桩基础设计及施工方法的研究论文

关于桥梁钻孔灌注桩基础施工中的问题及防治措施理工论文

摘要： 分析了桥梁钻孔灌注桩基础施工中造成质量事故的影响因素，针对钻孔灌注桩施工方法，从钻孔、清孔、钢筋笼制作安装、灌注水下混凝土等方面进行了论述，以提高桥梁钻孔灌注桩基础的施工质量。同时介绍了解决措施，以减少经济损失，加快整个工程的施工进度。 关键词：桥梁；钻孔灌注桩；施工工艺；控制 混凝土桩基础具有质量好、承载能力高、造价低、施工简便的优点，被广泛应用于桥梁基础工程。桩基施工从钻孔到混凝土灌注的每一个工作环节都需要周密的安排和严谨的操作，尤其是施工准备工作，它直接影响到桩基的工程质量，施工中会出现断桩（全断面夹泥、孔洞）和缺陷桩（离析、蜂窝、缩颈等），它直接影响工程的质量，钻孔灌注桩的施工质量直接影响到上部结构的稳定及围护结构的安全。 一、钻孔施工中常见的事故 1.孔位出现偏差 桩位出现偏差的主要原因在计算桩位坐标时失误，由于施工中测量人员计算错误，审核不细导致出现工程事故，所以在桩位放样前测量人员、工程技术人员一定要仔细核算，确保准确无误。 2.停钻换机造成偏位 桥梁工程地质条件比较复杂，对不同的地质应选择相应的钻机。对第四纪河床冲积层（砂土、粘土、黄土、淤泥）一般采用回旋钻机，对风化岩层、河床砂砾石层一般采用冲击式钻机，对复杂的地质条件（地层不均匀）含大块孤石的砂土层，采用冲击钻与回旋钻配合钻孔或采用地质岩芯钻机，换机中钻机就位偏差造成孔位偏差。 3.塌孔 塌孔在灌注桩施工过程中是经常遇到的事。其特征是孔内水位突然下降，孔口有水泡，出渣量显著增加，进尺困难或不进尺，钻机负荷明显增加，若处理不及时将埋钻或造成废孔。当地区水位变化太大时，采用适当的方法保持水头相对稳定。发现塌孔．判明坍塌位置．分析塌孔原因，针对坍塌的情况采取可行的措施，如果坍塌的水量较小可继续钻孔，回填砂和黏质土混合物到塌孔处以上lm～2m继续钻孔。随时注意坍塌数量的变化。若塌孔不能控制，立刻拆除钻机护筒回填钻孔，重新埋设护筒再钻。由于清孔或钢筋骨架吊入造成塌孔时，应立即停止清孔或将钢筋骨架吊出，利用钻孔机具搅动添加泥浆护壁，同时将坍塌物清理干净，待塌孔稳定后重新清孔和安装钢筋骨架。 二、施工工艺 1.钻孔 （1）采用上海探矿机械厂GPS-20型钻机，正循环施工。调整钻头中心与测放好的桩位中心对中，确保钻机就位时钻杆垂直。 （2）报请监理人员检验，同意之后方可开钻。先启动泥浆泵和转盘，使之空转一段时间，待泥浆输到孔内一定数量后，开始钻进。 刚开始时，进尺应适当控制，在护简刃脚处，应低档慢速钻进，使刃脚处有坚固的泥皮护壁。钻至刃脚下1ITI后，可按土质以正常速度钻进。 （3）钻孔过程中每1h～2h检测一次泥浆指标，注意及时调整，使其符合规范要求。每钻进2m～3m检查孔径、竖直度，同时注意土层变化，与地质资料进行核对，若与勘察设计所提供的地质资料不符，要请示监理工程师和设计代表，经判明后再继续钻孔，合理调整钻进速度与钻压等参数。采用减压法钻进，使钻杆维持垂直状态，钻头回转平稳，减少斜孔、扩孔和弯孔的发生。接、卸钻杆的动作要迅速、安全，争取在尽快时间内完成，以免停钻时间过长，增加沉淀。 （4）钻孔中保持孔内的泥浆面（水头）高度，若突然发生泥浆面降低或升高，应立即将钻头提出孔外，向有关人员汇报，查明原因，分析判断发生的情况后再继续钻进。 2.清孔 （1）钻进达到设计标高后，立即进行终孔检查（孔深、孔径、倾斜度等），符合设计要求后进行第一次清孔。 （2）清孔时必须注意保持水头高度为1.5m～2.0m，同时必须控制好泥浆指标，避免因泥浆相对密度下降导致塌孔。不得用加深钻孔深度的方式代替清孔。 （3）在导管安装完毕后，再次检查孔内泥浆性能指标和孔底沉淀厚度，如不符合规定，应进行第二次清孔。 三、钻孔灌注桩基础施工中的问题及防治措施 钻孔灌注桩的主要问题、产生原因及相应的防治措施列举如下。 1.桩底地基承载力不足 原因：桩端没有支承在持力层上面。 防治措施：这种情况一般出现在复杂地层，这种地层一般最好取芯检验。如不能钻孔取芯，要参照邻近取芯情况，钻速、泥浆返上的`岩屑及钻进情况（一般钻进至微风化岩时，钻头不蹩钻，主要钻杆振动不很厉害，钻进声音感觉较好）、工程地质资料进行综合考虑。 缩径（孔径小于设计孔径）原因：塑性土膨胀。 防治措施：成孔时应加大泵量，加快成孔速度，快速通过。在成孔一段时间，孔壁形成泥皮，孔壁不会渗水，亦不会引起膨胀。如出现缩径．采用上下反复扫孔的办法，以扩大孔径。 桩底沉渣量过大原因：检查不够认真，清孔不干净或没有进行二次清孔。 防治措施：（1）认真检查，采用正确的测绳和测锤（2）一次清孔后，如不符合要求，要采取措施，改善泥浆性能，延长清孔时间。（3）在下完钢筋笼后，再检查沉渣量，如沉渣量超过规范要求，应进行二次清孔。二次清孔可再利用导管进行，即准备一个接头，一头接导管，一头接胶管，在导管下完后，提离孔底0．4m，在接管上接上泥浆泵直接进行泥浆循环。二次清孔能及时有效保证桩底干净。 2.钢筋笼上浮 原因：（1）当砼灌注至钢筋笼下，若此时提升导管且导管底端距离钢筋笼仅有1m左右的距离时，由于浇注的砼自导管流出后冲击力较大，推动了钢筋笼上浮（2）由于砼灌注钢筋笼且导管埋深 较大时，其上层砼因浇注时间较长，已近初凝，表面形成硬壳砼与钢筋有一定握裹力，如果此时导管底端未及时提到钢筋底部以上砼从导管流出后将以一定的速度向上顶升，同时也带动钢筋笼上移。 防治措施：（1）灌注砼过程中，应随时掌握砼浇注标高及导管埋深，当砼埋过钢筋笼底端2～3m时，应及时将导管提至钢筋笼底端以上（2）当发现钢筋笼开始上浮时，应立即停止浇注，并准确计算导管埋深和已浇砼标高，提升导管后再进行浇注，上浮现象即可消除。 断桩原因：（1）灌注砼过程中，因导管漏水或导管提漏而二次下球也是造成夹泥层和断桩的原因。导管提漏有两种原因：一是当导管堵塞时，一般采用上下振击法，使砼强行流出，但如此时导管埋深很少，极易提漏。二是泥浆过稠，如果估算或测砼面难，在测量导管埋深时，对砼浇注高度判断错误，而在卸管时多提，使导管提离砼面，也就产生提漏．引起断桩：（2）灌注时间过长，而上部砼已接近初凝，形成硬壳，而且随时间增长，泥浆中残渣将不断沉淀，从而加厚了积聚在砼表面的沉淀物，造成砼灌注极为困难，造成堵管与导管拔不上来，引发断桩事故；（3）导管埋得太深，拔出时底部已接近初凝，导管拔上后砼不能及时冲填，造成泥浆填入，引发断桩。 防治方法：（1）认真做好清孔，防止孔壁坍塌；（2）尽可能提高砼浇注速度：一是开始浇砼时尽量积累大量砼，产生极大的冲击力可以克服泥浆阻力。二是快速连续浇注，使砼和泥浆一直保持流动状态，可防导管堵塞：（3）提升导管要准确可靠，灌注砼过程中随时测量导管埋深，并严格遵守操作规程（4）灌注水下砼前检查导管是否漏水、弯曲和缺陷发现问题及时更换。 四、结语 桩基是整个桥梁的命脉所在，是桥梁施工的关键环节，钻孔灌注桩的施工工艺复杂，干扰因素多，施工难度大。在施工中，应结合工程的实际，按照设计文件与施工规范的要求，选取合理的施工工艺，坚持以预防为主的原则，采取有效的措施进行施工控制，及时解决施工过程中出现的各种问题，才能保质保量地完成任务。 参考文献： [1]刘自明.桥梁工程检测

手册[M]，北京：人民交通出版社.2001 [2]交通部第一公路工程总公司．公路施工手册：桥涵（上册）[M].人民交通出版社.2000

管桩的应用和研究现状分析论文

摘要： 管桩作为一种新桩型以其施工方便、承载力高、质量可靠、较为经济等优点越来越得到广泛的应用。本文根据管桩的承载力特性和受力状况，分析了影响管桩承载力的因素以及提高管桩承载力的方法，并基于对施工中常见问题的探讨，提出有效的防治措施。

关键词： 管桩；承载力；施工；质量控制

1 前言

管桩作为一种地基处理及桩基础形式从上个世纪初产生到现在已经得到了很大的发展，在各种建筑基础中得到广泛地应用，并发挥着巨大的作用。从国外管桩的发展来看，从1920年澳大利亚发明了离心法制作混凝土制品、1925年日本引进这种技术用于钢筋混凝土管桩，在1962年开发预应力混凝土管桩(PC管桩)，到现在已有八九十年的历史，目前管桩已朝着全面取代传统实心桩方向发展。我国是1944年开始生产混凝土离心(RC)管桩，到SO年代末期研究成功预应力抽筋管桩，即采用后张法对桩身混凝土施加预应力。近15年，我国生产的预应力混凝土管桩无论从产品性能和产量上都达到了世界前列，呈现出布局面广，产品品种、规格齐全，生产技术成熟，配套应用技术日趋完善等特点。据资料反映，2004年福建省实际利用预制高强混凝土管桩就达2500万米。为了更合理利用管桩这一技术、有效地推广使用管桩，对管桩进行研究是极为必要的。

管桩的种类分为：钢管桩、预制混凝土管桩及钢管混凝土管桩。钢管桩及钢管混凝土管桩具有高强度、抗冲击疲劳性能好、贯入能力强、便于割接、质量可靠、运输方便、沉桩速度快及挤土影响小等优点，但造价高，约为预应力混凝土管桩的3－10倍。因此，一般只在必须穿越砂层或其它桩型无法施工和质量难以保证、或工期紧迫等情况下使用，或者是一些重要的特种工程的基础上，如海上钻井平台，港口平台等工程中使用。预制混凝土管桩之所以得到迅速发展和广泛的应用，主要是由于具有以下优点：

(a)施工工期短，施工方便、不受季节限制，工业化生产：

(b)对施工场地无污染，若采用静压式施工更无噪音，符合绿色环保施工要求；

(c)经济效益可观，同样的地基处理效果(竖向承载力及水平承载力)所使用的混凝土比实心桩节省30％－60％且抗腐蚀能力强，工作性能同钢管桩基本相似。

(d)对持力层起伏变化较大的地质条件适应性强，一般情况下，软土、粘性土、粉土、砂土及全风化岩体等地层条件均可采用。因此像高层建筑、码头工程、桥梁工程、高速公路、铁道工程等除必须采用钢管桩的特殊基础外，在工程中钢管桩已大部分被预制混凝土管桩所代替。现在我国预制混凝土管桩使用量已经相当可观。

2 管桩的承载特性及承载力分析

2．1 管桩的承载特性

管桩的底桩端部的桩尖(靴)形式主要有十字型、圆锥型和开口型。前两种属于封口型。采用封口型桩尖的管桩其承载力主要由桩周的侧摩阻力及桩端的端阻力组成；采用开口型桩靴的管桩则在沉桩过程中桩身下部1/3－1/2桩长的内腔被土体充塞，挤土效应较弱(与沉管桩、静压实心混凝土桩比)，对周围建筑物及环境影响小，具有较高的环保性能。但是内腔土塞却为管桩提供了内侧摩阻力，使得管桩的承载力的组成变得更为复杂。影响管桩承载特性的因素很多，比如桩侧土性、桩端土性、桩径、开口管桩的壁厚、人土深度、施工顺序等。预制混凝土管桩通常只具备开口桩的功效。

2．2 管桩的受力分析

2．2．1 管桩的竖向承载性状和单桩极限承载力 确定管桩竖向承载力的方法很多，最可靠的方法是静力载荷试验法，目前比较常用的公式有两类：一是以土的物理力学指标和大量的试桩资料为依据，经统计分析建立桩侧和桩端阻力与土类指标之间的关系；另一类是以土的力学性能指标如土的标准贯入击数为依据，我国、欧洲及美国API－RP2A的地基基础规范均采用第一类公式。其表达式为

由于各地地质条件不同，地质结构比较复杂，桩的类型又多，沉桩工艺也多种多样，很难用单一形式的公式来反映工程实际。

从文献进行的破坏荷载试验得知，当桩顶竖向受压时，桩身上部首先产生垂直应力和弹性变形，并向桩身下部传递，自上而下逐步建立摩阻力，桩身处于弹性压缩阶段。当荷载较小时，变形量较小，桩基基本没有发生位移，桩端阻力为零。随荷载增加，当垂直应力传递到桩端时，桩端土逐步压缩，桩土相对变形加大，桩侧摩阻力进～步发挥。在加荷载最后阶段，随着桩端阻力的不断增加，桩顶部位侧阻力首先达到极限(摩阻力趋于定值)，并向下逐步扩大极限阻力的'分布范围，在此过程中相对于荷载增量，作为抗力的摩阻力增量所占比例愈来愈小，而桩端阻力增量所占的比例则愈来愈大。最终导致桩端土出现塑性区并迅速扩展。桩因急剧下沉而失效，桩端土的刺入破坏先于桩身强度破坏。此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。

2．2．2 管桩的水平承载性状和单桩极限承载力

随着我国工程技术的迅速发展，大陆架浅海石油的勘探和开发技术的进步以及陆上高层建筑的发展，使得这些管桩不仅要承受巨大的竖向载荷，还要承受巨大的水平载荷。而桩在侧向载荷作用分析是工程中非常重要但却尚未圆满解决的问题。文献采用卧式千斤顶施加水平力试验来测定单桩水平载荷，施加的水平荷载分级一般取预估水平极限荷载的1/10－1/15，每级荷载施加－后，恒载4min测桩的水平位移值，然后卸载至零，停2min测出桩的残余水平位移值，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次便完成一级荷载的试验观测。多级加荷后，出现下列情况之一时可停止试验：1)桩身折断；2)水平位移超过40mm或达到设计要求的水平位移允许值。当桩身应力达到极限强度时的桩顶水平力使桩顶水平位移超过20－30mm，或桩侧土体破坏的前一级水平荷载，即是单桩水平极限承载力标准值。

2．2．3 影响管桩承载力的因素

2．2．3．1 偏斜

偏斜桩是指随着桩周土的水平运动，桩与土之间产生的水平压力导致桩身产生水平挠曲和弯矩，致使桩偏斜的被动桩。预应力管桩偏斜后，其极限承载力要低于铅直桩的极限承载力。偏斜预应力管桩的承载力减少程度不仅与其偏斜的程度有关，且与其所处的土层性质、入土桩长、桩与承台布置等均有一定的关系。

当遇到超过偏斜限量值的桩时，无论其是否发生裂缝，均应进行纠偏扶正处理，将其倾斜度控制在允许的范围内。较浅的(一般2－3m)可以将桩倾斜反向土方挖除后扶正；较深的可以用钻孔取土、高压水冲取土等方式将桩倾斜反向一侧土取出后扶正。然后对纠偏扶正的桩进行检测，看其是否在纠偏施工中发生异常情况，如无异常可进行下步施工。

2．2．3．2 裂缝

浅部裂缝——一般裂缝位置多发生在深度4－6m，也有的在3m以内，出现这种 情况多数是桩裂缝部位的下部有相对比较坚硬的土层。深部裂缝一裂缝位置发生在8－10m，出现此种情况多是地基土上部软土层较厚。裂缝的存在势必影响到桩基竖向永久性受荷特性，为确保桩基工程的安全使用，需对桩基进行加固处理。如接桩、补桩，一定情况下还需经计算确定。

2．2．3．3 偏心载

竖向荷载的偏心是预应力混凝土管桩产生弯曲荷载的重要原因，荷载的偏心也势必影响桩的竖向承载力。预应力混凝土管桩基础常采用柱下多桩承台，严格地讲，承台下大多数桩都处于偏心承载状态，对于偏心承载桩如何对桩的承载能力做出正确的评估，桩在正常使用极限状态下所能承受的偏心距临界值是多少，竖向荷载偏心距与桩的承载能力有何关系，这是预应力混凝土管桩基础设计要特别考虑的问题。

文献根据材料力学原理和现行钢筋混凝土结构设计规范的规定，提出预应力混凝土管桩在偏心荷载(或在桩顶水平位移)作用下内力与位移的计算方法，包括纯弯状态下桩身抗裂弯矩临界值；在轴心力和弯矩共同作用下桩身抗裂弯矩的极限值；桩顶允许承载力与竖向力偏心距(或桩顶水平位移)之间的相互关系式等。

3 管桩设计施工中的问题及质量控制

3．1 挤土效应

在沉桩过程中，土体向四周排挤，使周围的土受到严重的扰动，主要表现为径向位移，桩尖和桩周一定范围内的土体受到不排水剪切以及很大的水平挤压，产生较大的剪切变形，形成具有很高孔隙水压力的扰动重塑区，降低了土的不排水抗剪强度，促使桩周邻近土体会因不排水剪切而破坏，由于群桩施工中的迭加作用，会使已打入桩和邻近管线产生较大侧向位移和上浮。桩群越密越大，土的位移也越大。

施工遇到挤土效应采取的防治措施是：

①合理安排沉桩顺序、控制每日打桩的数量，减少孔隙水压力的迭加：

②采用先开挖基坑后沉桩的施工工序，可减少地基浅层软土的侧向位移和隆起，有利于降低沉桩所引起的超静孔隙水压力，从而减少地基深层土体变位。

③在场地设置袋装砂井或塑料排水板，创造排水条件以降低孔隙水压力。

④预钻孔辅助沉桩。

3．2 浮桩

浮桩现象是静压管桩挤土效应的一种表现形式。该问题表现得很隐蔽，并且往往是等到压桩工程完工后做静载检测时才发现，而此时桩机可能已退场。此时再来处理就非常被动。比较好的处理措施是：提前选取有代表性的桩进行测量监控，在桩施工结束后应立即用水准仪测量记录其桩顶标高，并在整个施工过程中定期复测，通过比较来检查桩身是否有上浮现象。如果发现有上浮现象，则需采取前面提过的控制压桩速率、重新调整压桩路线或钻孔取土等措施，减少挤土效应进而控制桩身上浮现象。如果采取上述措施后仍不能解决桩身上浮现象，则可采用复压的补救方法进行处理。

3．3 沉桩达不到设计要求

沉桩达不到设计的最终控制要求主要原因是：

①勘探点不够或勘探资料粗糙，对工程地质情况不明，尤其是对持力层起伏标高不明，导致设计考虑持力层或选择桩长有误。

②设计持力层选择不当，预应力管桩持力层宜选择强风化层，以达到较高承载力。但当强风化层埋深较深时，考虑到桩长限制，不得已选择全风化层作持力层时，承载力将受较大影响，特别是全风化层有遇水易软化特点，地下水可能通过桩管内从桩尖渗入，大大降低桩端承载力。

③设计对单桩承载力预估不准，导致实际桩长与压桩力不匹配。

④桩身断裂致使不能继续施压。

防治措施为首先详细探明工程地址地质情况，必要时应作补勘，正确选择持力层或标高；施工采用合适吨位桩机；根据工程地质条件，合理选择桩的施工方法及打桩顺序，避免断桩，确保桩身质量。科学设计，通过试桩确定合理终压标准。

3．4 断桩

断桩是预制混凝土管桩施工中常常遇到的问题，其产生的主要原因主要有：

①使用了厂家生产的未经检验的不合格的桩；

②桩尖碰到地下障碍物管桩被蹩断：

③管桩施工中垂直度没有控制好；

④管桩由软弱土层突然进入硬土层，桩机压力迅速升高，桩身受到瞬间冲击力而引起；

⑤基坑施工中，由于软土推挤隆起，基坑壁侧向移动造成断桩。

施工中若发现有断桩，就要采取补强加固方案处理。对预应力管桩浅层断桩可采用接桩。对深层断桩的接桩(包括部分错位桩纠偏后接头)要抽干桩内积水，确认桩的倾斜在允许范围内，放人钢筋笼，钢筋笼应伸到断桩下3m，用高等级混凝土灌注。接桩后要进行承载力检测。当断桩处错位，无法复原时，应重新补桩。对工程事故应分析问题的原因、补桩的可能性和对已施工桩的影响，考虑其它可利用条件以及经济和工期等要求。

4 结语

管桩作为一种新桩型以其桩身质量可靠、承载力高、施工速度快、现场整洁、较为经济等优点越来越得到广泛的应用。但由于管桩的应用时间不长，在研究和应用等方面都还存在着不少亟待解决的问题。而工程实践的发展已远远超过理论研究水平，使得管桩的应用受到严重制约。本文总结了管桩的承载力特性和受力分析、影响管桩承载力的因素以及提高管桩承载力的方法、施工中常见问题以及防治措施。但文中所涉及到的诸多问题目前都还没有得到圆满的解决，因此还需要通过大量的科学研究和工程实践来做进一步探讨。