专利名称：沉管扩底灌注桩施工方法
技术领域：
本发明涉及建筑基础施工中就地灌注混凝土桩中的一种沉管扩底灌注桩的施工方法。
背景技术：
作为建筑基础的混凝土桩的施工方法可分为预制混凝土桩和就地灌注混凝土桩两大类施工方法。其中就地灌注混凝土桩的施工方法种类繁多，针对不同的地层条件研制了多种多样的施工设备和施工工艺。桩身成孔工艺有钻孔、冲孔、挖孔、螺旋成孔和沉管成孔等多种。
为了增加桩端承载力，常常在桩端扩底形成扩大头。扩底工艺有钻扩、爆扩、压扩、夯扩、注扩及挖扩等多种类型。其中沉管扩底灌注桩的施工方法是将桩管沉入到土层内设计标高后，在桩管内投入碎石、卵石，和/或干硬性混凝土等固体填料夯击出桩管底端形成扩大的端头部，再在其上浇筑桩身后成桩。该法的优点是(1)成孔时孔壁有桩管保护，不会产生坍孔；(2)能在地下水位以上和以下的土层内成孔，适用范围较广；(3)沉管施工中能对松软地层有挤密作用，可增加桩侧摩阻力，再加上扩底，使桩的承载力有较大幅度提高；(4)沉管力作用在桩管顶部的沉管方式与预制桩的成桩方式相同，用于预制桩的施工设备稍加改进就可使用。因此沉管扩底灌注桩在国内外均获得了广泛应用。
根据沉管力的作用位置不同，沉管扩底灌注桩的施工可分为在桩管顶部用锤击、振动等方式进行沉管的顶击式沉管法，和在管内夯击进行沉管的内击式沉管法两类。
在顶击式沉管法中又有单桩管和双管(外管为桩管，内管为芯管)两种形式。采用单桩管施工时，桩管底部用桩靴(由钢、铸铁或预制钢筋混凝土制造)封底，在达到设计深度后在桩管内投入混凝土，用内夯锤夯击出管底，在桩端形成扩大头后浇筑桩身。采用双管施工时，外桩管的底部有带桩靴和不带桩靴的两种(1)带桩靴施工时，在达到设计深度后，拨出芯管，在桩管内投入一定量的混凝土，顶部锤击芯管将混凝土挤出外桩管底端形成扩大头后浇筑桩身。如目前的打孔灌注桩(日本)、西方扩底桩(WesternPedestal Pile)、Vibro桩、Simplex桩，Delta桩、Alpha桩等，其工艺和设备大同小异。(2)不带桩靴施工时，芯管缩进外管内一定距离，以夯密的干混凝土代替桩靴封底止淤，将桩管和芯管共同打入至设计标高后将芯管抽出，灌入混凝土，放入芯管，顶部锤击芯管将混凝土击出外管底形成扩大头后浇筑桩身。因该法施工不用桩靴，故可减少制桩成本，为我国浙江省有关单位研制，称为中国式的夯扩桩。上述沉管方式，无论是采用单管法还是双管法施工、带桩靴或不带桩靴施工，由于沉管力都是作用在管顶，即在管顶进行锤击，因此振动和噪声大，不利于环境保护。此外，其管顶锤击的沉管力需使桩管同时克服沉管过程中的管侧面阻力和端部阻力后才能沉入，因此当遇硬夹层时，桩管较难沉入，其应用受到一定限制。
内击式沉管法均采用单桩管施工，又可有两种不同的沉管方式。一种是福兰克(Franki)成桩法，即先在桩管内放入一定量的碎石或干硬性混凝土，由内部落锤夯击管内的碎石或干硬性混凝土柱塞，靠柱塞与管壁间的摩擦力将桩管沉入土内，达到设计深度后固定住桩管将柱塞击出，再投入一定量混凝土，夯击形成扩大头后浇筑桩身。施工时因在管内夯击，振动与噪声比上述在管顶锤击的施工法要小得多，但同样存在沉管时必须同时克服侧阻和端阻才能沉入，因此遇硬夹层时桩管较难沉入；此外，其贯入力取决于柱塞与管壁间的摩擦力，管内放入碎石或干硬性混凝土量较难控制等问题。另一种是中国专利号98101041.5、98101332.5、99100566.X和00106288.3等披露的方法，即由管内细长夯锤夯出管底一定深度后压入桩管，不断重复此过程，在达到设计深度后投入固体填料，用锤夯击成填料扩大头，再投入干硬性混凝土后夯击形成所谓的复合载体扩大头。由于该法施工中夯锤的夯击能量大，夯击形成的扩大头比其它扩底桩大，扩大头下部的土层可以得到有效挤密，因而其单桩承载力较高，同时由于该法先在管底夯击成孔后再压入桩管，端阻力和管侧阻力系分别克服，因而沉入硬夹层的能力大。但在软弱土层内沉管时，上述夯孔和压管的交替施工法的效力较低。为提高工效，已有采用在管顶装振动锤，直接将桩管振入至设计标高后再进行复合载体施工，而此方式已与上述单桩管顶击式沉管法施工类似。同时，该施工方法在遇到粘性较大的土层时，由于土粘附在夯锤表面，不仅拔锤困难，而且在锤击时不能达到自由落锤，使锤击力大为减弱，沉管速度较低，并且泥土从管内向外飞溅的现象严重；而在地下水比较丰富、透水性较好的地层内施工时，水锤效应将使锤击力减弱，水也会从管内飞溅出来，影响周围环境；当遇到硬塑至坚硬的粘性土地层时，夯锤又难以挤开土层，在卵石层内施工时桩管难以压入，因而不仅沉管速度较慢甚至不能沉管。另一方面，在挤土效应较严重的土层内施工时，还会出现断桩、缩颈和吊脚等质量问题。
发明内容
针对上述情况，本发明将提供一种在此基础上改进的沉管扩底灌注桩的施工方法，使其既能克服上述各种施工方法的缺点，又能集中其优点，扬长避短，具有噪音小，沉管能力强，适应土层范围广等优点。
本发明的沉管扩底灌注桩施工方法的基本过程，同样是将桩管沉入土层内至设计深度后，在桩管内装入包括干硬性混凝土在内的固体填料并将其夯击出桩管底端外形成扩大端头，再在其上灌注混凝土或钢筋混凝土桩身。其特点是用双管内击方式将桩管沉入土层内至设计深度。即，采用在贯通的外桩管内间隙配合有一根底端封闭且长度大于外桩管的内夯管所构成的双管式结构，并在内外两管的管顶分别设置有能相互配合的限位结构，以用细长锤(质量通常为3500～5000kg)在内夯管内夯击其底部的双管内击方式所产生的夯击力带动外桩管沉入土层内至设计深度。然后即可按目前已有的方式在桩管内装入碎石、卵石和/或干硬性混凝土等固体填料并夯击出桩管底端外进行扩大头的施工。
本发明的上述施工方法中，进行沉管时所用双管中的内夯管的底端封闭结构，特别是与土层接触的底端部分，根据施工需要可以为锥形底外端头形式，也可以为平底外端头形式。采用锥形底时，桩管贯入土层的能力强；采用平底时，特别是在扩大头施工中对固体填料的夯击效果更为理想。为方便不同的施工需要，所说该内夯管的底端封闭结构可以采用能拆装、更换的组合式结构。
沉管时以细长锤在内夯管内夯击其底部时，为避免夯锤直接夯击其底端封闭结构所带来的不利，减少管端构件内的夯击应力和噪音，在内夯管内可以预先装入一些粗砂、碎石等填充物后，再以细长锤夯击进行沉管作业。
采用上述的双管内击式施工方法时，根据施工场地土层的不同情况可以有不同的沉管方式可供选择。
例如，在软弱土层中沉管施工时，可以采用内外两管同步沉入的方式进行，即夯击内夯管使其先进入土层内至两管管顶的限位结构进入配合状态，继续夯击内夯管并由其带动外桩管，使两管同时沉入土层内。
由于采用桩基的大多数场地都是由于上部土层较软弱，不能采用天然地基上的浅基础，需要通过桩将上部结构荷载传至下部较好的土层中，因此内外管同步沉入方式是该法施工中最基本的沉管方式。
在较硬土层中沉管施工时，可以采用内外管交替沉入方式进行，即夯击内夯管使其先进入土层内至两管顶部的限位结构进入配合状态后，提起内夯管，在两管的限位结构间置入一个长度不大于内外两管间长度差的传力结构件，继续夯击内夯管并通过两管间的限位结构及其间的传力结构件，带动外桩管同时沉入一个不大于该传力结构件长度的深度，然后撤除该传力件，继续夯击内夯管再使其单独下沉，使两管间的限位结构再次进入配合状态并重复上述操作，使两管以交替方式沉入土层。
采用上述内外管交替沉入方式操作时，由于内夯管的长度大于外桩管，因此内夯管先夯入土层内时所需克服的主要为端阻力；而提起内夯管并置入传力结构件后，再由内夯管带动外桩管夯入时，所需克服的则主要为外桩管的侧阻力。通过内外两管的交替沉入，即可将沉管时所必须克服的端阻力和侧阻力分解并分别克服，解决了在较硬地层中沉管阻力大难以沉管的问题，可以大大提高在较硬土层中的沉管速度。
实现上述内外管交替沉入时，需使用所说的该传力结构件。试验显示，所使用的该传力结构件的轴向长度应不大于内夯管与外桩管间长度差，并且以采用等于内外两管间长度差的长度为佳先期内夯管克服端阻力的沉入深度，与后期外桩管克服侧阻力的沉入深度相等，均为内外两管的长度差，以达到高效率。
在硬塑至坚硬土层中沉管施工时，可以采用外管取土沉入方式进行，即先在内外两管的限位结构间置入一个长度大于其长度差的传力结构件，从而使内夯管的底端缩进外桩管管底内。夯击内夯管并通过两管限位结构及其间的传力结构件带动外桩管切入土层内一个不大于内夯管缩进长度的深度后，将内外两管同时提出地面，撤除传力结构件后，通过夯击内夯管将外桩管底端内的存土击出并移走，再提起内夯管重新置入传力结构件，于原桩孔处重复上述使外桩管切入土层内和击出并移走外桩管底端内存土的操作，使外桩管逐步沉入土层。
上述外管取土沉入方式过程中将外桩管底端内的存土击出并移走可以有多种不同的方法。例如，可以将同时提出地面的内外两管置于推入的小车等运输设备之上，在撤除传力结构件后，通过夯击内夯管使外桩管底端内的存土击落于小车内即可被运走。
上述的外管取土沉入方式中同样也需使用相应的传力结构件，并且该传力结构件的长度应大于内外两管间的长度差，否则将难以将外桩管底端内的存土击出。试验显示，该传力结构件的长度以采用为内外两管间长度差的两倍为好。其结构形式除可以采用一个轴向长度为内夯管与外桩管的长度差两倍的整体结构件外，特别以采用由两个轴向长度相同且分别等于内外两管间长度差的组合形式为佳，既方便施工操作，且效率高。
在硬塑至坚硬土层中沉管施工时，采用上述的外管取土沉入方式，既能有效地解决在坚硬地层内不能沉管的问题，又可以消除或减少因挤土效应产生的断桩、缩颈和吊脚的质量问题。
根据施工场地的土层实际情况，上述不同方式的沉管操作既可以单独采用，也可以相互配合使用，以达到理想的沉管效果。
本发明的上述双管内击式沉管扩底灌注桩的施工方法，与沉管力作用在管顶的顶击式双管法相比，不仅施工时噪音小，而且因其在施工中可以针对桩管在沉入过程中土层的软硬情况不同分别采用不同的施工操作方式沉管，因此其沉管的能力要比双管顶击式沉管法强，适应土层范围更广。
本发明施工法中内夯管的沉入方式也明显不同于福兰克桩施工法中桩管的沉入方式。福兰克桩施工方法中内夯锤的夯击力必须要使单桩管同时克服端阻和侧阻后才能沉入，因而其沉入硬层的能力弱。本发明的施工方法采用的是双管结构，从而在沉入硬层时可以采用使沉管时必须克服的端阻力和侧阻力能被分别克服的内外管交替沉入或外管取土的操作方式进行，从而显著增加了桩管沉入硬土层的能力。
与采用单管内击式的复合载体夯扩桩施工法相比，本发明的施工法的下述优点是显而易见的(1)本发明施工法中夯锤夯击内夯管使其沉入土层内时，夯锤并不直接接触土层，夯锤上不会沾土，因而对于一定落高，夯击能量绐终保持不变，拔锤力不增大，而且管底的土、水等不会溅出管外。而在目前的复合载体夯扩桩施工法中，夯锤直接夯击土层，在潮湿的粘性土层内夯入时，粘性土粘附在夯锤表面，既增加了拔锤时的阻力，又减弱了落锤时的夯击能量，此外锤击时，管内水、土向外飞溅严重，使工作环境条件恶化和不利于环保要求。(2)本发明的施工法中外管是靠夯击力夯入，沉入能量大，桩管较易沉入。而复合载体夯扩桩施工法中桩管的沉入是靠副卷扬机的静压力压入，因而沉入能量较小，在卵石层内施工时桩管难以沉入。(3)本发明的施工法可以有针对性地根据软硬不同的土层采用相应的沉管操作方式，因而沉管能力强，适用土层广，施工速度快。而复合载体夯扩桩施工法中只能采用夯入与压管交替的方式沉入，因此施工方式单一，沉管速度慢，适用土层有局限性。(4)复合载体夯扩桩施工法不适合于在有承压水和地下水丰富的土层内施工，夯击时水锤效应严重，成孔困难，而本发明的施工法中夯锤不直接接触水因而不会产生水锤效应，在水下照样可以成孔。(5)复合载体夯扩桩施工法属于挤土桩，常会因挤土效应出现断桩、缩颈及吊脚等质量问题，而本发明的施工法在挤土效应严重的土层内施工时可以采用外管取土法沉管，从而可以减轻或消除挤土效应的影响。
因此，无论是与现有内击式的单管法(福兰克桩法和复合载体夯扩桩法)或顶击式的双管法比较，本发明的双管内击式沉管扩底灌注桩的施工方法都具有沉管能力强、施工速度快，适应土层广，在地下水条件复杂的情况下均能施工等显著特点。
以下通过由附图所示实例的具体实施方式
，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
图1是本发明双管内击式施工方法在软弱土层内采用内外管同步沉入方式的施工流程示意图。
图2是本发明双管内击式施工方法在较硬土层内采用内外管交替沉入方式的施工流程示意图。
图3是本发明双管内击式施工方法在坚硬土层内采用外管取土沉入方式的施工流程示意图。
具体实施例方式
如图1所示，采用的是在贯通的外桩管4内间隙配合有一根长度大于外桩管4的内夯管2所构成的双管式结构，内夯管2的底端为一可拆卸更换的装配式封闭结构7，并预装有适量的粗砂、碎石等固体填充物6。该封闭结构7可以根据施工需要选择为锥形的外端头，或是平底形式的外端头。在内夯管2和外桩管4的顶部分别设置有能相互配合的限位环等形式的限位结构1，3。
在沉入土层比较软弱时，在沉管过程中其侧阻和端阻均较小，侧阻和端阻可同时克服。以细长锤5在内夯管2内锤击其底部时，较长的内夯管底端先伸出外桩管4的管底进入土层。当内外两管管顶的限位结构1，3互相接触后，继续锤击时内夯管将带动外桩管一起沉入土内，直至设计深度。图1中所示由(a)～(h)的各步具体操作流程分别为(a)移机就位；(b)夯击使内外管同步沉入；(c)外管沉入到设计深度；(d)提起内管，向外管内依次投入固体填料，放下内管进行夯击形成扩大头10；(e)测定三击贯入度；(f)夯击干硬性混凝土；(g)放入钢筋笼8；(h)浇注混凝土桩身9，或也可采用在外管内放入预应力管桩9，在管桩周围填入砂、砾石固定桩身，管底进行压力注浆，直至浆液从桩周冒出地表后成桩。
图2所示的是本发明双管内击式施工方法采用内外管交替沉入方式的施工流程。当遇到土层较硬、沉管速度较慢时，说明夯击力难以同时克服侧阻和端阻，则可以采用此操作方式施工。图2中由(a)～(d)的各步具体操作流程分别为(a)采用图1中同样的双管结构，使外桩管4的管底位于较硬土层层面上，夯击内夯管2使其先进入土层内至内外两管顶部的限位结构1，3接触；(b)提起内夯管2；(c)在内外两管间的限位结构1，3间置入一个长度为两管长度差的传力结构件11，使内外两管的管底为齐平状，继续锤击内夯管2，通过两限位结构1，3及其间的传力结构件11带动外桩管4同时沉入到内夯管2之前的已达深度；(d)然后撤除该传力结构件11，回复到起始状态(a)，并重复进行这一使内夯管2先克服端阻进入新土层，再带动外桩管4克服侧阻跟进的交替沉入操作，直至外管穿过较硬土层或达到设计深度止。
图3所示的是本发明双管内击式施工方法在硬塑～坚硬的粘性土地层内难以沉管或在挤土效应严重的土层内沉管时采用外管取土沉入方式的施工流程。
图中由(a)～(e)的各步具体操作流程分别为(a)采用图1中同样的双管结构，使外桩管4的管底位于坚硬土层层面上，在内外两管的管顶限位结构1，3间设置二个等长且均等于内外管长度差的传力结构件11，使内夯管2缩进外桩管4底端内一个传力结构件11的高度；(b)锤击内夯管2使外桩管4切入土层内一个传力结构件11的深度；(c)提起内外两管并置于推入的推车12上；(d)撤除其中一个传力结构件11后锤击内夯管2，将外桩管4底端内的土柱击出落于推车12内；(e)重新置入撤除的该传力结构件11，回复到起始状态(a)，置入原桩孔内并重复进行这一由内夯管2使外桩管4又切入新土层，再移走被切入其管端内的硬土柱逐渐沉入的操作，直至外管穿过该硬塑～坚硬的土层或达到设计深度止。
权利要求
1.沉管扩底灌注桩施工方法，将桩管沉入土层内至设计深度后，在桩管内装入包括干硬性混凝土在内的固体填料并将其夯击出桩管底端外形成扩大头，再在其上浇筑混凝土桩身，其特征是采用在贯通的外桩管内间隙配合有一根底端封闭且长度大于外桩管的内夯管所构成的双管式结构，并在两管的管顶分别设置有能相互配合的限位结构，用细长锤在内夯管内以夯击其底部的双管内击方式所产生的夯击力使外桩管沉入土层和进行扩大头施工。
2.权利要求1所述的沉管扩底灌注桩施工方法，其特征是所说的内夯管底端的封闭结构为可拆装的组合式结构。
3.权利要求1所述的沉管扩底灌注桩施工方法，其特征是在内夯管内的底部预先装有固体填充物介质后再用细长锤进行夯击。
4.权利要求1至3之一所述的沉管扩底灌注桩施工方法，其特征是以双管内击方式使外桩管沉入土层时采用内外两管同步沉入方式进行，即夯击内夯管使其先进入土层内至两管管顶的限位结构进入配合状态，继续夯击内夯管并使两管同时沉入土层内。
5.权利要求1至3之一所述的沉管扩底灌注桩施工方法，其特征是以双管内击方式使外桩管沉入土层时采用内外管交替沉入方式进行，即夯击内夯管使其先进入土层内至两管顶部的限位结构进入配合状态后，提起内夯管，在内外两管的限位结构之间置入一长度不大于两管间长度差的传力结构件，继续夯击内夯管并通过两管的限位结构及其间的传力结构件带动外桩管同时沉入一个不大于该传力结构件长度的深度，然后撤除该传力件，继续夯击内夯管再使其单独下沉，使两管间的限位结构再次进入配合状态并重复上述操作，使两管以交替方式沉入土层。
6.权利要求5所述的沉管扩底灌注桩施工方法，其特征是所说的传力结构件的长度等于内夯管与外桩管的长度差，在两管间置入传力结构件后通过夯击内夯管带动外桩管同时沉入土层时的深度为一个该传力结构件长度的深度。
7.权利要求1至3之一所述的沉管扩底灌注桩施工方法，其特征是以双管内击方式使外桩管沉入土层时采用外管取土沉入方式进行，即在两管的限位结构间置入一长度大于两管长度差的传力结构件，使内夯管的底端缩进外桩管管底内，夯击内夯管并通过两管的限位结构及其间的传力结构件带动外桩管切入土层内一个不大于内夯管缩进长度的深度后，将内外两管同时提出地面，撤除传力结构件后夯击内夯管，将外桩管底端内的存土击出并移走，再提起内夯管重新置入传力结构件，于原桩孔处重复上述带动外桩管切入土层内和击出并移走外桩管底端内的存土的操作，使外桩管逐步沉入土层。
8.权利要求7所述的沉管扩底灌注桩施工方法，其特征是所说的传力结构件为由两个等长度且均等于内夯管与外桩管的长度差的组合件形式。
全文摘要
沉管扩底灌注桩施工方法，将桩管沉入土层内至设计深度后，在桩管内装入包括干硬性混凝土在内的固体填料并将其夯击出桩管底端外形成扩大头，再在其上浇筑混凝土桩身。本发明采用在贯通的外桩管内间隙配合有一根底端封闭且长度大于外桩管的内夯管所构成的双管式结构，并在两管的管顶分别设置有能相互配合的限位结构，用细长锤在内夯管内以夯击其底部的双管内击方式所产生的夯击力带动外桩管沉入土层和进行扩大头施工。沉管时可分别以两管同步沉入，和/或两管交替沉入，和/或外管取土沉入方式进行。该施工方法的噪音小，沉管能力强，施工速度快，适应土层广，在丰水或有承压水的地层以及挤土效应严重的土层内均能施工，同时水、土不会由管内溅出影响周围环境。
文档编号E02D7/00GK1912255SQ200610021640
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月25日 优先权日2006年8月25日
发明者王惠昌, 王斌, 王琛, 高世科, 陈追田, 钱锦棠 申请人:中机工程勘察设计研究院, 王惠昌, 王斌, 王琛, 高世科, 陈追田, 钱锦棠