灌注桩技术之沉管灌注桩简介

沉管灌注桩又叫套管成孔灌注桩。
沉管灌注桩是目前采用较为广泛的一种灌注桩。依据使用桩锤和成桩工艺不同，分为锤击沉管灌注桩、振动沉管灌注桩、静压沉管灌注桩、振动冲击沉管灌注桩和沉管夯扩灌注桩等。这类灌注桩的施工工艺是：使用锤击式桩锤或振动式桩锤将带有桩尖的钢管沉人土中，造成桩孔，然后放人钢筋笼、浇筑混凝土，最后拔出钢管，形成所需的灌注桩，如图2～22所示。沉管桩对周围环境有噪音、振动、挤压等影响。

                                           图2～22沉管灌注桩施工过程

           (a)就位  (b)沉管  (c)灌注混凝土  (d)下钢筋笼 (e)拔管成桩  1～柱管；2～钢筋笼；3～桩尖
  (一)锤击沉管灌注桩施工
  锤击沉管灌注桩的机械设备由桩管、桩锤、桩架、卷扬机滑轮组、行走机构组成。
  锤击沉管桩适用于一般粘性土、淤泥质土、砂土和人工填土地基，但不能在密实的砂砾石、漂石层中使用。它的施工程序一般为：定位埋设混凝土预制桩尖→桩机就位→锤击沉管→灌注混凝土→边拔管、边锤击、边继续灌注混凝土(中间插入吊放钢筋笼)→成桩。
  施工时，用桩架吊起钢桩管，对准埋好的预制钢筋混凝土桩尖（图2～23）。桩管与桩尖连接处要垫以麻袋、草绳，以防地下水渗入管内。缓缓放下桩管，套人桩尖压进土中，桩管上端扣上桩帽，检查桩管与桩锤是否在同一垂直线上，桩管垂直度偏差≤0．5％时即可锤击沉管。先用低锤轻击，观察无偏移后再正常施打，直至符合设计要求的沉桩标高，并检查管内有无泥浆或进水，即可浇筑混凝土。管内混凝土应尽量灌满，然后开始拔管。凡灌注配有不到孔底的钢筋笼的桩身混凝土时，次混凝土应先灌至笼底标高，然后放置钢筋笼，再灌混凝土至桩顶标高。次拔管高度应控制在能容纳第二次所需灌入的混凝土量为限，不宜拔得过高。在拔管过程中应用专用测锤或浮标检查混凝土面的下降情况。
图2～23  预制混凝土桩尖

  拔管速度要均匀，对一般土层以1 m／min为宜，在软弱土层及软硬土层交界处宜控制在0．3 ～0.8m／min为宜。采用倒打拔管时，桩锤的冲击频率为：单动汽锤不得少于50次／min，自由落锤轻击不得少于40次／min。在管底未拔至桩顶设计标高之前，倒打和轻击不得中断。
  当桩较稀疏时(中心距大于3．5倍桩径或2m)，可采用连打方法；当桩较密集时(中心距小于等于3．5倍桩径或2 m)， 为防止断桩现象应采用跳跃施打的方法，中间空出的桩应待邻桩混凝土达到设计强度等级的 50％以上方可施打；对于土质较差的饱和淤泥质土，可采用控制时间的连打方法，即必须在邻桩混凝土终凝前，将影响范围内(中心距小于等于3．5倍桩径或2m)的桩全部施工完毕。
  锤击沉管灌注桩适用于一般粘土、淤泥质土、砂土、人工填工等。
  前面介绍的锤击沉管灌注桩的施工方法，一般称为“单打法”。而锤击沉管扩大灌注柱的施工方法则称为“复打法”。
  复打一般在下列情况下应用：
  1．设计要求扩大桩的直径，增加桩的承载力，减少桩的数量，减少承台面积等。
  2．施工中处理工程问题和质量事故。例如怀疑或发现有缩径、吊脚，夹泥等缺陷或持力层起伏不平，个别桩由于桩管长度所限达不到设计规定的进入持力层深度，以致使贯入度不符合要求，作为补救措施而采用复打法。复打法示意图如图2-23所示。
  复打法是在次单打将混凝土浇筑到桩顶设计标高后，清除桩管外壁上污泥和孔周围地面上的浮土，立即在原桩位上再次安放桩尖，进行第二次沉管，使次未凝固的混凝土向四周挤压密实，将桩径扩大，然后第二次浇筑混凝土成桩。
  复打施工时，桩管中心线应与初打(单打)中心线重合；次灌注的混凝土应接近自然地面标高；复打前应清除桩管外壁污泥；必须在次(单打)灌注混凝土初凝前，完成复打工作；复打以一次复打为宜；钢筋笼在第二次沉管后吊放。
  复打法有全复打、半复打和局部复打之分。如果缺陷在下半段，则次混凝土浇筑到半桩长，另加lm，开始复打。如果缺陷在上半段，则次浇筑混凝土到顶后，将桩管打入1/2桩长，再第二次灌注混凝土。对于饱和淤泥或淤泥质软土则宜采用全桩长复打法。
  (二)振动、振动冲击沉管灌注桩施工
  振动、振动冲击沉管灌注桩是利用振动桩锤（又称激振器)、振动冲击锤将桩管沉人土中，然后灌注混凝土而成。这两种灌注桩与锤击沉管灌注桩相比，更适合于稍密及中密的砂土地基施工。振动沉管灌注桩和振动冲击沉管桩的施工工艺完全相同，只是前者用振动锤沉桩，后者用振动带冲击的桩锤沉桩。图2～24是振动灌注桩设备示意图。    
图2～24振动沉管设备示意图 ：

1～滑轮组；2～激振器；3～漏斗；4～桩管；5～前拉索；6～遮蓬；7～滚筒；8～枕木；9～架顶；10～架身顶段；11～钢丝绳；12～架身中段；13～吊斗；14～架身下段；15～导向滑论；16～后拉索；17～架底；18～卷扬机；19～架压滑论；20～活瓣桩尖；
  施工时，先安好桩机，将桩管下端活瓣桩尖(图2～25)合起来，或埋好预制桩尖，对准桩位，徐徐放下桩管，压入土中，校正桩管垂直度，符合要求后开动激振器，同时在桩管上加压，桩管即能沉人土中。当桩管沉到设计标高，且最后30s的电流值、电压值符合设计要求后，停止振动，安放钢筋笼，并用吊斗将混凝土灌人桩管内，然后再开动激振器和卷扬机，拔出钢管，边振边拔，从而使桩的混凝土得到振实。
图2～25活瓣桩尖  1～桩管；2～锁轴；  3～活瓣。

  振动灌注桩可采用单打法、反插法或复打法施工。单打法是一般正常的沉管方法，它是将桩管沉入到设计要求的深度后，边灌混凝土边拔管，最后成桩。适用于含水量较小的土层，且宜采用预制桩尖。桩内灌满混凝土后，应先振动5～10 s，再开始拔管，边振边拔，每拔0．5～1．0m停拔振动5～10s，如此反复进行，直至桩管全部拔出。拔管速度在一般土层内宜为1．2～1．5m／min，用活瓣桩尖时宜慢，预制桩尖可适当加快，在软弱土层中拔管速度宜为0．6～0．8m／min。
  反插法是在拔管过程中边振边拔，每次拔管0．5～1．0 m，再向下反插0.3～0．5 m，如此反复并保持振动，直至桩管全部拔出。在桩尖处1．5 m范围内，宜多次反插以扩大桩的局部断面。穿过淤泥夹层时，应放慢拔管速度，并减少拔管高度和反插深度。在流 动性淤泥中不宜使用反插法。
  复打法是在单打法施工完拔出桩管后，立即在原桩位再放置第二个桩尖，再第二次下沉桩管，将原桩位未凝结的混凝土向四周土中挤压，扩大桩径，然后再第二次灌混凝土和拔管。采用全长复打的目的是提高桩的承载力。局部复打主要是为了处理沉桩过程中所出现的质量缺陷，如发现或怀疑出现缩颈、断桩等缺陷，局部复打深度应超过断桩或缩颈区1m以上。复打必须在次灌注的混凝土初凝之前完成。
  (三)沉管桩施工中常见问题的分析与处理
  沉管灌注桩施工时易发生断桩、缩颈、桩靴进水或进泥、吊脚桩等问题，施工中应加强检查并及时处理。
  1．断桩
  断桩的裂缝为水平或略带倾斜，一般都贯通整个截面，常常出现于地面以下1～3m软硬土层交接处。
  断桩原因主要有：桩距过小，邻桩施打时土的挤压产生的水平推力和隆起上拔力的影响；软硬土层传递水平力不同，对桩产生剪应力；桩身混凝土终凝不久；强度弱，承受不了外力的影响。
  避免断桩的措施如下：
  (1)布桩应坚持少桩疏排的原则，桩与桩之间中心距不宜小于3．5倍桩径；
  (2)桩身混凝土强度较低时，尽量避免振动和外力的干扰，因此要合理确定打桩顺序和桩架行走路线；
  (3)采用跳打法或控制时间法以减少对邻桩的影响。控制时间法指在邻桩混凝土初凝以前，必须把影响范围内的桩施工完毕。
  2．缩颈桩
  缩颈桩又称瓶颈桩，是指部分桩径缩小、桩截面积不符合设计要求。
  缩颈桩产生的原因是：拔管过快，管内混凝土存量过少，混凝土本身和易性差，出管扩散困难造成缩颈；在含水量大的粘性土中沉管时，土体受到强烈扰动和挤压，产生很高的孔隙水压力，拔管后，这种水压力便作用到新浇筑的混凝土桩上，使桩身发生不同程度的缩颈现象。
  防治措施：在容易产生缩颈的土层中施工时，要严格控制拔管速度，采用“慢拔密击”；混凝土坍落度要符合要求且管内混凝土必须略高于地面，以保持足够的压力，使混凝土出管扩散正常。
  施工时可设专人随时测定混凝土的下落情况，遇有缩颈现象，可采取复打处理。
  3．桩尖进水、进泥砂
  桩尖进水、进泥砂常见于地下水位高、含水量大的淤泥和粉砂土层，是由于桩管与桩尖接合处的垫层不紧密或桩尖被打破所致。处理办法：可将桩管拔出，修复改正桩靴缝隙或将桩管与预制桩尖接合处用草绳、麻袋垫紧后，用砂回填桩孔后重打；如果只受地下水的影响，则当桩管沉至接近地下水位时，用水泥砂浆灌人管内约0．5m作封底，并再灌1m高的混凝土，然后继续沉桩。若管内进水不多(小于200mm)时，可不作处理，只在灌槽混凝土时酌情减少用水量即可。
  4、吊脚桩
  吊脚桩即桩底部的混凝土隔空，或混凝土中混进了泥砂而形成松软层。形成吊脚桩的原因是由于混凝土桩尖质量差，强度不足，沉管时被打坏而挤入桩管内，且拔管时冲击振动不够，桩尖未及时被混凝土压出或活瓣未及时张开。
  为了防止出现吊脚桩，要严格检查混凝土桩尖的强度(应不小于C30)，以免桩尖被打坏而挤入管内。沉管时，用吊砣检查桩尖是否有缩人管内的现象。如果有，应及时拔出纠正并将桩孔填砂后重打。