CN103741682A - 一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，其特征在于所述组合异形桩上部为圆形桩身，下部为反拱曲面桩身，桩底设异形预制桩尖；桩身外侧包裹碳纤维布袋，组合异形桩顶部设置有带加劲板的钢套管；圆形桩身外侧的空腔内填充有竖向排水体，桩顶现浇盖板内预设了与竖向排水体连通的竖向排水管。本发明在桩体外侧设置碳纤维布袋可同时起到桩体加筋、改善桩身受力性能、增强桩体整体性的作用；下部桩身断面呈反拱曲面可防止桩身混凝土过度充盈对桩侧摩阻力的影响，上部桩身断面呈圆形可降低桩侧负摩阻力对桩身性能的影响。本发明还公开了上述组合异形桩的施工方法。

Description

一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩及施工方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩及施工方法，特别涉及一种桩身上部为圆形、下部为反拱曲面形、桩身外侧设碳纤维布的组合异形桩，属于地基处理领域，适用于软土地区、欠固结土地区的地基处理工程。

背景技术

近年来，随着土地资源的日趋紧张，越来越多的工程项目需建设在含深厚软基、土体固结不充分、持力层埋深大的区域，这些区域的地基土体多存在诸多不利于工程建设的客观条件，如沉降变形量大、地基承载能力低等等。另外，由于软土地基具有“三高三低”的特性，在上覆荷载作用下，桩周土层下沉量往往会大于桩身下沉量，从而在桩长范围内产生桩周负摩阻力，可能将造成桩身破坏、桩端地基屈服或破坏等问题。对此，为改善地基处理的效果，一些学者和工程研究人员在地基处理方面进行了有针对性的研究。

目前，在软土地区的地基处理时，往往考虑采用排水固结法、摩擦型桩法等处理方法。其中，排水固结法是先在地基中设置砂井（袋装砂井或塑料排水带）等竖向排水体，然后利用上部荷载对场地进行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。摩擦型桩是主要依靠桩侧土的摩阻力支撑垂直荷载的地基加固方式，摩擦型桩是在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载由桩侧阻力承受，桩端阻力小到可忽略不计。

近年来异形桩在软土地基工程应用中被逐步推广，其中较常见的有反拱曲面Y、X形桩，该桩体改变了桩“非圆即方”的传统理念，具有向里凹的反拱曲面。根据等截面异形周边扩大原理，如Y形桩与同面积圆形桩相比，周长为其1.5倍左右，因此具有更大的桩侧摩阻力和更高的水平承载性能。同时，反拱曲面桩相比传统现浇桩型，浇筑混凝土充盈或过度充盈后其侧表面周长相对削弱较小，对桩侧摩阻力削弱相应的有所减少。

反拱曲面异形桩虽具有良好的力学特性，但由于桩身部分区域相对较薄，其抗腐蚀性能较差，并且桩体受弯后易产生裂缝，加剧腐蚀破坏，甚至危及内部配筋。目前已有采用外套塑料套管保护反拱曲面桩体的相关技术，但塑料套管与混凝土粘结力不能抵抗导致混凝土开裂的应力，即便采用波纹塑料套管，也无法有效阻止桩体混凝土开裂，塑料套管主要起到的是隔绝作用，防止地下水侵蚀混凝土。                                                

综上所述，现有研究成果在适宜的工程条件下取得了良好的加固效果，如异形桩可改善桩体的受力性能、布袋施工快速等，但仍存一定不足，主要体现在异形桩的耐久性较差，抵抗负摩阻力破坏的能力不足，桩身薄弱处易损坏，施工工艺复杂等方面。鉴于此，基于当前工程的实际需要，目前亟待发明一种可调节桩周土体不同摩阻力对桩体承载力产生的影响、耐久性好、抗裂性能强的新型桩体结构及施工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种施工工艺简单、桩体承载能力高、桩身抗裂性能好、造价低、兼具排水固结作用的碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩结构及施工方法。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，其特征在于所述组合异形桩的桩顶设有现浇盖板，上部为圆形桩身，下部为反拱曲面桩身，桩底设异形预制桩尖；桩身外侧包裹碳纤维布袋，组合异形桩顶部设置有带加劲板的钢套管；圆形桩身外侧与桩周土体之间的空腔内填充有竖向排水体，桩顶现浇盖板内预设有与竖向排水体连通的竖向排水管；异形预制桩尖与反拱曲面桩身形状相似，上表面设有碳纤维布袋连接台、沉管限位孔。

所述圆形桩身的配筋量和混凝土强度相较于反拱曲面桩身有所提高，长度根据现场情况调整。

反拱曲面桩身横截面为X形或Y形，截面形心与圆形桩身的圆心重合。

所述碳纤维布袋具有隔水性能，形状与反拱曲面组合异形桩相同，转折处内衬薄橡胶垫片缝合加强。

竖向排水体为碎石或中粗砂，竖向排水体所填充的孔道为异形预制桩尖下压形成的反拱曲面空腔被圆形桩身填充后剩余部分空腔。

所述钢套管设于圆形桩身的上端部，其外侧沿环向布设加劲板，加劲板为直角梯形钢板，底边与钢套管焊接，直角边高出钢套管上边缘。

碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩的施工方法，主要包括以下步骤：

1）施工准备：根据设计要求制作所需沉管、钢套管及异形预制桩尖，缝合碳纤维布袋；场地清平，机械行走轨道铺设，机械进场；

2）装置组合：将异形预制桩尖与钢沉管连接，钢套管与钢沉管之间焊接数根钢筋定位；碳纤维布袋下部连接至预制桩尖上，上部与钢套管连接，碳纤维布袋整体保持绷直状态； 

3）装置下沉：通过钢沉管下压异形预制桩尖，利用异形预制桩尖外形，装置下沉过程中形成反拱曲面空腔，最后钢套管外部分加劲板压入土体内；

4）浇筑桩身：装置下沉完成后，放置钢筋笼，向碳纤维布袋内灌注桩身混凝土，形成圆形桩身和反拱曲面桩身，直至桩顶；

5）上拔沉管：桩身混凝土浇筑完成后，震动上拔桩体内的钢沉管，并随时补充桩身混凝土材料；

6）填充排水体：钢沉管拔出后，圆形桩身外侧剩余空腔内填筑竖向排水体；

7）排水通道连通：竖向排水体内插入外包反滤土工布的排水管，并保证排水管伸出桩顶盖板一定长度；

8）盖板浇筑：待混凝土初凝后，根据设计要求在桩顶支设模板，绑扎钢筋，竖向排水体上铺设土工布，加劲板高出部分及钢套管插入盖板内；

9）后续施工：桩顶盖板浇筑、养护完成后，进行后续工程施工。

施工方法中桩身混凝土可采用自密实混凝土或掺入适量膨胀剂。

所述钢沉管为小直径圆形钢管，另外还可根据场地土质条件在碳纤维布袋外加设反拱曲面钢沉管。

本发明具有以下的特点和有益效果：

（1）本发明的异形组合桩下部桩身为反拱曲面，可克服软体地区现浇桩身混凝土过度充盈对侧摩阻力的损伤；上部桩身设置为圆形桩身，可降低上部负摩阻力区对桩身竖向承载性能的削弱效应。

（2）桩身外包碳纤维布，可防止地下水侵蚀桩身混凝土，并利用碳纤维布自身抗拉性能使反拱曲面桩身薄弱处具有一定抗裂性能。

（3）上部圆形桩体的外侧空隙采用竖向排水体填充，可减少桩侧挤土效应、加速桩周土体固结、减小桩侧负摩阻力。

（4）在装置下沉阶段，钢套管配合预制异形桩尖将碳纤维布袋保持紧绷，防止布袋弯折破裂；浇筑盖板时，部分钢套管及高出钢套管的加劲板预埋入盖板，可加强盖板与桩身连接，并且防止上部结构施工时桩头破坏。

附图说明

图1是本发明一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩示意图；

图2是本发明的施工装置示意图；

图3是本发明的异形预制桩尖示意图；

图4是本发明反拱曲面桩身处横截面示意图；

图5是本发明圆形桩身处横截面示意图；

图6是本发明一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩的施工流程示意图；

图中：1-圆形桩身、2-反拱曲面桩身、3-异形预制桩尖、4-碳纤维布袋、5-钢套管、6-加劲板、7-桩顶盖板、8-排水管、9-钢沉管、10-连接钢筋、11-沉管限位孔、12-碳纤维布袋连接台、13-钢筋混凝土桩尖、14-竖向排水体、15-桩周土体。

具体实施方式

钢沉管（包括反拱曲面钢沉管）、钢套管及加劲板制作与焊接，碳纤维布袋缝合技术，装置下压技术，桩身、异形预制桩尖和桩顶盖板的混凝土配比及外掺剂等本实施例中不在累述，重点阐述本发明涉及结构的实施方式。

图1是本发明一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩示意图；图2是本发明的施工装置示意图；图3是本发明的异形预制桩尖示意图；图4是本发明反拱曲面桩身处横截面示意图；图5是本发明圆形桩身处横截面示意图；参照图1~5所示的碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，主要包括：圆形桩身1、反拱曲面桩身2、异形预制桩尖3、碳纤维布袋4、钢套管5、加劲板6、桩顶盖板7、排水管8、竖向排水体14。

现场开工前应预先制作好各类所需钢材制品，制作相应的碳纤维布袋4。清理施工现场后，进行施工放线，确定桩位，施工设备及各类材料及时进场。

首先进行施工装置组合，将与钢沉管9插入预制异形桩尖3上的钢沉管限位孔11，钢沉管另一端垂直焊接3根等长连接钢筋10连接钢套管5，套入碳纤维布袋4。利用碳纤维布袋连接台12固定碳纤维布袋4，袋口与钢套管5用树脂胶粘结。钢套管5外侧焊接加劲板6，加劲板6布置于对应的钢筋混凝土桩尖13外侧面的反拱曲面凹面中线延伸线附近，高出钢套管50mm。

将装置直立，桩尖对准桩位中心，采用静压法垂直下压至设计标高，钢套管5露出地表50mm左右，保证加劲板6插入土体。截断连接钢筋10，拔出钢沉管9（采用反拱曲面钢沉管施工时，钢沉管需待混凝土初步灌注完成后再拔出）。

放入钢筋笼，钢筋笼端部用柔性材料包裹，防止扎破碳纤维布袋4。采用导管法进行桩身混凝土浇筑。混凝土可采用自密实混凝土或掺加适量膨胀剂，灌注时需避免钢筋笼偏移。

待桩身混凝土初凝后，在圆形桩身1外侧设置竖向排水体14，竖向排水体14主要材料为碎石和中粗砂，填筑空间为预制异形桩尖3下压时挤压桩周土体15形成的空腔未被圆形桩身1填充部分。在竖向排水体14中插入外包反滤土工布的排水管8，排水管8外露高度不小于设计桩顶盖板7高度。

在桩顶周围支设模板，竖向排水体14上铺设小面积土工布，以防浇筑桩顶盖板时，堵塞排水通道，影响后期土体压缩固结。浇筑盖板，钢套管5、加劲板6及排水管8插入桩顶盖板7内。

盖板浇筑、养护完成后，拆除外侧模板，进行后续工程施工。

碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩的施工方法，主要包括以下步骤：

1）施工准备：根据设计要求制作所需钢沉管9、钢套管5及异形预制桩尖3，缝合碳纤维布袋4；场地清平，机械行走轨道铺设，机械进场；

2）装置组合：将异形预制桩尖3与钢沉管9连接，钢套管5与钢沉管9之间焊接数根钢筋10定位；碳纤维布袋4下部连接至预制桩尖3上，上部与钢套管5连接，碳纤维布袋4整体保持绷直状态； 

3）装置下沉：通过钢沉管9下压异形预制桩尖3，利用异形预制桩尖3外形，装置下沉过程中形成反拱曲面空腔，最后一部分加劲板6压入土体内；

4）浇筑桩身：装置下沉完成后，放置钢筋笼，向碳纤维布袋4内灌注桩身混凝土，形成圆形桩身1和反拱曲面桩身2，直至桩顶；

5）上拔沉管：桩身混凝土浇筑完成后，震动上拔桩体内的钢沉管9，并随时补充桩身混凝土材料；

6）填充排水体：钢沉管9拔出后，圆形桩身1外侧剩余空腔内填筑竖向排水体14；

7）排水通道连通：竖向排水体14内插入外包反滤土工布的排水管8，并保证排水管伸9出桩顶盖板7一定长度；

8）盖板浇筑：待混凝土初凝后，根据设计要求在桩顶支设模板，绑扎钢筋，竖向排水体14上铺设土工布（防止浇筑盖板时封堵排水体，影响排水），加劲板6高出部分及钢套管5插入盖板内；

9）后续施工：桩顶盖板7浇筑、养护完成后，进行后续工程施工。

Claims (9)

1.一种碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，其特征在于所述组合异形桩的桩顶设有现浇盖板，上部为圆形桩身，下部为反拱曲面桩身，桩底设异形预制桩尖；桩身外侧包裹碳纤维布袋，组合异形桩顶部设置有带加劲板的钢套管；圆形桩身外侧与桩周土体之间的空腔内填充有竖向排水体，桩顶现浇盖板内预设有与竖向排水体连通的竖向排水管；异形预制桩尖与反拱曲面桩身形状相似，上表面设有碳纤维布袋连接台、沉管限位孔。

2.根据权利要求1所述的碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，其特征在于所述圆形桩身的配筋量和混凝土强度相较于反拱曲面桩身有所提高，长度根据现场情况调整。

3.根据权利要求1所述的碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，其特征在于所述反拱曲面桩身横截面为X形或Y形，截面形心与圆形桩身的圆心重合。

4.根据权利要求1所述的碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，其特征在于所述碳纤维布袋具有隔水性能，形状与反拱曲面组合异形桩相同，转折处内衬薄橡胶垫片缝合加强。

5.根据权利要求1所述的碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，其特征在于所述竖向排水体可采用碎石或中粗砂，竖向排水体所填充的孔道为异形预制桩尖下压形成的反拱曲面空腔被圆形桩身填充后剩余部分空腔。

6.根据权利要求1所述的碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩，其特征在于所述钢套管设于圆形桩身的上端部，其外侧沿环向布设加劲板，加劲板为直角梯形钢板，底边与钢套管焊接，直角边高出钢套管上边缘。

7.权利要求1~6所述的碳纤维布袋现浇反拱曲面组合异形桩的施工方法，主要包括以下步骤：

1）施工准备：根据设计要求制作所需沉管、钢套管及异形预制桩尖，缝合碳纤维布袋；场地清平，机械行走轨道铺设，机械进场；

2）装置组合：将异形预制桩尖与钢沉管连接，钢套管与钢沉管之间焊接数根钢筋定位；碳纤维布袋下部连接至预制桩尖上，上部与钢套管连接，碳纤维布袋整体保持绷直状态； 

3）装置下沉：通过钢沉管下压异形预制桩尖，利用异形预制桩尖外形，装置下沉过程中形成反拱曲面空腔，最后钢套管外部分加劲板压入土体内；

4）浇筑桩身：装置下沉完成后，放置钢筋笼，向碳纤维布袋内灌注桩身混凝土，形成圆形桩身和反拱曲面桩身，直至桩顶；

5）上拔沉管：桩身混凝土浇筑完成后，震动上拔桩体内的钢沉管，并随时补充桩身混凝土材料；

6）填充排水体：钢沉管拔出后，圆形桩身外侧剩余空腔内填筑竖向排水体；

7）排水通道连通：竖向排水体内插入外包反滤土工布的排水管，并保证排水管伸出桩顶盖板一定长度；

8）盖板浇筑：待混凝土初凝后，根据设计要求在桩顶支设模板，绑扎钢筋，竖向排水体上铺设土工布，加劲板高出部分及钢套管插入盖板内；

9）后续施工：桩顶盖板浇筑、养护完成后，进行后续工程施工。

8.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于所述的桩身混凝土可采用自密实混凝土或掺入适量膨胀剂。

9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于所述钢沉管为小直径圆形钢管，还可根据场地土质条件在碳纤维布袋外加设反拱曲面钢沉管。

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