桩基础施工新技术讲座(十三)夯扩灌注桩(组图)

工程实践表明，当地基上部为软弱土层或较软弱土层，而在不深处（一般20 m以内）有一层物理力学性能较好的桩端持力层的地质条件下，如果采用扩底桩，就能有效地发挥扩底支承效能，可获得较高的单桩承载力和较好的技术经济效益。因此扩底桩广泛应用于各类工程基础中。扩底的成型工艺有钻扩、爆扩、振扩、锤扩、压扩、冲扩、夯扩、注扩、挖扩及挤扩等十大类型（本讲座第二讲下），沉管夯击式扩底灌注桩则为其中的一大类（本讲座第一讲）。

夯扩桩是沉管灌注桩与扩底桩结合的产物，它吸收了国外夯击式沉管扩底桩的优点，并摈弃了沉管灌注桩的一些缺点，是具有中国特色的一种桩型。

夯扩桩的沉桩机理

夯扩桩的沉桩机理是在锤击沉管灌注桩机械设备与施工方法的基础上加以改进，增加1根内夯管，按照一定的施工工艺（无桩尖或钢筋混凝土预制桩尖沉管），采用夯扩的方式（一次、二次、多次夯扩与全复打夯扩等）将桩端现浇混凝土扩成大头形、桩身混凝土在桩锤和内夯管的自重作用下压密成型。

夯扩桩优缺点

优点

夯扩桩优点：①在桩端处夯出扩大头，单桩承载力较高。②借助内夯管和柴油锤的重量夯击灌入的混凝土，桩身质量高。③可按地层土质条件，调节施工参数、桩长和夯扩头直径以提高单桩承载力。④施工机械轻便，机动灵活、适应性强。⑤施工速度快、工期短、造价低。⑥无泥浆排放。

缺点

夯扩桩优缺点：①遇中间硬夹层，桩管很难沉入。②遇承压水层，成桩困难。③振动较大，噪声较高。④属挤土桩，设桩时对周边建筑物和地下管线产生挤土效应。⑤扩大头形状很难保证与确定。

夯扩桩特点

内管底部的干拌混凝土（无桩尖工艺）可有效起到止淤和短时止水的作用，使后续混凝土灌注质量得到保证。

桩身混凝土借助于桩锤和内夯管的下压作用成型，可避免或减少缩颈或断桩等弊病的产生。

在夯扩过程中，锤击力经内夯管的传递，直接贯入桩端持力层，强制将现浇混凝土挤压成夯扩头的同时，也将桩端持力层压实挤密，使桩端持力层得以改善，桩端截面积增大，促使桩端阻力和桩承载力大幅度提高。

夯扩桩适用范围

夯扩桩适用于单桩竖向极限承载力标准值不大于4 000 kN的工业与民用建筑。其中对单桩竖向极限承载力标准值大于2 000 kN的属高承载力夯扩桩工程，在设计与施工时应采取相应措施。

夯扩桩基的直径，可采用377 mm、426 mm、450 mm、480 mm、500 mm、530 mm和600 mm。

夯扩桩成桩深度一般不宜大于20 m，若桩周土质较好，成桩深度可适当加深，但最大成桩深度不宜大于25 m。

夯扩桩的桩端持力层宜选择稍密～密实的砂土（含粉砂、细砂和中粗砂）与粉土，砂土、粉土与黏性土交互层以及可塑～硬塑黏性土（福建部分地区已将花岗岩残积黏性土和稍密～中密砾卵石层作为夯扩桩的桩端持力层）。对高承载力夯扩桩宜选择较密实的砂土或粉土。桩端以下持力层的厚度不宜小于桩端扩大头设计直径的3倍；当存在有软弱下卧层时，桩端以下持力层厚度应通过强度与变形验算确定。

夯扩桩虽有一系列优点，但在淤泥层较厚的沿海、沿江地区应用则较困难。针对1995年10月武汉某新建18层楼采用夯扩桩出现群桩整体失稳破坏的教训，武汉地区提出对有高灵敏度厚淤泥层地区，当设计为大片密集型布桩时，不宜采用夯扩桩。

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夯扩桩的施工机械与设备

桩架和桩锤

我国有少数厂家生产夯扩桩施工专用设备，多数情况是将沉管桩机改装而成，呈现多样化情况。桩架有桅杆式、井式和门式等。桩架行走方式一般为滚管式，少数为履带式和轨道式。桩锤一般采用导杆式和筒式柴油锤，少数采用落锤，个别情况采用振动锤。导杆式柴油锤为气缸冲击式。这种锤在软土中启动性能好，适用于打小型桩，近20多年来多用于夯扩桩和锤击沉管灌注桩。

桩管

夯扩桩外管一般采用直径325 mm、377 mm、426 mm、450 mm、480 mm、500 mm、530 mm和600 mm的钢管，相应的内夯管一般采用直径219 mm、247 mm、273 mm、297 mm、325 mm、377 mm、426 mm和450 mm的钢管配套使用。

内夯管底部需加焊一块直径比外管内径小10～20 mm、厚20 mm左右的圆形钢板或夯锤头。为满足止淤封底的要求，内夯管长度比外管短100～200 mm，而不采用加颈圈。有的地区在外管上端增加一个与外管同径的加颈圈，加颈圈的高度需满足止淤封底要求，一般为130～260 mm。

内夯管在夯扩桩施工中起主导作用：①作为夯锤的一部分，在锤击力作用下将内外管同步沉入地基土中。②在夯扩时作为传力杆，将外管内混凝土夯出管外并在桩端形成夯扩头。③在桩身施工时，利用桩锤和内夯管本身的自重将桩身混凝土加压成型。

内夯管的上端。固定在柴油打桩锤的底座下端，并连成一体，可沿桩架导轨自由上下移动。内夯管设计的好坏是夯扩桩施工成败的关键之一。要求内夯管下端夯锤头与外管之间的间隙小，但又要使内夯管在外管内活动自如；同时还要求内夯管不弯曲，与外管内径一致，内夯管有足够的强度和刚度，在夯扩施工时，不产生弯曲和变形。

桩尖

夯扩桩一般采用干硬性混凝土止淤封底的无桩尖沉管方式。在沉管前于桩位处预先放上高100～200 mm的与桩身混凝土同强度等级的干硬性混凝土。然后将内外管扣在干硬性混凝土上开始沉管。在沉管过程中该干硬性混凝土不断吸收地基中的水分，形成一层致密的混凝土隔水层，起到止淤封底作用，也不影响管内后续混凝土的夯出。当封底或沉管有困难时，则采用钢筋混凝土预制桩尖的沉管方式。

夯扩桩施工工艺

施工程序

夯扩桩施工分类  按桩尖型式，夯扩桩施工程序可分为无桩尖夯扩桩施工程序和有预制桩尖夯扩桩施工程序。无桩尖夯扩桩采用干硬性混凝土止淤封底，方法简单，造价低，施工工序连续性好，故目前大部分夯扩桩采用此种施工工艺。在易产生流砂的高地下水位的粉砂地基中，往往会造成止淤封底技术失效，此时可采用带预制桩尖或特制钢板夯扩桩施工程序。以扩大桩端支承面积为目的，无桩尖夯扩桩施工程序可分为一次夯扩、二次夯扩和三次夯扩程序。当为增大桩身直径从而提高桩侧摩阻力时，可采用全复打夯扩桩施工程序。

无桩尖夯扩桩施工程序  无桩尖夯扩桩施工程序如附图所示：①在桩位处按要求放置干硬性混凝土。②将内外管套叠对准桩位。③通过柴油锤将双管打入地基中至设计深度。④拔出内夯管（检查外管内是否有泥水，当有水时，投入干硬性混凝土插入内夯管再锤击）。⑤向外管内灌入高度为H的混凝土；⑥将内夯管放入外管内压在混凝土上面，并将外管拔起一定高度h。⑦通过柴油锤与内夯管夯打外管内混凝土。⑧继续夯打管下混凝土直至外管底端深度略小于设计桩底深度处（其差值为c），此过程为一次夯扩，如需第二次夯扩，则重复④~⑧步骤，如需第三次夯扩，则再次重复④~⑧步骤；⑨拔出内夯管。⑩在外管内灌入桩身所需的混凝土，并在上部放入钢筋笼。   将内夯管压在外管内混凝土面上，边压边缓缓起拔外管。    将双管同步拔出地表，则成桩过程完毕。

附图为无加颈圈的情况，当采用加颈圈时，施工程序总体上相同，只是第②、④、⑩步骤作如下改变。②对准桩位放置外管，同时把内夯管放在外管内，在其上放置直径与外管直径相同、高度为130～250 mm的加颈圈。④把内夯管从外管内抽出，卸去外管上端的加颈圈。⑩将加颈圈放在外管上端，然后灌满桩身部分所需的混凝土。

有预制桩尖夯扩桩施工程序  采用此施工程序，除采用一般沉管灌注桩的施工设备外，再增加一根进行夯扩工序、下端平底的内夯管，施工顺序为：①在桩位上放置钢筋混凝土预制桩尖。②在预制桩尖上放置桩管，在两者接触处应加3圈草绳。③带预制桩尖的外管打入到设计深度后，往外管灌入形成扩大头所需的混凝土量，上拔外管hm。④在外管中放入内夯管，锤击内夯管顶部，并将外管内混凝土夯出管外，再继续锤击双管同步沉入（h-c）m，形成夯扩头。⑤将内夯管抽出，灌足桩身所需混凝土量，将外管拔出地面，成桩。

无桩尖全复打夯扩桩施工程序   无桩尖全复打夯扩桩的施工程序近似于二次夯扩桩的施工程序，不同之处在于前者灌注二次桩身混凝土而后者只灌注一次桩身混凝土。

无桩尖全复打夯扩桩的施工程序：①先进行一次夯扩程序，形成夯扩头。②灌足桩身混凝土，待外管拔出地面立即在桩位补足桩身混凝土，顶面第二次沉管，边沉管边将混凝土向地基侧向挤压，扩大桩身，并沉至原深度。③实施第二次夯扩顺序，将原夯扩头进一步扩大。④第二次灌足桩身混凝土。⑤拔出内外管，成桩。

夯扩桩施工特点

合理选择桩锤。桩锤应根据工程地质条件、桩径、桩长、单桩竖向承载力、布桩密度以及现场施工条件等因素，通过试成桩合理选择使用。

止淤封底措施成功与否是无桩尖夯扩桩施工成败的关键，因此正式施工前必须进行试成孔试验，发现问题及时采取措施，以确保止淤封底效果良好。通常取用外管与内夯管同长，并在外管顶部增加一个与外管同径、高130 mm的加颈圈，使内、外管组合后，在外管下端形成一个高度为130 mm的空腔。假如止淤封底失效，则可将加颈圈的高度增加到200～250 mm，并相应增加干拌混凝土的用量，增加隔水层的厚度。假如采取这一止淤封底措施还失败，则可采用带预制桩尖的夯扩桩。

在夯扩程序中最后形成夯扩头的双管同步下沉高度（h-c）的控制是夯扩桩施工的关键。成功的夯扩桩施工，双管同步下沉至（h-c）高度时，往往要锤击50击以上，而此时柴油锤跳得最高，锤击贯入度却最小；反之，则说明夯扩效果不理想，应增加夯扩头的投料H值，重新调整夯扩参数或采用二次夯扩程序等。总之，夯扩桩施工工艺参数（H、h、h-c）的正确选择是衡量设计是否合理，施工是否切实可行的重要指标。作为桩端持力层而言，砂土比黏性土其外管中混凝土高度H值宜大些，性质差一些的砂土比性质好一些的砂土，其H值宜大些。外管上拔高度h一般取0.40H～0.55H，施工中一般取0.8～1.5 m。

夯扩桩夯扩头的估算

夯扩桩是一种以桩端夯扩头主的桩型，而夯扩头依靠现浇混凝土锤击夯扩挤压成型，却又隐藏在地层深处，桩端没有像预制桩那样固定的尺寸和面积，因此设法估算出夯扩头的最大直径，对估算桩的端阻力和承载力具有实用价值。

夯扩头的直径与下列因素有关：外管内径，夯扩参数H、h、h-c，桩端持力土层的性质，桩端土的侧向挤压模量，桩端土的压缩模量及锤击能量等。

工程桩实测夯扩头形状与模拟试验夯扩头结果表明：在压缩模量大的中密粉砂、硬塑粉质黏土持力层中，侧向阻力大，较难夯扩，其形状呈扩大的圆柱体；在桩端为中密的粉土、可塑粉质黏土中，其夯扩头形状呈中间略大的腰鼓型；桩端在压缩模量较小的稍密粉土持力层中，侧压阻力较小、较易夯扩，夯扩头呈近似灯泡的形状；而桩端在高压缩性、压缩模量小的淤泥质土持力层中，侧向阻力小，自由挤压其夯扩头形状近似呈球体。

随着夯扩桩在有关地区试验、推广与应用，国内有关规范、规定及有关单位（浙江省建筑软弱地基基础设计规范DBJ10-90、武汉市夯扩桩设计施工技术规定WBJ1-10-93、建筑桩基技术规范JGJ94-2008、武汉市夯扩桩设计施工技术规定WBJ8-97、山东省机械施工公司及武汉地质工程勘察院等）相继提出夯扩头直径的估算公式。

这些估算公式的模式大致上均采用夯扩头投料量（ H）经过夯扩工序转变为假想的体积，然后考虑修正系数，估算出夯扩头直径。

施工要点

把握两大关键工序  夯扩桩是带有复杂扩底工艺和夯扩施工参数的一种承载力较高的桩型，其施工程序比直柱型沉管灌注桩要复杂得多，其中两大关键工序为干硬性混凝土土塞效应的止淤封底措施和夯扩工序。

止淤封底质量控制  当锤击双管沉管至设计深度后，抽出内夯管必须检查内夯管下端是否干燥，外管内有无水进入。如果止淤封底失效，则应采取有效措施。

混凝土制作与灌注要求  混凝土的配合比应按设计要求的强度等级，通过试验确定。混凝土的坍落度应按扩大头和桩身部分分别制作，扩大头部分以40～60 mm为宜，桩身部分以100～140 mm（d≤426 mm）及80～100 mm（d≥450 mm）为宜。

配制混凝土的粗骨料可选用碎石或卵石，其最大粒径不宜大于40 mm，且不得大于钢筋间最小净距的1/3；细骨料应选用干净的中粗砂。水泥宜用矿渣硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，并可根据需要掺入适量的外加剂。

混凝土的灌注分扩大头和桩身两部份。扩大头部分的灌注应严格按夯扩次数和夯扩参数进行，桩身混凝土灌注应保证充盈系数不小于1，一般土质为1.1～1.2，软土为1.2～1.3。当桩长较长或需配置钢筋笼时，桩身混凝土宜分段灌注。混凝土顶面应高出桩顶0.3～0.5 m；上部为松散杂填土层时，当内外管提出地面后，应用插入式振捣器对上部2 m左右高度的桩身混凝土振捣密实。

夯扩工序的要求  夯扩工序应按设计参数严格执行，要求施工均匀，夯扩参数H、h、h-c的施工误差控制在±0.1 m以内。现场施工质量要有专人负责、检查和做详细记录。

夯扩工序中先灌入形成夯扩头所需要的混凝土（即在外管内的高度为H），而后将内夯管放入外管内压在混凝土面上，再将内夯管提出后外管上拔h高度，再放下锤和内夯管，通过内夯管底传递锤击力，将外管内混凝土夯出管外，此时桩端混凝土已与周围地基土全接触，再锤击双管同步沉入（h-c）深度，这正是夯扩头强制挤压扩大与形成的关键时刻。成功的夯扩工序，在桩端挤密持力层形成夯扩头的过程中，柴油锤应跳得最高，锤击贯入度最小，夯扩锤击次数较多（一般在50击以上）；如果在打试桩过程达不到上述夯扩效果，一般可采用增大夯扩头混凝土的投料高度H值或采用二次夯扩、三次夯扩工序来达到既增大夯扩头直径、又能挤密桩端地基土的双重作用。

打桩顺序  打桩顺序的安排应有利于保护已打入的桩不被压坏或不产生较大的桩位偏差。打桩顺序应符合下列规则：①可采用横移退打的方式自中间向两端对称进行，或自一侧向另一侧单一方向进行。②根据基础设计标高，按先深后浅的顺序进行。③根据桩的规格，按先大后小、先长后短的顺序进行。④当持力层埋深起伏较大时，宜按深度分区进行施工。当桩中心距大于4倍桩身直径时，按顺序作业，否则采用跳打法，以减少相互影响。

合理确定贯入度  桩管入土深度的控制一般以试成桩时相应的锤重与落距所确定的贯入度为主，以设计持力层较高相对照为辅。

夯扩桩的设计桩长与沉管最后贯入度双重控制沉管的深度，根据具体的桩端持力层的性质、锤击能量及设计要求，或通过试桩来决定，以最后二阵的平均贯入度作为控制标准。由试成桩确定的贯入度作为夯扩桩施工质量控制的关键技术指标。

拔管注意事项  拔管时应遵守下列规定：①在灌注混凝土之前不得将桩管上拔，以防管内渗水。②以含有承压水的砂层作为桩端持力层时，第一次拔管高度不宜过大。③拔外管时应将内夯管和桩锤压在超灌的混凝土面上，将外管缓慢均匀地上拔，同时将内夯管徐徐下压，直至同步终止于施工要求的桩顶标高处，然后将内外管提出地面。④拔管速度要均匀，对一般土层以2～3 m/min为宜，在软弱土层中与软硬土层交界处以及扩大头与桩身连接处宜适当放慢，以1～2 m/min为宜。

在粉砂层中施工措施  在粉砂层尤其是表土亦为较松散粉砂土时，应采取边打边退措施；布桩密度较高时应先打中间桩后打外侧桩；桩机行走应远离已成形桩；以防止造成桩顶混凝土裂缝、缩径及桩顶位移过大等现象。在饱和粉砂土区施工，沉桩时应采用合适高度的加颈圈，以防止桩端土或地下水向管内上涌。桩端为中密～密实粉砂土时，应合理掌握沉管沉入深度，以防止产生拔管困难甚至拔不出外管的情况。

克服桩端土出现“弹簧”现象的措施  在含水率较高的黏土中施工，夯扩过程中桩端极易出现“弹簧”现象，表现为夯出管内混凝土时，出现内夯管弹跳，难以夯扩成型，为避免发生该现象，可采取下述措施：①采用少投勤夯、减小夯扩部分混凝土坍落度和适当增加锤重等方法。②采取拔出内夯管在一次夯扩前首先灌入高度为1 m左右的干砂，拔出外管，再内外管同步沉入先复打干砂，造成“砂裹桩”，然后再进行正常混凝土夯扩工序。

防止桩身缩颈的措施

在含水量高的淤泥质土中，桩沉管时强制挤密土体，在其内部产生超孔隙水压力，土体受到强烈振动导致原有结构被破坏，黏结力也降低。拔管时超孔隙水压力超过混凝土自重产生的侧向压力，土体挤向新灌注的桩长而导致缩颈。

防止桩身缩颈的措施：①严格控制拔管速度，采用慢拔密振的方法，将在淤泥质土层中的拔管速度控制在0.6～0.8 m/min。②外管内混凝土高度保证在2 m以上，且比地下水位高1~2 m，以保证混凝土的侧向压力。③严格控制混凝土的配合比，粗骨料粒径不宜过大，适当增加水泥含量，减少混凝土坍落度，保证其和易性和浇捣质量。④在炎热季节，及时用清水冲刷桩管内壁上残留的灰浆，以减少施工时桩管内壁对混凝土下滑的阻力。

  沈保汉   北京市建筑工程研究院

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