关于人工挖孔桩护壁结构设计及其施工技术的分析

园林、建筑、规划与结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 建材与装饰2010年 05月 关于人工挖孔桩护壁结构设计及其 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 技术的分析 张荣标 (福建省 龙岩市 364000) 摘 要：作者结合工程实例，主要介绍了人工挖孔桩不同土质层护壁结构的设计及施工技术。并详细阐述了大尺寸桩端扩大头的钢 板混凝土组合护壁结构的设计和施工特点。供类似专业人员参考借鉴。 关键词：人工挖孔桩；护壁；扩大头；粉质粘土层；地下水 ‘ 月IJ吾 人工挖孔桩在开挖过程中，地表以下的土层受到渗透力的 作用，往往会造成土体坍塌的情况发生，为了确保桩基施工的安 全和质量，通常需要对孔壁采取护壁措施，特别是在地质条件比 较复杂的情况下，应结合结构强度和经济造价，对不同情况的土 层采用不同形式的护壁结构设施，在施工中常采用的护壁结构 有：砖护壁、现浇混凝土护壁、钢套筒护壁、喷射速凝混凝±护 壁、波纹钢模板工具式护壁等，在特殊情况下，对桩端扩大头部 分也要采用护壁，如组合式钢板混凝土护壁。各种护壁类型都有 其优缺点及适用范围，应根据场地具体的工程地质与水文地质 条件，在确保施工人员安全的前提下，综合考虑工期、经济等因 素。本文以某教学楼工程为例，对其人工挖孔桩在不同土质层护 壁的结构进行了设计，并论述了其施工技术。 1工程概况 该教学楼程建筑面积20970m2，钢筋混凝土框架结构。层数 2-6层。基础采用人工挖孔灌注桩。桩端持力层为第四系残积粉 质粘土层⑤，极限端阻力标准值Q =1500kPa，要求桩端嵌入该土 层内深度不小于 2倍桩径。桩径有 48oo、+1000、+1200、61300、 +1400(mm1五种，桩的底部扩大头直径 Do=2100 2600mm，扩大头 高度 h=1500～2000mm。基础施工影响范围内的地层从上向下分 布的情况见表 1所示。该场地地下水位受湘江河水及山水季节 性影响，地下潜水有压力。 表 1地层岩性特征 序号 土层 厚度，m 1 人工填土 3 Ⅱ 粉质粘土③，含少量碎石 7 Ⅲ 粉质粘土⑤ 30 Ⅳ 强风化石英砂岩 2 不同土质中护壁的设计和施工 根据土层的具体情况，该工程采用了四种护壁措施：①钢筋 混凝土护壁；②混凝土护壁；③组合式钢板混凝土护壁；④钢套 简护壁。 2．1人工填土层采用钢筋混凝土护壁结构 该场地 3m以内是人工填土，土质松软，容易塌方。为稳妥起 见。开挖时可先在孔口设置400mm高钢筋混凝土护圈．防止洞 口 土体不坍塌和防雨水等流入孔内。 ·l3O· 往下施工采用现浇钢筋混凝土护壁。钢筋混凝土护壁的施 工循序为：先放线、布点检查后．根据每个桩直径的大小。在桩口 四周做成高 400mm、厚 175mm的钢筋混凝土护筒．其尺寸和内 部配钢筋详见图 1。往下再挖 lm深后，配护壁钢筋，其纵向直钢 筋为夺 +8@250，长 lm，插入下层护壁内，使上下护壁有钢筋拉接， 以免某段护壁出现流沙、淤泥而造成护壁因自重而沉裂的现象。 横向钢筋为夺 +6@200．混凝土 C25，再安装护壁钢模板，浇灌混 凝土护壁。以后施工时以每一节 lm作为一个施工循环(即挖好 每节土后接着浇灌一节混凝土护壁)．施工中上下两层护壁接茬 不小于 80mm。以防护壁滑移 (见图2)。因现浇混凝土护壁能较 好适应各类地质条件的变化。整体性好．抗压强度高．工程中应用 十分广泛。但其养护时间较长，每节护壁连接处应用水泥砂浆粉 严密肪 止地下水渗透。 图 1桩顶护筒结构(用于地面不利地段) l0o 75 d 175 翕￡ff loo 图 2铜筋混凝土护壁结构(用于不利区段) 2．2粉质粘土③采用混凝土护壁结构 从3m以下到 10m之间为粉质粘土③，土质较紧密，在挖孔 过程中。如果没有遇到大量的地下水干扰施工。一般都采用混凝 土护壁．可不配钢筋，较经济。厚度和施工同钢筋混凝土护壁。为 便于井内组织排水．在透水层段的护壁预留泄水孔(孔径与水管 外径相同。以利接管引水)。并在浇灌混凝土前予以堵塞。 2．2．1护壁的受力分析 无论采用何种类型的护壁．其壁厚必须满足受力要求。作为 人工挖孔桩施工时的临时构件．护壁所承受的侧压力主要由三 部分组成：土体自重形成的侧压力、地下水压力及地面荷载引起 建材与装饰 2010年 05月 园林、建筑、规划与结构设计 的附加应力。根据不同的地质条件与不同的护壁结构形式，以上 各荷载分项对护壁总侧压力的影响也不同。影响护壁侧压力的 另一重要因素是孔周土体的空间效应．即孔的直径相对较小．孔 内土体挖除后，孔周土体在孔心变形时相互制约，从而形成围拱 效应 因而在有些情况下。护壁实际承担的侧向压力可能远小于 平面问题计算的侧压力。由于地质条件多样性和复杂性，孔周土 体的空间围拱效应还难于准确描述。大直径人工挖孔桩大都采 取分段挖土。分段护壁的方法施工．以保证操作安全。分段现浇混 凝土护壁厚度，一般取受力最大处。即地下最深段护壁所承受的 土压力及地下水的侧压力确定其厚度．施工过程中地面不均匀 堆土产生偏压力的影响可不考虑。按朗肯主动土压力理论并结 合普氏自然平衡拱原理．对人工挖孔桩护壁的侧压力 P进行分 析和计算，根据护壁厚度按薄壁圆筒和厚壁圆筒的力学性状进 行护壁内力的计算，最后结合工程实际情况对护壁强度进行核 算以合理确定护壁材料和尺寸_lJ。 粘性土侧压力的计算[21： (1)无地下水 。 土的侧压力： P= ·H·tan (45。一 ／2)一2e·tan(45。一 ／2) (1) (2)有地下水。 · 地下水位以上部分土的侧压力： P= 。h。tan (45。一 ／2)一2e。tan(45。一4)／2) 地下水位以下部分土的侧压力： Pl=h‘( — w)·tan。(45。一 ，／2)一2c ·tan(45。一 ／2) P2=H‘( 一 yw)·tan (45。一 ／2)一2c ·tan(45。一 ／2) 水的侧压力： (2) (3) (4) P3=(H—h)‘ (5) 式中： 为土的重度，kN／m ； 为水的重度，kN／m；H为挖孔桩 护壁深度，m；h为地面至地下水位深度，m；4)为土的内摩擦角，(。)； c 为土的粘聚力，kN／m；+ 为水下土的内摩擦角，(。)；c 为水下土 的粘聚力，kN／m 。以上各项侧压力组合见图3。 图 3有地下水时侧压力分布 2．2．2混凝土护壁厚度的计算 混凝土护壁厚度应满足H： T>KPD／(2F) (6) 式中：T为混凝土护壁厚度，mm；K为安全系数，一般 K=1．65； F为混凝土轴心抗压强度，MPa；P为土和地下水对护壁的最大侧 压力，MPa D为桩孔外直径．mm。 混凝土护壁厚度 t一般取【3]． t=D／lO+50 (7) 该工程桩基础护壁侧压力按粘性土且有地下水情况计算． 根据以上各公式计算结果的综合指标来考虑护壁厚度。确定该 工程的混凝土护壁厚度 t=100+75(mm)。 ’ 2．3桩端扩大头部分采用组合式钢板混凝土护壁结构 桩端扩大头部分一般不设护壁．但本工程的桩端扩大头情 况较特殊。桩径与扩大头直径之比达到了 1：2．5，扩大头最高达 1．9m,扩大头支承在残积粉质粘土⑤中。土体稳定性较差，很容易 垮土．为保证施工质量及人员安全．对确实不能直接进行人工扩 底的桩．采用了组合式钢板混凝土护壁对扩大头进行土体支护。 护壁构造：该护壁采用钢板、角钢架、混凝土共同组合而成的 受力结构。可根据扩大头的大小、形状的变化进行灵活的调整。根 据扩大头的高度不同。可设 2～3层护壁。每层护壁由数块上小下大 的梯形钢板围住．钢板厚 3ram 每块钢板四周和中间都焊接 40角 钢。用螺栓连接钢板上的角钢，形成一个整体钢模 再向钢模内浇捣 C25混凝土，钢板最后不拆除．护壁结构详见图4、图5。 图4扩大头护壁 护壁构件功能： | ．| l| ＼，／／＼ 40角锕 ／ ＼。 ．n钢顿 ， 、 j 星 J 图5 钢板护壁大样 (1)3ram钢板加工成梯型，主要是用作混凝土模板； (2)／40的角钢焊接在钢板四周和中央．上面打螺栓孔．主 要作用是支撑钢板和连接另一块钢板； (3)现浇 C25混凝土的整体性好．能紧贴土壁并且受力均 匀。 以上三部分组合在一起共同构成支撑扩大头土体的受力整 体．抗挤压强度高。 护壁施工： (1)在桩孔内进行钢板拼装。从第一层开始．将加工好的钢板 用螺栓一一连接成一个封闭的圆形护壁．为便于其内部的混凝 土浇注，扩大头上一层钢板壁的下口与下一层钢板壁的上口之 间应留有一定的间隙，每节吊线校正孔中心位置．准确定位后将 护壁固定； (2)护壁混凝土浇灌时。人工插捣密实．并根据需要加入适量 的速凝剂，缩短混凝土初凝时间，混凝土浇注应严密，钢板不拆除， 第一层护壁施工完毕后，开始第二层护壁施工； (3)由于基础施工未进行专门的降水设计，因此，开挖过程中 (特别是扩大端施工时) 取同时大面积群孔开挖的方法，同时 孔内抽排水，大大减小了孔内渗水。便于扩大头的形成。 表2 扩大头钢板护壁尺寸 桩径 扩大头尺寸／mm 第一层钢板 第一层 第二层钢板 第二层 第三层钢板 第三层 桩号 尺寸／mm 钢板块 尺寸／瑚m 钢板块 尺寸／mm 钢板块 D b h 1 h2 A B L 数 A B L 数 A B L 数 WZl 8oo 17oo145o 2oo 9o0 555 9l1 485 5 9I1 lo7ol5o5 5 WZ2 14o0 28ool7oo 3o0 l4o0 580 740 540 8 74o 920 560 8 920 1lool5~ 8 2．4 在地下水特别丰富的土层中采用钢套筒护壁结构 该工程桩基础施zN最后阶段．有两根 1400mm的桩遇到了 不良的地质情况，在两根桩的四周。其他 已施工完的桩深度只有 十几米。而这两根桩挖到25m才达到标准持力层土。 开始。两桩先采用混凝土护壁。因是雨季．地下水位在地下 3m处。强大的水压力造成两桩中间护壁穿孔．土体严重垮塌．施 ·131· 园林、建筑、规划与结构设计 建材与装饰 2010年 05月 工受阻。 之后。采用第二套 施工方案 围墙砌筑施工方案免费下载道路清表施工方案下载双排脚手架施工方案脚手架专项施工方案专项施工方案脚手架 。用砂回填已破坏的两桩孔，将原 桩孔每边扩大 200ram．重新开挖这两根桩。先除去原孔壁上松软 的土体，采用钢筋混凝土护壁。并用高功率抽水机抽出地下水，但 施工到 25m深时。发现钢筋混凝土护壁上又产生了许多裂纹，原 因还是护壁外地下水压力太大，对护壁造成了破坏，施工再次不 能顺利进行。 最后采用了第三方案，即在开裂的混凝土护壁内增加钢套 筒护壁．以保施工能安全顺利进行。根据实际情况和理论计算出 钢护筒的 A3钢板厚6mm，卷制电焊成 ~900mm的钢筒。长度 10m。钢套筒与钢筋混凝土护壁之间有 250mm的间距。 该桩的施工顺序是： (1)在25m深处挖出D=1800mm的桩端扩大头 1，加大抽水 力度 浇捣扩大头混凝土； (2)吊放人钢套筒周 定好其位置； (3)在钢套简内配置桩心受力钢筋，浇捣桩心混凝土至地下 14m处．再向钢套筒外与原来钢筋混凝土护壁之间浇捣混凝土， 成为一整体护壁结构； (4)在 14m处开挖扩大头 2,D0=2800mm，h=2000mm，采用钢 板混凝土护壁，扩大头底部平面配双向016@150的受力钢筋，浇 捣扩大头混凝土； (5)再吊放入另一个钢套筒周 定好其位置； (6)在钢套筒内配置桩心受力钢筋。浇捣桩心混凝土至地面， 再向钢套筒外与原来钢筋混凝土护壁之间浇捣混凝土，成为一 整体护壁结构．确保护壁结构不会被地下水挤压坏； (7)通过两次扩底的施工设计。大大增加了单桩的承载力。 为加强这两根桩的整体受力，还将两根桩的单独承台变更为两 桩连体承台。这两根桩的详细设计见图6。 2．5施工质量要求 (1)为保证桩的垂直度．要求每灌完三节护壁须校核桩中心 位置及垂直度一次； (2)人工成孔时不需将孔壁修得过于光滑整齐，保持一定粗 枯面更能提高人工挖孔桩侧摩阻力； (3)安装混凝土护壁钢模的支撑必须牢固，浇筑混凝土时要 反复振捣．力求与土体挤密； (4)挖土工人要戴好安全帽。开挖一段后应立即进行护壁，随 后方可开挖下段．并随时注意检查护壁．发现护壁裂缝、松动、壁 后掏空等情况应及时处理： (5)做桩端扩大头时。应及时 通知 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 监理单位 (或建设单位)、 设计单位、勘察单位和市质量监督机构对桩底土样进行确认，经 确认后，才可进行扩底工作。当扩大头的持力层为残积土时，终 孔后必须清理好护壁污泥和桩底的残渣、杂物及浮土，清除积水， 并立即检查桩孔质量。桩孔质量检查内容包括扩大头尺寸是否 符合设计要求、桩底土层是否受到扰动。 3结 语 人工挖孔桩护壁作为保障设计方案顺利实施的重要构件， 应根据地质条件与水文条件．选用经济适用的结构类型，其厚度 必须经过抗压及抗剪强度验算。越薄越好；对桩端支承在粘性土 ·132· i莲 ) 图6 单桩护壁设置 层上的桩。由于桩端持力层允许承载力远小于混凝土强度，桩身 强度得不到充分发挥，设计施工时采用大尺寸扩大头桩较合理、 经济；在特殊的弱土层中．单桩上还可做两个扩大头来提高桩的 承载力．桩端扩大头可采用护壁措施。 参考文献 【1]岳 进．人工挖孔桩护壁设计[J]．岳阳师范学院学报，2002，l15，(4)． 【2]薛守义．高等土力学(第 1版)【M]．北京：中国建材工业出版社，2007． [3】刘宗仁．土木 工程施工 建筑工程施工承包1园林工程施工准备消防工程安全技术交底水电安装文明施工建筑工程施工成本控制 (第2版)[M】 b京：高等教育出版社，2003． f4]华南理工大学．地基与基础 (第3版)[M]．北京：中国建筑工业出版社 1998．