钢桩
来源： 科普中国 发布时间：2023-05-23
特点
在我国沿海及内陆冲积平原地区，土质常为很厚（深达50~60m）的软土层，当上部结构荷载较大时，这类地基常不能直接作为持力层，而低压缩性持力层又很深，采用一般桩基，沉桩时须采用冲击力很大的桩锤，用常规钢筋混凝土和预应力混凝土桩，将很难以适应，为此多选用钢桩加固地基。因此，钢桩在国内外都得到了较广泛地应用。
钢桩的特点是：（1）重量轻、刚性好，装卸、运输、堆放方便，不易损坏；（2）承载力高。由于钢材强度高，能够有效地打入坚硬土层，桩身不易损坏，并能获得极大的单桩承载力；（3）桩长易于调节。可根据需要采用接长或切割的办法调节桩长；（4）排土量小，对邻近建筑物影响小。桩下端为开口，随着桩打入，泥土挤入桩管内与实桩相比挤土量大为减少，对周围地基的扰动也较小，可避免土体隆起；对先打桩的垂直变位、桩顶水平变位，也可大大减少；（5）接头连接简单。采用电焊焊接，操作简便，强度高，使用安全；（6）工程质量可靠，施工速度快。但钢桩也存在钢材用量大，工程造价较高；打桩机具设备较复杂，振动和噪声较大；桩材保护不善、易腐蚀等问题，在选用时应有充分的技术经济分析比较。1
钢桩构造、型式及规格
钢桩的管材，一般用普通碳素钢，抗拉强度为402mpa，屈服强度为235.2mpa，或按设计要求选用。按加工工艺区分，有螺旋缝钢管和直缝钢管两种，由于螺旋缝钢管刚度大，工程上使用较多。为便于运输和受桩架高度所限，钢桩常分别由一根上节桩，一根下节桩和若干根中节桩组合而成，每节的长度一般为13m或15m，各节桩的构造、型式如右图。
钢桩的下口有开口和闭口之分。钢桩的直径自φ406.4~φ2032.0mm，壁厚自6~25mm不等，常用钢桩的规格、性能见表7-92，应根据工程地质、荷载、基础平面、上部荷载以及施工条件综合考虑后加以选择。国内常用的有φ406.4mm、φ609.6mm和φ914.4mm等几种，壁厚用10、11、12.7、13mm等几种。一般上、中、下节桩常采用同一壁厚。有时，为了使桩顶能承受巨大的锤击应力，防止径向失稳，可把上节桩的壁厚适当增大，或在桩管外圈加焊一条宽200~300mm、厚6~12mm的扁钢加强箍。为减少桩管下沉的摩阻力，防止贯入硬土层时端部因变形而破损，在钢桩的下端亦设置加强箍，对φ406.4~φ914.4mm钢管，高度为200~300mm，厚度6~12mm。
|| || 常用钢桩规格
作为钢桩的附件，主要有用于承受上部荷载而焊在桩顶上的桩盖，和焊于钢桩顶部用的扁钢带及用于保护桩底的保护圈，以及用于桩节焊接的铜夹箍。
为减轻软土地基负摩擦力对桩的承载力的不利影响，一般在钢桩的上部一定深度，将特殊沥青、聚乙烯等复合材料涂敷于钢桩外表面以形成滑动层，层厚6~10mm可降低负摩擦力4/5-9/10。1
打桩机械的选择
打桩机的选择要根据工程地貌、地质、配套锤的型号、外型尺寸、重量、桩的材质、规格及埋入深度、工程量大小、工期长短等而定。打桩机的型式很多，有桅杆式（履带行走），柱脚式、塔式、龙门式等多种，其中以三点支撑桅杆式（履带行走）柴油打桩机（右图），使用较普遍。具有桩架移动机动灵活，可作全向转动，导杆垂直度可全方位调节，锤、导杆可自由上下移动，可作各种角度微调，打桩精度较高，整机稳定性好，操作方便、安全，工效较高等优点。但对场地要求较高，要铺填厚10~30cm碎石并碾压密实。主要型号有日kh100、kh180型、ipd80、ipd90型和d308、d408型等。柴油桩锤主要有日mh72b、k25、k35、k45、k60及idh35、idh45型等，下表可供参考。1
|| || 锤型选用
原材料要求1、钢桩的材料（含其它半成品）进场后，应按规格、品种、牌号堆放，抽样检验，检验结果与合格证相符者方可使用，未经进货检验或未经检验合格的物资不得投入使用。
2、钢管质量验收：按设计图纸规格尺寸及有关规范，允许误差，实测实量及外观全数检查验货，特别是钢管的垂直度和内外径是否达到要求，作为重点检查，经检查验收合格后，方能进货安装。
3、螺旋焊管钢桩钢管：壁厚为6~19mm长度不限，卷板焊管钢桩钢管：壁厚为6~47mm长度不超过6m。型号为stk、skk号钢卷制。
4、h型钢，为标准型钢，材质为普通碳素钢、16mn钢或海港工程用防氯盐钢材。
5、 钢桩顶部抗锤击和底部为减少摩擦抗变形的加强箍，用宽200~300mm、厚6~12mm和钢桩材质相同的钢板制作，用电焊满焊，焊接时箍板的纵缝要和卷焊桩管的纵缝错开90度。
6、钢桩应按规格分别堆放（即上节桩、中节桩、下节桩）一般堆叠层数为三层（高度控制在2m以内）。支点用枕木两侧用木楔塞牢，防止变形。1
作业条件1、打桩现场三通一平，处理打桩地基上面障碍物，清理、整平时要设雨水排出沟渠，附近有建筑物的要挖隔震沟，预先充分了解打桩场地，清理妨碍打桩的高空和地下障碍物。
2、打桩场地整平用压路机碾压平整,并在地表铺10~20cm厚石子使地基承载力达到0.2 mpa ~0.3mpa。
3、控制点的设置应尽可能远离施工现场，以减少施工土体扰动对基准点的影响。
4、施工现场的轴线、水准控制点、桩基布点必须经常检查，妥善保护，设控制点和水准点的数量不应少于2个。
5、测量放线使用的全站仪、经纬仪、水准仪、钢盘尺、线锤应计量检查合格，多次使用应为同一计量器具。
6、桩位布点与验收：按基础纵横交点和设计图的尺寸确定桩位，用小方木桩打入并在上面用小圆钉做中心套样桩箍，然后在样箍的外侧撒石灰，以示桩位标记。测量误差10mm。
7、按总图设置的水、电、汽管线不应与打桩相互影响，特别是供水、汽管线和地下电缆要防止打桩土体隆起的破坏作用。2
作业人员1、施工作业人员必须在上岗前进行岗位培训考核合格，持证上岗。按设计施工不得任意改变设计,应遵守其中有关安全的规定。
2、施工作业人员施工前，必须充分了解地质资料、施工图纸和设计说明以及有关资料。必须熟知打桩规范、质量评定标准、施工程序、验收标准以及劳动组织分工等。
3、施工作业人员应按国家规定的时间内容进行体格检查，必须持有健康检查合格证、高血压、心脏病、癫痫病患者不得参加打桩作业。1
施工工艺1．施工准备
包括：平整和清理场地；测量定位放线；标出桩心位置，并用石灰撒圈标出桩径大小和位置；标出打桩顺序和桩机开行路线，并在桩机开行部位上铺垫碎石。
2．打桩顺序
钢桩施工，有先挖土后打桩和先打桩后挖土两种方法。在软土地区，一般表层土承载力尚可，深部地基承载力则往往很差，且地下水位较高，较难以排干。为避免基坑长时间大面积暴露被扰动，同时也为了便于施工作业，一般采取先打桩后挖土的施工法。它的施工顺序是：现场三通一平→打桩→切桩→安混凝土圆盖→堵住桩头→填砂将坑口填平→设井点降低地下水位→进行基坑机械化挖土施工→清理基坑→修整边坡→焊桩盖→浇筑垫层混凝土→绑钢筋→支模板→浇筑混凝土基础承台。
钢桩的施工顺序是：桩机安装→桩机移动就位→吊桩→插桩→锤击下沉→接桩→锤击至设计深度→内切钢桩→精割→戴帽。为防止打桩过程中对邻桩和相邻建（构）筑物造成较大位移和变位，并使施工方便，一般采取先打中间后打外围（或先打中间后打两侧）；先打长桩后打短桩；先打大直径桩，后打小直径桩的程序进行。如有两种类型桩，则先打钢桩，后打混凝土桩，这样有利于减少挤土，满足设计对打桩入土深度的要求。另外，在打桩机回转半径范围内的桩宜一次流水施打完毕，为此应组织好桩的供应，并搞好场地处理、放样桩和复核等配合协调施工。1
3．桩的运输与吊放
钢桩可由平板拖车运至现场，用吊车卸于桩机一侧，按打桩先后顺序及桩的配套要求堆放，并注意方向。场地宽时宜用单层排列。吊钢桩多采用一点绑扎起吊，待吊到桩位进行插桩，将钢桩对准事先用石灰划出的样桩位置，做到桩位正、桩身直。
4．打桩方法
为防止桩头在锤击时损坏，打桩前，要在桩头顶部放置特制的桩帽（右图）。其上直接经受锤击应力的部位，放置硬木制减振木垫。
打桩时，先用两台经纬仪，架设在桩架的正面及侧面，校正桩架导向杆及桩的垂直度，并保持锤、桩帽与桩在同一纵轴线上，然后空打1~2m，再次校正垂直度后正式打桩。当沉至某一深度并经复核沉桩质量良好时，再行连续打击，至桩顶高出地面60~80cm时，停止锤击，进行接桩，再用同样步骤直至达到设计深度为止。若开始阶段发现桩位不正或倾斜，应调正或将钢桩拔出重新插打。
5．接桩
钢桩每节长15m，沉桩时需边打入边焊接接长，一般可采用日ym-505n型半自动无气体保护焊机焊接。这种焊机具有效率高，质量好，焊接变形小，适应全位置焊接，操作方便等优点。焊丝采用日san-53自动保护焊丝，直径φ3.2和φ2.4mm，由焊机的送丝机构自动送丝，靠人工手把（焊枪）焊接。
焊接前，应将下节桩管顶部变形损坏部分修整，上节桩管端部泥砂、水或油污清除；铁锈用角向磨光机磨光，并打焊接剖口。将内衬箍放置在下节桩内侧的挡块上（右图），紧贴桩管内壁并分段点焊，然后吊接上节桩，其坡口搁在焊道上，使上下节桩对口的间隙为2~4mm，再用经纬仪校正垂直度，在下节桩顶端外周安装好铜夹箍，再行电焊。施焊应对称进行，管壁厚小于9mm的焊两层，大于9mm的焊3层。焊接时注意：焊完每层焊缝后，及时清除焊渣；每层焊缝的接头应错开；充分熔化内衬箍，保证根部焊透；遇大风，要装挡风板；气温低于0℃，焊件上下各100mm要预热；焊接完毕后应冷却1~5min，再行锤击打桩。
6．送桩
当桩顶标高离地面有一定差距，而不采用接桩时，可用送桩筒将桩打到设计标高。送桩筒应满足以下要求：打入阻力不太大；打击能量能有效传给所打的桩；上拔容易，能连续持久使用。
7．贯入度控制
钢桩一般都不设桩靴，直接开口打入。沉桩时，土体由桩口涌入桩管内，至一定高度（一般为1/3~1/2的桩体贯入深度）后，即闭塞封死，其效用与闭口桩相似。
贯入深度一般按以下标准控制：
（1）持力层较薄时，打到持力层厚度的1/3~1/2；当持力层厚时，以最后十次锤击每击的贯人量s≤2mm为限；当持力层坚固时，打入1~2倍桩径的深度；当持力层不大坚固时，打入桩径5~10倍的深度。宝钢设计要求打入标准贯入阻力n值50以上的坚实砂层，进入深度（从持力层上表面算起）为桩径的3~5倍，以满足其土塞效应。
（2）锤击桩顶时对桩产生的锤击应力应不超过钢桩材料的允许应力（一般按80%考虑），一般限制最后10m的锤击数在1500击以下（总锤击数不超过3000击）。
（3）以桩锤的容许负荷限制，避免桩锤的活塞受到过量冲击而损坏，一般限制每次冲击的最小贯入量不大于0.5~1.0mm作为控制。
以上停打标准系以贯入深度为主，并结合打桩时的贯入量最后1m锤击数和每根桩的总锤击数等综合判定。
宝钢停打标准：在满足下列条件之一时即可停打，贯入度s≤4mm/击；最后1m锤击数≥250击；每根桩的总锤击数n≥2500击。变通条件：如果必保深度达不到，则必须控制s≤3mm。
打桩时要作好原始记录，记录桩号、打桩日期、桩锤型号、桩规格、打入深度、焊接质量情况、锤击次数、落锤高度、最后贯人度、回弹量、平面位移，以及打桩过程中出现的问题及处理措施等等。
8．钢桩切割
钢桩打入地下，为便于基坑机械化挖土，基底以上的钢桩要切割。由于周围被地下水和土层包围，只能在钢桩的管内地下切割。切割设备有等离子体切桩机、手把式氧乙炔切桩机、半自动氧乙炔切桩机、悬吊式全回转氧乙炔自动切割机等，以前两种使用较普遍，工作时可吊挂送入钢桩内的任意深度，靠风动顶针装置固定在钢桩内壁，割嘴按预先调整好的间隙进行回转切割。
割出短桩头，用右图所示内胀式拔桩装置，借吊车拔出，能拔出地面以下15m深的钢桩，拔出的短桩焊接接长后再用。1
9．焊桩盖
为使钢桩与承台共同工作，可在每个钢桩上加焊一个桩盖，并在外壁加焊8~12根φ20mm的锚固钢筋。桩盖形式有平桩盖和凹面形两种。当挖土至设计标高，使钢桩外露，取下临时桩盖，按设计标高用气焊进行钢桩顶的精割，方法是先用水准仪在每根钢桩上按设计标高定上三点，然后按此水平标高固定一环作为割框的支撑点，然后用气焊切割，切割清理平整后打坡口，放上配套桩盖焊牢。
10．桩端与承台连接
钢桩顶端与承台的连接一般采用图7-100所示刚性接头，将桩头嵌入承台内的长度不小于1d（d——钢桩外径）长度，或仅嵌入承台内100mm左右，再利用钢筋予以补强或在钢桩顶端焊以基础锚固钢筋，再按常规方法施工上部钢筋混凝土基础。
施工注意事项1、桩内灌混凝土，宜用抓斗进行钢桩内抓土作业，用高压水枪冲洗钢桩内壁，用泥浆泵抽干钢桩内泥浆，放入钢筋笼，浇灌混凝土。
2、钢桩防腐蚀，对钢桩有阴极保护或牺牲阳极保护要求的，按设计及有关规程施工。
3、在沿海饱和软土地基打大面积超长型密集群桩，必须通过试桩合理安排施工流程，增设排水板（每根周围近打入4~6根，长度视饱和软土情况定），控制打桩速度、桩机打桩流水作业行走路线并制定土方开挖措施。
4、打桩施工区域附近有建筑物的，应挖隔振沟，隔振沟深度要能使震动的水平、垂直加速度小于有感地震等级（小于三级）。1
应注意的质量问题1、桩体开裂
制作桩的螺旋焊管或直缝钢管焊接质量不好、遇障碍物、桩锤与桩不垂直、两节桩不同心、焊接强度不够、桩身有裂纹。查验材质合格证、抽检桩管材质和焊接质量、清理地下障碍物、校正桩架、接桩时保持上下桩节同心、检验焊接强度；
2、打桩达不到设计要求深度
地质资料不明确至使设计选择桩长有误 ，进行地质详探或部勘、正确选择持力层或标高；
3、桩身倾斜及时纠正桩的垂直度、清理地下障碍物、调整压桩顺序；
4、接桩处松脱开裂。焊接质量不合格、焊条选用不合理、焊条保管不当、两节桩不在同一轴线上，桩端面不圆至使桩管壁对口超差，作好焊接工艺评定、按设计选择合理的焊接材料、焊条保管烘干按规范要求、焊缝应连续饱满、两节桩在同轴线上。1
成品保护1、钢桩打完后应测量复核，在每根桩顶至少投三个标高点。加盖混凝土临时桩帽，桩坑回填砂，清理现场施工用料。
2、对打桩后的休止期实施定期观测，特别是超静孔隙水压力对深层土体的位移的影响，应制定有效的预控措施，钢桩出现3cm位移时，应会同设计采取有效治理措施。
3、对打桩后的休止期，应在打桩区域内设置明显的标识。
4、基坑开挖应制定合理的开挖顺序和采取一定的技术措施防止桩倾斜或位移。1
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