大直径深孔钻孔桩施工讲义.docx
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1、大直径深孔钻(挖)孔灌注桩施工讲 义中铁大桥局集团有限公司二00五年十二月目 录绪 论第一章 地基土的主要物理、力学指标及其划分第二章 钻孔方法的分类第三章 钻(挖)孔灌注桩施工准备第四章 钻(挖)孔灌注桩成孔工艺4.1 正循环旋转法钻进成孔工艺4.2 反循环旋转法钻进成孔工艺4.3 冲击(正循环)钻进成孔工艺4.4 冲击连续反循环钻进成孔工艺4.5 其它成孔方式施工工艺4.6 成孔检查4.7 岩溶地区冲击钻孔成孔施工工艺第五章 钻孔事故的预防及处理第六章 清孔第七章 钢筋骨架及声测管安装第八章 钻孔桩灌注水下混凝土第九章 大直径及深孔钻孔灌注桩施工注意事项9.1 大直径深孔钻孔灌注桩之一般要
2、求9.2 钻孔准备9.3 护筒埋设及安装9.4 泥浆制备及其净化9.5 钻机选型/9.6 钻头配置9.7 成孔工艺9.8 清孔9.9 大直径桩水下混凝土灌注第十章 挖孔桩10.1 挖孔桩适用范围10.2 挖孔桩施工工艺10.3 排水10.4 终孔检查10.5 灌注混凝土第十一章 钻(挖)孔桩常用质量检测11.1 检验内容及质量标准11.2 桩身混凝土超声波检测法11.3 桩身混凝土芯样检测法第十二章 施工组织及管理绪 论1、桩的应用及其发展(略):钻渣外运及环境保护问题较为突出2、桩的分类2.1、按功能分(1)承受轴向压力的桩:低桩承台各类建筑物、构筑物的桩基大体都是以承受竖向荷载为主,基桩桩
3、顶以轴向压力荷载为主。(2)承受轴向拔力的桩:各类锚桩水下建筑抗浮力桩基、牵缆桩基、输电塔和微波发射塔桩基等,其主要功能以抵抗拔力为主,基桩荷载以轴向拔力为主。(3)承受横向荷载的桩:抗滑桩当外荷载以力或力矩形式作用于与桩身轴线相垂直的方向(横向),使桩身横向受剪、受弯时,称之为横向荷载桩。2.2、按桩土相互作用特点分(1)竖向荷载桩1)、摩擦桩竖向荷载下基桩所发挥的承载力以侧摩阻力为主时,统称为摩擦桩。以下几种情况均可视为摩擦桩。A、桩端无坚实持力层且不扩底时;B、桩的长径比很大,即使桩端置于坚实持力层上,由于桩身压缩量过大,传递到桩端的荷载较小时;C、当灌注桩桩底残留较厚的虚土、沉渣形成一
4、压缩性高的褥垫,致使坚实持力层无法充分发挥其承载性能时;D、当预制桩沉桩过程由于桩距小、桩数多、沉桩速度快,使已沉入桩上涌,桩端阻力明显降低时。(2)横向受荷桩1)、主动桩桩顶受横向荷载,桩身轴线偏离初始位置,桩身所受土压力因桩主动变位而产生。风力、地震力、车辆制动力等作用下的建筑物桩基属于主动桩。2)、被动桩沿桩身一定范围内承受侧向土压力,桩身轴线被该土压力作用而偏离初始围子。深基坑支挡桩、坡体抗滑桩、堤岸支护桩等均属于被动桩。2.3、按桩材分类(1)木桩木桩适于地下水位以下地层总工作,因在这种条件下木桩能抵抗真菌而保持耐久性。当地下水位离地面深度较大而桩必须支撑于地下水位以下时,可在地下水
5、位以上部分代之以钢筋混凝土桩身,将其与下段木桩相联接。对于地下水位变化幅度大的地区不宜使用木桩。我国木材资源不足,因此工程实践中早已趋向于不采用木桩。(2)钢桩钢桩可根据荷载特征制作成各种有利于提高承载力的端面,如图1-1所示。管形和箱形断面桩的桩端常作成敞口式以减小沉桩过程的挤土效应;当桩壁轴向抗压强度不够时,可将挤入管、箱中的土塞挖灌注混凝土。H形钢桩沉桩过程的排土量较小,沉桩灌入性能好。此外,H形桩的比表面积大,用于承受竖向荷载时能提供较大的摩阻力。为增大桩的摩阻力,还可在H形钢桩的翼缘或腹板上加焊钢板或型钢。对于承受侧向荷载的钢桩,可根据弯矩沿桩身的变化情况局部加强其断面刚度和强度。(
6、3)钢筋混凝土桩钢筋混凝土桩的配筋率较低(一般为0.3%1.0%),而混凝土取材方便、价格便宜、耐久性好。钢筋混凝土桩既可预制又可现浇(灌注桩),还可采用预制与现浇组合,适用于各种地层,成桩直径和长度可变范围大。因此,桩基工程的绝大部分是钢筋混凝土,桩基工程的主要研究对象和主要发展方向也是钢筋混凝土桩。2.4、 按成桩方法分类按成桩方法可分为两大类:预制桩和灌注桩。 (1)预制桩多年来,钢筋混凝土预制桩是建筑工程的传统的主要桩型。七十年代以来,随着我国城市建设的发展,施工坏境受到越来越多的限制,预制桩的应用范围逐步缩小。但是,在市郊的新开发区,预制桩的使用是基本不受限制的。1)、 预制桩不易穿
7、透较厚的砂土等硬夹层(除非采用预钻孔、射水等辅助沉桩措施),只能进入砂、砾、硬粘土、强风化岩层等坚实持力层不大的深度。 2)、 沉桩方法一般采用锤击,由此产生的振动售噪声污染必须加以考虑。3)、 沉桩过程产生挤土效应,特别是在饱和软粘土地区沉桩可能导致周围建筑物、道路、管线等的损坏。 4)、 一般说来预制桩的施工质量较稳定。5)、 预制桩打入松散的粉土、砂、砾层中,由于桩周和桩端土受到挤密,其侧摩阻力因土的加密和桩侧表面预加法向应力而提高;桩端阻力也相应提高。基土的原始密度愈低,承载力的提高幅度愈大。当建筑场地有较厚砂飞砾层时,一般宜将桩打入该持力层,以大幅度提高承载力。当预制桩打入饱和粘性土
8、时,土结构受到破坏并出现超孔隙水压,桩承载力存在显著的时间效应,即随休止时间而提高。 6)、 建筑工程中预制桩的单桩设计承载力一般不超过3000kN,而在海洋工程中,由于采用大功率打桩设备,桩的尺寸大,其单桩设计承载力可高达10000kN。7)、 由于桩的贯入能力受多种因素制约,因而常常出现因桩打不到设计标高而截桩,造成浪费。8)、 预制桩由于承受运输、起吊、打击应力;要求配置较多钢筋,混凝土标号也要相应提高,因此其造价往往高于灌注桩。(2)灌注桩当前灌注桩在我国已形成多种成桩工艺、多类桩型,使用范围已扩及到土木工程的各个领域。从国际上的情况看,灌注桩正朝两个方向迅速发展,即大直径巨型桩和小直
9、径(d250mm微型桩。前者桩身直径大至4m,扩底直径达9m,其设计承载力,桩端支承于硬粘土层者高达40000kN,支承于基岩者高达70000kN。大直径桩多使用于高重建筑物,并多采用一柱一桩。八十年代以来,随着高层建筑的迅速增多,大直径桩在我国建筑工程中已获得很大发展。微型桩则多用于地基的浅层处理,形成复合地基,或用于旧建筑物基础的托换加固。微型桩在我国近年来也已开始发展起来。灌注桩按其成桩过程对桩侧土体的影响程度可分为非挤土灌注桩、少量挤土灌注桩、挤土灌注桩三大类,每一类又包含多种成桩方法。各类灌注桩有如下共同优点:1)、施工过程无大的噪声和振动(沉管灌注桩除外)。2)、可根据土层分布情况
10、任意变化桩长,可根据同一建筑物的荷载分布与土层情况采用不同桩径:对于承受侧向荷载的桩,可设计成有利于提高横向承载力的异形桩(如图12所示),还可设计成变断面桩,即在受弯矩较大的上部采用较大的断面。3)、可穿过各种软、硬夹层,将桩端置于坚实土层和嵌入基岩,还可扩大桩底以充分发挥桩身强度和持力层的承载力。4)、桩身钢筋可根据荷载大小与性质及荷载沿深度的传递特征,以及土层的变化配置。无需象预制桩那样配置起吊、运输、打击应力筋。其配筋率远低于预制桩,其造价约为预制桩的4070。2.5、 各类桩的特点与适用条件(1) 预制桩的类型、特点与适用条件1)、普通钢筋混凝土预制桩(RC桩)这是一种传统桩型,共截
11、面多为方形(250x 2505(00x 500mm)。RC桩宜在工厂预制,高温蒸汽养护。蒸养可大大加速强度增长,但动强度的增长速度较慢,因此,蒸养后达到了设计强度的RC桩,一般仍需放置一个月左右碳化后再使用。(2)预应力钢筋混凝土桩(PC桩)对桩身主筋施加预拉应力,混凝土受预压应力,从而提高起吊时桩身的抗弯能力和冲击沉桩时的抗拉能力,改善抗裂性能,节约钢材。PC桩的制作方法有离心法和捣注法两种。离心法一般制成环形断面,捣注法多为实心方笋断面,也可采取抽芯办法制成外方带内圆孔的断面。为了减少沉桩时的排土量和提高沉桩贯入能力,往往将空心预应力管桩桩端制成敞口式。预应力管桩在我国多数采用室内离心成型
12、,高压蒸养法生产。其标号可达C60以上。规格有+400、十500两种,管壁分别为90mm,lOOmm,每节标准长度有8m、lorn(丰台桥梁厂)也可按需确定节长。表11和表12列出几种规格预应力管桩的材料用量与桩身承载力。(3)锥形钢筋混凝土桩预应力钢筋混凝土管桩材料用量(kg) 表1-1规格4005508m桩节10m桩节8m桩节10m桩节桩头法兰盘40.840.85959桩套箍11.811.816.216.2主钢筋(12)56.370.584.4105.8螺旋筋(5)19.724.028.134.2架力筋(10)4.35.56.28.0钢材总重139.2152.6196.7223.2混凝土总
13、重1800220028003500桩管总重1900240030003700预应力钢筋混凝土管桩桩身承载力 表1-2 规 格 极限承载力容许承载力(参考值) (外径*度)mm)400-9055010040090550一100 轴心抗压P(kN) 抗裂弯矩M(kNm) 极限弯矩M(kN-m) 2890 56 90 4660 128 196960-1150 40 401550l860 90 90锥形桩在沉桩过程能起到比等截面桩更多的对土的挤密效应,并可利用其锥面增大桩的侧面摩阻力,从而提高承载力。在桩身体积相同的条件下,其承裁力可比等截面桩提高12倍,沉降量也降低。这种桩一般长度较小(4m),多用于
14、非饱和填土等软弱土层不太厚、对承载力要求不太高的情况。苏联七十年代对锥形桩进行过系统研究,我国也在少数工程中试用。表13所列为保定对比试验结果。 (4)螺旋形钢筋混凝土桩 螺旋形RC桩系通过施加扭矩旋转置人士中,因而可避免冲击沉桩产生的噪声和振动污染。螺旋形可提高桩侧阻力和桩端阻力。 当硬持力层较浅且上部土层很软时,可只在桩端部分设螺旋叶片。带螺旋叶片的桩端可用铸铁制成。用销子将其与钢筋混凝土桩管连接;或将铸铁的叶片装在预制混凝土圆柱上(见图11)。 当持力层很深,桩的承载力主要靠发挥桩身摩阻力时,可将混凝土桩身作成全螺旋式桩。 表13所示为日本研制的钢纤维混凝土制成的全螺旋预制桩。其材料配比
15、:水灰比为32,水为153kSm3,水泥为480kgm3,砂630kgm3,石子1056kgm3,高强外加剂72kgm3,高性能减水剂8016kgm3,钢纤维624kgm3。混凝土28天抗压强度为100MPa。锥形桩与方形桩对比试验资料 表13 桩型及截面尺寸桩长(m)体积(m3)钢耗(Kg)单桩极限承载力打桩历时(小时/根)土质情况单方承载力(t/ m3)平均(t)百分比(%)预制方桩200*200mm3.000.127.5413.7100%0.5硬塑亚粘土及轻亚粘土144现浇圆锥形桩350mm(上)50mm(下)3.000.101.1728.3217%0.5283预制方锥形桩300*300
16、mm(上)60*60mm(下)3.000.107.8940.1293%0.5(至5m深)401(5)结节形钢筋混凝土预制桩 为防止地震时地基土的液化,可采用结节桩。在打结节桩时,桩周堆放一定量的砾石,桩沉入时桩身的结节将砾石带入土中,在桩周形成一个一定厚度的砾石圈。桩周的砾石既起排水作用,又可加速打桩引起的超孔隙水压力的消除,使桩的承载力能较快地达到稳定值,同时又能释放地震引起的超孔隙水压力,从而防止土的液化。试验还表明,结节形桩的承载力比普通桩高出3040。日本在采用这种桩型方面有较多的经验。按日本Takenchi程公司的经验,最大结节直径为500mm,桩身直径为400mm,桩最大入土深度为
17、12m。(6) 钻孔预制桩为降低打桩引起的振动,噪声污染,避免打桩产生的挤土效应对周围建筑物的危害,或为克服打桩时硬层难以贯穿的问题,可采用钻孔植桩。钻孔植桩的工艺是先以适当的成孔机钻孔,然后将预制混凝土桩插入孔内。钻孔直径比预制桩一般大410cm,桩与孔壁间隙充填水泥浆。 当地下水位低采用干作业时,将水泥浆先灌入孔中一定高度,将桩植入,水泥浆随即挤入桩壁间隙。当地下水位高采用泥浆护壁时,则先以比重大于泥浆的水泥(砂)浆用导管入孔底将泥浆托起,然后植入预制桩,上部泥浆随之被挤出孔外。第一章 地基土的主要物理、力学指标及其划分支承建筑物的土层(岩层)叫做地基,地基的状态关系着整个建筑物的安危。为
18、确保建筑物的安全和正常使用,地基应满足两个基本条件:一是作用于地基的荷载不超过地基的容许的限度,以保证建筑物不致损坏或影响其正常使用。一般来说,天然地基很难满足上述要求,特别是现代的高层、重型构筑物对基础有严格要求。所以在工程设计之前,必须进行工程地质勘察。在探明工程地质条件之后,综合考虑地质、水文、施工、建筑材料、上部结构荷载、地形及临近既有建筑物等情况,确定地基加固的方案(即基础类型及结构),达到地基和基础既有足够的强度、稳定性和耐久性,又便于施工,技术经济效益也好的目的。1.1、地基土的物理指标、力学性质了解各类地基土的性质,对正确选择基础形式及施工工艺方法有着极为重要的意义。土木建筑工
19、程所称的土,狭义来说是指岩石经过风化、剥蚀,搬运,沉积等过程后所形成的各种松散颗粒物质;广义的概念也包括整体岩石在内。土是由固体颗粒和颗粒间孔隙中的水和气体组成的三相体。土中固体颗粒的大小,成分及三相之间的比例关系,反映出土的不同性质,如干湿,松密、轻重,软硬等等。土的这些物理性质与力学性质之间有着密切的联系,如土松而湿则强度低、压缩性大;土干且密,则强度高且压缩性小。基础工程施工常涉及到土的物理、力学性质的定义及指标,分述如下:(1)土的容重土在天然状态下单位体积的重量叫做土的天然容重,单位用“N/m3”表示。土的容重与土的含水量,密实程度有关,一般土的天然容重为16-22 N/m3,容重大
20、的土比较密实,强度也较高。土的干容重d是土在烘干状态下的容重,即单位体积土颗粒的重量。土愈密实干容重愈大,一般为13-20 N/m3。土的饱和容重是指土体中孔隙充满水时的单位体积重量;地下水位以下的土,颗粒受到水的浮力作用,其容重称为水下浮容重。(2)土的含水量W土的含水量是指土在天然状态下,土中水的重量与土颗粒重量之比,用百分数表示。土的含水量反映土的湿度。含水量越大说明土越湿。对于同一种类的土,当含水量增大时,它的强度就会降低。(3)土颗粒比重G土颗粒经100-105下烘至恒重的重量与同体积的蒸馏水在4时重量的比值,称为土颗粒的比重。土颗粒的比重决定于土的矿物万分和有机质含量,一般土粒比重
21、为2.65-2.75。(4)孔隙比e与孔隙度n土的孔隙比e是土中孔隙的体积与土粒体积之比。土中孔隙的体积与土的总体积之比,称为孔隙度n,其值恒小于1。孔隙比与孔隙度都反映土的孔隙特征,间接反映土的密实度和强度。(5)饱和度Sr土中孔隙被水充满的程度叫饱和度,以土中水的体积与孔隙体积之比来表示。如果Sr=100%,则表示土的孔隙中充满着水,土是完全饱和的;如果Sr=0,则表示土中没有水。(6)粘性土的可塑性指标粘性土的性状与含水量有着密切的关系。对于同一种粘土,当其含水量小于某一限度时,处于坚硬的状态。随着含水量的增加,它就会变为塑性状态。所谓塑性状态是指土体在外力作用下,可塑成任何形状而不发裂
22、,也不改变体积,当外力取消后,还可保持变形后所得的形状。如果含水量进一步增加,土体就会由可塑性状态变为流动状态。塑限WD(%)土由固态变到塑性状态时的分界含水量,系实测指标。液限W1(%)当土由塑性状态变到流动状态时的分界含水量。我国广泛采用液限仪来测定。塑性指数ID液限与塑限之差,系计算求得的指标。塑性指数的大小,主要与土内所含的粘粒多少有关。土中含粘粒愈多,则其塑性指数愈大,即表示土在含水量变化相当大的范围内,仍能保持塑性状态。由于塑性是粘性土的一种特征,故在地基基础规范中以塑性指数作为粘性土的分类标准。液性指数I1土的天然含水量与塑限之差除以塑性指数的计算指标。液性指数表示粘性土的软硬程
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