论文部分内容阅读
摘 要：本文详细介绍了夯扩桩的作用机理和成桩原理，并对夯扩桩的承载力计算方法进行了详细阐述。结合工程实例，论述了夯扩桩的工艺流程和施工技术，并对二次夯扩桩的桩基承载力检测及主要质量点的控制进行了深入分析探讨，为以后同类桩基的施工提供参考。 关键词：成桩原理计算施工应用
近几年，随着建筑业的快速发展，沉管夯扩桩在工业与民用建筑基础施工中越来越多的得到了应用。这是因为沉管夯扩桩对地质的适应能力强，持力层选择范围广，不受吃力层起伏和地下水位高低的限制，施工速度快，效率高，投资省，相对于其它桩型来说，有其不可比拟的优越性。
1．夯扩桩的成桩原理
1．1作用机理
夯扩桩是在锤击沉管灌注桩的施工技术设备和施工工艺的基础上加以改进而形成的一种的桩型。由于夯扩桩的端部可用机械的方法扩大，并在夯扩的过程中挤密桩周土，以单桩承载力为主，充分发挥桩侧摩阻力和桩端支承力，通过增大桩端截面积和挤密地基土，提高桩端地基土的强度，使桩的承载力大幅提高。有资料显示，经静力触探测试，桩侧比贯入阻力提高5%～10%，扩大头比贯入阻力提高25%～35%。
在浇注桩身混凝土的过程中，还能利用内夯管与柴油锤的重量对混凝土加压，使之在压力的作用下成型，避免了缩颈、断桩等现象的发生，且大大降低施工成本，保证了桩身的质量。
1．2成桩原理
锤击沉管夯扩桩成孔部分采用内外双管，外桩管为通心钢管，内桩管的下端封底，两管套装长度相等，一般无桩靴。用桩锤将其打到设计深度后拔出内管，往外管内灌入一定高度的扩底混凝土，重新插入内管并将外管向上拔一定高度，锤击力经内外桩管直接传给混凝土，通过桩管的挤撑作用，将管底的混凝土夯出管外，迫使扩底混凝土向下部和四周基土挤压，形成扩大头，（扩大头可采用一次夯扩或二次夯扩），再浇灌桩身混凝土（如图1）。
2．夯扩桩的承载力计算
2．1夯扩桩的单桩承载力计算
Pa= Σμfi Li +( π／4)D2 Riβ
式中Pa 一 夯扩桩单桩允许承载力(kN)
μ 一 桩身圆周长
fi 一 桩身处第i层土的允许摩阻力(Pa )
Li 一 桩身处第i层土的厚度(m)
D 一 扩大头的最大直径(m)
Ri 一 土的容许端承力(kN)
β一 桩端持力层改善夯扩系数 (1≤β≤1．5)
2. 2 扩大端直径的计算
夯扩桩的单桩承载力主要取决于夯扩头直径的大小，而夯扩头直径与夯扩施工工艺、夯击能量、管径及地基土性质等诸多因素有关，一般按下列公式计算：一次夯扩
二次夯扩
式中：D1、D2—— 一次、二次夯扩扩大头平均直径
β— 夯扩头直径计算修正系数
d0— 外管内径
H1、H2 — 一次、二次夯扩时内管灌注混凝土高度
h1、h2 — 一次、二次夯扩时外管上拔高度
C1、C2 — 一次、二次夯扩时外管下沉至离桩底的距离，一般C1=C2=0.2m。2.3单桩竖向承载力的计算与取值 2.3.1竖向承载力设计值
QSK、QPK— 单桩总极限侧阻力、端阻力；
ηs、ηP —桩侧阻、端阻群桩效应系数；
γs、γP —桩侧阻及端阻抗力分项系数。
2.3.2竖向极限承载力标准值
qsik— 桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；
qpk— 桩极限端阻力标值；
d— 桩身直径(m)；
D— 扩大头平均直径(m)。
3．工程实例
3.1工程概况
该工程为济铁工程总公司新建小区，共三栋楼。均为地上六层，半地下储藏室。1#楼建筑面积4675.6㎡，2#楼建筑面积4917.06㎡，3#楼建筑面积4917.06㎡，住宅楼的建筑高度为18.6m，砖混结构，基础为钢筋混凝土沉管灌注桩基础，抗震设防烈度设计采用六度。承载力的标准植按fk=230Kpa，混凝土标号为C20。沉管灌注桩桩距≥1400MM，桩长13.5M，桩径400MM，一次夯扩，扩头直径600MM，夯扩灌入总高度2.8米，该桩基竖向承载力设计值是R=450KN；每栋楼有227棵桩，试桩数量每栋楼为三根。
3.2工程地质情况
①层杂填土：杂色，主要由建筑及生活垃圾与粘性土组成，结构松散。层厚2.0～3.0米,该层分布于整个场区。
②层粉质黏土:灰褐色～褐色,可塑状态,饱和,含植物根系,具腥臭味,该层厚1.0～2.1米,分布于整个场区。
③层粉土: 灰褐色,松散,饱和,局部粘粒含量较高,层厚0.8～1.2米。
④层淤泥质黏土：棕褐色，软塑，层厚2.0～3.7米。
⑤层粉质黏土:灰黑色，可塑，湿，具腥臭味,属中等压缩土，层厚0.8～1.6米。
⑥层粉质黏土:黄褐色，可塑，稍湿，含零星姜石，属中等压缩土，全场均分布，层厚3.1～3.6米。
⑦层黏土混姜石：黄褐色～褐黄色，稍湿，硬塑，姜石含量一般为15～25%，局部达35～50%，属中等压缩土，全场分布。
⑧层碎石土：黄褐色，稍湿、中密，碎石成分主要为灰岩，属中等压缩土，分布全场，最大揭露深度1.9米。
3.3主要设备的选用
20吨履带式打桩机一台，3.2吨柴油锤，350L砼搅拌机。
3.4工艺流程
当管桩被打到一定深度时，重锤反弹大、进尺艰难，此时试打的惯入度可满足设计要求，但桩的标高还没有达到设计标高。根据桩的试打结果3.5施工技术
3.5.1 打桩前，根据设置的基准线，按照施工图纸，重新复核建筑物主轴线及桩位，并用木桩定位。
3.5.2 检查打桩机是否具备打桩的条件，是否能正常运转。
3.5.3 桩机就位后，要使桩管、桩锤在同一中心线上。
3.5.4 开始沉桩时，落距应较小，入土一米后，检测桩管的垂直偏差及桩位偏差，检测无误后，再按均匀的落距进行打桩，并做好打桩记录。
3.5.5桩管入土深度由设计桩长和惯入度两个指标控制，沉桩过程中要密切注意桩的惯入度变化情况，遇到惯入度突变、桩身突然倾斜或有强回弹等异常情况，应立刻停止打桩，会同相关单位分析研究处理。
3.5.6 管桩沉到设计标高后，向外桩管第一次管入2.5米的砼，进行夯扩，夯扩时外管拔管高度为1.3米，然后在锤击作用下内外管同时下沉至桩底0.2米,第二次夯扩程序同第一次。
3.5.7二次夯扩结束后，提出内夯管向外桩管内放入钢筋笼，灌注C20砼，钢筋笼应吊放在设计标高，灌注的砼高度应高出桩顶设计标高500㎜，并确保充盈系数大于1.0。
3.6试桩及检测
3.6.1试桩
本工程每栋楼的三棵工程桩作为试桩。试桩在试打过程中和地质报告，征得设计院的同意，对桩基进行了调整，桩长由原设计的13.5米调整为11.5米（不包括0.5米的浮浆高度），原沉管灌注桩为一次夯扩,桩端扩头直径大于或等于600㎜,现调整为二次夯扩,每次夯扩灌入混凝土2.5米高,拔管高度均为1.3米,以确保桩端扩头直径大于或等于700㎜，以1#楼为例进行试桩检测的具体分析。
3.6.2桩的静载试验
按照设计要求，1#楼的桩基础进行了三组竖向抗压静载试验，目的是确认其单桩承载力基本值是否满足设计要求。
检测依据：试验采用慢速维持荷载法，以锚桩横梁作为反力装置，用油压千斤顶配合精密压力表控制加、卸载量，用百分表测量沉降。
根据各试桩竖向荷载试验资料，分别绘制S—Q关系曲线、S—LgQ关系曲线、S—Lgt关系曲线图，试验资料的主要数据如下表：
以上各试验桩在荷载的作用下，S—Q曲线、S—LgQ曲线、S—Lgt曲线图的变化缓慢、平缓，均未出现大的拐点，没有達到极限荷载，依据JGJ94—94附录C中的规定，采用三种曲线确定单桩竖向极限承载力，结果如下表：
试验结论：上述三组试桩的竖向极限承载力均满足设计要求。
3.6.3桩的低应变试验
灌注桩施工完且混凝土的强度达到设计要求后，在每栋住宅楼的桩基中，分别抽取其中的13棵工程桩进行了低应变测试，已获得桩身完整性及应力波速度等有关桩身质量信息。
试验结论：对1#住宅楼桩基的13棵工程桩进行低应变测试，经对工程桩低应变测试曲线分析，未发现有断桩、离析、缩径现象，砼声波传导波速在正常范围以内，所测工程桩均属完整工程桩。
3.7主要质量点的控制
3.7.1桩位控制 按设计要求放出的桩位点，在打桩前多次复核，并做好护桩。
3.7.2材料控制 进场的砂石料、钢筋、等原材料在施工前必须提供相关的合格证及检测试验报告。
3.7.3钢筋笼控制 钢筋笼在吊放沉管的过程中，不得用踩踏等强行方式将钢筋笼放入沉管，防止钢筋笼的上浮下沉。
3.7.4砼的控制 根据地质报告分析计算砼的充盈系数，保证有足够砼灌注量，控制砼的坍落度8-10CM之间，拔管时，要控制拔管的速度,避免浇注的砼在管内发生“阻断”现象。
4．结束语
4.1 夯扩桩确有其它桩型无法替代的优势，单桩承载力高，施工便捷、效率高、投资省。
4.2 二次夯扩桩更显现了其优越性，不仅减少了桩的长度，降低了打桩的难度，而且降低了工程造价，更加缩短了施工工期。
4.3 二次夯扩增大扩大头，实际证明可较大幅度的提高单桩承载力。
参考文献
[1]建筑桩基技术规范（JGJ94-94）
[M]. 北京 :中国建筑工业出版社 ,1995.
[2]顾晓鲁等. 地基与基础
[M]. 北京 :中国建筑工业出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
近几年，随着建筑业的快速发展，沉管夯扩桩在工业与民用建筑基础施工中越来越多的得到了应用。这是因为沉管夯扩桩对地质的适应能力强，持力层选择范围广，不受吃力层起伏和地下水位高低的限制，施工速度快，效率高，投资省，相对于其它桩型来说，有其不可比拟的优越性。
1．夯扩桩的成桩原理
1．1作用机理
夯扩桩是在锤击沉管灌注桩的施工技术设备和施工工艺的基础上加以改进而形成的一种的桩型。由于夯扩桩的端部可用机械的方法扩大，并在夯扩的过程中挤密桩周土，以单桩承载力为主，充分发挥桩侧摩阻力和桩端支承力，通过增大桩端截面积和挤密地基土，提高桩端地基土的强度，使桩的承载力大幅提高。有资料显示，经静力触探测试，桩侧比贯入阻力提高5%～10%，扩大头比贯入阻力提高25%～35%。
在浇注桩身混凝土的过程中，还能利用内夯管与柴油锤的重量对混凝土加压，使之在压力的作用下成型，避免了缩颈、断桩等现象的发生，且大大降低施工成本，保证了桩身的质量。
1．2成桩原理
锤击沉管夯扩桩成孔部分采用内外双管，外桩管为通心钢管，内桩管的下端封底，两管套装长度相等，一般无桩靴。用桩锤将其打到设计深度后拔出内管，往外管内灌入一定高度的扩底混凝土，重新插入内管并将外管向上拔一定高度，锤击力经内外桩管直接传给混凝土，通过桩管的挤撑作用，将管底的混凝土夯出管外，迫使扩底混凝土向下部和四周基土挤压，形成扩大头，（扩大头可采用一次夯扩或二次夯扩），再浇灌桩身混凝土（如图1）。
2．夯扩桩的承载力计算
2．1夯扩桩的单桩承载力计算
Pa= Σμfi Li +( π／4)D2 Riβ
式中Pa 一 夯扩桩单桩允许承载力(kN)
μ 一 桩身圆周长
fi 一 桩身处第i层土的允许摩阻力(Pa )
Li 一 桩身处第i层土的厚度(m)
D 一 扩大头的最大直径(m)
Ri 一 土的容许端承力(kN)
β一 桩端持力层改善夯扩系数 (1≤β≤1．5)
2. 2 扩大端直径的计算
夯扩桩的单桩承载力主要取决于夯扩头直径的大小，而夯扩头直径与夯扩施工工艺、夯击能量、管径及地基土性质等诸多因素有关，一般按下列公式计算：一次夯扩
二次夯扩
式中：D1、D2—— 一次、二次夯扩扩大头平均直径
β— 夯扩头直径计算修正系数
d0— 外管内径
H1、H2 — 一次、二次夯扩时内管灌注混凝土高度
h1、h2 — 一次、二次夯扩时外管上拔高度
C1、C2 — 一次、二次夯扩时外管下沉至离桩底的距离，一般C1=C2=0.2m。2.3单桩竖向承载力的计算与取值 2.3.1竖向承载力设计值
QSK、QPK— 单桩总极限侧阻力、端阻力；
ηs、ηP —桩侧阻、端阻群桩效应系数；
γs、γP —桩侧阻及端阻抗力分项系数。
2.3.2竖向极限承载力标准值
qsik— 桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；
qpk— 桩极限端阻力标值；
d— 桩身直径(m)；
D— 扩大头平均直径(m)。
3．工程实例
3.1工程概况
该工程为济铁工程总公司新建小区，共三栋楼。均为地上六层，半地下储藏室。1#楼建筑面积4675.6㎡，2#楼建筑面积4917.06㎡，3#楼建筑面积4917.06㎡，住宅楼的建筑高度为18.6m，砖混结构，基础为钢筋混凝土沉管灌注桩基础，抗震设防烈度设计采用六度。承载力的标准植按fk=230Kpa，混凝土标号为C20。沉管灌注桩桩距≥1400MM，桩长13.5M，桩径400MM，一次夯扩，扩头直径600MM，夯扩灌入总高度2.8米，该桩基竖向承载力设计值是R=450KN；每栋楼有227棵桩，试桩数量每栋楼为三根。
3.2工程地质情况
①层杂填土：杂色，主要由建筑及生活垃圾与粘性土组成，结构松散。层厚2.0～3.0米,该层分布于整个场区。
②层粉质黏土:灰褐色～褐色,可塑状态,饱和,含植物根系,具腥臭味,该层厚1.0～2.1米,分布于整个场区。
③层粉土: 灰褐色,松散,饱和,局部粘粒含量较高,层厚0.8～1.2米。
④层淤泥质黏土：棕褐色，软塑，层厚2.0～3.7米。
⑤层粉质黏土:灰黑色，可塑，湿，具腥臭味,属中等压缩土，层厚0.8～1.6米。
⑥层粉质黏土:黄褐色，可塑，稍湿，含零星姜石，属中等压缩土，全场均分布，层厚3.1～3.6米。
⑦层黏土混姜石：黄褐色～褐黄色，稍湿，硬塑，姜石含量一般为15～25%，局部达35～50%，属中等压缩土，全场分布。
⑧层碎石土：黄褐色，稍湿、中密，碎石成分主要为灰岩，属中等压缩土，分布全场，最大揭露深度1.9米。
3.3主要设备的选用
20吨履带式打桩机一台，3.2吨柴油锤，350L砼搅拌机。
3.4工艺流程
当管桩被打到一定深度时，重锤反弹大、进尺艰难，此时试打的惯入度可满足设计要求，但桩的标高还没有达到设计标高。根据桩的试打结果3.5施工技术
3.5.1 打桩前，根据设置的基准线，按照施工图纸，重新复核建筑物主轴线及桩位，并用木桩定位。
3.5.2 检查打桩机是否具备打桩的条件，是否能正常运转。
3.5.3 桩机就位后，要使桩管、桩锤在同一中心线上。
3.5.4 开始沉桩时，落距应较小，入土一米后，检测桩管的垂直偏差及桩位偏差，检测无误后，再按均匀的落距进行打桩，并做好打桩记录。
3.5.5桩管入土深度由设计桩长和惯入度两个指标控制，沉桩过程中要密切注意桩的惯入度变化情况，遇到惯入度突变、桩身突然倾斜或有强回弹等异常情况，应立刻停止打桩，会同相关单位分析研究处理。
3.5.6 管桩沉到设计标高后，向外桩管第一次管入2.5米的砼，进行夯扩，夯扩时外管拔管高度为1.3米，然后在锤击作用下内外管同时下沉至桩底0.2米,第二次夯扩程序同第一次。
3.5.7二次夯扩结束后，提出内夯管向外桩管内放入钢筋笼，灌注C20砼，钢筋笼应吊放在设计标高，灌注的砼高度应高出桩顶设计标高500㎜，并确保充盈系数大于1.0。
3.6试桩及检测
3.6.1试桩
本工程每栋楼的三棵工程桩作为试桩。试桩在试打过程中和地质报告，征得设计院的同意，对桩基进行了调整，桩长由原设计的13.5米调整为11.5米（不包括0.5米的浮浆高度），原沉管灌注桩为一次夯扩,桩端扩头直径大于或等于600㎜,现调整为二次夯扩,每次夯扩灌入混凝土2.5米高,拔管高度均为1.3米,以确保桩端扩头直径大于或等于700㎜，以1#楼为例进行试桩检测的具体分析。
3.6.2桩的静载试验
按照设计要求，1#楼的桩基础进行了三组竖向抗压静载试验，目的是确认其单桩承载力基本值是否满足设计要求。
检测依据：试验采用慢速维持荷载法，以锚桩横梁作为反力装置，用油压千斤顶配合精密压力表控制加、卸载量，用百分表测量沉降。
根据各试桩竖向荷载试验资料，分别绘制S—Q关系曲线、S—LgQ关系曲线、S—Lgt关系曲线图，试验资料的主要数据如下表：
以上各试验桩在荷载的作用下，S—Q曲线、S—LgQ曲线、S—Lgt曲线图的变化缓慢、平缓，均未出现大的拐点，没有達到极限荷载，依据JGJ94—94附录C中的规定，采用三种曲线确定单桩竖向极限承载力，结果如下表：
试验结论：上述三组试桩的竖向极限承载力均满足设计要求。
3.6.3桩的低应变试验
灌注桩施工完且混凝土的强度达到设计要求后，在每栋住宅楼的桩基中，分别抽取其中的13棵工程桩进行了低应变测试，已获得桩身完整性及应力波速度等有关桩身质量信息。
试验结论：对1#住宅楼桩基的13棵工程桩进行低应变测试，经对工程桩低应变测试曲线分析，未发现有断桩、离析、缩径现象，砼声波传导波速在正常范围以内，所测工程桩均属完整工程桩。
3.7主要质量点的控制
3.7.1桩位控制 按设计要求放出的桩位点，在打桩前多次复核，并做好护桩。
3.7.2材料控制 进场的砂石料、钢筋、等原材料在施工前必须提供相关的合格证及检测试验报告。
3.7.3钢筋笼控制 钢筋笼在吊放沉管的过程中，不得用踩踏等强行方式将钢筋笼放入沉管，防止钢筋笼的上浮下沉。
3.7.4砼的控制 根据地质报告分析计算砼的充盈系数，保证有足够砼灌注量，控制砼的坍落度8-10CM之间，拔管时，要控制拔管的速度,避免浇注的砼在管内发生“阻断”现象。
4．结束语
4.1 夯扩桩确有其它桩型无法替代的优势，单桩承载力高，施工便捷、效率高、投资省。
4.2 二次夯扩桩更显现了其优越性，不仅减少了桩的长度，降低了打桩的难度，而且降低了工程造价，更加缩短了施工工期。
4.3 二次夯扩增大扩大头，实际证明可较大幅度的提高单桩承载力。
参考文献
[1]建筑桩基技术规范（JGJ94-94）
[M]. 北京 :中国建筑工业出版社 ,1995.
[2]顾晓鲁等. 地基与基础
[M]. 北京 :中国建筑工业出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。