CN102392440A

CN102392440A - 一种高耐久性管桩及其制造方法

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Publication number: CN102392440A
Application number: CN2011102090494A
Authority: CN
Inventors: 徐世烺; 侯利军; 李庆华
Original assignee: Hangzhou Guhua Composite Material Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Guhua Composite Material Technology Co Ltd
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-03-28

Abstract

本发明首先提供了一种高耐久性管桩，各管节以超高韧性水泥基复合材料UHTCC为管桩基体，在管壁内沿管桩长度方向配置纵向钢筋，并围绕纵向钢筋设置螺旋箍筋，在各管节两端部均设有钢端板及钢套箍，通过塞焊方式把纵向钢筋焊接在钢端板上，各管节通过端部钢端板焊接连接为一体。本发明很好地融合了钢管桩与预应力混凝土管桩共同的优点，保证了管桩在侵蚀严重的海洋环境下的耐久性能。

Description

一种高耐久性管桩及其制造方法

技术领域

本发明属于土木工程、桥梁工程、港口工程桩基础技术领域，尤其涉及一种高耐久性管桩及其制造方法。

背景技术

管桩作为一种地基处理及桩基础形式从上个世纪初产生到现在已经得到了很大的发展，在土木工程、桥梁工程、港口工程等各类建筑工程中均已得到广泛应用。近年来，随着码头、跨海跨江大桥建设的蓬勃发展，不仅要求管桩有更高的承载力，而且还要适应外海海域复杂的地质条件以及严酷的海水腐蚀环境，同时还要考虑其施工时外海气候状况。

当前，工程中主要应用管桩形式为钢管桩、预应力混凝土管桩几类。尽管钢管桩有着优良的力学性能和沉桩方便、可靠的优点，但其造价约为预应力混凝土管桩的3~10倍，而且抗腐蚀能力弱，耐久性差，特别是在干湿交替、温度差异、波浪反复冲击联合作用下的腐蚀极其严重的浪溅区需要经常性的维护。在直桩布桩形式及水平力较小的情况下，预应力混凝土管桩凭借其强度高、耐久性好、抗腐蚀能力强、抗渗能力高的特点在某些工况下替代了钢管桩。但混凝土抗击打能力差，若击打次数较大，容易出现桩身开裂以及桩顶破坏的现象。

超高韧性水泥基复合材料UHTCC作为一种高性能水泥基复合材料，在拉伸荷载下表现出显著的拉应变硬化特征以及多条细密的裂缝形态，极限拉应变可达1%以上，最大裂缝宽度可以控制在100 μm之内，并有优良的抗渗、抗碳化、抗冻融、抗氯离子渗透的耐久性能和冲击韧性。UHTCC与纵向受力筋之间有着很好的变形协调性能，在弯曲开裂后，裂缝宽度增长非常缓慢，直到纵向受拉钢筋达到屈服，最大裂缝宽度仅有50 μm左右。显然，这一裂缝宽度级别足以满足《港工混凝土设计规范》以及《混凝土耐久性设计规范》规定的在腐蚀极端严重的F环境作用等级下的裂缝宽度限值为0.15 mm的要求。

在无裂缝状态下, UHTCC的抗碳化性能与同强度普通混凝土相当，但在相同荷载预裂后，UHTCC裂缝处的碳化深度仅为对比混凝土的1/3，也就是说，UHTCC在正常工作状态下的抗碳化能力要远高于普通混凝土。其次，UHTCC抗渗性能优于相同强度等级普通混凝土，且随着龄期增长优势更明显, 其56天龄期的渗透系数约为对比混凝土的1/3。快速氯离子试验和自由氯离子含量测定得到的氯离子渗透系数均表明, UHTCC具有明显优于普通混凝土的抵抗氯离子渗透性能。

就管桩构件而言，若采用UHTCC材料代替普通混凝土，则不需要应用施加预应力的方式来保证裂缝的宽度要求，而仅凭借UHTCC的裂缝控制能力即可满足规范规定的裂缝宽度这一耐久性要求。基于此，本发明这种仅采用非预应力钢筋增强的超高韧性水泥基复合材料(RUHTCC)管桩可以作为一种新型的高耐久性管桩。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种高耐久性管桩，很好地融合了钢管桩与预应力混凝土管桩共同的优点，保证了管桩在侵蚀严重的海洋环境下的耐久性能。

本发明通过以下技术方案实现：一种高耐久性管桩由若干个管节组成；其中，各管节以超高韧性水泥基复合材料UHTCC为管桩基体，在管壁内沿管桩长度方向配置纵向钢筋，并围绕纵向钢筋设置螺旋箍筋，在各管节两端部均设有钢端板及钢套箍，通过塞焊方式把纵向钢筋焊接在钢端板上，各管节通过端部钢端板焊接连接为一体。

所述高耐久性管桩的外径为300 mm~1400 mm，壁厚为60~150 mm。

所述UHTCC由短纤维和砂浆基体组成，掺加的短纤维种类为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种，体积掺量为UHTCC总体积的1~3%；砂浆基体的组分重量比为水泥：水：精细骨料：粉煤灰：硅灰：粒化高炉矿渣：偏高岭土= 1:（0.27~2.2）:（0~3）:（0~6.9）:（0~0.3）：（0~0.55）：（0~0.4），精细骨料的最大粒径不大于0.5 mm；精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量不同时为零；与此同时，还可以根据实际需要掺加适量的化学外加剂，如0.2%~3%的减水剂、0.05%~0.3%的消泡剂、0.003%~0.02%的引气剂、0.03%~0.3%的增稠剂等。

所述纵向钢筋为普通热轧钢筋或高强钢筋，其中普通热轧钢筋的型号为HRB335、HRB40或RRB400。

所述的纵向钢筋不施加预应力。

所述管节两端的钢端板为环形截面，内径与管桩内径相同，外径比管桩外径小1 mm。

所述管节两端的钢套箍的设置范围120~300 mm，其厚度优选为1.5~3.0 mm。

所述管桩桩底部位可以设置一段长度为0.4~1.2 m的桩尖以提高其贯入能力，桩尖形式为开口型钢管桩尖、十字形钢桩尖或锥形钢桩尖等。

所述钢桩尖与桩底管节的钢端板通过焊接连为一体。

所述的一种高耐久性管桩的制造方法为先制作管桩各管节，然后进行管节拼接成整桩，其具体制造步骤包括：

(1) 绑扎桩体钢筋笼，隔300~800 mm在纵向钢筋上设置定位卡子，然后将钢筋笼放在下部的半圆外模内，在两端设置与壁厚一致钢端板，并将纵向钢筋塞焊在此钢端板上；

(2) 进行布料并合模，封闭管桩模板两端开口，将搅拌好的UHTCC均匀地布入下部的半圆外模内，然后合拢整个外模，完成桩模；

(3) 实施管节离心成形。将准备好的桩模吊装到离心机上，通过离心的施工工艺成形管节，具体操作流程为首先采用50~110转/分的低速转动将UHTCC均匀分布在管壁，而后进行150~260转/分的中速转动，使基体材料进一步分布均匀，最后采用280~500转/分的高速转动使管壁密实成形；

(4) 进行蒸汽养护。离心施工结束后，先在25~30^o温度下静置5~6小时，然后进行蒸汽养护，完成后拆除外模并继续洒水养护，保证其充分水化，达到设计的强度；

(5) 根据工程设计的长度要求，进行整桩的拼接。首先把各管节的端部钢端板预留坡口锈斑清除并打磨平整，采用点焊将相邻两段管节定位，然后进行分层连续焊接，直至焊接完成，此时制备完成高耐久性管桩。

由于采用本发明的技术方案，本发明所提供管桩采用新型的非预应力钢筋增强超高韧性水泥基复合材料（RUHTCC），管桩充分利用了此材料的卓越的裂缝控制能力以及优良的抗冲击性能，不仅保证了高侵蚀性环境下的耐久性能，以及在沉桩过程中桩身的完整性，而且显著降低了日常运行期间的维护费用，延长了管桩的使用寿命，具有显著的经济效益。与大管桩和PHC桩相比，本发明管桩实现了不需施加预应力即可满足在侵蚀严重的海洋、江河环境下的裂缝宽度要求，从开裂到钢筋屈服裂缝宽度低于50 μm，具有与大管桩及PHC桩相当的耐久性能。其次，UHTCC材料所具有的优良的冲击韧性，能够抵抗浪溅区海水的往复冲击作用，并且能够避免在沉桩过程中由于锤击作用而出现桩顶破坏以及桩身开裂等缺陷。与钢管桩相比，本发明管桩可以根除钢管桩抗腐蚀能力差的缺点，特别是能够改善在浪溅区的抗侵蚀能力，从而极大地提高管桩的耐久性，并进一步提高其正常使用寿命。其次，在经济效益方面，其造价要低于钢管桩，而且在日常的运行中不需要进行耐久性修复，节约了维护费用，从而降低了总的成本。而且，在本发明管桩底部设置一段钢管桩尖，可以有效提高其贯入能力，能够穿越比较密实的土层。从这几方面看来，本发明管桩具有优良的力学性能、耐久性能，以及良好的经济效益。因此，这一新型管桩能够广泛应用于耐久性要求很高的海洋以及江河等环境的地基处理。

本发明所提供的制造方法将UHTCC材料应用于管桩中，制造出高耐久性管桩。

附图说明

图1为本发明管桩的轴向截面示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明管桩的管节端部管壁放大示意图。

图4为图1的B-B剖视图。

图中：1：纵向钢筋； 2：螺旋箍筋：3：管桩基体；4：钢端板；5：钢套箍；6：开口型钢管桩尖；7：连接焊缝；8：加劲板；9：管壁。

具体实施方式

参照附图，本发明高耐久性管桩由若干个管节组成；其中，各管节以UHTCC为管桩基体3，在管壁内沿管桩长度方向配置纵向钢筋1，并围绕纵向钢筋1设有螺旋箍筋2，在各管节两端部均设有钢端板4和钢套箍5，通过塞焊方式把纵向钢筋1焊接在钢端板4上，各管节通过端板钢端板4焊接连接为一体。

本发明高耐久性管桩外径为300 mm~1400 mm，壁厚为60~150 mm。

本发明高耐久性管桩纵向钢筋1采用普通热轧钢筋或高强钢筋，其中普通热轧钢筋的型号为HRB335、HRB400、RRB400。螺旋箍筋2采用低碳钢热轧圆盘条或混凝土制品用冷拔低碳钢丝。

本发明高耐久性管桩由于采用了巨用优良的裂缝控制能力的UHTCC作为基体，故不需对纵向钢筋施加预应力来控制基体开裂。

本发明高耐久性管桩各管节两端所设置的钢端板为环形截面，内径与管桩内径相同，外径比比管桩外径小1 mm；各管节两端所设置的钢套箍的设置范围120~300 mm，其厚度优选为1.5~2.5 mm。

本发明高耐久性管桩在桩底部位可以设置一段桩尖6以提高其贯入能力，桩尖形式为开口型钢管桩尖、十字形钢桩尖或锥形钢桩尖等，长度为0.4~1.2 m，桩尖通过与桩底管节钢端板4焊接连为一体。

本发明所提供的管桩的实施例如下：

1、管桩参数包括外径1200 mm，内径 910 mm，壁厚145 mm，配筋16Φ22，型号HRB400，f _yk=400 MPa， f _Uk=45 MPa（f _Uk为标准抗压强度）。设置1 m长的开口型钢管桩尖6，其内径和壁厚为910 mm、16 mm，并在桩尖6与钢端板4的相交部位设置加劲板8；r₁、r₂分别为管桩内径、外径。

2、整桩的具体制造步骤：

(1) 绑扎管节钢筋笼，箍筋2为螺旋状形式，在纵向钢筋1上设置聚乙烯塑料定位卡子。将钢筋笼安置在半圆外模内，然后在两端安装钢端板4及钢套箍5，将纵向钢筋1的两端穿入钢端板4的预制孔中，调整钢端板4的位置与外模垂直并固定在外模端部，通过塞焊把纵向钢筋1与钢端板4连接在一起。

(2) 封闭外模两端的开口，将搅拌好的UHTCC均匀的布入半圆外模内，然后合拢整个外模，形成桩模，吊装准备好的桩模到离心机上。

(3) 此高耐久性管桩所用UHTCC3的砂浆基体成分的重量比为水泥：水：砂：粉煤灰：硅灰：减水剂：增稠剂= 1: 1.58: 1.5: 2.0: 0.15: 0.015: 0.002，并掺加占体积掺量为UHTCC总体积2%的聚乙烯醇短纤维，砂的最大粒径为0.2 mm。

(3) 管桩制作采用离心施工工艺，先采用50转/分的低速转动将内部UHTCC均匀分布在管壁，再采用200转/分的中速转动使得UHTCC分布更加均匀，而后以300转/分的高速离心转动实现UHTCC管壁密实成形。

(4) 进行蒸汽养护。整个养护过程分为四个阶段，包括静养5~6小时、升温3小时、恒温养护36小时左右、降温6小时。在静养阶段，温度约为25 ^oC~30 ^oC；升温阶段，升温速度不大于10 ^oC/h；恒温养护阶段，蒸汽温度不超过45 ^oC，桩体内部温度不超过60^oC，最大不超过65^oC；降温阶段，以不宜高于10 ^oC/h降温速度降至与室外相当的温度。蒸汽养护完成后拆除管桩外钢模，并继续浇水养护一周，保证充分水化。

(5) 将钢管桩尖6与桩底管节钢端板4焊接连接在一起，并在钢管桩尖与钢端板相交处焊接厚度为14 mm加劲板8。

(6) 根据工程设计的长度要求，进行各管节拼装成整桩。焊接前，将两端钢端板预留坡口的锈斑清除并打磨平整，先点焊将相邻两段管节定位，然后进行分层连续焊接，每层焊接完成后将焊渣清除干净，然后进行下一层的焊接，直至焊接完成，此时整桩完成。

Claims

1.一种高耐久性管桩，其特征在于它由若干个管节组成；其中，各管节以超高韧性水泥基复合材料UHTCC为管桩基体，在管壁内沿管桩长度方向配置纵向钢筋，并围绕纵向钢筋设置螺旋箍筋，在各管节两端部均设有钢端板及钢套箍，通过塞焊方式把纵向钢筋焊接在钢端板上，各管节通过端部钢端板焊接连接为一体。

2.如权利要求1所述的一种高耐久性管桩，其特征在于所述高耐久性管桩的外径为300 mm~1400 mm，壁厚为60~150 mm。

3.如权利要求1所述的一种高耐久性管桩，其特征在于所述UHTCC由短纤维和砂浆基体组成，掺加的短纤维种类为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种，体积掺量为UHTCC总体积的1~3%；砂浆基体的组分重量比为水泥：水：精细骨料：粉煤灰：硅灰：粒化高炉矿渣：偏高岭土= 1:（0.27~2.2）:（0~3）:（0~6.9）:（0~0.3）：（0~0.55）：（0~0.4），精细骨料的最大粒径不大于0.5 mm；精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量不同时为零。

4.如权利要求1所述的一种高耐久性管桩，其特征在于所述纵向钢筋为普通热轧钢筋或高强钢筋，其中普通热轧钢筋的型号为HRB335、HRB40或RRB400。

5.如权利要求1或4所述的一种高耐久性管桩，其特征在于所述的纵向钢筋不施加预应力。

6.如权利要求1所述的一种高耐久性管桩，其特征在于所述管节两端的钢端板为环形截面，内径与管桩内径相同，外径比比管桩外径小1 mm。

7.如权利要求1所述的一种高耐久性管桩，其特征在于所述管节两端的钢套箍的设置范围120~300 mm，其厚度优选为1.5~3.0 mm。

8.如权利要求1所述的一种高耐久性管桩，其特征在于所述管桩桩底部位可以设置一段长度为0.4~1.2 m的桩尖以提高其贯入能力，桩尖形式为开口型钢管桩尖、十字形钢桩尖或锥形钢桩尖。

9.如权利要求8所述的一种高耐久性管桩，其特征在于所述钢桩尖与桩底管节的钢端板通过焊接连为一体。

10.如权利要求1所述的一种高耐久性管桩的制造方法，其特征在于先制作管桩各管节，然后进行管节拼接成整桩，其具体制造步骤包括：

(3) 实施管节离心成形，将准备好的桩模吊装到离心机上，通过离心的施工工艺成形管节，具体操作流程为首先采用50~110转/分的低速转动将UHTCC均匀分布在管壁，而后进行150~260转/分的中速转动，使基体材料进一步分布均匀，最后采用280~500转/分的高速转动使管壁密实成形；

(4) 进行蒸汽养护，离心施工结束后，先在25~30^o温度下静置5~6小时，然后进行蒸汽养护，完成后拆除外模并继续洒水养护，保证其充分水化，达到设计的强度；

(5) 根据工程设计的长度要求，进行整桩的拼接，首先把各管节的端部钢端板预留坡口锈斑清除并打磨平整，采用点焊将相邻两段管节定位，然后进行分层连续焊接，直至焊接完成，此时制备完成高耐久性管桩。