大直径沉管灌注桩施工及承载力特性分析

2007-01-26 11:06:01

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阮永芬1 郝建华2 何李2

摘要：昆明地区由于特殊的地理环境，各地生成地基土的工程特性差异非常大，且昆明地区的土体含水丰富，地下水位较高。本工程从具体的实际情况出发，采用大直径沉管灌注桩进行试桩施工，对试桩的静荷载试验结果分析和评价后，对基础桩进行了调整，保证了桩基础承载力的设计要求。根据施工过程，总结了一些施工经验，为今后昆明地区的大直径沉管灌注桩的施工提供有益的经验。关键词：沉管灌注桩桩端力静载荷试验施工

1、引言

目前无论是在桥梁工程还是在建筑工程中，基础施工费用都占有较大的比重，一般达到工程总造价的30－50%，有的是60－70%，在一些特殊路段，所占有的施工金额比例还要高。所以基础施工是工程建设中的重点。一方面决定着整个工程的质量，另一方面也决定着施工企业的效益。

昆明地区由于特殊的地理环境，生成各地的地基土的工程特性差异很大，地基土非常复杂。昆明地区的地震设防烈度较高，土体含水丰富，地下水位高，一般0.5m就见水，所以在昆明地区的建筑工程中，大都采用桩基础进行设计施工。因为桩基础抗震性能好、沉降量小、承载力高、可以解决特殊地基土的承载力，施工噪音小，适用于城市改造和人口密集场地。但昆明由于地质条件复杂，地下

水位高，所以人工挖孔桩一般不适宜在昆明地区进行施工。现大部分工程都采用预应力管桩进行施工，但工程造价较高。本工程从具体的实际情况出发，先采用大直径沉管灌注桩进行试桩施工，然后做静荷载试验，分析和评价了试验结果后，对基础桩进行了调整，最后采用了大直径的沉管灌注桩，桩基础满足承载力的设计要求。同时，根据施工过程，总结了一些施工技术和经验，为今后的大直径沉管灌注桩的施工提供有效益的经验。

2、工程概况

2.1 工程概况

中国兵器工业第二一一研究所科研综合大楼位于昆明市内。工程主楼19层，裙楼3层，地下室一层。建筑物长54.0m，宽50.1m，高93.5m，总建筑面积是32423m2。该基坑东面距龙泉路9m，龙泉路上分布有污水管、给水管道、煤气管道、电缆沟等地下管网；北离“宜良饭店”5m，南面有厂区道路及煤气主管穿过。即基坑开挖深度深，施工空间狭小，紧靠城市重要道路及建筑物，且正值雨季，地下水位较高，所以施工难度非常大。

2.2 地质概况

场地地基土主要由第四系湖积型粘性土、粉土和砂土构成，具体分布如表1。基坑开挖范围内，主要含水层为圆砾④、砾砂⑤层。地下水埋深在地表下0.58m-1.2m，经单孔抽水试验后，试验计算结果为：渗透系数k=39.8-46.3m/d，取影响半径500m，水位下降至8m和10m时，基坑涌水量为2779和3150m3/d。地下水无腐蚀性，Ⅲ类建筑场地，场地基本地震烈度为Ⅷ度。

2.3 试桩布置

原设计试验桩为6组复打桩，用Φ480mm桩管带Φ540mm的桩尖复打一次，成桩直径为Φ680mm。后根据地质情况结合昆明地区灌注桩施工情况，增设了6组单打试桩，用Φ480mm桩管带Φ540mm的桩尖单打一次，桩径Φ540mm。选用120型桩机，管径为Φ480mm，钢筋笼直接由Φ530mm修改为Φ360mm，通长配筋。控制拔管速度确保有效桩长和有效桩径满足设计要求，并最终确保单桩承载力设计值大于2100KN。基本控制施工时先空管扰土，扰土深30m，打不下去时，施工至贯入度为零时为止，再带Φ540mm加强型预制桩尖施工成桩。12根试桩施工后平均桩长为：复打桩27.18m,单打桩25.97m。平均抬机次数：复打桩21次，单打桩23次；平均充盈系数：复打桩1.75m，单打1.67m。

3、桩基础设计

设计总桩数564根的大直径沉管灌注桩。单打桩：设计成桩直径为Φ540mm，桩长平均值为26-30.0m。桩端要求全断面进入持力层⑦层（圆砾层）或⑦（粉土）

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深度不得小于1.360m，桩底端至桩顶全长不得小于23.5m，设计单桩承载力为2100KN。钢筋笼直径为Φ360，桩主筋18Φ20，通长配筋，箍筋为螺旋箍，上段为

2.5m为Φ18@150mm，下段为Φ8@250mm，每隔2m设一道Φ14mm的加劲箍筋。桩身的混凝土强度等级为C，水泥标号不低于52.5号，纵筋混凝土保护层厚度7cm。

主要建（构）筑物的结构特征：主控及配电装置组合楼，框架结构，荷载3000kN/每柱，桩基；主变楼荷载1500kN/每柱，桩基。

4、灌注桩成桩质量控制

灌注桩的成孔是在桩位处的地面下或水下完成的，施工工序多比打入桩复杂，质量控制难度大，稍有不慎易产生断桩等严重缺陷。据统计国内外钻孔灌注桩的事故率高达5～10%。因此，灌注桩的质量检测就显得格外重要。

钻孔灌注桩的施工质量问题与其成桩工艺密切相关，通常存在两个方面的问题：①桩身完整性。常见的缺陷有夹泥、断裂、缩颈、扩颈、空洞、混凝土离析、桩顶混凝土密实度较差或沉渣过厚等质量问题。②钻孔桩质量不够稳定。本工程施工中遇到的问题：①灌注混凝土过程中，导管埋入混凝土中的深度不够，致使新灌混凝土上翻，或提升导管速度过快，导致导管中翻水，造成两次灌注，使桩身形成夹泥的断裂界面。②孔中水头下降，对孔壁的静水压力减少，导致局部孔壁土层失稳坍落，造成混凝土桩身夹泥或缩颈。孔壁坍落部分留下的窟窿，成桩后形成扩颈。③混凝土搅拌不均匀，或运输路径太长、或导管漏水，混凝土受水冲泡等。使粗骨料集中在一起，造成桩身混凝土离析。

针对灌注桩在施工过程中容易产生的缺陷，本工程的施工中加强对成桩质量

的检查。一是了解其承载力；二是检验桩身混凝土质量是否符合质量要求；三是查明桩身的完整性，查清缺陷及其位置，以便对影响桩承载力和寿命的桩身缺陷进行必要的补救，以保证工程质量，不留事故隐患。

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5、工程措施及施工问题处理

5.1 工程措施

本工程施工难点是基坑内桩数多（564根），桩间距小（部分小于3.5d），成桩深度大（大于23.5m），单桩承载力设计值要求高（大于2100kN）。地下水处于饱和状态，地层多为砾砂和圆砾，桩机沉管困难。桩身配筋为通长钢筋笼，所以在整个成桩过程中存在群桩挤压效应，部分或整体桩位偏移问题，会对周边建筑物产生变形破坏影响，特别是对北边宜良饭店、东边围墙、龙泉路、南边煤气管道等产生变形坡坏问题。为确保工程桩质量，确保周边建筑物的安全，本工程采取以下措施。

（1）为保证成桩深度，桩端进入持力层深度不得小1.360m。根据本工程的难度，特采取的扰土技术措施。

（2）控制拔管速度。速度基本控制在0.8－1m/分钟以内，在离地面2m范围内放慢拔管速度，保证桩头混凝土质量。

（3）为确保工程桩成桩质量及考虑地下水对桩身质量的影响，在基坑内先均匀布设施工了280根碎石桩，使各地层之间形成良好的泄水通道，以便在桩施工时，排出地层中的承压水以及孔隙水压力消散，减小桩之间的挤压，防止造成断桩和悬桩。

（4）为保证通长钢筋笼的制安满足设计要求，重点把握好钢筋笼焊接质量。

主纵筋采用搭接焊，不得偏心搭接，搭接长度大于90mm且双面焊接，接头错位放置，同一断面的接头不得大于50%。

（5）为保证桩身混凝土质量和桩径满足设计要求，特采取在商品混凝土内加缓凝剂，增加混凝土的活易性。

（6）为防止基坑内桩部分或整体偏移，除测量放点准确无误外，在施工顺序上按两台桩机先分头自西边中间向两边汇合于东边中间施工完最外排桩，然后两台桩机错位由东边向西边施工，在施工中加强桩位移测量，给施工及时提供信息。

5.2 施工中遇到问题及处理

（1）空管扰土后，管内壁留有一层约30mm的泥土，对桩身存在质量隐患。现场用钢筋笼焊制一圆形管刷，用料斗提升卷扬机钢绳从中空锤头内上下吊拉管刷，进行管内清土。

（2）成桩时每根桩周边均带出2m3左右泥土，桩机无法移动，影响工期和施工安全。所以每台桩机配备6人进行清土工作。

（3）空管扰土时，贯入度为零，而带桩尖进行沉管时，在贯入度为零的情况下，桩长达不到要求（设计要求有效长度不得小23.5m），施工时采取钢筋笼先按通长配筋设置放入，在加入混凝土后多次抬机，一直往深处打，直到无法打下为止。

（4）配置通长钢筋笼时，由于地质条件复杂，桩长不统一，施工前先定长焊接钢筋笼，施工时根据实际桩长接长或截短钢筋笼，达到通长配筋的要求。施工严格检查焊接质量。

（5）12号桩在拔管时发现钢筋笼下掉1.2m，为消除质量隐患，在紧贴其位

置右边补打一根桩。

（6）250号和194号桩由于地下胶结块厚薄不均的原因，在施工完毕后发现桩偏位太大，在桩身混凝土达到一定的强度后进行补桩处理。

（7）548号桩在施工时，钢筋笼下落，在基坑开挖后桩顶无锚固钢筋，采取植筋处理。其方法把桩顶凿平，沿桩位钢筋笼位置植筋，植筋为8Φ20mm，锚入桩身200mm，箍筋为Φ8mm@100mm进行加强处理，主筋伸入承台40d，用混凝土C

进行桩头浇注。

6、桩承载力及质量检验试验

6.1 试验方法

（1）静载荷试验采用慢速维持荷载法，按规范[4]试桩应不少于总桩数的1%。实际分十组，加载要求为1.8倍的设计承载力值为3808kN，实际加载为3880kN，桩长最短一根为23.2m，最长一根为30m，最终桩顶累计沉降量最大值为15.82mm，最小值为8.83mm。充盈系数不得小于1.4。钢筋笼的制作直径为360mm，根据实际施工长度进行通长配筋。安设钢筋笼顶比基坑内地面高出0.52m，钢筋笼顶标高控制正确。

（2）工程桩身小应变检测试验：按规范[4]应不少于总桩数的30%。实际进行60%的检验。本次工程抽检337棵，Ⅰ类桩227棵，Ⅱ类桩60棵。加载分级：每级加载为预估极限荷载的1/10-1/15，第一级可按2倍分级荷载加载。

（3）沉降量相对稳定标准：沉降量不超过0.1mm/小时。试验曲线如图1所示。

6.2 数据分析

表2给出了6′#、6#桩的静载试验参数值。表3、4、5给出了6′#、6#、2#

桩静载试验的压力和沉降的试验数据。表6给出了试桩静载试验综合结果表。

6.3 数据分析

本次试验的12组试桩中，有8组加载至极限荷载，其中复打桩2组，单打桩6组，第4号（单打）的承载力明显偏小的原因，查明为偶然施工原因造成，固将其排除。其余5组单打和2组复打试桩的单桩竖向抗压极限承载力平均值分别为4918KN和5362KN，极差都未超过平均值的30%。根据规范，取单桩竖向抗压极限承载力统计值取4918KN，特征值取极限值的一半2459KN。两组复打桩单桩竖向抗压极限承载力统计值取5362KN，特征值取极限值的的一半2681KN。