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灌注桩是直接在桩位上就地成孔,然后在孔内安放钢筋笼、灌注混凝土而成。根据成孔工艺不同,分为干作业成孔的灌注桩、泥浆护壁成孔的灌注桩、套管成孔的灌注桩和爆扩成孔的灌注桩等。灌注桩施工工艺近年来发展很快,还出现夯扩沉管灌注桩、钻孔压浆成桩等一些新工艺。
灌注桩能适应各种地层的变化,无需接桩,施工时无振动、无挤土、噪音小,宜在建筑
密集地区使用。但其操作要求严格,施工后需较长的养护期方可承受荷载,成孔时有大量土渣或泥浆排出。
一、泥浆护壁成孔灌注桩
泥浆护壁成孔是用泥浆循环来保护孔壁并排出土碴而成孔,不论地下水位高或低的土层皆适用。多用于含水量高的软土地区。泥浆具有保护孔壁,防止塌孔、排出土碴以及冷却与润滑钻头的作用。泥浆一般需专门配制,当在粘土中成孔时,也可用孔内钻碴原土自造泥浆。
成孔机械有回转钻机、潜水钻机、冲击钻等,其中以回转钻机应用最多。
1.回转钻机成孔
回转钻机是由动力装置带动钻机的回转装置转动,并带动带有钻头的钻杆转动,由钻头切削土壤。切削形成的土碴,通过泥浆循环排出桩孔。根据泥浆循环方式的不同,分为正循环和反循环。根据桩型、钻孔深度、土层情况、泥浆排放条件、允许沉碴厚度等进行选择,但对孔深大于30m的端承型桩,宜采用反循环。
泥浆由钻杆内部注入,并从钻杆底部喷出,携带钻下的土碴沿孔壁向上流动,由孔口将土碴带出流人沉淀池,经沉淀的泥浆流入泥浆池再注入钻杆,由此进行循环。沉淀的土碴用泥浆车运出排放。
泥浆由钻杆与孔壁间的环状间隙流人钻孔,然后,由砂石泵在钻杆内形成真空,使钻下的土碴由钻杆内腔吸出至地面而流向沉淀池,沉淀后再流入泥漿池。反循环工艺的泥浆上流的速度较高,排放的土碴能力大。
在陆地上杂填土或松软土层中钻孔时,应在桩位孔口处埋设护筒,以起定位、保护孔口、维持水头等作用。护筒用钢板制作,内径应比钻头直径大10cm,埋人士中深度通常不宜小于1.0~1.5m,特殊情况下埋深需要更大。在护筒顶部应开设l~2个溢浆口。在钻孔过程中,应保持护筒内泥浆液面高于地下水位。
于水中施工,在水深小于3m的浅水处,亦可适当提高护筒顶面标高,以减少筑岛填土量。如岛底河床为淤泥或软土,宜挖除换以砂土;若排淤换土工作量大,则可用长护筒,使其沉人河底土层中。在水深超过3m的深水区,宜搭设工作平台(可为支架平台船、钢板桩围堰、木排、浮运薄壳沉井等)。
在粘土中钻孔,可采用自造泥浆护壁;在砂土中钻孔,则应注入制备泥浆,注入的泥浆比重控制在1.1左右,排出泥浆的比重宜为1.2~1.4。钻孔达到要求的深度后,测量沉碴厚度,进行清孔。以原土造浆的钻孔,清孔可用射水法,此时钻具只转不进,待泥浆比重降到L1左右即认为清孔合格;注入制备泥浆的钻孔,可采用换浆法清孔,至换出泥浆的比重小于1.15时方为合格,在特殊情况下换出的泥浆比重可以适当放宽。
钻孔灌注桩的桩孔钻成并清孔后,应尽快吊放钢筋骨架并灌注混凝土。在无水或少水的浅桩孔中灌注混凝土时,应分层浇注振实,每层高度一般为0.5~0.6m,不得大于1.5m。混凝土坍落度在粘性土中宜用5~7cm砂类土中用7~9cm黄土中用6~9cm。水下灌注混凝土时,常用垂直导管灌筑法水下施工。水下灌注混凝土至桩顶处,应适当超过桩顶设计标高,以保证在凿除含有泥浆的桩段后,桩顶标高和质量能符合设计要求。
施工后的灌注桩的平面位置及垂直度都需满足规范的规定。灌注桩在施工前,宜进行试成孔。
2.潜水钻机成孔
潜水钻机是一种旋转式钻孔机械,其动力、变速机构和钻头连在一起,加以密封,因而可以下放至孔中地下水位以下进行切削土壤成孔。用正循环工艺输入泥浆,进行护壁和将钻下的土碴排出孔外。
潜水钻机成孔,亦需先埋设护筒,其他施工过程皆与回转钻机成孔相似。
3.冲击钻成孔
冲击钻主要用于在岩层中成孔,成孔时将冲锥式钻头提升一定高度后以自由下落的冲击力来破碎岩层,然后用掏碴筒来掏取孔内的碴浆。
还有一种冲抓锥,锥头内有重铁块和活动抓片,下落时松开卷扬机刹车,抓片张开,锥头自由下落冲入土中,然后开动卷扬机拉升锥头,此时抓片闭合抓土,将冲抓锥整体提升至地面卸土,依次循环成孔。
泥浆护壁钻孔灌注桩的施工方法
泥浆护壁钻孔灌注桩是利用原土自然造浆或人工造浆浆液进行护壁,通过循环泥浆将被钻头切下的土块挟带排出孔外成孔,然后安放绑扎好的钢筋笼,导管法水下灌注混凝土成桩。此法适用于地下水位以下的黏性土、粉土、砂土、填土、碎石土及风化岩层;也适用于地质情况复杂、夹层较多、风化不均、软硬变化较大的岩层。但在岩溶发育地区要慎重使用。
钻孔扩底灌注桩(简称钻扩桩)是在直状钻孔桩基础上对施工工艺进一步完善和改进的新桩型。施工时当柱状钻头钻到设汁持力层后,再换上特殊的扩底机械(扩底钻头),通过加压撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切削地层,对柱状钻孔灌注桩孔的底部进行扩大,在达到设计要求扩底直径后浇灌混凝土成桩,形成桩底部混凝土扩大头。
1、施工方法
(1)测定桩位
严整清理施工场地后,设置桩基轴线定位点和水准点,根据桩位平面布置施工图,定出每根桩的位置,并做好标志。施工前,桩位要检查复核,以防被外界因素影响而造成偏移。
(2)埋设护筒
护筒的作用是:固定桩孔位置;保护孔口:维持孔内水头,防止塌孔;为钻头导向。护筒用4~8mm厚钢板制成,内径比钻头直径大100~200mm,顶面高出地面0.4~0.6m,上部开1~2个溢浆孔。护筒埋置深度在黏土中不少于l.0m,在砂土中不少于1.5m,其高度要满足孔内泥浆液面高度的要求,孔内泥浆面应保持高出地下水位lm以上。采用挖坑埋设时;坑的直径应比护筒外径大0.8~1.0m。护筒中心与桩位中心线偏差不应大于50mm,对位后应在护筒外侧填入黏土并分层夯实。
(3)泥浆制备
泥浆的主要作用是护壁和携渣。泥浆制备方法应根据土质条件确定:在黏土和粉质黏土中成孔时,可注入清水,以原土造浆,排渣泥浆的密度应控制在1.1~1.3g/cm3;在其他土层中成孔,泥浆可选用高塑性(Ip≥17)的黏土或膨润土制备,在砂土和较厚夹砂层中成孔时,泥浆密度应控制在1.1~1.3g/cm3。在穿过砂夹卵石层或容易塌孔的土层中成孔时,泥浆密度应控制在1.3~1.5 g /cm3。施工中应经常测定泥浆密度,并定期测定黏度、含砂率和胶体率。泥浆的控制指标为黏度18~22s、含砂率不大于8%、胶体率不小于90%,为了提高泥浆质量可加入外掺料,如增重剂、增黏剂、分散剂等。施工中废弃的泥浆、泥渣应按环保的有关规定处理。
(4)钻进成孔
回转钻成孔是国内灌注桩施工中最常用的方法之一。正循环回转钻成孔由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土,由泥浆泵往钻杆输进泥浆,泥浆沿孔壁上升,从孔口溢浆孔溢出流入泥浆池,经沉淀处理返回循环池。反循环回转钻成孔是由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土,利用泵吸、气举、喷射等措施抽吸循环护壁泥浆,挟带钻渣从钻杆内腔抽吸出孔外的成孔方法。根据抽吸原理不同可分为泵吸反循环、气举反循环和喷射(射流)反循环三种施工工艺。泵吸反循环是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆的水流上升而形成反循环,喷射反循环是利用射流泵射出的高速水流产生负压使钻杆内的水流上升而形成反循环;气举反循环是利用送入压缩空气使水循环,钻杆内水流上升速度与钻杆内外液柱重度差有关,随孔深增大效率增加。当孔深小于50m时,宜选用泵吸或射流反循环;当孔深大于50m时,宜采用气举反循环。
(5)换扩底钻头、扩底成孔
当钻至设计深度后换上扩底钻头进行扩底,以MRS钻头为例,扩底工艺如下:
1)检查钻头收缩与扩张是否灵活。将钻头用吊车钻机的卷杨机提起,然后缓缓放下,扩底钻头的扩底翼将随之收缩和张开,如此反复数次,使钻头动作灵活。
2)根据工程所需要的扩底直径,确定其行程。
3)当钻头下入孔底后,在钻盘以上的钻杆上用粉笔划上记号或其他方法做好最终行程记号,以便确定扩底终点。
4)将扩底钻头提离孔底,使其处于悬吊状态。
5)启动钻机和水泵,待钻机和水泵工作正常后即可开始扩底。
6)扩底时利用卷扬机控制扩底钻头的扩底速度。为安全起见,扩底速度越慢越好。一般情况下,卷扬机的放绳速度应保证主动钻杆以10mm/min的速度下移,如果钻机震动太大,可进一步减小扩底速度。
7)在扩底完成行程后,可在原位继续回转直到清孔完结,即可迅速提钻。
8)扩底结束后,为保证扩底可靠,可使用孔径检测器进行检测,确定扩底直径达到设计要求后,提起钻头,接着进行下道工序。
(6)成孔檢测
钻扩桩与其他桩型的不同在于底部扩大头,因此该桩型质量控制的关键环节是如何确保扩底直径、孔底沉渣和混凝土灌注等工艺能够满足设计要求,施工中采用以设备自检为主、并径仪检测为辅的手段进行检测。
(7)清孔
钻孔钻至设计深度后,施上单位提山终孔要求,需由现场监理工程师决定,并进行孔径、孔偏斜度、孔深的验收。
以原土造浆的钻孔,清孔时注入清水,同时钻具只钻不进,待泥浆相对密度降到1.1左右即可认为清孔合格:对于制备泥浆的钻孔,采用换浆法清孔,至换出泥浆的相对密度小于1.15~1.25时方为合格。
由于钻扩桩扩底后桩底面积增大为相应直径的4倍,清孔时宜采用泵吸反循环清孔技术。根据不同的地质条件选用不同的泵量、方法,并合理选择孔形以利清孔。实践证明,采用以上清孔工艺处理后,孔底基本上能达到没有沉渣的效果。
(8)水下浇注混凝土
1)用直径20cm导管灌注水下混凝土。导管每节长度3—4m。导管使用前试拼,并做封闭水试验(0.3MPa),15min不漏水为宜。仔细检查导管的焊缝。
2)导管安装时底部应高出孔底30~40cm。导管埋入混凝土内深度2~3m,最深不超过4m,最浅不小于lm,导管提升速度要慢。
3)开管的混凝土数量应满足导管埋入混凝土深度的要求,开管前要备足相应的数量。
4)混凝土坍落度为18~22cm,以防堵管。
5)混凝土用吊机吊斗倒入导管上端的漏斗,混凝土要连续浇注,中断时间不超过30min。浇灌的桩顶标高应高出设计标高0.5m以上。
4.桩基检测
桩基检测的方法是动测,超声波。凿除桩顶预加高的混凝土,桩头钢筋不能乱弯。凿桩头用风镐或人工凿除。桩顶标高按设计要求,桩顶要大致平整。
灌注桩能适应各种地层的变化,无需接桩,施工时无振动、无挤土、噪音小,宜在建筑
密集地区使用。但其操作要求严格,施工后需较长的养护期方可承受荷载,成孔时有大量土渣或泥浆排出。
一、泥浆护壁成孔灌注桩
泥浆护壁成孔是用泥浆循环来保护孔壁并排出土碴而成孔,不论地下水位高或低的土层皆适用。多用于含水量高的软土地区。泥浆具有保护孔壁,防止塌孔、排出土碴以及冷却与润滑钻头的作用。泥浆一般需专门配制,当在粘土中成孔时,也可用孔内钻碴原土自造泥浆。
成孔机械有回转钻机、潜水钻机、冲击钻等,其中以回转钻机应用最多。
1.回转钻机成孔
回转钻机是由动力装置带动钻机的回转装置转动,并带动带有钻头的钻杆转动,由钻头切削土壤。切削形成的土碴,通过泥浆循环排出桩孔。根据泥浆循环方式的不同,分为正循环和反循环。根据桩型、钻孔深度、土层情况、泥浆排放条件、允许沉碴厚度等进行选择,但对孔深大于30m的端承型桩,宜采用反循环。
泥浆由钻杆内部注入,并从钻杆底部喷出,携带钻下的土碴沿孔壁向上流动,由孔口将土碴带出流人沉淀池,经沉淀的泥浆流入泥浆池再注入钻杆,由此进行循环。沉淀的土碴用泥浆车运出排放。
泥浆由钻杆与孔壁间的环状间隙流人钻孔,然后,由砂石泵在钻杆内形成真空,使钻下的土碴由钻杆内腔吸出至地面而流向沉淀池,沉淀后再流入泥漿池。反循环工艺的泥浆上流的速度较高,排放的土碴能力大。
在陆地上杂填土或松软土层中钻孔时,应在桩位孔口处埋设护筒,以起定位、保护孔口、维持水头等作用。护筒用钢板制作,内径应比钻头直径大10cm,埋人士中深度通常不宜小于1.0~1.5m,特殊情况下埋深需要更大。在护筒顶部应开设l~2个溢浆口。在钻孔过程中,应保持护筒内泥浆液面高于地下水位。
于水中施工,在水深小于3m的浅水处,亦可适当提高护筒顶面标高,以减少筑岛填土量。如岛底河床为淤泥或软土,宜挖除换以砂土;若排淤换土工作量大,则可用长护筒,使其沉人河底土层中。在水深超过3m的深水区,宜搭设工作平台(可为支架平台船、钢板桩围堰、木排、浮运薄壳沉井等)。
在粘土中钻孔,可采用自造泥浆护壁;在砂土中钻孔,则应注入制备泥浆,注入的泥浆比重控制在1.1左右,排出泥浆的比重宜为1.2~1.4。钻孔达到要求的深度后,测量沉碴厚度,进行清孔。以原土造浆的钻孔,清孔可用射水法,此时钻具只转不进,待泥浆比重降到L1左右即认为清孔合格;注入制备泥浆的钻孔,可采用换浆法清孔,至换出泥浆的比重小于1.15时方为合格,在特殊情况下换出的泥浆比重可以适当放宽。
钻孔灌注桩的桩孔钻成并清孔后,应尽快吊放钢筋骨架并灌注混凝土。在无水或少水的浅桩孔中灌注混凝土时,应分层浇注振实,每层高度一般为0.5~0.6m,不得大于1.5m。混凝土坍落度在粘性土中宜用5~7cm砂类土中用7~9cm黄土中用6~9cm。水下灌注混凝土时,常用垂直导管灌筑法水下施工。水下灌注混凝土至桩顶处,应适当超过桩顶设计标高,以保证在凿除含有泥浆的桩段后,桩顶标高和质量能符合设计要求。
施工后的灌注桩的平面位置及垂直度都需满足规范的规定。灌注桩在施工前,宜进行试成孔。
2.潜水钻机成孔
潜水钻机是一种旋转式钻孔机械,其动力、变速机构和钻头连在一起,加以密封,因而可以下放至孔中地下水位以下进行切削土壤成孔。用正循环工艺输入泥浆,进行护壁和将钻下的土碴排出孔外。
潜水钻机成孔,亦需先埋设护筒,其他施工过程皆与回转钻机成孔相似。
3.冲击钻成孔
冲击钻主要用于在岩层中成孔,成孔时将冲锥式钻头提升一定高度后以自由下落的冲击力来破碎岩层,然后用掏碴筒来掏取孔内的碴浆。
还有一种冲抓锥,锥头内有重铁块和活动抓片,下落时松开卷扬机刹车,抓片张开,锥头自由下落冲入土中,然后开动卷扬机拉升锥头,此时抓片闭合抓土,将冲抓锥整体提升至地面卸土,依次循环成孔。
泥浆护壁钻孔灌注桩的施工方法
泥浆护壁钻孔灌注桩是利用原土自然造浆或人工造浆浆液进行护壁,通过循环泥浆将被钻头切下的土块挟带排出孔外成孔,然后安放绑扎好的钢筋笼,导管法水下灌注混凝土成桩。此法适用于地下水位以下的黏性土、粉土、砂土、填土、碎石土及风化岩层;也适用于地质情况复杂、夹层较多、风化不均、软硬变化较大的岩层。但在岩溶发育地区要慎重使用。
钻孔扩底灌注桩(简称钻扩桩)是在直状钻孔桩基础上对施工工艺进一步完善和改进的新桩型。施工时当柱状钻头钻到设汁持力层后,再换上特殊的扩底机械(扩底钻头),通过加压撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切削地层,对柱状钻孔灌注桩孔的底部进行扩大,在达到设计要求扩底直径后浇灌混凝土成桩,形成桩底部混凝土扩大头。
1、施工方法
(1)测定桩位
严整清理施工场地后,设置桩基轴线定位点和水准点,根据桩位平面布置施工图,定出每根桩的位置,并做好标志。施工前,桩位要检查复核,以防被外界因素影响而造成偏移。
(2)埋设护筒
护筒的作用是:固定桩孔位置;保护孔口:维持孔内水头,防止塌孔;为钻头导向。护筒用4~8mm厚钢板制成,内径比钻头直径大100~200mm,顶面高出地面0.4~0.6m,上部开1~2个溢浆孔。护筒埋置深度在黏土中不少于l.0m,在砂土中不少于1.5m,其高度要满足孔内泥浆液面高度的要求,孔内泥浆面应保持高出地下水位lm以上。采用挖坑埋设时;坑的直径应比护筒外径大0.8~1.0m。护筒中心与桩位中心线偏差不应大于50mm,对位后应在护筒外侧填入黏土并分层夯实。
(3)泥浆制备
泥浆的主要作用是护壁和携渣。泥浆制备方法应根据土质条件确定:在黏土和粉质黏土中成孔时,可注入清水,以原土造浆,排渣泥浆的密度应控制在1.1~1.3g/cm3;在其他土层中成孔,泥浆可选用高塑性(Ip≥17)的黏土或膨润土制备,在砂土和较厚夹砂层中成孔时,泥浆密度应控制在1.1~1.3g/cm3。在穿过砂夹卵石层或容易塌孔的土层中成孔时,泥浆密度应控制在1.3~1.5 g /cm3。施工中应经常测定泥浆密度,并定期测定黏度、含砂率和胶体率。泥浆的控制指标为黏度18~22s、含砂率不大于8%、胶体率不小于90%,为了提高泥浆质量可加入外掺料,如增重剂、增黏剂、分散剂等。施工中废弃的泥浆、泥渣应按环保的有关规定处理。
(4)钻进成孔
回转钻成孔是国内灌注桩施工中最常用的方法之一。正循环回转钻成孔由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土,由泥浆泵往钻杆输进泥浆,泥浆沿孔壁上升,从孔口溢浆孔溢出流入泥浆池,经沉淀处理返回循环池。反循环回转钻成孔是由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土,利用泵吸、气举、喷射等措施抽吸循环护壁泥浆,挟带钻渣从钻杆内腔抽吸出孔外的成孔方法。根据抽吸原理不同可分为泵吸反循环、气举反循环和喷射(射流)反循环三种施工工艺。泵吸反循环是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆的水流上升而形成反循环,喷射反循环是利用射流泵射出的高速水流产生负压使钻杆内的水流上升而形成反循环;气举反循环是利用送入压缩空气使水循环,钻杆内水流上升速度与钻杆内外液柱重度差有关,随孔深增大效率增加。当孔深小于50m时,宜选用泵吸或射流反循环;当孔深大于50m时,宜采用气举反循环。
(5)换扩底钻头、扩底成孔
当钻至设计深度后换上扩底钻头进行扩底,以MRS钻头为例,扩底工艺如下:
1)检查钻头收缩与扩张是否灵活。将钻头用吊车钻机的卷杨机提起,然后缓缓放下,扩底钻头的扩底翼将随之收缩和张开,如此反复数次,使钻头动作灵活。
2)根据工程所需要的扩底直径,确定其行程。
3)当钻头下入孔底后,在钻盘以上的钻杆上用粉笔划上记号或其他方法做好最终行程记号,以便确定扩底终点。
4)将扩底钻头提离孔底,使其处于悬吊状态。
5)启动钻机和水泵,待钻机和水泵工作正常后即可开始扩底。
6)扩底时利用卷扬机控制扩底钻头的扩底速度。为安全起见,扩底速度越慢越好。一般情况下,卷扬机的放绳速度应保证主动钻杆以10mm/min的速度下移,如果钻机震动太大,可进一步减小扩底速度。
7)在扩底完成行程后,可在原位继续回转直到清孔完结,即可迅速提钻。
8)扩底结束后,为保证扩底可靠,可使用孔径检测器进行检测,确定扩底直径达到设计要求后,提起钻头,接着进行下道工序。
(6)成孔檢测
钻扩桩与其他桩型的不同在于底部扩大头,因此该桩型质量控制的关键环节是如何确保扩底直径、孔底沉渣和混凝土灌注等工艺能够满足设计要求,施工中采用以设备自检为主、并径仪检测为辅的手段进行检测。
(7)清孔
钻孔钻至设计深度后,施上单位提山终孔要求,需由现场监理工程师决定,并进行孔径、孔偏斜度、孔深的验收。
以原土造浆的钻孔,清孔时注入清水,同时钻具只钻不进,待泥浆相对密度降到1.1左右即可认为清孔合格:对于制备泥浆的钻孔,采用换浆法清孔,至换出泥浆的相对密度小于1.15~1.25时方为合格。
由于钻扩桩扩底后桩底面积增大为相应直径的4倍,清孔时宜采用泵吸反循环清孔技术。根据不同的地质条件选用不同的泵量、方法,并合理选择孔形以利清孔。实践证明,采用以上清孔工艺处理后,孔底基本上能达到没有沉渣的效果。
(8)水下浇注混凝土
1)用直径20cm导管灌注水下混凝土。导管每节长度3—4m。导管使用前试拼,并做封闭水试验(0.3MPa),15min不漏水为宜。仔细检查导管的焊缝。
2)导管安装时底部应高出孔底30~40cm。导管埋入混凝土内深度2~3m,最深不超过4m,最浅不小于lm,导管提升速度要慢。
3)开管的混凝土数量应满足导管埋入混凝土深度的要求,开管前要备足相应的数量。
4)混凝土坍落度为18~22cm,以防堵管。
5)混凝土用吊机吊斗倒入导管上端的漏斗,混凝土要连续浇注,中断时间不超过30min。浇灌的桩顶标高应高出设计标高0.5m以上。
4.桩基检测
桩基检测的方法是动测,超声波。凿除桩顶预加高的混凝土,桩头钢筋不能乱弯。凿桩头用风镐或人工凿除。桩顶标高按设计要求,桩顶要大致平整。