长螺旋超流态工艺在小型桩基础工程施工中的优化与应用

'分类号；ＴＵ７单位代码；Ｉ０Ｉ８３研究生学号；２０１２６３ＥＯ２Ｏ密级：公开馨古林大学硕女学位论文工程硕ｄｂ（）长螺旋超流态工艺在小型植基础工程施工中的优化与应用ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬｏｎｇＳｐｉｒａｌＵｌｔｒａＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎ化ｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＳｍａｌｌＰｉｌｅｓＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ作者姓名；杨帆类别：工程硕±领域（方向）：地质工程指导教师：张延军教授．令吓鲁仰’张勇髙级工程师培养单位：建设王程学院２０１５年１０月 长螺旋超流态工艺在小型粧基础工程施王中的优化与应用ｔｉｉｆｔｈｉｌｌＯｐｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｃａｔｏｎｏｅＬｏｎｇＳｐｒａＵｔｒａＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎ化ｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＯｆＳｍａｌＰｉｌｉｌ巧Ｆｏｕｎｄａｔｏｎ作者姓名：杨帆领域（方向）；地质工程指导教师：张延军教授张勇高级王程师类别；工程硕±答辩日期：２０１５年１１月巧日 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全或分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改部部（业使学术使不在此编碍作者著作权的商性用但纯性用等有）。否。限则，应承担侵的法律责任权±±学或学论文原创性声明吉林大博硕位（），，郑重：呈是导下本人声明所交学位论文本人在指教师的指导，研的成果。文已经注明引用的外独立进究工作所取得除中内容本行经过品果。本包含任其他个人或集体已发表或撰写的作成对论文不何研，已文方明。文出重要贡献的个人和集体均在中明确式标的究做识。本的法律结由本人承担本人完全意到声明果；论文作者签名学位１：２０５日日期年月八 摘要目前城市化建设进程越来越快，出现了许许多多的高层建筑，而建筑物对地基基础的要求也不断提高。天然地基对新型建筑物的局限性越来越大，为了适应新型建筑环境对基础的要求，桩基础作为一种常见的基础类型，本着其经济、适用、安全、高效等优点，在城市化建设中占有举足重轻的地位。桩基础主要类型分为：按承载性状分为摩擦桩和端承桩；按成桩方法分为分挤土桩、部分挤土桩和挤土桩三类，而本项目的CFG桩为端承摩擦桩，抗拔桩为摩擦桩，本项目CFG桩是为了减少天然地基由于各土层压缩模量给建筑物带来设计要求以外的沉降，以及增加基底的承载力为目的，抗浮桩以增加建筑物的抗浮（主要针对地下水位较高的深基坑）及抗倾斜（主要针对异型建筑物）为功能尤为常见，以满足地质条件较差或建筑要求较高的情况。本文重点研究长螺旋超流态工艺在中小型桩基施工中的应用及优化。随着科技技术的日益发展，日本的CIP工法也逐渐得到了改进，在此基础上经过试验和论证后，就产生了长螺旋超流态工艺。其主要施工原理是：采用长螺旋钻机螺旋钻杆钻孔至指定的深度（成孔），然后通过钻头活门及空心的长螺旋钻杆以及泵管，向其刚钻好的孔内连续不断的高压泵注超流态混凝土（灌注），混凝土泵送的同时螺旋钻杆也同时慢慢向上提升至桩顶（此时螺旋钻杆已经全部拔出），然后利用吊车，将用振动锤与钢筋笼吊起，对准孔中心后，将其插入已压灌完的混凝土中，而形成的桩体。该工艺材料为商品混凝土。针对本工艺来说，商品混凝土的流动性好有利于在泵管与钻杆之间传输；同时由于混凝土的比重大，对孔壁土的坍塌有很好的预防效果，对地下水的影响有很好的抑制作用。长螺旋贯穿土层能力比较强，施工适用的地层相对较广。同时由于长螺旋施工对原状桩侧及桩端土破坏较小，在施工过程，螺旋钻杆对桩侧土有一定的挤压和密实效果，故所施工的桩能最大程度利用土层的最佳特性。所以同样的工程桩长螺旋超流态工艺施工的单桩承载力相对较高（充分利用了桩自身的侧阻和端阻）；本工艺施工效率高，操作简便，实用性强，适用范围广且技术先进，有很好的发展和推广前景。本论文以《北京市通州中医院抗拔桩基抗拔桩项目》为研究对象，主要研究长螺旋超流态工艺在小直径桩基施工时存的若干问题。比如：钢筋笼不能正常下 放到设计标高、钢筋笼下放时出现倾斜、钢筋笼底部贯穿等问题。本文采用现场试验、重新设计、然后再进行现场试验的方法，进行对抗拔桩桩径、桩长的合理优化，以达到能满足施工要求及设计要求的目的。通过对长螺旋超流态工艺的优化，有效的解决了钢筋笼下放不到设计标高的问题，同时也提出了该工艺在中小型桩基施工中应采取的措施及方法，具有很好的研究性价值。通过对北京市通州中医院抗拔桩项目的试验和研究，本文为中小型桩基础长螺旋超流态工艺施工提供了理论依据以及有效的解决问题的方法，对增强该工艺施工的安全性、可实施性、提高施工效率及施工质量和降低工程造价有一定的现实指导意义。关键词：长螺旋超流态工艺小型桩基础优化设计。 AbstractAtpresent,theprocessofurbanizationismoreandmorequickly,therearemanyhighrisebuildings,andtherequirementsofthebuildingonthefoundationofthecontinuousimprovement.Naturalfoundationfornewbuildingsoflimitationisgrowing,inordertoadapttothenewbuildingenvironmentonthebasisoftherequirements,thepilefoundationoccupiesaveryimportantpositioninurbanizationconstructionoccupiesasacommontypeoffoundation,inlinewiththeadvantageofitseconomic,practical,safe,effective.Themaintypesofpilefoundationareasfollows:fillingpile,pipepile,mixingpile,cementflyashgravelpile,gravelpile,steelsheetpile,andsoon.Themainfunctionofthepilefoundationistoimprovethebearingcapacityofnaturalfoundation,increasetheantibuoyancyofthefoundation,reducethenaturalfoundationbecauseofthecompressionmodulusofthesoiltothebuildingmorethanthedesignrequirements，oneofthecommonfeaturesistoincreasethebuilding"santifloat(mainlyforundergroundwaterlevelofdeepfoundationpit)andantitilt(mainlyforspecialbuildings)capacity,inordertomeettherequirementsofpoorgeologicalconditionsorhigher.ThispaperfocusesontheoptimizationandapplicationoftheLongspiralultraflowpatternprocessintheconstructionofsmallpilesfoundation.Withtheincreasingdevelopmentofscienceandtechnology,JapantheCIPmethodalsohasgraduallyimproved,onthebasisoftheexperimentanddemonstration,thelongspiralultralflowpatternisproduced.Themainconstructionprincipleisthatlongspiraldrillingmachinespiraldrillpipedrillingtothespecifieddepth(drilling).Thenthroughdrillvalveandahollowlongspiraldrillpipeandtubing,tothejustdrilledholegoodcontinuoushighpressureinjectionpumpsuperfluidconcrete(perfusion),concretepumptothesametime,whilethescrewdrillpipeslowlyupwardtothetopofthepile(atthistimetheaugerhasbeenallpulledout).Thenstartthecrane,thevibrationhammerandsteelreinforcementcagelifting,atthecenteroftheholeandinsertitintotheconcretewhichhasbeenfilledwiththepressure,andthepilebodyisformed.Thisprocessisforcommercialconcrete.Forthisprocess,theflowofcommodityconcreteisconducivetothetransmissionbetweenthetubinganddrillpipe;atthesame timeduetothelargeproportionofconcrete,theholeBitucollapsehasgoodpreventioneffect,haveagoodinhibitoryeffectontheinfluenceofgroundwater.Thelongaugerhasarelativelystrongcapacityofthesoillayer,andtheapplicationoftheconstructionisrelativelywide.Atthesametime,duetothelongspiralconstructionlessdamageamongtheoriginalpilesideandpiletipsoil.Intheconstructionprocess,thespiraldrillpipehasacertaineffectontheextrusionandcompactionofthesoilinthepilesidesoil,sothebestoftheconstructionofthepilecanbeusedforthebestcharacteristicsofthesoil.Sothesameconstructionoftheprojectofthehighflowofthesinglepilebearingcapacityisrelativelyhigh(thefulluseofthesideresistanceandendresistance);theprocessofhighefficiency,simpleoperation,practical,widerangeofapplication,technologyadvanced,thereisagoodprospectofdevelopmentandpromotion.Theresearchobjectofthispaperis《BeijingTongzhoutraditionalChinesemedicinefoundationpitslopeprotectionpileandpilefoundationproject》，intheresearchoftheproblemsofthelongspiralflowpatternintheconstructionofsmalldiameterpilefoundation.Forexample:thereinforcementcagecannotbenormaltothedesignelevation,thereinforcementcageappearswhenthetilt,thereinforcementofthebottomofthecageandotherissues.Inthispaper,theexperimentalmethodisthattest,redesign,andthenthefieldtest,toupliftpilediameter,pilelengthoptimization,inordertoachievethepurposeofmeetingtherequirementsoftheconstructionanddesignrequirements.Throughtheoptimizationofthelongspiralflowpattern,theproblemofthedesignelevationofthereinforcementcageissolvedeffectively,andthemeasuresandmethodsfortheconstructionofthesmallpilefoundationareputforward.ThroughtotheTongzhouHospitalofBeijingCityupliftpileprojecttestingandresearch,thispaperprovidesatheoreticalbasisfortheconstructionofsmallandmediumsizedpilefoundationwithlongspiralflowandthemethodofsolvingtheproblem,ithascertainpracticalsignificancetostrengthenthesafetyandthesafetyoftheprocess,improvetheconstructionefficiencyandconstructionqualityandreducethecostoftheproject.Keywords:LongSpiralUltraFlow,smallpilefoundation,optimizationdesign. 目录第1章绪论..............................................11.1课题研究意义........................................11.2课题研究现状........................................21.2.1国外研究现状...................................21.2.2国内现状........................................31.3课题研究内容........................................41.3.1工艺原理介绍....................................51.3.2工艺特点介绍....................................61.3.3施工主要影响因素及解决办法......................61.3.4适用范围........................................71.3.5课题的研究思路..................................71.4技术路线............................................7第2章工程简介..........................................92.1工程概述............................................92.2拟建物基础及周边概况...............................112.3工程地质条件.......................................112.3.1地层土质概述...................................122.3.2土的腐蚀性评价.................................122.3.3地下水条件.....................................15第3章设计原理.........................................17 3.1设计概述...........................................173.1.1设计依据.......................................173.1.2设计内容.......................................173.2桩型的选择.........................................183.2.1抗拔桩基础承载力要求...........................183.2.2抗拔桩桩基设计.................................193.2.3CFG桩设计要求.................................253.3本章小结...........................................26第4章长螺旋超流态工艺试验性研究.......................274.1本工程抗拔桩施工案例...............................274.1.1抗拔桩原设计参数...............................274.2试验准备...........................................274.2.1拟投入本次试验的主要施工设备表.................274.2.2试验前技术准备.................................284.2.3试验现场准备工作...............................284.3进行试验...........................................284.3.1试验步骤.......................................284.3.2试验数据收集及统计.............................294.3.3试验数据分析...................................314.3.4处理措施.......................................344.4进行二次试验.......................................344.4.1试验准备.......................................35 4.4.2试验步骤.......................................354.4.3第二次试验数据.................................354.4.4第二次试验分析.................................374.4.5处理措施.......................................374.5本章小结...........................................37第5章优化设计.........................................395.1优化设计说明.......................................395.2抗浮锚杆的设计.....................................395.2.1锚杆杆体截面面积...............................395.2.2锚杆钢筋与锚固砂浆的锚固长度...................405.2.3估算抗浮锚杆承载力特征值.......................405.3抗拔桩的设计.......................................415.3.1持力层的选择...................................415.3.2优化抗拔极限承载力标准值.......................415.3.3优化抗拔承载力.................................425.3.4优化正截面受拉承载力...........................425.3.5优化裂缝控制...................................435.3.6优化后抗拔桩的参数.............................445.4设计方案对比.......................................445.4.1优化前抗拔桩工程量.............................445.4.2优化后抗拔桩工程量.............................455.4.3抗浮锚杆工程量.................................46 5.5本章小结...........................................46第6章工程上的应用及推广...............................476.1制定方案...........................................476.1.1施工工艺流程及推广.............................486.1.2主要步骤.......................................486.2钢筋笼验收及推广...................................486.3操作提示..........................................496.4质量检验标准及质量保证措施.........................496.4.1主控项目施工质量规定...........................496.4.2一般项目施工质量规定...........................496.5质量因素控制.......................................506.5.1对人的控制.....................................506.5.2对材料的控制...................................506.5.3对机械的控制...................................516.5.4对方法的控制...................................516.5.5对环境的控制...................................516.6成品保护...........................................516.7抗拔桩检测.........................................516.7.1检测目的和方法.................................516.7.2检查数量.......................................516.7.3抽检必检项目...................................526.8工程桩检测方法技术.................................52 6.8.1单桩竖向抗拔静载荷试验.........................526.8.2低应变反射波法检测.............................546.9本章小结...........................................55第7章结论.............................................56参考文献................................................57作者简介及科研成果......................................60致谢....................................................61 第1章绪论第1章绪论面对着现代城市化建设的飞快脚步，对桩基础的施工要求也越来越高。不仅要求施工进度要快，施工质量要高，施工必须要环保，而且还要求施工使用面要广，施工可实施性好等苛刻条件，故长螺旋超流态工艺施工（即长螺旋钻机成孔，压灌超流态砼施工工艺）随着近些年城市建设的发展，在桩基施工这一领域独占鳌头。任何工艺、机械设备都有其局限性，实际应用是难免会发生的一些问题，故根据本人多年实际施工工作经验，及《北京市通州中医院地基处理及抗拔桩项目》的现场施工试验，总结出《长螺旋超流态工艺在中小型桩基础工程施工中的优化与应用》，以供大家共同学习和借鉴，以便在具体的实际施工中，避免出现类似的施工问题，从而确保施工中的质量、进度、安全，使施工顺利进行，同时节约施工过程中的人力、物力、财力等资源，在最合理的条件下使长螺旋超流态工艺在实际的施工中顺利开展。1.1课题研究意义随着地基处理技术的日益成熟，日本的CIP工法也逐渐得到了改进与完善，在此基础上经过试验和论证后，就产生了长螺旋超流态工艺。长螺旋超流态工艺的主要施工原理是用长螺旋钻机螺旋钻杆钻孔至设计要求的孔深处，然后通过钻头活门及空心的长螺旋钻杆以及泵管，向其刚钻好的孔内连续不断的高压泵注超流态混凝土，混凝土泵送的同，螺旋钻杆也同时慢慢向上提升至桩顶（此时螺旋钻杆已经全部拔出），然后利用吊车，将用振动锤与钢筋笼吊起，对准孔中心后，[1]将其插入已压灌完的混凝土中，而形成的桩体。从近年施工市场而言，这种桩基础施工手段还是相对比较新型的。长螺旋超流态工艺在桩基施工施工中占有重要作用，它使用性广（主要适用于沙土地层、粘土地层、疏松的回填土层、卵石粒径不超过150mm的砂卵石地层、以及含水量大容易坍塌的地层）；施工便捷清洁无污染（主要是噪音小，无泥浆排放，不需要造浆及泥浆坑的设置，主要动力源为电源）；施工效率高，按正常进度，每台班可施工进尺800～1500延米（约施工工程桩40～60根）；该工艺受地下水的影响较小，适用范围广，操作简单快捷，操作工人及配合工人相对较少且技术含量相对较低，一般的数量工种就可以满足施工要求，混凝土通过地1 第1章绪论泵压送速度快，密实度有保障，成桩质量好，施工降低造价（设备费用相对较低，[2]施工人员相对较少），在抗拔桩、基础桩的施工上得到了很好的应用。由于该工艺不采用泥浆护壁，消除了桩身混凝土和桩侧土之间的泥皮夹层，充分利用了土层和桩的侧摩阻力，提高桩本身的侧阻，同时由于该工艺桩底无泥浆、土块及[3]岩石残渣，充分利用了持力层土层本生的特性，有利于提高桩底部的端承力。在建设部较为推广的十大技术之中，长螺旋超流态工艺还占据一席。1.2课题研究现状桩基础的施工工艺已经有悠久的历史。现在的桩基础技术较以前有了很大的完善，主要体现在：人员技术、所用的材料、机械设备等。桩基技术目前已经形成了一种现代化基础的工程体系。单纯就长螺旋桩基而言，其不仅可以减少施工现场的工作量，还能减少材料的消耗，便于实现标准化管理。长螺旋压灌超流态混凝土施工技术是一种新的成柱技术。据统计：该工艺与普通螺旋干孔成桩相比较，该工艺单柱承载力提高25％～40％，桩身混凝土量减少10％～30％，从经济角度值得大力推广，这也是值得进一步研究的课题；1.2.1国外研究现状目前国外长螺旋采用了相当高的自动程度控制，钻机也设置了钻进监控装置，自动记录钻进的深度、动力头的输出等参数；实现钻杆垂直度的调节、自动回位和发动机检测等控制，并未见有自动送钻的研究和产品，绝大部分的施工主导因素还受人为影响。而在国外长螺旋钻机最近几年得到高速发展。主要表现在以下两个方面：1、一机多能结构上设计的重大突破，只要拆换钻具，就可使机器具有螺旋、回转钻斗、连续墙、长螺旋和冲抓斗钻孔机的功能。2、电子、电液比例技术的应用电子、电液比例技术的应用，扩展了机器的功能，提高了机械本身的工作效率，减轻了操作工人的劳动强度。(1)回位定位功能长螺旋钻机在进行成孔作业时，有一个钻进——提升——回转——弃土——再回转至原孔口——对准原孔位——再次钻进的过程。在对准时耗时耗力，而且，2 第1章绪论人工对孔的精度较低。目前国外先进的长螺旋钻孔机都具有回位和定位功能。所谓回位定位功能就是指机器回转时能记录回转角度，待抛土后再回转回来时，一旦达到记录的角度后，自动停止。这样，保证其回到第一次回转前的位置。大大减轻了劳动强度、提高了生产效率及作业精度。(2)3种模式主要用来方便钻工的工作和实现对机器工作时的实时监测。所谓3种模式：即钻杆模式、基本模式和CFA模式。这3种模式可由钻机操作手随意在机器上根据实际需要选择。1、基本模式：由适用于白天工作的触模式敏感显示屏构成，本模式可给操作者显示下列信息：钻桅倾角信息、钻杆的工作参数(如：动力头的扭矩、旋转速度、实际钻孔的深度、主副卷扬机的拉力和加压力等相关数据)；还有关于操作过程中系统失效等方面信息。除此之外，系统还可以生成一些特殊信息，如机械的磨损和损坏情况、服务保养等信息。2、钻杆模式：本模式在基本模式功能的基础上，增加了钻杆牙嵌与动力头啮合监测情况、钻杆运行状态的显示监测功能。这些功能的增加是非常实用的。凡是用过长螺旋钻机的人都知道，钻杆牙嵌是非常容易磨损的(尤其是在啮合不到位的情况下)，磨损以后修复起来也是非常麻烦的。有了长螺旋钻杆的牙嵌啮合情况显示功能后，在显示器上能十分精确地监控牙嵌的啮合情况，即使是一位没有工作经验的机手也能很好地操作使用，同时大范围地减轻了工人的劳动强度和操作技巧。3、CFA模式：CFA模式就是混凝土灌注桩模式。为了确保桩的施工质量，该模式可以清晰显示混凝土的压力、混凝土流量、液压系统压力以及混凝土桩形。从以上国外长螺旋钻机的现状可见，随着电子技术的发展，它的广泛应用增强了长螺旋钻机的功能，提高了施工效率，降低了工人的劳动强度，提升了产品的市场竞争力度。1.2.2国内现状目前我国国内长螺旋钻机的钻进系统基本上靠司钻的钻工经验，靠人工控制钻具下放实现螺旋钻杆的进尺操作。人为控制的因素非常大，钻工的熟练程度对钻进进尺的质量及效率的影响非常大，要么由于钻压过大造成经常卡憋钻致使3 第1章绪论电器系统由于载荷过大而出现问题甚至于烧毁电机，要么钻进效率低下。随着微机技术与机、电、液一体化的发展普及，长螺旋钻进技术逐步向高效率、低劳动强度、高度自动化方向发展。作为长钻机自动化部件之一的自动送钻装置，在石油钻机、海洋钻机以及工程钻机等大型钻机上已有了较为广泛的应用。然而，作为桩基础施工中运用非常广泛的长螺旋钻孔机，目前还停留在落后的人工送钻阶段，对于成桩的进度、成桩的质量而言，人为因素占有举足重轻的作用。我国目前开发生产的同类产品装备相对落后，我国的产品与国外先进长螺旋桩工设备的差距还很大，无论是在功能上，还是技术上水平上都比较落后。虽然成本相对较低廉，但是跟不上社会的发展。要在激烈的市场竞争中占有一席之地，就必须不断推陈出新，并不断开发高起点、高技术含量的新产品，由此产生的新工艺应根据目前国内的施工设备、施工现状进行适应性更高的研究。我们国家地域广大，领土上的工程地质、水文地质条件多种多样，而各省市工程也有各自的要求与特点。因此，在我国运用的桩型较多，根据地层土质、环境的选择相应的桩型。世界上，没有哪一种桩型是通用的。选择桩型应该因地制[1]宜，扬长避短。在日本的桩基础研究中，较为出名的就属岩层削孔技术协会，该协会目前对长螺旋钻进已经研制出3种成孔方法。我国也有很多单位在做这方面的研究，国内成功地研究开发出的钻进成孔法有：岩层、大三石层钻进成孔法。由长螺旋超流态工艺成的桩，在除中国、日本以外的国家，比如在德国和美国等[4]国使用得也比较多。目前，钻孔直径已能达到1200mm，钻孔深度也能达30m。近些年的中国市场,尤其是东北、华北等地区很多工程都采用长螺旋超流态工艺。此工艺随着市场的逐渐成熟，也逐渐完善，但是在不同的地层、不同的区域、不同的桩基参数，该工艺还待进一步研究，从而增加其施工的可实施性。1.3课题研究内容作为常规的施工设备――长螺旋钻机本着结构简单、维修方便、价格相对较低等诸多优点在建筑、道路桥梁等施工领域得到了大规模的应用，它的施工有操作简单快捷、施工效率高、质量有保障、安全性高等众多优点。但是本着同样一台设备，施工不同地层有着不同的工艺及方法，来着为提升施工质量、提高施工效率、确保安全、减少施工消耗等的保障措施还不尽健全，有待于提高及研究，本课题就《北京通州中医院抗拔桩项目》为研究对象，着重探讨长螺旋超流态工4 第1章绪论艺施工小直径桩基础在含水砂土地层所应该注意的事项及其施工方法、技巧，以提高该工艺，在遇到类似的工程施工时的效率，减少工程中不必要的损耗、提高工程中的质量，从而达到降低施工成本的目的。目前，长螺旋超流态工艺在直径600mm至1000mm的沙土地层桩基技术应用得相对成熟（在北京市市场上施工的主要桩直径为400mm、600mm、800mm）。但是就小直径（直径400mm、500mm）的桩型施工而言，该工艺还存在一定的缺陷，有待于不断地试验及研究，然后做进一步研究及推广，这也是本课题的研究对象。1.3.1工艺原理介绍本工艺采用的机械设备为长螺旋钻机，根据不同的试验参数选着不同的长螺旋钻机型号，长螺旋钻机是靠大扭矩动力头带动长螺旋钻杆，从而进行钻进成孔的。螺旋钻杆在上升的过程中，带动着被挤压致密与钻杆镶嵌在一起的螺旋形土柱一起上升。每当钻进至设计深度后，就停止钻杆转动，把刚到施工现场的混凝土通过地泵及泵管，泵送到螺旋钻头的底部的单向阀门上。单向阀门受到来自混凝土传送的冲击力而冲开，混凝土就进入孔内。在成桩之前地泵会持续不断的将混凝土压入螺旋钻杆中，从而传输到孔内，与此同时长螺旋钻机操作手也将慢慢[5]提升长螺旋钻杆。为了避免长螺旋钻杆的在提升过程中出现断桩或缩颈、夹心的现象，必须严格控制提升速度，提速不宜过快，以保证成桩的质量。混凝土在地泵的压力及混凝土的自重作用下，在软土地层及松散地层混凝土会充盈较多形成扩径桩，并在下钢筋笼的过程中，通过振锤的振动将混凝土密实，对提高所施工桩基的承载力有很大的作用。混凝土压灌至设计的桩顶标高，预留50cm保护层后，停止输送混凝土。此时慢慢将长螺旋钻机移开（同时也可以让钻机进行下一个桩孔的对位做准备工作），然后将振锤与钢筋笼用吊车同时垂直吊起，两名操作人员将使钢筋笼的头部扶住，慢慢使其对准已压灌完毕混凝土的孔桩位中心。对准孔位后，先在让振锤和钢筋笼在自重的条件下自然下沉，随着下沉的深度增大，下沉的速度也越来越缓慢。当自重下沉钢筋笼受阻时，立即启动振锤，让钢筋笼在自重及附加振动器重量及在振动过程中下沉至设计的笼顶标高，然后缓缓提出振锤，成桩完毕（应该注意的是在压灌混凝土时，灌入的混凝土应按设计要求超出桩顶标高50cm，确保桩头混凝土的强度合格，避免由于浮浆的问题，而5 第1章绪论造成桩的强度不合格，同时也可以避免混凝土的因收缩下沉而影响桩身的长度）[6]。1.3.2工艺特点介绍根据本人多年的施工经验，总结出以下相关的工艺特点：1.施工材料（混凝土）选择：商品混凝土塌落度控制在18～22cm之间，骨料的粒径宜为25mm以内（以豆石混凝土为佳），超过25mm容易导致堵管及影响混凝土骨料与钢筋笼主筋间的畅通。2.由于长螺旋钻杆在转动时，对孔壁的土层有一个挤压密实的作用，所以在桩的尖部掉落的虚土极少。这对缩径（主要是含水量大的淤泥质土层）、塌孔、[7]断桩等施工通病起到了很好的防范作用。同时对桩的施工质量，也是一种保障。3.长螺旋钻机钻杆的刚性较好，扭矩较大，故穿透能力相对较强（钻机扭矩的大小根据设计桩型的参数选择）。由该工艺所成的桩单桩承载力相对较高（充分利用了桩自身的侧阻和端阻，据统计该工艺施工的桩单桩承载力相比别的许多工艺施工的同样规格的桩单桩承载力能提高10%～30%）、施工的效率也比较高，操作也相对比较简便；4.相对其它灌注桩桩来说，该工艺施工时不需要泥浆护壁（不需要造浆）、[13]没有泥浆排放也不需要排污、施工现场整洁；5.从工程经济效益出发，该工艺有着效益高、工程成本相对较低（设备价格低，其主要动力源为电源）；6.该工艺使用范围广，在大多数土层中（粒径较小的回填层和卵石层、粘土层、砂层）都能正常施工，尤其是含水粘土层，该工艺优点突出，同时该工艺施工桩长能满足大部分工程桩桩长的要求（采用该工艺，施工桩长可达24米）。7.该工艺现场的适应性强（该工艺混凝土灌注采用地泵泵送，很大程度上增加了混凝土罐车的现场适应性，解决了由于现场泥泞混凝土罐车无法靠近灌注的问题），设备拆装方便（尤其是在基坑底部施工，该设备及易吊入安装及拆开吊出）。1.3.3施工主要影响因素及解决办法该工艺在施工过程中会因为各种因素造成成桩质量问题，以下为施工过程中的主要影响因素及解决办法：1、堵管6 第1章绪论在长螺旋钻机施工中，堵管问题比较常见，混凝土碎石粒径偏大或塌落度太小，都会导致堵管，解决的办法是确保原材料的质量后方可施工；2、缩颈由于操作不当，对土层的参数不了解，刚打的桩挤压已打的桩，导致桩变形、缩颈，或者提钻杆的速度太快导致缩颈，解决的办法是在施工中应当采用跳打法进行施工，一般是隔开一个或两个桩位进行跳打，控制好压灌混凝土时提钻速度；3、串孔连续施工的桩间距太近，容易造成串孔，为避免这种情况的发生，常采用跳打的方法打桩；4、孔斜没有按照施工要求施工或者钻机钻杆垂直度不够，容易造成孔斜，这就要求在施工过程中必须严格控制钻杆的垂直度，1.3.4适用范围长螺旋超流态工艺及长螺旋超流态反插钢筋笼工艺在施工地下水含量丰富的各类土层中优点突出。并且能在软土层、流沙层等不良地层顺利高效成桩。经过多年的现场实践经验发现长螺旋超流态工艺在施工直径600mm以下的钢筋混凝土桩时受到了施工桩长（对于沙土地层的施工，反插钢筋笼的长度不宜超过14米，桩直径越小，该工艺施工长度就越短）、施工地层（对于含水的沙土及粘土地层，容易产生塌孔及缩径，不利于钢筋笼的反插）的严重制约，故需要[89]对该工艺该直径的钢筋混凝土桩施工进行优化及研究。1.3.5课题的研究思路本课题研究工作将采取资料收集、现场试验与综合研究的工作方法，针对工作任务，在资料收集的基础上，开展现场试验，选择有代表性的桩基，仔细参照地质勘查报告，先进行技术设计，然后对照实际土层参数，进行试验，根据试验的数据进行综合分析，提出新的处理方案，再进行现场试验，得出数据，再进行分析。最后优化设计，制定出优化后方案，方案可行后方可用于实际工程中。1.4技术路线本课题将在北京市长螺旋超流态工艺研究的基础上，通过收集资料，现场试验等特征等资料，对不同地层、水文地质特征进一步深入研究；基于现场试验的结果，提出新的施工参数、施工方案和工程改造建议，完成论文报告的编写。基7 第1章绪论本思路为：设计-试验-解决措施-试验-分析-优化（修改设计参数）-投入全面施工。技术路线如下图：通州中医院基础桩工程初步设计试验分析解决措施优化设计否可行性是否合理是全面投入施工得出结论图1.1技术路线图8 第2章工程简介简介第2章工程简介2.1工程概述通州中医医院位于通州区梨园镇西小马庄村，西临翠屏西路，南侧是西小马庄村村民住宅楼，北隔怡乐中街与格瑞雅居小区为邻。目前在中医医院北部已建有门诊，急诊和住院楼三栋建筑物，其中门诊，急诊设一层地下室，基底埋深4.0m，住院楼也设有一层地下室，基底埋深在7.0m左右。拟建二期工程包括14~16层的科研教学楼一栋，17层的新建住院楼一栋，5层新建门诊医技综合楼一栋及6层报告厅一栋；各栋的下部均为的三层的地下车库，其中主体楼座底部采用CFG桩基础提供承载力，地下车库底部采用抗拔桩抵抗地下水上浮力（该地区历年地下水位约-4米，地下车库部位上部没有较大荷载，故本设计主要考虑的是该部位抗拔桩的抗拔力，当然，当水位降低，地下车库结构的载荷大于地下水的浮力，在一定程度上，该抗拔桩起到基础桩抗压的作用，功能也由抗拔桩转换为承载桩）。本工程采用筏板基础。另外三层地下车库在西南部及北部有部分区域占地面积均大于地上物的占地范围，形成纯地下车库。地下车库底板埋深为-17.30m。主楼西南位置为配套的能源中心。9 第2章工程简介简介表2.1（1）建筑物情况一览表建筑基底平结构形基础埋基础物编建筑物条件建筑物层数均压力式深（m）形式号（kpa）1科研教学楼14层-16层框剪-17.30m380筏板2住院楼17层框剪-17.30m390筏板3门诊医技综合楼4层-5层框架-17.30m180筏板4报告厅6层框架-17.30m200筏板5全地下车库-3层框架-17.30m90筏板6能源中心-2层框剪-16.50m150筏板说明：本项目的基础形式比较单一，整体都为筏板基础，采用均匀受力方式。表2.1（2）基础处理一览表建筑基底平结构基础埋基础处理物编建筑物条件建筑物层数均压力形式深（m）方案号（kpa）1科研教学楼14层-16层框剪-17.30m380CFG2住院楼17层框剪-17.30m390CFG天然地基3门诊医技综合楼4层-5层框架-17.30m1804报告厅6层框架-17.30m200天然地基5全地下车库-3层框架-17.30m90抗拔桩6能源中心-2层框剪-16.50m150天然地基说明：本项目的基础处理方案分为三种，第一种为天然地基，主要用于门诊医技综合楼、报告厅、能源中心三个部位，这三个部位要求的地基承载力相对较低，自重也能满足抗浮的要求，故天然地基完全能满足其要求；第二种为CFG桩，主要用于科研教学楼、住院楼这两栋主楼，两主楼由于楼层相对较高，自重较大，天然地基不能满足其承载力的要求，故采用复合地基的处理方式；第三种为抗拔桩，主要用于全地下车库，该部位埋深较深，由于地下水位较高，车库本身的自重较低，自重不能平衡地下水的浮力（丰水季节），故采用抗拔桩抗浮。10 第2章工程简介简介2.2拟建物基础及周边概况建物东、西、南三侧无地面障碍物，北侧中东部距已有建筑物（急诊楼、住院楼）较近，罪进距离仅7米。西南位置距配套的能源中心较近。1F核磁楼新建高压氧舱（待拆）3F4F=25.080M现状门诊、急诊楼（保留）=25.070M14F1F天井现状病房楼（保留）=25.000M4F2F5F15F5F14F污水处理间雨水处理间原有6F6F食堂（待拆）建筑新建科研教学楼（待拆）H=64.400MH=59.900M1F天井=25.000M天井天井H=28.800M玻璃雨棚=25.000M玻璃雨棚5F新建门诊医技综合楼H=24.300M=25.000M玻璃雨棚17F玻璃雨棚新建住院楼1FH=69.950M玻璃雨棚=25.000M1F地下室轮廓线玻璃雨棚人防专用坡道(平时封闭，战时挖开使用)（埋地）1F标高的规定：±0.00为绝对高程25.00m，现场地面标高平均为24.76m。本工程两层地下室基坑深度为现地表以下6.84m，三层地下室基坑深度为现地表17.61m。基坑深度分布见图2.1。2.3工程地质条件工程地貌特点：永定河冲积平原，地势比较平坦。但在该医院建立之前局部有鱼坑，目前坑中有厚度为1~2米的淤泥沉积层，施工中局部有取土坑。目前在2门诊医技楼的中西部尚有一水池，水深小于1m,占地均300m，影响个别钻孔的布置，该处填土较厚。本工程依据甲方提供建筑物总图中与已有建筑物之间关系进行的放线布孔工作，孔口标高测量依据院方提供的急诊楼大门口中心±0.00为高程起测点，该11 第2章工程简介简介点绝对标高25.07m。将该点作为起测点，然后测地面标高。测得结果为地面标高在23.87～24.40m之间，地形较为平整。-17.150-7.150-17.850-17.150-17.150-17.850图2.1基坑深度分布图2.3.1地层土质概述根据现场勘察成果，将本次勘探深度（最深55.00m）范围内的土层划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类。根据岩土性质、工程相关性质指标将土质划分成9个大层。分别为：人工堆积层：粘质粉土填土①层（厚度0.9m‐4.2m）、杂填土①1层（厚度0.1‐2.7）。第四纪沉积层：粉质粘土②层（软塑）(厚度0.9m-4.3m)、粘质粉土②1层（中密）（厚度0.1m-3.3m）、粉质粘土③层（可塑）（厚度0.1m-2m）、砂质粉土③1层（中密）（厚度0.1m-1.1m）、粉砂④层（密实）（厚度4.5m-7.9m）、中砂④1层（密实）（厚度0m-0.6m）、圆砾④2层（密实）（厚度0m-0.5m）、、粉质粘土⑤层（硬塑）（厚度2.1m-4m），细砂⑥层（密实）（厚度5.2m-7.5m）、重粉质粘土⑥1层（硬塑）（厚度0m-0.6m）、细砂⑦层（密实）（厚度10m以上）、粉质粘土⑧层（硬塑）（厚度4m以上）。本地工程层的空间分布情况，详见图2.2工程地质剖面图；土层的物理力学性质指标，详见表2.2地层岩性、土的物理力学性质综合统计表。2.3.2土的腐蚀性评价本工程场地内、场地周边不存在污染源，场地土不存在污染土。地基土的腐蚀性较弱，对钢混结构中的钢筋，可以按微腐蚀性考虑。12 第2章工程简介简介345678923.9824.0324.2424.3624.3224.2024.18111122111221122111222212332131331433134141142424444455556666616176177788钻孔距离图2.2工程地质剖面图13 第2章工程简介简介表2.2地层岩性、土的物理力学性质综合统计表成土土质描述桩的极桩的极分层土层因层岩颜密湿稠强断面状态限侧阻限端阻承载力渗透年编与力标准力标准标准值系数K代号性色度度度度含有物值qsik值qpkfkam/dkPakPakPa粘土填土以粉土为主、人工堆①黄褐稍密湿软少量砖渣积层房渣土人工堆①1杂稍密湿中砖头、灰渣、积层瓦片粉质粘土第四纪可塑较②褐黄很湿含铁锰化合物451400.2沉积层软塑软粘质粉土砂质粉土云母、有机质、第四纪褐灰稍湿②1密实中夹粉粘夹层601800.3沉积层褐黄│湿粉质粘土粘质粉土第四纪可塑③黄褐很湿中云母、氧化铁601600.02沉积层软塑砂质粉土第四纪中密稍湿较③1黄褐601800.2云母氧化铁沉积层密实│湿硬第四纪粉砂中密湿饱较④黄褐云母有机质652505沉积层密实和硬粉质粘土第四纪④1灰很湿可塑中云母、有机质602000.02沉积层14 第2章工程简介简介成土土质描述桩的极桩的极分层土层因层岩颜密湿稠强断面状态限侧阻限端阻承载力渗透年编与力标准力标准标准值系数K代号性色度度度度含有物值qsik值qpkfkam/dkPakPakPa粘质粉土砂质粉土第四纪中密含云母④2灰湿中632200.2沉积层密实粉质粘土第四纪可塑⑤黄褐很湿中云母、少量氧652200.02沉积层硬塑化铁、姜石第四纪细砂⑥灰黄密实饱和硬含云母、石英、70200030010沉积层长石重粉质粘土第四纪可⑥1灰很湿中652200.01沉积层塑第四纪细砂⑦灰黄密实饱和硬含云母、石英、70220035010沉积层长石粉质粘土第四纪⑦1灰黄湿硬塑中含云母、氧化652300.02沉积层铁粉质粘土第四纪⑧黄灰很湿可塑中含氧化铁240沉积层2.3.3地下水条件本场地勘察期间（2012年8月22～8月25日），于部分钻孔中量测得上层滞15 第2章工程简介简介水，水位埋深在3.2～4.6m之间（水位标高为19.64～20.96m）上层滞水主要分布在水池周边区域，及已有建筑物附近。在本场地内普遍存在潜水，潜水水位埋深在8.4～11.8m之间，该层水位标高在12.28～15.98m之间。场地水池附近局部存在上层滞水，整个场地普遍存在一层潜水，两层水位均在基础底板标高之上。本工程水位的年动态变化规律一般为：七月到十月份的水位较高，除此之外的月份水位相对来说较低，其水位年变幅一般为1～3m。根据已有的普、详查资料及周边勘察资料，本工程所在地区的历史最高地下水位为22.00m左右，也就是自自然地面往下2.00m的位置；近几年内地下水位最高的标高约在20.00m上下；在进行抗浮稳定设计时按本场地的历史最高水位（即22.00m）进行设计，并且按本场地近3～5年的最高水位（即20.00m）进行施工期间的抗浮设防。由本工程所在区域取得的水质分析资料，在结合《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001，2009年版）中的相关标准综合评价：本工程所在区域的地下水水质对混凝土结构及其钢筋具有微腐蚀性。16 第3章设计原理第3章设计原理3.1设计概述待建施工场地为北京永定河冲积平原地貌，施工场地内、周围没有活动断裂带通过，区域有比较稳定的地质条件。本施工场地内全部为均匀地基土，为待建工程的建设创造了很好的地理条件。拟建场地地表普遍分布的人工堆积层不可作为拟建物基础的直接持力层使用。填土之下的第四纪沉积层强度均较高，可满足多层建筑及纯地库的设计使用要求，故多层及地库部分建筑可采用天然地基方案。二栋高层建筑经计算后，若天然地基可满足建筑物设计要求时也可采用天然地基方案，若不满足可采用复合地基方案，可以细砂⑦作为桩端持力层使用。本工程包括高层、多层及纯地库等多栋建筑，基底荷载差异很大，可能造成基础及上部结构的不均匀沉降，应采取适当工程措施解决此问题，如在适当位置设置后浇带、对高层建筑物采用复合地基方案等。拟建场地水池附近局部存在上层滞水，整个场地普遍存在一层潜水，两层水位均在基础底板标高之上，对基坑开挖存在一定的影响。本工程进行抗浮稳定设计时应按本场地的历史最高水位、即22.00m进行设计，水位在20.00m进行施工期间的抗浮设防。特别是对纯地库部分的抗浮稳定问题应慎重处理，必要时可做抗拔桩处理。对该部位的基础变形的监测亦应作为本工程的监测重点工作。3.1.1设计依据1.本工程的设计要求2.本工程的《岩土工程勘察报告》3.《建筑桩基技术规范》JGJ94-20084.《建筑地基基础设计规范》GB50007-20113.1.2设计内容在结构设计单位提出的基底承载力及抗拔力的要求下，通过理论计算、工艺选择从而确定建筑物区域内CFG桩与抗拔桩的桩型及桩长、桩径、混凝土的标号及抗拔桩钢筋配筋等其它相关参数；17 第3章设计原理3.2桩型的选择本工程《岩土工程勘察报告》数据指出，桩基础施工区域地下室承受巨大的水浮力作用而自重又不够，桩就需要承受一个上拔荷载作用，同时在枯水季节，地下水位下降时，造成浮力小于地下车库的载荷，抗拔桩在一定程度上有一定承载桩的功用，但是本项目天然地基承载力能很好满足建筑物自身载荷的要求，故抗拔桩做为承载桩的功能自能做为储备；二栋高层建筑经计算后，天然地基不满足建筑物设计要求，故采用复合地基方案，用细砂⑦作为桩端持力层使用。从经济性、可操作性综合考虑，本次工程桩选择采用长螺旋超流态工艺的CFG与抗拔桩作为桩基础。3.2.1抗拔桩基础承载力要求1.静载荷试验加载值表3.1静载荷试验加载值施工区域单桩抗拔特征值（KN）最大加载量（KN）桩间距（M×M）A区域4428841.90×1.90B区域4428841.90×1.90C区域4428842.10×2.10D区域4428841.90×1.90E区域4428842.10×2.10F区域4428842.10×2.10说明：该数据有结构设计单位提出的要求抗拔力（单桩承载力特征值为442KN，极限抗拔力884KN）及抗拔桩的不同区域要求的间距。2.桩位分区图AECE填土区域DBF图3.2.1桩位分区图18 第3章设计原理说明：该份区图有结构设计单位提出。3.2.2抗拔桩桩基设计[10]本工程钢筋笼配筋的计算为：一是要满足桩身的抗拔承载力要求；二是要验算正常使用极限状态下的裂缝宽度是否符合规范要求。1．抗拔极限承载力标准值本工程群桩基础及设计等级为丙级建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力可按公式（1）[1112]计算：mTuk=∑λiqsikuili………………………………(1)i式中：T――基桩抗拔极限承载力标准值；ukU――桩身周长，对于等直径桩取u=πd；iq――桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；sikλ――抗拔系数，可按表3.3.1-1取值；il――第i土层厚度。i表3.2抗拔系数λ土类λ值砂土0.50～0.70黏性土、粉土0.70～0.80注：l/d<20，λ取小值。本工程抗拔桩桩径d=0.41m，土层主要涉及到粉质粘土⑤层（硬塑），细砂⑥层（密实）、细砂⑦层（密实）。土层厚度l分别取值为：l=1.4m，l=6m，i56l=9.3m。7l/d=16.7/0.41=40.7>20,抗拔系数λ分别取值为：λ=0.8，λ=0.7，i56λ=0.7。7根据《岩土工程勘察报告》中的《地层岩性及土的物理力学性质统计表》可19 第3章设计原理以查出本工程施工区域内土层的抗压极限侧阻力标准值q，取值分别为：qsiks5k=65KPa，q=70KPa，q=70KPa。s6ks7k桩身周长U取值为，U=U=U=πd=3.14×0.41=1.29m。i567将上述数据代入公式（1），得T=0.8×65×1.29×1.4+0.7×70×1.29×6uk+0.7×70×1.29×9.3=93.912+379.26+587.853=1061.03KN2．抗拔承载力[13]抗拔承载力公式：N≤T/2+G………………………………(2)kgkgpN≤T/2+G………………………………(3)kukp式中：N――按荷载效应标准组合计算的基桩抗拔力；kT――群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；gkT――群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；ukG――群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数，地下水位以下去gp浮重度；G――基桩自重，地下水位以下去浮重度；p设计中要求中的最大值N=397KN。k[17]本工程群桩呈非整体破坏，故将已知数值代入公式（3），得T/2+G=106.10/2+5.75ukp=53.05+5.75=588KN≥N=442KNk3．正截面受拉承载力[18]钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力应符合下式规定：20 第3章设计原理N≤fA+fA…………………………(4)yspypy式中：N――载荷效应基本组合下桩顶轴向拉力设计值；f、f――普通钢筋、预应力钢筋的拉压强度设计值；ypyAs、Apy――普通钢筋、预应力钢筋的截面面积；2钢筋直径为16mm的Ⅲ钢筋拉压强度强度设计值为：f=360N/mm。直径16mmy2的Ⅲ钢筋，截面面积值为201mm，那么7根主筋的截面积为：As2=201×7=1407mm。将上述数据代入公式（4），得fA=360×1407=506520Nys=506.52KN≥N=442KN主筋锚入承台长度应大于等于40d，即40×16=640mm，实际长度为700mm≥640mm，满足规范要求。4．裂缝控制根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，最大裂缝宽度为应符合下列[14]规定：ω≤ω……………………………………(5)maxlim式中：ω――最大裂缝宽度；maxω――最大裂缝宽度限值，按表3.3采用。limσsdeqω=αψ(1.9C+0.08)……(6)maxcrsEρsteftkψ=1.1−0.65……………………(7)ρσtes2∑nidid=……………………………(8)eq∑niνidi21 第3章设计原理A+Aspρ=………………………………(9)teAte式中：α――构件受力特征系数；crψ――裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：当ψ＜0.2时，取ψ=0.2；当ψ＞1.0时，取ψ=1.0；对直接承受重复载荷的构件，取ψ=1.0；σ――按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应s力或按标准组合计算的预应力混凝土构件纵向受拉钢筋等效应力；E――钢筋的弹性模量，按表3.5采用；sc――最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离（mm）：当c＜ss20时，取c=20；当c＞65时，取c=65；sssρ――按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；对无粘te结后张构件，仅取纵向受拉普通钢筋计算配筋率；在最大裂缝宽度计算值，当ρ＜0.01时，取ρ=0.01；tetef――混凝土轴心抗拉强度标准值，按表3.6采用；tkA――有效受拉混凝土截面面积：对轴心受拉构件，取构件截面面积；te对受弯、偏心受压和偏心受拉构件，取A=0.5bh+（b−b）h，teff此处，b、h为受拉翼缘的宽度、高度；ffA――受拉区纵向普通钢筋截面面积；sA――受拉区纵向预应力筋截面面积；pd――受拉区纵向钢筋的等效直径（mm）；对无粘结后张构件，仅为eq受拉区纵向受拉普通钢筋的等效直径（mm）；d――受拉区第i种纵向钢筋的公称直径（mm）；对有粘结预应力钢绞i22 第3章设计原理线束的直径取为n1dp1，其中；dp1为单根钢绞线的公称直径，n1为单束钢绞线根数；n――受拉区第i种纵向钢筋的根数；对有粘结预应力钢绞线，取为钢i绞线束数；ν――受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数；按表3.7采用。i表3.3结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的限值（mm）钢筋混凝土结构预应力混凝土结构环境类别裂缝控制等级ω裂缝控制等级ωlimlim一0.3(0.40)0.2三级二a0.10三级二b0.20二级―三a、三b一级―表3.4构件受力特征系数αcr类型钢筋混凝土构件预应力混凝土构件受弯、偏心受压1.91.5偏心受拉2.4——轴心受拉2.72.2表3.5普通钢筋和预应力筋的弹性模量Es52牌号或种类弹性模量E（×10N/mm）sHPB300钢筋2.10HRB335、HRB400、HRB500钢筋HRBF335、HRBF400、HRBF500钢筋2.00RRB400钢筋预应力螺纹钢筋23 第3章设计原理52牌号或种类弹性模量E（×10N/mm）s钢绞线1.952表3.6混凝土轴心抗拉强度标准值（N/mm）混凝土强度等级强度C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60f1.271.541.782.012.202.392.512.642.742.85tk表3.7钢筋的相对粘结特性系数钢钢筋先张法预应力筋后张法预应力筋筋光圆钢带肋带肋螺旋肋钢绞带肋钢钢绞类光面钢丝筋钢筋钢筋钢丝线筋线别ν0.71.01.00.80.60.80.50.4i有上述条件可知，根据表3.3，取ω=0.3；lim22As=1407mm；Ap=0；Ate=0.5×3.14×310×310×0.25=37719.25mm由表3.4知，α=2.7；crN22σ==314N/mm；f=2.01N/mm；d=16mm；n=7；ν=1；stkiiAs将上述数据代入公式（9），得A+Aspρ=teAte=(1407+0)/37719.25=0.037，将上述数据代入公式（7），得ftkψ=1.1−0.65ρσtes=1.1-0.65×2.01/0.037/314=1.1-0.11=0.99，24 第3章设计原理将上述数据代入公式（8），得2∑nidid==16mm，eq∑niνidi将上述数据代入公式（6），得σsdeqω=αψ(1.9C+0.08)maxcrsEρste−5=2.7×0.99×282/2×10×(1.9×20+0.08×16/0.037)−5=276.89×10×72.59=0.2≤ω=0.3lim满足要求。5．抗拔桩试验参数在要求单桩抗拔力为442KN，极限抗拔力为884KN，桩顶标高为‐16.7m为依据，通过上述计算，选择抗拔桩直径为Φ410mm的前提下，计算出抗拔桩的长度为16.7m，钢筋笼主筋为7Φ16，混凝土的标号为C30，同时根据各区的桩间距，及各区的面积，确定了各区的桩数。表3.8抗拔桩试验参数笼顶桩底标桩径笼外径施工笼长砼强桩数量标高高（mm（mm主筋加劲筋箍筋区域(m)度（个）(m)（m）））A区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3107Φ16Φ14@2000Φ8@200C30125B区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3107Φ16Φ14@2000Φ8@200C30398C区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3107Φ16Φ14@2000Φ8@200C30251D区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3107Φ16Φ14@2000Φ8@200C30272E区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3107Φ16Φ14@2000Φ8@200C30585F区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3107Φ16Φ14@2000Φ8@200C30438小计20693.2.3CFG桩设计要求因CFG桩在实际应用中比较成熟，故只对其参数作简单描述。CFG桩长14.0m25 第3章设计原理（含0.5m保护桩长），桩径为410mm。桩位分区图见下图：AB图3.2.3CFG桩位分区图说明：该份区图有结构设计单位提出。3.3本章小结本章节通过对抗拔桩桩基础工程的设计计算以及CFG桩参数简介，重新对桩的参数有更深刻的认识，本工程根据《岩土工程勘察报告》所提供的土层参数及相关的抗浮要求，进行相关设计、验证，最终确定本次试验的抗拔桩与CFG桩的具体参数，保证试验的可行性。本章节根据相关的规范从四个方面对抗拔桩的具体参数进行了计算，完全满足规范要求。设计时各个参数要综合考虑，本次设计取值比较保守。为接下来将要做的长螺旋超流态工艺在抗拔桩工程的试验中奠定了的理论基础，同时也为完善该工艺在小桩径应用中起到一定的参考价值。26 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究第4章长螺旋超流态工艺试验性研究4.1本工程抗拔桩施工案例本工程抗拔桩CFG桩的施工工艺采用的是长螺旋超流态工艺，CFG桩按照原设计参数施工，施工比较顺利，且质量都符合规范与设计要求，而抗拔桩按照原设计参数施工屡次失败，进而进行一系列试验，通过对试验数据的分析整理，从施工的可行性及经济性，对原设计参数进行了修正，顺利保质保量的完成施工。4.1.1抗拔桩原设计参数由《北京市东地岩土公司》提供得该工程抗拔桩的设计参数与我们详细复核后的参数相一致，其具体设计参数见下表：表4.1抗拔桩原设计参数笼顶标桩底桩径笼外径施工笼长砼强桩数量高标高（mm（mm主筋加劲筋箍筋区域(m)度（个）(m)（m）））A区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30120B区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30313C区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30251D区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30272E区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30565F区-16.7-33.4Φ41016.7Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30422小计20134.2试验准备4.2.1拟投入本次试验的主要施工设备表表4.2主要施工设备表功率序号设备名称型号单位数量备注(每台)1长螺旋钻机CFG24台190kw抗拔桩施工2吊车25T台1吊放钢筋笼27 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究功率序号设备名称型号单位数量备注(每台)3电焊机BX3-300台3钢筋笼加工4钢筋切割机GQ-40台1钢筋笼加工5振锤Z系列台135kw振动钢筋笼6地泵60台190kw输送混凝土7水准仪DS3台套1测量笼顶标高说明：本套设备在本项目长螺旋超流态直径为800mm、桩长为19m的护坡桩施工中得到了很好的运用，护坡桩反插得成功率为100%。4.2.2试验前技术准备1.试验前，了解本工程的《岩土工程勘察报告》对各施工部位地段的土层分布情况，明确实验目的。2.首先应取得轴线基准点、高程测量控制点的相关数据，进行复核后方可使用。3.充分掌握本工艺的施工要点以及需要注意的事项，把握好重难点。4.2.3试验现场准备工作1.试验场地应满足一下几点：场地的平整、供电管线的敷设；由于涉及到24小时施工，故需要安装夜间照明设备。2.试验大面要求：用挖掘机开挖至桩顶标高往上50cm后，然后对场地进行密实平整，防止因场地问题，导致长螺旋钻机支脚不稳下陷，导致转机倾斜，发生安全事故。3.用全站仪放出需要进行试验的抗拔桩桩位点坐标，核验后方可进行抗拔桩的施工。4.3进行试验4.3.1试验步骤按照图纸随机选择一根桩开始进行试验，试验步骤如下：1.试验前，随机选择一个已放出的桩位，长螺旋钻机钻头对准桩位后，现调整钻机的水平度，再调整长螺旋钻杆的垂直度，必须满足钻孔的垂直度小于1%，具体方法是在塔臂上拴1.5m长吊锤，必须经测量人28 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究员用经纬仪检查合格后，方能进行下一步工序。2.本工艺的主要机械设备为长螺旋钻机。使用该机械成孔，成孔深度必须满足设计要求。开钻时，钻杆匀速钻进，钻孔深度达到设计孔深时，需保持钻杆继续转动1～2分钟。3.钻进达设计深度后，将C30商品混凝土（坍落度控制在20±2cm，石子粒径控制在0.5～20mm）通过地泵设备泵送经过泵管及空心钻杆送达到孔中。与此同时长螺旋钻机操作手也将慢慢提升长螺旋钻杆。为了避免长螺旋钻杆的在提升过程中出现断桩或缩颈、夹心的现象，必须严格控制提升速度，提速不宜过快，以保证成桩的质量。4.压灌完混凝土后，慢慢移开长螺旋钻机，进行下一个桩的试验。在长螺旋钻机移位的同时，可以用吊车将振锤与钢筋笼缓缓吊起。当然，[22]各个工序之间必须紧密配合，避免安全事故发生。[23]5.吊放钢筋笼：长螺旋钻机移开桩位后，吊车立即将钢筋笼吊入桩位孔的上方。钢筋笼具体起吊步骤如下：将振锤与钢筋笼用吊车采用三点起吊法吊起，两名操作人员将使钢筋笼的头部扶住，慢慢使其对准已压灌完毕混凝土的孔桩位中心。对准孔位后，先在让振锤和钢筋笼在自重的条件下自然下沉，随着下沉的深度增大，下沉的速度也越来越缓慢。直到钢筋笼无法靠自重下沉时，开启振锤。与振锤连接的Φ158无缝钢管将振动力传递给钢筋笼，钢筋笼受力继续向下运动。等到钢筋笼顶端快到地面时，使用水准仪控制钢筋笼的笼顶标高，使其满足设计要求。6.下放完钢筋笼后，开始向缓慢上提振锤，振锤的钢管在离开混凝土面时，必须一直保持振动，以保证混凝土的密实度，尤其是在震杆距离桩顶部1~2米时，控制提升速度，速度过快则容易产生[1718]桩顶空心及浮浆聚集于桩顶中部。4.3.2试验数据收集及统计据了解，在北京区域，在较厚砂层的地质条件下，抗拔桩采用400~410mm的桩径，桩长超过14m也是很少见的，就在北京市通州区有过施工的抗拔桩桩长基本上在14m内。而本项目抗拔桩设计桩长为16.7m，成桩地层为富含地下水的29 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究砂层，在此领域具有一定的挑战性和未知性。本次试验主要是测试该桩是否能正常成桩。本次试验结果出乎我们的意料，第一个钢筋笼很顺利的就下到了指定的设计标高。而之下的钢筋笼均出现了一些问题：钢筋笼反插未到设计标高处，振锤无法将其继续振动下沉。本次试验的总桩数为16根，其中有15根桩的钢筋笼无法振动到设计标高，合格率仅为6.25%。试验数据见表4.4。表4.4试验数据统计桩径钢筋笼未下去起始终止时试验日期桩号桩长（m）（mm）长度（m）时间间2014.5.1622041016.707:458:082014.5.1621941016.74.18:098:502014.5.1619841016.74.988:529:292014.5.1619741016.71.89:3010:202014.5.1617641016.70.7710:1310:452014.5.1617541016.73.8810:5011:302014.5.16141016.7311:3512:232014.5.16241016.7412:3013:142014.5.1615441016.72.6813:1514:012014.5.1615341016.71.0614:0214:452014.5.1613241016.74.9814:4615:192014.5.1613141016.72.715:2016:022014.5.1621841016.72.0516:0516:462014.5.1621741016.71.2616:5017:352014.5.1621641016.71.1817:3718:232014.5.1619641016.74.0818:3019:14说明：上述试验桩都能利用长螺旋钻机顺利成孔、顺利注入混凝土，但是在钢筋笼的反插过程中出现了反插不到位的现象，最长钢筋笼有近5米的长度不能下放到位。30 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究图4.3钢筋笼外露曲线1图4.3笼外露曲线图从表4.4及图4.3试验数据统计得出：1.220#抗拔桩顺利施工，钢筋笼能下到指定的设计标高；2.其余15根抗拔桩的钢筋笼，露出地面部分长度在0.77m～4.98m之间，均未达设计桩长的长度。3.175#抗拔桩以上的桩采用采取了跳打方式进行抗拔桩施工。1#、2#抗拔桩改换在另一施工区域施工，结果仍然出现钢筋笼下不去的情况；4.试验现场照片；图4.4试验现场1图4.5试验现场2图4.4试验现场3图4.5试验现场44.3.3试验数据分析31 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究1.从试验施工分析刚开始试验的第一根抗拔桩十分顺利，钢筋笼能被振锤直接振动到设计标高。但是在进行第二根抗拔桩试验时，钢筋笼插入桩体内12.6m，未能达到设计要求。为了精确施工，尽可能排除人为因素，我们管理人员直接指挥工人，进行下一根桩试验。在试验第三根时，我们技术人员重新检查长螺旋钻机的相关参数，尤其钻头直径及钻机的垂直度，确定没有问题。经过严格按照设计要求，调整钻杆的垂直度，使用仪器实际测量钻机的垂直度，并在塔臂上悬吊2m长重锤，经检查合格后开始钻孔。本次钻孔依然很顺利，对于16.7m的孔，大约12分钟钻孔完毕，随即进行压灌混凝土，10分钟左右混凝土压灌完毕。移开钻机，吊放经检验合格的钢筋笼，汽车吊将振锤和钢筋笼一起吊起，然后平移到刚刚压灌完混凝土的孔上方，两名工人扶住钢筋笼进行对位。经对准后，汽车吊慢慢下放，将钢筋笼慢慢放入孔中，此过程中不断调整钢筋笼的垂直度，利用自重下沉一段距离后开启振锤，钢筋笼缓慢下沉。前12m钢筋笼下沉比较顺利，没有任何异样。当钢筋笼下沉约11.7m时停止不前，而此时振锤一直在工作，钢筋笼插入的深度没有任何变化。约5m钢筋笼外露，此时振锤一直启动着，直到15分钟后仍未变化，此时将振锤慢慢提出停止工作。从整个试验过程来看，钻机设备、钢筋笼、人员操作、技术准备等均已做了充分的准备，因此可以确定本试验部不成功的影响因素不在机械设备自身及机械操作手操作的缘故，同时长螺旋流态工艺在别的桩型施工中得到了广泛应用，从本项目的护坡桩施工就可以看出，该施工工艺是成熟的，故从施工工艺而言，也不应该存在影响的不利因素。综上所述，应该再次分析人、机以外的影响因素。2.从地层条件分析根据本工程的《岩土工程勘察报告》测定出的数据可知，抗拔桩进入的土层主要是以细砂层为主。钻出的土样中大约有1m的粘土，主要还是富含水的细砂。并且钻出的土样与地勘报告所测定的土质情况基本相吻合。从地下水位情况分析，本工程进过降水处理，保证了槽底施工面处于干燥无水状态，满足长螺旋钻机施工的场地要求。从槽底标高往下50mm就是含水砂层，含水量比较大，为24.9%，渗透系数在K=10m/d。渗透压力值比较大，压力值较大，但是不能改变砂层的固结性，没有造成砂子流动。，施工第一根桩时，地层32 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究土没有经过任何扰动，成桩有一定的偶然性，但是接下来的桩施工时，由于地层经过钻孔扰动，加之振锤高频振荡，很可能使富含水沙层产生了一定的液化及流动，同时经过降水抽排会加剧地下水流动状态，这些会造成孔内混凝土灰浆流失，液化流动砂子更会改变混凝土的性能，进而导致钢筋笼下沉阻力增大，容易发生偏移，插到侧壁，从而导致钢筋笼不能正常下沉至设计深度。3.从试验材料分析1）对钢筋笼的分析经过本次试验后，我们对钢筋笼头部进行加固，在钢筋头部另加一圈捆绑筋，保证钢筋笼头部不会被震散。防止因钢筋笼顶部被振穿而无法振动下沉。同时保证抗拔桩钢筋笼笼的焊接质量，严格检查，保证没有焊点的脱落。2）对试验用的混凝土分析现场试验用的混凝土塌落度经现场随机测定，在180～220之间，符合要求。为了使试验更具有说服力，试验现场采用了豆石混凝土（组成混凝土的骨料，粒径为5～20mm小卵石，表面较为光滑，且因其骨料比较均匀，具有较高的密实度）进行试验，结果依旧，说明现场的混凝土质量不是问题所在。4.从机械设备分析1)对振锤的分析前期使用的振锤为2吨，钢筋笼振不下去，有可能是因振锤功率小，加载压力小造成。我们试验现场又准备了一个功率和加载自重更大的4吨振锤，压力值为之前振锤的2倍。本次试验采用的是Z抗振振锤。电机功率30KW,激振力为180KN，静偏心力矩为170NM，振动锤频率为980r/min,能加载的最大压力为100KN，提抗拔力最大值为100KN，振锤整体总量为3.13t。震管也更换为Φ219无缝钢，更换大功率振锤并没有改善，因此不是问题所在。2)对振锤启动时间的分析根据地勘报告给出的数据来看，地层中存在大量细砂层，为了避免因过早震动，导致砂层踏孔，形成堵门，从而阻碍钢筋笼的下沉。根据设计单位建议，现用大振锤，在钢筋笼自然下沉到10米左右，开始启动振锤，正常抗拔桩的振锤启动按上述方式启动，抗拔桩在施工过程中，没发生任何意外，全部施工达到设计要求，合格率为100%。33 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究3）对泵压值的分析22从槽底标高往下13m左右，水压力约为1.3kg/cm,土压力约为0.4kg/cm.水土核算后压力达到每平方米17t左右。长螺旋钻机压灌混凝土的压力值必须大于这个值，即正压必须大于围压。如果围压力值大于正压，水和砂子被挤入孔内，[1516]也可能会造成塌孔，塌孔后也会导致钢筋笼也无法到达指定的设计标高。但是如果正压力值过大会，混凝土相当于被压实在导管里，导致泵管堵塞，轻者钻杆作废；严重时会发生安全事故，因泵压过大，导致混凝土里的碎石渐出打伤人的事故时有发生。因此，不能无畏的加大泵压，要保证安全第一。5.从设计上分析在北京小桩径（桩径500mm以下）还是比较少见的，其施工难度较大，尤其是下钢筋笼时，要比大桩径的钢筋笼难以控制。从理论角度没有任何问题，但实际施工还是存在诸多问题。从上述分析表明：钢筋笼振入不到位的主要原因，可能跟桩径及桩长有关系，钢筋笼笼长较长，柔性较大，桩径又太小，笼端部距离孔壁太近（仅仅200mm）极易发生倾斜，从而插到孔壁上，造成反插失败。通过现场试验，该设计桩的确无法正常进行施工，因此应该从优化钢筋笼长度和桩径方向进行考虑。增大桩径，侧摩擦力相应也会提高，在同样的抗拔力要求下，桩长就会变短，所以要核算在满足设计要求的前提下，增大桩径缩短桩长后，重新核算材料的使用成本进而对比分析工程造价是否合理。这就需要在合理的造价与施工的可行性进行一个权衡取舍，使其达到一个平衡点。4.3.4处理措施进过对试验数据的分析，这次试验时我们对试验所用的材料，进行了更改。我们又加工了一批经过二次加固的钢筋笼作为试验用的钢筋笼。试验现场采用豆石混凝土，塌落度控制在设计要求之内。换用用大功率，大压力的振锤对钢筋笼进行振动下沉。适当的增加了泵压，虽然长螺旋钻机都有卸压孔，但出于安全考虑，我们将泵压控制在安全范围以为，增加到最大值。一切都准备完成后就开始等待着再次试验。4.4进行二次试验经过数据分析，我们准备缩小钢筋笼的直径，把普通混凝土改为豆石混凝土、增加振锤的重量，增加混凝土压灌时的压力，等一系列改进的措施，然后进行第34 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究二次试验。4.4.1试验准备1.分析已知的原因，将改进后的方法传达到试验人员处。2.设立专人记录相关的试验数据。4.4.2试验步骤选择一根离问题桩比较近的桩开始进行试验，试验较第一次主要改进的步骤如下：1.检查钻机相关设置参数，然后开始对桩位，进行试验。试验现场首先订购了32m的砂浆用于润滑泵管。2.调整钻机的水平度和垂直度，防止打成斜孔。钻杆垂直度的测量仍然是重锤和仪器双重控制。3.开始向下钻进直至钻至设计孔深。4.检查钻孔的深度是否满足规范要求，满足规范要求后，开始压灌混凝土（本次增大了压灌的泵压）。试验原材均为商品豆石混凝土，满足质量要求。5.钻头拔出地面后，吊车立即将二次加固后钢筋笼随振锤吊起在孔位附近等待下放。首先把钢筋笼整体吊起并对准桩孔位，缓缓放入桩中，2名工人摇荡钢筋笼，让钢筋笼自然下沉。当钢筋笼靠自重无法继续下沉时，工人离开，采用振锤（本次试验将连接振锤的钢管换为Φ219无缝钢管）振动，人工配合。待钢筋笼笼顶离试验地平面2m左右时，开始准备用水准仪测量其标高。当钢筋笼笼顶振到设计标高时，汽车吊停止下放振锤。然后提起振锤，同时保证[2021]振锤的开启。6.记录试验过程与数据。4.4.3第二次试验数据本次试验出现的主要问题是仍是钢筋笼下不到指定的设计标高，所有钢筋笼均有不同程度的外露。本次试验的总桩数为16根，合格率为0%。第二次试验数据见表4.5：35 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究表4.5第二次试验数据桩径桩长钢筋笼未下去起始时终止施工日期桩号（mm）（m）长度（m）间时间2014.5.1819541016.73.566:006:412014.5.1819441016.71.656:457:162014.5.1817441016.73.37:198:002014.5.1817341016.73.778:058:462014.5.1817241016.72.848:509:352014.5.1815241016.72.749:409:312014.5.1815141016.73.49:3610:152014.5.1815041016.73.4810:1911:022014.5.1813041016.77.2211:0511:432014.5.1812941016.72.5711:4512:212014.5.1812841016.76.3812:2513:022014.5.1810841016.72.6313:1013:532014.5.1810741016.74.6313:5914:402014.5.1810641016.73.614:4215:242014.5.1810941016.73.2715:3016:212014.5.1811041016.71.8316:3217:14说明：从该表显示，单纯的成桩时间都为40分钟左右，钻孔和压灌混凝土都是没有问题的，从钢筋笼反插不到位的长度可以看出，钢筋笼基本能顺利插入12米左右，再往下，插入的难度越来越大，完全插入到设计值，几率极低。36 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究图4.8笼外露曲线图2从表4.5及图4.8数据得出：1.钢筋笼全都没有下到设计标高，露出长度在1.65m～7.22m之间；2.更换材料和振锤，增大泵压等均无效果，说明这些因素不是问题所在。4.4.4第二次试验分析在第一次试验的基础上，第二次试验完善了许多施工的细节，从人的因素、材料的因素、机械设备的因素等方面进行改进，试验结果仍没有改观。对于此类小桩径（桩径为410mm，桩长为16.7m）的抗拔桩，理论设计与现场实际施工情况差异很大，诸多钢筋笼无法下沉到设计深度，进而失去了大面积施工的可能。4.4.5处理措施通过分析我们知道，本工程的理论设计与现场实际情况不符合，需要重新结果现场试验，对之前的设计进行优化，进而完善施工。4.5本章小结对于长螺旋超流态工艺在小型桩基础工程施工中遇到的一些问题，我们根据相关的规范以及施工经验，从施工工艺、地质条件、施工材料、机械设备以及设计理论等方面进行了深入的分析，优化了施工中的一些技术参数，总结出很多宝贵的经验。本工程目前已做了两次试验，第二次试验是针对第一次试验出现的问题的基础上进行改进的，但是结果仍然与第一次试验大致相同。试验结果表明，我们分析的诸多因素，并不是问题的关键所在。37 第4章长螺旋超流态工艺试验性研究本工程的抗拔桩试验结果表明，平均有3m～4m长度的钢筋笼无法通过振锤下沉到设计标高。归根结底，是由于目前长螺旋超流态工艺在小型桩基础工程施工中，从设计和施工两个方面来说，还不是很成熟。如果现场仍按照此设计参数施工，显然是不可行的。现在唯一的方案就是在不改变施工工艺的前提下优化设计参数，从而保证工程的经济性和可行性，为了本工程抗拔桩施工的顺利开展提供保障。38 第5章优化设计第5章优化设计5.1优化设计说明现场大量的试验数据表明，钢筋笼笼长过长（16.7m），无法沉入设计深度。本章节依据设计院提供的单桩抗拔力884kN及桩间距要求，从抗浮锚杆和抗拔桩这两个方面进行优化设计，寻求一个最适合现场施工，最为经济的设计方案。5.2抗浮锚杆的设计抗浮锚杆集中点状布置，要求锚固在坚硬岩中；集中线状的布置，要求在坚硬岩与较硬岩；面状均匀布置使用于所有情况；本工程根据土质条件，采用面状均与布置。本工程单根锚杆的承载力标准值不要小于472KN；由于群锚效应，抗浮锚杆布设方式按2m×2m正方形布置，采用M30的水泥浆。5.2.1锚杆杆体截面面积[2425]根据规范,知：N=rN…………………………………(10)aQakrN0aA≥…………………………………(11)sξf2y式中，N——锚杆轴向拉力设计值（KN）；ar——荷载分项系数，取值1.3；QN——轴向拉力标准值,本工程取472KN；ak2A——钢筋的有效截面面积（m）；sξ——锚筋的抗拉工作条件系数，本工程为永久性锚杆，取值为0.69；22r——锚筋抗拉设计强度值。三级螺纹钢，取值360N/mm；0代入公式（11），得r0Na1.0×6142A≥==2472mmsξf0.69×3602y39 第5章优化设计取3φ36的HRB400螺纹钢：A=3054与地层粘结工作条件系数，对永久性锚杆取1.0；查《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002中表7.2.3-2，得f=105KParb将值代入公式（12），得Nakl≥=472/(1.0×3.14×0.15×105)aξπDf1rb=9.54m≥4m。取l=9.6m。a5.2.2锚杆钢筋与锚固砂浆的锚固长度rN0al≥………………………………(13)aξnπdf3b式中：f——钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，查查《建筑边坡工程技术b规范》GB50330-2002中表7.2.4，得f=2400KPa×0.7=1680KPa。bξ——工作条件系数（砂浆和钢筋之间粘结强度），本工程为永久性锚杆取0.6.3将数值代入公式（13），得rN0al≥aξnπdf3b=1.0×614/(0.6×3×3.14×0.036×1680)=1.94ml取9.6m≥1.94.满足要求a5.2.3估算抗浮锚杆承载力特征值根据《高层岩土工程勘察规范》（JGJ72-2004）8.6.11条，知Fa≥∑qsiuili=105×3.14×0.15×9.6=475KN≤614KN不能满足承载力要求。40 第5章优化设计Fa≥∑qsiuili=105×3.14×0.15×12.5=618KN≥614KN满足要求。由上述计算可以确定锚杆长度为12.8m（端部300mm压降效果差，一般忽略不计），钢筋长度应为锚杆长度加上1.3m（1.3m长度锚固在抗浮基础内），即14.1m，。抗浮锚杆参数见表5.1表5.1抗浮锚杆参数孔径锚杆长钢筋施工顶标高底标高钢筋直径（mm度长度砂浆强度数量（个）区域(m)（m）（mm））(m)(m)A区-16.7-29.5Φ15012.814.13Φ36M30139B区-16.7-29.5Φ15012.814.13Φ36M30440C区-16.7-29.5Φ15012.814.13Φ36M30226D区-16.7-29.5Φ15012.814.13Φ36M30300E区-16.7-29.5Φ15012.814.13Φ36M30527F区-16.7-29.5Φ15012.814.13Φ36M30395小计20275.3抗拔桩的设计由前两次的试验数据可知，影响钢筋笼下沉的主要因素有：桩的直径、桩的[2627]长度、钢筋笼的直径。现我们根据相关规范进行重新对桩径及笼径进行优化[2829]设计。5.3.1持力层的选择经过两次试验得出钢筋笼下沉的深度基本上在集中在12m～13m左右,根据本工程《岩土工程勘察报告》提供的数据可知，细砂⑦层（密实）承载力标准值为fka=350kPa。持力层的选择，仍按之前所选的。5.3.2优化抗拔极限承载力标准值41 第5章优化设计本工程抗拔桩桩径提升一个级别，选择d=0.5m，土层主要涉及到粉质粘土⑤层（硬塑），细砂⑥层（密实）。土层厚度l分别取值为：l=1.4m，l=6m，i56l=5.9m。7根据《岩土工程勘察报告》中的《地层岩性及土的物理力学性质统计表》可知：q=65KPa，q=70KPa，q=70KPa。s5ks6ks7kU=U=U=πd=3.14×0.5=1.57m。567l/d=16.7/0.41=40.7>20,抗拔系数λ分别取值为：iλ=0.8，λ=0.7，λ=0.7567将上述数据代入公式（1），得T=0.8×65×1.57×1.4+0.7×70×1.57×6uk+0.7×70×1.57×5.9=114.296+461.58+453.887=1029.76KN5.3.3优化抗拔承载力本工程群桩呈非整体破坏，故将已知数值代入公式（3），得T/2+G=1029.8/2+6.5ukp=53.05+5.75=521.4KN≥N=442KN。k5.3.4优化正截面受拉承载力2截面积为：A=201×7=1407mms将上述数据代入公式（4），得fA=360×1407=506520Nys=506.52KN≥N=442KN42 第5章优化设计5.3.5优化裂缝控制A=0.5×3.14×350×350×0.25te2=48081.25mm由表3.5得α=2.7；crN2σ==314N/mm；sAs2f=2.01N/mm；tkd=16mm；in=7；ν=1；iA+Aspρ=teAte=(1407+0)/48081.25=0.029，将上述数据代入公式（7），得ftkψ=1.1−0.65ρσtes=1.1-0.65×2.01/0.029/314=1.1-0.143=0.957，将上述数据代入公式（8），得2∑nidid==16mm，eq∑niνidi将上述数据代入公式（6），得σsdeqω=αψ(1.9C+0.08)maxcrsEρste−5=2.7×0.957×282/2×10×43 第5章优化设计(1.9×20+0.08×16/0.029)−5=364×10×82.14=0.299≤ω=0.3lim抗裂要控制在给定范围内。5.3.6优化后抗拔桩的参数经过优化后参数见表5.2表5.2优化后抗拔桩的参数笼顶标桩底标桩径笼外径施工笼长砼强桩数量高高（mm（mm主筋加劲筋箍筋区域(m)度（个）(m)（m）））A区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30125B区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30398C区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30251D区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30272E区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30585F区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30438小计2069优化后桩径由Φ410mm变为Φ500mm，桩长由16.7m缩短为13.3m，钢筋笼主筋、加劲筋、箍筋型号保持不变，制作工艺不变。钢筋主筋长度为13.3m，钢筋可用1根9m长的钢筋与半根9m长的钢筋焊接在一起，这样可以避免因主筋长度产生钢筋废料。在满足设计要求的前提下，尽可能的避免浪费钢筋材料。5.4设计方案对比5.4.1优化前抗拔桩工程量44 第5章优化设计表5.3优化前抗拔桩工程量桩径桩长桩数总方量总钢筋量施工区3mm根mt域A区0.4116.70125275.4629.42B区0.4116.70389857.2491.55C区0.4116.70251553.1359.07D区0.4116.70272599.4164.02E区0.4116.705851289.17137.68F区0.4116.70438965.22103.09小计20694539.64484.83当时市场价为：钢筋价格3700元/吨，钢筋笼加工费610元/吨。混凝土价格260元/方，抗拔桩施工费190元/方。总造价为：2089617+2042838=4132455元。5.4.2优化后抗拔桩工程量表5.4优化后抗拔桩工程量施工区桩径桩长桩数总方量总钢筋量域mm根m3tA区0.5013.30125326.2723.76B区0.5013.303891015.3473.94C区0.5013.30251655.1447.71D区0.5013.30272709.9551.70E区0.5013.305851526.92111.20F区0.5013.304381143.2383.26小计20695376.86391.58当时市场价为：钢筋价格3700元/吨，钢筋笼加工费610元/吨。混凝土价格260元/方，抗拔桩施工费190元/方。总造价为：1687710+2419587=4107297元3优化设计后混凝土的使用量增加了800m左右，钢筋的使用量减少约93t左右。45 第5章优化设计从现场成桩所用时间上分析：桩径410mm，桩长16.7m，成桩时间大约需要35min-45min；桩径500mm，桩长13.3m，成桩时间大约需要20min-30min；通过优化，大大的缩短了单根桩施工用时。从造价上来看，优化后的设计造价上占据一定优势。5.4.3抗浮锚杆工程量表5.5抗浮锚杆工程量钢筋钢筋直锚杆施工孔径数量长度径长度钢筋量（t）延米数（m）区域（mm）（个）(m)（mm）(m)A区14.13Φ36Φ15012.813946.981779.2B区14.13Φ36Φ15012.8440148.715632C区14.13Φ36Φ15012.822676.382892.8D区14.13Φ36Φ15012.8300101.393840E区14.13Φ36Φ15012.8527178.116745.6F区14.13Φ36Φ15012.8395133.505056小计685.0825945.6当时市场价为：钢筋价格3700元/吨，成孔费及加工费综合单价100元/m。总造价为：2534796+259456=5129356元。本工程用抗浮锚杆施工造价较高，所以我们选择第二种抗拔桩设计。5.5本章小结根据试验数据，我们从两种设计方向对现场试验进行优化。设计结果表明，本工程桩径500mm的抗拔桩在造价相对便宜，施工的可操作性较强。从上述因素综合考虑，最终确定桩径500mm的抗拔桩设计方案。在今后的[30]工程中将面临逐渐增多的地下结构抗浮问题。在具体工程设计时，应当综合考虑结构本身的工程特点、施工工艺等因素，统筹确定合理的抗拔桩方案，以取得最佳的经济、技术、可行性。46 第6章工程上的应用及推广第6章工程上的应用及推广6.1制定方案通过反复计算，反复优化对比，在确保施工工艺不改变的前提下，最后得出该项目的抗拔桩参数，该参数作为后续施工的指导依据，具体参数如下表：抗拔桩参数笼顶桩底桩径笼外径施工笼长砼强桩数量标高标高（mm（mm主筋加劲筋箍筋区域(m)度（个）(m)（m）））A区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30125B区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30398C区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30251D区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30272E区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30585F区-16.7-30.0Φ50013.3Φ3507Φ16Φ14@2000Φ8@200C30438小计2069说明：优化后桩径由Φ410mm变为Φ500mm，桩长由16.7m缩短为13.3m，钢筋笼主筋、加劲筋、箍筋型号保持不变，制作工艺不变。根据新的施工参数，我们确定了新的施工平面布置图（图6.1），该平面图桩位的布置和原设计一样，只是桩的直径变更为Φ500mm，设计及桩长更为13.3mAECE填土区域DBF图6.1新的施工平面布置图说明：该平面图桩位的布置和原设计一样，只是桩的直径及桩长变更为新的设计。47 第6章工程上的应用及推广6.1.1施工工艺流程及推广钢筋进场检查放桩位点订C30混凝土钢筋笼制作长螺旋钻机就位现场测试钻孔满足设计要求钢筋笼运输压灌混凝土笼内套振锤钢管钻机移位吊放钢筋笼启动振锤进行下一根桩施工振动提管测笼顶标高图6.2施工工艺流程图6.1.2主要步骤主要施工步骤与本论文第4章的施工步骤大致相同，本节就不在重复叙述了。6.2钢筋笼验收及推广[31]1.钢筋笼尺寸偏差要求,见规范表具体要求见表6.1表6.1钢筋笼尺寸偏差要求3.钢筋笼头部需进行局部加强，。4.受力钢筋硬涂抹环氧树脂涂层。48 第6章工程上的应用及推广6.3操作提示[32]结合本工程前期的试验数据，总结得出以下施工中的注意事项：1.检查所用机械设备的机械性能，验收合格后方能投入使用；[33]2.施工时应调整钻机的水平度、螺旋钻杆的垂直度（桩身垂直度偏差≤1%）。23.钻机第一次施工前，应先用2m水泥砂浆清洗和润湿泵管及长螺旋钻杆。6.4质量检验标准及质量保证措施6.4.1主控项目施工质量规定[34]根据相关的规范规定，抗拔桩施工时需要满足下列的质量要求：表6.2主控项目施工质量规定项序内容允许偏差或允许值检查方法目号1钢筋笼主筋间距±10mm用钢尺量2钢筋长度±10mm用钢尺量3桩位支护桩延基坑侧壁方用钢尺量和全站向100mm，垂直基坑仪测量主侧壁方向150mm；工控程桩满足GB50202表项5.1.4中干成孔灌注桩目要求4孔深0，+300mm测钻杆5混凝土强度满足设计要求查验试件报告或钻芯取样送检6桩身质量（工程桩）按桩基检测技术规范按桩基检测技术规范7承载力（工程桩）满足设计要求按桩基检测技术规范说明：主控项目施工质量规定是确保成桩质量的基本，同时在北京市新的资料管理规程中也有明确要求，其检验数据也是桩基验收的数据。6.4.2一般项目施工质量规定49 第6章工程上的应用及推广表6.3一般项目施工质量规定项目序号内容允许偏差或允许值检查方法一1钢筋笼箍筋±20mm用钢尺量般间距项2桩径+50mm用钢尺量目3垂直度不大于1%用钻机水平尺4桩顶标高+30mm，-20mm用水准仪测量说明：一般项目的质量规定是作为施工现场的自检，确保施工过程中的质量控制，也是过程验收的标准。6.5质量因素控制施工质量和施工中的人、机、料、法息息相关，人指的是施工管理人员及实际操作人员，机指的是施工设备，料指的是施工的主要材料如混凝土、钢筋等，法指的是施工的工艺工法，总的来说，质量因素控制如下图：质量因素控制采用施工工原材料、构所用施工机生产技术环参与施工人艺、监测试验配件的质量械设备的质境、劳动环境、员的管理方法的质量控控制量控制管理环境控制制图6.3质量因素控制6.5.1对人的控制施工中“人”的因素是比较关键的。选用具有经验的人员进行操作。建立责任制度，并严格监督。在施工中人起到主导作用，这就需要培养人的责任感。平时多多开展一些教育课，从政治思想、专业技术、职业道德方面展开学习。6.5.2对材料的控制本工程的材料主要是钢筋、混凝土。要求对钢筋进场前进行验收。混凝土到达现场时需要严格检查塌落度，符合设计要求后，方能使用。从材料上杜绝施工上的一些问题的出现。50 第6章工程上的应用及推广6.5.3对机械的控制本工程用到的组要机械为长螺旋钻机、混凝土泵、吊车、振锤等器械设备。根据长螺旋超流态工艺的特点和技术要求，选用合理型号的的长螺旋钻机、振锤、混凝土泵。并正确使用、管理和保养。6.5.4对方法的控制本工程对方法的控制主要是对工艺操作上的控制。在正式投入到工程应用上之前，建立并完善质量管理体系，严格按照操作规程进行施工，掌握工艺各个环节需要重点注意的事项，避免操作不当，造成的经济顺手。6.5.5对环境的控制结合工程现场特点，制定相应的专项环境保护方案。合理有序的堆放材料，保持道路畅通。创建一个文明、整洁、有序的生产环境，为保证工程质量良好创造前提条件。6.6成品保护1.为避免长螺旋钻机移动式碾压已成的桩，施工前要需要确定长螺旋钻机的行走路线。2.在抗拔桩的施工过程中，长螺旋钻杆带出的桩土应用小挖掘机及时清运.桩身土的清运应时，严禁按照规范操作，最大限度避免碰断桩头。再者就是，对已放置的桩位点需要加以保护，防止在桩身土清运时被无意破坏。6.7抗拔桩检测该工程抗拔桩的监测是委托第三方检测，即：《北京市检测一所》进行检测，其检测方案由检测单位编制，检测桩的选择为甲方及监理选择，有很大的随机性。6.7.1检测目的和方法1.检验抗拔桩单桩竖向抗拔承载力能否满足设计要求和桩的完整性。2.检测方法：单桩竖向抗拔静载试验检、低应变法检测。6.7.2检查数量本工程，要求抗拔桩单桩竖向抗拔桩静载荷试验检测数量为设计抗拔桩数量的1%，本工程共计抗拔桩2069根，故按照相关的规范要求，抗拔力监测的桩数位[35]21根；抗拔桩低应变试验检测数量为设计桩数的20%，共计414根。51第 第6章工程上的应用及推广6.7.3抽检必检项目1.施工质量有疑问的桩；2.设计方认为重要的桩；3.局部地质条件出现异常区域的桩；6.8工程桩检测方法技术6.8.1单桩竖向抗拔静载荷试验试验条件为测试条件。试验方法采用原位测试法，即对桩顶钢筋笼逐级施加[41]上拔载荷并同时观测桩顶上拔量。1.试验装置及仪器设备试验时可利用桩间土提供支座反力，在反力梁上逐级用液压千斤顶加压，用位移传感器测读试验桩每级载荷的上拔量。本次试验如图6.4：图6.4试验检测图2.试验方法本工程依据设计要求及先关规范要求，需要检测单桩竖向抗拔承载力特征值。本工程试验检测慢速维持荷载法测试。本次试验最大加载量为884KN。载荷分10[41]级施加。第一级按2倍分级加载，其值为176.8KN。分级载荷宜为最大加载量的1/10，即位88.4KN。3.试验数据52 第6章工程上的应用及推广部分桩试验数据见表6.4表6.4试验数据序号桩号最大加载量最大加载时上单桩承载力特相应承载力特征（KN）拔量（mm）征值（KN）值上拔量（mm）1B7744217.828844.982B28144212.788844.083B20844218.068845.264B16944217.388843.415B5444211.138841.116B15744215.008841.847B33144218.088842.80所检测以上7根桩单桩竖向抗拔承载力特征值达到442KN，均满足设计要求。静载试验曲线：δδδlgt曲线δ曲线min图6.5U-δ曲线图6.6δ-lgt曲线53 第6章工程上的应用及推广δlgU曲线δU(kN)图6.7δ-lgU曲线说明：从检测单位提供的检测数据及检测载荷曲线图可以说明设计更该过后的抗拔桩无论是在抗拔力还是抗拔值上完全能满足主体结构设计对地基抗拔桩抗拔的要求。6.8.2低应变反射波法检测[41]低应变桩身完整性检测采用的是反射波法。低应变试验曲线见图6.8：下午04:23:142W1.54m1044HZ/s（0.595）图6.8低应变试验曲线本次检查结果表明：所有检测的桩，桩身完整，未发现影响使用的不良缺陷，54 第6章工程上的应用及推广均为Ⅰ类桩。6.9本章小结经优化设计后的抗拔桩在本工程上的应用得到了很好的体现，并通过了相应的检查试验，合格率达到了100%。试验数据表明，所施工的抗拔桩均能满足设计要求。在使用优化后的设计施工时，克服了之前抗拔桩钢筋笼无法下沉到指定标高的问题，同时也解决了施工难题、降低了施工成本、提高了施工效率，为长螺旋超流态工艺在小型桩基础工程的设计、优化，积累了宝贵的经验和一定的借鉴。这将使该工艺在今后的实际施工中提出了新的处理思路。55 第7章结论第7章结论本文通过长螺旋超流态工艺在小型桩基的设计、验证得出结论如下：1、本工程试验根据施工，从人、机、料、地层、地下水等方向进行研究分析，从设计优化、施工试验得出在北京通州地区，长螺旋超流态工艺在施工中小型桩基（直径低于500mm、长度大于12m）时，还有很大的可研究性，应该根据不同的地层、不同的设计，先做试验性施工，然后再做优化推广，确保施工的可行性及经济性；2、本文对长螺旋超流态工艺在小型桩基础工程施工中的优化与应用、顺利的完成施工，提供了一定的参考和借鉴，通过试验和研究，为小型桩基础长螺旋超流态工艺施工提供了有效的解决方法，对提高该工艺施工的安全性和可实施性、提高施工效率及施工质量，降低工程造价等都有一定的现实指导意义。3、在使用长螺旋超流态工艺施工时不能只单靠理论设计，因为理论设计和实际施工存在一定差距，实际施工是检验理论设计的唯一途径。在实际施工中运用长螺旋超流态工艺进行小桩径桩基的施工，在桩型选择、地层的适应性与施工的经济性等方面未来还有一定的可研究性。但单就设计而言，对于不确定因素较大的施工，应先做出试验更具有保障性。56 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