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高层建筑灌注桩施工方法简介在世界各国的深基础工程中，桩基是主要手段，而在桩基中应用最广泛的是混凝土灌注桩。在高层建筑、桥梁工程中大直径混凝土灌注桩的应用越来越普遍，这是由于它具有一系列优点：(1)单桩承载力高，一根桩可以承受几百吨乃至几千吨，能满足高层建筑的框架结构、筒体结构和剪力墙结构体系的需要，由于单桩承载力高，可以作到一根柱子下面只有一根桩，可以不作承台；(2)岩层埋藏较浅时，大直径灌注桩可以嵌入岩层一定深度，使桩更加结实牢固；(3)大直径灌注桩由于成孔直径大，施工时下放钢筋笼方便，灌注水下混凝土也易于保证质量；(4)大直径灌注桩既能承受较大的垂直荷载，也能承受较大的水平荷载，而且能嵌入地层一定深度，其抗震性能也较好，同时沉降也小，能防止不均匀沉降。(5)灌注桩施工不存在沉桩挤土问题，振动和噪音均很小，对邻近建筑物、构筑物及地下管线、道路等的危害极小。但是，混凝土灌注桩的成桩工艺较复杂，尤其是湿作业成孔时，成桩速度也较预制打入桩慢。且其成桩质量与施工好坏密切有关，成桩质量难以直观的进行检查。大直径的混凝土灌注桩，在我国高层建筑施工中得到愈来愈广泛的应用。北京、上海、天津、广州、深圳等地一些著名的高层建筑不少都是利用混凝土灌注桩。通过工程实践，在机械设备、成桩工艺和质量检测方面都取得长足的进步。混凝土灌注桩的成孔，按设计要求和地质条件、设备情况，可采用钻、冲、抓和挖等不同方式。成孔作业还分为干式成孔(孔内无水)和湿式成孔(孔内有水)，分别采用不同的成孔设备和技术措施。湿式成孔时，需采用泥浆护壁，并用水下混凝土的浇筑方式浇筑桩身混凝土。钻孔灌注桩施工可采用干式成孔或湿式成孔，成孔后吊放钢筋笼，灌注混凝土而成。施工时要保证设计要求的孔径、孔深和孔的垂直精度，并保证孔底松士沉渣厚度满足规范要求。(一)干式成孔的钻孔灌注桩干式成孔用螺旋钻机(图5-10)，它由主机、滑轮组、螺旋钻杆、钻头、滑动支架、出土装置等组成。由螺旋钻头切削土体，切下的土随钻头旋转并沿螺旋叶片上升而排出孔外。这种钻机效率高，无振动、无噪音，宜用于匀质粘性土，亦能穿透砂层。用螺旋钻机成孔时，钻机就位检查无误后使钻杆慢慢下移，当接触地面时开动电机，先用慢速钻进，以免钻杆晃动，又易于保证桩位和垂直度。遇硬土层亦应慢速钻进。钻至设计标高时，应在原位空转清土，停钻后提出钻杆弃土。钻出的土应及时清除，不可堆在孔口。钻进时如发现钻杆不正常的晃动或难以钻进，应立即提钻检查，排除障碍。钢筋笼宜一次整体吊入，如过长亦可分段吊，两段焊接后再徐徐沉放孔内。吊放钢筋笼时严防碰撞孔壁。经检验合格后，应及时灌注混凝土，深度大于6m时靠混凝土下冲力自身砸实，小于6m者以长竹杆插捣，上面的2m用振动器捣实。螺旋钻孔灌注桩目前在国内外发展很快。除上述用干式成孔的螺旋钻机施工法之外，还有下述几种方法：1.大芯管、小叶片的螺旋钻机成桩法，这种钻机的钻杆芯管较粗，待钻至设计标高后，通过芯管下放钢筋笼，然后灌注混凝土，留下钻头、拔出钻杆即可。该法无振动、无噪音，是美国60年代开始使用的，现在欧、美一些国家仍在使用。2．日本的CTP工法该法是用带普通螺旋钻杆的钻机成孔，待钻至设计深度后停钻，打开钻头底活门，然后边提钻杆边通过中空的钻杆芯管向孔内泵送混凝土直至孔口，然后向孔内混凝土中压入或打人钢筋笼而成桩。该法日本从70年代开始应用，目前欧洲各国仍应用较多。但该法混凝土的泵送压力小于2MPa，且向已灌注混凝土的桩孔内压入钢筋笼较困难，因而应用受到一定的限制。3．钻孔压浆成桩法该法是我国的一项专利。其工艺原理是：先用螺旋钻机钻孔至预定深度，通过钻杆芯管利用钻头处的喷嘴向孔内自下而上高压喷注制备好的以水泥浆为主剂的浆液，使液面升至地下水位或无坍孔危险的位置处，提出全部钻杆后，向孔内沉放钢筋笼和骨料至孔口，最后再由孔底向上高压补浆，直至浆液达到孔口为止。成桩的桩径Ф300~1000mm,深度可达50m。该法连续一次成孔，多次由下而上高压注浆成桩，具有无振动、无噪音、无护壁泥浆排污的优点，又能在流砂、卵石、地下水位高易坍孔等复杂地质条件下顺利成孔成桩，而且由于高压注浆时水泥浆的渗透扩散，解决了断桩、缩颈、桩间虚土等问题，还有局部膨胀扩径现象，因此单桩承载力由摩擦力、支承力和端承力复合而成，比普通灌注桩约提高1倍以上。该成桩工艺，自1985年以来已在国内几百个高难度基础工程中成功应用，累计达几十万延米，也引起世界上许多国家的重视，技术在国际上领先。(二)湿式成孔的钻孔灌注桩湿式成孔钻孔灌注桩的成孔，可用冲抓锥成孔机、斗式钻头成孔机、冲击式钻孔机、潜水电站、大直径旋入全套管护壁成孔钻机(贝诺托Benote钻机)和工程水文地质回转钻机等。1．冲击式钻孔机成孔该机主要用于岩土层中，施工时将冲锥式钻头提升一定高度后以自由下落的冲击力来破碎岩层，然后排除碎块后成孔。冲击式钻头重量一般为500～3000kg，按孔径大小选用，多用钢丝绳提升。在孔口处埋设护筒，稳定孔口土壁及保持孔内水位，护筒内径比桩径大300～400mm，护筒高1.5～2.0m，用厚6～8mm钢板制作，用角钢加固。掏渣筒用钢板制作，用来掏取孔内渣浆。2．潜水电钻成孔潜水电钻是近年来应用较广的一种成孔机械。它是将电机、变速机构加以密封，与底部的钻头连接在一起组成钻具。可潜入孔内作业，以正(反)循环方式将泥浆送人孔内，再将钻削下的土屑由循环的泥浆带出孔外。潜水电钻体积小，重量轻，机动灵活，成孔速度较快，适用于地下水位高的淤泥质土、粘性土、砂质土等，换用合适的钻头亦可钻入岩层。钻孔直径约800～1500mm，深度可达50m。它常用笼式钻头(图5—11)。3.斗式钻头成孔机成孔斗式钻头成孔机国内尚无定型产品，多为施工单位自行加工。国外有定型产品，日本的加藤式(KATO)钻机即属此类，有20HR、20TH、50TH型号，钻孔直径500～2000mm，钻孔深度60m。斗式钻头成孔机由钻机、钻杆、土斗、传动与减速装置等组成，如图所示。钻机利用履带式桩机，钻杆由可伸缩的空心方钢管与实心方钢芯杆组成。芯杆的下端以销轴与斗式钻头相连。提起钻杆时，内、中钻杆均收缩在外套杆内，钻孔取土时，随着钻孔深度的增加，先伸出中套杆，后伸出内芯杆。电动机通过齿轮变速箱减速后作用于方形钢钻杆上，控制工作转速为7r／min。用此法成孔的施工过程如图5-13所示．先开孔，斗式钻头装满土后提出钻孔卸于翻斗汽车，然后继续挖土，待其达到一定深度则安设护筒并输入护壁泥浆，然后正式开始钻孔。达到设计深度后仔细进行清碴，接下来吊放钢筋笼和用导管浇筑混凝土。用此法成孔的优点是：机械安装简单，工程费低；最宜在软粘土中开挖；无噪音、无振动；挖掘速度快。其缺点是：如土层中有压力较高的承压水时挖掘较困难；挖掘后桩的直径可能比钻头直径大10％～20％；如不精心施工或管理不善，会产生坍孔。4．大直径旋入全套管护壁成孔(Benote)钻机成孔贝诺特钻机首先用于法国，后来传至世界各地。它是利用一种摇管装置边摇动边压进钢套管，同时用冲抓斗挖掘土层。除去岩层，几乎所有的土质都可挖掘。该法是工大直径钻孔桩有代表性的三种方法之一，在国外应用较为广泛，我国在施工广州花园酒店的直径1200mm的灌注桩时，也曾使用过法国制造的贝诺特钻机。贝诺特钻机的主要构造如图所示，施工时先将套管垂直竖起并对准位置，然后用摇管装置1将套管2边摇动边压入。套管长度有6、4、3、2和1m等几种供选用，一般多选用6m，套管之间用锁口插销进行连接。摇管装置由夹紧器、摇动装置、上面的链条滑车以及压进和拔出用的千斤顶组成。施工时用摇动臂和专用的夹紧千斤顶将钢套管夹住，利用摇动千斤顶使钢套管在圆周方向摇动，同时尚可压进或拔出套管。由于摇动使套管与土层间的静摩擦消失，使套管借助自重和压进千斤顶的压力顺利地进行下沉。用贝诺特钻机挖土时，在压入钢套管后，用卷扬机将冲抓斗(一次抓土量为0.18～0.50m3)放下与土层接触抓土，然后将其吊起至位置4，再向前推出至状态5，此时靠钢丝绳操纵使冲抓斗的抓瓣张开，使土落至砂土槽6上，装于翻斗车运出。如此反复进行挖土，直至挖到设计规定的深度为止。在钻孔达到设计深度后，清除钻碴，然后放下钢筋笼，用导管进行浇筑混凝土，并拔出套管。用贝诺特钻机施工时，保证套管垂直非常重要，尤其是在埋设第一、二节套管时更应注意。为了保证能垂直的埋设套管，首先应当注意贝诺特钻机本身是否水平。在软土地基上安装机械，即使开始时呈水平状态，但在起吊和竖立套管时，由于重心位置前移，容易造成前方向下倾斜。此时，就应在地面上满铺枕木以扩大支承面积。挖掘开始时，应随挖掘随测定套管是否垂直，一旦发现套管倾斜，就要拔出套管，重新调正贝诺特钻机的水平。为保证桩体垂直，第一、二节套管必须谨慎地加以埋设。用贝诺特钻机施工，会由于冲抓斗冲击、抓瓣抓土和地下水压力引起的翻砂等使桩尖处土层松软。也会由于套管刃脚与套管外围尺寸的差额、地下水及摇动套管等使桩周围的土层变松软，这对于砂性土尤为显著。由于上述原因，减少使桩周围土层变松软的范围(塑性区域)方法为：为减少桩尖处土层的松软，在开挖时应使桩孔内的水位保持在地下水位以上，使地下水压不致产生翻砂现象，另外，桩尖处的土层应绝对避免超挖，还应该避免采用冲击方式挖掘桩尖处的土层。贝诺特法的优点是：(1)相比较而言，无噪音、无振动；(2)除岩层外，其他任何土质均可适用；(3)在挖掘时，可确切地搞清楚持力层的土质，便于选定桩的长度；(4)挖掘速度快，挖深大，一般可挖至50m左右；(5)在软土地基中开挖，由于先行压入套管，不会引起坍孔；(6)由于有套管，在靠近已有建筑物处亦可进行施工；(7)可施工斜桩，可用搭接法施工柱列式地下连续墙。贝诺特法的缺点是：(1)因为贝诺特钻机是大型机械，施工时需要占用较大的施工场地；(2)在软土地层中施工，尤其是在含地下水的砂层中挖掘，由于套管的摇动会使周围一定范围内的地基松软；(3)如地下水位以下有厚细砂层时(厚度5m以上)，由于套管摇动会使土层产生排水固结作用，往往因此而不能继续向下挖掘；(4)由于冲抓斗的冲击会使桩尖处持力层变得松软；(5)根据地质情况的不同，已挖成的桩径会扩大4％～10％。5、工程水文地质回转钻机成孔回转钻机是目前灌注桩施工用得最多的施工机械，该钻机配有移动装置，设备性能可靠，噪音和振动小，效率高，质量好。该钻机配以笼式钻头，可多档调速或液压无级调速，以泵吸或气举的反循环或正循环方式进行钻进。它适用于松散土层、粘土层、砂砾层、软硬岩层等各种地质条件。其施工程序如图5-16所示。回转钻机成孔工艺应用较多，现分别详述如下。(1)正循环回转钻机成孔。正循环回转钻机成孔的工艺原理图如图5-17所示，其设备简单，将常用的地质钻机、水文钻机等稍加改装即可。操作简单、工艺成熟。当孔深不太深、孔径800mm时钻进效果较好。当桩孔径较大时，钻杆与孔壁间的环形断面较大，泥浆循环时返流速度低，排碴能力弱。如使泥浆返流速度达到0.20～0.35m／s，则泥浆泵的排量需很大，有时难以达到，此时不得不提高泥浆的相对密度和粘度。但如果泥浆相对密度过大，稠度大，难以挂出钻碴，孔壁泥皮厚度大，影响成桩和渣孔，这是正循环回转钻机成孔的弊病。正循环成孔，专用钻机有GPS一10、XY5G、GJC40H等型号；改装后的钻机有SPJ-300、红星400、SPC一300H型等。正循环回转钻机成孔的基本参数为：1)钻压：钻孔时，钻头是在钻压和回转扭矩作用下切削和破碎岩土而获得进尺切削下来的钻碴则由泥浆携出桩孔。为此，钻进时需有一定的钻压。钻压一般根据地层条件、钻杆与桩孔的直径差、钻头形式、切削刀具数目、钻具强度、设备能力等因素综合考虑确定。当用硬质合金钻进成孔时，每片切削刀具的钻压以800～1200N或每颗合金的钻压取400～600N为宜，可由此确定钻头的钻压。2)转速：转速的选择除满足破碎岩土的扭矩需要外，还要考虑钻头不同部位切削刀具的磨耗情况。正循环回转钻机成孔时，根据岩土情况合理选择钻头和泥浆性能。下钻头后，先使其距孔底50～80mm