一种桩基的施工方法与流程

本发明涉及土木工程施工领域，特别涉及一种桩基的施工方法。

背景技术：

在建筑工程领域中，预制桩是目前地基处理中经常采用的一种桩型，特别是预应力管桩，因其质量可控、价格低廉等特点发展极为迅速，社会需求量极大，在全国各大中城市都有厂家生产。目前预应力管桩在国内主要采用柴油锤击打和静压桩机静压两种方式，将管桩强行打入地基土体中，其优点是施工速度快费用较低，其缺点是施工过程完全是硬碰硬的较量，极易造成桩身受损严重，尤其采用柴油锤锤击法时，桩身应力波传递过程中产生的拉应力常常将桩身混凝土拉裂，再遇有硬塑粘土、夹层粉土、粉砂及卵石土层时入桩更加困难，在必须要达到设计桩长按图施工的强制条件下，增大桩机配重或者加大锤重是唯一解决办法，当采用的压力和动能的能量超出桩身能够承受的强度时，势必造成桩头的破碎和桩身产生横竖交错的裂纹，这种受损的预制桩在有地下水或腐蚀矿物质的情况下，必将造成预应力筋的锈蚀和混凝土的破坏！已有报道显示，中国建筑科学研究院对十五年前施工的地基中的预应力管桩进行开挖，现状显示桩身的损坏和锈蚀程度已极为严重，如果遇到地震时其后果将不堪设想。因此，无论是什么预制桩都要承受上部传来的荷载传入地基中，但是一个预制构件应当轻拿轻放确保其本身的完整性。预应力管桩是日本人发明的，在六七十年代也是采用打和压的办法施工，在经常地震造成房屋倒塌后，其发现是因野蛮施工造成预制桩身的裂纹与腐蚀，即桩身受损严重从而造成了质量问题影响了建筑物的使用寿命，因此其后日本又出现置入桩的施工方法，即采用大型的喷搅设备将地基土搅成水泥土粥状，达到设计深度和直径后再将预制桩置入其中。但是其设备的造价昂贵，并且该方法的工效很低施工速度较慢。因此，需要一种既经济又有良好效果的预应力管桩的施工方法，来解决上述问题。

技术实现要素：

本申请针对上面提到的一系列问题，拟提供一种桩基施工的优化方案，该方案主要针对预应力管桩的应用，不仅能够快速有效的完成预应力管桩的施工，并且充分保证在施工过程中管桩桩身的完好和完整，还在桩底端加以载体大幅度提高桩的承载能力，最后该方案的施工效果优良且成本较低。

本申请的技术方案为，一种桩基的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在桩位处，以振动、锤击、静压的方式之一，将带有注浆管和多个喷嘴的成孔套管在地基土体中沉入，遇到较硬土层时向注浆管内注入水泥浆液或水喷射润滑周围土体，直至将成孔套管深入至设定深度；

（2）在成孔套管中植入预应力混凝土管桩后施工桩端载体，所述桩端载体的施工方法是，在预应力混凝土管桩的中心孔内插入细长夯锤或者先插入另一保护套管后再插入细长夯锤，向中心孔或保护套管内填入由水泥和砂拌合的填充料，并利用细长夯锤对填充料进行夯实挤密，经反复填料夯实后以三击贯入度或预设的填料量为标准控制密实度，从而在桩底端形成载体；

或者，在成孔套管中施工桩端载体后再植入预应力混凝土管桩，所述桩端载体的施工方法是，在成孔套管内插入细长夯锤，通过成孔套管和细长夯锤的间隙向成孔套管内填入由水泥和砂拌合的填充料，并利用细长夯锤对填充料进行夯实挤密，经反复填料夯实后以三击贯入度或预设的填料量为标准控制密实度，从而在桩底端形成载体；

（3）上提成孔套管，在上提过程中向注浆管中注入水泥浆液并通过喷嘴形成射流向周围土体喷射，使水泥浆液填满预应力混凝土管桩与侧壁土体之间空隙并固化地基土体；

（4）将成孔套管提出地表成桩。

上述方法的步骤（1）中，成孔套管的外壁固定有二根以上的注浆管，其下部或\和底部设有与注浆管连通的多个竖向喷嘴或\和横向喷嘴，以利于喷射的均匀性。

上述竖向喷嘴或\和横向喷嘴分别与不同的注浆管相连通，且注浆管分别设有控制开关，能够控制竖向喷嘴或\和横向喷嘴单独喷射或同时喷射，以便于根据土质的变化进行喷射角度方向的调整。

上述方法的步骤（1）中，在将成孔套管在地基土体中沉入之前，通过螺旋钻引孔或者重锤冲击成孔或者旋挖钻取土成孔的方式，在地基土体中预先形成桩孔后，再将成孔套管沉入到桩孔之内，特别在地下水含量小的土层中适用。

上述方法的步骤（1）中，在将成孔套管在地基土体中沉入之前，通过高压旋喷或深层搅拌的方式，或者将桩位处地基土体取出后加入水泥搅拌再填回原桩孔中，在地基中形成水泥土桩后，再将成孔套管沉入到水泥土桩身之内，特别在地下水含量较大的土层或者夹有砂层的土层中适用。

上述方法的步骤（1）中，将成孔套管在地基土体中沉入时，其底端设有预制桩尖或者活瓣桩尖，或者采用封堵底板封闭，以避免成孔过程中土体进入到成孔套管中，成孔套管沉入到设定深度后，向外打开活瓣桩尖，或者通过外力使预制桩尖或者封堵底板与成孔套管底部脱开，以利于下一工序施工。

上述方法的步骤（1）和步骤（3）中，水泥浆液的材料包括水泥或\和砂或\和粉煤灰。

上述方法的步骤（1）中，振动方式包括采用振动头和液压卡钳的组合，锤击方式包括采用夯击重锤、柴油锤、液压锤。

上述方法的步骤（2）中，施工桩端载体后再植入预应力混凝土管桩，该预应力混凝土管桩能够采用预制的钢筋混凝土桩或者现浇钢筋混凝土桩替代。

上述方法的步骤（2）中，桩端载体的工序视地质条件和设计要求能够省略，即在成孔套管中植入预应力混凝土管桩后直接进行步骤（3），特别适用于对桩的承载能力要求较低的建筑。

上述方法的步骤（2）中，三击贯入度或者填料量，是由施工设备自动测量、控制和记录的，该施工设备包括自动填料装置、自动夯击控制装置、三击贯入度自动测量装置，自动填料装置将填料分次的、定量的自动填入到护筒中；自动夯击控制装置控制主卷杨机按照人工预设或程序自动计算的高度自动提升夯锤，与自动填料装置配合对每次的填料进行夯击；三击贯入度自动测量装置对夯锤每一次下落夯击后的贯入度数值进行自动测量并记录。

上述方法的步骤（3）中，喷射过程能够根据地基中的土层性质和变化进行调整控制。

上述方法的步骤（1）至步骤（4）是通过多台施工机具进行交替流水作业完成的，即采用专门施工机具分别完成相对应的施工工序，即成孔设备专门进行桩身成孔施工、夯击设备专门进行桩端载体施工、沉桩设备专门进行沉入预制桩身施工、注浆和提护筒设备专门进行注浆和上提护筒施工，每台专门施工机具完成一个桩位处的工序施工后移动至下一个桩位处继续进行相同工序施工，如此交替配合流水作业，直到完成整个场区内的全部桩的施工。

本发明的施工方法具备如下技术特点和优势：①预制桩身的施工即不是打入也不是压入土体中的，而是全部采用了小心放入保护套筒中的方式，将原来硬碰硬的野蛮操作变为轻拿轻放，因此整个的施工过程均根本上避免了预制桩身的损伤，排除了桩头破碎、桩身产生裂纹等质量隐患；②通过特别设计的成孔套管和注浆装置，在成孔过程中即使遇到了如砂层等不利成孔的较硬土层，能够采用注浆喷射的方法使水泥浆液喷射土体，起到了冲击破碎土体和润滑降温的双重作用，使成孔过程高效、迅速，还可视土质和设计要求采用取土法、排土法、搅拌法、置换法等多种方式先成孔再沉管的灵活操作；③同样，在完成放入预制桩身操作后，在上提成孔套管的过程中，也能够视桩身周围土体的情况进行注浆喷射操作，一是使成孔套管容易提出，二是使水泥浆液填满预制桩身与侧壁土体之间空隙，三是有效固化、硬化周围地基土体，起到了一举多得、事半功倍的良好效果和积极作用；④在普通的预应力管桩的基础上，通过在桩端加设载体，使桩端以下深度3～5米，直径2～3米范围内的土体被挤密，实现载体桩的等效计算面积Ae，使得桩的承载力大幅提升，同时桩端载体可以设在地基中的浅部土层，因此可有效缩短桩的长度降低费用；⑤在桩端加设载体可选择在预制桩身放入前，也可以选择在预制桩身放入之后，同时载体的施工可选择填料量、贯入度等多种方式，使施工过程更加灵活，也使桩的适用范围更加广泛；⑥对施工机具的要求较低，且施工过程可选择多台施工机具进行交替流水作业，在提高施工效率的同时降低施工成本；⑦显著提高原预制桩的适用范围，在软土、硬层、夹层、含水量高等各种地质条件和基础形式下均可适用。

附图说明

图1是本发明的施工方法的第一个实施例的工序示意图；图2是本发明的施工方法的第二个实施例的工序示意图；图3是本发明的施工方法的第三个实施例的工序示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体工程案例对本发明的技术方案进行说明。

工程案例1：天津市东丽区某厂整体搬迁项目，根据地质钻探结果，各岩土层的分布特点及物理力学性质分述如下：①填土层，厚度0.5~5.0m，压缩模量(Mpa) 5.33；②粘土，厚度0.70～2.50m，承载力特征值100kPa；③₁淤泥质粘土，厚度1.7～7.0m，承载力特征值70kPa；③₂淤泥质，厚度1.7～7.2m，承载力特征值90kPa；③₃粉质粘土，厚度1.0～6.8m，承载力特征值115kPa；③₄粉细砂，厚度0.3～4.5m，承载力特征值130kPa；④粉质粘土，厚度0.2～5.1m，承载力特征值140kPa；⑤₁粉土，厚度1.9～6.5m，承载力特征值180kPa；⑤₂粉质粘土，厚度0.3～5.0m，承载力特征值150kPa；⑤₃粉土厚度2.0～6.0m，承载力特征值200kPa；勘察期间静止水位埋深2.0～2.4m，绝对标高0.93～1.70m，属孔隙潜水；据区域水文地质资料，地下水年变化幅度1.0m左右。

根据该工程地质条件及上部结构情况，为降低成本和满足受力要求，设计方案采用预应力管桩加载体桩基础，设计参数为：桩径400mm，桩长20m，单桩承载力特征值1200KN，桩身采用预应力管桩PHC A400（80），桩端持力层为第⑤1层粉土，设三击贯入度不大于10cm。

具体施工方法为：首先，如图1中a所示，将直径为430mm、长度为20.5m的成孔套管1对准桩位点，成孔套管1的外壁固定有二根注浆管2，成孔套管1的底部设有分别与二根注浆管2连通的环形管，其中一根环形管上设有多个竖向喷嘴3，另一根环形管上设有多个横向喷嘴4，二根注浆管2上端均设有控制开关5，能够控制竖向喷嘴3和横向喷嘴4单独喷射或同时喷射，成孔套管1的底端带有封堵底板6，采用液压卡钳夹持成孔套管1的上口，通过液压卡钳上端的振动锤的振动并下压，使成孔套管1逐渐在地基土体中沉入；然后，如图1中b所示，当成孔套管1的底端进入到第③₄粉细砂土层时，由于土层较硬且越振动越密实，因此沉管过程困难，此时向注浆管2内高压注入水泥浆液7并打开全部控制开关5，使水泥浆液通过竖向喷嘴3和横向喷嘴4对周围土体进行双方向喷射，冲击并润滑土体使沉管顺利，当穿过第③₄粉细砂土层后，可关闭控制开关5停止注入水泥浆液，继续振动直至将成孔套管1深入至20m设定深度；然后，如图1中c所示，通过吊车吊起预应力混凝土管桩8，对准成孔套管1的中心后将预应力混凝土管桩8插入至成孔套管1内；然后，如图1中d所示，在预应力混凝土管桩8的中心孔内插入直径为180mm的细长形夯锤9，提升夯锤9后自由下落将封堵底板6击离成孔套管1底端，再一边向预应力混凝土管桩8的中心孔内填入由水泥和砂拌合的填充料10，一边利用夯锤9对填充料10进行夯实挤密，在此过程中夯锤9始终不提出中心孔；然后，如图1中e所示，经反复填料夯实后测量夯锤9空打三击的贯入度，贯入度满足不大于10mm要求时，在桩底端形成由挤密的填充料10和影响土体11组成的载体；然后，如图1中f所示，利用液压卡钳夹持成孔套管1并向上提升，同时向注浆管2内高压注入水泥浆液7并打开全部控制开关5，使水泥浆液7通过竖向喷嘴3和横向喷嘴4对周围土体进行双方向喷射，使水泥浆液7填满预应力混凝土管桩7与侧壁土体之间空隙并固化地基土体；最后，如图1中g所示，持续进行上提成孔套管1和高压注浆操作，直至将成孔套管1提出地表，完成该根载体桩的施工。

工程案例2：吉林省松原市某新建生物制油项目，根据地质钻探结果，各岩土层的分布特点及物理力学性质分述如下：①素填土：黄褐色，稍湿，松散，主要成分为细砂，层厚为0.5～1.1m，为近一年内人工填土；②粉质黏土夹砂：黄褐色，可塑偏软状态，在场地局部地段发育，层厚为0.6～0.7m，属于第四系沉积相地层；③细砂夹土：黄褐色，湿-饱和，稍密-中密状态，矿物以石英、长石为主，局部含粉质黏土、粉土成分，该层在场地中普遍发育，层厚为4.4～5.4m，属于第四系冲积相地层；④中砂：褐灰色，饱和，矿物以石英、长石为主，中密状态，揭露层厚为3.1～4.3m，属于第四系冲积相地层；⑤粉质黏土夹砂：灰色，可塑状态，压缩性中等，局部夹较多粉细砂。层厚为0.4～1.2m左右，该层在场地中局部地段缺失，属于第四系沉积相地层；⑥中砂夹砾：灰色，密实状态，饱和，局部夹粗砂、砾砂，含少量砾石成分，在勘察场地范围内普遍发育，层厚为6.8～8.4m，属于第四系冲积相地层；⑦砂土互层：砂为细砂、中砂，灰色，饱和，中密状态；土为粉质粘土，灰色，可塑偏硬状态，层厚为5.1～6.8m左右；⑧粉质黏土：灰色，可塑偏硬，压缩性中-低等；该层在场地中普遍发育，揭露层厚为12.9～14.4m。勘察深度内，场区地下水属潜水类型，埋藏于第③层及以下各含水层中，稳定水位为1.6～2.2m，稳定水位标高为133.75～133.84m。

根据该工程地质条件及上部结构情况，为降低成本和满足受力要求，设计方案采用预应力管桩加载体桩基础，设计参数为：桩径600mm，桩长10m，单桩承载力特征值3000KN。桩身采用预应力管桩PHC A600（80），桩端持力层为第⑥层中砂夹砾，设定填料量为0.5m³。

具体施工方法为：首先，如图2中a所示，在桩位处，通过长螺旋钻杆12将地基中的土体取出，形成长度10m、直径500mm的桩孔；然后，如图2中b所示，将取出的土体与水与水泥、粉煤灰进行拌合形成预拌高强度水泥土13后，将预拌高强度水泥土13压灌入桩孔中，形成水泥土桩；然后，如图2中c所示，将直径为650mm、长度为11m的成孔套管1对水泥土桩中心点，成孔套管1的外壁固定有二根注浆管2，成孔套管1的底部设有分别与二根注浆管2连通的环形管，其中一根环形管上设有多个竖向喷嘴3，另一根环形管上设有多个横向喷嘴4，二根注浆管2上端均设有控制开关5，能够控制竖向喷嘴3和横向喷嘴4单独喷射或同时喷射，利用卷扬机反压成孔套管1下沉到达10m设定深度；然后，如图2中d所示，在成孔套管1内插入直径450mm的细长夯锤9，一边向成孔套管1内填入由水泥和砂拌合的填充料10，填充料10通过成孔套管1内壁和细长夯锤9外壁之间的间隙落在成孔套管1的底部，一边提升夯锤9后自由下落对填充料10进行夯实挤密，在此过程中夯锤9始终不提出成孔套管1；然后，如图2中e所示，反复上述操作直至将0.5m³的填充料全部填入并夯实完毕，在桩底端形成由挤密的填充料10和影响土体11组成的载体；然后，如图2中f所示，通过吊车吊起预应力混凝土管桩8，对准成孔套管1的中心后将预应力混凝土管桩8插入至成孔套管1内；然后，如图2中g所示，利用卷扬机向上提升成孔套管1，同时向注浆管2内高压注入水泥浆液7并打开全部控制开关5，使水泥浆液通过竖向喷嘴3和横向喷嘴4对周围土体进行双方向喷射，使水泥浆液7填满预应力混凝土管桩8与侧壁土体之间空隙并固化地基土体；然后，如图2中g所示，持续进行上提成孔套管1和高压注浆双方向喷射操作至6m深度时，将与横向喷嘴4连通的注浆管2上的控制开关5关闭，使横向喷嘴4不再喷射而竖向喷嘴3继续喷射；最后，如图2中h所示，持续进行上提成孔套管1和高压注浆单向喷射操作，直至将成孔套管1提出地表，完成该根载体桩的施工。

本案例2中，上述施工方法是通过多台施工机具进行交替流水作业完成的，即采用专门施工机具分别完成相对应的施工工序，由长螺旋钻机专门进行桩位处的取土施工，由搅拌机械专门将土体加以水、水泥后进行均匀搅拌，由运输机械专门将搅拌后水泥土灌注回桩孔中，由带有液压卡钳和振动头的设备专门将成孔套管沉入到水泥土桩中，由带有重锤的设备专门进行填料后夯击即载体的施工，由注浆设备专门进行高压注浆操作，由带有液压卡钳和提升装置的设备专利进行提出成孔套管的操作，上述每台专门施工机具完成一个桩位处的工序的专门施工后移动至下一个桩位处继续进行相同工序施工，如此交替配合流水作业，直到完成整个场区内的全部桩的施工。

工程案例3：天津市塘沽区某海上风电项目，根据地质钻探结果，各岩土层的分布特点及物理力学性质分述如下：人工填土、块石①1层：块径约20～90cm，粉砂及淤泥质土充填；粉质粘土①₂层：软塑状，高压缩性，层厚为3.80m，承载力特征值fak＝80kPa；细砂①₃层：松散～稍密状，层厚为1.40m～8.60m，承载力特征值fak＝100kPa；粉砂①₄层：松散状，局部夹细砂薄层，层厚为4.60m～9.00m，承载力特征值fak＝100kPa；淤泥质粘土②₁层：分布广泛，层厚为1.00m～13.80m，承载力特征值fak＝80kPa；粉质粘土②₂层：流塑状～软塑状，层厚一般为0.80m～5.50m，承载力特征值fak＝100kPa；粘土②₃层：软塑状，土质不均，层厚一般为1.50m～3.50m，承载力特征值fak＝100kPa；粉质粘土③₁层：流塑状～软塑状，层厚为1.00m～5.50m，承载力特征值fak＝110kPa；粉砂③₂层：松散～稍密状，层厚为1.00m～5.50m，承载力特征值fak＝160kPa；粘土③₃层：软塑状～可塑状，层厚为0.90m～8.70m，承载力特征值fak＝110kPa；粉质粘土③₄层：软塑状～可塑状，层厚为1.50m～3.80m，承载力特征值fak＝120kPa；粉砂④₁层：饱和密实状，分布广泛，该层层厚为4.50m～17.80m，承载力特征值fak＝280kPa；粉质粘土④₂层：可塑状，层厚为1.00m～6.00m，承载力特征值fak＝130kPa；粘土④₃层：可塑状，土质不均匀，层厚为1.00m～6.00m，承载力特征值fak＝120kPa；粘土⑤₁层：可塑状，层厚为5.90m～9.70m，承载力特征值fak＝120kPa；粉砂⑤₂层：层厚为3.90m～10.30m，承载力特征值fak＝290kPa；粉质粘土⑤₃层：可塑状～硬塑状，层厚为1.00m～11.50m，承载力特征值fak＝170kPa；粘土⑤₄层：可塑状，层厚为1.00m～1.08m，承载力特征值fak＝170kPa；粉土⑤₅层：密实状，层厚为2.00m～6.0m，承载力特征值fak＝230kPa。粘土⑤₆层：可塑～硬塑状，层厚为6.60m～9.30m，承载力特征值fak＝170kPa；粉砂⑥₁层：密实状，层厚为2.00m～11.0m，承载力特征值fak＝300kPa。

根据该工程地质条件及上部结构情况，设计方案采用预应力混凝土管桩基础，设计参数为：桩径800mm，桩长28m，单桩承载力特征值1100KN，桩身采用预应力管桩PHC A800（130），桩端持力层为第④1层粉砂。

具体施工方法为：首先，如图3中a所示，将直径为850mm、长度为28.5m的成孔套管1对准桩位点，成孔套管1的外壁固定有二根注浆管2，其中一根注浆管2的下端设有多个竖向喷嘴3，另一根注浆管2的下端设有多个横向喷嘴4，二根注浆管2上端均设有控制开关5，能够控制竖向喷嘴3和横向喷嘴4单独喷射或同时喷射，成孔套管1的底端带有预制桩尖6，采用液压卡钳夹持成孔套管1的上口，通过液压卡钳上端的振动锤的振动并下压，使成孔套管1逐渐在地基土体中沉入；然后，如图3中b所示，当成孔套管1的底端进入到第①₄层粉砂土层时，由于土层较硬且越振动越密实，因此沉管过程困难，此时向注浆管2内高压注入水泥浆液7并打开全部控制开关5，使水泥浆液通过竖向喷嘴3和横向喷嘴4对周围土体进行双方向喷射，冲击并润滑土体使沉管顺利，当穿过第①₄层粉砂土层后，可关闭控制开关5停止注入水泥浆液7，继续振动并下压使成孔套管1在土体中沉入；然后，如图3中c所示，当成孔套管1的底端进入到第③₂层粉砂土层时，再次遇到沉管困难情况，但由于该层土体较薄，此时仅向设有竖向喷嘴3的那一根注浆管2内高压注入水泥浆液7并打开控制开关5，使水泥浆液7通过竖向喷嘴3对周围土体进行竖向喷射，冲击并润滑土体使沉管顺利，当穿过第③₂层粉砂土层后，可关闭控制开关5停止注入水泥浆液7，继续振动并下压使成孔套管1在土体中沉入深入至28m设定深度；然后，如图3中d所示，通过吊车吊起预应力混凝土管桩8，对准成孔套管1的中心后将预应力混凝土管桩8插入至成孔套管1内；然后，如图3中e所示，利用液压卡钳夹持成孔套管1并向上提升，同时向注浆管2内高压注入水泥浆液7并打开全部控制开关5，使水泥浆液7通过竖向喷嘴3和横向喷嘴4对周围土体进行双方向喷射，使水泥浆液7填满预应力混凝土管桩7与侧壁土体之间空隙并固化地基土体；最后，如图3中f所示，持续进行上提成孔套管1和高压注浆操作，直至将成孔套管1提出地表，完成该根预应力混凝土管桩的施工。