第五节 变截面及异形灌注桩.doc
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1、第五节 变截面及异形灌注桩1 钻孔扩底桩1.1 概述钻孔扩底桩是在用各种回转钻机正常成孔后,用专门的扩底钻头将其底部扩大,然后下设钢筋笼、浇筑混凝土所形成的灌注桩。钻孔扩底桩的上部呈圆柱形,底部呈圆台形。在桩基设计中,为了增加单桩的桩端承载力,采用扩底桩是一种经济有效的方法。钻孔扩底灌注桩的扩底方法可分为正循环钻扩底法、反循环钻孔扩底法和螺旋钻孔扩底法三种。反循环钻孔扩底法适用于可塑至硬塑状态的粘性土、粉土、中密至密实砂土和碎石土层;螺旋钻孔扩底法适用于地下水位以上的一般粘性土、红粘土、粉土、湿陷性黄土和密实的砂土层。正循环钻孔时的泥浆上返流速较小,故只适合在细颗粒地层中扩孔,且扩孔直径较小。
2、装有硬质合金滚刀的扩孔钻头也可在基岩中扩孔(见图8-5-4)。扩底直径为桩径的1.53.0倍,最大扩底直径为4m。桩底扩大头的边坡线与垂直线间的夹角一般不大于14,即边坡坡度不小于41。钻孔扩底桩施工具有以下特点:只有在稳定地层才能进行扩底;可以进行单节扩底和多节扩底;必须使用专门的扩底钻头;一般钻孔深度较浅。1.2 设备和机具1.2.1 钻机扩底方法依赖于回转钻进方法,故其使用的钻机与前述回转钻进所用的钻机相同。当采用液压扩孔钻头时,需要增加配套的液压系统。1.2.2 扩底钻头目前国内外扩底钻头的类型较多;按扩底刀具的驱动力不同,可分为自重式、油压式、水压式三大类;按扩底刀具的开闭方式不同,
3、有上开式、下开式、滑降式、推出式等类型(见图8-5-1)。图8-5-1 扩底钻头开闭方式示意图(a)上开式;(b)下开式;(c)滑降式;(d)推出式AA(a)AA(b)(c)开闭(d)A-A(1)自重式扩底钻头自重式扩底钻头由导向套、导向轴、上盘、下盘、限位盘、翼片、连杆、销轴等部图8-5-3 油压式扩孔钻头件组成;导向套与钻杆相连,连杆和扩孔翼片分别与导向套和导向轴铰接;导向轴可在导向套内上下滑动,从而带动扩孔翼片横向伸缩(见图8-5-2)。图8-5-2 自重式扩孔钻头 扩孔钻头下降时,导向轴和下盘在自重作用下下移,翼片收拢;下盘接触孔底后,钻杆在重力作用下向下推压导向套,从而迫使翼片张开。
4、边张开翼片边旋转即可实现扩孔。提升钻具时,在下盘自重作用下翼片又可自动收回。这类扩孔钻头结构简单,操作方便,但只能用于孔底扩孔,不能进行多节扩孔,且遇阻、遇卡时翼片不易收拢。图8-5-4 基岩扩底滚刀钻头(2)油压式扩底钻头油压式扩底钻头由中心管、双向油缸、翼板、连杆等部件组成。它靠油压千斤顶活塞杆的伸缩带动扩孔刀具张开或收拢。这类扩孔钻头的精度高,可施工多节扩底桩;但结构复杂,加工困难,成本较高(见图8-5-3)。(3)水压式扩底钻头水压式扩底钻头的结构与油压式扩底钻头相似,它是靠钻孔冲洗液的压力推动活塞下移来实现扩孔刀具的张开;扩孔完毕后靠弹簧的拉力收拢扩刀。1.3 扩底施工要点1.3.1
5、正、反循环钻孔桩扩底(1)扩底钻头的最大扩孔直径应与设计扩底直径一致。当采用自重式扩底钻头时,翼片张开后的高度和坡度还必须与设计扩底形状一致。(2)下扩底钻头之前应检查扩底钻头翼板的张开和收拢是否灵活。(3)扩底钻头下到孔底后,应先保持空转不进尺,然后逐渐张开扩刀切土扩底。(4)扩底速度不宜过快,并注意控制钻机扭矩在钻头强度允许的范围内。(5)扩底时应保持泥浆循环,并适当调高泥浆的密度和粘度,泥浆流量应与排渣量相适应,正循环排渣流量不宜小于120m3/h;扩底转速一般为10 r/min20r/min。(6)扩底完毕后,应继续空转和循环泥浆一段时间,以清除孔底沉渣。(7)粘土、粉土、碎石层扩孔可
6、采用一般刮刀扩孔钻头,卵石和岩石地层应采用滚刀扩孔钻头扩孔。桩身扩大头桩根图8-5-5 螺旋钻孔扩底桩构造1.3.2螺旋钻孔桩扩底(1)螺旋钻孔扩底桩由桩身、扩大头和桩根组成,如图8-5-5所示。由于螺旋钻孔是干作业,扩孔时的钻渣不能及时排出,故必须在钻孔底部留出一段暂存扩孔钻渣的空间,不能将扩大头置于桩的最底端。(2)用螺旋钻具钻完桩孔后,提出螺旋钻具,将扩底工具下至设计深度的持力层中进行扩底,形成扩大头空腔,扩底时切下的渣土集中到下部的桩根空腔内。(3)再把带有取土装置的螺旋钻具下到桩根部位旋转,将集中在此处的渣土取出,清底后再钻深100mm,桩根应不留虚土。(4)扩底应分次进行,每次剥土
7、量应根据桩根空腔体积确定,满腔后将扩底工具提出,再下螺旋钻具取土。(5)扩底位置和形状,应在钻机设专门标志线进行检查。(6)遇漂石应暂停扩底,待用其他方法取出漂石后再继续扩底操作。2 钻孔挤扩桩2.1 基本原理图8-5-6 挤扩桩示意图1桩身;2分支;3承力盘;4被挤密的土1234dD四分支六分支承力盘钻孔挤扩桩也称多分支承力盘灌注桩,简称DX桩。它是在普通钻孔灌注桩基础上发展起来的一种新型变截面桩。钻孔挤扩桩是在钻(冲)孔完成后,向孔内下入专用的挤压扩孔装置,通过地面液压站控制该装置扩张和收缩,在孔壁的不同深度和部位挤压出多个三角形岔腔和(或)环状沟槽,然后放入钢筋笼、灌注混凝土形成的一种在
8、桩身上带有多个分支和多个承力盘的“狼牙棒”形灌注桩。这种桩由桩身、分支、承力盘组成,并共同承载(见图8-5-6)。2.2 挤扩桩的特点(1)单桩承载力高。挤扩桩的单桩承载力由桩身承载力和多个分支、承力盘承载力组成,与圆柱形灌注桩相比,承载面积和与基土的作用范围增大很多;其每1m3混凝土的平均承载力大于350kN,为普通混凝土灌注桩的23倍,为预制桩的8倍多,而且有良好的抗水平推切和抗拔能力。(2)节省材料。在同等承载力情况下,桩长仅为普通灌注桩的1/21/3,可节省30%左右的材料。(3)在成型分支和承力盘时,施工机具对桩周土体有压密作用,改善了基土的性质,提高了地基的强度和稳定性,增大了摩阻
9、力和端承力,使地基成为复合地基,能更好地发挥桩土共同承载的作用。(4)在挤扩施工的过程中,可进一步了解地层的厚薄、软硬情况;从而可正确选择持力层位置和调整挤扩设计,保证单桩承载力充分满足设计要求。(5)可对直孔部分的成孔质量(孔径、孔深及垂直度的偏差等)进行第二次定性检测。(6)施工速度快,成本低;可缩短工期30%,节省资金20%30% 。(7)适应性强。可在多种土层中成桩,不受地下水位的限制,承载力适用范围大。(8)施工机械化程度高,无振动,无噪音,操作维修方便,劳动强度低。2.3 适用范围挤扩桩主要适用于第四纪土层较厚,以粘性土为主的土层,也可在粉土、砂土、黄土、残积土层中应用;但要求土层
10、有一定的承载力,容易挤压成形,因此不适合于淤泥质土、较密实的中粗砂层、卵砾石层及液化砂土层。泥浆护壁、干作业及重锤捣扩成孔灌注桩均可利用挤扩工艺提高其承载力。当桩身为长螺旋钻成孔桩时,适用桩径为300mm600mm,桩长最大可达31.5m;当桩身为泥浆护壁成孔桩时,适用桩径为400mm800 mm,桩长最大可达43m。挤扩直径与桩身直径之比为1.82.6。下列情况不能采用挤扩桩:有深厚的淤泥及淤泥质粘土层,在桩长范围内无适合挤扩的土层;基岩埋深较浅,地表下的软土层较薄,或两者之间虽有硬土层,但其厚度过小;由于有承压水而无法成直孔时。2.4 构造与布置挤扩灌注桩的造型、尺寸、分支与承力盘的数量根
11、据上部建筑物的荷载、结构形式、地质情况及所使用的挤扩器具而定经,地质报告中的土质分层必须准确。通常一个挤扩过程可沿桩径方向挤扩出24个对称的岔腔,腔内灌注混凝土后即成为桩身的分支。每层分支的数量有2个、2n个、3个、3n个等形式。承力盘由多个不同方向的分支连接而成,挤扩工具和方法相同;当采用三臂挤扩装置施工时,需经过7个挤扩过程,挤压出21个岔腔连通成环状腔体, 灌注混凝土后即形成桩径局部扩大的承力盘。按分支和承力盘的布置不同,挤扩桩有多节分支、多节承力盘和分支与承力盘组合等类型。不同桩径的分支、承力盘间距可按表8-5-1采用。承力盘之间及承力盘与分支之间的间距不宜小于2D,分支之间的间距不宜
12、小于1.5D(D为承力盘与分岔的直径),一般为2m左右,上下节分支的方向应错开。挤扩灌注桩的最小中心距一般取(1.52.3)D或D+1m。挤扩灌注桩采用C20或C25混凝土,钢筋笼长度不小于桩长的1/2,配筋率为0.4%0.6%,主筋用1216, 箍筋用810,间距100200mm,另设加强箍筋。 表8-5-1 不同桩径的分支与承力盘间距项 次桩 径d(mm)分支与承力盘的间距(中距)14263d6d26004d5d38003d4d注:当地质条件较好时,间距也可适当减小。2.5 分支与承力盘的设置原则(1)承力盘应设置在可塑硬塑状态的粘性土、或中密密实状态的粉土中,底承力盘也可设置在中密密实状
13、态的卵砾石层、强风化岩或残积土层的上层面上。设置承力盘的硬土层厚度宜大于3d(d为桩身直径),且各承力盘下2d深度范围内不应有软弱下卧层。 (2)分支的作用:作为竖向承载力的补充;增加桩的整体刚度;在桩身上部的较硬土层中设置分岔以增加对水平荷载的抗力;当某些地层设承力盘可能引起塌孔时可改设分支,因挤扩次数减少且各岔腔互不连通。设置分支时的地层选择原则基本上与承力盘相同,但设置分支的硬土层厚度宜大于2d,且各分支以下1d深度范围内不得有软弱下卧层。2.6 挤扩装置挤扩桩的直孔施工设备与钻孔灌注桩相同,根据工程情况采用潜水钻机、正循环钻机、反循环钻机、冲击钻机、螺旋钻机、旋挖钻机均可。挤扩装置是挤
14、扩桩的专用施工设备,下面以DX型挤扩装置为例介绍其结构和性能。2.6.1 DX型挤扩装置的组成和技术性能DX型挤扩装置由机头、联接器、电脑液压控制系统及车载系统等组成,如图8-5-7所示。机头由双单向液压油缸装置、三岔挤扩弓压臂、液压定位装置、液压旋转装置、压力传感器、角度传感器、位移传感器等组成。如图8-5-8所示。联接器包括油管、钢丝绳和自动解力装置,起到柔性连接的作用。DX型挤扩装置主要技术性能见表8-5-2。2.6.2 DX型挤扩装置特性在挤扩过程中,双向液压油缸相对位移,3个弓压臂在呈伞形张开时,其外端点只作水平运动而无上下运动,可保证孔壁被挤压处上下受力一致,压坑不会垮塌或掉土;在
15、孔底挤扩时,可切换阀门,使双向油缸变为单向油缸,将孔底虚土压实。在挤扩过程中,三岔式弓压臂的上下表面形状使三个压坑表面成“屋脊”状而不塌孔,并保证弓压臂挤扩后能顺利回位。当桩身较长时,挤扩装置与吊车之间采用钢丝绳柔性连接;当桩较短时可采用半刚性连接。液压定位装置可保证挤扩装置在对中状态下工作。液压定位、旋转装置可连续重复实施挤扩回位旋转定位挤扩回位动作,自动完成3n岔腔或环状空腔成型。压力、角度和位移传感器能准确反映挤扩装置作用在地层上的压力、挤扩角度、挤扩深度、旋转角度和桩孔深度,从而能够全面了解工作情况和挤扩效果,便于控制施工质量。电脑自控液压系统可对挤扩装置进行全自动控制并自动记录挤扩过
16、程的参数值。挤扩装置的三个弓压臂为等角度布置,工作时三个方向同时受力,受力均匀,工作稳定。图8-5-7 DX型挤扩装置车载系统 8-5-8 DX型挤扩装置结构图1-挤扩装置 2-控制系统 3-泵站 1-三岔挤括弓压臂 2-双单向液压油泵 3-旋转装置4-履带式起重机 5-油管 6-钢丝绳 4-定位装置 5-油管 6-钢丝绳 7-液压传感器表8-5-2 DX型挤扩装置主要技术性能 设备型号参数98-400型98-600型适应挤扩的直孔直径(mm)400600600800弓压臂收回最小尺寸(mm)380580弓压臂伸出最大尺寸(mm)10801550弓压臂宽度(mm)130160200240挤扩最
17、大尺寸时两壁夹角()7070液压系统额定工作压力(MPa)2525油缸推力(kN)12562266油泵流量(L/min)36.763电机功率(kW)18.5372.7 挤扩桩施工方法2.7.1 施工程序挤扩桩的直孔成孔、清孔、钢筋笼制作安装及混凝土浇筑方法与一般灌注桩相同,分支和承力盘的挤扩施工程序如下:(1)采用泥浆护壁或干作业钻成直孔,成孔后进行第一次孔底沉渣清理;(2)用吊车将挤扩装置放入孔中;(3)按设计位置,自上而下依次挤扩形成分岔及环状承力盘腔体;(4)移走挤扩装置;(5)检查钻孔孔形、分岔与盘腔体的位置与尺寸,第二次清理孔底沉渣;(6)下设钢筋笼;(7)下设混凝土浇筑导管,浇筑水
18、下混凝土;(8),拔出导管、护筒,成桩;2.7.2 操作要点及注意事项(1)对一般粘性土,油压控制在6 MPa7MPa;对坚硬密实砂土为20 MPa25 MPa。(2)若无自动旋转、定位装置,可在压完一个分支后,用短钢管插入分支器上部连接管上的插孔内旋转一定的角度,在同一高程上继续挤压下一个分支。(3)挤扩施工可能造成孔壁局部变形和孔底沉渣增加,所以挤扩之后一定要修整孔壁和进行第二次清孔。(4)由于挤扩施工对地层要施加很大的侧压力,故当桩距小于3.5倍桩径时,应采用间隔跳打的施工方法,以免造成塌孔和影响桩身质量。(5)桩的分支未配钢筋,靠混凝土的剪力传递压力,因此该处的混凝土要保证密实,浇筑过
19、程中应严格控制坍落度,并勤活动导管插捣混凝土。(6)施工中如发现地质变化、承载力不够时,应根据具体情况加深主桩或增加分支、承力盘的数量。3 锤击扩底灌注桩3.1 基本原理锤击扩底灌注桩又称夯扩灌注桩,它是在锤击沉管灌注桩的基础上加以改进,增加了一根与外桩管长度基本相同的内夯管,以代替混凝土预制管靴与外管同步打入设计深度,采用锤击的方式挤压孔底的混凝土和地基,在桩底形成扩大头的一种桩型。由于增大了桩端支承面积,挤密了桩端土,使桩的承载力有较大幅度的提高;同时桩身混凝土在内夯管的压力作用下成型,使桩身质量得以保证。3.2 特点及适用范围夯扩灌注桩主要有以下特点:(1)单桩承载力高,一般可达1100
20、kN。(2)可消除一般灌注桩易出现的缩颈、裂缝、不密实、回淤等缺陷,质量可靠。(3)工艺合理,经济实用,工程造价比一般混凝土灌注桩降低30%40% 。(4)施工设备简单,上马快,操作方便。夯扩灌注桩适用于一般粘性土、粉土、黄土、淤泥质土;也可用于有地下水的情况;可在20层以下的高层建筑基础中应用。夯扩灌注桩的桩径一般为300mm400mm,最大桩长为20m。3.3 机具设备夯扩桩施工设备是由沉管灌注桩施工设备改装而成,主要有机架、桩锤、外管、内夯管、行走机构等组成部分。另配2台2 t慢速卷扬机作拔管用。机架有井式、门式和桅杆式等形式;桩锤一般采用柴油锤,柴油锤又有导杆式和筒式之分。常用的DD型
21、柴油桩锤有1.8、2.5、4.0t等规格,多用1.8t的桩锤。行走机构一般为走管式,少数为走轨式和履带式。外管一般用直径325mm或377mm无缝钢管。内夯管直径一般为219mm , 壁厚10mm;内管长度比外管短100mm200mm,土质较好、地下水位较低时取小值,反之取大值。内管顶部带有直径大于外管直径的环形盖板,沉管时用以带同外管一起下沉。内夯管底端可采用封闭锥底,也可采用封闭平底。3.4 施工工艺3.4.1 施工程序(见图8-5-8)(1)在桩位处按要求放置厚度100mm200mm的同等级干硬性混凝土。(2)将内外管套叠对准孔位同步打入土中至设计深度。(3)拔出内夯管,向外管内灌入第一
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