专利名称：非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑基础用的承重桩，具体地说是用于拟建场地内浅部有较厚密实砂层，桩基设计选用持力层在砂层以下，对预应力管桩或预制桩施工沉桩时，涉及的一种非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺。
背景技术：
随着城市建设的迅猛发展，可用于建设的土地资源越来越少，因此房屋建筑向高层发展，各种高层及超高层建筑成为当前建设的主导。对于高层及超高层建筑的基础工程，基础承载力的要求越来越高，建筑物沉降变形要求也越来越高。为满足承载力及变形要求，设计往往采用深长桩基础。
预制桩及高强预应力混凝土管桩因其工厂化批量生产供应，具有单桩承载力高，桩身质量易控制保证，施工质量易控制，施工周期短，尤其静力压桩工艺具有施工噪声小的特点，得到广泛应用。基础设计时为满足单桩承载力的要求及建筑物变形要求，桩身往往需穿越较厚的密实砂层后至设计的桩端持力层，但由于密实砂层的存在，设计时往往考虑砂层内的沉桩困难，目前施工中还没有办法采用预制桩及高强预应力混凝土管桩进行沉桩，这是因为在对预制桩及高强预应力混凝土管桩进行沉桩的施工过程中产生的挤土作用和超孔隙水压力作用，使压桩过程中产生较大的压桩反力，反力过大时易产生爆桩或断桩现象而导致土建基础的隐蔽工程达不到质量要求。因此桩基选型时往往采用传统的造价昂贵、施工质量控制相对复杂的钻孔灌注桩，即钻孔后现浇桩，由于造价昂贵、施工质量控制相对复杂，且工期长，极大地影响了工程施工的进度。
而预钻孔沉桩，孔径约比桩径(或方桩对角线)小于50-100毫米，深度视桩距和土的密实度、渗透性而定，深度宜为桩长的1/3-1/2，一般要求桩机宜具备钻孔沉桩双重性能。传统的取土引孔主要解决施工过程中产生的挤土作用和超孔隙水压力作用，但在密实砂层取土后成孔困难，尤其是砂层固有的特性决定了取土后不成孔的事实，不能真正解决沉桩反力大的问题。
专利公开号CN1262252A，发明名称水泥土硬芯复合桩及其施工方法，据说适合于软土地区使用，在完成水泥土施工的桩位进行沉桩施工，具有工效快的优点。但申请人阅读其专利说明书内容，认为本领域的一般技术人员没有办法按照其公开内容实施其水泥土硬芯复合桩及其施工方法，显然该专利申请不具有实用性，没有办法再现，故不具有利用三废、提高桩身强度、提高工效的优点。从根本上来讲也没有在采用预应力管桩或预制桩施工沉桩时解决沉桩反力大的问题。
发明内容
针对上述存在的技术缺陷，本发明的目的是提出了一种确保工程质量、降低工程造价的非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺。
为了解决沉桩反力大和造价昂贵的问题，本发明的工作原理是在设计桩位采用机械搅拌将土体切割，同时将水泥与膨润土配制的浆液通过输浆泵压入土体，形成具有一定流塑性浆土混合体，然后将管桩压至设计标高。因砂层颗粒与浆液拌合后，浆液中的膨润土在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性、触变性和润滑性，同时膨润土和水、泥或砂等的掺合物有粘结性和可塑性，使管桩施工时不因砂层的挤密和超孔隙水压力产生过大的压桩反力；当管桩施工结束后，随着水泥的固结硬化，桩周搅拌的土体强度超过原土体强度，桩周摩阻力达到甚至超过原状土的摩阻力。
本发明的具体技术方案是一种非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺，该工艺施工流程为A.桩位测放根据设计图测放桩位，将每根桩位用竹签打入地下做好标志；B.引孔施工采用SMW工法机或深层搅拌机进行机械切削搅拌，同时将以P.032.5普通硅盐酸水泥及膨润土为主要组成成份的浆液与土体强制搅拌。在钻机施工钻进过程中，供浆应保持连续均匀；浆液制作时水泥按土重量的10-12％掺入量，膨润土按土重量的12～15％掺入量，并在浆液中加入适量的减水剂木质素磺酸钙0.2％(水泥用量的0.2％)，缓凝剂石膏2％(水泥用量的2％)，水灰比按0.6～0.8；引孔孔径应比管桩桩径大100～200毫米；同时钻机对粘性土层下沉或提升速度控制在1.2～1.5米/分，对砂性土控制在0.8米/分以内。
C.沉桩施工引孔机械移位，压桩机就位，起吊管桩；沉桩即将桩插入土层，插入土层时的垂直度偏差不得超过0.5％；对于长桩需采用分段施工，桩接头之间用电焊接桩。
本发明工艺是在室外建筑场地进行，在常温环境下操作。上述普通硅盐酸水泥为P.032.5及以上的合格普通硅酸盐水泥(工艺实施例采用苏州南新水泥厂)，膨润土为土木工程泥浆用膨润土(API标准)，本工艺实施例用膨润土为南京汤山膨润土厂生产的200目钙质膨润土。引孔机械为SMW工法机或大动力的深层搅拌机械，工艺实施例采用宜兴市周铁镇聚杰基础工程机械厂生产的SJB-II型深层搅拌机，压桩机工艺实施例采用吴江良工机械有限公司生产的YZY600静压桩机。工艺实施例PHC管桩(或金属桩)为苏州市永固管桩制造有限公司的产品。
本发明的优点1、在引孔施工中按一定比例加入水泥、膨润土，利用膨润土和水、泥或砂等的掺合物有粘结性和可塑性；水泥作为一种固化剂，经搅拌后与土体经一系列的物理一化学反应，硬结后形成具有整体性、水稳性和一定强度的复合土体。引孔范围内的土体，因水泥及膨润土组成的浆液掺入，具有一定的粘滞性、触变性和润滑性，使压桩时的压桩反力明显减小，从而解决较厚密实砂层内的沉桩问题。
2、引孔直径只要根据管桩直径进行控制比管桩大100～200mm，因为砂层中如施工桩径较管桩小，效果同一般的取土引孔工艺，管桩压入时由于砂层一般摇震反应明显，挤压后仍有较大的超孔隙水压力产生；桩径过大，存在管桩施工时易产生桩身倾斜或桩位偏差较大的质量问题。
3、为了确保引孔施工时桩土经切割搅拌的均匀性，严密控制施工时提升或下沉速度，钻机对粘性土层下沉或提升速度控制在1.2～1.5米/分，对砂性土控制在0.8米/分以内。固化剂的控制是控制桩周土体在固结后的强度，确保管桩桩侧摩阻力大于等于原土体提供的摩阻力。
4、机械设备选用SMW工法机械或大动力的深层搅拌机械，只要求施工机械能提供足够的动力，确保在硬塑或坚硬的粘土层、密实粉层能搅拌成功。
5、采用本工艺压桩施工，同时可解决挤土问题。对桩基施工场地周边存在对变形要求较高的建(构)筑物时，本工艺施工开口管桩跟土长度达管桩的三分之二以上，可以明显减小或不产生挤土效应。
综上所述，通过本发明工艺的实施，可解决沉桩反力大，确保工程质量，明显降低工程造价的作用。
为方便理解，下面结合附图对本发明作更进一步的描述。
附图为本发明一个实施例的现场操作示意图。
具体实施例方式
实施例一从附图中可以看出，一种非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺，该工艺步骤是A.桩位测放根据设计图纸测放桩位，每根桩位用长为20厘米、宽为1-1.5厘米的竹签打入地下，在竹签暴露地面的顶部涂好漆，并和地表面平，以免人员走动或桩机移位时破坏或移位。为复核测量之便，应根据轴线布设一定的控制点并用水泥砂浆做好保护；B.引孔施工采用SMW工法机或大动力的深层搅拌机械，在桩位处进行引孔施工。引孔深度根据砂层埋深确定，要求引孔深度必须穿过砂层。引孔搅拌时浆液采用P032.5普通硅盐酸水泥及膨润土为主要组成成份，在钻机施工钻进过程中，供浆应保持连续均匀，水泥按土重量的10～12％掺入，膨润土按土重量的12～15％掺入；引孔时根据工程特点加入适量(水泥用量的0.2％)的减水剂木质素磺酸钙；钻机须绝对控制垂直度，钻机就位后在机架上设一线锤，线长不小于2米，垂直度偏差控制在1.5％以内，以免引孔的垂直度问题而影响最后压桩的桩身垂直度，钻机的引孔孔径应比管桩桩径大100～200毫米；同时钻机下沉或提升速度对粘性土层控制在1.2～1.5米/分，对砂性土控制在0.8米/分以内；C.沉桩施工钻机移位，压桩机就位，起吊管桩；沉桩即将桩插入引孔孔径的浆液组成成份的土层里，插入该土层时的垂直度偏差不得超过0.5％；压桩机工作，打压管桩上方的端头，使管桩的桩身逐渐直至完全进入土层中；对于长桩需采用分段施工，桩接头之间用电焊接桩。
实施例二从附图中可以看出，一种非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺，该工艺步骤是A.桩位测放根据设计图测放桩位，每根桩位用长为20厘米、宽为1厘米的竹签打入地下，在竹签暴露地面的顶部涂好漆，并和地表面平，以免人员走动时破坏或移位，为复核测量之便，滑轴线每隔1米做中心轴线控制点并用水泥砂浆做好保护；
B.引孔施工采用大动力的深层搅拌机械，采用P032.5普通硅盐酸水泥及膨润土为浆液的组成成份，在钻机施工钻进过程中，供浆应保持连续均匀，水泥按土重量的10％掺入，膨润土按土重量的12％掺入；施工时为夏季，加入水泥用量2％的缓凝剂石膏；钻机须绝对控制垂直度，钻机就位后在机架上设一线锤，线长不小于2米，垂直度偏差控制在1.5％以内，以免引孔的垂直度问题而影响最后压桩的桩身垂直度，钻机的引孔孔径应比管桩桩径大100毫米；同时钻机下沉或提升速度对粘性土层控制在1.2米/分；C.沉桩施工钻机移位，压桩机就位，起吊管桩；沉桩即将桩插入引孔孔径的浆液组成成份的土层里，插入该土层时的垂直度偏差不得超过0.5％；压桩机工作，打压管桩上方的端头，使管桩的桩身逐渐直至完全进入土层中；对于长桩需采用分段施工，桩接头之间用电焊接桩。
实施例三从附图中可以看出，一种非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺，该工艺步骤是A.桩位测放根据设计图测放桩位，每根桩位用长为20厘米、宽为1.5厘米的竹签打入地下，在竹签暴露地面的顶部涂好漆，并和地表面平，以免人员走动时破坏或移位，为复核测量之便，沿轴线交点做中心轴线控制点并用水泥砂浆做好保护；B.引孔施工采用大动力的深层搅拌机械采用P032.5普通硅盐酸水泥及膨润土为浆液的组成成份，在钻机施工钻进过程中，供浆应保持连续均匀，水泥按土重量的12％掺入，膨润土用不小于200目的钙质膨润土，按土重量的15％掺入；钻机须绝对控制垂直度，钻机就位后在机架上设一线锤，线长不小于2米，垂直度偏差控制在1.5％以内，以免引孔的垂直度问题而影响最后压桩的桩身垂直度，钻机的引孔孔径应比管桩桩径大200毫米；同时钻机下沉或提升速度对砂性土控制在0.8米/分以内；
C.沉桩施工钻机移位，压桩机就位，起吊管桩；沉桩即将桩插入引孔孔径的浆液组成成份的土层里，插入该土层时的垂直度偏差不得超过0.5％；压桩机工作，夹桩器抱住管桩侧壁，使管桩的桩身逐渐直至完全进入土层中；对于长桩需采用分段施工，桩接头之间用电焊接桩。
实施例四苏州金河雅苑在拟建场地内主要有4幢拟建建筑物，为18-32层的高层住宅楼，另有一层商业用房和2层会所，还设置一座大型的地下车库，总建筑面积约106170平方米。
场地工程地质情况①素填土，以黄色素填土为主，局部夹三合土较多，因受回填及开挖影响，拟建场地内填土均较深，土质不均匀。层厚0.80～3.80，层面标高4.41～3.11.
④b粉质粘土，褐黄～青色，硬塑～可塑，含氧化铁斑点，局部夹粘土，土质尚均匀。层厚2.80～6.90，层面标高2.71～-0.04.
④c粉土，草黄色，很湿，中密，含云母屑及氧化铁斑点，局部夹粉砂，土质尚均匀。层厚1.00～3.30，层面标高-2.39～-4.46⑤b粉砂，灰色，饱和，中密～密实，含云母屑、石英等矿物，局部夹粉土，土质尚均匀。层厚9.90～15.00，层面标高-4.69～-6.79⑥b1粉土夹粉质粘土，灰色，湿，稍密～中密，含云母屑，局部夹粉质粘土，粉质粘土呈可塑状，土质不均匀。层厚3.10～24.50，层面标高-15.44～-20.89。
⑥b2粉质粘土夹粉土，灰色，湿，软塑～可塑，夹薄层状粉土，局部呈粘土，土质不均匀。层厚3.00～22.00，层面标高-20.44～-41.69⑥b3粉土，灰色，湿，中密～密实，含云母屑、石英等矿物，局部为粉砂，夹薄层粘性土，土质不均匀。该层呈透镜体状出现。层厚4.00～17.00，层面标高-27.67～-37.64。
⑨a1粉质粘土夹粉土，灰色，湿，软塑～可塑，局部夹薄层粉土，局部呈粘土，土质不均匀。层厚3.00～20.00，层面标高-35.34～-49.41。
⑨a2粉质粘土，灰绿色，稍湿，可塑，夹少量薄层粉性土，土质尚均匀。层厚2.70～11.70，层面标高-50.25～-57.69⑨b粉砂，灰色，饱和，密实，含云母屑、石英等矿物，局部夹细砂，土质尚均匀。层厚3.00～9.40，层面标高-57.09～-62.33。
⑩粉质粘土，灰色，湿，可塑，夹少量粉性土，土质尚均匀。层厚6.50～9.30，层面标高-64.39～-67.79。
(12)粉质粘土，灰绿色，稍湿，可塑～硬塑，夹少量粉性土，土质尚均匀。层厚4.00，层面标高-72.49～-73.76。
因场地内土质截面中有一层厚在9.9～15.00米的中密—密实的灰色粉砂层，其顶板埋深黄海标高-4.69～-6.79。原设计考虑粉砂层沉桩困难，拟采用传统的钻孔灌注桩为基础，工程造价3400万元，申请人经与业主、设计协商后采用本发明工艺，包括引孔措施费，工程造价约为1400万元。操作步骤是A.桩位测放根据设计图测放桩位，每根桩位用长为20厘米、宽为1.25厘米的竹签打入地下，在竹签暴露地面的顶部涂好漆，并和地表面平，以免人员走动时破坏或移位，为复核测量之便，沿轴线每隔5米做中心轴线控制点并用水泥砂浆做好保护；B.引孔施工采用SMW工法机将桩位处的原状土体经机械搅拌后，将P032.5普通硅盐酸水泥及膨润土为浆液的组成成份制作的浆液与土体均匀搅拌成具一定流塑性的混合体。水泥按土重量的11％掺入，膨润土按土重量的15％掺入；因本工程桩身承载力较大，为确保水泥土的强度，浆液水灰比采用0.8，并在浆液中掺入水泥用量0.2％的减水剂木质素磺酸钙；搅拌浆液应严格按配合比进行称重配料，投料顺序为水—水泥—膨润土—木质素磺酸钙，水灰比为0.6～0.8.当浆液充分拌和后可暂停机，并间歇性开机搅动，为使输浆工作连续进行，要有一定量的浆液储存在浆池里，储存的浆液要经常搅动，以防凝结或泌水等。钻机须绝对控制垂直度，钻机就位后在机架上设一线锤，线长不小于2米，垂直度偏差控制在1％，以免引孔的垂直度问题而影响最后压桩的桩身垂直度，钻机的引孔孔径应比管桩桩径大150毫米；同时钻机下沉或提升速度对粘性土层控制在1.35米/分，对砂性土控制在0.6米/分；C.沉桩施工引孔结束后立即将SMW工法机移位，压桩机就位，起吊管桩；沉桩即将设计的管桩插入引孔孔径的浆液组成成份的土层里，插入该土层时的垂直度偏差不得超过0.5％；压桩机工作，以压桩机自重和机架上的配重提供反力而将桩压入土中，使管桩的桩身逐渐直至完全进入土层中；本工程设计采用四节桩，桩接头之间用电焊接桩。
上述经苏州质量检测中心及南京紫金科技检测中心分别进行静载荷试验，单桩承载力特征值均满足设计要求，一共完成947根工程桩的施工。
实施例五苏州财富中心拟建建筑物包括1幢18层住宅楼，1幢18层办公楼，及1幢4层裙楼，并设有二层地下室和半地下车库。
场地工程地质情况①1杂填土黄褐～灰褐，色杂，松散，以粘性土为主，局部地段上部含较多的碎石、碎砖等垃圾，土质不均，属近代人工堆积物。层厚0.6～2.3m，层底标高0.46～2.09m。该层压缩性高，场地内均有分布，工程性能差。
①2淤泥质粉质粘土灰色，流塑，含腐植物和少量有机质，夹少量碎石。该土层场地内均有分布，层厚0.4～2.8m，层底标高-1.04～1.07m，系高压缩性、低强度土层，工程性能差。
③1粘土黄褐色～灰黄色，硬塑，均质致密，含铁锰质结核，夹青灰色条纹。无摇振反应，刀切面具油脂光泽，干强度高，韧性高。该土层场地内均有分布，层厚1.9～3.8m，层底标高-3.14～1.93m，系中等压缩性、中等强度土层，工程性能良好。
③2粉质粘土可塑，底部粉粒含量较高呈流塑状，含铁锰质斑点，局部夹灰绿色条带，中下部夹有薄层粉土。无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度中等，系中等压缩性、中等强度土层，工程性能中等。
④1粉土灰黄～灰色，稍密，很湿，夹较多层薄层粉质粘土，底部夹粉砂，摇振反应迅速，刀切面无光泽，干强度低，韧性低。该土层场地内均有分布，厚度2.4～4.8m，层底标高-9.47～-7.75m，系中等压缩性、中等强度土层，工程性能中等。
④2粉砂灰色，密实，饱和，偶夹薄层粉质粘土，矿物成份以石英、长石为主，云母次之。颗粒大小较均匀，分选性好，级配差。该土层场地内均有分布，层厚5.0～7.7m，层底标高-15.58～-14.47m，系中低压缩性、中等强度土层，工程性能良好。
⑤粉质粘土灰色，软塑，局部流塑，少见腐植质及浅灰色泥质结核，含少量贝壳碎片，本层下部夹薄层粉土。无摇振反应，刀切面稍有光泽，干强度、韧性中等。该土层场地内均有分布，层厚5.0～6.0m，层底标高-20.71～-19.87m，系中等压缩性、中等强度土层，工程性能一般。
根据建筑物荷载情况，可以采用的桩型为钻孔灌注桩和预应力管桩二种，在桩长、桩数相同、承载力相等的情况下，按有效桩长17.5米计算，钻孔灌注桩单桩的造价约6800元，预应力管桩单桩的造价约3600元。按总桩数300根计算桩基工程预应力管桩比钻孔桩节省约96万元。
本发明非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺的操作步骤是A.桩位测放根据设计图测放桩位，每根桩位用长为20厘米、宽为1-1.5厘米的竹签打入地下，在竹签暴露地面的顶部涂好漆，并和地表面平，以免人员走动时破坏或移位，为复核测量之便，每隔一定距离设控制点并用水泥砂浆做好保护；B.引孔施工采用采用深层搅拌机将桩位处的原状土体经机械搅拌后，将P032.5普通硅盐酸水泥及膨润土为浆液的组成成份制作的浆液与土体均匀搅拌成具一定流塑性的混合体。在钻机施工钻进过程中，供浆应保持连续均匀，水泥按土重量的12％掺入，膨润土按土重量的14％掺入，施工时为便于搅拌桩机施工后压桩，在浆液中掺入水泥用量2％的石膏；钻机须绝对控制垂直度，钻机就位后在机架上设一线锤，线长不小于2米，垂直度偏差控制在1.5％以内，以免引孔的垂直度问题而影响最后压桩的桩身垂直度，钻机的引孔孔径应比管桩桩径大100毫米；同时钻机下沉或提升速度对粘性土层控制在1.2～1.5米/分，对砂性土控制在0.8米/分以内；钻进过程中应控制电流值不大于额定电流值。
C.沉桩施工钻机移位，压桩机就位，起吊管桩；沉桩即将桩插入引孔孔径的浆液组成成份的土层里，插入该土层时的垂直度偏差不得超过0.5％；压桩机工作，打压管桩上方的端头，使管桩的桩身逐渐直至完全进入土层中；本工程设计桩长为24米，分二节施工，桩接头之间用电焊接桩。引孔后，压桩力最大值仅3380KN终压值最大为2100KN。
试桩施工结束后，经苏州新新土木检测有限责任公司进行静载荷试验，单桩承载力极限值大于4800KN。
权利要求
1.一种非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺，其特征在于该操作步骤为A.桩位测放根据设计图测放桩位，将每根桩位用竹签打入地下做好标志；B.引孔施工采用SMW工法机或深层搅拌机进行机械切削搅拌，同时将以P.032.5普通硅盐酸水泥及膨润土为主要组成成份的浆液与土体强制搅拌；在钻机施工钻进过程中，供浆应保持连续均匀；浆液制作时水泥按土重量的10-12％掺入量，膨润土按土重量的12～15％掺入量，并在浆液中加入适量的减水剂木质素磺酸钙0.2％，缓凝剂石膏2％，水灰比按0.6～0.8；引孔孔径应比管桩桩径大100～200毫米；同时钻机对粘性土层下沉或提升速度控制在1.2-1.5米/分，对砂性土控制在0.8米/分以内。C.沉桩施工引孔机械移位，压桩机就位，起吊管桩；沉桩即将桩插入土层，插入土层时的垂直度偏差不得超过0.5％；对于长桩需采用分段施工，桩接头之间用电焊接桩。
2.根据权利要求1所述的非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺，其特征在于引孔钻进时，为确保密实砂层能达到预期效果，浆液配制时，应掺入14％膨润土，使浆液与砂层搅拌时能形成不离析的浆土混合体。
全文摘要
本发明向人们公开了一种确保工程质量、降低工程造价的非取土引孔预应力管桩或预制方桩沉桩工艺；其工艺要点，采用P032.5普通硅盐酸水泥及膨润土为浆液的组成成分，在搅拌施工钻进过程中，供浆应保持连续均匀，水泥按土重量的10－12％掺入，膨润土按土重量的12－15％掺入；引孔孔径应比管桩桩径大100－200毫米；应用膨润土在水介质中能分散呈有一定的粘滞性、触变性和润滑性胶体悬浮液，使沉桩时产生较小的压桩反力；随着浆液中水泥的固结硬化，桩周搅拌的土体强度超过原土体强度，桩周摩阻力达到甚至超过原状土的摩阻力，确保桩基承载力满足设计要求。本发明应用于拟建场地内浅部有较厚密实砂层，桩基持力层在砂层以下，对预应力管桩或预制桩施工需沉桩时。
文档编号E02D5/22GK1718937SQ20051004113
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月22日 优先权日2005年7月22日
发明者施鸣升, 周建明, 沈明岗, 华菁 申请人:苏州市能工基础工程有限责任公司