内夯沉管灌注桩工艺特点及工程应用实例

昝海洋

【摘要】本文介绍了沉管夯扩混凝土灌注桩的的工艺特点及施工质量控制要点，并通过工程实例，阐述了该桩型的优越性，对这一桩型在特定地质条件下的推广应用具有一定的参考价值。

【关键词】内夯沉管灌注桩；工艺特点；施工质量控制要点

0 前言

内夯沉管灌注桩是一种采用桩锤夯击桩管（包括内、外管）成孔，向管底灌注一定量干硬性混凝土，并通过夯击内管形成扩大头，再向管内放入钢筋笼、灌注混凝土，形成一种底部带扩大头的钢筋混凝土桩。该桩型是在沉管灌注桩及扩底桩基础上发展起来的一种集沉管灌注桩及扩底桩二者优点于一体的桩型。

该桩型适用于单桩承载力极限值不大于4000kN的工业与民用建筑，近年来随着该技术的不断发展成熟，单桩承载力极限值已经应达到5000KN～6000kN。其成桩直径300～600mm，桩长可达25m。

该桩型具有较强的地层适用性，既适用于桩端有坚硬、密实持力层的地层，也适用于一般黏性土、粉土及砂土。近年来，该桩型在湿陷性黄土地区也有大量地使用。

1 施工工艺及其特点

内夯沉管灌注桩主要施工工艺流程如下（见图1）：

（1）桩机就位，并在外套管内放入内夯管，对准桩位。

（2）锤击外套管、内夯管，使其共同沉至设计深度。

（3）将内夯管从外管中抽出。

（4）灌入用夯扩部份的H高的干硬性混凝土（H与桩端地层有关，一般可取1.0～1.5m）。

（5）外套管按设计要求上拔h高度，h

（6）放入内夯管，并锤击内夯管，把外套管内h高的干混凝土夯出管外。

（7）锤击外套管、内夯管，使其沉入规定设计深度（h-c），c为底部保留的厚度（c约为0.2m）。

（8）内夯管从外套管中抽出，即完成一次夯扩的全部工序。

（9）重复工序4到8，完成二次夯扩、多次夯扩的全部工序。

（10）拔出内夯管，安放钢筋笼底至设计标高。

（11）灌注混凝土，并开始拔出外套管。拔出外套管时，将柴油锤和内夯管的重量压在外套管内的混凝土面上，并开启振动锤，缓慢拔出。

图1 工艺流程

可以看出，該桩型施工工艺流程和一般沉管灌注桩很相似，其主要区别是该工艺所采用的施工机械为内、外双层管打桩机，即打桩机的桩管包括内夯管及外套管，且工艺流程增加了填入干硬性混凝土，并通过内夯管夯扩形成扩大头的过程（如图1、2、3）。

扩大头形成过程：（图1）外管内灌注第一批混凝土；（图2）外管拔起h高度并插入内夯管；

（图3）内外管夯扩在桩底形成扩大头。

内夯管底端分为闭口平底和闭口锥底两种形式（如图5、6）。显而易见，锥底的内夯管更能提高施工效率和桩端夯扩效果。

近年来，我院在大量工程实践的基础上，对打桩设备进行改进，在外管顶部增加了振动锤，在拔出外管的过程中开启振动锤。这一改进使得拔管更容易，振动作用使得桩身混凝土更密实，大大得提高了施工效率和成桩质量。

2 施工质量控制要点

（1）为防止沉管过程中，内、外管间发生间隙涌水、涌泥现象，应采取封水措施。可在内夯管底部加焊一块直径比外管内径小10～20mm，厚20mm左右的封底圆形钢板。同时，在桩位点预先放置干硬性混凝土或无水混凝土配料，成孔过程中经夯击形成阻水、阻泥管塞。

（2）在扩大头夯填过程中，由填料人员从填料口填入一定数量的填充料（干硬性混凝土），每次填入量根据地质情况、锤击数多少而定，扩大头施工分二至三次夯扩，每次投料为0.2～0.3m3左右，然后外管提升高度控制在0.5～0.7m之间。扩大头施工质量应以最后十击贯入度不大于3cm为主控制，总投料量为副进行控制。

（3）混凝土灌注完毕，拔出外套管时，应开启振动锤，并应控制拔管速度，做到缓慢、均匀，一般地层拔管速度控制在1～2m/min为宜。

3 工程实例

3.1工程概况

本工程为某研发中心综合楼项目，建筑层数5层，建筑面积4200m2。框架结构。拟采用独立基础，基础埋深1.8m，基础尺寸3.0m×3.6m，基底压力标准组合值为260kPa，单住荷载2800kN。

3.2场地工程地质条件

场地地貌单元属渭河右岸河漫滩，地形较平坦。地下水位埋深1.8～2.7m，属潜水。场地地层条件见表1。

地层特征及埋藏条件 表1

地层及编号 层厚（m） 岩性特征描述 承载力特征值fak（kPa） 极限侧阻力标准值qsik（kPa） 极限端阻力标准值qpk（kPa）

①耕土 0.50～0.50 主要由粘性土组成，含植物根系 / / /

②黄土状土 0.70～1.80 黄褐色，土质较均匀，大孔结构，含氧化铁条纹，可塑状态 120 35

③粉土 0.50～1.70 灰褐色，土质均匀，含氧化铁条纹，饱和，中密状态。局部砂质含量高 150 42

④粗砂 2.60～4.40 黄褐色，矿物成分以石英、长石为主，级配不良，见零星圆砾，饱和，中密状态 170 85

⑤卵石 最大揭露厚度9.70m 主要由石英岩、花岗岩等岩石碎块组成，亚圆形，一般粒径25-50mm，最大140mm，充填约25%粗砾砂，密实状态 350 150 2500

3.3地基基础方案比选

根据勘察报告提供地层情况及地基承载力，浅部地层承载力不满足要求。如按原设计采用独立基础，势必要进行地基处理。按照一般的工程经验，砂石垫层是一种施工简单、造价低廉的处理方法，但本工程若采用该方法处理，估算垫层厚度约1.5m，此时必须采用降水措施，且基坑开挖深度增大，增加基坑支护费用，造成整个工程成本和施工难度增加。

勘察报告建议采用钻孔灌注桩基础，并以⑤层卵石层，初步估算桩径d=700mm、桩长l=7m时单桩竖向极限承载力标准值Quk=2000kN。

设计经过咨询后决定采用内夯沉管灌注桩。桩端持力层为⑤层卵石层，桩顶标高-0.6m，有效桩长5.0m，桩径0.43m，桩身混凝土强度等级为C30，设计单桩极限承载力值为2000kN，总桩数88根。

3.4桩基检测结果

（1）静载荷试验

随机抽取3根工程桩进行静载荷试验（见图7、8、9）。试验桩均加载至2000kN，各级荷载作用下沉降量增量基本均匀，所绘Q-s曲线为缓变型曲线，未出现明显的陡降段，且各级荷载下的S-lgt曲线基本平行，尾部未出现明显向下弯曲，表明试验桩未达到其极限状态，单桩竖向抗压极限承载力可取2000kN。

单桩竖向抗压静载试验结果表 表6.2

试桩编号 T1（59#） T2（44#） T3（2#）

最大加载（kN） 2000

最大加载

2000kN 对应的沉降量（mm） 15.52 20.18 17.25

對应的回弹量（mm） 5.05 5.73 5.30

单桩竖向抗压极限承载力（kN） 2000

图7 2#载荷试验曲线

图8 44#载荷试验曲线

图9 59#载荷试验曲线

（2）低应变动力检测

随机抽检30根工程桩进行低应变动力检测。动测曲线显示，波形清晰，桩底反射明显。检测桩身波速范围3840m/s～4390m/s，平均值为4220m/s。实测桩长4.5～5.0m。所测工程桩桩身完整性良好，均属Ⅰ类桩。

4 桩型优越性总结

从前述工艺特点及工程实例可以看出，该桩型在相同地质条件下比其它桩型具有明显的优越性，可以总结为以下几点

（1）成孔时产生挤土效应，且成孔过程不使用泥浆，可大幅增加桩侧摩阻力；

（2）桩端夯扩工程中，使桩端地层得到加固和加强，且桩端形成扩大头，加大了桩端底面积，有利于提高桩的端承力；

（3）单桩承载力大幅提高，桩数减少，投资成本大大降低；

（4）拔管时用振动锤拔管，使桩身混凝土更密实，减少断桩、离析等质量缺损，桩身质量得到有效保证；

（5）施工过程无泥浆排出，施工场地干净整洁，有利于环境保护。

（6）地层适应性强，既适用于地表下5～25m有较硬的持力层（如密实的砂卵石、风化岩等）地质条件，也适用于桩端为砂土、粉土或可塑、硬塑状态的黏性土地层。

5 结语

该桩型所具有的施工简便、桩身质量好、单桩承载力高、造价低廉、有利于环境保护及地层适应性强等特点，使该桩型相比其它桩型在一定地质条件下具有明显的优越性，尤其在多层、小高层民用建筑及一般工业建筑中具有广泛的应用前景。