桩基础的类型及质量检验

4．2．1 桩基础的类型

(1)按承载性状分类.作用在竖直桩顶的竖向外荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担,摩阻力和端阻力的大小及外荷载的比例主要由桩侧和桩端地基土的物理力学性质、桩的几何尺寸、桩与土的刚度比及施工工艺等决定.根据摩阻力和端阻力占外荷载的比例大小将桩基分为摩擦型桩和端承型桩两大类(图4．2).

图4．2 桩的承载性状

(a)摩擦型桩;(b)端承型桩

①摩擦型桩.

a．摩擦型桩.在极限承载力状态下,桩顶荷载由桩侧阻力承受,即纯摩擦桩,桩端阻力忽略不计.例如,桩长径比很大,桩顶荷载只通过桩身压缩产生的桩侧阻力传递给桩周土,桩端土层分担荷载很小;桩端下无较坚实的持力层;桩底残留虚土或沉渣的灌注桩;桩端出现脱空的打入桩等.

b．端承摩擦桩.在极限承载力状态下,桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受.例如,置于软塑状态黏性土中的长桩,桩端土为可塑状态黏性土,端阻力承受小部分荷载,属于端承摩擦桩.

②端承型桩.

a．端承桩.在极限承载力状态下,桩顶荷载由桩端阻力承受,桩端阻力占少量比例.当桩的长径比较小(一般小于10),桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中、微风化及新鲜基岩中时,桩侧阻力可忽略不计,属于端承桩.

b．摩擦端承桩.在极限承载力状态下,桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受.通常,桩端设置在中密以上的砂类、碎石类土层中或位于中、微风化及新鲜岩顶面.这类桩的侧阻力虽属次要,但不可忽略.

(2)按桩的使用功能分类.

①竖向抗压桩.竖向抗压桩为主要承受竖向下压荷载(简称竖向荷载)的桩.大多数建筑桩基础为此种抗压桩.

②竖向抗拔桩.竖向抗拔桩为主要承受竖向上拔荷载的桩.抗拔桩在输电塔架、地下抗浮结构及码头结构物中应用较多.

③水平受荷桩.水平受荷桩为在桩顶或地面以上主要承受地震力、风力及波浪力等水平荷载的桩,常用于港口码头、输电塔架、基坑支护等结构物中.

④复合受荷桩.复合受荷桩为承受竖向、水平荷载均较大的桩.例如,各种桥梁的桩基础.

(3)按桩身材料分类.

①木桩.以木材制桩常选用松木、杉木等硬质木材.木桩在古代及20世纪初有大量应用,随着建筑物向高、重、大方向发展,木桩因其长度较小、不易接桩、承载力较低以及在干、湿度交替变化环境下易腐烂等缺点而受到很大限制,只在少数工程中因地制宜地采用.

②混凝土桩.混凝土桩是工程中大量应用的一类桩型.混凝土桩还可分为素混凝土桩、钢筋混凝土桩及预应力钢筋混凝土桩三种.

a．素混凝土桩.素混凝土桩受到混凝土抗压强度高和抗拉强度低的局限,通过地基成孔、灌注方式成桩,一般只在桩承压条件下采用,不适于荷载条件复杂多变的情况,因而其应用已很少.

b．钢筋混凝土桩.钢筋混凝土桩应用最多.钢筋混凝土桩的长度主要受到设桩方法的限制,其断面形式可以是方形、圆形或三角形等;可以是实心的,也可以是空心的.这种桩一般做成等断面的,也有因土层性质变化而采用变断面的桩体.钢筋混凝土桩以桩体抗压、抗拉强度均较高的特点,可适应较复杂的荷载情况,因而得到广泛应用.

c．预应力钢筋混凝土桩.预应力钢筋混凝土桩通常在地表预制,其断面多为圆形或管状.由于在预制过程中对钢筋及混凝土体施加预应力,使得桩体在抗弯、抗拉及抗裂等方面比普通的钢筋混凝土桩有较大的优越性,尤其适用于冲击与振动荷载情况,在海港、码头等工程中已有普遍使用,在工业与民用建筑工程中也在逐渐推广.

③钢桩.钢桩在我国目前应用较少.对于建在软土地基上的高重结构物,近年来开始采用大直径开口钢管桩,宽翼缘工字钢及其他型钢桩也偶有采用.

钢桩的主要特点:桩身抗压强度高、抗弯强度也很大,特别适用于桩身自由度大的高桩码头结构;其次是其贯入性能好,能穿越相当厚度的硬土层,以提供很高的竖向承载力;另外,钢桩施工比较方便,易于裁接,工艺质量比较稳定,施工速度快.钢桩的最大缺点是价格昂贵,目前只在特别重大的或特殊的工程项目中应用.另外,钢桩还存在环境腐蚀等问题,在设计与施工中需做特殊考虑.

④组合材料桩.组合材料桩是指用两种不同材料组合的桩.例如,钢管桩内填充混凝土,或上部为钢管桩、下部为混凝土等形式的组合桩,主要用于特殊地质条件及施工技术等情况下.

(4)按施工方法分类.

①预制桩.预制桩是指在工厂或现场预先制作成型,再用各种机械设备沉入地基至设计标高的桩.材料与规格:除木桩、钢桩外,目前,大量应用的预制桩是钢筋混凝土桩.钢筋混凝土预制桩成桩质量比较稳定、可靠.其横截面有方、圆等多种形状.一般普通实心方桩的截面边长为300~500m,桩长25~30m,工厂预制时分节长度不大于12m,沉桩时在现场连接到所需桩长.预制桩的接头方式有钢板焊接法、法兰西法及硫黄胶泥浆锚等多种方法.通常,采用钢板焊接法,用钢板、角钢焊接,并涂以沥青以防止腐蚀.也可采用钢板垂直插头加水平销连接,其施工快捷,不影响桩的强度和承载力.分节接头应保证质量,以满足桩身承受轴力、弯矩和剪力的要求.沉桩方法:预制桩根据设桩方法还可分为打入桩、振沉桩、静压桩及旋入桩等.

a．打入法.打入法是采用打桩机用桩锤把桩击入地基的沉桩方法,这种方法存在噪声大、振动强等缺点.

b．振动法.振动法是在桩顶装上振动器,使预制桩随着振动下沉至设计标高.振动法的主要设备为振动器.振动器内置有成对的偏心块,当偏心块同步反向旋转时,产生竖向振动力,使桩沉入土中.振动法适用于砂土地基,尤其在地下水位以下的砂土,受震动使砂土发生液化,桩易于下沉.振动法对于自重不大的钢桩的沉桩效果较好,不适合一般的黏土地基.

c．静力压桩法.静力压桩法采用静力压桩机,将压制桩压入地基中,适宜于均质软土地基.静力压桩法的优点是:无噪声、无振动,对周围的邻近建筑物不产生不良影响.

d．旋入法.旋入法是在桩端处设一螺旋板,利用外部机械的扭力将其逐渐旋入地基中,这种桩的桩身断面一般较小,而螺旋板相对较大,在旋入施工过程中对桩侧土体的扰动较大,因而主要靠桩端螺旋板承担桩体轴向的压力或拉力.

预制桩沉桩深度:沉桩的实际深度应根据桩位处桩端土层的深度而确定.由于桩端持力层面倾斜或起伏不平,沉桩的实际深度与设计桩长常不相同.

施工时以最后贯入度和桩尖设计标高两方面控制.最后贯入度是指沉至某标高时,每次锤击的沉入量,通常以最后每阵的平均贯入量表示.锤击法常以10次锤击为一阵,振动沉桩以1min为一阵.最后贯入度指标根据计算或地区经验确定,一般可取最后两阵的平均贯入度为10~50mm∕阵.压桩法的施工参数是不同深度的压桩力,它们包含着桩身穿过的土层的信息.

预制桩的优缺点:打入或振动式预制桩施工噪声大,污染环境,不宜在居民区周围使用;预制桩桩身需用高强度等级混凝土、高含筋率,主筋要求通长配置,用钢量大,造价高;由于桩的节长规格无法临时变动,当沉桩无法到达设计标高时,就不得不截桩,而设计桩长较长时,则需接桩,给施工造成困难;预制桩的接头常形成桩身的薄弱环节,易脱桩并影响桩身垂直度.但预制桩的桩身质量易于保证,单方混凝土承载力高于灌注桩.

②灌注桩.灌注桩是在所设计桩位处成孔,然后在孔内安放钢筋笼(也有直接插筋或省去钢筋的)再浇灌混凝土而成.其横截面呈圆形,可以做成大直径和扩底桩.保证灌注桩承载力的关键在于桩身的成型及混凝土质量.根据成孔方法灌注桩通常可分为以下几类:

a．沉管灌注桩.沉管灌注桩属于有套管护壁作业桩,其施工程序如图4．3所示.这种桩的直径一般为300~500mm,桩长不超过25m,分为振动沉管桩和锤击沉管桩两种,可打至硬塑黏土层或中、粗砂层.其优点是设备简单、打桩进度快、成本低.

图4．3 沉管灌注桩施工程序

(a)打桩机就位;(b)沉管;(c)浇灌混凝土;(d)边拔管边振动;

(e)安放钢筋笼继续浇灌混凝土;(f)成型

要求沉管灌注桩在拔管时,防止钢管内的混凝土被吸住上拉,因而产生缩颈质量事故.在饱和软黏土中,由于沉管的挤压作用产生的孔隙水压力,也可能使混凝土桩缩颈.尤其在软土与表层“硬壳层”交界处最容易产生缩颈现象.

灌注管内混凝土量充盈系数(混凝土实际用量与计算的桩身体积之比)一般应达1．10~1．15.对于混凝土灌注充盈系数小于1的灌注桩,应采取全长复打桩.对于断桩及有缩颈的桩,可采用局部复打桩,其复打深度必须超过断桩或缩颈区1m以下.复打施工必须在第一次灌注的混凝土初凝之前进行,要求在原位重新沉管,再灌注混凝土,前后两次沉管的轴线应重合.

b．钻(冲)孔灌注桩.钻(冲)孔灌注桩用钻机(如螺旋钻、振动钻、冲抓锥钻和旋转水冲砖等)钻土成孔,然后清除孔底残渣,安放钢筋笼,浇灌混凝土.其施工程序如图4．4所示.常用有的钻机成孔后,可撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切土扩大桩孔,浇灌混凝土后在底端形成扩大桩端,但扩底直径不宜大于3倍桩身直径.

钻(冲)孔灌注桩通常采用泥浆护壁,泥浆应选用膨润土或高塑性黏土在现场加水搅拌制成,一般要求其相对密度为1．1~1．15,黏度为10~25s,含砂率小于6％,胶体率大于95％.施工时泥浆水面应高出地下水面1m以上,清孔后在水下浇灌混凝土,直径可达0．3~2m.其最大优点是入土深,桩长可达一二百米,能进入岩层,刚度大,承载力高,桩身变形小,并可方便地进行水下施工,而且施工过程中无挤土、无(少)振动、无(低)噪声,环境影响小,是各类灌注桩中应用最为广泛的一种.

图4．4 钻孔灌注桩施工程序

(a)成孔;(b)下导管和钢筋笼;(c)浇灌水下混凝土;(d)成型

c．挖孔桩.挖孔桩可采用人工和机械挖掘成孔,逐段边开挖边支护,达到所需深度后再进行扩孔、安装钢筋笼及浇灌混凝土而成.

挖孔桩一般内径应不小于800mm,开挖直径不小于1000mm,护壁厚度不小于100mm,分节支护,每节高500~1000mm,可用混凝土浇筑或砖砌筑,桩身长度宜限制在30m以内.如图4．5所示为某人工挖孔桩示例.

挖孔桩可直接观察地层情况,孔底易清除干净,设备简单,噪声小,场区内各桩可同时施工,且桩径大、适应性强,比较经济.但由于挖孔时可能存在塌方、缺氧、有害气体、触电等危险,易造成安全事故,因此应严格规定.

(5)按成桩方式分类.

①非挤土桩.干作业挖孔桩、泥浆护壁钻(冲)孔桩和套管护壁灌注桩,这类在成桩过程中基本上对桩相邻土不产生挤土效应的桩,称为非挤土桩.其设备噪声较挤土桩小,而废泥浆、弃土运输等可能会对周围环境造成影响.

②部分挤土桩.当挤土桩无法施工时,可采用预钻小孔后打较大直径预制或灌注桩的施工方法;或打入部分敞口桩,如冲孔灌注桩、钻孔挤扩灌注桩、搅拌劲芯桩、预钻孔打入(静压)预制桩等.

③挤土桩.打入式的预制桩或沉管灌注桩称为挤土桩.挤土桩除施工噪声外,不存在泥浆及弃土污染问题,当施工质量好,方法得当时,其单方混凝土材料所提供的承载力比非挤土桩及部分挤土桩高.

图4．5 人工挖孔桩示例

(6)按桩径大小分类.

①小直径桩.桩径d≤250mm的桩称为小直径桩.由于桩径小,施工机械、施工场地及施工方法一般较为简单.小桩多用于基础加固(树根桩或静压锚杆桩)及复合桩基础.

②中等直径桩.桩径250mm＜d＜800mm的桩称为中等直径桩.这类桩长期以来在工业与民用建筑物中大量使用,成桩方法和工艺繁杂.

③大直径桩.桩径d≥800mm的桩称为大直径桩.近年来发展较快,范围逐渐增多.因为桩径大且桩端还可以扩大,因此,单桩承载力较高.此类桩除大直径钢管桩外,多数为钻、冲、挖孔灌注桩.通常,用于高重型建(构)筑物基础,并可实现柱下单桩的结构形式.正因为如此,也决定了大直径桩施工质量的重要性.

4．2．2 桩基础质量检验

桩基础属于地下隐蔽工程,尤其是灌注桩,很容易出现缩颈、夹泥、断桩或沉渣过厚等多种形态的质量缺陷,影响桩身结构完整性和单桩承载力,因此,必须进行施工监督、现场记录和质量检测,以保证质量、减少隐患.对于柱下单桩或大直径灌注桩工程,保证桩身质量就更为重要.目前,已有多种桩身结构完整性的检测技术,下列几种较为常用:

(1)开挖检查.只限于对所暴露的桩身进行观察检查.

(2)抽芯法.在灌注桩桩身内钻孔(直径100~150mm),取混凝土芯样进行观察和单轴抗压试验,了解混凝土有无离析、空洞、桩底沉渣和夹泥等现象,也可检测桩长、桩身质量及判断桩身完整性类别等.有条件时也可采用钻孔电视直接观察孔壁孔底质量.

(3)声波透射法.可检测桩身缺陷程度及位置,判定桩身完整性类别.预先在桩中埋入3~4根金属管,利用超声波在不同强度(不同弹性模量)的混凝土中传播速度的变化来检测桩身质量.试验时在其中一根管内放入发射器,而在其他管中放入接收器,通过测读并记录不同深度处声波的传递时间来分析判断桩身质量.

(4)动测法.动测法是指在桩顶施加一动态力(动态力可以是瞬态冲击力或稳定激振力),桩－土系统在动态力的作用下产生动态响应,采用不同功能的传感器在桩顶量测动态响应信号(如位移、速度和加速度信号),通过对信号的时域分析、频域分析或传递函数分析,判断桩身结构完整性,推断单桩承载力.动测法又分为低应变动测法和高应变动测法.低应变动测法作用在桩顶的动荷载小于桩的使用荷载,其能量小,只能使桩土产生弹性变形,无法使桩土之间产生足够的相对位移或使土阻力充分发挥,主要用于检测桩身完整性.低应变动测法主要有球击频率分析法、共振法、机械阻抗法、水电效应法和动力参数法等;高应变动测法主要有波动方程法、锤贯法、波形拟合法、动力打桩公式法、CASE法和TNO法等.