CN102628270B - 大直径变截面异形增阻钢管桩系统及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径变截面异形增阻钢管桩系统，包括海上作业平台，海上作业平台上设有起吊设备和高压泵，高压泵与钢管桩内壁上的若干高压喷射管连接，所述钢管桩顶端设有桩帽，桩帽上部设有与起吊设备相连的振动锤；钢管桩中设置有泥浆泵支架，泥浆泵支架上支撑有排浆管，排浆管下部连接泥浆泵，上部与钢管桩侧面上的排浆口相通。本发明同时公开该系统的施工方法。本发明适应各类对桩基抗压、抗拔、抗弯等特殊技术要求的地基基础工程，具有施工快捷、造价低廉、施工质量易控等特点，特别适应于类似桥墩、海上风机等海上工程大型单体结构。

Description

大直径变截面异形增阻钢管桩系统及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种钢管桩，尤其是一种大直径变截面异形增阻钢管桩系统及其施工方法。

背景技术

钢管桩作为当今基础工程中使用的一种主要桩型，广泛应用在高层建筑、桥梁、海港码头等工程中。特别是近几年来海上工程的快速发展，在跨海大桥、石油平台等大型工程采用钢管桩取得良好的效果，扩展了钢管桩的应用前景，促使钢管桩技术得到快速提升。

现在通用的钢管桩多为等直径的焊接钢管，直径范围400-1200mm左右。对于类似桥墩、海上风机等大型单体结构需采用多根钢管桩才能满足上部结构要求，同时基础中的每根钢管桩承载性能均需满足设计要求才能进行上部结构施工，因此桩基施工难度较大。且在沉桩时均采用锤击式沉桩，对于较硬的地层沉桩较为困难，容易形成各个钢管桩承载能力的差异，对基础造成安全隐患。等直径的钢管桩提供的竖向及水平承载力相对较小，因此费用较高。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种大直径变截面异形增阻钢管桩系统及其施工方法，其适应各类对桩基抗压、抗拔、抗弯等特殊技术要求的地基基础工程，具有施工快捷、造价低廉、施工质量易控等特点，特别适应于类似桥墩、海上风机等海上工程大型单体结构。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种大直径变截面异形增阻钢管桩系统，包括海上作业平台，海上作业平台上设有起吊设备和高压泵，高压泵与钢管桩内壁上的若干高压喷射管连接，所述钢管桩顶端设有桩帽，桩帽上部设有与起吊设备相连的振动锤；钢管桩中设置有泥浆泵支架，泥浆泵支架上支撑有排浆管，排浆管下部连接泥浆泵，上部与钢管桩侧面上的排浆口相通。

所述高压泵通过高压管与钢管桩内壁上的若干高压喷射管连接。

所述高压喷射管焊接于钢管桩内壁上，上部与高压管密封连接，每根高压管上设置两个或多个高压管喷射口。

所述振动锤为套筒式柴油振动锤，上部与起吊设备通过钢丝绳连接，下部套在钢管桩顶端。

所述钢管桩的外部中上部均匀焊接有若干增阻片。

所述钢管桩的内腔为十字型或三角型或四角型或多分支的变截面形状。

大直径变截面异形增阻钢管桩系统的施工方法，步骤如下：

1)把预制焊接的钢管桩及桩帽用起吊设备放置到打桩的位置，调平，在钢管桩体自重的压力下，钢管桩底端的部分钢管桩体进入土体中；

2)利用起吊设备把振动锤吊起并平放到桩帽上，同时振动锤的套筒套在钢管桩的上端；

3)连接高压泵、高压喷射管及排浆管、泥浆泵；

4)通过高压管及桩内高压喷射管向钢管桩内喷射高压水流，使得钢管桩内底部的土层受到扰动、形成泥浆；

5)开启泥浆泵，把钢管桩内泥浆抽出，同时降低钢管桩体内的水头，增大钢管桩体内外水头压力差；在水头压力的作用下，钢管桩体底端的土层变的松散，使得沉桩更为容易；

随着钢管桩底部泥浆的抽出，钢管桩底部土层阻力降低，钢管桩在自重及振动锤重量的压力下开始下沉，当土层较硬时利用振动锤锤击进行助沉；

6)在沉桩过程中若出现倾斜情况时，通过调节不同位置上的高压喷射管的开启及调节水流的大小进行调平，同时利用振动锤起辅助调节作用以达到桩体垂直的效果；

7)桩体沉到预定深度后，通过高压喷射管向桩内喷射高压水泥浆液，用水泥浆液置换桩体内的泥浆，形成高强度的水泥土混合体，同时增强桩体的刚度，增大桩体的桩端竖向承载力，并提高桩基础的抗弯能力；

8)沉桩完成后，去除桩帽，把钢管桩桩体与上部结构或承台焊接在一起成为桩基础。

应用时，把预制焊接的桩体用起吊设备放置到打桩的位置，在桩体自重的压力下，桩底端的部分桩体进入土体中。把振动锤放置在桩的上端，调平后通过桩体腔内高压喷射管喷射高压水流，使得进入桩体内的土形成泥浆，减小甚至消除桩体内侧沉桩阻力。使得桩体在自重作用下不断下沉，必要时采用振动锤助沉。当桩体进入土体一定深度后，开启桩体内的泥浆泵，把桩体内部的泥浆抽出，降低桩体内的水头，增大桩体内外水头压力差。在水头压力的作用下，桩体底端的土层变的松散，使得沉桩更为容易，直至进入预定深度。

在沉桩过程中若出现倾斜情况时，通过调节不同位置上的高压喷射管的开启及调节水流的大小进行调平，同时利用振动锤起辅助调节作用以达到桩体垂直的效果。

桩体沉到预定深度后，通过高压喷射管向桩内喷射高压水泥浆液，用水泥浆液置换桩体内的泥浆，形成高强度的水泥土混合体，同时增强桩体的刚度，增大桩体的桩端竖向承载力，并提高桩基础的抗弯能力。沉桩完成后，把桩体与上部结构或承台焊接在一起成为桩基础。

本发明的有益效果是，本发明针对当前基础工程中对于钢管桩的快速需求，结合迅速发展的桩基理论和实践经验，形成了大直径变截面异形增阻钢管桩技术。本发明由于采用变截面的设计理念，扩大了桩土比表面积，提高了桩侧摩阻力；由于桩端截面积相对较大，形成了扩底技术，极大地提高了桩基的抗压、抗拔和抗弯承载能力；桩体受到上拔力时，内部充填后的桩底部形成局部真空，产生吸力，增大了桩基的抗拔承载能力；在施工过程中采用水流喷射技术，沉桩较为容易、可控；桩体内充填水泥土，增强了桩体的强度和重量，提高了桩竖向承载能力和抗倾斜能力；在桩体的前端一定范围内增加增阻钢板，提高了桩体的抗水平力及竖向侧摩阻力。由于采用大直径桩体，可采用单根桩即可满足上部结构的设计要求，提高了基础整体的稳定性及安全性。

本发明适应各类对桩基抗压、抗拔、抗弯等特殊技术要求的地基基础工程，具有施工快捷、造价低廉、施工质量易控等特点，特别适应于类似桥墩、海上风机等海上工程大型单体结构。

本发明充分利用桩体异性、变截面的设计理念，扩大了桩土比表面积，提高了桩侧摩阻力和桩端阻力，采用扩底及增阻技术，增强了桩体的抗弯、抗拔及抗压性能。其主要特点如下：

1、桩的综合工程性能突出。由于采用异性截面桩体，同等材料用量的情况下扩大了桩土比表面积，提高了桩侧摩阻力，相应提高了桩的抗拔、抗压能力；异性截面桩体同时对桩的水平抗力也有明显的提高。

变截面的桩体设计节省了桩的材料用量，并产生了扩底效应。由于桩底面积的增大，提高了桩体的抗弯、抗拔及抗压能力。

2、桩体内部采用高压喷射水流技术，减小了沉桩阻力，使得桩基施工难度降低，必要时可利用该技术调整沉桩过程中桩的倾斜度。采用水泥土充填技术，增大了桩体的刚度和重量，使得桩端竖向承载能力大幅度提高，同时提升了桩体的抗弯和抗拔能力，桩体整体稳定性较好。

充填后的桩体受到上拔力时，桩底部形成局部真空，产生吸力，也相应地增大了桩基的抗拔承载能力。

3、桩基可靠度较高。由于采用大直径桩体，能提供较高的抗压、抗拔及水平承载力，对于海上桥墩、海上风电基础等可采用单根桩即可满足上部结构的设计要求，大大提高了基础的稳定性和安全性，施工质量可控、可靠。

4、在桩体的上端一定范围内增加增阻钢板，提高了桩体的抗水平力及竖向侧摩阻力。

5、适用范围广。采用本技术形成的桩体截面形状灵活，全面提高了桩基的抗压、抗拔、抗弯等参数，能满足各类特殊技术要求的地基基础工程，适用范围十分广泛。具有施工快捷、造价低廉、施工质量可靠等特点，特别适应于类似桥墩、海上风机等大型单体结构。

附图说明

图1是本发明整体系统施工示意图；

图2是钢管桩桩基结构平视图；

图3是钢管桩桩基俯视图；

图4是钢管桩桩基仰视图；

其中1.海上作业平台，2.起吊设备，3.高压泵，4.高压管，5.振动锤，6.桩帽，7.排浆口，8.海平面，9.海底地面，10.增阻片，11.钢管桩，12.高压喷射管，13.排浆管，14.桩内水面，15.高压管喷射口，16.泥浆泵，17.泥浆泵支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-4所示，鉴于钢板加工较为方便，本发明桩体截面根据工程设计功能要求内腔形状可采用“十字型”、“三角型”、“四角型”或多分支等各类变截面。下面以“十字型”桩为例说明如下：

主要包括以下17个构件，分别说明如下：

1、海上作业平台1：为起吊设备2、高压泵3及设备操作提供作业平台。

2、起吊设备2：与海上作业平台1固定连接，与振动锤5通过钢丝绳连接。主要作用为起吊钢管桩11桩体并按预定打桩位置放置、调平；起吊振动锤5，在振动锤5上下振动时起到牵引固定作用。

3、高压泵3：固定在海上作业平台1上，与高压管4固定连接。根据要求向桩体内喷射高压水流或高压水泥浆液。

4、高压管4：与高压泵3和8个桩内高压喷射管12固定连接。主要作用为传输向桩体内喷射高压水流或高压水泥浆液。

5、振动锤5：为套筒式柴油振动锤，上部与起吊设备2通过钢丝绳连接，下部套在钢管桩11的顶端，在钢管桩11与振动锤5之间存在桩帽6。振动锤作用为在打桩过程中增加桩体下压力，起到助沉效果，还可以在沉桩过程中辅助调节钢管桩11的垂直度，若遇到较硬地层时通过锤击起助沉作用。

6、钢帽6：位于钢管桩11顶端与振动锤5之间，与钢管桩11焊接。主要作用保护钢管桩11的桩头，在振动锤5锤击过程中起到缓冲作用。

7、排浆口7：排浆管13通过排浆口7把桩内部的泥浆排出到桩外。

8、海平面8：施工现场的海水上平面。

9、海底地面9：施工现场的海底地面9。

10、增阻片10：焊接在钢管桩11外部，共4片，焊接位置设置在钢管桩11桩体的中上部。主要作用为扩大钢管桩11桩侧土对桩体的水平抗力和竖向摩擦力，增大钢管桩11水平向和垂直向的承载能力。

11、钢管桩11：由钢板加工而成的空腔桩体，其外形和尺寸按照设计要求制作。

12、桩内高压喷射管12：焊接在钢管桩11的内壁上，上部与高压管4密封连接，每根管设置2个或若干个高压管喷射口15，根据要求向桩体内喷射高压水流或高压水泥浆液。按照设计要求设定不同的喷射方向。

13、排浆管13：上部通过排浆口7通向钢管桩11体外进行排浆，下部连接泥浆泵16。根据钢管桩11打入深度的变化可以调整排浆管13的长度，以达到排除钢管桩11体内泥浆的目的。

14、桩内水面14：施工过程中桩内水平面。

15、高压喷射口15：按照要求设置在桩内高压管12不同位置上的喷射口，每根桩内高压管12设置2个或若干个高压喷射口15，按要求设定不同的喷射方向。

16、泥浆泵16：与排浆管13下部固定连接。根据要求抽取钢管桩11内部的泥浆，并向外排放。其位置可根据要求上下调整。

17、泥浆泵支架17：焊接固定在钢管桩11上端内侧，水平位置与排浆口7相同。主要作用为排浆管13和泥浆泵16提供支撑。

本发明的施工工艺如下：

首先把预制焊接的桩体用起吊设备2放置到打桩的位置，在桩体自重的压力下，桩底端的部分桩体进入土体中。把振动锤5放置在桩的上端，调平后通过桩体腔内高压喷射管12喷射高压水流，使得进入桩体内的土形成泥浆，减小甚至消除桩体内侧沉桩阻力。使得桩体在自重作用下不断下沉，必要时采用振动锤5助沉。当桩体进入土体一定深度后，开启桩体内的泥浆泵16，把桩体内部的泥浆抽出，降低桩体内的水头，增大桩体内外水头压力差。在水头压力的作用下，桩体底端的土层变的松散，使得沉桩更为容易，直至进入预定深度。

在沉桩过程中若出现倾斜情况时，通过调节不同位置上的高压喷射管12的开启及调节水流的大小进行调平，同时利用振动锤5起辅助调节作用以达到桩体垂直的效果。

桩体沉到预定深度后，通过高压喷射管12向桩内喷射高压水泥浆液，用水泥浆液置换桩体内的泥浆，形成高强度的水泥土混合体，同时增强桩体的刚度，增大桩体的桩端竖向承载力，并提高桩基础的抗弯能力。沉桩完成后，把桩体与上部结构或承台焊接在一起成为桩基础。

具体施工程序如下：

本钢管桩技术特别适合海工工程的施工，以此为例描述其施工程序如下：

1、海上作业平台1固定就位。通过起吊设备2把钢管桩11及桩帽6吊起并垂直放置到海底地面上，调平。然后利用起吊设备2把振动锤5吊起并平放到桩帽6上，同时振动锤5的套筒套在钢管桩11的上端。

2、连接高压泵3、高压管4及排浆管13、泥浆泵16等。

3、通过高压管4及桩内高压喷射管12向钢管桩11内喷射高压水流，使得钢管桩11内底部的土层受到扰动、形成泥浆。开启泥浆泵16，把桩内泥浆抽出，同时降低桩体内的水头，增大桩体内外水头压力差。在水头压力的作用下，桩体底端的土层变的松散，使得沉桩更为容易。

4、随着桩底部泥浆的抽出，桩底部土层阻力降低，钢管桩11在自重及振动锤5重量的压力下开始下沉，当土层较硬时利用振动锤5锤击进行助沉。

在沉桩过程中若出现倾斜情况时，通过调节不同位置上的高压喷射管的开启及调节水流的大小进行调平，同时利用振动锤起辅助调节作用已达到桩体垂直的效果。

5、桩体沉到预定深度后，通过桩内高压管12向桩内喷射高压水泥浆液，用水泥浆液置换桩体内的泥浆，形成高强度的水泥土混合体，同时增强桩体的刚度和稳定性能，增大桩体的桩端竖向承载力，并提高桩基础的抗弯能力。

6、沉桩完成后，去除桩帽6，把钢管桩11桩体与上部结构或承台焊接在一起成为桩基础。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种大直径变截面异形增阻钢管桩系统的施工方法，所述钢管桩系统包括海上作业平台，海上作业平台上设有起吊设备和高压泵，高压泵与钢管桩内壁上的若干高压喷射管连接，所述钢管桩顶端设有桩帽，桩帽上部设有与起吊设备相连的振动锤；钢管桩中设置有泥浆泵支架，泥浆泵支架上支撑有排浆管，排浆管下部连接泥浆泵，上部与钢管桩侧面上的排浆口相通，其特征是，施工方法步骤如下：

1）把预制焊接的钢管桩及桩帽用起吊设备放置到打桩的位置，调平，在钢管桩体自重的压力下，钢管桩底端的部分钢管桩体进入土体中；

2）利用起吊设备把振动锤吊起并平放到桩帽上，同时振动锤的套筒套在钢管桩的上端；

3）连接高压泵、高压喷射管及排浆管、泥浆泵；

4）通过高压管及桩内高压喷射管向钢管桩内喷射高压水流，使得钢管桩内底部的土层受到扰动、形成泥浆；

5）开启泥浆泵，把钢管桩内泥浆抽出，同时降低钢管桩体内的水头，增大钢管桩体内外水头压力差；在水头压力的作用下，钢管桩体底端的土层变的松散，使得沉桩更为容易；

随着钢管桩底部泥浆的抽出，钢管桩底部土层阻力降低，钢管桩在自重及振动锤重量的压力下开始下沉，当土层较硬时利用振动锤锤击进行助沉；

6）在沉桩过程中若出现倾斜情况时，通过调节不同位置上的高压喷射管的开启及调节水流的大小进行调平，同时利用振动锤起辅助调节作用以达到桩体垂直的效果；

7）桩体沉到预定深度后，通过高压喷射管向桩内喷射高压水泥浆液，用水泥浆液置换桩体内的泥浆，形成高强度的水泥土混合体，同时增强桩体的刚度，增大桩体的桩端竖向承载力，并提高桩基础的抗弯能力；

8）沉桩完成后，去除桩帽，把钢管桩桩体与上部结构或承台焊接在一起成为桩基础。

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