CN100497842C - 一种底部撞击式钢管混凝土桩及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种底部撞击式钢管混凝土桩及其施工方法，钢管混凝土桩包括：打入持力层的永久钢管、安装在该永久钢管底端的桩靴和在沉管完成后置入钢管内的结构性填充材料。施工方法为：先将底端带有桩靴的永久钢管对准桩位，锤击置于桩靴上面且略高于永久钢管的送桩顶部，直至桩底接近设计深度为止，后改用自由落锤直接锤击桩靴，直至锤击贯入度达到设计要求为止；向钢管内浇铸结构性填充材料，直至填充材料的临时或永久顶面达到对应设计标高为止；待填充材料达到一定强度后，切掉桩顶设计标高之上的钢管及超浇的填充材料，安装桩头与桩承台的连接钢筋，形成钢管混凝土桩。本发明的成桩承载力高、结构性能强、桩体重量轻，锤击能量低，施工速度快。

Description

一种底部撞击式钢管混凝土桩及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种底部撞击式钢管混凝土桩及其施工方法，是一种把整桩承载力分两个施工过程获得的沉管灌注桩。沉管时以最后锤击贯入度取得桩周土的承载力，之后在钢管内浇铸混凝土或钢筋混凝土或型钢混凝土来获得桩身结构的承载力。

背景技术

目前在桩基础中使用的沉管灌注桩，大都是以最后拔出钢管、以现场浇灌混凝土或钢筋混凝土桩身为受力构件的摩擦桩，沉管嵌岩桩则是采用非撞击式钻孔方法进行施工的端承桩。前者承载力小，施工质量受桩周土性质和施工技术等诸多因素影响而难以控制；后者则在岩石面较深地区造价高昂，其采用高压吹风带出桩孔土的挖掘方法，可造成周围场桩周土松散和地面下陷的后果，适合于岩石面较浅的地区。另一种锤击式混凝土桩是目前应用较多的预应力混凝土管桩，沉桩时通常是在桩顶锤击永久钢管或临时钢管，发生结构性破坏的机会很高，成桩率低，且由于其穿透能力较差，桩身重量大，对施工技术和打桩设备要求较高，运输成本和施工损耗显著比型钢桩高，承受水平力的能力较低，故应用范围也受到较大局限。另，目前现有技术的在桩靴处锤击桩，通常是抽出临时钢管，是素混凝土桩。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种使成桩承载力高、结构性能强、施工速度快的底部撞击式钢管混凝土桩。

本发明的另一目的是提供一种使成桩承载力高、结构性能强、施工速度快的底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法。

为实现上述目的，本发明提供一种底部撞击式钢管混凝土桩，其包括：打入持力层的永久钢管、安装在该永久钢管底端的桩靴、和在沉管完成后置入钢管内的结构性填充材料。

所述桩靴为钢制或铸铁制，桩靴是锥形桩靴或平底桩靴或平底桩靴底面焊有竖向加劲钢板或焊有各种竖向型钢或钢钎或它们的任意组合的桩靴；所述永久钢管每段之间、永久钢管与桩靴之间的连接采用焊接、螺纹连接、螺栓连接、插销连接、锁扣连接或套筒连接或由它们的任意组合连接在一起。

所述永久钢管是各种断面形状的无缝钢管或焊接钢管，由工厂整段或分段预制而成；钢管内面安装有纵向钢筋或钢筋笼或沿各方向布置的加劲肋或抵抗纵向剪力的钢构件或缠绕炭纤维织物，或在钢管内和/外表面喷刷防锈或提高粘结力的涂料。

所述结构性填充材料是水泥浆或水泥砂浆或混凝土，其中配置或不配置通长或短于钢管的钢筋笼或纵向型钢或组合钢构件内芯或它们的任意组合。所述结构性填充材料中配入添加剂或配入钢纤维或炭纤维或尼龙质纤维材料。所述添加剂是增强剂、早强剂、减水剂、膨胀剂或防止收缩剂。

所述永久钢管内临时设置有沉桩时锤击桩靴用的送桩，该送桩的底部放在桩靴上，头部高于永久钢管；所述送桩在沉桩完成之前抽出，换成自由落锤直接锤击桩靴，直至锤击贯入度达到设计要求为止；桩头钢管或填充材料内安装有伸入桩承台内的附加锚固钢筋或在桩头上平放钢板或它们的组合。

本发明还提供一种底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法，包括如下步骤：第一步：先将底端带有桩靴的永久钢管对准桩位，锤击置入永久钢管内且底部放在桩靴上的送桩顶部、或对永久钢管的顶部采用静压或振动方法进行沉桩；当桩底接近设计深度时，抽出送桩，换成自由落锤直接锤击管底的桩靴，直至锤击贯入度达到设计要求为止；第二步：向永久钢管内浇铸结构性填充材料，直至填充材料的临时或永久顶面达到对应设计标高为止；第三步：待桩孔内的填充材料达到一定强度后，切掉桩顶设计标高之上的钢管及超浇的填充材料，安装桩头与桩承台的连接钢筋或水平桩头钢板或它们的组合，形成钢管混凝土桩。

在所述第一步中，以较轻能量锤击高于永久钢管的送桩的顶部，锤击送桩顶部时采用自由落锤或油压锤或柴油锤。

在所述第二步中，浇灌时用灌浆管从顶部浇灌或从管底开始泵送顶升或高位抛落法或它们的任意组合；若从管底开始浇灌，则在永久钢管内插入灌浆管，浇灌完毕后，将灌浆管抽出或将其留在桩管内；在浇灌填充材料之前或之后或同时置入钢筋笼或纵向型钢构件或组合钢构件或它们的任意组合。

若所述永久钢管为分段打入持力层，则每段之间采用焊接、螺纹连接或螺栓连接或插销连接或锁扣连接或套筒连接或由它们的任意组合连接在一起；所述永久钢管是各种断面形状的无缝钢管或焊接钢管，由工厂整段或分段预制而成；钢管内面可以安装有纵向钢筋或钢筋笼或沿各方向布置的加劲肋或抵抗纵向剪力的钢构件或缠绕炭纤维织物，或在钢管内和/外表面喷刷防锈或提高粘结力的涂料；所述永久钢管与桩靴之间采用焊接、螺纹连接、螺栓连接、插销连接、锁扣连接或套筒连接或由它们的任意组合连接在一起。

所述填充材料是水泥浆或水泥砂浆或混凝土，其中配置有通长或短于钢管的钢筋笼或纵向型钢或组合钢构件内芯或它们的任意组合；所述填充材料中配入添加剂或配入钢纤维或炭纤维或尼龙质纤维材料。

在开始打桩前，按照需要决定是否采用机械预钻孔方法，在设计桩位处预先钻孔至桩底设计标高或以上某一位置，然后灌入填充材料，在上述填充材料硬化前再进行打桩工序。所述填充材料是水泥浆或水泥砂浆或混凝土，填充材料可以用砂质填土代替。

在所述第三步之前，可按照设计需要决定在桩顶或桩身内部施加适当的振动或锤击。

本发明依靠振动或静压或撞击打桩方法把一带有桩靴的钢管沉入到持力层中，以最后锤击桩靴使钢管提前获得桩周土和桩底土的承载力，然后在管中置入结构性填充材料使桩身结构承载力逐步达到设计值。本发明集锤击式和现场浇灌混凝土桩的优点为一体，比传统撞击式沉管灌注桩制作简单、穿透力强、综合成本降低、适用范围广、桩身抗压、抗弯抗剪及抗扭承载力高、刚度大、施工工期短及成桩质量可靠，并使持力土层所能提供的承载力及桩身内的所有建筑材料强度得以充分利用。

由于填充材料是在沉桩工序完成之后、在完全与桩周土和地下水隔离的情况下浇灌于永久钢管之内的，不需经受锤击压、拉循环应力，完全杜绝了现有锤击式预制混凝土桩和抽筒式沉管灌注桩坏桩率高的弊病。永久钢管不需抽出，不会造成桩体缩颈、夹土和断层等质量事故。沉桩阶段桩体重量轻，锤击能量低，施工速度大幅提升。由于本发明利用现有钢管混凝土柱的优良受力性能，使桩基础的各种承载力、抗水平力刚度及性价比与其它现有的同尺寸钢筋混凝土桩相比，都有大幅度提高。

附图说明

图1为本发明锤击送桩来沉管时的示意图；

图2为图1中送桩底部接近设计桩深时的示意图；

图2a是图2中A—A向剖面放大图；

图2b是图2中B—B向剖面放大图；

图2c是图2中桩靴的放大示意图；

图3是本发明用自由落锤锤击桩靴来进行最后沉桩的示意图；

图4是本发明从管底浇铸混凝土时的示意图；

图4a是图4中C—C向剖面图。

具体实施方式

如图4所示，本发明的底部撞击式钢管混凝土桩包括：打入持力层的永久钢管10、安装在该永久钢管10底端的桩靴40、以及沉管完成后置入钢管内的结构性填充材料50。

本发明采用了组合沉桩法沉桩，即：地面机械快速打桩，借助锤击送桩20的顶部把锤击能量传到桩靴40，沉桩速度非常快，最后改用高能量自由落锤，完成坚硬持力层的沉桩任务。

如图1所示，打桩开始时，在永久钢管10内临时设置沉桩20，该沉桩20的底部放在桩靴40上，头部略高于永久钢管。先以较轻能量锤击送桩20的顶部，直至桩底接近桩承载力设计值所要求的桩底设计深度为止；然后抽出送桩20，换成自由落锤60直接锤击管底的桩靴，如图3所示，直到贯入度达到桩承载力设计值所要求的锤击贯入度为止。

图1中，放置在永久钢管10内的送桩20为纵向型钢构件，如工字钢或厚壁钢管或组合钢构件，当永久钢管达到接近设计深度时抽出该送桩。如图2a所示，送桩20上安装有多个水平支撑23，以确保送桩20牢固地支撑在永久钢管内，防止较长送桩锤击失稳。如图2b所示，送桩20的底部还设有加强钢板21以加强其钢性。在永久钢管10的底端设有桩靴钢板30；在永久钢管底部内还设有加强箍12以加强永久钢管底部的刚性。另，若送桩20需逐段设置在永久钢管10内，则每段之间采用焊接、粘接、螺栓连接、插销连接、锁扣连接、套筒连接或由它们的组合连接在一起，图1中的附图标记22指连接各段的法兰盘。

如图2c所示，桩靴40上设有十字状的桩靴加劲板42，本发明的桩靴具有高强度，可以是各种现有桩型采用的钢制或铸铁制桩靴，可以是锥形桩靴、或平底桩靴、或平底桩靴底面焊有竖向加劲钢板或焊有各种竖向型钢或钢钎，并不限于图示。

另，如图3所示，当桩底接近坚硬持力层时，改用自由落锤60直接锤击桩靴40，再机械提升，锤的上端与钢铰绳62相连。

下面对本发明的底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法作详细说明：

第一步：先将底端带有桩靴40的永久钢管10对准桩位，以较轻能量锤击置入永久钢管内且略高于永久钢管、底部放在桩靴上的送桩20的顶部，或对永久钢管的顶部采用静压或振动方法进行沉桩；当桩底接近设计深度或接近坚硬持力层时，抽出送桩20，换成自由落锤60直接在管底锤击桩靴，直至锤击贯入度达到设计要求为止；

锤击送桩20顶部时采用自由落锤或油压锤或柴油锤；

第二步：若永久钢管10需分段打入持力层，则每段之间采用焊接、粘接、螺栓连接、插销连接、锁扣连接、套筒连接或由它们的组合连接在一起；

第三步：将灌浆管伸入到上述永久钢管内进行顶部浇灌或从管底开始泵送顶升或高位抛落法，浇铸结构性填充材料50，直至填充材料的临时或永久顶面达到对应设计标高为止，必要时可在填充材料内配入添加剂；可在灌注填充材料之前或之后或同时置入钢筋笼或纵向型钢构件或组合钢构件或它们的任意组合；

另，若从管底开始浇灌，如图4所示，在永久钢管10内插入浇灌混凝土用灌浆管70，浇灌时，混凝土从灌浆管70底部涌出，浇灌完毕后，可以将灌浆管抽出或将其留在桩管中；

第四步：按照设计需要决定在桩顶或桩身内部施加适当的振动或锤击，以使所述填充材料达到更加密实效果和进一步加强桩身与桩周土的结合力；

第五步：待桩孔内的填充材料达到一定强度后，切掉桩顶设计标高之上的钢管及超浇的填充材料，安装桩头与桩承台的连接钢筋或水平桩头钢板，最后形成钢管混凝土桩。

另，在开始打桩前，按照需要决定是否采用机械预钻孔方法，在设计桩位处预先钻孔至桩底设计标高或以上某一位置，然后灌入填充材料，在上述填充材料硬化前再进行打桩工序。该填充材料可以用沙质填土代替。

所述填充材料50可以是水泥浆或水泥砂浆或混凝土，也可以在水泥浆或水泥砂浆或混凝土中配入具各种用途的添加剂，如增强剂、早强剂、减水剂、膨胀剂、防止收缩剂等，并可根据需要配入能提高混凝土强度和抗裂性能的钢纤维或炭纤维或尼龙质纤维材料。在本发明中，由于上述填充材料是在沉桩工序完成后、在完全与桩周土和地下水隔离的情况下浇灌于永久钢管之内的，属于在无水环境下浇灌实心混凝土，受钢管横向约束，是典型的钢管混凝土构件，大大地提高了承载力。

所述永久钢管10与桩靴钢板30的连接、加强钢板21与送桩20的连接、加强箍12与永久钢管10的连接，可采用焊接、粘结、螺栓连接、插销连接、锁扣连接或套筒连接或由它们的组合。因连接方式是公知的，故不再详述。

所述永久钢管是各种断面形状的无缝钢管或焊接钢管，钢管内面可以安装有纵向钢筋或钢筋笼或沿各方向布置的加劲肋或抵抗纵向剪力的钢构件或缠绕炭纤维织物，或在钢管内和/外表面喷刷防锈或提高粘结力的涂料。

本发明的应用范围：不论工程规模大小，施工环境如何变化，只要现有撞击式沉桩技术可以应用的地方，本发明几乎都可以被采用，特别适用于桩底需要穿过坚硬夹层的土质情况。

本发明的桩身结构在目前所有杆状构件中力学性能是最好的，相应的性价比在大部分水平力控制的桩基础中也是最高的。在沉管过程中，如果完全采用锤击桩靴方法施工，则钢管因为不承受锤击压应力，局部失稳和变形机会大幅降低，在计算钢管承载力时，其许可压应力比现有锤击桩头式钢桩可以大幅提升。管中的混凝土是在沉桩工序完成后浇灌，不需遭受锤击应力破坏，而且受钢管壁的横向约束，抗压强度也得到大幅提升。

整桩所有构件都在现有桩型中大量、长期采用，已经达到工业标准化大量生产，甚至桩体内的填充材料也可以做到商品化(如商品混凝土、商品水泥砂浆和商品水泥浆等等)，故能进行标准化设计、成桩质量可靠、方便施工、降低成本。

本发明具有如下优点：

1.利用本发明方法成型的钢管混凝土桩，其最大优点是穿越土层的钢管外壳，可以一物两用地既充当将来的主要受荷构件，又扮演后浇混凝土的临时护筒的角色，整个施工过程中，桩身的质量都不会因为锤击而受到干扰，而且可以尽量使用当地可以生产的填充材料。因为外壳钢管的存在，其内部的混凝土将会三向受压，水平方向变形受到钢管的约束，使其抗压强度大幅提高，从而整桩承载力也获得提升。

2.由于不直接承受锤击压应力，所用钢管就可以采用尽量薄的螺旋焊接钢管，货源充足，相同承载力的钢筋混凝土桩中用钢量最低，基础建造成本相应大幅降低。

3.在相同空间尺寸中，钢管混凝土桩的有效截面积、惯性矩比型钢大，能充分利用桩身混凝土的抗压强度和抗弯刚度。

4.钢管混凝土桩内腔填充材料是在密封的钢管内进行，受外界影响机会很小，所以该填充材料在施工过程中没有结构性的损坏，桩身的承载力可以彻底发挥出来。

5.由于可以采用薄壁钢管，沉管过程中桩身重量比现有任何锤击桩都轻，因此桩锤重量也相应降低，施工成本和技术要求相应降低。

6.桩头处理比较容易，因为钢管外壳的存在，桩头与桩承台之间通过在钢管顶端安装各种附加连接构件做成铰支连接或滑动铰支连接或固定连接或半固定连接。

7.施工过程中薄壁钢管和管中混凝土没有直接遭受锤击压、拉循环应力的作用，发生结构性破坏的机会几乎为零，所以成桩率在现有撞击式混凝土桩型和沉管灌注混凝土桩型中是最高的。

8.在最后沉桩阶段，改用自由落锤直接锤击桩底的桩靴，锤击位置处于桩靴上，距离坚硬土层最近，锤击能量不需经过桩头到桩尖的长距离传送，所以效率高，穿透坚硬土层能力也比较强。

9.钢管混凝土桩内腔填充材料是在密封的钢管内进行，受外界影响机会很小，浇过程中可采用混凝土振捣器，如风动式或电动式振捣器，使混凝土更加密实。

10.本发明因采用地面机械快速打桩，最后用高能量自由落锤，完成坚硬持力层的沉桩，故比现有技术沉桩速度要快得多。

Claims (14)

1、一种底部撞击式钢管混凝土桩，其特征在于，包括：打入持力层的永久钢管(10)、安装在该永久钢管(10)底端的桩靴(40)、和在沉管完成后置入钢管内的结构性混凝土填充材料(50)。

2、如权利要求1所述的底部撞击式钢管混凝土桩，其特征在于，所述桩靴(40)为钢制或铸铁制，桩靴是锥形桩靴或平底桩靴或平底桩靴底面焊有竖向加劲钢板或焊有各种竖向型钢或钢钎或它们的任意组合的桩靴；所述永久钢管(10)每段之间、永久钢管与桩靴(40)之间的连接采用焊接、螺纹连接、螺栓连接、插销连接、锁扣连接或套筒连接或由它们的任意组合连接在一起。

3、如权利要求1所述的底部撞击式钢管混凝土桩，其特征在于，所述永久钢管(10)是各种断面形状的无缝钢管或焊接钢管，由工厂整段或分段预制而成；钢管内面安装有纵向钢筋或钢筋笼或沿各方向布置的加劲肋或抵抗纵向剪力的钢构件或缠绕炭纤维织物，或在钢管内和/或外表面喷刷防锈或提高粘结力的涂料。

4、如权利要求1所述的底部撞击式钢管混凝土桩，其特征在于，在所述的结构性填充材料(50)中配置或不配置通长或短于钢管的钢筋笼或纵向型钢或组合钢构件内芯或它们的任意组合。

5、如权利要求4所述的底部撞击式钢管混凝土桩，其特征在于，所述结构性混凝土填充材料(50)中配入添加剂或配入钢纤维或炭纤维或尼龙质纤维材料。

6、如权利要求5所述的底部撞击式钢管混凝土桩，其特征在于，所述添加剂是增强剂、早强剂、减水剂、膨胀剂或防止收缩剂。

7、如权利要求1所述的底部撞击式钢管混凝土桩，其特征在于，所述永久钢管(10)内临时设置有沉桩时锤击桩靴(40)用的送桩(20)，该送桩(20)的底部放在桩靴上，头部高于永久钢管；所述送桩(20)在沉桩完成之前抽出，换成自由落锤(60)直接锤击桩靴，直至锤击贯入度达到设计要求为止；

桩头钢管或混凝土填充材料(50)内安装有伸入桩承台内的附加锚固钢筋或在桩头上平放钢板或它们的组合。

8、一种底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法，包括如下步骤：

第一步：先将底端带有桩靴(40)的永久钢管(10)对准桩位，锤击置入永久钢管内且底部放在桩靴上的送桩(20)顶部；当桩底接近设计深度时，抽出送桩(20)，换成自由落锤(60)直接锤击管底的桩靴，直至锤击贯入度达到设计要求为止；

第二步：向永久钢管(10)内浇铸结构性混凝土填充材料(50)，直至填充材料的临时或永久顶面达到对应设计标高为止；

第三步：待桩孔内的填充材料达到一定强度后，切掉桩顶设计标高之上的钢管及超浇的填充材料，安装桩头与桩承台的连接钢筋或水平桩头钢板或它们的组合，形成钢管混凝土桩。

9、如权利要求8所述的底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法，其特征在于，在所述第一步中，以较轻能量锤击高于永久钢管的送桩(20)的顶部，锤击送桩顶部时采用自由落锤或油压锤或柴油锤。

10、如权利要求8所述的底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法，其特征在于，在所述第二步中，浇灌时用灌浆管(70)从顶部浇灌或从管底开始泵送顶升或高位抛落法或它们的任意组合；若从管底开始浇灌，则在永久钢管(10)内插入灌浆管，浇灌完毕后，将灌浆管抽出或将其留在桩管内；

在浇灌混凝土填充材料之前或之后或同时置入钢筋笼或纵向型钢构件或组合钢构件或它们的任意组合。

11、如权利要求8所述的底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法，其特征在于，若所述永久钢管(10)为分段打入持力层，则每段之间采用焊接、螺纹连接或螺栓连接或插销连接或锁扣连接或套筒连接或由它们的任意组合连接在一起；

所述永久钢管(10)是各种断面形状的无缝钢管或焊接钢管，由工厂整段或分段预制而成；钢管内面可以安装有纵向钢筋或钢筋笼或沿各方向布置的加劲肋或抵抗纵向剪力的钢构件或缠绕炭纤维织物，或在钢管内和/或外表面喷刷防锈或提高粘结力的涂料；

所述永久钢管(10)与桩靴(40)之间采用焊接、螺纹连接、螺栓连接、插销连接、锁扣连接或套筒连接或由它们的任意组合连接在一起。

12、如权利要求8所述的底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法，其特征在于，在所述的填充材料(50)中配置有通长或短于钢管的钢筋笼或纵向型钢或组合钢构件内芯或它们的任意组合；所述的混凝土填充材料(50)中配入添加剂或配入钢纤维或炭纤维或尼龙质纤维材料。

13、如权利要求8所述的底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法，其特征在于，在开始打桩前，按照需要决定是否采用机械预钻孔方法，在设计桩位处预先钻孔至桩底设计标高或以上某一位置，然后灌入混凝土填充材料，在上述填充材料硬化前再进行打桩工序。

14、如权利要求8所述的底部撞击式钢管混凝土桩的施工方法，其特征在于，在所述第三步之前，可按照设计需要决定在桩顶或桩身内部施加适当的振动或锤击。

Images