夯扩桩施工技术分析和应用

摘 要：本文根据笔者多年建筑工程施工技术经验，对建筑桩基础工程合理选型进行了详细分析，并结合工程实例，对复杂地质条件下夯扩桩的成桩原理和特点优势进行了详细阐述，对其施工技术和桩基承载力检测以及质量控制进行了深入分析探讨，以确保其在技术上科学合理和安全可靠。 关键词：桩基工程；夯扩桩；施工技术；分析与应用 1复杂地质状况下建筑桩基础选型分析 湖南部分地区地质状况十分复杂，表现为：淤泥层较厚、基岩（或持力层）埋藏深或起伏较大、岩面倾斜、溶洞及土洞较多、基岩风化程度不一（局部风化程度低或无风化层，岩面直接与软弱层接触），这些特性使常用的建筑桩基础中很多桩型存在无法正常成桩或成桩质量不好或成桩合格率低、经济效益差、桩长差异过大等等许多问题。 譬如，对于锤击沉管灌注桩来说，淤泥层厚成桩质量很难保证；基岩（或持力层）埋藏深无法达到理想的持力层从而严重影响承载力，且无法穿过卵石层、砂砾层。对于预制桩来说，基岩（或持力层）埋藏深，桩身过长，长细比过大，有效桩长比例下降，经济效益降低，如果软弱层过厚，还有可能造成桩身失稳的现象；岩面倾斜及桩底直接支撑于硬岩（基岩风化程度低或无风化层），成桩过程中容易烂桩（有时高达30%或更高），即使采用静压方式成桩，其效果也难以令人满意（有些工地在烂桩情况下，采用继续压入，直至达到设计要求的压力为止，但这种方式易存在安全隐患）。对于钻孔（冲孔）桩来说，长桩虽然可以通过增加桩径来控制长细比，但基础的成本也相应加大；况且，溶洞及卵石层、砂砾层的问题很难解决。 因此，在某些特殊地质条件下，更应注重科学地选择基桩桩型。实践经验表明，前述地质条件下，使用夯扩桩作为桩基础，不管是经济效益，还是质量保证，相对其它桩型来说，有其不可比拟的优越性。并且，根据各地的使用情况，在许多地质条件下，基综合效果与其它桩型相比，都有较好的适应能力。 2夯扩桩的成桩原理 夯扩桩是充分发挥桩侧摩阻力和桩端支承力的一种新桩型，以单桩承载力为主，同时起到挤密和加固地基土，提高桩端地基土强度的作用。有资料显示，经静力触探测试，桩侧比贯入阻力提高5%10%，扩大头比贯入阻力提高25%35%。 夯扩桩是在锤击沉管桩的机械设备与施工方法的基础上加以改进，采用夯扩的方式将桩端现浇混凝土扩大成大头形的一种桩型，通过增大桩端截面和挤密地基土，使桩的承载力大幅提高。 锤击沉管夯扩桩成孔部分采用内外双管，外桩管为通心钢管，内桩管的下端封底，两管套装长度相等，一般无桩靴。用桩锤将其打到设计深度后拔出内管，往外管内灌入一定高度的扩底混凝土，重新插入内管并将外管向上拔一定高度，锤击力经内外桩管直接传给混凝土，通过桩管的挤撑作用，将管底的混凝土夯出管外，迫使扩底混凝土向下部和四周基土挤压，形成扩大头（扩大头设计要求，采用一次或二次夯扩），再浇灌桩身混凝土（如图1） 3夯扩桩的特点优势 夯扩桩实质上是种侧壁阻力与端承力共同承载的摩擦支承桩，通过增大桩端面积和挤密地基土使单桩承载力有了很大的提高。 夯扩桩有如下突出优点： 3.1对地质适应性强、持力层选择范围广，投资省。只要层位稳定、有足够厚度的稍密密实的中砂砾砂层、硬塑坚硬状态的一般粘性土和网纹状粘性土、可塑硬塑状态的砂质或砾质粘性土，均宜作为桩端持力层，这样可以较容易找到合适的持力层，只要桩底处在中等强度的土层即可，通过不断的夯扩挤密土层，可以达到其他需要较长桩身桩型的同等承载，而夯扩桩的造价却很低，实际上减小了桩的长度，并可最大程度地控制桩长的一致性。实践证明，除了岩石面距离地面很浅或上部淤泥、松土层总厚度达到15m以上地区，其他地质情况均可采用； 3.2地基土挤密程度高，桩端面积大，承载力高。通过一次或二次夯扩，使桩端下被夯实土层中一定范围的土体得到了极大的密实，纵向的实际承载力比较高，也有利于减小沉降； 3.3在内管底部放置干硬性混凝土作为薄型土塞，可有效起到止淤和短时止水作用，保证混凝土的浇注质量； 3.4相对其它桩型，特别是锤击沉管灌注桩，可省去桩靴或桩尖； 3.5控制外管的提升距离，可以形成更为理想的扩大头形状； 3.6桩身混凝土借助于柴油锤力量和内夯管的自重作用压密成型，能避免或减少缩颈和断桩等现象的产生，设计桩径能够保证； 3.7可视地层土质条件，调节施工参数、桩长和扩大头直径以提高单桩承载力； 3.8采用振动拔管，可以增加桩身混凝土的密实度，改善成桩质量； 3.9抗拔性能好，夯扩桩与仅依靠桩身摩擦力作为抗拔力的等截面桩型相比，抗拔力可以成倍的提高。可以广泛应用于独立的地下室结构； 3.10施工机械轻便，机动灵活，适应性强；施工速度快、工期短、性价比高。 4夯扩桩在特殊地质条件下的应用 湖南省某建筑工程项目，部分地质综合状况简单描述如下表1。 该工程为六、八层混凝土框架结构，桩基础，单桩设计承载力特征值为800kN。考虑到施工进度，原始设计采用锤击预制管桩（300mm），但打桩过程十分艰难，完全合格的桩不足二成，烂桩情况特别严重，反复加桩不仅增加了工程成本，而且拖延了施工进程。后改为400mm管桩，情况也没有明显改观，接着改变成桩方式，采用静力压桩，其效果也不能令人满意，烂桩比例仍然较高。 为此，结合桩基施工情况，并进一步分析地质资料，普遍认为，倾斜及“裸露”（硬岩上直接覆盖软弱层，无过度土层）的岩面，是造成烂桩的主要原因，经综合考虑，同时采用两种桩型进行效果比较：一种是当地使用较为广泛的锤击沉管灌注桩，桩径480mm。因粉砂层及中砂层无法满足收锤要求，故只能以微风化石灰岩作为持力层。由于此种桩承载力较低，因此增加一倍桩数，降低设计承载力标准值到450kN；另一种是夯扩桩，桩径也为480mm，原设计承载力不变。持力层选用粉砂及中砂层，嵌入深度按设计要求的贯入度及桩底砂层厚度确定，夯扩头采用二次夯扩，振动拔管。 因夯扩桩在本地使用较少，为取得相关资料，验证和修改设计参数，使用前先对一条试验桩进行了静载试验，最大试验荷载为设计承载力特征值的两倍再提高一级，即1760kN。其试验曲线如图2、3所示。 从试验结果看，夯扩桩在较高的承载力所对应的沉降量较小，而且Qs曲线和slgt曲线平缓，slgt曲线呈平缓规则排列，说明承载力尚未充分发挥，极限承载力可能更高，所以完全可以在此地质条件下使用并满足设计要求。 图4为该工程的夯扩桩（工程桩）小应变反射波法桩身完整性检测实测典型曲线。从图形看，曲线上部较为平滑，底部有渐强的负反射，证明桩身截面均匀、混凝土密实、完整性好；夯扩头表征明显、成形质量好，夯扩桩整桩质量较为理想。夯扩桩桩身成型后,桩身表面光滑，混凝土密实，截面均匀一致，基本无变化，桩身成型情况良好。 相比之下，相同场地的锤击沉管灌注桩，其成桩质量就相差甚远。根据动测（因抽检后，发现问题较大，后采用全测）结果，有近五成左右的桩都是“”、“”类桩，以浅部缺陷占多数。经开挖（为防止开挖时，对相邻桩造成影响及出于安全考虑，深度不超过3m）发现，桩身成型多数不完整，截面变化大，缩颈、裂缝、夹砂夹泥、断桩、混凝土不密实等现象十分普遍。经处理，排除上部缺陷，根据复测结果，部分桩可以使用，但仍有相当部分桩因3m以下仍存在较（严）重缺陷，只能采用加桩处理。 同样是沉管灌注桩，为什么在同一场地，有如此大的质量差距呢？究其原因，主要是特殊地质条件下不同的成桩方式有不同的效果。本场地，表面填土层（大）块石较多，填土层下淤泥层较厚，块石及沉管过程中的超孔隙压力水对桩身混凝土都有较大的挤压作用，当混凝土流动性较大，混凝土浇捣不密实时，拔管后现浇的混凝土桩身易受挤压变形。而这一点夯扩桩有其优越性，它所使用的混凝土稠度大，流动性低，再加上振动拔管，振捣充分，混凝土密实，强烈地振动又有排土固结及消散超孔隙压力水的作用，使填土在振动力的作用下，向四周排开并固结定型，不易移动，使淤泥层的超孔隙压力水压力消散缓解，很大程度上减少了填土及淤泥层对桩身的挤压。 5影响夯扩桩施工过程中成桩质量的因素分析及处理措施 诚然，任何成桩方法，都可能因为地质资料的偏差、设计、施工等诸多因素的影响，造成部分桩存在质量缺陷，具体主要质量缺陷及控制措施如下： 5.1因封底不牢从而导致桩管内进水或泥浆。管内进水或泥浆会破坏桩身完整性，影响桩的承载力。 5.2因地质资料偏差或分析不足,夯扩投料量控制不准确,上拔高度h过大或过小等，从而造成夯扩头不足或过大。夯扩头不足造成桩的端承面积不够，影响桩的承载力；夯扩头过大则影响到相邻桩的夯扩头的形成。 根据试桩夯扩情况，由设计确认计算夯扩头是否达到设计要求。在施工过程中，根据规范要求计算出夯扩料投料高度并在施工中控制运用。严格控制外夯管上拔高度h。内外夯管同步下沉量必须达到设计规定设计，一般控制在0.3m,使夯扩头混凝土同外围土层密实。 5.3因在淤泥质土及饱和粘土层中沉管，由于土受到强制扰动挤压，产生空隙水压，拔管后对新浇注的混凝土挤压；混凝土在管中受阻；相临桩桩位相距太近，施工相邻桩时，混凝土未达到初凝时受到挤土效应的挤压过大等，都会造成桩的直径不能保证，从而发生缩颈问题。缩颈减少了桩的截面，影响桩的承载力。 应控制混凝土的塌落度（810cm）并在拔管过程中充分振动。对于桩间距小于d的必须采用跳打法施工；排桩基础隔排进行施工；群桩基础间隔跳打施工。但由于后施工桩土体的挤压隆起现象，有时会对已经施工的桩产生很大的负摩擦力，使桩身产生拉应力，若桩强度不够易造成断桩，若证实有这种情况出现，应保证已施工的桩达到60%的设计强度方可进行后施工。 5.4因拔管的速度太快；混凝土粗骨料粒径太大，浇注混凝土时在管内发生“阻断”现象；混凝土浇注工作不连续，间断时间过长，形成先后混凝土的分层现象等，从而产生断桩。断离会引起承载力严重下降。 应合理地组织施工，避免混凝土浇注过程中断，对中断时间超过混凝土初凝时间的采用复打法，重新浇筑混凝土；合理安排施工顺序，若采取跳打方式时，要保证已施工桩强度达到60%后再施工相邻桩；控制拔管速度，在淤泥质土中，拔管速度0.5m/min；按规范要求严格控制粗骨料粒径。 5.5因钢筋笼下放标高不准确；由于地质情况变化大，混凝土下沉量不同；由于相邻桩施工振动等，从而使钢筋笼的标高不易控制。钢筋笼的标高过高或过低，都会造成下道工序的施工困难。 根据设计标高及桩架高度，地面标高计算出吊放钢筋的钢丝绳长度，在卷扬机上做好标记，保证每次下放钢筋笼都得到控制；根据施工以验，预先提高钢筋笼放置高度。 6结语 综上所述，根据本工程实际施工效果分析，夯扩桩不管是质量上，还是经济效益和社会效益上都取得了成功，在特殊地质条件下，与其它桩型相比，其优越性较为明显。 当基岩埋藏较深，只要上部土层中有一定厚度的中等强度的土层，均可优先选用夯扩桩，以获得更好的经济效益。施工控制是保证质量的前提，没有好的施工管理和质量保证体系，很难保证成桩质量，达到好的应用效果，所以应针对容易出现的质量问题以及技术关键点，规范施工。 参考文献： 1 建筑地基基础设计规范.GB5007-2002.S.中国建筑工业出版社，2002. 2 建筑地基处理技术规范.GJ79-2002；S.中国建筑工业出版社.2002.