CN102535446B - 大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩，该方桩的结构包括现浇外方内圆桩身，外方内圆桩身内设有钢筋笼或不设钢筋笼，在外方内圆桩身的上部设有后浇桩帽、底部设有预制桩尖。同时提供一种大断面灌注混凝土后压浆空心方桩施工方法。本发明的效果是利用该施工方法，能够使桩周土和桩端土的抗力提供的单桩承载力和桩体轴压强度设计值基本相当，同尺寸桩，惯性矩及周长大，水平和抗弯刚度大，利于配筋，桩的水平承载力高，缩短桩基础、基坑支护、复合地基等工程的施工周期，提高施工质量，避免场地环境污染，节省工程造价。用于深、厚软弱土层地基工程效果更为明显，应用方便且前景广阔。

Description

大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩及其制作方法

技术领域

本发明涉及桩基工程结构的技术，特别是一种大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩及其制作方法。

背景技术

1、在软弱地基处理中，常在软弱地基中设置桩式加固体，通过桩式加固体与原位地基土组成复合地基。复合地基承载力特征值，应通过现场地基载荷试验确定，也可按下式进行估算。

$f_{\mathrm{spk}}=m\frac{R_a}{A_p}+\mathrm{\β}(1-m)f_{\mathrm{sk}}$

其中单桩承载力特征值R_a分别由

(1)桩周和桩端土的抗力提供的单桩承载力

(2)桩体轴压强度设计值R_a≤A_pf_cψ_c取低值控制。

桩式加固体种类较多，常见的有石灰桩、砂桩、碎石桩、灰土桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、CFG桩、素混凝土桩等。

石灰桩、砂桩、碎石桩、灰土桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩这些桩式加固体的共同弱点是其桩体强度与弹性摸量均很低、在荷载作用下，桩体压缩量大，单桩承载力低，复合地基承载力受到桩体强度的极大制约。置换率较大，投资较高。

而CFG桩、素混凝土桩、其桩体强度与弹性模量较高，圆形截面周长小，但软弱地基提供的桩侧摩阻力和桩端阻力较小，受到软弱土提供的单桩承载力体的极大制约，其桩体强度不能得到充分发挥。

2、在桩基工程中，单桩承载力特征值R_a分别由

(1)桩周和桩端土的抗力提供的单桩承载力

(2)桩体轴压强度设计值R_a≤A_pf_cψ_c取低值控制。

常见的桩体有钻孔灌注桩、沉管灌注桩、打入式静压预制桩，打入式静压预制空心管桩和空心方桩、现浇混凝土大直径筒桩等。

钻孔灌注桩、沉管灌注桩其共同特点是断面是实心的，圆形截面周长小，且钻孔灌注桩等成桩时长采用泥浆护壁，场地污染严重，成桩后桩侧存在泥皮、桩底存在沉渣。桩体轴压强度设计值一般远高于桩周和桩端土的抗力提供的单桩承载力，截面惯性矩小，配筋多，其桩体强度和钢筋强度不能得到充分发挥。

打入式静压预制桩，打入式静压预制空心管桩和空心方桩。因沉桩设备所限，断面较小，长度有限，往往需要接桩、沉桩数量较多。因存在挤土效应，常引起地面隆起，桩体上浮，接头损坏。这些弊病在软弱土层更为突出。

现浇混凝土大直径筒桩对解决上述弊病做出了较大贡献，但仍存在同尺寸桩圆形截面惯性矩及周长小，配筋多，钢筋强度不能得到充分发挥。桩的水平承载力不如方型桩。

3、在基坑支护工程中钻孔灌注桩、现浇混凝土管桩等排桩支护结构，计算桩的水平变形系数时，桩的计算宽度圆形和环形是同尺寸方桩的0.9倍，土的抗力提供的单桩水平承载力小，圆形和环形截面惯性矩、水平和抗弯刚度小，不利于配筋，其桩体强度和钢筋强度不能得到充分发挥。

理想的桩体或理想的桩式加固体，在置换率m相同情况下，由桩周土和桩端土的抗力提供的单桩承载力和桩体轴压强度设计值基本相当，同等同尺寸桩、惯性矩及周长大，利于配筋为好。

为满足建筑物或构筑物的桩基工程、复合地基工程、基坑支护工程设计和施工需求，急需开辟桩基工程设计和刚性复合地基领域新的途径。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩及其制作方法，桩周土和桩端土的抗力提供的单桩承载力和桩体轴压强度设计值基本相当，同等截面面积、惯性矩大，水平和抗弯刚度大，利于配筋，无场地污染和挤土效应，施工速度快，工程质量高，降低工程投资费用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩，其中：该方桩的结构包括现浇外方内圆桩身，外方内圆桩身内设有钢筋笼或不设钢筋笼，在外方内圆桩身的上部设有后浇桩帽，在外方内圆桩身的底部设有预制桩尖，形成外方内圆的空心方桩；设有钢筋笼的外方内圆的空心方桩最小壁厚为150mm；不设钢筋笼的空心方桩最小壁厚为100mm。

同时还提供上述的大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩的施工方法。

本发明的效果是利用该施工方法，能够使桩周土和桩端土的抗力提供的单桩承载力和桩体轴压强度设计值基本相当，同尺寸桩，惯性矩及周长大，水平和抗弯刚度大，利于配筋，桩的水平承载力高，使土的抗力提供的单桩垂直、水平承载力和桩体强度及钢筋强度均得到充分发挥。特别是在深、厚软弱土层优点更为突出。缩短桩基础、基坑支护、复合地基等工程的施工周期，提高施工质量，避免场地环境污染，节省工程造价。常用外方断面尺寸有800mm、1000mm、1200mm的灌注混凝土后压浆空心方桩，可以广泛用于桩基工程、复合地基工程、基坑支护工程设计和施工，应用方便且前景广阔。

附图说明

图1为本发明的空心方桩成桩结构示意图；

图2、图3为本发明的空心方桩内外钢套管结构示意图；

图4为本发明的空心方桩预制桩尖结构示意图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为图4的B-B剖视图；

图7为本发明的现浇钢筋混凝土压浆空心方桩断面配筋示意图；

图8为本发明的大断面灌注混凝土后压浆空心方桩示意图。

图中：

1、内圆钢套管    2、外方钢套管   3、肋筋板          4、空心腔体

5、混凝土受料槽  6、夹持器       7、液压高频振动器  8、出泥孔

9、预制桩尖      10、钢筋笼      11、现浇外方内圆桩身

12、桩帽         13、腰梁预埋件  14、桩帽甩筋

16、侧压浆管及阀 17、底压浆管及阀

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩及其制作方法加以说明。

本发明的大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩，该方桩的结构包括现浇外方内圆桩身11，外方内圆桩身11内设有钢筋笼10或不设钢筋笼，在外方内圆桩身11的上部设有后浇桩帽12，在外方内圆桩身的底部设有预制桩尖9，形成外方内圆的空心方桩；设有钢筋笼10的外方内圆的空心方桩最小壁厚为150mm；不设钢筋笼的空心方桩最小壁厚为100mm。

所述预制桩尖9的形状为外方内圆，预制桩尖9的上部设有凸缘，下部设有外方内圆的倾斜锥体。

所述大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩的断面尺寸为800×800～1200×1200mm。

本发明的大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩的施工方法包括以下步骤：(以下简称空心方桩)

1)选择空心方桩断面尺寸和桩长

根据空心方桩需承担的荷载、地质土层分布情况，计算土体对桩提供的垂直和水平承载力特征值，如桩周和桩端土的抗力提供的单桩垂直承载力特征值 $R_a=u_p\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{si}}{l}_i+{\mathrm{\η}}_p{q}_p{A}_p;$

同时按建筑桩基技术规范JGJ94-2008中后注浆灌注桩5.3.10式估算采用后压浆工艺土体对桩提供的垂直侧摩阻力和桩端阻力提高程度，按建筑桩基技术规范JGJ94-2008灌注桩后注浆6.7.4式估算采用后压浆工艺的水泥浆压力和注浆量；核算专用机械液压步履式打桩机通过国产HFA系列液压高频振动锤设备沉桩能力因素；选择空心方桩外方尺寸和桩长。

按土体对桩提供的垂直和水平承载力1.1倍核算空心方桩的抗压和抗剪强度，如桩体抗压强度设计值R_a≤A_pf_cψ_c，选择空心方桩内圆尺寸，确定空心方桩断面尺寸；

用于桩基、基坑支护工程时，选择设有钢筋笼的空心方桩，并计算钢筋笼的配筋量；

用于刚性复合地基时，选择不设钢筋笼素混凝土的空心方桩。

2)预制混凝土的外方内圆的预制桩尖9。

3)配制与空心方桩相应的内圆钢套管1、外方钢套管2，在外方钢套管2的四周边1/3及2/3处设有至少一个肋筋板3。

4)绑扎钢筋笼10，当土体对桩基提供的抗力小于空心方桩的抗压强度，需要进行后压浆施工以提高桩基承载力时，应在钢筋笼10上安放后压浆管及阀；

当用于基坑支护工程时，需要在钢筋笼10上安放腰梁预埋件13和后压浆管及阀。

5)平整场地，清除障碍物，确定桩位，安放预制桩尖9。

6)用附在液压步履式打桩机沉桩导向架上的夹持器6锁定配制的内圆钢套管1、外方钢套管2的上端，移动所述打桩机至桩位，校正桩位和桩垂直度，将配制的内圆钢套管1、外方钢套管2的下端卡住安放好的预制桩尖9。

7)用附在液压步履式打桩机通过沉桩导向架上的液压高频振动器7将与所述预制桩尖9相连的配制的内圆钢套管1、外方钢套管2振动下沉至设计标高，随着内圆钢套管1、外方钢套管2振动的下沉，通过设在外方钢套管2一侧壁上的出泥孔8，将挤出的泥土排出。

8)打开沉桩导向架上的夹持器6，在内圆钢套管1、外方钢套管2之间的空心腔体4内放入绑扎好的钢筋笼10，重新用沉桩导向架上的夹持器6锁定配制的内圆钢套管1、外方钢套管2的上端；

当沉管灌注素混凝土的空心方桩，直接向所述空心腔体4内填充素混凝土。

9)通过附在外方钢套管上部的混凝土受料槽5灌注混凝土，边振动上拔内圆钢套管1、外方钢套管2，边在内圆钢套管1、外方钢套管2之间的空心腔体4内灌注混凝土成桩，空心方桩的充盈系数为1.1；清除出泥孔8内挤出的泥土。

10)当土体对桩基提供的抗力小于空心方桩的抗压强度时，3～15天后，需通过钢筋笼10上的压浆管及阀，对上述已施工的混凝土成桩进行桩侧、桩底后压浆施工。所述钢筋笼10的相邻两壁之间设有加强筋，所述安放后压浆管及阀的位置是在钢筋笼10的一对角处设有侧压浆管及阀16，在钢筋笼另一对角的加强筋处设有底压浆管及阀17。

11)凿除已施工的沉管灌注钢筋混凝土后压浆空心方桩顶部松散混凝土，并挖除已成型的空心方桩内圆内的部分泥土，在已成型的空心方桩上部浇注钢筋混凝土桩帽12，并预留与上部结构承台或帽梁连接的桩帽甩筋14；

对灌注素混凝土的空心方桩，凿除素混凝土空心方桩顶松散混凝土，并挖除空心方桩的内圆内的部分泥土，在素混凝土后压浆空心方桩上部浇注素混凝土桩帽12。

通过实施例说明大断面灌注混凝土后压浆空心方桩及其制作方法实现过程：

实施例1：某桩基础工程，原采用φ800mm钻孔灌注桩，断面是实心的，园型截面周长小，截面面积A＝5026cm²，截面系数W＝50278cm³，惯性矩I＝2010619cm⁴。且钻孔灌注桩等成桩时长采用泥浆护壁，场地泥浆污染严重，成桩后桩侧存在泥皮、桩底存在沉渣。虽然采取了桩侧和桩端后压浆等措施，该工程处于深厚软弱土区，周长小，桩周和桩端土的抗力提供的单桩承载力远低于桩体轴压强度设计值，截面惯性矩小，配筋多，其桩体强度和钢筋强度不能得到充分发挥。

采用800×800大断面灌注钢筋混凝土后压浆空心方桩，空心内园φ500mm，截面面积A＝4436cm²，截面系数W＝73058cm³，惯性矩I＝3106458cm⁴。和φ800mm钻孔灌注桩相比：截面面积比是0.88，周长比是1.273，惯性矩比是1.545，按等代截面进行计算，有效地解决了上述问题，桩周土和桩端土的抗力提供的单桩承载力和桩体轴压强度设计值基本相当，惯性矩及周长大，水平和抗弯刚度大，截面形状利于配筋，桩的水平承载力高，使土的抗力提供的单桩垂直、水平承载力和桩体强度及钢筋强度均得到充分发挥。截面配筋减少，施工周期缩短，工程质量提高，无场地污染。

实施例2：某基坑支护工程，基坑深8m，原采用φ800mm钻孔灌注桩，桩间距1000mm，截面面积A＝5026cm²，截面系数W＝50278cm³，惯性矩I＝2010619cm⁴，且钻孔灌注桩等成桩时长采用泥浆护壁，场地泥浆污染严重。地下水位-1.0m，土层分为5层，分别为杂填土、粉质粘土、淤泥质粘土，粉土、粉细砂，支护桩计算结果为：

最大正弯矩243.3kN-m，最大负弯矩288.2kN-m；

最大正剪力106.3kN，最大负剪力-176.8kN，配筋总10Φ22；

最大位移27.3mm，截面面积5026cm²，惯性矩2019619cm⁴。

采用800×800灌注大断面钢筋混凝土空心方桩，空心内园φ500mm，截面面积4436cm²，惯性矩3106458cm⁴。和φ800mm钻孔灌注桩相比：截面面积比是0.88，惯性矩比是1.545，按等代截面进行基坑支护总计算配筋4Φ22+4Φ20，位移和混凝土截面及配筋减少，施工周期缩短，工程质量提高，施工场地无泥浆污染。

方案例3；某基坑支护工程，基坑深12m，原采用φ1000mm钻孔灌注桩，桩间距1200mm，截面面积A＝7854cm²，截面系数W＝98175cm³，惯性矩I＝4908739cm⁴，且钻孔灌注桩等成桩时长采用泥浆护壁，场地泥浆污染严重。地下水位-1.0m，土层分为8层，分别为杂填土、粉质粘土、淤泥质粘土、粘土、粉土、粉质粘土、粉土、粉细砂，支护桩计算结果为：

最大正弯矩896.8kN-m，最大负弯矩586.9kN-m；

最大正剪力213.3kN，最大负剪力-333.4kN，配筋总15Φ25；

最大位移28.6mm，截面面积7854cm²，惯性矩4908739cm⁴。

采用1000×1000灌注大断面钢筋混凝土空心方桩，空心内园φ700mm，截面面积6151cm²，惯性矩7154745cm⁴。和φ1000mm钻孔灌注桩相比：截面面积比是0.78，惯性矩比是1.458，按等代截面进行基坑支护总计算配筋4Φ25+10Φ22，最大位移27.5mm。若按此方案基坑位移和桩混凝土截面及配筋减少，施工周期缩短，工程质量提高，施工场地无泥浆污染。

实施例4；某油罐地基工程，要求地基承载力的特征值达到180kpa，但场地处于新充填深厚软弱土区，虽经过插塑料排水板、堆载预压处理，地基承载力的特征值仅达到80kpa，地基承载力和地基沉降均不能满足油罐基础的要求，为此，分别进行了水泥土搅拌桩、CFG桩、素混凝土桩、沉管灌注素混凝土空心方桩复合地基方案比选：

水泥土搅拌桩复合地基方案：其桩体强度与弹性摸量均很低、在荷载作用下，桩体压缩量大，单桩承载力低，复合地基承载力受到桩体强度的极大制约，深度超过15m后桩体强度很低，且成桩困难。置换率较大，投资较高，施工速度慢，施工场地污染严重。

CFG桩、素混凝土桩、其桩体强度与弹性摸量较高，但圆型实心截面周长小，软弱地基提供的桩侧摩阻力和桩端阻力较小，桩体强度远大于桩周土和桩端土对桩提供的抗力，受到软弱土提供的单桩承载力低的极大制约。其桩体强度不能得到充分发挥。置换率较大，投资较高，施工速度慢，施工场地污染严重。

大断面灌注素混凝土空心方桩复合地基方案：采用800×800mm素混凝土空心方桩，最小壁厚100mm，空心内圆为φ600mm，外周长为3200mm，截面面积375200mm²，桩中心距为3200mm，桩周土和桩端土的抗力提供的单桩承载力相当于1000mm桩，由桩周土和桩端土的抗力提供的单桩承载力略小于桩体轴压强度设计值。使土的抗力提供的单桩垂直承载力和桩体强度均得到充分发挥。置换率较低，投资较少，施工周期短，工程质量高，施工场地无泥浆污染。

本发明大断面灌注混凝土后压浆空心方桩的适用范围：

大断面灌注混凝土后压浆空心方桩的应用潜力巨大，常用外方尺寸为800、1000、1200mm。

大断面灌注素混凝土后压浆空心方桩最小厚度为100mm，主要用于刚性复合地基工程；大断面灌注钢筋混凝土后压浆空心方桩最小厚度为150mm。大断面灌注钢筋混凝土后压浆空心方桩主要用于桩基础；大断面灌注钢筋混凝土空心方桩主要用于基坑支护工程的工程；因设备高度所限，一般桩长不宜超过30m。

本发明不适用于具有坚硬土层的桩基工程、刚性复合地基、基坑支护工程的工程设计和施工。

本发明的空心方桩采用专用沉桩机械为液压步履式打桩机，国产HFA系列液压高频振动锤及夹持器，空心方桩成孔结构如图1所示；内外钢套管横断面结构如图2所示；内外钢套管纵断面结构如图3所示；预制桩尖结构如图4所示；预制桩尖断面如图5、6所示；灌注钢筋混凝土后压浆空心方桩断面配筋图如图7所示。大断面灌注混凝土后压浆空心方桩示意图如图8所示。

本发明大断面灌注混凝土后压浆空心方桩的质量措施要点：

严格控制预制桩尖的尺寸和强度；

控制沉管时，内外套管的垂直度；

控制沉管灌注混凝土空心方桩灌注混凝土时的塌落度；

严格控制内外套管的拔管速度；

强化施工过程控制与质量验收。

Claims (3)

1.一种大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩，该方桩的结构包括现浇外方内圆桩身，外方内圆桩身内设有钢筋笼或不设钢筋笼，在外方内圆桩身的上部设有后浇桩帽，在外方内圆桩身的底部设有预制桩尖，形成外方内圆的空心方桩；其特征是：

设有钢筋笼的外方内圆的空心方桩最小壁厚为150mm；不设钢筋笼的空心方桩最小壁厚为100mm；所述预制桩尖的形状为外方内圆,预制桩尖的上部设有凸缘,下部设有外方内圆的倾斜锥体；所述大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩的断面尺寸为800×800～1200×1200mm。

2.根据权利要求1所述大断面沉管灌注混凝土后压浆空心方桩的施工方法，该方法包括以下步骤：（以下简称空心方桩）

1）选择空心方桩断面尺寸和桩长

根据空心方桩需承担的荷载、地质土层分布情况，按建筑桩基技术规范JGJ94-2008计算土体对桩提供的垂直和水平承载力特征值；同时按所述技术规范估算采用后压浆工艺土体对桩提供的垂直侧摩阻力和桩端阻力、水泥浆压力和注浆量；核算机械液压步履式打桩机液压高频振动锤设备沉桩能力因素，选择空心方桩外方尺寸和桩长；

按土体对桩提供的垂直和水平承载力1.1倍核算空心方桩的抗压强度和抗剪强度，选择空心方桩内圆尺寸，确定空心方桩断面尺寸；

用于桩基、基坑支护工程时，选择设有钢筋笼的空心方桩，并计算钢筋笼的配筋量；

用于刚性复合地基时，选择不设钢筋笼素混凝土的空心方桩；

2）预制混凝土的外方内圆预制桩尖；

3）配制与空心方桩相应的内圆钢套管、外方钢套管，在外方钢套管的四周边1/3及2/3处设有至少一个肋筋板；

4）绑扎钢筋笼，当土体对桩基提供的抗力小于空心方桩的抗压强度，需要进行后压浆施工以提高土体对桩基提供的抗力时，应在钢筋笼上安放后压浆管及阀；

当用于基坑支护工程时，需要在钢筋笼上安放腰梁预埋件和后压浆管及阀；

5）平整场地，清除障碍物，确定桩位，安放预制桩尖；

6）用附在液压步履式打桩机沉桩导向架上的夹持器锁定配制的内圆钢套管、外方钢套管的上端，移动所述打桩机至桩位，校正桩位和桩垂直度，将配制的内圆钢套管、外方钢套管的下端卡住安放好的预制桩尖；

7）用附在液压步履式打桩机通过沉桩导向架上的液压高频振动锤将与所述空心桩尖相连的配制的内圆钢套管、外方钢套管振动下沉至设计标高，随着内圆钢套管、外方钢套管振动的下沉，通过设在外方钢套管一侧壁上的出泥孔，将挤出的泥土排出；

8）打开沉桩导向架上的夹持器，在内圆钢套管、外方钢套管之间的空心腔体内放入绑扎好的钢筋笼，重新用沉桩导向架上的夹持器锁定配制的内圆钢套管、外方钢套管的上端；

9）通过附在外方钢套管上部的混凝土受料口灌注混凝土，边振动上拔内圆钢套管、外方钢套管，边在内圆钢套管、外方钢套管之间的空心腔体内灌注混凝土成桩，空心方桩的充盈系数为1.1；清除出泥孔内挤出的泥土；

当灌注素混凝土的空心方桩时，直接向所述空心腔体内填充素混凝土；

10）当土体对桩基提供的抗力小于空心方桩的抗压强度时，3～15天后，需通过钢筋笼上的压浆管及阀，对上述已施工的混凝土成桩进行桩侧、桩底后压浆施工；

11）凿除已施工的沉管灌注钢筋混凝土后压浆空心方桩顶部松散混凝土，并挖除已成型的空心方桩内圆内的部分泥土，在已成型的空心方桩上部浇注钢筋混凝土桩帽，并预留与上部结构承台或帽梁连接的钢筋；

对灌注素混凝土的空心方桩，凿除素灌注素混凝土的空心方桩顶松散混凝土，并挖除空心方桩的内圆内的部分泥土，在素混凝土后压浆空心方桩上部浇注素混凝土桩帽。

3.根据权利要求2所述的施工方法，其特征是：所述步骤4）中钢筋笼的相邻两壁之间设有加强筋，所述安放后压浆管及阀的位置是在钢筋笼的一对角处设有侧压浆管及阀，在钢筋笼另一对角的加强筋处设有底压浆管及阀。

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