钢筋混凝土预制桩是在预制构件厂或施工现场预制的,用沉桩设备在设计位置上将其沉入土中,其特点：坚固耐久,不受地下水或潮湿环境影响,能承受较大荷载,施工机械化程度高、进度快,能适应不同土层施工。目前最常用的预制桩是预应力混凝土管桩。它是一种细长的空心等截面预制混凝土构件,是在工厂经先张预应力、离心成型、高压蒸养等工艺生产而成。管桩按桩身混凝土强度等级的不同分为PC桩(C60,C70)和PHC桩(C80)；按桩身抗裂弯矩的大小分为A型、AB型和B型(A型最大,B型最小)；外径有300mm、400mm、500mm、550mm和600mm,壁厚为65～125mm,常用节长7～12m,特殊节长4～5m。

钢筋混凝土预制桩施工前,应根据施工图设计要求、桩的类型、成孔过程对土的挤压情况、地质探测和试桩等资料,制定施工方案。一般的施工程序如图3.5所示。

图3.4　端承桩与摩擦桩

(a)端承桩；(b)摩擦桩
1—桩；2—承台；3—上部结构

3.3.1.1　打桩前的准备

桩基础工程在施工前,应根据工程规模的大小和复杂程度,编制整个分部工程施工组织设计或施工方案。沉桩前,现场准备工作的内容有处理障碍物、平整场地、抄平放线、铺设水电管网、沉桩机械设备的进场和安装以及桩的供应等。

图3.5　预制桩施工程序图

(1)处理障碍物。打桩前,宜向城市管理、供水、供电、煤气、电信、房管等有关单位提出要求,认真处理高空、地上和地下的障碍物。然后对现场周围(一般为10m以内)的建筑物、驳岸、地下管线等作全面检查,必须予以加固或采取隔振措施或拆除,以免打桩中由于振动的影响,引起倒塌。

(2)平整场地。打桩场地必须平整、坚实,必要时宜铺设道路,经压路机碾压密实,场地四周应挖排水沟以利排水。

(3)抄平放线定桩位。在打桩现场附近设水准点,其位置应不受打桩影响,数量不得少于两个,用以抄平场地和检查桩的入土深度。要根据建筑物的轴线控制桩定出桩基础的每个桩位,可用小木桩标记。正式打桩之前,应对桩基的轴线和桩位复查一次。以免因小木桩挪动、丢失而影响施工。桩位放线允许偏差为20mm。

(4)进行打桩试验。施工前应作数量不少于2根桩的打桩工艺试验,用以了解桩的沉入时间、最终沉入度、持力层的强度、桩的承载力以及施工过程中可能出现的各种问题和反常情况等,以便检验所选的打桩设备和施工工艺是否符合设计要求。

(5)确定打桩顺序。打桩顺序直接影响到桩基础的质量和施工速度,应根据桩的密集程度(桩距大小)、桩的规格、长短、桩的设计标高、工作面布置、工期要求等综合考虑,合理确定打桩顺序。根据桩的密集程度,打桩顺序一般分为逐段打设、自中部向四周打设和由中间向两侧打设三种,如图3.6所示。当桩的中心距不大于4倍桩的直径或边长时,应由中间向两侧对称施打[图3.6(c)],或由中间向四周施打[图3.6(b)]。当桩的中心距大于4倍桩的边长或直径时,可采用上述两种打法,或逐排单向打设[图3.6(a)]。

图3.6　打桩顺序图

(a)逐排打设；(b)自中间向四周打设；(c)由中间向两侧打设

根据基础的设计标高和桩的规格,宜按先深后浅、先大后小、先长后短的顺序进行打桩。

(6)桩帽、垫衬和送桩设备机具准备。

3.3.1.2　桩的制作、运输、堆放

(1)桩的制作。较短的桩多在预制厂生产。较长的桩一般在打桩现场附近或打桩现场就地预制。

桩分节制作时,单节长度确定,应满足桩架的有效高度、制作场地条件、运输与装卸能力的要求,同时应避免桩尖接近硬持力层或桩尖处于硬持力层中接桩,上节桩和下节桩应尽量在同一纵轴线上预制,使上下节钢筋和桩身减少偏差。

制桩时,应做好浇筑日期、混凝土强度、外观检查、质量鉴定等记录,以供验收时查用。每根桩上应标明编号、制作日期,如不预埋吊环,则应标明绑扎位置。

(2)桩的运输。混凝土预制桩达到设计强度70%方可起吊,达到100%后方可进行运输。如提前吊运,必须验算合格。桩在起吊和搬运时,吊点应符合设计规定,如无吊环,设计又未作规定时,绑扎点的数量及位置按桩长而定,应按起吊弯矩最小的原则进行捆绑。钢丝绳与桩之间应加衬垫,以免损坏棱角。起吊时应平稳提升,吊点同时离地,如要长距离运输,可采用平板拖车或轻轨平板车。长桩搬运时,桩下要设置活动支座。经过搬运的桩,还应进行质量复查。

(3)桩的堆放。桩堆放应遵守：桩堆放时,地面必须平整、坚实,垫木间距应根据吊点确定,各层垫木应位于同一垂直线上,最下层垫木应适当加宽,堆放层数不宜超过4层。不同规格的桩,应分别堆放。

3.3.1.3　施工方法

混凝土预制桩的沉桩方法有锤击沉桩、静力压桩、振动沉桩等。

1.锤击沉桩

锤击沉桩也称打入桩(图3.7),是利用桩锤下落产生的冲击能量将桩沉入土中,锤击沉桩是混凝土预制桩最常用的沉桩方法。该法施工速度快,机械化程度高,适应范围广,现场文明程度高,但施工时有噪音污染和振动,对于城市中心和夜间施工有所限制。

图3.7　打入桩施工

(1)打桩设备及选择。打桩所用的机具设备,主要包括桩锤(作用是对桩施加冲动击力,将桩打入土中)、桩架(作用是支持桩身和桩锤将桩吊到打桩位置,并在打入过程中引导桩的方向,保证桩锤沿着所要求的方向冲击)及动力装置(包括启动桩锤用的动力设施,如卷扬机、锅炉、空气压缩机等)三部分。

桩锤是把桩打入土中的主要机具,有落锤、汽锤(单动汽锤和双动汽锤)、柴油桩锤和振动桩锤等。

桩锤的类型应根据施工现场情况、机具设备条件及工作方式和工作效率等条件来选择。锤重的选择,在做功相同而锤重与落距乘积相等情况下,宜选用重锤低击,这样可以使桩锤动量大而冲击回弹能量消耗小。桩锤过重,所需动力设备大,能源消耗大,不经济；桩锤过轻,施打时必定增大落距,使桩身产生回弹,桩不宜沉入土中,常常打坏桩头或使混凝土保护层脱落,严重者甚至使桩身断裂。

桩架是支持桩身和桩锤,在打桩过程中引导桩的方向及维持桩的稳定,并保证桩锤沿着所要求方向冲击的设备。桩架一般由底盘、导向杆、起吊设备、撑杆等组成。根据桩的长度、桩锤的高度及施工条件等选择桩架和确定桩架高度。

桩架的形式多种多样,常用的通用桩架有两种基本形式：一种是沿轨道行驶的多能桩架；另一种是装在履带底盘上的履带式桩架。多能桩架是由定柱、斜撑、回转工作台、底盘及传动机构组成。它的机动性和适应性很大,在水平方向可作360°回转,导架可以伸缩和前后倾斜,底座下装有铁轮,底盘在轨道上行走。这种桩架可适用于各种预制桩及灌注桩施工。履带式桩架(图3.8)以履带式起重机为主机,配备桩架工作装置而组成。操作灵活,移动方便,适用于各种预制桩和灌注桩的施工。目前应用最多。

图3.8　履带式桩机

1—导架；2—桩锤；3—桩帽；4—桩；5—吊车

打桩机械的动力装置是根据所选桩锤而定的。当采用空气锤时,应配备空气压缩机；当选用蒸汽锤时,则要配备蒸汽锅炉和绞盘。

(2)打桩工艺。

1)吊桩就位。按既定的打桩顺序,先将桩架移动至桩位处并用缆风绳拉牢,然后将桩运至桩架下,利用桩架上的滑轮组,由卷扬机提升桩。当桩提升至直立状态后,即可将桩送入桩架的龙门导管内,同时把桩尖准确地安放到桩位上,并与桩架导管相连接,以保证打桩过程中不发生倾斜或移动。桩插入时垂直偏差不得超过0.5%。桩就位后,为了防止击碎桩顶,在桩锤与桩帽、桩帽与桩之间应放上硬木、粗草纸或麻袋等桩垫作为缓冲层,桩帽与桩顶四周应留5～10mm的间隙,如图3.9所示。然后进行检查,使桩身、桩帽和桩锤在同一轴线上即可开始打桩。(www.daowen.com)

2)打桩。打桩时宜用“重锤低击”可取得良好效果,这是因为这样桩锤对桩头的冲击小,回弹也小,桩头不易损坏,大部分能量都用于克服桩身与土的摩阻力和桩尖阻力上,桩就能较快地沉入土中。

图3.9　自落锤桩帽构造示意图(单位：mm)

1—桩帽；2—硬垫木；3—草纸(弹性衬垫)

初打时地层软、沉降量较大,宜低锤轻打,随着沉桩加深(1～2m),速度减慢,再酌情增加起锤高度,要控制锤击应力。打桩时应观察桩锤回弹情况,如经常回弹较大时则说明锤太轻,不能使桩下沉,应及时更换。至于桩锤的落距以多大为宜,根据实践经验,在一般情况下,单动汽锤以0.6m左右为宜,柴油锤不超过1.5m,落锤不超过1.0m为宜。打桩时要随时注意贯入度变化情况,当贯入度骤减,桩锤有较大回弹时,表示桩尖遇到障碍,此时应使桩锤落距减小,加快锤击。如上述情况仍存在,则应停止锤击,查其原因进行处理。

在打桩过程中,如突然出现桩锤回弹、贯入度突增、锤击时桩弯曲、倾斜、颤动、桩顶破坏加剧等情况,则表明桩身可能已破坏。

打桩最后阶段,沉降太小时,要避免硬打,如难沉下,要检查桩垫、桩帽是否适宜,需要时可更换或补充软垫。

3)接桩。预制桩施工中,由于受到场地、运输及桩机设备等的限制,而将长桩分为多节进行制作。接桩时要注意新接桩节与原桩节的轴线一致。目前预制桩的接桩工艺主要有硫磺胶泥浆锚法、电焊接桩和法兰螺栓接桩等三种。前一种适用于软弱土层,后两种适用于各类土层。

(3)打桩质量要求。保证打桩的质量,应遵循以下原则：端承桩即桩端达到坚硬土层或岩层,以控制贯入度为主,桩端标高可作参考；摩擦桩即桩端位于一般土层,以控制桩端设计标高为主,贯入度可作参考。打(压)入桩(预制混凝土方桩、先张法预应力管桩、钢桩)的桩位偏差,必须符合规范的规定。打斜桩时,斜桩倾斜度的允许偏差,不得大于倾斜角正切值的15%。

(4)桩头的处理。在打完各种预制桩开挖基坑时,按设计要求的桩顶标高将桩头多余的部分截去。截桩头时不能破坏桩身,要保证桩身的主筋伸入承台,长度应符合设计要求。当桩顶标高在设计标高以下时,在桩位上挖成喇叭口,凿掉桩头混凝土,剥出主筋并焊接接长至设计要求长度,与承台钢筋绑扎在一起,用桩身同强度等级的混凝土与承台一起浇筑接长桩身,如图3.10所示。

图3.10　桩头处理(单位：mm)

(5)打桩施工常见问题。在打桩施工过程中会遇见各种各样的问题,例如桩顶破碎,桩身断裂,桩身位移、扭转、倾斜,桩锤跳跃,桩身严重回弹等。发生这些问题的原因有钢筋混凝土预制桩制作质量、沉桩操作工艺和复杂土层等三个方面的原因。施工规范规定,打桩过程中如遇到上述问题,都应立即暂停打桩,施工单位应与勘察、设计单位共同研究,查明原因,提出明确的处理意见,采取相应的技术措施后,方可继续施工。

2.静力压桩

静力压桩是在软土地基上,利用静力压桩机或液压压桩机用无振动的静力压力(自重和配重)将预制桩压入土中的一种新工艺。静力压桩已在我国沿海软土地基上较为广泛地采用,与普通的打桩和振动沉桩相比,压桩可以消除噪声和振动的公害。故特别适用于医院和有防震要求部门附近的施工。

静力压桩机(图3.11)的工作原理是：通过安置在压桩机上的卷扬机的牵引,由钢丝绳、滑轮及压梁,将整个桩机的自重力(800～1500kN)反压在桩顶上,以克服桩身下沉时与土的摩擦力,迫使预制桩下沉。桩架高度10～40m,压入桩长度已达37m,桩断面为400mm×400mm～500mm×500mm。

图3.11　静力压桩机示意图

1—活动压梁；2—油压表；3—桩帽；4—上段桩；5—加重物仓；6—底盘；7—轨道；8—上段接桩锚筋；9—桩；10—压头；11—操作平台；12—卷扬机；13—加压钢绳滑轮组；14—桩架导向笼

近年引进WYJ—200型和WYJ—400型压桩机,是液压操纵的先进设备。静压力有2000kN和4000kN两种,单根制桩长度可达20m。压桩施工,一般情况下都采取分段压入,逐段接长的方法。接桩的方法目前有三种(焊接法、法兰接法和浆锚法)。

焊接法接桩(图3.12)时,必须对准下节桩并垂直无误后,用点焊将拼接角钢连接固定,再次检查位置正确后再进行焊接。施焊时,应两人同时对角对称地进行,以防止节点变形不匀而引起桩身歪斜。焊缝要连续饱满。

浆锚法接桩(图3.13)时,首先将上节桩对准下节桩,使四根锚筋插入锚筋孔中(直径为锚筋直径的2.5倍),下落压梁并套住桩顶,然后将桩和压梁同时上升约200mm(以四根锚筋不脱离锚筋孔为度)。此时,安设好施工夹箍(由四块木板,内侧用人造革包裹40mm厚的树脂海绵块而成),将溶化的硫磺胶泥注满锚筋孔内和接头平面上,然后将上节桩和压梁同时下落,当硫磺胶泥冷却并拆除施工夹箍后,即可继续加荷施压。

为保证接桩质量,应做到：锚筋应刷净并调直；锚筋孔内应有完好螺纹,无积水、杂物和油污；接桩时接点的平面和锚筋孔内应灌满胶泥；灌注时间不得超过2min；灌注后停歇时间应符合有关规定。

3.其他沉桩方法

水冲沉桩法是锤击沉桩的一种辅助方法。它是利用高压水流经过桩侧面或空心管内部的射水管冲击桩尖附近土层,便于锤击。一般是边冲水边打桩,当沉桩至最后1～2m时停止冲水,用锤击至规定标高。水冲法适用于砂土和碎石土,有时对于特别长的预制桩,单靠锤击有一定的困难时,亦用水冲法辅助之。

图3.12　焊接法接桩节点构造

1—角钢与主筋焊接；2—钢板；3—主筋；4—箍筋；5—焊缝

图3.13　浆锚法接桩节点构造

1—锚筋；2—锚筋孔

振动法沉桩是利用振动机,将桩与振动机连接在一起,振动机产生的振动力通过桩身使土体振动,使土体的内摩擦角减小、强度降低而将桩沉入土中。此法在砂土中效率最高。