2.2.3 預制樁的沉樁

利用上部荷載壓入地下的樁叫沉樁，預制樁沉樁的方法有多種，如錘擊法、靜壓法、振動法和水沖法等，其中錘擊法和靜壓法應用較多。

1．錘擊法

錘擊法是利用樁錘的沖擊克服土對樁的阻力，使樁沉到預定深度或達到持力層。這是常用的一種沉樁方法。打樁設備包括樁錘、樁架和動力裝置。

（1）樁錘

樁錘是對樁施加沖擊，將樁打入土中的主要機具。樁錘主要有落錘、柴油錘、蒸汽錘和液壓錘，目前應用最多的是柴油錘。

1）落錘

落錘是利用人力或者卷揚機拉起樁錘，然后使其自由落下，利用錘的重力夯擊樁頂，使樁入土。落錘構造簡單，使用方便，高度能隨意調整。落錘重量一般為0.5～1.5t，重型錘可達數噸，輕型錘一般用卷揚機拉升施打。落錘效率低，施工速度慢，樁身易損失。落錘適用于施打小直徑的鋼筋混凝土預制樁或小型鋼樁，在軟土層中應用較多。

2）柴油錘

柴油錘是由柴油燃燒產生的氣體壓力提升沖擊質量的樁錘。柴油錘利用燃油產生的能量，推動活塞往復運動產生沖擊力進行錘擊打樁。柴油錘結構簡單，使用方便，不需要從外部供應能源。但在過軟的土中由于貫入度過大，燃油不易爆發，往往樁錘反跳不起來，會使工作循環中斷。而且柴油錘施工過程中會造成噪聲污染和空氣污染等，故在城市中施工受到一定限制。柴油錘沖擊部分的重量有2.0t、2.5t、3.5t、4.5t、6.0t、7.2t等數種，每分鐘錘擊數為40～80次，可以用于大型混凝土樁和鋼管樁等。

3）蒸汽錘

蒸汽錘利用蒸汽的動力進行錘擊，需要配備一套鍋爐設備對樁錘外供蒸汽。蒸汽錘根據工作情況又可分為單動式汽錘和雙動式汽錘。

單動式汽錘的沖擊體只在上升時耗用動力，下降靠自重。單動式汽錘的沖擊力較大，每分鐘錘擊數為25～30次，常用錘重為3～10t，可以打各種樁。

雙動式汽錘的沖擊體升降均由蒸汽推動。雙動式汽錘的外殼（即汽缸）是固定在樁頭上的，而錘是在外殼內上下運動。因沖擊頻率高（100～200次／min），所以工作效率高。錘重一般為0.6～6t，它適宜打各種樁，也可在水下打樁并用于拔樁。

4）液壓錘

液壓錘是一種新型打樁設備，它的沖擊缸體通過液壓裝置提升至預定高度后再快速釋放，然后以自由落體的方式打擊樁體。沖擊缸體下部充滿氮氣，當沖擊缸下落時，首先是沖擊頭對樁施加壓力，接著是通過可壓縮的氮氣對樁施加壓力，使沖擊缸體對樁施加壓力的過程延長，因此每一擊能獲得更大的貫入度。液壓錘不排出任何廢氣，無噪聲，沖擊頻率高，并適合水下打樁，是理想的沖擊式打樁設備，但構造復雜，造價高，作業效率比柴油錘低。

用錘擊沉樁時，為防止樁受沖擊應力過大而損壞，力求采用“重錘輕擊”。如采用輕錘重擊，錘擊功能很大一部分被樁身吸收，樁不易打入，且樁頭容易打碎。錘重可根據土質、樁的規格等參考表2-2進行選擇，如能進行錘擊應力計算則更為科學。

（2）樁架

樁架設備亦稱打樁架，它的作用是用來完成打樁錘上下運動的導向與起落、吊樁并將樁身穩固于打樁錘同一軸線位置以及起動打樁錘擊樁，并保證樁錘能沿著所要求方向沖擊等各項功能。樁架的形式多種多樣，常用的樁架（能適應多種樁錘）有兩種基本形式：一種是沿軌道行駛的多能樁架；另一種是裝在履帶底盤上的履帶式樁架。

1）多能樁架（如圖2-2所示）由立柱、斜撐、回轉工作臺、底盤及傳動機構組成。它的機動性和適應性很大，在水平方向可做360°回轉，立柱可前后傾斜，底盤下裝有鐵輪，可在軌道上行走。這種樁架可適應各種預制樁，也可用于灌注樁施工。缺點是機構較龐大，現場組裝和拆遷比較麻煩。

2）履帶式樁架（如圖2-3所示）以履帶式起重機為底盤，增加立柱和斜撐用以打樁。履帶式樁架靈活，移動方便，可適應各種預制樁施工，目前應用最多。

（3）錘擊法施工

1）打樁順序

打樁順序會影響打樁速度、打樁質量以及周圍環境。當樁的中心距小于4倍樁徑時，打樁順序尤為重要。打樁順序影響擠土方向。打樁向哪個方向推進，則向哪個方向擠土。根據樁群的密集程度，可選用下述打樁順序：由一側向單一方向進行［如圖2-4（a）所示］；自中間向兩個方向對稱進行［如圖2-4（b）所示］；自中間向四周進行［如圖2-4（c）所示］。第一種打樁順序，打樁推進方向宜逐排改變，以免土朝一個方向擠壓而導致土壤擠壓不均勻，對于同一排樁，必要時還可采用間隔跳打的方式。對于大面積的樁群，宜采用后兩種打樁順序，以免土壤受到嚴重擠壓，使樁難以打入，或使先打入的樁受擠壓而傾斜。大面積的樁群，宜分成幾個區域，由多臺打樁機采用合理的順序同時進行施打。此外，根據設計標高及樁的規格，宜先深后淺、先大后小、先長后短，這樣可以減小后施工的樁對先施工的樁的影響。

錘擊法打樁施工的工藝流程為：施工前的準備工作→測量定位→底樁就位、對中和調直→錘擊沉樁→接樁→再錘擊→（再接樁）→打至持力層→收錘。

施工前的準備工作：沉樁前必須處理空中和地下障礙物，場地應平整，排水應暢通，并滿足打樁所需要的地面承載力。選擇樁錘時，充分考慮樁的形狀、尺寸、重量、入土長度、結構形式以及土質、氣象等條件，并掌握各種錘的特性。樁錘的夯擊能量必須克服樁的貫入阻力，包括克服樁尖阻力、樁側摩阻力和樁的回彈產生的能量損失等。如果樁錘的能量不能滿足上述要求，會引起樁頭部的局部壓曲，難以將樁送到設計標高。選擇樁架時應充分考慮樁的材料、截面形狀及尺寸大小、樁的長度、數量、樁距及接樁方式，并同時考慮施工工期和打樁速率等因素。樁架的高度是選擇樁架時需要考慮的一個重要問題，樁架的高度應滿足施工要求，它一般等于樁長＋滑輪組高度＋樁錘高度＋樁帽高度＋起錘移位高度（取1～2m）。

測量定位：將施工圖上的樁位通過軸線控制點逐個施放在打樁現場，在樁位中心點地面打入長約30cm的鋼筋，使其露出地面5～8cm，再在其上扎一小片紅布條，這就是俗稱的“樣樁”。由于預應力管樁的樁尖（靴）用十字型或開口型較多，靠一個點位來對中，誤差較大，為此，在使用十字型樁尖（靴）時。宜在當天計劃打樁的幾個樁位上，用白灰在“樣樁”附近的地面上畫一個圓心與“樣樁”重合、直徑與管樁樁徑相等的圓圈，以方便插樁對中。

底樁就位、對中和調直：打入地下的第一節樁俗稱“底樁”。底樁端部一般設有樁尖（靴）。底樁就位前，應在樁身劃出以米為單位的長度標記，并按從下至上的順序標明樁的長度，以便觀察樁的入土深度及記錄每米沉樁錘擊數。底樁就位后，對中和調直這道工序對成樁質量起關鍵作用。如果底樁不對中，成樁后的樁位偏差會超過規范要求。調直一要使樁身垂直（斜樁要求達到設計傾斜角度）；二要使樁身、樁帽和樁錘的中心線重合。如果樁身未調直就開錘，不僅樁的垂直度會超過規范要求，而且會發生偏心錘擊，容易將樁頭（頂）打裂擊碎。因此，一般預制樁的垂直偏差不得大于0.1%，斜樁的傾斜度偏差不得大于傾斜角正切值的15%（傾斜角是指樁的縱向中心線與鉛垂線之間的夾角）。否則，要拔出重插，直至滿足要求。按樁頂標高控制的樁，樁頂標高允許偏差為－50mm,＋100mm。樁的平面位置的允許偏差如表2-3所示。

錘擊沉樁：首先要強調的是打底樁時需倍加小心，因為在一般情況下表層土或表層土下面的一層土比較松軟，樁錘沖擊體自由落下時，整節樁可能會壓沒在軟土中，整個樁錘也會落到地面甚至嵌入表土中，威脅人身安全，影響施工質量。因此，在軟土層上打第一節樁時，需采取一些必要的技術安全措施。其次要強調的是在錘擊沉樁的全過程中，樁錘、樁帽和樁身中心線應重合，切忌打偏。

打樁機就位后，將樁錘和樁帽吊起，然后吊樁并送至導桿內，垂直對準樁位緩緩送下插入土中，垂直度偏差不得超過0.5%，然后固定樁帽和樁錘，使樁、樁帽、樁錘在同一鉛垂線上，確保樁能垂直下沉。在樁錘和樁帽之間應加彈性襯墊，樁帽和樁頂四周應有5～10mm的間隙，以防損傷樁頂。打樁開始時，錘的落距應較小，待樁入土至一定深度且穩定后，再按要求的落距錘擊。用落錘或單動式汽錘打樁時，最大落距不宜大于1m；用柴油錘時，應使錘跳動正常。在打樁過程中，遇有貫入度劇變、樁身突然發生傾斜、移位或有嚴重回彈、樁頂或樁身出現嚴重裂縫或破碎等異常情況時，應暫停打樁，及時研究處理。如樁頂標高低于自然土面，則需用送樁管將樁送入土中，樁與送樁管的縱軸線應在同一直線上，拔出送樁管后，樁孔應及時回填或加蓋。

樁打入時應符合下列規定：

①樁帽或送樁帽與樁周圍的間隙應為5～10mm；

②錘與樁帽、樁帽與樁之間應加設硬木、麻袋、草墊等彈性襯墊；

③樁錘、樁帽或送樁帽應和樁身在同一中心線上。

接樁：當一根樁的長度達不到設計規定的深度時，需要將已打入的前一根樁的頂端與后一根樁的下端連接在一塊繼續向下打，直至打入設計的深度為止。多節樁的接樁可用焊接、法蘭鉚接及機械快速連接（螺紋式、嚙合式）三種方法。目前焊接接樁應用最多。接樁的預埋鐵件表面應清潔，上下節樁之間如有間隙應用鐵片填實焊牢，焊接時焊縫應連續飽滿，并采取措施減少焊接變形。接樁時，上下節樁的中心線偏差不得大于10mm，節點彎曲矢高不得大于1‰樁長。

采用焊接接樁應符合下列規定：

①下節樁的樁頭宜高出地面0.5m。

②下節樁的樁頭宜設導向箍。接樁時上下節樁應保持順直，錯位偏差不宜大于2mm。接樁錯位糾偏時，不得采用大錘橫向敲打。

③樁對接前，上下端板表面應采用鐵刷子清刷干凈，坡口處應刷至露出金屬光澤。

④焊接宜采用二氧化碳氣體保護焊，施焊時宜用兩臺焊機對稱進行；當采用手工電弧焊時，施焊宜由兩個焊工對稱進行。焊接應逐層進行，層數不得少于2層，第一層焊接完后必須把焊渣清理干凈，方可進行第二層施焊。焊縫應連續、飽滿。

⑤焊好后的樁接頭應自然冷卻后方可繼續錘擊，自然冷卻時間不宜少于8min，嚴禁水冷卻或焊好即施打。

⑥在雨天焊接時，應采取可靠的防雨措施。

⑦焊接接頭的質量檢查，對于同一工程探傷抽樣檢驗不得少于3個接頭。

法蘭鉚接接樁的鋼板和螺栓宜采用低碳鋼。

采用機械快速螺紋接樁的樁兩端質量必須滿足連接要求，上下節樁采用專用接頭錐度對中，對準上下節樁用專用鏈條式扳手進行旋緊連接，旋緊后兩端板尚應有1～2mm的間隙。機械快速嚙合接樁的施工方法為：先將上下接頭板清理干凈，并在連接銷上涂抹瀝青涂料，逐根旋入上節樁端頭板的螺栓孔內，然后在下節樁端頭板連接槽內及端頭板面周邊注入瀝青涂料，再將上節樁吊起，使連接銷與下節樁的端頭板上連接口對準后插入連接槽內，最后加壓使上下節樁的樁頭板接觸，完成接樁。

樁終止錘擊的控制應符合下列規定：

①當樁端位于一般土層時，應以控制樁端設計標高為主，貫入度為輔；

②樁端到達堅硬、硬塑的黏性土，中密以上粉土、砂土、碎石類土及風化巖時，應以貫入度控制為主，樁端標高為輔；

③貫入度已達到設計要求而樁端標高未達到時，應繼續錘擊3陣，并按每陣10擊的貫入度不應大于設計規定的數值確認，必要時，施工控制貫入度應通過試驗確定。

當遇到貫入度劇變，樁身突然發生傾斜、移位或有嚴重回彈，樁頂或樁身出現嚴重裂縫、破碎等情況，應暫停打樁，分析原因，并采取相應措施。

當樁頂標高低于自然土面，需用送樁管將樁送入土中時，樁與送樁管的縱軸線應在同一直線上，拔出送樁管后，樁孔應及時回填或加蓋。

2）打樁的質量控制

打樁過程中，應做好沉樁記錄，以便工程驗收。打樁的質量控制包括打樁前、打樁過程中的控制以及施工后的質量檢查。

施工前，除了要對原材料進場前進行檢查外，還應對成品樁進行外觀及強度檢測、成品樁的裂縫檢查等。錘擊預制樁應在強度與齡期均達到要求后進行。接樁用焊條或半成品硫黃膠泥應有產品合格證書，或送有關部門檢驗。打樁開始前應對樁位的放樣進行驗收，樁位放樣允許偏差對群樁為20mm，對單排樁為10mm。

施工過程中，應檢查樁的樁體垂直度、沉樁情況、貫入情況、樁頂完整情況、電焊接樁質量、電焊后的停歇時間等。對電焊接樁，重要工程應對電焊接頭做10%的焊縫探傷檢查。

打樁的質量檢查包括樁的偏差、最后貫入度與沉樁標高，樁頂、樁身是否打壞以及對周圍環境有無造成嚴重危害。

打樁時，如樁頂破碎或樁身有嚴重裂縫，應立即暫停，在采取相應的技術措施后，方可繼續施打。除了注意樁頂與樁身由于樁錘沖擊破壞外，還應注意樁身受錘擊拉應力而導致的水平裂縫。在軟土中打樁，在樁頂以下1／3樁長范圍內常會因反射的張力波使樁身受拉而引起水平裂縫。開裂的地方往往出現在吊點和混凝土缺陷處，這些地方容易形成應力集中。采用重錘低速擊樁和較軟的樁墊可減少錘擊拉應力。此外，還應監測打樁施工對周圍環境有無造成影響。

打樁施工結束后，應進行樁基工程的樁位驗收。打入樁的樁位偏差必須符合表2-3的規定。同時，應對樁進行承載力檢驗，一般采用靜載荷試驗的方法進行檢驗，檢驗樁數不應少于總數的1%，且不應少于3根，當總樁數少于50根時，檢驗樁數不應少于2根。此外，還應對樁身質量進行檢驗。

2．靜壓法

靜壓法沉樁是指混凝土預制樁成樁后，利用液壓樁機的樁架自重及配重，施加豎向壓力將預制樁分段壓入，逐段接長的樁基施工方法。這種方法具有無噪聲、無振動、無沖擊力等優點，適應當今對綠色巖土工程的要求；同時壓樁樁型一般選用預應力管樁，該樁作基礎具有工藝簡明、質量可靠、造價低、檢測方便的特性。靜壓法沉樁通常應用于高壓縮性黏土層或砂性較輕的軟黏土地基（含水量ω＞塑性界限ωp，土的重度γ0＜1.75，土的內摩擦角γ＜20°，壓縮系數a1－2＞0.03，塑性指數Ip＞10，標貫擊數N＜10）。當樁需貫穿有一厚度的砂性土中間夾層時，必須根據砂性土層的厚度、密實度，上下土層的力學指標，樁的結構、強度、形式和設備能力等綜合考慮其適用性。

在沉樁過程中，樁尖直接使土體產生沖切破壞，伴隨或先發生沿樁身土體的直接剪切破壞。孔隙水受此沖剪擠壓作用形成不均勻水頭，產生超孔隙水壓力，擾動了土體結構，使樁周約一倍樁徑的一部分土體抗剪強度降低，發生嚴重軟化（黏性土）或稠化（粉土、砂土），出現土重塑現象，從而可容易地連續將靜壓樁送入很深的地基土層中。壓樁過程中如發生停頓，一部分孔隙水壓力會消失，樁周圍的土會發生徑向固結現象，使土體密實度增加，樁周的側壁摩阻力也增長，尤其是擾動重塑的樁端土體強度得到恢復，致使樁端阻力增長較大，停頓時間越長，擾動土體強度恢復增長越多。因此，靜壓沉樁不宜中途停頓，必須接樁停留時，宜考慮淺層接樁，還應盡量避免樁尖在硬土層中停留接樁。靜壓樁是擠土樁，壓入過程中會導致樁周圍土的密度增加，其擠土效應取決于樁截面的幾何形狀、樁間距以及土層的性能。

靜壓法沉樁按加力方式可分為壓樁機（壓樁架、壓樁車、壓樁船）施工法、吊載壓入施工法、錨樁反壓施工法、結構自重壓力施工法等。錨樁反壓施工法使用較早，一般用于少量補樁。吊載壓入施工法因受吊載能力限制，用于小型短樁工程。結構自重壓入施工法用于受場地和高度限制無法采用大型壓樁機設備，以及對原有構筑物進行基礎改造補強的特殊工程。壓樁機施工法應用較為廣泛，為提高壓樁機靜壓力，常可在壓樁機上增設附加配重。在小型樁基工程中尚可采用壓樁機施工法。靜力壓樁機分為機械式和液壓式兩種，前者只能用于壓樁，后者不僅可以壓樁，還可以拔樁。靜壓法沉樁一般都采取分段壓入、逐漸接長的方法，直至沉樁至設計要求標高。

（1）機械式壓樁

機械式壓樁采用的是機械式壓樁機，它是由卷揚機通過鋼絲繩滑輪組將樁壓入土中。機械式壓樁機由底盤、機架、動力裝置等幾部分組成。這種樁機是在樁頂部位施加壓力，由于沉樁阻力較大，卷揚機需通過多個滑輪組方可產生足夠的壓力將樁壓入土中，所以跑頭鋼絲繩的行走長度很大，作業效率較低。

（2）液壓式壓樁

液壓式壓樁是通過液壓式壓樁機，利用其本身的重量（包括配重）作為反作用力，克服壓樁過程中的樁周土側壁的摩阻力和樁端土的阻力，將樁徐徐壓入土中。隨著20世紀90年代初期高層建筑的快速發展，單樁豎向承載力越來越高，液壓靜壓樁機的噸位也隨著增大，目前最大噸位已達到650～700t，最大單樁承載力由初期的120t提高到現在的250t左右，故近幾年來廣泛地應用于工業廠房、綜合辦公大樓、高層建筑的樁基施工中，并取得了良好的技術經濟效果。

液壓式壓樁機主要由樁架、液壓夾樁器、動力設備及吊樁起重機等組成。它可以利用起重機起吊樁體，并通過液壓夾樁器把樁的“腰”部夾緊并下壓，當壓樁力大于沉樁阻力時，樁便被壓入土中。

這種樁機采用液壓傳動，動力大、工作平穩，還可以在壓樁過程中直接從液壓表中讀出沉樁壓力，因此可以了解沉樁全過程的壓力狀況，得知樁的承載力。壓樁施工過程中應根據土質配足額定的重量，壓樁機及配重之和應大于最大壓機力的1.1倍，防止阻力過大而樁機自重不足以平衡。壓樁一般分節壓入，逐段接長。當第一節樁壓入土中，其上端距地面1m左右時將第二節樁接上，繼續壓入。此時，應盡量縮短停歇時間。

當壓樁出現下列情況之一時，應暫停壓樁作業，并分析原因，采取相應措施：

1）壓力表讀數與勘察報告中的土層性質明顯不符；

2）樁難以穿越硬夾層；

3）壓樁機出現異常響聲或工作狀態異常；

4）出現樁身縱向裂縫或樁頭混凝土剝落等現象；

5）夾持機構打滑或壓樁機樁基下陷。

3．振動法

振動法沉樁施工是利用振動錘沉樁，將樁與振動錘連接在一起，利用高頻振動激振樁身。振動錘又稱激振器，安裝在樁頭，用夾樁器將樁與振動箱固定。在樁上剛性連接振動錘，形成振動體系，由錘內幾對軸上的偏心塊相對旋轉產生振動力，使振動體系上下振動強迫與樁接觸的土層相應振動，使土層強度下降，阻力減少，從而使樁在振動體系壓重作用下沉入土中。

振動沉樁操作簡便，沉樁效率高，不需要輔助設備，管理方便，施工適應性強，沉樁時的橫向位移小和樁的變形小，不易損壞樁材，通常可應用于粉質黏土、松散砂土、黃土和軟土中的鋼筋混凝土樁、鋼樁、鋼管樁在陸上、水上、平臺上的直樁施工及拔樁施工；在砂土中效率高，一般不適合密實的礫石和密實的黏性土地基打樁，不適于打斜樁。

振動沉樁在施工過程中應注意以下幾點：

（1）施工前應對機械設備進行認真檢查，確保機器狀況良好，連接牢固，沉樁機和法蘭盤連接螺栓必須擰緊，不能有間隙或松動。

（2）振動時間由試驗決定，一般不宜超過15min，在有射水配合時，振動時間可適當縮短。一般當振動下沉速度由小變大，振動頻率由大變小，如下沉速度小于5cm／min，或樁頭冒水、振動很大而樁不下沉時，應立即停止振動。

（3）每根樁的振動下沉應一氣呵成，不可中途停頓或有較長時間的間歇。

（4）振動沉樁主要適用于砂性土和黏性土，根據樁型和截面不同，振動樁下沉的振幅如表2-4所示。

4．水沖法

水沖法沉樁大多與錘擊或振動相輔使用，可根據土質情況具體選擇：先用射水管沖樁孔，然后將樁身隨之插入（錘可置于樁頂，以增加下沉的重量）；一邊射水，一邊錘擊（或振動）；射水、錘擊交替進行或以錘擊或振動為主、射水為輔等方式。

一般多采取射水與錘擊聯合使用的方式，以加速下沉。亦可采取用射水管沖孔至離樁設計深度約1m，再將樁吊入孔內，用錘擊打至設計深度。沉樁時，先將射水管裝好使噴射管嘴離地面約0.5m，當樁插正立穩后，壓上樁帽、樁錘，開啟水泵閥門送水，射水管便沖開樁尖下的土體，慢慢沉入土中，射水管一面下沉，一面不斷地上下抽動，以使土體松動，水流暢通，此時樁即依靠其自重及配合樁錘沖擊沉入土中。最初可使用較小水壓，以后逐步加大水壓，不使下沉過猛。下沉漸趨緩慢時，可開錘輕擊；下沉轉快時，停止錘擊。下沉時應使射水管末端經常處于樁尖以下約0.3～0.4m處。射水進行中，放水閥不可驟然大開，以免水壓、水量突然降低，泥砂涌入堵塞射水嘴；再射水時，射水管和樁必須垂直，并要求射水均勻，水沖壓力一般為0.5MPa～1.6MPa。當樁下沉至距設計標高0.5～2m時應停止射水，拔出射水管，用錘擊或振動打至設計標高，以免將樁尖處土體沖壞，降低樁的承載力。樁的間距應大于0.9m，以免沖松鄰近已打好的樁。