2.2.3 预制桩的沉桩

利用上部荷载压入地下的桩叫沉桩，预制桩沉桩的方法有多种，如锤击法、静压法、振动法和水冲法等，其中锤击法和静压法应用较多。

1．锤击法

锤击法是利用桩锤的冲击克服土对桩的阻力，使桩沉到预定深度或达到持力层。这是常用的一种沉桩方法。打桩设备包括桩锤、桩架和动力装置。

（1）桩锤

桩锤是对桩施加冲击，将桩打入土中的主要机具。桩锤主要有落锤、柴油锤、蒸汽锤和液压锤，目前应用最多的是柴油锤。

1）落锤

落锤是利用人力或者卷扬机拉起桩锤，然后使其自由落下，利用锤的重力夯击桩顶，使桩入土。落锤构造简单，使用方便，高度能随意调整。落锤重量一般为0.5～1.5t，重型锤可达数吨，轻型锤一般用卷扬机拉升施打。落锤效率低，施工速度慢，桩身易损失。落锤适用于施打小直径的钢筋混凝土预制桩或小型钢桩，在软土层中应用较多。

2）柴油锤

柴油锤是由柴油燃烧产生的气体压力提升冲击质量的桩锤。柴油锤利用燃油产生的能量，推动活塞往复运动产生冲击力进行锤击打桩。柴油锤结构简单，使用方便，不需要从外部供应能源。但在过软的土中由于贯入度过大，燃油不易爆发，往往桩锤反跳不起来，会使工作循环中断。而且柴油锤施工过程中会造成噪声污染和空气污染等，故在城市中施工受到一定限制。柴油锤冲击部分的重量有2.0t、2.5t、3.5t、4.5t、6.0t、7.2t等数种，每分钟锤击数为40～80次，可以用于大型混凝土桩和钢管桩等。

3）蒸汽锤

蒸汽锤利用蒸汽的动力进行锤击，需要配备一套锅炉设备对桩锤外供蒸汽。蒸汽锤根据工作情况又可分为单动式汽锤和双动式汽锤。

单动式汽锤的冲击体只在上升时耗用动力，下降靠自重。单动式汽锤的冲击力较大，每分钟锤击数为25～30次，常用锤重为3～10t，可以打各种桩。

双动式汽锤的冲击体升降均由蒸汽推动。双动式汽锤的外壳（即汽缸）是固定在桩头上的，而锤是在外壳内上下运动。因冲击频率高（100～200次／min），所以工作效率高。锤重一般为0.6～6t，它适宜打各种桩，也可在水下打桩并用于拔桩。

4）液压锤

液压锤是一种新型打桩设备，它的冲击缸体通过液压装置提升至预定高度后再快速释放，然后以自由落体的方式打击桩体。冲击缸体下部充满氮气，当冲击缸下落时，首先是冲击头对桩施加压力，接着是通过可压缩的氮气对桩施加压力，使冲击缸体对桩施加压力的过程延长，因此每一击能获得更大的贯入度。液压锤不排出任何废气，无噪声，冲击频率高，并适合水下打桩，是理想的冲击式打桩设备，但构造复杂，造价高，作业效率比柴油锤低。

用锤击沉桩时，为防止桩受冲击应力过大而损坏，力求采用“重锤轻击”。如采用轻锤重击，锤击功能很大一部分被桩身吸收，桩不易打入，且桩头容易打碎。锤重可根据土质、桩的规格等参考表2-2进行选择，如能进行锤击应力计算则更为科学。

（2）桩架

桩架设备亦称打桩架，它的作用是用来完成打桩锤上下运动的导向与起落、吊桩并将桩身稳固于打桩锤同一轴线位置以及起动打桩锤击桩，并保证桩锤能沿着所要求方向冲击等各项功能。桩架的形式多种多样，常用的桩架（能适应多种桩锤）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。

1）多能桩架（如图2-2所示）由立柱、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，在水平方向可做360°回转，立柱可前后倾斜，底盘下装有铁轮，可在轨道上行走。这种桩架可适应各种预制桩，也可用于灌注桩施工。缺点是机构较庞大，现场组装和拆迁比较麻烦。

2）履带式桩架（如图2-3所示）以履带式起重机为底盘，增加立柱和斜撑用以打桩。履带式桩架灵活，移动方便，可适应各种预制桩施工，目前应用最多。

（3）锤击法施工

1）打桩顺序

打桩顺序会影响打桩速度、打桩质量以及周围环境。当桩的中心距小于4倍桩径时，打桩顺序尤为重要。打桩顺序影响挤土方向。打桩向哪个方向推进，则向哪个方向挤土。根据桩群的密集程度，可选用下述打桩顺序：由一侧向单一方向进行［如图2-4（a）所示］；自中间向两个方向对称进行［如图2-4（b）所示］；自中间向四周进行［如图2-4（c）所示］。第一种打桩顺序，打桩推进方向宜逐排改变，以免土朝一个方向挤压而导致土壤挤压不均匀，对于同一排桩，必要时还可采用间隔跳打的方式。对于大面积的桩群，宜采用后两种打桩顺序，以免土壤受到严重挤压，使桩难以打入，或使先打入的桩受挤压而倾斜。大面积的桩群，宜分成几个区域，由多台打桩机采用合理的顺序同时进行施打。此外，根据设计标高及桩的规格，宜先深后浅、先大后小、先长后短，这样可以减小后施工的桩对先施工的桩的影响。

锤击法打桩施工的工艺流程为：施工前的准备工作→测量定位→底桩就位、对中和调直→锤击沉桩→接桩→再锤击→（再接桩）→打至持力层→收锤。

施工前的准备工作：沉桩前必须处理空中和地下障碍物，场地应平整，排水应畅通，并满足打桩所需要的地面承载力。选择桩锤时，充分考虑桩的形状、尺寸、重量、入土长度、结构形式以及土质、气象等条件，并掌握各种锤的特性。桩锤的夯击能量必须克服桩的贯入阻力，包括克服桩尖阻力、桩侧摩阻力和桩的回弹产生的能量损失等。如果桩锤的能量不能满足上述要求，会引起桩头部的局部压曲，难以将桩送到设计标高。选择桩架时应充分考虑桩的材料、截面形状及尺寸大小、桩的长度、数量、桩距及接桩方式，并同时考虑施工工期和打桩速率等因素。桩架的高度是选择桩架时需要考虑的一个重要问题，桩架的高度应满足施工要求，它一般等于桩长＋滑轮组高度＋桩锤高度＋桩帽高度＋起锤移位高度（取1～2m）。

测量定位：将施工图上的桩位通过轴线控制点逐个施放在打桩现场，在桩位中心点地面打入长约30cm的钢筋，使其露出地面5～8cm，再在其上扎一小片红布条，这就是俗称的“样桩”。由于预应力管桩的桩尖（靴）用十字型或开口型较多，靠一个点位来对中，误差较大，为此，在使用十字型桩尖（靴）时。宜在当天计划打桩的几个桩位上，用白灰在“样桩”附近的地面上画一个圆心与“样桩”重合、直径与管桩桩径相等的圆圈，以方便插桩对中。

底桩就位、对中和调直：打入地下的第一节桩俗称“底桩”。底桩端部一般设有桩尖（靴）。底桩就位前，应在桩身划出以米为单位的长度标记，并按从下至上的顺序标明桩的长度，以便观察桩的入土深度及记录每米沉桩锤击数。底桩就位后，对中和调直这道工序对成桩质量起关键作用。如果底桩不对中，成桩后的桩位偏差会超过规范要求。调直一要使桩身垂直（斜桩要求达到设计倾斜角度）；二要使桩身、桩帽和桩锤的中心线重合。如果桩身未调直就开锤，不仅桩的垂直度会超过规范要求，而且会发生偏心锤击，容易将桩头（顶）打裂击碎。因此，一般预制桩的垂直偏差不得大于0.1%，斜桩的倾斜度偏差不得大于倾斜角正切值的15%（倾斜角是指桩的纵向中心线与铅垂线之间的夹角）。否则，要拔出重插，直至满足要求。按桩顶标高控制的桩，桩顶标高允许偏差为－50mm,＋100mm。桩的平面位置的允许偏差如表2-3所示。

锤击沉桩：首先要强调的是打底桩时需倍加小心，因为在一般情况下表层土或表层土下面的一层土比较松软，桩锤冲击体自由落下时，整节桩可能会压没在软土中，整个桩锤也会落到地面甚至嵌入表土中，威胁人身安全，影响施工质量。因此，在软土层上打第一节桩时，需采取一些必要的技术安全措施。其次要强调的是在锤击沉桩的全过程中，桩锤、桩帽和桩身中心线应重合，切忌打偏。

打桩机就位后，将桩锤和桩帽吊起，然后吊桩并送至导杆内，垂直对准桩位缓缓送下插入土中，垂直度偏差不得超过0.5%，然后固定桩帽和桩锤，使桩、桩帽、桩锤在同一铅垂线上，确保桩能垂直下沉。在桩锤和桩帽之间应加弹性衬垫，桩帽和桩顶四周应有5～10mm的间隙，以防损伤桩顶。打桩开始时，锤的落距应较小，待桩入土至一定深度且稳定后，再按要求的落距锤击。用落锤或单动式汽锤打桩时，最大落距不宜大于1m；用柴油锤时，应使锤跳动正常。在打桩过程中，遇有贯入度剧变、桩身突然发生倾斜、移位或有严重回弹、桩顶或桩身出现严重裂缝或破碎等异常情况时，应暂停打桩，及时研究处理。如桩顶标高低于自然土面，则需用送桩管将桩送入土中，桩与送桩管的纵轴线应在同一直线上，拔出送桩管后，桩孔应及时回填或加盖。

桩打入时应符合下列规定：

①桩帽或送桩帽与桩周围的间隙应为5～10mm；

②锤与桩帽、桩帽与桩之间应加设硬木、麻袋、草垫等弹性衬垫；

③桩锤、桩帽或送桩帽应和桩身在同一中心线上。

接桩：当一根桩的长度达不到设计规定的深度时，需要将已打入的前一根桩的顶端与后一根桩的下端连接在一块继续向下打，直至打入设计的深度为止。多节桩的接桩可用焊接、法兰铆接及机械快速连接（螺纹式、啮合式）三种方法。目前焊接接桩应用最多。接桩的预埋铁件表面应清洁，上下节桩之间如有间隙应用铁片填实焊牢，焊接时焊缝应连续饱满，并采取措施减少焊接变形。接桩时，上下节桩的中心线偏差不得大于10mm，节点弯曲矢高不得大于1‰桩长。

采用焊接接桩应符合下列规定：

①下节桩的桩头宜高出地面0.5m。

②下节桩的桩头宜设导向箍。接桩时上下节桩应保持顺直，错位偏差不宜大于2mm。接桩错位纠偏时，不得采用大锤横向敲打。

③桩对接前，上下端板表面应采用铁刷子清刷干净，坡口处应刷至露出金属光泽。

④焊接宜采用二氧化碳气体保护焊，施焊时宜用两台焊机对称进行；当采用手工电弧焊时，施焊宜由两个焊工对称进行。焊接应逐层进行，层数不得少于2层，第一层焊接完后必须把焊渣清理干净，方可进行第二层施焊。焊缝应连续、饱满。

⑤焊好后的桩接头应自然冷却后方可继续锤击，自然冷却时间不宜少于8min，严禁水冷却或焊好即施打。

⑥在雨天焊接时，应采取可靠的防雨措施。

⑦焊接接头的质量检查，对于同一工程探伤抽样检验不得少于3个接头。

法兰铆接接桩的钢板和螺栓宜采用低碳钢。

采用机械快速螺纹接桩的桩两端质量必须满足连接要求，上下节桩采用专用接头锥度对中，对准上下节桩用专用链条式扳手进行旋紧连接，旋紧后两端板尚应有1～2mm的间隙。机械快速啮合接桩的施工方法为：先将上下接头板清理干净，并在连接销上涂抹沥青涂料，逐根旋入上节桩端头板的螺栓孔内，然后在下节桩端头板连接槽内及端头板面周边注入沥青涂料，再将上节桩吊起，使连接销与下节桩的端头板上连接口对准后插入连接槽内，最后加压使上下节桩的桩头板接触，完成接桩。

桩终止锤击的控制应符合下列规定：

①当桩端位于一般土层时，应以控制桩端设计标高为主，贯入度为辅；

②桩端到达坚硬、硬塑的黏性土，中密以上粉土、砂土、碎石类土及风化岩时，应以贯入度控制为主，桩端标高为辅；

③贯入度已达到设计要求而桩端标高未达到时，应继续锤击3阵，并按每阵10击的贯入度不应大于设计规定的数值确认，必要时，施工控制贯入度应通过试验确定。

当遇到贯入度剧变，桩身突然发生倾斜、移位或有严重回弹，桩顶或桩身出现严重裂缝、破碎等情况，应暂停打桩，分析原因，并采取相应措施。

当桩顶标高低于自然土面，需用送桩管将桩送入土中时，桩与送桩管的纵轴线应在同一直线上，拔出送桩管后，桩孔应及时回填或加盖。

2）打桩的质量控制

打桩过程中，应做好沉桩记录，以便工程验收。打桩的质量控制包括打桩前、打桩过程中的控制以及施工后的质量检查。

施工前，除了要对原材料进场前进行检查外，还应对成品桩进行外观及强度检测、成品桩的裂缝检查等。锤击预制桩应在强度与龄期均达到要求后进行。接桩用焊条或半成品硫黄胶泥应有产品合格证书，或送有关部门检验。打桩开始前应对桩位的放样进行验收，桩位放样允许偏差对群桩为20mm，对单排桩为10mm。

施工过程中，应检查桩的桩体垂直度、沉桩情况、贯入情况、桩顶完整情况、电焊接桩质量、电焊后的停歇时间等。对电焊接桩，重要工程应对电焊接头做10%的焊缝探伤检查。

打桩的质量检查包括桩的偏差、最后贯入度与沉桩标高，桩顶、桩身是否打坏以及对周围环境有无造成严重危害。

打桩时，如桩顶破碎或桩身有严重裂缝，应立即暂停，在采取相应的技术措施后，方可继续施打。除了注意桩顶与桩身由于桩锤冲击破坏外，还应注意桩身受锤击拉应力而导致的水平裂缝。在软土中打桩，在桩顶以下1／3桩长范围内常会因反射的张力波使桩身受拉而引起水平裂缝。开裂的地方往往出现在吊点和混凝土缺陷处，这些地方容易形成应力集中。采用重锤低速击桩和较软的桩垫可减少锤击拉应力。此外，还应监测打桩施工对周围环境有无造成影响。

打桩施工结束后，应进行桩基工程的桩位验收。打入桩的桩位偏差必须符合表2-3的规定。同时，应对桩进行承载力检验，一般采用静载荷试验的方法进行检验，检验桩数不应少于总数的1%，且不应少于3根，当总桩数少于50根时，检验桩数不应少于2根。此外，还应对桩身质量进行检验。

2．静压法

静压法沉桩是指混凝土预制桩成桩后，利用液压桩机的桩架自重及配重，施加竖向压力将预制桩分段压入，逐段接长的桩基施工方法。这种方法具有无噪声、无振动、无冲击力等优点，适应当今对绿色岩土工程的要求；同时压桩桩型一般选用预应力管桩，该桩作基础具有工艺简明、质量可靠、造价低、检测方便的特性。静压法沉桩通常应用于高压缩性黏土层或砂性较轻的软黏土地基（含水量ω＞塑性界限ωp，土的重度γ0＜1.75，土的内摩擦角γ＜20°，压缩系数a1－2＞0.03，塑性指数Ip＞10，标贯击数N＜10）。当桩需贯穿有一厚度的砂性土中间夹层时，必须根据砂性土层的厚度、密实度，上下土层的力学指标，桩的结构、强度、形式和设备能力等综合考虑其适用性。

在沉桩过程中，桩尖直接使土体产生冲切破坏，伴随或先发生沿桩身土体的直接剪切破坏。孔隙水受此冲剪挤压作用形成不均匀水头，产生超孔隙水压力，扰动了土体结构，使桩周约一倍桩径的一部分土体抗剪强度降低，发生严重软化（黏性土）或稠化（粉土、砂土），出现土重塑现象，从而可容易地连续将静压桩送入很深的地基土层中。压桩过程中如发生停顿，一部分孔隙水压力会消失，桩周围的土会发生径向固结现象，使土体密实度增加，桩周的侧壁摩阻力也增长，尤其是扰动重塑的桩端土体强度得到恢复，致使桩端阻力增长较大，停顿时间越长，扰动土体强度恢复增长越多。因此，静压沉桩不宜中途停顿，必须接桩停留时，宜考虑浅层接桩，还应尽量避免桩尖在硬土层中停留接桩。静压桩是挤土桩，压入过程中会导致桩周围土的密度增加，其挤土效应取决于桩截面的几何形状、桩间距以及土层的性能。

静压法沉桩按加力方式可分为压桩机（压桩架、压桩车、压桩船）施工法、吊载压入施工法、锚桩反压施工法、结构自重压力施工法等。锚桩反压施工法使用较早，一般用于少量补桩。吊载压入施工法因受吊载能力限制，用于小型短桩工程。结构自重压入施工法用于受场地和高度限制无法采用大型压桩机设备，以及对原有构筑物进行基础改造补强的特殊工程。压桩机施工法应用较为广泛，为提高压桩机静压力，常可在压桩机上增设附加配重。在小型桩基工程中尚可采用压桩机施工法。静力压桩机分为机械式和液压式两种，前者只能用于压桩，后者不仅可以压桩，还可以拔桩。静压法沉桩一般都采取分段压入、逐渐接长的方法，直至沉桩至设计要求标高。

（1）机械式压桩

机械式压桩采用的是机械式压桩机，它是由卷扬机通过钢丝绳滑轮组将桩压入土中。机械式压桩机由底盘、机架、动力装置等几部分组成。这种桩机是在桩顶部位施加压力，由于沉桩阻力较大，卷扬机需通过多个滑轮组方可产生足够的压力将桩压入土中，所以跑头钢丝绳的行走长度很大，作业效率较低。

（2）液压式压桩

液压式压桩是通过液压式压桩机，利用其本身的重量（包括配重）作为反作用力，克服压桩过程中的桩周土侧壁的摩阻力和桩端土的阻力，将桩徐徐压入土中。随着20世纪90年代初期高层建筑的快速发展，单桩竖向承载力越来越高，液压静压桩机的吨位也随着增大，目前最大吨位已达到650～700t，最大单桩承载力由初期的120t提高到现在的250t左右，故近几年来广泛地应用于工业厂房、综合办公大楼、高层建筑的桩基施工中，并取得了良好的技术经济效果。

液压式压桩机主要由桩架、液压夹桩器、动力设备及吊桩起重机等组成。它可以利用起重机起吊桩体，并通过液压夹桩器把桩的“腰”部夹紧并下压，当压桩力大于沉桩阻力时，桩便被压入土中。

这种桩机采用液压传动，动力大、工作平稳，还可以在压桩过程中直接从液压表中读出沉桩压力，因此可以了解沉桩全过程的压力状况，得知桩的承载力。压桩施工过程中应根据土质配足额定的重量，压桩机及配重之和应大于最大压机力的1.1倍，防止阻力过大而桩机自重不足以平衡。压桩一般分节压入，逐段接长。当第一节桩压入土中，其上端距地面1m左右时将第二节桩接上，继续压入。此时，应尽量缩短停歇时间。

当压桩出现下列情况之一时，应暂停压桩作业，并分析原因，采取相应措施：

1）压力表读数与勘察报告中的土层性质明显不符；

2）桩难以穿越硬夹层；

3）压桩机出现异常响声或工作状态异常；

4）出现桩身纵向裂缝或桩头混凝土剥落等现象；

5）夹持机构打滑或压桩机桩基下陷。

3．振动法

振动法沉桩施工是利用振动锤沉桩，将桩与振动锤连接在一起，利用高频振动激振桩身。振动锤又称激振器，安装在桩头，用夹桩器将桩与振动箱固定。在桩上刚性连接振动锤，形成振动体系，由锤内几对轴上的偏心块相对旋转产生振动力，使振动体系上下振动强迫与桩接触的土层相应振动，使土层强度下降，阻力减少，从而使桩在振动体系压重作用下沉入土中。

振动沉桩操作简便，沉桩效率高，不需要辅助设备，管理方便，施工适应性强，沉桩时的横向位移小和桩的变形小，不易损坏桩材，通常可应用于粉质黏土、松散砂土、黄土和软土中的钢筋混凝土桩、钢桩、钢管桩在陆上、水上、平台上的直桩施工及拔桩施工；在砂土中效率高，一般不适合密实的砾石和密实的黏性土地基打桩，不适于打斜桩。

振动沉桩在施工过程中应注意以下几点：

（1）施工前应对机械设备进行认真检查，确保机器状况良好，连接牢固，沉桩机和法兰盘连接螺栓必须拧紧，不能有间隙或松动。

（2）振动时间由试验决定，一般不宜超过15min，在有射水配合时，振动时间可适当缩短。一般当振动下沉速度由小变大，振动频率由大变小，如下沉速度小于5cm／min，或桩头冒水、振动很大而桩不下沉时，应立即停止振动。

（3）每根桩的振动下沉应一气呵成，不可中途停顿或有较长时间的间歇。

（4）振动沉桩主要适用于砂性土和黏性土，根据桩型和截面不同，振动桩下沉的振幅如表2-4所示。

4．水冲法

水冲法沉桩大多与锤击或振动相辅使用，可根据土质情况具体选择：先用射水管冲桩孔，然后将桩身随之插入（锤可置于桩顶，以增加下沉的重量）；一边射水，一边锤击（或振动）；射水、锤击交替进行或以锤击或振动为主、射水为辅等方式。

一般多采取射水与锤击联合使用的方式，以加速下沉。亦可采取用射水管冲孔至离桩设计深度约1m，再将桩吊入孔内，用锤击打至设计深度。沉桩时，先将射水管装好使喷射管嘴离地面约0.5m，当桩插正立稳后，压上桩帽、桩锤，开启水泵阀门送水，射水管便冲开桩尖下的土体，慢慢沉入土中，射水管一面下沉，一面不断地上下抽动，以使土体松动，水流畅通，此时桩即依靠其自重及配合桩锤冲击沉入土中。最初可使用较小水压，以后逐步加大水压，不使下沉过猛。下沉渐趋缓慢时，可开锤轻击；下沉转快时，停止锤击。下沉时应使射水管末端经常处于桩尖以下约0.3～0.4m处。射水进行中，放水阀不可骤然大开，以免水压、水量突然降低，泥砂涌入堵塞射水嘴；再射水时，射水管和桩必须垂直，并要求射水均匀，水冲压力一般为0.5MPa～1.6MPa。当桩下沉至距设计标高0.5～2m时应停止射水，拔出射水管，用锤击或振动打至设计标高，以免将桩尖处土体冲坏，降低桩的承载力。桩的间距应大于0.9m，以免冲松邻近已打好的桩。