CN1274914C - 预旋喷辅助沉桩工法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预旋喷辅助沉桩工法，该方法是在预沉桩前，确定地下旋喷标高及旋喷厚度，并在沉桩点上用旋喷钻机钻至沉桩阻力层，然后用高压注浆泵将浆液通过钻杆端头的喷嘴，以喷射压力为30Mpa以上的高压水平射流喷入沉桩阻力层，同时钻杆以15～30r/min旋转，以15～30cm/min速度提升，对地下沉桩阻力层进行旋喷扰动，然后用沉桩设备进行沉桩。本发明预旋喷辅助沉桩工法避免了从自然地平开始自上而下取土，降低了沉桩阻力，提高了沉桩速度及保护了桩体，成桩后增加了桩侧向摩擦阻力。本发明适用于处理预制桩基工程施工中地下沉桩阻力层使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种地基处理施工方法，特别是一种在预制桩基工程施工中沉桩困难时，所采用的预旋喷辅助沉桩工法。
背景技术
在预制桩基工程施工中，普遍采用锤击沉桩法、静压沉桩法沉桩。在地质条件复杂的地区，特别是要穿透坚硬土夹层、粉质土、沙层、卵石层的桩(其中有钢筋砼预制方桩，PHC预应力管桩，钢管桩等)，无论是锤击沉桩法还是静压沉桩法，沉桩时都很困难，尤其是近年来设计桩径越来越大，沉桩设备也随之越来越庞大。
用锤击沉桩法沉桩，如果遇到沉桩阻力大，主要表现在锤击次数多，打桩锤反弹力大，增加了冲击力，使桩体受损。同时也缩短打桩锤使用期，甚至损坏打桩锤。有的桩在沉桩过程中锤击总数已超过JGJ94-94《建筑桩基技术规范》规定，有的桩已达到或超过《规范》规定的贯入度而无法再沉桩。
用静压沉桩法沉桩往往由于静压桩机的压力远远小于沉桩阻力，下压力不够使的沉桩时穿不过地下坚硬阻力层，沉桩不到位。如在太原钢铁集团150万吨不锈钢项目桩基工程试桩过程中采用了YZY500T静压桩机试桩；PHC600管桩在太钢不锈钢区沉桩中穿过地层第3～4层的沙层与进入第7层密实中沙层时的桩阻力在9000KN以上，而静压机下压力最大才5000KN，显然下压力是不够大的。目前我国国内最大的静压机的最大下压力为6000KN-8000KN，由于静压机的拼装、运输、下压力及工作效率远不如柴油打桩锤，所以普及率不高。
为了解决上述预制桩基工程施工中沉桩困难问题，传统的辅助沉桩法有预钻孔辅助沉桩法、冲水辅助沉桩法。这两种辅助沉桩法虽然对沉桩有效果，但是存在以下问题：(1)施工费用高，工序复杂。(2)影响沉桩的施工进度。(3)降低桩的侧向摩擦力，影响桩的承载能力。
预钻孔辅助沉桩法是在预制桩沉桩之前在桩位点用螺旋钻机钻孔排土后再进行沉桩的工艺。由于减少了地下土层对预制桩沉桩时的挤压力，所以能使桩沉到设计标高要求。目前大多数使用长螺旋钻机钻孔；螺旋钻机设备复杂，钻出的泥土需外运，施工费用增大15％～25％。由于排土成孔的原因，使沉桩后桩侧摩擦阻力显著下降；施工时排、运土时间长，不能形成流水作业工序，影响沉桩的施工进度。
冲水辅助沉桩法的基本原理是在桩尖处设置冲射管喷出高压水来冲刷桩尖处的土体以破坏土的结构，并使泥土沿桩上涌从而减小了桩尖处的土体阻力和桩表面与地基土体间的摩擦阻力，使桩在锤击、振动、静压等作用下沉入土中。冲水辅助沉桩法施工时所用的射水沉桩设备是有高压水泵、压力管、橡皮软管、射水管及喷嘴等组成射水系统。
射水沉桩可分为内冲内排、内冲外排、外冲外排等施工方法。
(1)内冲内排法：将射水管安置在空心桩的中心，喷嘴不露出桩尖、位于桩身内1m左右处，并通入压缩空气辅助向上排除泥渣浆。
(2)内冲外排法：将射水管安置在空心桩的中心，喷嘴伸出20cm～30cm，冲水搅乱的泥渣浆将沿着桩周外壁向上排出。
(3)外冲外排法：将两根以上的射水管对称地设置于桩侧面，有时也可预埋在桩内，喷嘴宜超过桩尖约20cm，泥渣浆将沿着桩周外壁向上排出。此法操作对桩周土破坏较大，桩在下沉时易发生偏斜。由于桩周和桩尖处的土体排出使沉桩后桩侧摩擦阻力显著下降，严重降低桩的承载力。且施工工序复杂，消耗大量的水，产生泥浆污染公害，只宜在特殊条件下使用。
以上两种辅助沉桩法均是利用排土来降低沉桩阻力，而且都是从自然地平面开始自上而下取土，不能够有选择地在地下某阻力层取土。
发明内容
本发明要解决的问题是在预制桩基工程施工过程中，在地质条件复杂的地区，特别是要穿透沉桩阻力层的地下粉土层、砂层、卵石层，无论是锤击沉桩法还是静压沉桩法，沉桩时贯入难的问题，其目的是降低沉桩阻力、提高沉桩速度、保护桩体，并在沉桩后又能增加桩侧向摩擦阻力，由此而提供一种在地下阻力层区域内的预旋喷辅助沉桩工法。
本发明基于上述存在的问题和所要实现的目的。所采取的技术实施方案是在预制桩沉桩前，确定地下旋喷标高及旋喷厚度，并在沉桩桩点上用旋喷钻机钻至沉桩阻力层，然后用高压注浆泵将浆液通过钻杆端头的喷嘴，以喷射压力为30Mpa以上的高压水平射流喷入沉桩阻力层，同时钻杆以15～30r/min旋转，以15～30cm/min提升速度，对地下沉桩阻力层进行旋喷扰动，然后用沉桩设备进行沉桩。
其中所述的确定地下旋喷标高及旋喷厚度是沉桩前地质勘探或是沉桩前试桩或是旋喷钻机钻入地层时钻杆进尺速度快慢确定的地下旋喷标高及旋喷厚度；所述的沉桩阻力层是沉桩难以穿透的地下粉土层或砂层或卵石层；所述的浆液是水或膨润土浆或水泥浆。
在上述方法的施工过程中注意以下要点：
(1)旋喷数个桩点后，马上进行沉桩，旋喷浆液为膨润土浆或水时，旋喷后沉桩时间最好不要超过24小时。旋喷浆液为水泥浆液时，旋喷后沉桩时间应当小于水泥浆的初凝期，也可在水泥浆液中添加缓凝剂，以延长沉桩时间。
(2)施工机具：旋喷地基单管法施工所用的机具或其它地质勘探钻机设备均可。
(3)旋喷浆液比为：水与膨润土比或水与水泥的比为1∶1。
(4)喷浆量为：Q＝d2/4×Л×h×25％
Q——喷浆量
d——沉桩直径
Л——3.14
h——喷射厚度
(5)不同旋喷设备可根据以下公式计算未知量V＝H/Q×q
V——旋喷管提升速度(m/min)
H——旋喷厚度(m)
Q——喷浆量(L)
q——泵的排浆量(L/min)
本发明通过实施上述技术方案的优点与积极效果是在预制桩沉桩时难以穿透的地下阻力层区域内，利用旋喷钻机设备将浆液(如水、膨润土、水泥浆等介质)旋喷至此后，再进行沉桩，使难以沉桩的地下区域土质增加流动性与润滑性，从而达到了顺利沉桩的目的；其机理是借高压浆液的水平射流不断切削地层土质并与切削物混合，对地下土质进行局部扰动，增加土质流动性与润滑性，沉桩时具有流动性与润滑性的土质或被挤压侧移，或被上挤或被下推下拖，使土体抗剪切强度显著降低，减少沉桩阻力。沉桩后由于桩体对土质的挤压，所旋喷浆液中的水份同土质中的孔隙水慢慢消散，在桩体表面形成一种粘结物，使沙土、碎石类土层增加了粘聚性、从而使得桩体侧向摩擦阻力提高。
本发明预旋喷辅助沉桩工法沉桩与未旋喷锤击沉桩比较如下，在同一地质条件下，使用同一种型号的沉桩设备沉桩，选同一型号的1号桩和2号桩进行试验比较，1号桩不进行预旋喷沉桩，2号桩在地下阻力层实施预旋喷辅助沉桩工法，对两套桩沉桩过程的指标进行实验对比，并对沉桩后的两套桩进行荷载试验，测定桩的承载能力等有关指标，最后对比荷载试验结果如下：
一.与沉桩过程中锤击数的试验对比
1号桩沉桩过程锤击数试验见附表1(未进行预旋喷)
2号桩沉桩过程锤击数试验见附表2(进行预旋喷)
由以上1号桩和2号桩沉桩过程锤击数试验表可以看出，沉桩到旋喷区时锤击数比未旋喷时锤击数明显减少约1/2。而且在沉桩过程中，桩进入地下1～9米的锤击数1号桩与2号桩基本一致，1号桩沉到9米以下时每米沉桩锤击数增多，等沉到22米时每米沉桩锤击数急剧提高，贯入度增大。2号桩沉到9米以下也就是到达预旋喷区域后每米沉桩锤击数没有明显增多，直到23米时每米沉桩锤击数才陡然上升。
二.与静载荷的试验对比
沉桩15日后再进行试桩。对1号桩(未旋喷)和2号桩(旋喷)现场试验确定单桩的轴向受压承载力。荷载作用于桩顶，桩将产生位移(沉降)，可得到每根试桩的Q-s曲线(略)。本次试验加载方式为快速维持荷载法，每隔一小时加一级荷载，每级加载为1000KN。
以下是两桩静荷载试验结果汇总表。
1.静荷载试验结果汇总表(预旋喷后沉桩)见附表3
2.静荷载试验结果汇总表(旋喷后沉桩)见附表4
由以上1号桩和2号桩两桩静荷载试验结果汇总表沉降数据表明，采用预旋喷辅助沉桩工法所沉的桩与未采用预旋喷辅助沉桩工法所沉的桩，静荷载结果基本一样，每级荷载增量下的沉降数基本一致，没有因采用预旋喷辅助沉桩工法而使单桩载荷受到影响。
三.与预钻孔辅助沉桩法、冲水辅助沉桩法对比
本发明预旋喷辅助沉桩工法与现有预钻孔辅助沉桩法、冲水辅助沉桩法对比，后两种辅助沉桩法虽然对沉桩有效果，但是施工费用高，工序复杂，而且影响沉桩的施工进度，降低成桩后的侧向摩擦力，降低桩的承载能力。尤其是冲水辅助沉桩法对桩周土破坏较大，桩在下沉时易发生偏斜。且施工时消耗大量的水，产生泥浆污染公害，只宜在特殊条件下使用。本发明预旋喷辅助沉桩工法避免了从自然地平开始自上而下取土，降低了沉桩阻力，提高了沉桩速度及保护了桩体，成桩后增加了桩侧向摩擦阻力。
附图说明
图1是旋喷钻机穿透沉桩阻力层钻至预定深度示意图
图2是高压注浆泵把浆液通过钻杆端头喷嘴，以高压水平喷入土层示意图
图3是沉桩时桩体进入被旋喷的土质中的示意图
图4是预选喷沉桩工艺流程
图中：1：旋喷钻机 2：是钻机钻杆 3：是高压联接管 4：是高压注浆泵 5：是地下预旋喷区域 6：为预制桩
附表1
| 工程名称 | 1号试桩(未旋喷) | 工程地址 | 太钢厂区 | 打桩顺序号 | |||||||||||||||||||||||||
| 管桩外径 | 600mm | 管桩壁厚 | 110mm | 接头形式 | 焊接 | 一桩尖形式 | 开口 | 管桩生产厂 | 天津建华 | ||||||||||||||||||||
| 桩机型号 | DH508 | 桩锤类型 | 冲击 | 桩帽类型 | KN | 单桩承载力设计值 | KN | ||||||||||||||||||||||
| 锤击记录 | |||||||||||||||||||||||||||||
| 桩节顺序(从地至顶) | 节长(m) | 管桩制作日期(年、月、日) | 锤规格及落距 | 锤击起止时间 | 每米沉桩锤击数 | ||||||||||||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||||||||||||||||||
| 第一节 | 12 | 2004、5、10 | DS0 | 4 | 6 | 9 | 15 | 23 | 25 | 26 | 28 | 31 | 64 | 76 | 77 | ||||||||||||||
| 第二节 | 12 | 2004、5、10 | D80 | 80 | 85 | 86 | 88 | 90 | 76 | 70 | 72 | 107 | 168 | 188 | 231 | ||||||||||||||
| 第三节 | |||||||||||||||||||||||||||||
| 收锤记录 | |||||||||||||||||||||||||||||
| 收锤时间 | 年月时分 | 锤规格、落距 | D80 | 最后贯入度 | 35mm/10击 | Cp+Cq | mm | ||||||||||||||||||||||
| 配桩长度 | 24m | 送桩深度 | 桩入土深度 | 23.9m | 桩露出高度 | 0.1m | 送桩器重量 | KN | |||||||||||||||||||||
| 备注 | 天气 | 晴 | |||||||||||||||||||||||||||
| 填表日期 | 2004年9月1日 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 记录员 | 赵瑞青 | 班组长 | 郑士祥 | 工地负责人 | 戴毅 | ||||||||||||||||||||||||
附表2
| 工程名称 | 2号试桩(旋喷) | 工程地址 | 太钢厂区 | 打桩顺序号 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 管桩外径 | 600mm | 管桩壁厚 | 110mm | 接头形式 | 焊接 | 桩尖形式 | 开口 | 管桩生产厂 | 天津建华 | |||||||||||||||||||||||||||
| 桩机型号 | 柱锤类型 | 冲击 | 桩帽类型 | KN | 单桩承载力设计值 | KN | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 锤击记录 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 桩节顺序(从地至顶) | 节长(m) | 管桩制作日期(年、月、日) | 锤规格及落距 | 锤击起止时间 | 每米沉桩锤击数 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | |||||||||||||||||||||||||
| 第一节 | 12 | 2004、5、10 | D80 | 4 | 6 | 8 | 15 | 22 | 25 | 27 | 28 | 30 | 31 | 32 | 36 | |||||||||||||||||||||
| 第二节 | 12 | 2004、5、10 | D80 | 37 | 38 | 38 | 39 | 42 | 58 | 59 | 63 | 63 | 65 | 162 | 211 | |||||||||||||||||||||
| 第三节 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 收锤记录 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 收锤时间 | 年月时分 | 锤规格、落距 | D80 | 最后贯入度 | 40mm/10击 | Cp+Cq | mm | |||||||||||||||||||||||||||||
| 配桩长度 | 24m | 送桩深度 | 桩入土深度 | 23.9m | 桩露出高度 | 100m | 送桩器重量 | KN | ||||||||||||||||||||||||||||
| 备注 | 天气 | 晴 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 填表日期 | 2004年9月1日 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 记录员 | 赵瑞青 | 班组长 | 郑士祥 | 工地负责人 | 戴毅 | |||||||||||||||||||||||||||||||
附表3
静荷载试验结果汇总表(预旋喷后沉桩)
| 序号 | 荷载(KN) | 沉降(mm) | ||
| 本级 | 累计 | |||
| 1 | 1000 | 0.23 | 0.23 | |
| 2 | 2000 | 0.4 | 0.63 | |
| 3 | 3000 | 0.33 | 0.96 | |
| 4 | 4000 | 0.5 | 1.46 | |
| 5 | 5000 | 0.56 | 2.02 | |
| 6 | 6000 | 0.58 | 2.6 | |
| 7 | 7000 | 0.9 | 3.5 | |
| 8 | 8000 | 1.13 | 4.63 | |
| 9 | 9000 | 3.3 | 7.93 | |
| 10 | 10000 | 4.5 | 12.43 | |
| 11 | 11000 | 8.9 | 21.33 | |
| 12 | 12000 | 15 | 36.33 | |
附表4
静荷载试验结果汇总表(未旋喷沉桩)
| 序号 | 荷载(KN) | 沉降(mm) | ||
| 本级 | 累计 | |||
| 1 | 1000 | 0.22 | 0.22 | |
| 2 | 2000 | 0.41 | 0.63 | |
| 3 | 3000 | 0.33 | 0.96 | |
| 4 | 4000 | 0.52 | 1.48 | |
| 5 | 5000 | 0.55 | 2.03 | |
| 6 | 6000 | 0.57 | 2.6 | |
| 7 | 7000 | 0.9 | 3.5 | |
| 8 | 8000 | 1.15 | 4.65 | |
| 9 | 9000 | 3.2 | 7.85 | |
| 10 | 10000 | 4.5 | 12.35 | |
| 11 | 11000 | 8.93 | 21.28 | |
| 12 | 12000 | 15.1 | 36.38 | |
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作出进一步的详细说明：
一.山西省太钢厂区沉桩场地。
二.采用PHC600混凝土管桩12m+12m，两节总长24m。
三.对场地进行地质勘探来确定地下区域旋喷标高及旋喷厚度
根据勘察结果，场地地表主要分布有人工填土(Qml)，其下为第四系中积层(Qal)粉土，粉质粘土，细砂，中砂。地层岩性主要特征见下表。
| 地质年代及成因 | 分层编号 | 岩土名称 | 地层描述 | 稠度或密度 | 层厚(m) | 层底标高(m)(界限值) |
| Qm1 | (1) | 杂填土 | 主要由碎石、砼、建筑垃圾及粘性土等组成。 | 松散 | 2.2 | 794.90-792.70 |
| Qal | (2) | 粉质粘土 | 黄褐色，含氧化铁，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等。夹粉土、粘土薄层 | 软塑-可塑 | 3.2 | 792.70-789.50 |
| (3) | 粉土 | 黄褐色，含氧化铁、云母，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。夹粘性土及砂薄层。饱和。 | 密实 | 4 | 789.50-785.50 | |
| (3)-1 | 细砂 | 黄褐色，石英-长石质、含云母，有粘性土，级配较好，饱和。局部为中砂。 | 中密 | 2.8 | 785.50-782.70 | |
| (4) | 粉质粘土 | 黄褐色-灰黄色，含氧化铁，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等。夹粉土、粘土薄层 | 可塑-硬塑 | 5.4 | 782.70-778.2 | |
| (5) | 粉土 | 灰黄-黄褐色，含氧化铁、云母，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。夹粘性土及砂薄层。饱和。 | 密实 | 2.9 | 778.2-775.30 | |
| (6) | 中砂 | 灰黄-黄褐色，石英-长石质、含云母，级配好，局部混卵石，饱和。 | 密实 | 6 | 775.30-769.30 |
分层编号(3)-1细砂层标贯击数最大值35击。分层编号(6)中砂层标贯击数最大值50击，属于密实层，钻孔深26.5M。
四.根据地质勘探报告制定出旋喷地下区域标高及旋喷厚度，以穿透阻力层为宜。也可根据旋喷钻机钻孔时钻杆进尺速度快慢的经验确定旋喷的地下区域标高及旋喷厚度。本次实施确定地下区域为地质勘探分层编号(3)-1至(4)间自然地平9.4米下的细砂层与粉质粘土层，旋喷厚度4米。确定沉桩桩点，利用旋喷钻机钻至自然地平9.4+4米处，然后用高压泵把浆液通过钻杆端头的旋喷钻头，以高压水平喷入土层，喷嘴在喷射浆液时，一面缓慢旋转(20r/min)，一面徐徐提升(为25cm/min)，借高压浆液的水平射流不断切削土层并与切削下来的土充分混合，对地下土质进行局部扰动。旋喷厚度达到4米时停止旋喷，并提钻出地面。旋喷完毕旋喷钻机撤走。
本次实施采用AF-700型工程钻机、700型罗马高压注浆泵，4米喷浆量200公斤，旋喷浆液为膨润土浆，水与膨润土比为1∶1。如果用水泥浆时，水与水泥比仍为1∶1，也可用水直接处理。
五.预旋喷后沉桩过程(选用锤击沉桩法)
施工机具的准备：选择沉桩机械打桩主机为DH508型，打桩柴油锤D80沉桩
沉桩前，应根据桩长在桩身上划出以米为单位的长度标记，并按从下至上的顺序标明桩的长度，以便观察桩入土深度及记录每米沉桩锤击数作为记录。
桩机进场安装调试后移至起点位置处就位，利用导杆垂直仪，使导杆调至初步垂直，而后进行第一节桩起吊，且对准地面已放好的桩位，使桩尖缓缓地插入土中30～50cm，并处于稳定状况，然后用两台经纬仪进行双向垂直校正，直至桩身垂直度符合要求(注：桩端入土3m后不得校正垂直度，若发现有偏差，应起拔回填后重新插入)，将锤油门调整为中档，启动桩锤进行锤击；在沉桩过程中，必须始终保持桩锤、桩帽、桩身中心三者在同一垂直线上，不得偏心锤击，施工过程要求连续，中途不得停锤，桩沉到桩顶离自然地平+100mm即可。
Claims (4)
1.一种预旋喷辅助沉桩工法，其特征在于该方法是在预制桩沉桩前，确定地下旋喷标高及旋喷厚度，并在沉桩桩点上用旋喷钻机钻至沉桩阻力层，然后用高压注浆泵将浆液通过钻杆端头的喷嘴，以喷射压力为50Mpa以下的高压水平射流喷入沉桩阻力层，同时钻杆以15～30r/min旋转，以15～30cm/min提升速度，对地下沉桩阻力层进行旋喷扰动，然后用沉桩设备进行沉桩。
2.根据权利要求1所述的预旋喷辅助沉桩工法，其特征在于所述的确定地下旋喷标高及旋喷厚度是沉桩前地质勘探或是试桩或是旋喷钻机钻孔时钻杆进尺速度快慢确定的地下旋喷标高及旋喷厚度。
3.根据权利要求1所述的预旋喷辅助沉桩工法，其特征在于所述的沉桩阻力层是沉桩难以穿透的地下粉土层或砂层或卵石层。
4.根据权利要求1所述的预旋喷辅助沉桩工法，其特征在于所述的浆液是水或膨润土浆或水泥浆。
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