浆排出。
干作业成孔灌注桩
干作业成孔灌注桩适用于地下水位较低、在成孔深度内无地下水的土质，勿需护壁可直接取土成孔。目前常用螺旋钻机成孔，亦有用洛阳铲成孔的。 
螺旋钻机

螺旋钻机成孔灌注桩是利用动力旋转钻杆，使钻头的螺旋叶片旋转削土，土块沿螺旋叶片上升排出孔外（图2-10）。在软塑土层，含水量大时，可用疏纹叶片钻杆，以便较快地钻进。在可塑或硬塑粘土中，或含水量较小的砂土中应用密纹叶片钻杆，缓慢地均匀地钻进。操作时要求钻杆垂直，钻孔过程中如发现钻杆摇晃或难钻进时，可能是遇到石块等异物，应立即停机检查。全叶片螺旋钻机成孔直径一般为300~600mm，钻孔深度为8~20m。钻进速度应根据电流值变化及时调整。在钻进过程中，应随时清理孔口积土，遇到塌孔、缩孔等异常情况，应及时研究解决。

图2-10  步履式螺旋钻机
1—上底盘；2—下底盘；3—回转滚轮；4—行车滚轮；
5—钢丝滑轮；6—回转轴；7—行车油缸；8—支盘
泥浆护壁成孔钻机
泥浆护壁成孔是用泥浆保护孔壁并排出土渣而成孔，不论地下水位高或低的土层皆适用。多用于含水量高的软土地区。泥浆具有保护孔壁、防止塌孔、排出土渣以及冷却与润滑钻头的作用。泥浆一般需专门配制，当在粘土中成孔时，也可用孔内钻渣原土自造泥浆。
成孔机械有回转钻机、潜水钻机、冲击钻等，其中以回转钻机应用最多。
1.回转钻机成孔
回转钻机是由动力装置带动钻机的回转装置转动，并带动带有钻头的钻杆转动，由钻头切削土壤。切削形成的土渣，通过泥浆循环排出桩孔。根据泥浆循环方式的不同，分为正循环和反循环。根据桩型、钻孔深度、土层情况、泥浆排放条件、允许沉渣厚度等进行选择，但对孔深大于30m的端承型桩，宜采用反循环。
在陆地上杂填土或松软土层中钻孔时，应在桩位孔口处设护筒，以起定位、保护孔口、维持水头等作用。护筒用钢板制作，内径应比钻头直径大10cm，埋入土中深度通常不宜小于1.0~1.5m，特殊情况下埋深需要更大。在护筒顶部应开设1~2个溢浆口。在钻孔过程中，应保持护筒内泥浆液面高于地下水位。
于水中施工，在水深小于3m的浅水处，亦可适当提高护筒顶面标高，以减少筑岛填土量（图2-11）。如岛底河床为淤泥或软土，宜挖除换以砂土；若排淤换土工作量大，则可用长护筒，使其沉入河底土层中。在水深超过3m的深水区，宜搭设工作平台（可为支架平台、浮船、钢板桩围堰、木排、浮运薄壳沉井等），下沉护筒的定位导向架与下沉护筒见图2-12。

图2-11  围堰筑岛埋设护筒
1—夯填粘土；2—护筒

图2-12  搭设平台固定护筒
1—护筒；2—工作平台；3—施工水位；4—导向架；5—支架 
在粘土中钻孔，可采用自造泥浆护壁；在砂土中钻孔，则应注入制备泥浆。注入的泥浆比重控制在1.1左右，排出泥浆的比重宜为1.2~1.4。钻孔达到要求的深度后，测量沉渣厚度，进行清孔。以原土造浆的钻孔，清孔可用射水法，此时钻具只转不进，待泥浆比重降到1.1左右即认为清孔合格；注入制备泥浆的钻孔，可采用换浆法清孔，至换出泥浆的比重小于1.15时方为合格，在特殊情况下泥浆比重可以适当放宽。
钻孔灌注桩的桩孔钻成并清孔后，应尽快吊放钢筋骨架并灌注混凝土。在无水或少水的浅桩孔中灌注混凝土时，应分层浇筑振实，每层高度一般为0.5~0.6m，不得大于1.5m。混凝土坍落度在一般粘性土中宜用50~70mm；砂类土中用70~90mm；黄土中用60~90mm。水下灌注混凝土时，常用垂直导管灌注法进行水下施工，施工方法见第三章有关内容。水下灌注混凝土至桩顶时，应适当超过桩顶设计标高，以保证在凿除含有泥浆的桩段后，桩顶标高和质量能符合设计要求。
施工后的灌注桩的平面位置及垂直度都需满足规范的规定。灌注桩在施工前，宜进行试成孔。
2. 潜水钻机成孔
潜水钻机是一种旋转式钻孔机械，其动力、变速机构和钻头连在一起，加以密封，因而可以下放至孔中地下水位以下进行切削土壤成孔（图2-13）。用正循环工艺输入泥浆，进行护壁和将钻下的土渣排出孔外。

图2-13  潜水钻机
1—钻头；2—潜水钻机；3—电缆；4—护筒；5—水管；
6—滚轮支点；7—钻杆；8—电缆盘；9—卷扬机；10—控制箱

潜水钻机成孔，亦需先埋设护筒，其他施工过程皆与回转钻机成孔相似。
3．冲击钻成孔
冲击钻主要用于在岩土层中成孔，成孔时将冲锥式钻头提升一定高度后以自由下落的冲击力来破碎岩层，然后用掏渣筒来掏取孔内的渣浆（图2-14）。

图2-14  冲击钻机
1—滑轮；2—主杆；3—拉索；4—斜撑；5—卷扬机；6—垫木；7—钻头 
还有一种冲抓锥（图2-15），锥头内有重铁块和活动抓片，下落时松开卷扬机刹车，抓片张开，锥头自由下落冲入土中，然后开动卷扬机拉升锥头，此时抓片闭合抓土，将冲抓锥整体提升至地面卸土，依次循环成孔。

图2-15  冲抓锥
泥浆的作用
泥浆具保护孔壁、防止坍孔的作用，同时在泥浆循环过程中还可携砂，并对钻头具有冷却润滑作用。
泥浆护壁成孔可用多种形式的钻机钻进成孔。在钻孔过程中，为防止孔壁坍塌，在孔内注入高塑性粘土或膨润土和水拌合的泥浆，也可利用钻削下来的粘性土与水混合自造泥浆保护孔壁。同时这种护壁泥浆与钻孔的土屑混合，边钻边排出泥浆，同时进行孔内补浆。当钻孔达到规定深度后，进行孔底清渣，然后安放钢筋笼，在泥浆下灌注混凝土而成桩。
泥浆的组成
护壁泥浆是由高塑性粘土或膨润土和水拌合的混合物，还可在其中掺入其他掺合剂，如加重剂、分散剂、增粘剂及堵漏剂等
护壁泥浆一般可在现场制备，有些粘性土在钻进过程中可形成适合护壁的浆液，则可利用其作为护壁泥浆，这种方法也称自造泥浆。
护壁泥浆应达到一定的性能指标，膨润土泥浆的性能指标如表1-1所示。
                    表1-1  膨润土泥浆的性能指标                      
项  次
项    目
性能指标
检验方法
1
相对密度
1.05~1.25
泥浆密度计
2
粘度
18~25s
500/700mL漏斗法
3
含砂率
<4%
含砂量计
4
胶体率
>98%
量杯法

5
失水量
<30mL/30min
失水量仪
6
泥皮厚度
1~3mm/30min
失水量仪
7
静切力
1min  2~3Pa
10min  5~10Pa
静切力计
8
稳定性
<0.03g/cm2

9
pH值
7~9
pH试纸
泥浆循环
正循环回转钻机成孔的工艺如图2-16a所示。泥浆由钻杆内部注入，并从钻杆底部喷出，携带钻下的土渣沿孔壁向上流动，由孔口将土渣带出流入沉淀池，经沉淀的泥浆流入泥浆池再注入钻杆，由此进行循环。沉淀的土渣用泥浆车运出排放。
反循环回转钻机成孔的工艺如图2-16b所示。泥浆由钻杆与孔壁间的环状间隙流入钻孔，然后，由砂石泵在钻杆内形成真空，使钻下的土渣由钻杆内腔吸出至地面而流向沉淀池，沉淀后再流入泥浆池。反循环工艺的泥浆上流的速度较高，排放土渣的能力强。

图2-16  泥浆循环成孔工艺
a）正循环； b）反循环
1—钻头；2—泥浆循环方向；3—沉淀池；4—泥浆池；
5—泥浆泵；6—砂石泵；7—水龙头；8—钻杆；9—钻机回转装置　
套管成孔灌注桩
套管成孔灌注桩是利用锤击打桩法或振动沉桩法，将带有钢筋混凝土桩靴（又叫桩尖）或带有活瓣式桩靴（图2-17）的钢套管沉入土中，然后边拔管边灌注混凝土而成。若配有钢筋时，则在浇筑混凝土前先吊放钢筋骨架。利用锤击沉桩设备沉管、拔管时，称为锤击沉管灌注桩；利用激振器的振动沉管、拔管时，称为振动沉管灌注桩。图2-18为沉管灌注桩施工过程示意图。

图2-17  活瓣桩尖
1—桩管；2—锁轴；3—活瓣

图2-18  沉管灌注桩施工过程
a）就位；b）沉套管；c）初灌混凝土；
d）放置钢筋笼、灌注混凝土；e）拔管成桩
1—钢管；2—桩靴；3—桩
套管成孔沉管方法

1.锤击沉管
锤击灌注桩施工时，用桩架吊起钢套管，关闭活瓣或对准预先设在桩位处的预制混凝土桩靴，套入桩靴。套管与桩靴连接处要垫以麻、草绳，以防止地下水渗入管内。然后缓缓放下套管，压进土中。套管上端扣上桩帽，检查套管与桩锤是否在一垂直线上，套管偏斜不大于0.5%时，即可起锤沉套管。先用低锤轻击，观察后如无偏移，才正常施打，直至符合设计要求的贯入度或沉入标高，并检查管内有无泥浆或水进入，即可灌注混凝土。套管内混凝土应尽量灌满，然后开始拔管。拔管要均匀，不宜拔管过高。拔管时应保持连续密锤低击不停。控制拔出速度，对一般土层，以不大于1m/min为宜；在软弱土层及软硬土层交界处，应控制在0.8m/min以内。桩锤冲击频率，视锤的类型而定：单动汽锤采用倒打拔管，频率不低于70次/min；自由落锤轻击不得少于50次/min。在管底未拔到桩顶设计标高之前，倒打或轻击不得中断。拔管时还要经常探测混凝土落下的扩散情况，注意使管内的混凝土保持略高于地面，这样一直到全管拔出为止。桩的中心距小于5倍桩管外径或小于2m时，均应跳打。中间空出的桩须待邻桩混凝土达到设计强度的50%以后方可施打。以防止因挤土而使前面的桩发生桩身断裂。
为了提高桩的质量和承载能力，常采用复打扩大灌注桩。其施工顺序如下：在第一次灌注桩施工完毕，拔出套管后，清除管外壁上的污泥和桩孔周围地面的浮土，立即在原桩位再埋预制桩靴或合好活瓣第二次复打沉套管，使未凝固的混凝土向四周挤压扩大桩径，然后第二次灌注混凝土。拔管方法与初打时相同。施工时要注意：前后两次沉管的轴线应复合；复打施工必须在第一次灌注的混凝土初凝之前进行，也有采用内夯管进行夯扩的施工方法。复打施工时要注意：前后两次沉管的轴线应重合；复打施工必须在第一次灌注的混凝土初凝之前进行。复打法第一次灌注混凝土前不能放置钢筋笼，如配有钢筋，应在第二次灌注混凝土前放置。
锤击灌注桩宜用于一般粘性土、淤泥质土、砂土和人工填土地基。
2.振动沉管
振动灌注桩采用振动锤或振动冲击锤沉管，其设备见图2-19。施工前，先安装好桩机，将桩管下端活瓣合起来或套入桩靴，对准桩位，徐徐放下套管，压入土中，勿使偏斜，即可开动激振器沉管。桩管受振后与土体之间摩阻力减小，同时利用振动锤自重在套管上加压，套管即能沉入土中。  

图2-19  沉管灌注桩设备
1—滑轮组；2—振动器；3—漏斗；4—桩管；5—吊斗；6—枕木；
7—机架；8—拉索；9—架底；10—卷扬机
沉管灌注桩机械

沉管时，必须严格控制最后的贯入速度，其值按设计要求，或根据试桩和当地的施工经验确定。
振动灌注桩可采用单打法、反插法或复打法施工。
单打施工时，在沉入土中的套管内灌满混凝土，开动激振器，振动5~10s，开始拔管，边振边拔。每拔0.5~1m，停拔振动5~10s，如此反复，直到套管全部拔出。在一般土层内拔管速度宜为1.2~1.5m/min，在较软弱土层中，不得大于0.8m/min。
反插法施工时，在套管内灌满混凝土后，先振动再开始拔管，每次拔管高度0.5~1.0m，向下反插深度0.3~0.5m。如此反复进行并始终保持振动，直至套管全部拔出地面。反插法能使桩的截面增大，从而提高桩的承载能力，宜在较差的软土地基上应用。
复打法要求与锤击灌注桩相同。
振动灌注桩的适用范围除与锤击灌注桩相同外，并适用于稍密及中密的碎石土地基。  

沉管灌注桩桩靴