CN104762955B - 一种基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法 - Google Patents

Abstract

一种基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，包括如下步骤：（1）、在桩基础平面外围施工外围冻结孔，在外围冻结孔内安设外围冻结管；（2）、外围冻结管开始冻结，以形成外围止水冻结壁；（3）、在外围止水冻结壁的止水作用下，在桩基础平面内进行人工挖孔扩底桩施工；（4）、外围冻结管停止冻结，拔出外围冻结管。本发明利用冻结技术形成冻结壁后再进行人工挖孔，桩周冻结壁可以临时起到砖、混凝土等护壁衬的支护作用，与传统护壁衬相比，桩周冻结壁可以一次成形，免去传统护壁衬的制作、运输、安装等工序，桩孔成孔速度快；桩周冻结壁的形成可大大降低人工挖孔时发生的土层坍塌、流砂、涌泥等安全事故的几率，以提高施工人员的安全性。

Description

一种基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法

技术领域

本发明属于建筑行业施工方法技术领域，特别涉及一种基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法。

背景技术

人工挖孔灌注桩适用于持力层在地下水位以上的各种地层，桩径一般都在800～2000mm左右，属于大直径桩，其主要优点如下：1、桩端可设置在较好的持力层，并且形成扩大头，单桩承载力高；2、施工过程无噪音、无振动、无挤土影响，是一种非挤土桩；3、便于质量检查，成桩质量比较容易控制和保证；4、施工方法和所用设备简单，土方处理容易，可多根桩同时施工。因此，人工挖孔灌注桩得到了广泛应用，特别适用于严格限制噪声、振动和挤土影响的桩基础工程中。

但是，人工挖孔灌注桩也存在如下主要缺点：1、持力层在地下水位以下时则难以成孔，特别是具有较厚流砂层的工况；2、成孔速度慢，如遇工期紧张则需投入大量劳动力，劳动力不足则严重延误工期；3、作业安全性差，人工挖深桩或地下有毒气体时容易产生安全事故；4、遇到地下水丰富或流砂地质，施工困难，成桩质量不可靠。上述缺点导致人工挖孔灌注桩在地下水位比较高的地层以及一些人工安全要求比较严的地方的使用受到极大地限制，阻碍其进一步推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种充分利用冻结法适应地层广、冻结壁质量可控和人工挖孔灌注桩承载力高的基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法。

本发明技术方案为：一种基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）、在桩基础平面外围施工外围冻结孔，在外围冻结孔内安设外围冻结管；（2）、外围冻结管开始冻结，以形成外围止水冻结壁；（3）、在外围止水冻结壁的止水作用下，在桩基础平面内进行人工挖孔扩底桩施工，具体操作为：a、根据人工挖孔扩底桩的设计直径和人工挖孔扩底桩外圈的桩周冻结壁厚度确定桩周冻结管的布置直径，在桩周冻结壁厚度范围内间隔设置桩周冻结管，桩周冻结管钻至设计深度；b、桩周冻结管开始冻结，形成桩周冻结壁；c、待桩周冻结壁达到设计厚度和强度后起到支护作用，在桩周冻结壁内进行人工挖孔，形成桩孔；d、人工挖孔至达到桩孔设计深度，并在桩孔端部形成扩大头空腔；e、在桩孔和扩大头空腔内放置钢筋笼；f、向置有钢筋笼的桩孔与扩大头空腔内浇筑混凝土，混凝土浇筑方向为从扩大头空腔向桩孔顶部；g、待混凝土具有一定强度后拔出桩周冻结管；h、桩周冻结管停止冻结，使桩周冻结壁融化，即形成基于冻结技术的人工挖孔扩底桩；（4）、外围冻结管停止冻结，拔出外围冻结管。

所述外围止水冻结壁的厚度不小于10cm；人工挖孔扩底桩的设计直径为1.0m～2.0m，桩周冻结壁的设计厚度不少于人工挖孔扩底桩设计直径的10%，且不小于10cm，桩周冻结壁的设计强度不小于5MPa。

所述扩大头空腔的上部为上小下大的锥形、下部为球面形，扩大头空腔的高度与宽度比值范围为0.15～0.2。

所述步骤（3）的d操作中，在桩孔端部形成扩大头空腔的同时，在桩孔内壁上人工挖出0～5个支盘空腔，支盘空腔的深度和高度均不小于10cm。

所述桩基础平面内的冻结施工顺序为：施工1→施工2→施工3，施工1为桩基础平面的外围冻结管施工，施工2为桩基础平面内的中间一排桩周冻结管和人工挖孔扩底桩施工，施工3为桩基础平面内中间一排人工挖孔扩底桩两边各排桩周冻结管和人工挖孔扩底桩施工；在施工2和施工3中，同一排的人工挖孔扩底桩从中间向左右两边循环进行，直至完成桩基础平面内全部人工挖孔扩底桩。

同一排的外围冻结管或者桩周冻结管的长度不一致。

所述外围冻结孔与最外围的人工挖孔扩底桩中心的距离不小于人工挖孔扩底桩的直径，外围冻结孔的间距根据现场水文地质条件、工期要求等因素确定，且不大于外围冻结管直径的5倍，外围冻结孔全孔偏斜率不大于5‰；外围冻结管和桩周冻结管均采用直径为100mm、厚度不小于4mm的无缝钢管，外围冻结管和桩周冻结管位于桩基础平面以下的长度不小于人工挖孔扩底桩的直径。

所述外围冻结管和桩周冻结管的冻结温度为-22～-25℃，外围冻结管和桩周冻结管内布设有测温计，测温计间隔为15m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明为基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，包括如下步骤：（1）、在桩基础平面外围施工外围冻结孔，在外围冻结孔内安设外围冻结管；（2）、外围冻结管开始冻结，以形成外围止水冻结壁；（3）、在外围止水冻结壁的止水作用下，在桩基础平面内进行人工挖孔扩底桩施工；（4）、外围冻结管停止冻结，拔出外围冻结管；该施工方法利用冻结技术形成冻结壁后再进行人工挖孔，桩周冻结壁可以临时起到砖、混凝土等护壁衬的支护作用，与传统护壁衬相比，桩周冻结壁可以一次成形，免去传统护壁衬的制作、运输、安装等工序，桩孔成孔速度快；桩周冻结壁的形成可大大降低人工挖孔时发生的土层坍塌、流砂、涌泥等安全事故的几率，以提高施工人员的安全性，且可大大扩展施工方法的应用范围；桩周冻结壁可阻断地下水的流通，省去人工降水工序，避免孔内出现渗水、滴水、漏水等现象，降低地下水影响，还可以避免有毒气体散播到桩孔内，实现优化人工挖孔作业环境的目的；在桩周冻结壁支护作用下人工挖孔一次成孔、一次浇筑成桩，桩的整体性强，可提高桩的承载力，且桩周土层不存在泥皮等不良现象，桩与桩周土层的接触良好；在桩周冻结壁的支护作用下扩大头空腔可以进一步扩大和优化，进一步发挥桩端阻力作用，可使桩的整体承载力进一步增强；另外，桩端沉渣可以得到有效控制甚至消除，可有效地发挥桩端阻力，承载力得到进一步提高。

2、外围止水冻结壁的厚度不小于10cm；人工挖孔扩底桩的设计直径为1.0m～2.0m，桩周冻结壁的设计厚度不少于人工挖孔扩底桩设计直径的10%，且不小于10cm，桩周冻结壁的设计强度不小于5MPa，既能保证冻结强度和质量，又能节约能源，使用成本最优。

3、扩大头空腔的上部为上小下大的锥形、下部为球面形，扩大头空腔的高度与宽度比值范围为0.15～0.2，在桩周冻结壁的支护作用下扩大头空腔可以进一步扩大和优化，进一步发挥桩端阻力作用，可使桩的整体承载力进一步增强。

4、在桩孔端部形成扩大头空腔的同时，在桩孔内壁上人工挖出0～5个支盘空腔，支盘空腔的深度和高度均不小于10cm，由于支盘空腔的存在，浇筑混凝土后可在桩身表面形成凸凹不平的表面，桩身混凝土与桩周土层的接触进一步加强，摩阻力增大，可大大提高人工挖孔扩底桩的总承载力。

5、根据冻结壁的厚度和强度要求，同一排的外围冻结管或者桩周冻结管的长度可以不一致，以节约管材、节约能源、降低冻结成本，且能保证桩周冻结壁和外围止水冻结壁的质量；在实际冻结过程中，可以根据冻结壁的质量和水文地质条件间断性地开启冻结管，从而进一步节约能源，降低成本。

6、外围冻结孔与最外围的人工挖孔扩底桩中心的距离不小于人工挖孔扩底桩的直径，外围冻结孔的间距根据现场水文地质条件、工期要求等因素确定，且不大于外围冻结管直径的5倍，外围冻结孔全孔偏斜率不大于5‰；外围冻结管和桩周冻结管均采用直径为100mm、厚度不小于4mm的无缝钢管，外围冻结管和桩周冻结管位于桩基础平面以下的长度不小于人工挖孔扩底桩的直径，既能保证冻结强度和质量，又能节约能源、节约用料，使用成本最优。

7、外围冻结管和桩周冻结管的冻结温度为-22～-25℃，既能保证冻结质量，又能节约能源；外围冻结管和桩周冻结管内布设有测温计，测温计间隔为15m，可实时监测，便于控制，为间断性开启冻结提供技术支持。

8、本发明的适用范围得到了极大的扩展：1）适用范围广，一般土层均可采用，特别适用于地下水位较高、流砂地质等复杂土层中；2）可广泛用于公路桥梁、高层建筑、地下人防洞室、大型深基坑支护等桩基础的设计和施工中；3）在沿江、沿海地下水比较丰富的地区也可以得到广泛应用，人工挖孔至较好持力层，发挥大直径扩底桩桩端阻力大的优势，形成达到或超过承载力设计要求的扩底桩。

9、本发明方法得到的扩底桩是一种大直径扩底桩，由于有较好的持力层，并且桩侧表面的摩阻力可以得到大大提升，可以有效地把桩顶荷载传递给持力层，桩侧、桩端阻力充分发挥，可以承担较高承载力。因此，该人工挖孔扩底桩是一种适用范围广、承载力高的优越桩型。

附图说明

图1为本发明中桩基础平面内的冻结施工顺序图；

图2为本发明总体施工顺序图；

图3为本发明中人工挖孔扩底桩的施工流程图；

图4为本发明中桩周冻结管的平面布置图；

图5为本发明中桩周冻结壁的平面示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4和图5所示的基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，其包括如下步骤：

（1）、在桩基础平面外围沿矩形轮廓施工外围冻结孔，在外围冻结孔内安设外围冻结管11；

（2）、外围冻结管11开始冻结，以形成外围止水冻结壁9，外围止水冻结壁9截面呈矩形；

（3）、在外围止水冻结壁9的止水作用下，在桩基础平面内进行人工挖孔扩底桩10的施工，具体操作为：

a、根据人工挖孔扩底桩10的设计直径和人工挖孔扩底桩10外圈的桩周冻结壁3的厚度确定桩周冻结管1的布置直径，在桩周冻结壁3的厚度范围内间隔设置桩周冻结管1，保证桩周冻结管1钻进至设计深度，桩周冻结管1位于桩周土层2中；

b、桩周冻结管1开始冻结，形成桩周冻结壁3；

c、待桩周冻结壁3达到设计厚度和强度后起到支护作用，在桩周冻结壁3内进行人工挖孔，形成桩孔；

d、人工挖孔至达到桩孔设计深度后，在桩孔下端部形成扩大头空腔5，同时，在桩孔内壁上人工挖出0～5个支盘空腔4，扩大头空腔5下面为持力层6；

e、在桩孔和扩大头空腔5内放置预制好的钢筋笼7；

f、向置有钢筋笼7的桩孔与扩大头空腔5内浇筑混凝土8，混凝土8的浇筑方向为从扩大头空腔5向桩孔顶部；

g、待混凝土8具有一定强度后拔出桩周冻结管1；

h、桩周冻结管1停止冻结，使桩周冻结壁3融化，即形成基于冻结技术的人工挖孔扩底桩10；

（4）、外围冻结管11停止冻结，拔出外围冻结管11。

在本发明中，桩基础平面内的冻结施工顺序按照施工1→施工2→施工3依次进行，施工1为桩基础平面的外围冻结管11施工，施工2为桩基础平面内的中间一排桩周冻结管1和人工挖孔扩底桩10施工，施工3为桩基础平面内中间一排人工挖孔扩底桩10两边各排桩周冻结管1和人工挖孔扩底桩10施工；并且，在施工2和施工3中，同一排的人工挖孔扩底桩10从中间向左右两边循环进行，直至完成桩基础平面内全部人工挖孔扩底桩10的施工。

根据冻结壁的厚度和强度要求，同一排的外围冻结管11或者桩周冻结管1的长度可以不一致，以节约能源、降低冻结成本，且能保证桩周冻结壁3和外围止水冻结壁9的质量。在实际冻结过程中，可以根据冻结壁的质量和水文地质条件间断性地开启冻结管。

在本发明中，扩大头空腔5的上部为上小下大的锥形、下部为球面形，扩大头空腔5的高度与宽度比值范围为0.15～0.2。

在本实施方式中，外围止水冻结壁9的厚度不小于10cm；人工挖孔扩底桩10的设计直径为1.0m～2.0m，桩周冻结壁3的设计厚度不少于人工挖孔扩底桩10设计直径的10%，且不小于10cm，桩周冻结壁3的设计强度不小于5MPa；外围冻结管11和桩周冻结管1均采用直径为100mm、厚度不小于4mm的无缝钢管，外围冻结管11和桩周冻结管1位于桩基础平面以下的长度不小于人工挖孔扩底桩10的直径；支盘空腔4的深度和高度均不小于10cm；外围冻结孔与最外围的人工挖孔扩底桩10中心的距离不小于人工挖孔扩底桩10的直径，外围冻结孔的间距根据现场水文地质条件、工期要求等因素确定，且不大于外围冻结管11直径的5倍，外围冻结孔全孔偏斜率不大于5‰。

冻结技术是利用人工制冷技术使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程之间的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。冻结壁是冻结过程中的临时支护结构，永久支护形成后，停止冻结，冻结壁即融化。岩土工程冻结技术通常是利用物质由液态变为气态过程的吸热现象来完成的，其制冷系统多以氨作为制冷工具，整个制冷系统由氨循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统构成。在本发明中，外围冻结管11和桩周冻结管1的冻结温度为-22～-25℃，外围冻结管11和桩周冻结管1内布设有测温计，测温计间隔为15m，进行实时监测。

Claims (5)

1.一种基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）、在桩基础平面外围施工外围冻结孔，在外围冻结孔内安设外围冻结管；（2）、外围冻结管开始冻结，以形成外围止水冻结壁，外围止水冻结壁的厚度不小于10cm；（3）、在外围止水冻结壁的止水作用下，在桩基础平面内进行人工挖孔扩底桩施工，具体操作为：a、人工挖孔扩底桩的设计直径为1.0m～2.0m，桩周冻结壁的设计厚度不少于人工挖孔扩底桩设计直径的10%，且不小于10cm，桩周冻结壁的设计强度不小于5MPa，根据人工挖孔扩底桩的设计直径和人工挖孔扩底桩外圈的桩周冻结壁厚度确定桩周冻结管的布置直径，在桩周冻结壁厚度范围内间隔设置桩周冻结管，桩周冻结管钻至设计深度；b、桩周冻结管开始冻结，形成桩周冻结壁；c、待桩周冻结壁达到设计厚度和强度起到支护作用后，在桩周冻结壁内进行人工挖孔，形成桩孔；d、人工挖孔至达到桩孔设计深度，并在桩孔端部形成扩大头空腔，扩大头空腔的上部为上小下大的锥形、下部为球面形，扩大头空腔的高度与宽度比值范围为0.15～0.2，在桩孔端部形成扩大头空腔的同时在桩孔内壁上人工挖出0～5个支盘空腔，支盘空腔的深度和高度均不小于10cm；e、在桩孔和扩大头空腔内放置钢筋笼；f、向置有钢筋笼的桩孔与扩大头空腔内浇筑混凝土，混凝土浇筑方向为从扩大头空腔向桩孔顶部；g、待混凝土具有一定强度后桩周冻结管停止冻结，使桩周冻结壁融化，拔出桩周冻结管，即形成基于冻结技术的人工挖孔扩底桩；（4）、外围冻结管停止冻结，拔出外围冻结管。

2.如权利要求1所述的基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，其特征在于，所述桩基础平面内的冻结施工顺序为：施工1→施工2→施工3，施工1为桩基础平面的外围冻结管施工，施工2为桩基础平面内的中间一排桩周冻结管和人工挖孔扩底桩施工，施工3为桩基础平面内中间一排人工挖孔扩底桩两边各排桩周冻结管和人工挖孔扩底桩施工；在施工2和施工3中，同一排的人工挖孔扩底桩从中间向左右两边循环进行，直至完成桩基础平面内全部人工挖孔扩底桩。

3.如权利要求2所述的基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，其特征在于，同一排的外围冻结管或者桩周冻结管的长度不一致。

4.如权利要求3所述的基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，其特征在于，所述外围冻结孔与最外围的人工挖孔扩底桩中心的距离不小于人工挖孔扩底桩的直径，外围冻结孔的间距根据现场水文地质条件、工期要求因素确定，且不大于外围冻结管直径的5倍，外围冻结孔全孔偏斜率不大于5‰；外围冻结管和桩周冻结管均采用直径为100mm、厚度不小于4mm的无缝钢管，外围冻结管和桩周冻结管位于桩基础平面以下的长度不小于人工挖孔扩底桩的直径。

5.如权利要求4所述的基于冻结法的人工挖孔扩底桩施工方法，其特征在于，所述外围冻结管和桩周冻结管的冻结温度为-22～-25℃，外围冻结管和桩周冻结管内布设有测温计，测温计间隔为15m。