引孔植桩工艺在静压管桩中的施工应用

戴昌

【摘要】本文因地制宜结合工程实例介绍了静压桩在高层建筑中的施工应用。从施工应用效果来看，工程施工质量良好，工期缩短了1个半月，工程造价节省约40%。综上所述，引孔静压桩植桩法在类似条件下具有明显的技术优势和经济价值，为类似工程提供了参考借鉴。

【关键词】引孔植桩；静压桩；高层建筑；施工

1、引言

静压桩法施工是通过静力压桩机以压桩机自重及桩架上的配重作反力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。静压预制桩通常适用于高压缩性粘土层或砂性较轻的软粘土层等软土地基。在沉桩过程中，桩尖直接使土体产生冲切破坏，桩周孔隙水受此冲切挤压作用形成不均匀水头，产生超孔隙水压力，扰动了土体结构，使桩周约一倍桩径范围内的一部分土体抗剪强度降低，发生严重软化（粘性土）或稠化（粉土、砂土），出现土体重塑现象，从而可容易地连续将静压桩送入很深的地基土层中。静压桩法以轻、便、静、快、省、准、稳的优点，在我国的南方省市都有广泛的应用。当压桩力、压入深度达到设计要求后，将桩与基础连接在一起，达到提高地基承载力和控制建筑物沉降的目的。但是由于建筑物所在地理条件的限制，在一些风化岩面较浅、有夹层不能作为持力层且周边有建筑物的情况下，由于断桩、挤土效应和沉降等问题，需要采用引孔植桩的方式进行施工。此外，锤击管桩具有严重的噪音效应影响正常工作环境；冲、钻孔灌注混凝土桩的经济和技术方面都不合理，而引孔植桩法可以克服以上的缺陷。首先，引孔后可以大大加长植桩的深度，避免了断桩的不利影响，并可以保证桩端稳定进入持力层；其次，引孔植桩还可以避免临时改变桩型所增加的费用，同时还可以大大降低"挤土效应"带来不利沉桩的影响，在局部地质环境较差的区域可以发挥较好的压桩施工作业。本文在借鉴静压桩加固建筑物与施工的基础上，将引孔植桩工艺成功应用于本文综合大楼工程中。该方法辅助压桩进入设计桩端持力层，既提高了施工效率，又有效减弱了附加沉降，取得了良好的经济效益和工程效果，为类似工程提供了参考经验。

2、施工方法分析

2.1施工原理

引孔配合静压桩植桩法针对地质情况比较复杂，有黏土、砂层、岩层相互交替，夹层较多，桩端持力层较浅，压桩机无法穿透的情况，很难达到设计有效桩长的要求。引孔压桩法在压桩施工前，引孔机能够穿透一般压桩机无法正常施工的粉砂层，引孔深度达到设计要求的最小有效桩长，给后续压桩施工做好准备，能够顺利保证压桩施工达到有效桩长后，只控制桩端持力层进入1m以上和桩的终压力值大于设计要求即可。引孔后再压桩，可以减小一般压桩工艺在施工过程中对土壤的挤压效应。因为在静压桩施工前，引孔机已经按照桩位把整个桩孔的土壤取出来，形成一个相对孔洞，在静压桩施工时桩对土壤的摩擦挤压力大大减小，从而避免管桩的上浮和复压现象的发生。引孔配合静压桩植桩法既要满足单桩承载力要求，又要满足单桩有效桩长要求，解决因压力过大造成桩体损坏或压力满足要求但桩身无法达到设计标高要求的问题。

2.2 施工工艺流程

引孔配合静压桩施工主要工艺流程为：确定桩位孔及定位→桩埋设及桩段加工制作→桩引孔及锚杆养护→安装压桩反力架→第一节桩就位、校正→压桩→深度及压力值记录→下节桩就位、校正→接桩→压桩→压桩到设计要求→最终深度及压桩力验收→拆除压桩反力架→切割桩头→清孔（配制微膨胀早强混凝土）→封桩。值得注意的是：在钻孔过程中，钻孔桩位编号与压桩编号一致，钻孔速度与压桩速度保持一致，考虑到地质层及地下水位高度，采用隔一跳打的方式进行施工。

2.3 施工技术要求

（1）施工前，严格按图纸放设基准点、控制轴线、轴线、桩位，并用300mm长φ6钢筋系上红线打进土里作为桩位标识，经监理单位对轴线和桩位进行复核，确认桩位准确无误后才能施工。

（2）引孔前，在桩位标识外7～10m处引两个作固定点监测其是否偏位，同时设两垂线监测其垂直度。回钻退出的同时清理泥浆至场外，并用500mm×500mm木板盖住孔口防塌孔。

（3）桩机就位后先对准桩孔位置将桩机调平，桩段大致垂直，桩尖入地面后调直，当桩入土50cm时再直桩及调节器平桩机操作平台。第一节桩下压前，必须用两向吊线严格对中调直，倾斜率不得大于0.5%，保证桩的垂直度。静压桩过程中应设立固定标志监测桩是否有偏移，若偏移超过规范允许值，必須拔起重新对中。

（4）下压沉桩，在垂直的两个方向上放设吊线锤，对桩身垂直度进行监测。静压沉桩当第一根管桩桩顶距地面0.5～1.0m时，按照设计要求灌筑混凝土1000mm厚封桩底。

（5）接桩，当桩头高出地面0.5～1.0m时接桩，接桩前必须先调直上节桩，上下桩保持顺直，上、下桩中轴线偏差不得大于2mm，用钢刷对接面刷清，然后对好两节桩的接口进行烧焊，施焊应对称、分层进行并不少于两层，自然冷却后再继续下压。

（6）截桩头，终桩后高出地面的管桩桩头要用割桩机割断，并且把桩头部分敲打到地面以下，保证压桩机长短桩压不到的位置。

2.4 注意事项

在采用引孔压桩的施工过程中，根据压桩土层的实际情况及相应的成孔条件，需要额外注意以下注意事项：

（1）精确控制桩位，在施工员放线确定桩位后要重新定出桩位控制点。

（2）由于引孔的垂直度直接决定了工程桩的垂直度，所以每增加一节钻杆需要重新复核垂直度。

3）成孔质量控制：密切注意土质和水位等的变化，如遇特殊情况需要参照护孔措施进行施工。

（4）口径：确保引孔孔径小于管桩桩径20～50mm。

（5）引孔深度：引孔深度需要小于桩总入土深度0.5～1m的范围内。

（6）时效性：在进行完施工引孔后需要在12h内进行压桩施工处理。

在注意以上引孔关键环节后，就可以尽可能地避免施工工程中出现的打桩桩斜、打桩桩断等现象。

3、工程实例

工程某综合楼，地上10层，地下1层，剪力墙框架结构，建筑面积约为7300m2。基础采用PC-400-C60静压预应力高强混凝土管桩，持力层选择强风化花岗岩层。桩入土深度以设计桩长为主，设计桩长在30m左右，工程桩单桩设计的极限承载力为3200kN，共计328根。该工程场地周边均有建筑，该区域对振动、噪声、污染有严格要求，而且根据岩土工程勘察报告，场区内地层自上而下可分为素土层（1.3～4m）、淤泥质土（0.3～0.9m）、粉质黏土（1.0～3.2m）、黏土（1.3～6.4m）、粗砂夹圆砾（1.1～9.6m）、花岗岩层（2.6～18.5m）。地质状况较为复杂，对施工要求高。由于施工工期紧迫，由设计、监理及施工方共同确定了静压桩施工方案。由于粗砂夹圆砾层下部为相对软弱的黏土层，无法满足设计及规范要求，不能直接作为端桩持力层。考虑到粗砂夹圆砾层的穿透能力较差，先在1#、25#和37#桩点进行了试沉桩。1#桩压入土深度13m时，桩机压力达到2800kN时，桩身无法穿越；25#桩压入土深度为12m时，桩机压力达到2900kN，桩身无法穿越；37#桩压入土深度为12.5m时，桩机压力达到2850kN，桩身无法穿越。三组桩均无法穿越，且未达到设计桩长要求，因此都停止了压桩。此时，桩端都已经进入了花岗岩层，压力已经超过桩身允许压力，如果继续加大压力，可能造成桩身破坏。经过综合考虑，会审一致决定采用引孔配合静压桩植桩法作业，在考虑到引孔对挤土效应和压桩力效果的影响上，结合工程实例的相关研究成果，设计引孔直径为420mm。控制标准：①结合地质剖面；②按终孔钻进速率控制（一般可按钻进速率≤0.5cm/min）；③机长及地质人员现场判断：钻进拨拔声响、钻具钻杆抖动厉害，对排出的渣样进行鉴定等。

4、施工效果

本文综合楼工程的施工效果主要从施工质量、施工工期与造价以及建筑物控制点监测三方面进行分析。

4.1 施工质量

本工程选取静力压桩质量检验标准中的主控项目作为重点研究对象，包括桩体质量、桩位偏差和承载力。本项工程共设计锚杆静压桩328根桩，根据施工方案，所有桩位都采用了引孔静压桩法进行施工（即先在每个桩位处钻至预定设计有效桩长处，再进行静压桩施工）。通过对桩身完整性检测结果显示，桩身完整的Ⅰ类桩共有250根，占总桩数的76%；桩身有轻微缺陷的Ⅱ类桩共有78根，约为总桩数的24%，不影响桩身结构承载力的正常发挥；在检测过程中没有明显缺陷的Ⅲ类桩出现。抽取的6根桩的静载荷试验检测结果表明，6根桩的静载荷承载力均大于承载力的设计值，表明静压桩能满足设计和规范的要求。从工程施工质量来看，由于施工过程中采用了引孔作业的方式，可极大地增加植桩的深度，增强了桩的穿透能力，避免桩头击破、桩身破损、断桩等不利的影响。在对桩进行静压桩施工的过程中，在接近设计桩长的深度时，328根桩的最大压桩力均没有超过3000kN，也没有出现明显的挤土效应，整个静压桩施工过程进行得十分顺利，有效地保护了桩身质量及周边环境。

4.2 施工工期与造价

从工期看，有效施工期约5个月，可以比采用钻孔灌注桩施工缩短约1个半月的时间，加快了整个建设工程的施工进度，满足了业主的施工要求。从工程造价来看，如果采用冲、钻孔灌注桩进行施工作业，造价约为126万元；而实际的施工过程中采用引孔锚杆静压桩施工，造价仅为72万元，节约费用54万元，约节省43%。

4.3 建筑物控制点监测

为了检验施工技术方案的施工效果，根据施工设计方案，在工程开工前，在建筑物上布置了倾斜观测点16个，沉降观测点52个。通过持续监测来判断施工对建筑物的影响。在施工开始直至施工验收过程中，工程质量监督检测测试中心共进行了32次倾斜观测与沉降观测，观测周期为每5天进行一次。

1）倾斜值

图1所示为工程质量监督检测测试中心对整个工程的倾斜观测点的观测结果，根据倾斜值和测量次数绘制了观测的统计曲线。其中，抽取了8个观测点间隔3次的检测数据结果进行了分析，观测点分别以A1-A8表示。建筑物倾斜率的测量采用掉线锤的方式，实时对建筑物的倾斜率进行测量。

图1观测点倾斜值变化曲线

倾斜观测点的数据结果表明，在32次的倾斜观测过程中，各个观测点的倾斜率都在施工合同要求的3‰的范围内，并且主要控制点的倾斜率均在1.5‰左右，满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的要求。

2）沉降量

根据施工方案，工程质量监督检测测试中心在施工过程中，选取了建筑物东西两侧作为沉降量的观测方向，并选取了部分代表性桩进行了沉降观测点的实时沉降曲线的绘制。其中，东侧的观测点分别为Z1、Z11、Z21、Z31，西侧的沉降观测点分别为Z15、Z25、Z35、Z45。从第8次测量的数据开始，对间隔3次的检测数据结果进行了汇总，首次观测的沉降观测点高程值是以后各次观测用以比较的基础，施测时采用N3级精密水准仪，并且要求每个观测点首次高程应在同期观测两次后确定。观测点的沉降曲线图如图2、图3所示。根据沉降-观测次数（施工天数）曲线观测结果，可以看出，从观测第11次开始（即第55天）至观测第31次（第155天）的100d时间里，建筑物东西两侧的测量结果显示，建筑物的沉降速率均在0.04mm/d以下，特别是在东侧的第17次观测和西侧的第14次观测后，东西两侧的沉降曲线已呈逐渐收敛趋势，且沉降速率保持在0.09～0.22mm/d之间。根据《建筑变形测量规程》（JGJ8-2007）[4]中的有關规定，当最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm/d，可认为建筑物已经进入沉降稳定阶段。因此，可以判定重庆市渝北区的教学楼工程的沉降速率符合施工合同中规定的要求，也符合《建筑变形测量规程》（JGJ8-2007）中关于稳定的规定，该建筑物沉降情况良好。在沉降观测初期，建筑物的沉降量相对较大，主要原因在于在锚杆静压桩施工过程中产生了很大的弹性变形，在压桩力撤去之后，由于回弹变形的作用，会导致建筑物沉降量的波动，经过一段时间后，逐渐恢复至稳定阶段的水平。

图2建筑物东侧的观测点的沉降曲线

图3建筑物西侧的观测点的沉降曲线

在全部328根锚杆静压桩中，通过对建筑物的倾斜率、沉降量以及桩身完整性与承载力的检测，表明通过引孔配合静压桩植桩法作业，桩位的准确率和桩长都满足了施工设计要求，施工效果良好。

结论

本文通过某基坑施工工程实例，结合实际地质条件，制定了合宜的静压桩施工方案。成功地将引孔静压桩工艺在高层建筑施工过程中得以应用，取得了良好的施工效果，解决了在复杂特殊的地质条件下，静压预应力管桩施工有效桩长和单桩承载力不够的难题，从而满足设计有效桩长和单桩承载力要求，保证了桩基础施工质量。通过实际检验，能够满足静力压桩质量检验标准，各个观测点的倾斜率满足了《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中的要求，沉降速率保持在0.09～0.22mm/d之间，该建筑物的沉降情况良好。从倾斜率、沉降量及综合效益方面分析了采用引孔静压桩工艺的施工效果，对同类工程中的施工设计具有一定的参考价值和实际指导意义。

参考文献

[1]李镜培，何建锋，梁发云.静压桩桩尖作用机理的数值模拟及参数分析[J].结构工程师，2007，23（3）：53-57.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.