专利名称：一种带有监测装置的夯扩桩施工方法
技术领域：
本发明是建筑工程的桩基础。它是把现行夯扩原理由单纯的制桩技术变成制造桩身与加固地基同时并举的一种综合技术，并且是在肯定对天然地基加固处理效果的基础上来解决制造桩身的问题，它是一种以开发利用天然地基潜在承载能力为主要内容的夯扩桩。本发明就是关于这种夯扩桩的带有工程质量自动监测装置的施工方法及其高脚夯的发明。主要用来改造没有经过变质作用的第四纪沉积土层的工程性质和丰富建筑基础的结构形式。它特别适宜于处理地下水位以上的软弱地基，湿陷性地基，膨胀土地基，以及杂填土地基等多种不良地质条件，也可以解决地下水位线以下的软弱地基问题。它是我国基础改革一个产物。
在建筑工程中，桩基的种类很多，功能也不一样，而影响其承载能力的因素更为复杂。它不仅涉及了土的种类和状态，桩的形状和尺寸，并且与它的施工方法和过程也密切相关。但是现行桩基础的设计有一个共同的特点就是把天然地基的承载能力当作一个固定不变的常数。弗兰克(FRANKI)桩，夯扩灌注桩虽然采用了夯扩法的造桩技术，也提出了加密桩周基土的问题，但是它们在评价天然地基承载能力问题上却没有一个确切的结论，有关资料仅仅报道弗兰克桩可以提高单桩的垂直承载力，夯扩灌注桩可以把单桩的承载力提高50—200％，发明人认为这些成绩应该肯定，它的合理成分也需要继承，但是在千差万别的地基现象中它们还没有引出一个明确的规律，同时采用套管护壁也限制了这种夯扩桩的使用范围和工程技术效能。
本发明的目的是要在天然地基中建造一种不要护壁套管，又能监测施工质量的夯扩桩，为了解决这种夯扩桩的施工本发明又设计了一种能够下到桩孔内打夯的高脚夯和能够测出地基加固效果的震感记录器，以及对特软地基和地下水位线以下软弱地基进行“泥结石”护壁的施工方法。核心问题是把天然地基中的潜在承载力能力转化为有效承载力并开发利用起来，籍以提高工程质量，降低基础造价，节约处理地基开支。
天然地基是一个三维体系，地基土壤又是一种有着特殊本质和性能的物质，发明人在充分考虑了夯扩工艺在施工过程中与天然地基之间存在着矛盾对立关系的基础上，并吸收了土质学、土壤学、土力学方面的研究成果，发现了夯扩施工与深层捣实之间在量的方面存在着严格的对应关系，它可以成为自检式夯扩桩存在的基础。
同时，现场施工是一个过程，在这个过程中人们还可以利用气候的、环境的、工程的等各种因素去对土的状况、荷载历史和它的受力边界条件施以影响，以改变它的工程技术性能，提高它的承载能力。例如K，太沙基在研究土体塑性平衡理论时曾经列举过一个图式，就是在半无限体的一个空心柱体单元内，通过外力使其侧壁土体在水平方向上产生伸展或压缩，当作用力的强度大到超过基土自身平衡条件时，其侧壁土体就要产生塑流破坏，前者叫主动破坏，后者叫被动破坏，这是一项重要的技术理论成果，是解决一切土压力问题的基础。但是太沙基又说这种“伸展和压缩仅在我们的想象中才能实现。”半个多世纪以来，这个问题一直来获进展。
根据发明人的研究，基土的被动破坏与主动破坏不是同一个概念，主动破坏意味着土体的坍塌和松散，而被动破坏则是在外力作用下天然地基经历了一个弹性—塑性—强化三个发展阶段的递进过程，是软而未曾胶结基土的一个固有特性。现在如果我们把太沙基想象中的被动破坏与夯扩施工有机地结合起来，并稍许增加一些技术内容，就可以在半无限体中建立起一个以桩身的轴心为中心的深层、动态、径向加固处理地基的施工方法。这里所说的深层就是利用夯点周围的土重作为平衡条件而行使的一种加固方法；动态就是按照设计人员的要求利用现场施工时的过程因素去调整基土的含水量，把土的状态调整到与夯击制度相协调的程度；径向就是利用桩身材料的径向扩张给桩周基土造成一种持续递进的加固压力。通过这样的系统处理，不仅可以把不同类别和状态的基土的承载力加固到一个比较一致的高水平上来，并使之成为一种不可逆转的技术效应，同时也在被加固处理过的基土中建造出一种具有楔形断面的桩身体型。
在现实的工程活动中向桩孔内打夯的方案可以很多，但本发明的夯扩桩用的是一种特制的高脚夯，这种夯的特点是夯锤在上面跳动，夯头在下面工作，而通过一个类似挤密桩桩管那样的大型钢管作为夯管把它们联结起来，但夯管的直径要与桩孔大小相配套。
为了解决对天然地基加固效果的测定问题，发明人研究了一种专门监测夯扩施工质量的震感记录器。这个记录器有一个随着夯锤跳动而产生震感的画笔和一个会自动转动输出的记录纸卷，把它固定在高脚夯的夯管上。当开机以后，跳动的画笔可以把某一根桩在施工时分作几段成型，每一段桩身在夯扩时的震感情况，以波动图的形式描绘在由转动纸卷输出的米格纸上，在桩径一致，基土的含水量一致和夯填厚度一致的情况下波形图的变化规律也必然一致。质检人员根据这个波动图的振幅、波长、波形和夯实的进程，并对照由动量定理计算出来的基土对夯击压力的反作用力数值就可以对这一根桩的每一段桩身在施工时基土获得的加固范围，加固程度和楔形断面的形成过程作出定量的评价，这就把夯扩桩的工作完全建立在一种由人工控制的环境之中，而天然地基的原始条件，在这里只是设计人员在制订夯扩作业方案时调剂基土承载能力的一个因素。
发明人提出这种观点的依据是在造桩的时候，桩身材料既没有体型，也没有强度，它的性能形同基土一般。在这种情况下向桩孔内打夯，对基土所造成的应力类似于集中荷载作用下在半无限体中应力分布的空间课题，即夯击压力对桩身材料和其周围的土体都同时产生作用，但当桩身材料被充分夯实之后再进行重复夯击情况就不一样了，特别是在下一段桩身的固定面的支承下被夯材料将以高压流体的形式对其周围的基土产生一种持续递进的加固压力，而桩周基土就象一个不定型的模具随着桩身材料的径向扩张而逐步得到压缩和强化，一直达到与夯击压力取得某种平衡为止。在这个过程中夯扩施工时所产生的震感不同，响声不同，反弹情况也不同。这就是震感记录器的设计依据。
我国地域广大，幅员辽阔，各地区的工程地质条件和水文地质条件的差别很大，本发明的适用范围大体有三种类型。第一种是含水量较低的干旱型地基，其液性指数处在可塑或硬塑状态之间(IL＝0—0.75)，在这样的条件下，基土有较强的直立性，桩孔打成以后，就可以进行夯扩作业。第二种是不需作护壁处理的软弱地基，虽然其孔壁基土的含水量较高，但在成孔之后孔壁尚能保持直立，对于这样的土质条件，在打好桩孔之后要经过一个疏干过程，即利用水的蒸腾作用把多余的水分排除，然后再进行夯扩作业。第三种是位于地下水位线以下的软弱地基，这是一种需要作护壁处理的软弱地基，本发明的方法是采用深层捣实法的工作原理向桩孔内反复夯填碎石，直至把桩孔的软弱土壁加固成以碎石为骨架的“泥结石”护壁，能够满足夯扩作业时为止，至于桩孔内的集水，在强大的夯击压力作用下，它会顺着碎石挤压切入时的通道，以超孔隙水压力的形式向周围的基土中消散，直至全部挤干。根据发明人的模拟试验，在一个有集水的桩孔中经过用碎石6次重复夯填之后，孔内集水已被全部挤干，孔壁基土也得到了很好的加固，给夯扩作业创造了良好的条件，同时还需要指出的是采取这种护壁方法不仅把桩身混凝土的施工由水下作业变成了干法作业，并且还在土质条件很差的软弱地基中建造出一种带有碎石骨架氛围层的楔形桩基础。总之，以上三种地基类型虽然不同，但本施工方法的一个共同特点是把复杂多变的地基现象化简，把土的承载能力提高、划一，使桩身的体型改变，较好地解决了软弱地基中所存在的含水量过高，孔隙比过大，渗透系数过低等一些弊端。根据我们在某软弱地基条件下对夯扩桩的工艺研究和荷载试验等检验证实，在本夯扩桩的桩端没有应力高峰，桩周基土没有局部屈服，并且在P—S曲线图上它的基床系数近似一个常量。
关于夯扩桩的配筋问题，发明人认为这并不是一件十分必要的工作，因为与传统的桩基础相比桩周基土对横向荷载的承受能力有了大幅度的提高，同时根据国家建委对唐山大地震的调查，地面以下的基础形式基本上不受震害，所以，从原则上讲本夯扩桩的桩身是可以不配钢筋的。至于有横向荷载或弯矩传至桩顶的结构工程，在设计时可以通过承台梁用拉、压双桩的办法加以解决。但是为了增强桩身的整体性和加强它与上部结构的连接，本发明在构造上采取了一点措施就是以独根大直径钢筋或是由多根小直径钢筋组成的钢筋束的办法来解决。为此本发明的高脚夯还专门设置了一套解决桩身配筋的装置。以上就是本发明的自检式夯扩配筋桩的基本内容。
作为一个实施例子用干硬性混凝土在一般地基中制造夯扩配筋桩的施工程序是首先，按照要求在地上制造桩孔(可以取土成孔，也可以挤密成孔)；其次，检验孔壁基土的含水量，如果基土太湿可以通过疏干法等排除多余的水分，把土的状态控制在与夯扩能力相协调的程度，并填表记录存入工程档案；然后让高脚夯就位，开动震感记录器并打底夯，接着就向桩孔内放入配筋、分层填入干硬性混凝土等桩身材料，即可进行夯扩施工，打好一层，提出夯管再填一层，再下入夯管进行夯打，如此反复进行，直至达到设计标高；最后，提出夯管取出震感记录图即成。至于在地下水位线以下的软弱地基，它的施工程序是首先，按照要求在地上造孔(可以挤密成孔，也可以夯填碎石造孔)；其次，解决孔壁基土湿软和孔内集水的问题，它是采取向桩孔内反复夯填碎石进行护壁处理，直至把桩孔的软弱土壁换成能够满足夯扩施工要求的，以碎石为骨架的“泥结石”护壁为止，而孔内的集水也会随着夯填时碎石挤压切入时的通道和夯击压力向周围基土中进行渗透和扩散，直至孔内没有集水，这时即可按照上面的夯扩工艺进行施工。
通过夯扩施工，本发明不仅可以在夯击压力与加固范围，加固程度方面建立起一个量的关系，并且它所形成的楔形桩身也被紧紧地嵌固在已经经过超压密处理的基土之中成为一种桩形式的载重基础，即它以桩的形式去承受上部结构的荷载，而在桩周基土的侧土压力支承下进行工作，并且当桩周基土所获得的加固应力远大于桩身工作时所产生的附加应力的时候，可以认为桩周基土的体积是不可压缩的，这就解决了桩周基土中被动土压力的开发利用问题。
图1是本夯扩配筋桩的结构模型图。图中(1)是具有楔形断面的桩身，(2)是被加固处理过的基土，(3)是桩身的中心配筋。通过造桩时夯击压力的强烈作用，这三者紧密地结合在一起，形成一个整体，并共同工作。
图2是本夯扩配筋桩在一般软弱地基中的施工工艺流程图。它的主要内容有三项，即成孔、造桩和自检，这是现场施工中最关键的三个环节。
图3是本高脚夯的夯体结构图。图中(1)是夯管，它是一种类似挤密桩桩管的大型钢管。(2)是夯板即高脚夯的夯头，在其中心部位开有一个小孔，以解决桩身的配筋问题，(3)是高脚夯内的钢筋护套管，它的下部与夯板中心的小孔相通并加以固定，上部用活动法兰架立在夯管的中心，(4)是震感记录器；(5)是桩帽(即替打)，(6)是吊耳。由图可知全夯通过吊耳被悬吊在打桩机的机架上。
图4是震感记录器的工作原理图。图中(1)是可以随着夯击作用而产生振动的弹簧，(2)是固定在弹簧上的画笔，(3)是会自动转动输出的记录纸卷，(4)是弹簧的固定支架，(5)是底盘。它被固定在高脚夯夯管上部某一便于操作的部位。由图可知，在正常情况下，本夯扩施工要经过a、b、c、d四个松、实、密、特密的加固过程，并以不同的波形记录在米格纸上。
关于夯扩单桩承载力的设计与计算问题，这是一个由人工控制的定向加固技术的设计问题。因为本发明在夯击压力与单桩的承载力之间存在着两个固定关系，一个是在桩径一致，基土的含水量一致，夯填厚度一致的情况下，基土对夯击压力的反作用力与夯扩加固的效果一致，再一个是夯扩加固效果与单桩的承载力一致。于是单桩承载力的设计就成了根据天然地基原始条件关于基土对夯击压力的反作用力的设计，这就把复杂的工程地质问题变成了一个比较简单的工程技术问题。
例如，在某软弱地基(土的状态为可塑)条件下建造一根直径为0.45m，长度为3m的夯扩桩，每一层夯实厚度为0.3m，打夯的夯锤重为520kg，提夯高度2m，假如夯锤接触夯面到静止的时间为0.1秒，求解基土对夯锤的反作用力。
解根据自由落体运动公式V2＝2gh，可以算出夯锤接触夯面时的速度为 按照动量定理(W—N)t＝mv′—mv式中V′表示夯锤打到夯面时的末速度。
于是被夯材料对夯锤的反作用力为 ＝3801kgf＝3.8tf即每一个制桩段对夯击压力的反作用力为3.8tf，本夯扩桩为10个制桩段，经过迭加它的总反作用力为38tf，而在现场对试桩实测单桩的极限荷载为42—48tf。这就是说在本施工方法中基土对夯击压力的反作用力与单桩的极限承载力的比值是1∶1.16到1∶1.33，可是在具体工程建设中，我们把单桩的容许承载力定为16tf，这个数值仅为基土反作用力的1/2.4，这是绝对安全的。如果设计要求桩的承载力是32tf、48tf或更高，那就采取加长桩身或提高夯击动量的办法来解决，所以本施工方法又是一个地基和基础的一元化设计问题。
依据以上实施方案，本发明的夯扩桩在承载能力方面，支承作用方面，以及改造和利用软弱地基方面都发挥了很好的效能，并且在设计方法上也是一个创新。根据我们的初步测算，对于一般的多层住宅等工程来说它在把安全系数提高一个等级的情况下，还可以把基础工程的造价降低50—70％，并节约了处理软弱地基的全部开支，同时它还具有设备简单、施工方便，施工质量可靠等优点。
权利要求
1.建筑工程中的夯扩灌注桩是通过向桩孔内打夯而行使的一种造桩技术，它兼有不定量地加密桩周基土的功能，本发明的夯扩桩的技术特征是它是利用高脚夯把制造桩身与加固地基这两项工作有机地结合起来，通过向桩孔内打夯这一基本动作同时完成的一种施工方法，在它的高脚夯上装有一个能够自动监测施工工程质量的震感记录器，这个记录器可以把造桩时基土对夯击压力的反弹情况以波动图的形式如实地记录下来，质检人员通过对波动图的振幅、波长、波形的分析，并结合夯扩施工时基土对夯击压力的反作用力的计算就可以对某一根桩在施工时所分的段数，每一段桩身在夯扩时的加固范围，加固程度和楔形断面的形成过程等作出定量的评价，把夯扩桩的承载能力完全建立在人工控制的环境条件之下，至于天然地基的原始条件，在这里只是设计人员在制订夯扩作业方案时调剂基土承载能力的一个因素。
2.根据权利要求1中所述的夯扩桩的施工方法对于一般的软弱地基来说其工艺特征是首是，按照要求在地上制造桩孔(可以取土成孔，也可以挤密成孔)；其次，检验孔壁基土的含水量，如果太湿可以通过疏干法等排除多余的水分，把土的状态控制在与夯扩能力相协调的程度，并填表记录存入工程档案；然后，让高脚夯就位，开动震感记录器并打底夯，接着就向桩孔内放入钢筋，分层填入干硬性混凝土等桩身材料，并进行夯扩施工，打好一层提出夯管再填一层，再下入夯管进行夯打，如此反复进行，直至达到设计标高；最后，提出夯管取出震感记录图即成。
3.根据权利要求1中所述的夯扩桩的施工方法用于地下水位线以下的软弱地基时，其工艺特征是首先，按照要求在地上造孔(可以挤密成孔，也可以夯填碎石造孔)；其次，解决孔壁基土湿软和孔内集水的问题，它是采取向桩孔内反复夯填碎石进行护壁处理，直至把桩孔的软弱土壁换成能够满足夯扩施工要求的，以碎石为骨架的“泥结石”护壁为止，而桩孔内的集水也会随着夯填时碎石挤压切入的通道向周围基土中进行渗透，扩散，然后即可按照权利要求2中所述的夯扩工艺进行夯扩施工。
4.根据权利要求1中所述的高脚夯，其技术特征是它是由夯管、夯头(即夯板)，桩帽(即替打)等几个主要部件组成的，在施工时，夯锤在桩帽上跳动，夯头在夯管底部工作，整个桩身通过吊耳被悬吊在打桩机的机架上，按照需要提上或放下。
5.根据权利要求1中所述的震感记录器，其技术特征是它有一个会随着夯锤跳动而产生震感的画笔和一个会自动转动输出的记录纸卷，它们通过底盘被固定在高脚夯的夯管上部的某一部位，在夯扩施工时，震感记录器可以以不同的振幅、波长、波形和夯实的进程对基土的加固效果如实地描绘在输出的米格纸上，作为分析和评定夯扩桩施工工程质量的一个原始凭证而存入工程档案。
全文摘要
一种带有监测装置的夯扩桩施工方法是适宜于多种软弱地基等不良地质条件的土木建筑工程的桩基础，它是在肯定地基与基础之间存在着内在联系的基础上，通过一定的自动监测装置和特制的夯实机具，最后在被加固处理过的基土中建造出一种具有楔形断面的桩形式的载重基础，它的核心问题是把天然地基中的潜在承载能力转化为有效承载力，并开发利用起来。
文档编号E02D7/00GK1120103SQ9411636
公开日1996年4月10日 申请日期1994年10月3日 优先权日1994年10月3日
发明者王敏 申请人:王敏