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全套管大直徑振動取土灌注樁施工新技術(shù)

文檔作者：肖勇杰1 2 許萬強(qiáng)2，陳福全1 2 文檔來源： 1．福州大學(xué)土木工程學(xué)院 2．福建省巖土與環(huán)境企業(yè)工程技術(shù)研究中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月16日
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2015年1月上
第44卷第1期
施工技術(shù)
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY 6l
DOI：10．7672／s由s2015010061
全套管大直徑振動取土灌注樁施工新技術(shù)術(shù)
肖勇杰1’2，許萬強(qiáng)2，陳福全1’2
(1．福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350108；2．福建省巖土與環(huán)境企業(yè)工程技術(shù)研究中心，福建龍巖364000)
[摘要】介紹了全套管大直徑振動取土灌注樁的施工機(jī)械及施工原理。并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，詳細(xì)闡述了該
施工技術(shù)的工藝流程、存在的問題以及處理方法。工程檢測和實(shí)踐效果表明，該樁型具有工效高、質(zhì)量可靠及環(huán)境
影響小等優(yōu)點(diǎn)。，
[關(guān)鍵詞】樁；灌注樁；全套管；高頻液壓振動錘；施工技術(shù)
[中圖分類號】Tu473 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A [文章編號】l002·8498(2015)01-006l加4
A New Construction Technology of Large Diameter Cast-in-place Piles
with Sleeves Driven by Vibratory Hammers
Xiao Yongjiel’_，×u Wanqian92，Chen Fuquanl，2
(1．cDf如ge o，ci腳訂E，lgineering，F(xiàn)配z而Du Unf"emi秒，，H三^ou，F(xiàn)蜘口，l 350108，C^i，lo；2．zoc^nozogy尺eseorcIjl ce，lter妒
Geotec^nic口Z口凡d E，l穢i，．0nme凡￡oZ E，Igi，lee一，Ig，F(xiàn)M聲口n尸俐i，lci口Z，幻，lg)，口凡，F(xiàn)￡彬口乃364000，Chin口)
Abstract：A new technique for installations of cast—in—place piles with sleeves driVen by high frequency
hydraulic Vibratory hammers is presented in this paper． Based on engineering practice， the detailed
construction technique， constlllction process， construction dimculties and processing methods are
presented in detail． The adverse impact during pile installation on environment is negligible． The results
of field tests indicate that the new method of pile installation has high efficiency and reliable quality．
Key words：piles；bored piles；full—sleeve；high fkquency hydraulic vibratory pile hammer；construction
O 引言
灌注樁不受土層變化限制，可根據(jù)土層分布情
況任意變化樁長，容易適應(yīng)持力層高低不平的變
化，不需要接樁和截樁，節(jié)約鋼材、振動小、噪聲小、
承載力高，適用于高層建筑、橋梁工程及港口工程
的基礎(chǔ)。隨著大直徑灌注樁施工工藝的不斷改進(jìn)，
大直徑灌注樁的應(yīng)用已相當(dāng)普遍¨。21。2l世紀(jì)之
前，大直徑灌注樁主要分為人工挖孑L樁和沖(鉆)孔
樁兩大類¨1。就這兩種樁型而言，存在如下問題。
1)人工挖孔樁機(jī)械化程度低，施工緩慢；進(jìn)行
深挖孔作業(yè)時(shí)存在極大安全隱患；成孑L質(zhì)量不易控
制；難以解決流泥、流砂問題，因而只適用于無地下
水或少量地下水的地質(zhì)。
2)沖(鉆)孔灌注樁屬于隱蔽工程，質(zhì)量控制難
度大，常出現(xiàn)諸如頸縮、斷樁、樁身混凝土坍塌、離
析夾泥等質(zhì)量問題，造成工程隱患；施工工藝復(fù)雜，
施工時(shí)間較長，勞動力投入大；產(chǎn)生大量泥漿垃圾，
·國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41272299)
[作者簡介】肖勇杰，博士研究生，E—mail：xiao—yon刮ie@126．com
[收稿日期】2014_01—12
處理難度大，環(huán)境污染嚴(yán)重；泥漿護(hù)壁留下的樁側(cè)
泥皮以及孔底沉渣，降低了樁基的側(cè)壁摩擦力和樁
底反力，導(dǎo)致樁基承載力降低。
為了較好地解決以上灌注樁成樁的各種施工
弊端，國外學(xué)者對液壓驅(qū)動的高頻振動錘施工進(jìn)行
了深入研究”。71。由于振動頻率接近土顆粒固有頻
率，使樁周邊的土產(chǎn)生諧振，加上低頻率振動在土
中衰減，使振動波及周圍大面積的區(qū)域?qū)χ車ㄖ?
物和環(huán)境造成不良影響。當(dāng)需要產(chǎn)生較大的激振
力時(shí)，必須用大功率電機(jī)，從而可能影響周圍電網(wǎng)
的穩(wěn)定；難以對激振力、頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)；用途單一，
僅限于在無黏性土中進(jìn)行振動沉管灌注樁施工，或
沉拔鋼板樁及鋼管樁作業(yè)。國內(nèi)學(xué)者對高頻振動
錘打樁在黏性土中的可打人性進(jìn)行了研究，并提出
了工程應(yīng)用的技術(shù)措施“8?。福建永強(qiáng)巖土工程有
限公司(福建省巖土與環(huán)境企業(yè)工程技術(shù)研究中
心)結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)——大激振力高頻液壓振
動錘，開發(fā)了全套管振動取土灌注樁的施工工
藝¨?。該工藝來用大激振力高頻振動錘和與之配
套的水潤滑裝置，可使套管與土的相互摩阻力顯著
萬方數(shù)據(jù)
62 施工技術(shù)第44卷
降低，克服了采用靜壓沉管和低頻振動時(shí)難以避免
的土塞和擠土問題。該工藝的套管沉拔和取土等
工序只需要一套設(shè)備即可完成，比現(xiàn)有相似設(shè)備的
工效高出2倍以上。
l 施工機(jī)械
全套管振動取土灌注樁主要作業(yè)機(jī)構(gòu)由動力
系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、振動系統(tǒng)和內(nèi)外套管組成，如圖1
所示。
圖l 全套管振動取土灌注樁主要作業(yè)機(jī)構(gòu)
Fig．1 Vibratory piIe hammer systems
動力系統(tǒng)由柴油引擎連接液壓泵組成；傳輸系
統(tǒng)由液壓油管和電纜組成；振動系統(tǒng)(振動錘)由振
動器、夾持器和彈性懸掛組成；振動器的下部連接
體為夾持器，根據(jù)套管的不同沉人方式，可配置單
夾頭、雙夾頭、多夾頭夾持器等；全套管振動取土灌
注樁施工設(shè)備的套管由內(nèi)套管(取土器)和外套管
(護(hù)筒)組成。
振動器是振動錘的關(guān)鍵部件，它由液壓發(fā)動機(jī)驅(qū)
動，通過齒輪傳動，帶動偏心體旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生激振
力。偏心體安裝在齒輪軸上，齒輪和軸承一般采用油
浴潤滑方式，頻率較高時(shí)則采用循環(huán)油壓力潤滑。
振動器的主要參數(shù)是振動頻率(D、最大偏心加
速度(口)和自由懸掛雙振幅(Js。)。Rodger等?1提
供了不同土層和樁型的振動器的相關(guān)參數(shù)，如表l
所示。
2施工原理
全套管振動取土灌注樁的施工原理為：首先，
采用大激振力高頻液壓振動錘進(jìn)行內(nèi)、外套管沉入
施工，振動時(shí)采用專門設(shè)計(jì)的水潤滑裝置使套管與
土的相互摩阻力降低，可以實(shí)現(xiàn)除強(qiáng)風(fēng)化巖以外的
絕大部分土層順利地隨套管沉入套管的內(nèi)腔形成
土芯而非土塞，從而克服了由于土塞滯留在管內(nèi)使
樁側(cè)阻力增大、導(dǎo)致套管難以沉入土層和沉管過程
中所造成的擠土問題；其次，通過高頻振動密實(shí)，提
高樁端土承載力，確保水下灌注混凝土或抽水后干
作業(yè)灌注混凝土；最后，通過高頻液壓振動錘同時(shí)
拔出鋼內(nèi)管和鋼外管或拔出鋼外管，從而實(shí)現(xiàn)大直
徑取土灌注樁。主要工序如圖2所示：①高頻振動
打人內(nèi)、外套管，土進(jìn)入內(nèi)套管；②內(nèi)套管沉至設(shè)計(jì)
標(biāo)高；③高頻振動內(nèi)套管，土與內(nèi)套管一起提出；④
振動排土，清理孔內(nèi)沉渣；⑤吊放鋼筋籠；⑥澆筑混
凝土；⑦高頻振動拔出外套管；⑧成樁、孔口防護(hù)。
套管沉拔和套管取土是該施工工藝的核心工序，也
是不同于全套管鉆孔灌注樁的標(biāo)志。
①
⑤
⑥ 外套管
⑧
圖2 全套管振動取土灌注樁的工藝原理
Fig．2 Principle of fh¨casing Vibratory driVen
cast-in-place pile
2．1套管沉拔原理
全套管大直徑振動取土灌注樁采用振動錘進(jìn)
行沉拔套管施工。在樁頂安裝液壓驅(qū)動的振動錘，
使振動錘中的偏心體相互逆旋轉(zhuǎn)，其橫向偏心力相
互抵消，而垂直離心力疊加，使套管產(chǎn)生垂直方向
的激振力(F。)，如圖3所示。
套管在自重和激振力作用下，克服懸掛力和摩
擦阻力而逐漸下沉；套管在懸掛力和激振力作用
下，克服自重和摩擦阻力而逐漸上拔。
在無黏性土層中，垂直向的高頻振動能擾動套
管周圍土體或使之暫時(shí)液化，使套管與土間的摩擦
阻力大幅減小，甚至減小至0，振動力加上錘和套管
的質(zhì)量，使套管穿越土層達(dá)到設(shè)計(jì)深度。通常豎向
振動振幅為6mm、頻率為25Hz時(shí)就能將套管周圍
的無黏性土完全擾動，將套管打入無黏性土層；在
黏土層中，垂直向的高頻振動能夠使套管周圍的黏
表1振動器的相關(guān)參數(shù)
Table 1 Vibrator parameters
囂丌翅 黝艚②
萬方數(shù)據(jù)
肖勇杰等：全套管大直徑振動取土灌注樁施工新技術(shù)63
∞
√，——▲
∞
·●P—～
圖3反向旋轉(zhuǎn)的偏心體產(chǎn)生的激振力
Fig．3 Exciting forces generated by the counterrotating
ecceⅡtric masses
性土完全破壞，從而減小套管與土間的摩阻力，使
套管容易被送入黏性土層。通常在振幅為6mm，頻
率為30Hz時(shí)就能使套管周圍的黏性土剪切破壞。
無論是砂質(zhì)土層還是黏性土層，土體強(qiáng)度均能恢
復(fù)，從而使基樁具備承載能力¨?。。
2．2套管取土原理
采用高頻液壓振動錘，能使鋼套管水平和豎向
高頻振動順利切割土體，使鋼套管與土之間產(chǎn)生間
隙，從而使土進(jìn)入內(nèi)套管(取土器)實(shí)現(xiàn)振動取土。
取土器取土主要分為3步，如圖4所示。圖4a為在
振動錘的高頻振動作用下，取土器向下沉入，擋土
板向上翻，土進(jìn)入管內(nèi)；圖4b為在振動錘的高頻振
動作用下，取土器向上拔出，擋土板在土自重作用
下向下翻，土留在管內(nèi)；圖4c為提出取土器，拔去插
銷，土在自重作用下向下排出。
∥?；?
‘、擋王板。
●
固定擋桿固定擋桿固定擋桿
a沉入b拔出c排土
圖4取土器取土原理
Fig．4 Principle of soil sampkr
3 工程實(shí)例
3．1工程概況與地質(zhì)條件
擬建工程為福建省某四星級酒店，總建筑面積
26 788m2，25層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，樓高99．99m。1～
5層為商場，6—16層為酒店客房，17～25層為高檔
寫字樓，地下1層。
場地巖土層從上至下依次為：①雜填土層厚
2—5m；②粉質(zhì)黏土層厚2—4m；③卵石層厚
8～10m；④強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層厚1．8—4m；⑤
中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。典型地質(zhì)剖面如圖5所示。
ZKl9
166．90
圖5典型地質(zhì)剖面
、
Fig．5 Typical geological secHon
3．2施工方案及工藝流程
勘察單位建議采用沖孔灌注樁，設(shè)計(jì)單位擬采
用全套管取土樁，兩種方案對比如表2所示。
表2基礎(chǔ)方案對比
TabIe 2 Comparison of foundatioⅡschemes
本工程建筑高度大，對沉降敏感，且為重點(diǎn)工
程，工期緊。經(jīng)過多方面論證，最后確定采用直徑
900一l 500mm的全套管取土灌注樁，樁端持力層為
中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，設(shè)計(jì)樁長14～18m，單樁承載力
特征值1 408～1l 015kN。采用強(qiáng)度等級為C40的
商品混凝土，由于地下水位較低，使用干作業(yè)澆搗
混凝土，主要施工流程如圖6所示。
3．3檢測結(jié)果
本工程采用靜載試驗(yàn)檢測單樁豎向抗壓承載
力，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。抽取21根樁進(jìn)行低應(yīng)
變動力檢測，試驗(yàn)結(jié)果為：I類樁17根，占8l％；Ⅱ
類樁4根，占19％，檢測結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。
4施工措施
1)當(dāng)套管穿越卵石層時(shí)，套管將振動荷載傳遞
給卵石，導(dǎo)致卵石層密實(shí)度加大，取土器難以下沉，
取土器在原位持續(xù)振動，進(jìn)一步加大卵石的密實(shí)
度，增大取土難度。解決方法為：①調(diào)整振動參數(shù)；
②采用加壓裝置，增加正壓力；③分次取土，降低無
效振動時(shí)間。
2)當(dāng)套管需要穿透強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)，由于強(qiáng)風(fēng)化
巖層強(qiáng)度高，使用振動錘的最大頻率不能夠穿透該
萬方數(shù)據(jù)
施工技術(shù)第44卷
圖6施工流程示意
Fig．6 Construction process
巖層。解決方法為采用沖孔樁機(jī)沖擊巖層使其破
碎，然后用國外進(jìn)口的大功率砂石泵進(jìn)行清渣。
3)地下水位較高時(shí)，可以進(jìn)行抽水后干作業(yè)澆
搗混凝土或使用導(dǎo)管實(shí)施水下灌注混凝土。
4)為了保證樁基具有足夠的承載能力和達(dá)到
設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行必要的檢驗(yàn)。
5 實(shí)踐效果
通過近2 000根全套管大直徑振動取土灌注樁
的實(shí)踐表明：
1)高頻振動錘的柴油發(fā)動機(jī)功率大，能產(chǎn)生較
大的激振力，使鋼管與樁周土層形成一層“膜”，最
大限度地消除摩阻力，從而確保全套管大直徑取土
灌注樁施工方法的實(shí)現(xiàn)。
2)全套管大直徑振動取土灌注樁與沖(鉆)孔
灌注樁、旋挖樁相比，可節(jié)約制造護(hù)壁泥漿的材料，
而且同體積鋼筋混凝土可極大地提高承載力，節(jié)約
大量鋼筋混凝土；與人工挖孔樁相比，可節(jié)約大量
鋼筋混凝土護(hù)壁材料。
3)高頻振動因其振幅較小，傳遞過程衰減較
快，對周圍環(huán)境影響小。
從已有的工程應(yīng)用情況看，該施工技術(shù)的經(jīng)濟(jì)
效益和社會效益明顯，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
6 結(jié)語
1)采用全套管大直徑振動取土灌注樁，可有效保
證和提高基礎(chǔ)工程的施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，降低環(huán)境
污染和材料損耗，對合理利用自然資源、保護(hù)環(huán)境和
生態(tài)平衡、提高地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平具有積極影響。
2)全套管大直徑振動取土灌注樁作為新樁型，
需要不斷完善施工設(shè)備和工藝，進(jìn)一步開發(fā)能取粒
徑>300mm漂石的取土倉；開發(fā)適合高頻振動的鋼
管接管技術(shù)，從而加大該樁型的適用范圍和成樁效
率；以全套管大直徑振動取土灌注樁施工方法為平
臺開發(fā)相關(guān)的施工方法，如咬合樁等。
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