沉管擴底灌注樁施工方法
2023-12-10 22:52:12
專利名稱：沉管擴底灌注樁施工方法
技術領域：
本發明涉及建築基礎施工中就地灌注混凝土樁中的一種沉管擴底灌注樁的施工方法。
背景技術：
作為建築基礎的混凝土樁的施工方法可分為預製混凝土樁和就地灌注混凝土樁兩大類施工方法。其中就地灌注混凝土樁的施工方法種類繁多，針對不同的地層條件研製了多種多樣的施工設備和施工工藝。樁身成孔工藝有鑽孔、衝孔、挖孔、螺旋成孔和沉管成孔等多種。
為了增加樁端承載力，常常在樁端擴底形成擴大頭。擴底工藝有鑽擴、爆擴、壓擴、夯擴、注擴及挖擴等多種類型。其中沉管擴底灌注樁的施工方法是將樁管沉入到土層內設計標高后，在樁管內投入碎石、卵石，和/或幹硬性混凝土等固體填料夯擊出樁管底端形成擴大的端頭部，再在其上澆築樁身後成樁。該法的優點是(1)成孔時孔壁有樁管保護，不會產生坍孔；(2)能在地下水位以上和以下的土層內成孔，適用範圍較廣；(3)沉管施工中能對鬆軟地層有擠密作用，可增加樁側摩阻力，再加上擴底，使樁的承載力有較大幅度提高；(4)沉管力作用在樁管頂部的沉管方式與預製樁的成樁方式相同，用於預製樁的施工設備稍加改進就可使用。因此沉管擴底灌注樁在國內外均獲得了廣泛應用。
根據沉管力的作用位置不同，沉管擴底灌注樁的施工可分為在樁管頂部用錘擊、振動等方式進行沉管的頂擊式沉管法，和在管內夯擊進行沉管的內擊式沉管法兩類。
在頂擊式沉管法中又有單樁管和雙管(外管為樁管，內管為芯管)兩種形式。採用單樁管施工時，樁管底部用樁靴(由鋼、鑄鐵或預製鋼筋混凝土製造)封底，在達到設計深度後在樁管內投入混凝土，用內夯錘夯擊出管底，在樁端形成擴大頭後澆築樁身。採用雙管施工時，外樁管的底部有帶樁靴和不帶樁靴的兩種(1)帶樁靴施工時，在達到設計深度後，撥出芯管，在樁管內投入一定量的混凝土，頂部錘擊芯管將混凝土擠出外樁管底端形成擴大頭後澆築樁身。如目前的打孔灌注樁(日本)、西方擴底樁(WesternPedestal Pile)、Vibro樁、Simplex樁，Delta樁、Alpha樁等，其工藝和設備大同小異。(2)不帶樁靴施工時，芯管縮進外管內一定距離，以夯密的幹混凝土代替樁靴封底止淤，將樁管和芯管共同打入至設計標高后將芯管抽出，灌入混凝土，放入芯管，頂部錘擊芯管將混凝土擊出外管底形成擴大頭後澆築樁身。因該法施工不用樁靴，故可減少制樁成本，為我國浙江省有關單位研製，稱為中國式的夯擴樁。上述沉管方式，無論是採用單管法還是雙管法施工、帶樁靴或不帶樁靴施工，由於沉管力都是作用在管頂，即在管頂進行錘擊，因此振動和噪聲大，不利於環境保護。此外，其管頂錘擊的沉管力需使樁管同時克服沉管過程中的管側面阻力和端部阻力後才能沉入，因此當遇硬夾層時，樁管較難沉入，其應用受到一定限制。
內擊式沉管法均採用單樁管施工，又可有兩種不同的沉管方式。一種是福蘭克(Franki)成樁法，即先在樁管內放入一定量的碎石或幹硬性混凝土，由內部落錘夯擊管內的碎石或幹硬性混凝土柱塞，靠柱塞與管壁間的摩擦力將樁管沉入土內，達到設計深度後固定住樁管將柱塞擊出，再投入一定量混凝土，夯擊形成擴大頭後澆築樁身。施工時因在管內夯擊，振動與噪聲比上述在管頂錘擊的施工法要小得多，但同樣存在沉管時必須同時克服側阻和端阻才能沉入，因此遇硬夾層時樁管較難沉入；此外，其貫入力取決於柱塞與管壁間的摩擦力，管內放入碎石或幹硬性混凝土量較難控制等問題。另一種是中國專利號98101041.5、98101332.5、99100566.X和00106288.3等披露的方法，即由管內細長夯錘夯出管底一定深度後壓入樁管，不斷重複此過程，在達到設計深度後投入固體填料，用錘夯擊成填料擴大頭，再投入幹硬性混凝土後夯擊形成所謂的複合載體擴大頭。由於該法施工中夯錘的夯擊能量大，夯擊形成的擴大頭比其它擴底樁大，擴大頭下部的土層可以得到有效擠密，因而其單樁承載力較高，同時由於該法先在管底夯擊成孔後再壓入樁管，端阻力和管側阻力系分別克服，因而沉入硬夾層的能力大。但在軟弱土層內沉管時，上述夯孔和壓管的交替施工法的效力較低。為提高工效，已有採用在管頂裝振動錘，直接將樁管振入至設計標高后再進行複合載體施工，而此方式已與上述單樁管頂擊式沉管法施工類似。同時，該施工方法在遇到粘性較大的土層時，由於土粘附在夯錘表面，不僅拔錘困難，而且在錘擊時不能達到自由落錘，使錘擊力大為減弱，沉管速度較低，並且泥土從管內向外飛濺的現象嚴重；而在地下水比較豐富、透水性較好的地層內施工時，水錘效應將使錘擊力減弱，水也會從管內飛濺出來，影響周圍環境；當遇到硬塑至堅硬的粘性土地層時，夯錘又難以擠開土層，在卵石層內施工時樁管難以壓入，因而不僅沉管速度較慢甚至不能沉管。另一方面，在擠土效應較嚴重的土層內施工時，還會出現斷樁、縮頸和吊腳等質量問題。
發明內容
針對上述情況，本發明將提供一種在此基礎上改進的沉管擴底灌注樁的施工方法，使其既能克服上述各種施工方法的缺點，又能集中其優點，揚長避短，具有噪音小，沉管能力強，適應土層範圍廣等優點。
本發明的沉管擴底灌注樁施工方法的基本過程，同樣是將樁管沉入土層內至設計深度後，在樁管內裝入包括幹硬性混凝土在內的固體填料並將其夯擊出樁管底端外形成擴大端頭，再在其上灌注混凝土或鋼筋混凝土樁身。其特點是用雙管內擊方式將樁管沉入土層內至設計深度。即，採用在貫通的外樁管內間隙配合有一根底端封閉且長度大於外樁管的內夯管所構成的雙管式結構，並在內外兩管的管頂分別設置有能相互配合的限位結構，以用細長錘(質量通常為3500～5000kg)在內夯管內夯擊其底部的雙管內擊方式所產生的夯擊力帶動外樁管沉入土層內至設計深度。然後即可按目前已有的方式在樁管內裝入碎石、卵石和/或幹硬性混凝土等固體填料並夯擊出樁管底端外進行擴大頭的施工。
本發明的上述施工方法中，進行沉管時所用雙管中的內夯管的底端封閉結構，特別是與土層接觸的底端部分，根據施工需要可以為錐形底外端頭形式，也可以為平底外端頭形式。採用錐形底時，樁管貫入土層的能力強；採用平底時，特別是在擴大頭施工中對固體填料的夯擊效果更為理想。為方便不同的施工需要，所說該內夯管的底端封閉結構可以採用能拆裝、更換的組合式結構。
沉管時以細長錘在內夯管內夯擊其底部時，為避免夯錘直接夯擊其底端封閉結構所帶來的不利，減少管端構件內的夯擊應力和噪音，在內夯管內可以預先裝入一些粗砂、碎石等填充物後，再以細長錘夯擊進行沉管作業。
採用上述的雙管內擊式施工方法時，根據施工場地土層的不同情況可以有不同的沉管方式可供選擇。
例如，在軟弱土層中沉管施工時，可以採用內外兩管同步沉入的方式進行，即夯擊內夯管使其先進入土層內至兩管管頂的限位結構進入配合狀態，繼續夯擊內夯管並由其帶動外樁管，使兩管同時沉入土層內。
由於採用樁基的大多數場地都是由於上部土層較軟弱，不能採用天然地基上的淺基礎，需要通過樁將上部結構荷載傳至下部較好的土層中，因此內外管同步沉入方式是該法施工中最基本的沉管方式。
在較硬土層中沉管施工時，可以採用內外管交替沉入方式進行，即夯擊內夯管使其先進入土層內至兩管頂部的限位結構進入配合狀態後，提起內夯管，在兩管的限位結構間置入一個長度不大於內外兩管間長度差的傳力結構件，繼續夯擊內夯管並通過兩管間的限位結構及其間的傳力結構件，帶動外樁管同時沉入一個不大於該傳力結構件長度的深度，然後撤除該傳力件，繼續夯擊內夯管再使其單獨下沉，使兩管間的限位結構再次進入配合狀態並重複上述操作，使兩管以交替方式沉入土層。
採用上述內外管交替沉入方式操作時，由於內夯管的長度大於外樁管，因此內夯管先夯入土層內時所需克服的主要為端阻力；而提起內夯管並置入傳力結構件後，再由內夯管帶動外樁管夯入時，所需克服的則主要為外樁管的側阻力。通過內外兩管的交替沉入，即可將沉管時所必須克服的端阻力和側阻力分解並分別克服，解決了在較硬地層中沉管阻力大難以沉管的問題，可以大大提高在較硬土層中的沉管速度。
實現上述內外管交替沉入時，需使用所說的該傳力結構件。試驗顯示，所使用的該傳力結構件的軸向長度應不大於內夯管與外樁管間長度差，並且以採用等於內外兩管間長度差的長度為佳先期內夯管克服端阻力的沉入深度，與後期外樁管克服側阻力的沉入深度相等，均為內外兩管的長度差，以達到高效率。
在硬塑至堅硬土層中沉管施工時，可以採用外管取土沉入方式進行，即先在內外兩管的限位結構間置入一個長度大於其長度差的傳力結構件，從而使內夯管的底端縮進外樁管管底內。夯擊內夯管並通過兩管限位結構及其間的傳力結構件帶動外樁管切入土層內一個不大於內夯管縮進長度的深度後，將內外兩管同時提出地面，撤除傳力結構件後，通過夯擊內夯管將外樁管底端內的存土擊出並移走，再提起內夯管重新置入傳力結構件，於原樁孔處重複上述使外樁管切入土層內和擊出並移走外樁管底端內存土的操作，使外樁管逐步沉入土層。
上述外管取土沉入方式過程中將外樁管底端內的存土擊出並移走可以有多種不同的方法。例如，可以將同時提出地面的內外兩管置於推入的小車等運輸設備之上，在撤除傳力結構件後，通過夯擊內夯管使外樁管底端內的存土擊落於小車內即可被運走。
上述的外管取土沉入方式中同樣也需使用相應的傳力結構件，並且該傳力結構件的長度應大於內外兩管間的長度差，否則將難以將外樁管底端內的存土擊出。試驗顯示，該傳力結構件的長度以採用為內外兩管間長度差的兩倍為好。其結構形式除可以採用一個軸向長度為內夯管與外樁管的長度差兩倍的整體結構件外，特別以採用由兩個軸向長度相同且分別等於內外兩管間長度差的組合形式為佳，既方便施工操作，且效率高。
在硬塑至堅硬土層中沉管施工時，採用上述的外管取土沉入方式，既能有效地解決在堅硬地層內不能沉管的問題，又可以消除或減少因擠土效應產生的斷樁、縮頸和吊腳的質量問題。
根據施工場地的土層實際情況，上述不同方式的沉管操作既可以單獨採用，也可以相互配合使用，以達到理想的沉管效果。
本發明的上述雙管內擊式沉管擴底灌注樁的施工方法，與沉管力作用在管頂的頂擊式雙管法相比，不僅施工時噪音小，而且因其在施工中可以針對樁管在沉入過程中土層的軟硬情況不同分別採用不同的施工操作方式沉管，因此其沉管的能力要比雙管頂擊式沉管法強，適應土層範圍更廣。
本發明施工法中內夯管的沉入方式也明顯不同於福蘭克樁施工法中樁管的沉入方式。福蘭克樁施工方法中內夯錘的夯擊力必須要使單樁管同時克服端阻和側阻後才能沉入，因而其沉入硬層的能力弱。本發明的施工方法採用的是雙管結構，從而在沉入硬層時可以採用使沉管時必須克服的端阻力和側阻力能被分別克服的內外管交替沉入或外管取土的操作方式進行，從而顯著增加了樁管沉入硬土層的能力。
與採用單管內擊式的複合載體夯擴樁施工法相比，本發明的施工法的下述優點是顯而易見的(1)本發明施工法中夯錘夯擊內夯管使其沉入土層內時，夯錘並不直接接觸土層，夯錘上不會沾土，因而對於一定落高，夯擊能量紿終保持不變，拔錘力不增大，而且管底的土、水等不會濺出管外。而在目前的複合載體夯擴樁施工法中，夯錘直接夯擊土層，在潮溼的粘性土層內夯入時，粘性土粘附在夯錘表面，既增加了拔錘時的阻力，又減弱了落錘時的夯擊能量，此外錘擊時，管內水、土向外飛濺嚴重，使工作環境條件惡化和不利於環保要求。(2)本發明的施工法中外管是靠夯擊力夯入，沉入能量大，樁管較易沉入。而複合載體夯擴樁施工法中樁管的沉入是靠副卷揚機的靜壓力壓入，因而沉入能量較小，在卵石層內施工時樁管難以沉入。(3)本發明的施工法可以有針對性地根據軟硬不同的土層採用相應的沉管操作方式，因而沉管能力強，適用土層廣，施工速度快。而複合載體夯擴樁施工法中只能採用夯入與壓管交替的方式沉入，因此施工方式單一，沉管速度慢，適用土層有局限性。(4)複合載體夯擴樁施工法不適合於在有承壓水和地下水豐富的土層內施工，夯擊時水錘效應嚴重，成孔困難，而本發明的施工法中夯錘不直接接觸水因而不會產生水錘效應，在水下照樣可以成孔。(5)複合載體夯擴樁施工法屬於擠土樁，常會因擠土效應出現斷樁、縮頸及吊腳等質量問題，而本發明的施工法在擠土效應嚴重的土層內施工時可以採用外管取土法沉管，從而可以減輕或消除擠土效應的影響。
因此，無論是與現有內擊式的單管法(福蘭克樁法和複合載體夯擴樁法)或頂擊式的雙管法比較，本發明的雙管內擊式沉管擴底灌注樁的施工方法都具有沉管能力強、施工速度快，適應土層廣，在地下水條件複雜的情況下均能施工等顯著特點。
以下通過由附圖所示實例的具體實施方式
，對本發明的上述內容再作進一步的詳細說明。但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實例。在不脫離本發明上述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包括在本發明的範圍內。
圖1是本發明雙管內擊式施工方法在軟弱土層內採用內外管同步沉入方式的施工流程示意圖。
圖2是本發明雙管內擊式施工方法在較硬土層內採用內外管交替沉入方式的施工流程示意圖。
圖3是本發明雙管內擊式施工方法在堅硬土層內採用外管取土沉入方式的施工流程示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，採用的是在貫通的外樁管4內間隙配合有一根長度大於外樁管4的內夯管2所構成的雙管式結構，內夯管2的底端為一可拆卸更換的裝配式封閉結構7，並預裝有適量的粗砂、碎石等固體填充物6。該封閉結構7可以根據施工需要選擇為錐形的外端頭，或是平底形式的外端頭。在內夯管2和外樁管4的頂部分別設置有能相互配合的限位環等形式的限位結構1，3。
在沉入土層比較軟弱時，在沉管過程中其側阻和端阻均較小，側阻和端阻可同時克服。以細長錘5在內夯管2內錘擊其底部時，較長的內夯管底端先伸出外樁管4的管底進入土層。當內外兩管管頂的限位結構1，3互相接觸後，繼續錘擊時內夯管將帶動外樁管一起沉入土內，直至設計深度。圖1中所示由(a)～(h)的各步具體操作流程分別為(a)移機就位；(b)夯擊使內外管同步沉入；(c)外管沉入到設計深度；(d)提起內管，向外管內依次投入固體填料，放下內管進行夯擊形成擴大頭10；(e)測定三擊貫入度；(f)夯擊幹硬性混凝土；(g)放入鋼筋籠8；(h)澆注混凝土樁身9，或也可採用在外管內放入預應力管樁9，在管樁周圍填入砂、礫石固定樁身，管底進行壓力注漿，直至漿液從樁周冒出地表後成樁。
圖2所示的是本發明雙管內擊式施工方法採用內外管交替沉入方式的施工流程。當遇到土層較硬、沉管速度較慢時，說明夯擊力難以同時克服側阻和端阻，則可以採用此操作方式施工。圖2中由(a)～(d)的各步具體操作流程分別為(a)採用圖1中同樣的雙管結構，使外樁管4的管底位於較硬土層層面上，夯擊內夯管2使其先進入土層內至內外兩管頂部的限位結構1，3接觸；(b)提起內夯管2；(c)在內外兩管間的限位結構1，3間置入一個長度為兩管長度差的傳力結構件11，使內外兩管的管底為齊平狀，繼續錘擊內夯管2，通過兩限位結構1，3及其間的傳力結構件11帶動外樁管4同時沉入到內夯管2之前的已達深度；(d)然後撤除該傳力結構件11，回復到起始狀態(a)，並重複進行這一使內夯管2先克服端阻進入新土層，再帶動外樁管4克服側阻跟進的交替沉入操作，直至外管穿過較硬土層或達到設計深度止。
圖3所示的是本發明雙管內擊式施工方法在硬塑～堅硬的粘性土地層內難以沉管或在擠土效應嚴重的土層內沉管時採用外管取土沉入方式的施工流程。
圖中由(a)～(e)的各步具體操作流程分別為(a)採用圖1中同樣的雙管結構，使外樁管4的管底位于堅硬土層層面上，在內外兩管的管頂限位結構1，3間設置二個等長且均等於內外管長度差的傳力結構件11，使內夯管2縮進外樁管4底端內一個傳力結構件11的高度；(b)錘擊內夯管2使外樁管4切入土層內一個傳力結構件11的深度；(c)提起內外兩管並置於推入的推車12上；(d)撤除其中一個傳力結構件11後錘擊內夯管2，將外樁管4底端內的土柱擊出落於推車12內；(e)重新置入撤除的該傳力結構件11，回復到起始狀態(a)，置入原樁孔內並重複進行這一由內夯管2使外樁管4又切入新土層，再移走被切入其管端內的硬土柱逐漸沉入的操作，直至外管穿過該硬塑～堅硬的土層或達到設計深度止。
權利要求
1.沉管擴底灌注樁施工方法，將樁管沉入土層內至設計深度後，在樁管內裝入包括幹硬性混凝土在內的固體填料並將其夯擊出樁管底端外形成擴大頭，再在其上澆築混凝土樁身，其特徵是採用在貫通的外樁管內間隙配合有一根底端封閉且長度大於外樁管的內夯管所構成的雙管式結構，並在兩管的管頂分別設置有能相互配合的限位結構，用細長錘在內夯管內以夯擊其底部的雙管內擊方式所產生的夯擊力使外樁管沉入土層和進行擴大頭施工。
2.權利要求1所述的沉管擴底灌注樁施工方法，其特徵是所說的內夯管底端的封閉結構為可拆裝的組合式結構。
3.權利要求1所述的沉管擴底灌注樁施工方法，其特徵是在內夯管內的底部預先裝有固體填充物介質後再用細長錘進行夯擊。
4.權利要求1至3之一所述的沉管擴底灌注樁施工方法，其特徵是以雙管內擊方式使外樁管沉入土層時採用內外兩管同步沉入方式進行，即夯擊內夯管使其先進入土層內至兩管管頂的限位結構進入配合狀態，繼續夯擊內夯管並使兩管同時沉入土層內。
5.權利要求1至3之一所述的沉管擴底灌注樁施工方法，其特徵是以雙管內擊方式使外樁管沉入土層時採用內外管交替沉入方式進行，即夯擊內夯管使其先進入土層內至兩管頂部的限位結構進入配合狀態後，提起內夯管，在內外兩管的限位結構之間置入一長度不大於兩管間長度差的傳力結構件，繼續夯擊內夯管並通過兩管的限位結構及其間的傳力結構件帶動外樁管同時沉入一個不大於該傳力結構件長度的深度，然後撤除該傳力件，繼續夯擊內夯管再使其單獨下沉，使兩管間的限位結構再次進入配合狀態並重複上述操作，使兩管以交替方式沉入土層。
6.權利要求5所述的沉管擴底灌注樁施工方法，其特徵是所說的傳力結構件的長度等於內夯管與外樁管的長度差，在兩管間置入傳力結構件後通過夯擊內夯管帶動外樁管同時沉入土層時的深度為一個該傳力結構件長度的深度。
7.權利要求1至3之一所述的沉管擴底灌注樁施工方法，其特徵是以雙管內擊方式使外樁管沉入土層時採用外管取土沉入方式進行，即在兩管的限位結構間置入一長度大於兩管長度差的傳力結構件，使內夯管的底端縮進外樁管管底內，夯擊內夯管並通過兩管的限位結構及其間的傳力結構件帶動外樁管切入土層內一個不大於內夯管縮進長度的深度後，將內外兩管同時提出地面，撤除傳力結構件後夯擊內夯管，將外樁管底端內的存土擊出並移走，再提起內夯管重新置入傳力結構件，於原樁孔處重複上述帶動外樁管切入土層內和擊出並移走外樁管底端內的存土的操作，使外樁管逐步沉入土層。
8.權利要求7所述的沉管擴底灌注樁施工方法，其特徵是所說的傳力結構件為由兩個等長度且均等於內夯管與外樁管的長度差的組合件形式。
全文摘要
沉管擴底灌注樁施工方法，將樁管沉入土層內至設計深度後，在樁管內裝入包括幹硬性混凝土在內的固體填料並將其夯擊出樁管底端外形成擴大頭，再在其上澆築混凝土樁身。本發明採用在貫通的外樁管內間隙配合有一根底端封閉且長度大於外樁管的內夯管所構成的雙管式結構，並在兩管的管頂分別設置有能相互配合的限位結構，用細長錘在內夯管內以夯擊其底部的雙管內擊方式所產生的夯擊力帶動外樁管沉入土層和進行擴大頭施工。沉管時可分別以兩管同步沉入，和/或兩管交替沉入，和/或外管取土沉入方式進行。該施工方法的噪音小，沉管能力強，施工速度快，適應土層廣，在豐水或有承壓水的地層以及擠土效應嚴重的土層內均能施工，同時水、土不會由管內濺出影響周圍環境。
文檔編號E02D7/00GK1912255SQ200610021640
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月25日 優先權日2006年8月25日
發明者王惠昌, 王斌, 王琛, 高世科, 陳追田, 錢錦棠 申請人:中機工程勘察設計研究院, 王惠昌, 王斌, 王琛, 高世科, 陳追田, 錢錦棠