论文部分内容阅读
摘 要：灌注桩在建筑工程中应用范围比较广，它具有不受土质条件限制、桩长变化自如、无需接桩和截桩、材料节省、振动小、噪音低、承载性能强等特点，是建筑工程中基础施工质量得到保证的基本屏障，目前比较多用于高层建筑、桥梁建筑等领域中。大直径灌注桩施工工艺只建立在原有的小直径庄主桩基础上进化与升级的新技术，目前已经进入推广与应用的初期阶段，为了更好的促进该技术的应用，本文针对全套管大直徑振动取土灌注桩施工技术进行探析。
关键词：全套管；大直径；灌注桩；振动取土；施工技术
全套管大直径振动取土灌注桩施工技术的优点有很多，非常适用于大型建筑工程中，比如在高层建筑、桥梁建筑等领域中都有应用体现。而由于我国全套管大直径振动取土灌注桩施工技术起步较晚，在实际应用中仍有一些不成熟的技术尚在，阻碍该项技术顺利发展，因此，要想良好的发展此技术，就要对存在的问题进行解决，并从对施工机械、施工原理等方面进行分析，结合实际工程实例对技术的改进进行研究，以达到切合实际进步的效果。
一、施工机械
全套管大直径振动取土灌注桩施工技术属于机械作业形式，机械系统中最为主要的操作与控制系统为：动力、传输、振动、内外套管等多个系统，动力系统是由油燃引挚与液压泵进行连接；传输系统的组成结构有液压油管、电缆构件；振动系统也就是机械中重要的结构振动锤，由振动器、夹持器、弹性悬挂等构件合成；夹持器在振动器的下端位置，有单夹头、多夹头等不同类型夹持器，夹持器的选择需要结合实际套管沉入的方式进行适当选择安装。整个灌注桩设备套管分为内套管、外套管两种；振动器是振动锤的主心骨，主要由液压发动机实施运作控制，在齿轮转动下，偏心体发生旋转反应，进而激振力出现，偏心体、齿轮、轴承合为一体，在运行过程中需要利用润滑油进行降温处理，并提高转速与效率。振动器运作状态主要受振动频率、偏心体转速、悬挂双振幅的共同作用控制。
二、施工原理
全套管振动取土灌注桩的施工原理为：首先，采用大激振力高频液压振动锤进行内、外套管沉入施工，振动时采用专门设计的水润滑装置使套管与土的相互摩阻力降低，可以实现除强风化岩以外的绝大部分土层顺利地随套管沉入套管的内腔形成土芯而非土塞，从而克服了由于土塞滞留在管内使桩侧阻力增大、导致套管难以沉入土层和沉管过程中所造成的挤土问题；其次，通过高频振动密实，提高桩端土承载力，确保水下灌注混凝土或抽水后干作业灌注混凝土；最后，通过高频液压振动锤同时拔出钢内管和钢外管或拔出钢外管，从而实现大直径取土灌注桩。
1、套管沉拔原理
全套管大直径振动取土灌注桩采用振动锤进行沉拔套管施工。在桩顶安装液压驱动的振动锤，使振动锤中的偏心体相互逆旋转，其横向偏心力相互抵消，而垂直离心力叠加，使套管产生垂直方向的激振力。套管在自重和激振力作用下，克服悬挂力和摩擦阻力而逐渐下沉；套管在悬挂力和激振力作用下，克服自重和摩擦阻力而逐渐上拔。在无黏性土层中，垂直向的高频振动能扰动套管周围土体或使之暂时液化，使套管与土间的摩擦阻力大幅减小，甚至减小至0，振动力加上锤和套管的质量，使套管穿越土层达到设计深度。通常竖向振动振幅为6mm、频率为25Hz时就能将套管周围的无黏性土完全扰动，将套管打入无黏性土层；在黏土层中，垂直向的高频振动能够使套管周围的黏性土完全破坏，从而减小套管与土间的摩阻力，使套管容易被送入黏性土层。通常在振幅为6mm，频率为30Hz时就能使套管周围的黏性土剪切破坏。无论是砂质土层还是黏性土层，土体强度均能恢复，从而使基桩具备承载能力。
2、套管取土原理
采用高频液压振动锤，能使钢套管水平和竖向高频振动顺利切割土体，使钢套管与土之间产生间隙，从而使土进入内套管（取土器）实现振动取土。大致可分为三个步骤：①在振动锤的高频振动作用下，取土器向下沉入，挡土板向上翻，土进入管内；②在振动锤的高频振动作用下，取土器向上拔出，挡土板在土自重作用下向下翻，土留在管内；③提出取土器，拔去插销，土在自重作用下向下排出。
三、工程實例
1、工程概况与地质条件
拟建工程为福建省某四星级酒店，总建筑面积26788m2，25层框架剪力墙结构，楼高99.99m。1～5层为商场，6～16层为酒店客房，17～25层为高档写字楼，地下1层。场地岩土层从上至下依次为：①杂填土层厚2～5m；②粉质黏土层厚2～4m；③卵石层厚8～10m；④强风化泥质粉砂岩层厚1.8～4m；⑤中风化泥质粉砂岩。
2、施工方案及工艺流程
结合实际现场对周边环境以及施工条件的勘查，决定采用冲孔灌注桩方案，利用模拟全套管取土桩施工设计，并对建筑工程的高度、沉降度、工期以及施工标注进行考虑与试验检测、论证，决定工程应采用90cm至150cm的全套管取土灌注桩比较适宜，持力层中含有明显的风化泥质粉砂岩结构，因此桩长因设置在14m至18m之间。单桩承载力特征值1408～11015kN。采用强度等级为C40的商品混凝土，由于地下水位较低，使用干作业浇捣混凝土，
3、检测结果
本工程采用静载试验检测单桩竖向抗压承载力，试验结果满足设计要求。抽取21根桩进行低应变动力检测，试验结果为：Ⅰ类桩17根，占81%；Ⅱ类桩4根，占19%，检测结果满足设计要求。
四、施工措施
1）套管穿越卵石层时，套管将振动荷载传递给卵石，导致卵石层密实度加大，取土器难以下沉，取土器在原位持续振动，进一步加大卵石的密实度，增大取土难度。解决方法为：①调整振动参数；②采用加压装置，增加正压力；③分次取土，降低无效振动时间。
2）当套管需要穿透强风化岩层时，由于强风化岩层强度高，使用振动锤的最大频率不能够穿透该岩层。解决方法为采用冲孔桩机冲击岩层使其破碎，然后用国外进口的大功率砂石泵进行清渣。
3）地下水位较高时，可以进行抽水后干作业浇捣混凝土或使用导管实施水下灌注混凝土。
4）为了保证桩基具有足够的承载能力和达到设计要求，必须进行必要的检验。
五、实践效果
1）高频振动锤的柴油发动机功率大，能产生较大的激振力，使钢管与桩周土层形成一层“膜”，最大限度地消除摩阻力，从而确保全套管大直径取土灌注桩施工方法的实现。
2）全套管大直径振动取土灌注桩与冲（钻）孔灌注桩、旋挖桩相比，可节约制造护壁泥浆的材料，而且同体积钢筋混凝土可极大地提高承载力，节约大量钢筋混凝土；与人工挖孔桩相比，可节约大量钢筋混凝土护壁材料。
3）高频振动因其振幅较小，传递过程衰减较快，对周围环境影响小。从已有的工程应用情况看，该施工技术的经济效益和社会效益明显，具有推广应用价值。
参考文献：
[1] 肖勇杰，陈福全，林良庆.灌注桩套管高频振动贯入过程中挤土效应研究[J].岩土力学，2015（11）.
[2] 肖勇杰，陈福全，林良庆.灌注桩套管振动贯入引起的地面振动及隔振研究[J].岩土力学，2017（3）.
[3] 晏岱.大直径沉管取土灌注桩管内取土模块的设计[J].南昌工程学院学报，2012，31（6）.
关键词：全套管；大直径；灌注桩；振动取土；施工技术
全套管大直径振动取土灌注桩施工技术的优点有很多，非常适用于大型建筑工程中，比如在高层建筑、桥梁建筑等领域中都有应用体现。而由于我国全套管大直径振动取土灌注桩施工技术起步较晚，在实际应用中仍有一些不成熟的技术尚在，阻碍该项技术顺利发展，因此，要想良好的发展此技术，就要对存在的问题进行解决，并从对施工机械、施工原理等方面进行分析，结合实际工程实例对技术的改进进行研究，以达到切合实际进步的效果。
一、施工机械
全套管大直径振动取土灌注桩施工技术属于机械作业形式，机械系统中最为主要的操作与控制系统为：动力、传输、振动、内外套管等多个系统，动力系统是由油燃引挚与液压泵进行连接；传输系统的组成结构有液压油管、电缆构件；振动系统也就是机械中重要的结构振动锤，由振动器、夹持器、弹性悬挂等构件合成；夹持器在振动器的下端位置，有单夹头、多夹头等不同类型夹持器，夹持器的选择需要结合实际套管沉入的方式进行适当选择安装。整个灌注桩设备套管分为内套管、外套管两种；振动器是振动锤的主心骨，主要由液压发动机实施运作控制，在齿轮转动下，偏心体发生旋转反应，进而激振力出现，偏心体、齿轮、轴承合为一体，在运行过程中需要利用润滑油进行降温处理，并提高转速与效率。振动器运作状态主要受振动频率、偏心体转速、悬挂双振幅的共同作用控制。
二、施工原理
全套管振动取土灌注桩的施工原理为：首先，采用大激振力高频液压振动锤进行内、外套管沉入施工，振动时采用专门设计的水润滑装置使套管与土的相互摩阻力降低，可以实现除强风化岩以外的绝大部分土层顺利地随套管沉入套管的内腔形成土芯而非土塞，从而克服了由于土塞滞留在管内使桩侧阻力增大、导致套管难以沉入土层和沉管过程中所造成的挤土问题；其次，通过高频振动密实，提高桩端土承载力，确保水下灌注混凝土或抽水后干作业灌注混凝土；最后，通过高频液压振动锤同时拔出钢内管和钢外管或拔出钢外管，从而实现大直径取土灌注桩。
1、套管沉拔原理
全套管大直径振动取土灌注桩采用振动锤进行沉拔套管施工。在桩顶安装液压驱动的振动锤，使振动锤中的偏心体相互逆旋转，其横向偏心力相互抵消，而垂直离心力叠加，使套管产生垂直方向的激振力。套管在自重和激振力作用下，克服悬挂力和摩擦阻力而逐渐下沉；套管在悬挂力和激振力作用下，克服自重和摩擦阻力而逐渐上拔。在无黏性土层中，垂直向的高频振动能扰动套管周围土体或使之暂时液化，使套管与土间的摩擦阻力大幅减小，甚至减小至0，振动力加上锤和套管的质量，使套管穿越土层达到设计深度。通常竖向振动振幅为6mm、频率为25Hz时就能将套管周围的无黏性土完全扰动，将套管打入无黏性土层；在黏土层中，垂直向的高频振动能够使套管周围的黏性土完全破坏，从而减小套管与土间的摩阻力，使套管容易被送入黏性土层。通常在振幅为6mm，频率为30Hz时就能使套管周围的黏性土剪切破坏。无论是砂质土层还是黏性土层，土体强度均能恢复，从而使基桩具备承载能力。
2、套管取土原理
采用高频液压振动锤，能使钢套管水平和竖向高频振动顺利切割土体，使钢套管与土之间产生间隙，从而使土进入内套管（取土器）实现振动取土。大致可分为三个步骤：①在振动锤的高频振动作用下，取土器向下沉入，挡土板向上翻，土进入管内；②在振动锤的高频振动作用下，取土器向上拔出，挡土板在土自重作用下向下翻，土留在管内；③提出取土器，拔去插销，土在自重作用下向下排出。
三、工程實例
1、工程概况与地质条件
拟建工程为福建省某四星级酒店，总建筑面积26788m2，25层框架剪力墙结构，楼高99.99m。1～5层为商场，6～16层为酒店客房，17～25层为高档写字楼，地下1层。场地岩土层从上至下依次为：①杂填土层厚2～5m；②粉质黏土层厚2～4m；③卵石层厚8～10m；④强风化泥质粉砂岩层厚1.8～4m；⑤中风化泥质粉砂岩。
2、施工方案及工艺流程
结合实际现场对周边环境以及施工条件的勘查，决定采用冲孔灌注桩方案，利用模拟全套管取土桩施工设计，并对建筑工程的高度、沉降度、工期以及施工标注进行考虑与试验检测、论证，决定工程应采用90cm至150cm的全套管取土灌注桩比较适宜，持力层中含有明显的风化泥质粉砂岩结构，因此桩长因设置在14m至18m之间。单桩承载力特征值1408～11015kN。采用强度等级为C40的商品混凝土，由于地下水位较低，使用干作业浇捣混凝土，
3、检测结果
本工程采用静载试验检测单桩竖向抗压承载力，试验结果满足设计要求。抽取21根桩进行低应变动力检测，试验结果为：Ⅰ类桩17根，占81%；Ⅱ类桩4根，占19%，检测结果满足设计要求。
四、施工措施
1）套管穿越卵石层时，套管将振动荷载传递给卵石，导致卵石层密实度加大，取土器难以下沉，取土器在原位持续振动，进一步加大卵石的密实度，增大取土难度。解决方法为：①调整振动参数；②采用加压装置，增加正压力；③分次取土，降低无效振动时间。
2）当套管需要穿透强风化岩层时，由于强风化岩层强度高，使用振动锤的最大频率不能够穿透该岩层。解决方法为采用冲孔桩机冲击岩层使其破碎，然后用国外进口的大功率砂石泵进行清渣。
3）地下水位较高时，可以进行抽水后干作业浇捣混凝土或使用导管实施水下灌注混凝土。
4）为了保证桩基具有足够的承载能力和达到设计要求，必须进行必要的检验。
五、实践效果
1）高频振动锤的柴油发动机功率大，能产生较大的激振力，使钢管与桩周土层形成一层“膜”，最大限度地消除摩阻力，从而确保全套管大直径取土灌注桩施工方法的实现。
2）全套管大直径振动取土灌注桩与冲（钻）孔灌注桩、旋挖桩相比，可节约制造护壁泥浆的材料，而且同体积钢筋混凝土可极大地提高承载力，节约大量钢筋混凝土；与人工挖孔桩相比，可节约大量钢筋混凝土护壁材料。
3）高频振动因其振幅较小，传递过程衰减较快，对周围环境影响小。从已有的工程应用情况看，该施工技术的经济效益和社会效益明显，具有推广应用价值。
参考文献：
[1] 肖勇杰，陈福全，林良庆.灌注桩套管高频振动贯入过程中挤土效应研究[J].岩土力学，2015（11）.
[2] 肖勇杰，陈福全，林良庆.灌注桩套管振动贯入引起的地面振动及隔振研究[J].岩土力学，2017（3）.
[3] 晏岱.大直径沉管取土灌注桩管内取土模块的设计[J].南昌工程学院学报，2012，31（6）.