1、：后植入钢筋笼灌入桩施工技术 2005-8-25 14:43:16 后植入钢筋笼灌入桩施工技术 后植入钢筋笼灌注桩成桩法属于建筑基础工程领域的施工技术，具体说是一种长螺旋钻孔中心压灌混凝土后植入钢筋笼灌注桩的成桩技术。我公司对此项技术进行了长期深入细致的调查、研究、试验、考核和应用，经不断积累、不断进步、不断创新使该技术达到了工程应用的较高水平。 1 概述 在建筑、交通、矿山、码头等基础工程中经常采用桩基础，基桩施工方法和配套施工机具得到了广泛开发与应用，由于城市建设对噪声、振动控制愈加重视，柴油锤击打预制桩和振动沉管灌注桩受到限制。正反循环灌注桩施工工艺造价低，须采用泥浆护壁方法，泥浆对环境
2、污染的问题至今未能根本解决。长螺旋钻孔灌注桩施工噪声小、效率高，经济性好，多年来得到不断推广、应用与发展。在桩径400、600、800mm，桩长约 28m 范围内其特点能得到充分发挥，施工工艺也得到迅速发展。 1.1 长螺旋钻孔中心泵压混凝土后植入钢筋笼灌注桩成桩工艺施工工艺过程：长螺旋钻孔提钻时通过钻杆中心泵压混凝土向桩体混凝土中植入钢筋笼成桩，见图 1。 我公司对长螺旋钻孔中心泵压混凝土后植笼灌注桩成桩技术及专用设备的研究与应用已有近十年历史。在长螺旋钻孔现浇混凝土桩的施工中常采用一种长螺旋钻孔到预定深度，在提钻同时用混凝土泵通过钻杆中心将混凝土压到已钻成的桩孔中形成桩体的方法，该方法具有
3、桩体材料自行护壁的功能，无须附加任何其它护壁措施，根本免除了泥浆污染、泥浆处理、泥浆外运的工作，对环境影响小；在形成的素混凝土桩体中植入钢筋笼能提高桩的承重、抗拔能力；施工程序简化，提高效率，降低造价。 1.2 施工设备与配套机具 后植笼灌注桩成桩施工设备与配套机具主要有桩架、长螺旋钻孔动力装置、钻杆、钻头、滑动护筒、固定护筒；混凝土拖式泵、混凝土输送钢管和软管；起重机、振动电机或振动锤以及现场制作钢筋笼设备等。 1.3 植入钢筋笼方法的探求 解决该项技术的首要难题是保证在素混凝土桩体中植入钢筋笼的“到位率” ，即满足将灌注桩的钢筋笼 100植入到设计深度要求，这一难题直到本世纪初才基本得到解
4、决。 国外后植入钢筋笼灌注桩施工通常采用静压的方法。必要时利用液压振动锤与钢筋笼顶部固定连接振入。国内早期植笼也有采用静压的方法（图 2） ，曾试验过将振动电机与钢筋笼顶部固定连接（图 3）的振动植笼方法。钢筋笼在桩孔混凝土内振动植入的过程中整体产生振动，易使混凝土粗骨料振动下沉，振动电机产生圆周方向振动，不但有竖直方向振动还有水平方向振动，更易使混凝土的振捣离析，损失坍落度。在沉笼过程中恰恰不希望混凝土坍落度过早损失，另外振动电机压在钢筋笼顶部使钢筋笼受压，易使其失稳产生弯曲，这些均对沉笼产生非常不利的影响，使沉笼施工达不到预想的效果。 还有一种常用的方法是用一个上部封口的钢筒套在钢筋笼顶端
5、，钢筒上部与振动电机固定连接（图 4） ，因钢筒内侧与钢筋笼有很大间隙，其水平方向的振动作用消减，对钢筋笼影响小。其垂直方向的振动不断冲击钢筋笼的顶端，钢筋笼不产生竖向往复强迫振动，对混凝土影响小，使沉笼效果有些改善，但因振动电机能量小，钢筋笼“到位率”亦往往达不到设计要求。 2000 年以后国内在施工方法上有些进展，比如用振动电机与钢筋笼导入钢管上端松动连接方式（图 5） ，植笼效果较好，但其使用范围较窄，只适用于小型桩。 采用普通振动锤植笼作业，在起吊钢筋笼时会对钢筋笼产生附加弯矩，易使钢筋笼产生塑性变形；CFG 桩复合地基等工程常采用长螺旋钻孔机成孔，钻杆下部采用混凝土出料活门式钻头。为
6、方便关闭活门的操作常采用固定护筒，由于固定护筒无排土功能，因此钻出的钻渣堆满场地，掩埋了桩位标记增加了就位桩孔的难度。 2 后植入钢筋笼灌注桩成桩法施工技术的发展与创新 我公司经长期试验和施工经验的积累和不断探索，该项研究有了明显进步，对植入钢筋笼的作用原理逐渐理解，由振动植笼到振动冲击植笼的应用有一个认识与实践的过程。我们认识到混凝土的和易性是钢筋笼植入到位的充分条件；植笼设备的构造形式、功能特性以及合理的技术参数是钢筋笼植入到位的必要条件，应符合钢筋笼植入的内在机理。除此之外，满足钢筋笼植入径向误差即满足混凝土保护层厚度的要求以及研究混凝土未凝固之前在桩孔内植入钢筋笼的内在规律，不但使振动
7、植笼参数有利沉入效率的提高，并且避免对桩体混凝土品质产生不良影响，保证桩身质量是实际工程应用的重要保证。 2.1 研究思路 我们的研究思路是：对成桩施工过程作用机理进行探索研究；由以上研究指导钻孔机械、专用植笼机具的开发试制；按规律优化工艺、提高效率，确保工程质量。 从这一角度观测、试验、记录、检测、研究土层、混凝土对作业机械的反应，研究方法和路线更加合理，不但能得到感性认识还能获得第一手量化信息，对优化工艺、保证产品质量、提高生产效率有积极推动作用。基础施工机械、桩工机械工作装置的作用对象是岩土，必须研究对土层的作用机理 振动植笼设备的作用对象是钢筋笼和桩孔内的混凝土，应该研究桩孔内混凝土对
8、植笼过程的影响。其中长螺旋钻孔机具和振动植笼设备作用机理的研究并由此对其结构性能参数的改进是技术方案优化的重要因素。 2.2 施工设备的开发与改造 2.2.1 ZKL 型长螺旋钻孔机动力装置的研制 我公司研制的第三代长螺旋钻孔机（图 6）采用三环传动技术，其性能价格比适合市场的需求，在国内得到广泛推广和应用，替代了大量国外同类产品的进口，此设备适应多种工艺的施工，可靠耐用。 用于中心压灌混凝土施工工艺主参数应该有特殊要求，钻机动力装置参数如下： 功率 ： 90kW 110kW 110kW 转速 ： 31.5 min-1 21.8 min-1 21.8 min-1 扭矩 ： 26knm 33kN
9、m 42kNm 试验参数：54min-1、 、46min-1/23 min-1、37 min-1、42min-1/21 min-1 、31.5min-1、21.8min-1 较低的转速和较大的扭矩可使钻杆叶片上存留较多的钻渣，当钻头以上一段钻杆充满钻渣时是最理想的状态。 钻孔动力技术参数优化原则：动力输出参数能满足钻机负载正常运转；提高钻机工作效率；保证压灌混凝土的桩孔内被动压力的形成，不使混凝土在压灌时沿钻叶爬升，避免混凝土的浪费及桩身混凝土夹泥。实践证明研究确定的钻孔主参数基本满足施工要求。 2.2.2 钻孔配套机具的改造与应用 1）除了对钻孔机动力装置的主参数试验研究以外还对钻孔设备结构
10、进行改进，包括：压砼用回转接头、压砼弯头角度、放气阀和传动方式的改进。 2）钻杆连接方式和钻头单向活门以及护筒、出土器的改进等，比如将下部固定护圈改为竖向滑动式出土器，既满足施工作业对钻头活门操作的要求，又使孔口钻渣及时得到清理，节省大量劳动力，提高工作效率，做到文明施工。 3）桩架行走机构、起升卷扬机构及立柱受力分析等方面的研究。 4）设备加工制造工艺的改进。 2.2.3 专用钢筋笼植入设备的开发研制 2.2.3.1 专用植笼设备振动锤的技术参数电机型号 Y-160L Y-180L 电机功率 11kW 15 kW 静偏心力矩 120Nm 120Nm 偏心轴转速 750min-1 900min
11、-1 激振力 74kN 106 kN 空载振幅 12mm 隔振装置刚度 229N/mm 弹簧最大压缩长度 315mm 隔振装置最大提拔力 72kN 整机质量 1100kg 2.2.3.2 专用振动植笼设备的特点 以往技术都是借用振动电机或通用振动锤，其结构特点和技术参数不完全适用于植笼作业。专用振动锤植笼设备（图 7）与通用设备相比其新颖之处在于下述。 1）采用中低频率 500900mim。在此频率下桩孔内混凝土在短时间内不易被振动密实，有利于钢筋笼的沉入。 2）专用振动设备的减振器采用双级减振，减振效果好、弹簧刚度小、受荷变形大，适于不完全卸荷振动沉笼作业，容易控制沉笼的垂直度。普通振动锤都
12、采用一级减振，振动电机根本没有减振装置。 3）减振装置可绕振动器重心位置转动，起吊钢筋笼时能减小对钢筋笼的附加弯矩，避免变形。4）设计了专用拔笼器，能与沉笼钢管互换，快速连接于专用振动设备。 5）专用植笼振动锤具有振动和振动冲击植入钢筋笼两种方式。采用振动冲击植入钢筋笼方式时刚性杆件与钢筋笼都不产生竖向往复强迫振动。 2.3 后植入钢筋笼的方法和原理 2.3.1 后植后规律 通过对近十年来国内后植笼施工曾经采用不同方法的观察、记录、分析和研究，定性地得到如下规律。 1）一般做法是在静压达不到要求时采用振动方法/ 2）采用振动锤夹笼垂直振动植笼，在混凝土粒径较小、坍落度较大、振动频率较低、振动能
13、量较大且钢筋笼刚性较大的前提下植笼试验效果较好。 3）采用振动电机圆周振动夹笼植笼效果最差。 4）采用振动电机圆周振动冲击笼顶方法效果稍有进步。 5）采用振动电机圆周振动冲击钢管作用笼底效果较好，适用于较小直径的灌注桩施工。 近年来研究出振动锤附加刚性导入杆件植入钢筋笼的施工分为振动植笼和振动冲击植笼两种方式，是较理想的施工方法。 2.3.2 振动植笼原理（图 8） 1）由振动锤、刚性杆件组成一个单自由度的振动系统。 2）由钢筋笼和其周围的混凝土组成一个承受刚性杆件垂直作用力的系统，随着钢筋笼的不断下沉，承受刚性杆件振动系统的固有频率不断变化、刚度不断增加，刚性杆件与钢筋笼下端逐渐产生冲击。冲
14、击幅度在强迫冲击频率与系统自振频率为倍数关系时明显增加，冲击频率低于振动锤频率且无规律变化，振动沉桩遇到硬土层也会产生这种现象。 3）系统的振动加速度是影响钢筋笼下沉动态侧摩阻力的主要因素，系统的动量是影响钢筋笼动态端阻力的主要因素。 4）钢筋笼的静态侧摩阻力与桩孔内混凝土的骨料粒径、和易性特别是坍落度的大小有关。 5）孔内混凝土坍落度的变化和土层、振动参数、搁置时间有关。随着钢筋笼的下沉，侧摩擦面积逐渐增大，桩孔内混凝土的坍落度发生变化，系统的自振频率也发生变化（一般是由低向高增加） ，端阻力不断增加，端阻力与桩孔内混凝土坍落度在振动过程中的降低有关。当端阻力上升较大、系统自振频率（钢筋笼混
15、凝土系统的反弹频率）与振动锤的强迫频率成倍数关系时，振动刚性杆件发生明显冲击振动，跳动非常不规律，此时虽然冲击能量增大，有利于沉笼作业。但是由于振动幅度成倍增加混凝土容易离析，特别是刚性杆件采用钢管时钢管内的混凝土更容易离析，造成粗骨料下沉，堆积在钢管下端，对植笼作业产生不利影响，称之为套筒摩擦泵压现象。 套筒摩擦泵压现象是指在桩孔直径较小、土层吸水性较强的条件下，振动钢管内混凝土的粗骨料在重量和管内壁的摩阻力作用下逐渐下沉，混凝土中的水泥浆因钢管上下位移产生泵压效应，水泥浆上浮，有时甚至超过桩孔上口的高度。当钢筋笼与孔内混凝土系统的自振频率与强迫振动频率为倍数关系时钢管振幅增加，更加剧了套筒
16、摩擦泵压效应，这一效应对于沉笼作业十分不利，骨料易在钢管下口堆积，增加钢筋笼沉入的阻力，水泥浆上浮，混凝土离析，影响混凝土强度，有时会造成桩身顶部出现缺陷。 2. 3.3 振动冲击植笼原理（图 9） 1）由振动锤及冲击体组成一个单自由度的振动系统。 2）由刚性杆件、钢筋笼和其周围的混凝土组成一个承受振动锤不断冲击的系统，刚性杆件与钢筋笼下端不脱离。随着钢筋笼的不断下沉，承受刚性杆件冲击系统的固有频率不断变化，刚度不断增加，冲击幅度在强迫冲击频率与系统自振频率为倍数关系时明显增加。 3）系统的振动冲击加速度是影响钢筋笼下沉动态侧摩阻力的主要因素，系统的动量是影响钢筋笼动态端阻力的主要因素。 4）
17、钢筋笼的静态侧摩阻力与桩孔内混凝土的粗骨料粒径、和易性特别是坍落度的大小有关。 5）孔内坍落度的变化和土层、振动参数、搁置时间有关，随着钢筋笼的下沉侧摩擦面积逐渐增大，桩孔内混凝土的坍落度密实度也发生变化，系统的自振频率也发生变化（一般是由低向高增加） ，端阻力也不断增加，端阻力与桩孔内坍落度在振动过程中的降低及粗骨料的下沉有关。由于本系统钢筋笼不产生竖直方向往复强迫振动，刚性杆件（钢管）也不产生竖直方向往复强烈振动，桩孔内特别是钢管内混凝土不产生摩擦泵压效应，混凝土坍落度损失小，粗骨料不易下沉，有利于植笼作业。 2.3.4 钢筋笼振动植入条件与以下参数有关： 1）振动加速度 在 10 个 g
18、 以内对降低钢筋笼侧摩阻力起明显作用，一般在 35g 之间。 2）振动冲击动量 I 的大小对动态端阻力的减低起作用。 3）与钢筋笼下端有效阻挡面积 A 有关。 4）与入泵坍落度的大小和在桩孔中的损失率有关，桩孔中混凝土坍落度的损失率与振动频率和振动时间有较大关系。 5）与整个植笼设备的重力 Q 大小有关，Q 大有利于下沉，Q过大会影响振动加速度。 2.3.5 振动冲击植笼条件与振动植笼条件的区别 1）振动锤参数相同条件下其振动冲击加速度大于振动加速度，可以通过增加冲击体质量的办法减小振动加速度。 2）振动锤参数相同条件下振动冲击方式的动量大于振动方式，为了减弱对构件的冲击振动锤和振动冲击体的质
19、量至少大于刚性杆件的 2 倍。 3）由于刚性杆件（钢管）不产生竖直方向往复强迫振动，削弱了套管摩擦泵压效应，因此对桩孔内混凝土坍落度的损失影响小。 2.3.6 植笼参数优化原则 1）采用振动植笼方式时增加植笼设备的重力，如增加隔振装置横梁的质量或适当加大刚性杆件的截面尺寸；尽量减小钢筋笼端阻面积，在中低频率前提下适度增加振动贯入能量是设备参数优化考虑的首要因素。控制入泵坍落度的最低值不小于200mm，做到一次泵入，立即植笼，减少坍落度的损失是改善振动沉入效果的有效工艺措施。 2）当遇到施工现场地质条件较恶劣、工程量较大、对混凝土坍落度的控制有一定难度时宜采用振动冲击植笼方式。 2.4 适用范围
20、 1）水位较高、易坍孔、长螺旋钻孔机能够钻进的土层，如回填土、粘土、粉质粘土、粘质粉土、粉细砂、中粗砂和卵石交互层等。 2）易成孔的土层或水位较深、坍孔位置较低、能根据现场情况选用其它更经济简易方法施工的，特别是护坡桩不强调首选此工艺。 3）成孔直径400、600、800，桩长一般不超过 2428m。 2.5 工艺优化后的施工特点 1）在施工工艺中采用不完全卸荷沉笼作业法，保证钢筋笼垂直对中。 2）采用振动冲击方式植笼，植笼刚性杆件（钢管）将振动冲击力传递到钢筋笼下端，此时钢筋和刚性杆件均不产生垂直方向强烈的往复振动，刚性杆件（钢管）对砼的影响作用小，有利于钢筋笼的植入。 3）在钢筋笼下沉不到
21、位时迅速将钢筋笼拔出，待桩体内砼初凝后重复成桩作业，完成该桩位灌注桩的施工。 4）大幅度提高施工效率和施工质量。 3 工程应用 我公司用后植笼工艺完成的工程量不完全统计值如下表。后植入钢筋笼灌注桩成桩法的实验和生产实践证明该技术产生了较好的社会效益和经济效益，我公司用后植笼工艺完成的灌注桩工程总计产值 1885 万元，综合经济效益提高 810。 该施工方法钻孔过程噪声低、振动小，在成孔过程采用护壁和中心泵压灌注桩桩体材料一次完成的方法，排除了大量泥浆处理和运输的工作，根本避免了由此对施工现场和周边环境的污染。在植笼过程中由于振动设备能量小，又是在流塑性混凝土中施加作用力，因此不会产生较强烈的振动和冲击反响，其振动和噪声完全控制在施工允许的范围之内，可以确认该工法对环境影响小，是一种环境保护型的绿色施工方法。 建筑工程的基础施工耗资占总结构工程费用的比例相当可观，一般在1020，在基础施工中采用新技术、新工艺，用较少的能源、材料消耗使基础获得较高的承载力和允许的沉降量，是降低成本、产生经济效益的有效途径。本基础施工综合技术与传统泥浆护壁成桩技术相比可明显提高单桩承载力、减少桩数桩径，既满足设计和使用要求又达到降效的结果，在施工中效率高、工期短也是提高经济效益的原因之一。
