CN105951826B - 一种管桩内吸力地锚装置及其水压贯入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管桩内吸力地锚装置及其水压贯入方法，属于建筑抗拔管桩技术领域。地锚装置包括拉索、锚筒和隔水装置，通过将锚筒贯入桩端土层形成地锚结构。首先将带有拉索的锚筒在自重作用下沉至桩端土面，并形成足够的密封环境；然后，向管桩内注水，并连接真空泵通过锚筒顶部设有的排气口进行筒内抽吸，使锚内形成负压，依靠静水压力和吸力双重作用将锚筒缓慢贯入到预定深度，最后进行拉索的张拉和锚固，形成桩内地锚结构。本发明通过增加桩端地锚，有效提高了管桩的抗拔承载力，避免了传统地锚施工中钻孔，预应力筋束吊装等环节，锚筒顶面的隔水处理也避免了筒内泥面隆起，具有设备简单、施工快捷、适应性强和绿色环保等优点。

Description

一种管桩内吸力地锚装置及其水压贯入方法
技术领域
本发明涉及一种管桩内吸力地锚装置及其水压贯入方法，属于建筑抗拔管桩技术领域。
背景技术
对于高耸建(构)筑物、高水位区地下室、码头叉桩、海上风机平台、悬索桥以及斜拉桥等结构常采用抗拔桩来承担水平地震力、风浪和浮力等所产生的竖向拉力。混凝土管桩特别是预应力混凝土管桩(PHC管桩)作为抗拔桩主要通过桩侧摩阻力承担桩的抗拔力，能有效解决抗拔桩桩身裂缝问题，而且具有安全环保、生产标准化、施工快捷方便、经济性好等优点，近年来在地基工程中被大量使用。但PHC管桩由于其中空结构的特点，抗剪和抗弯刚度有限，在被作为抗拔桩使用时，存在管桩剪切破坏的危险，尤其在软弱土层中，处理不当容易造成抗拔失效的工程事故，如2009年6月27日上海莲花河畔景苑小区发生的13层楼倒塌事故。
PHC管桩出现抗拔失效的原因主要有：桩身抗拉承载力不足、管桩与承台的锚固失效、桩顶剪切破坏以及采用多节桩时管桩接头失效。针对以上PHC管桩失效的原因，施工中通常通过预应力钢筋的数量和直径来保证桩身抗拔强度；并保证端板的材性、厚度以及在桩顶设置适当长度的填芯混凝土和钢筋骨架来加强管桩与承台的连接。此外，严格控制焊接质量，并采取有效的防腐、除锈措施以确保多节桩接头的有效性。上述措施改善了管桩的受力性能，有利于桩身应力分布，但对于管桩整体抗拔承载力的提高作用则十分有限。为此，众多企业和学者从提高桩侧摩阻力和桩端承载力两方面开发了多种新型管桩形式。
中国实用新型专利“连竹式竹筋管桩”(专利号：ZL200620107743.X)公开了一种沿桩体外壁每隔1～3m设一节环状凸肋，并均匀加设多条纵状凸肋来连接环状凸肋的连竹式竹筋管桩。中国发明专利“一种静压扩大头预应力高强度混凝土管桩的制备方法”（申请号：201310480226.1）公开了一种通过将直径大于管桩桩径的钢板与桩端钢板连接形成桩端扩大头的管桩。这两种管桩分别通过扩大桩侧和桩端的有效承载面积来提高管桩的抗拔承载力，但由于桩身要传递较大的拉力，增加了桩身混凝土产生裂缝的可能，且成型立模复杂，造价较高。中国实用新型专利“抗拔桩结构”（专利号：ZL201520239695.9）通过利用嵌岩锚杆下端嵌入到基岩深处，上端延伸至钢管内，并灌注混凝土，从而使基岩、嵌岩锚杆、管桩连成一体，形成抗拔桩结构。该结构仅适用于管桩底端抵住基岩的情况，不适用于常见的支承于土质持力层上的摩擦型管桩。
发明内容
本发明旨在提供一种构造简单的管桩内吸力地锚装置；同时，借鉴海洋吸力锚的施工原理，还提供一种施工快捷方便、适应性强、绿色环保的管桩内吸力地锚装置的水压贯入方法。
本发明提供了一种管桩内吸力地锚装置，其特征在于：包括拉索和锚筒，所述拉索位于管桩内部的轴线上，拉索下端通过锚筒上的拉环与锚筒连接，锚筒为底端开口、上端封闭的圆筒，锚筒顶部为带有襟边的顶板，锚筒上方设有隔水装置，所述隔水装置包括遇水膨胀橡胶圈、钢箍和橡胶膜，沿管桩内壁竖直方向设有2～3道遇水膨胀橡胶圈，钢箍位于遇水膨胀橡胶圈的内部，橡胶膜上方固定在橡胶圈和钢箍底部，橡胶膜下方固定在锚筒顶部；在锚筒外壁沿圆周方向等角度焊接数根花管，花管的长度大于锚筒的高度，花管侧面和底端均设有小孔；锚筒顶部设有一个排气口，锚筒的排气口通过钢管与地面上的真空泵相连，花管通过钢管与地面上的注气设备或注浆泵相连；钢管由若干短节采用螺纹接长，以方便后期移出。
上述装置中，所述锚筒为薄壁钢，壁厚为2～3mm，筒深为2～3m；为避免锚筒在自重沉放过程中发生倾斜，使锚筒顶板与管桩内壁之间留有间隙，间隙为10～20mm。
上述装置中，所述橡胶膜下边缘通过水下工程胶粘贴在锚筒顶面上，橡胶膜上端粘贴在遇水膨胀橡胶圈外表面，橡胶膜上方被紧压在遇水膨胀橡胶圈外表面与管桩内壁之间；橡胶膜在竖直方向伸展的长度大于锚筒顶板贯入的深度，圆周方向保证在水压作用下能密贴于管桩内壁；锚筒贯入前，橡胶膜松散折叠于锚筒顶面，之后则随锚筒的贯入自由伸长。管桩内注水后，膨胀橡胶圈遇水发生体积膨胀，充填管桩与中心钢箍之间的接缝空间，并产生巨大的挤压力，与橡胶膜形成底端密封的隔水套筒，防止桩内水向下渗漏，避免锚筒内泥面隆起，形成土塞。
选取橡胶膜时，以橡胶膜形成的套筒半径大于管桩内径10～20mm为宜，可保证橡胶膜的圆周方向在水压作用下能密贴于管桩内壁。
上述装置中，在钢箍底部焊接数根短钢筋，橡胶圈卡套在钢箍外侧，钢筋对遇水膨胀橡胶圈起到支撑作用，底部钢筋搁放在锚筒顶板上。
本发明提供了一种所述的管桩内吸力地锚装置的水压贯入方法，将带有拉索的锚筒沉放至桩端土面后，向管桩内注水，并启用负压系统通过锚筒顶部预留的排气口进行筒内抽吸，形成筒内负压，在静水压力和吸力双重作用下将锚筒缓慢贯入土层；当锚筒贯入阻力超过水压及吸力提供的下沉力时，连接注气设备并通过锚筒外壁花管向筒周及筒底土层注入高压气体，破坏土体结构，使锚筒继续下沉，直到预定深度；待锚筒贯入到位后，再通过花管进行锚固注浆，最后张拉拉索并锁定拉索端头。
上述水压贯入方法，包括以下步骤：
（1）平整场地，测量定位，桩机就位，管桩起吊，对中调直后，将开口管桩静压沉入或打入到预定深度；
（2）利用高压水枪将桩芯土体冲刷成泥浆并排出地面，之后清除内壁浮浆，抽干管桩内余水；
（3）将拉索、抽气管和注气管与锚筒连接，并将其与隔水装置一道吊装至桩端土面；
（4）向管桩内注水，并连接真空泵通过锚筒顶部预留的排气口向筒内抽负压，依靠静水压力和吸力双重作用将锚筒缓慢贯入土层；当锚筒贯入阻力超过水压及吸力提供的下沉力时，连接注气设备并通过锚筒外壁花管向筒周及筒底土层注入高压气体，破坏土体结构，使锚筒继续下沉；
（5）当锚筒到达预定深度后，连接注浆泵，通过花管向锚筒周围土体高压灌注水泥浆；之后利用水泵排出管桩内水，撤除注气管和排气管；
（6）待桩端水泥浆达到锚固强度后，浇筑基础承台或基础梁底部垫层并在桩顶内设置托板及放入钢筋骨架；钢绞线穿束后包裹一层高密度聚乙烯套管，灌注桩顶填芯混凝土以及基础承台或基础梁混凝土；
（7）待基础承台或基础梁混凝土达到预定强度后，对拉索进行张拉，使其保持张紧状态，之后固定锚垫板，采用锚具锁定拉索端头。
上述方法中，所述抽气管和注气管的顶端范围内标注有刻度，以显示锚筒的贯入深度。
上述方法中，所述填芯混凝土的浇筑先在桩顶填芯混凝土的托板中心预留拉索孔，并设置遇水膨胀橡胶垫，防止填芯混凝土浇灌时向下渗漏。
上述方法中，所述拉索上端通过锚具锚固于基础承台或基础梁顶面，拉索体采用镀锌或环氧喷涂无粘结钢绞线；在桩顶托板至承台顶面区段，外再包裹一层或两层高密度聚乙烯套管。
作为一种可选方案，拉索上端锚固段也可采用塑料波纹管预留孔道，在钢绞线张拉完成后，进行孔道内灌浆，使钢绞线与孔道内混凝土产生粘结力形成整体构件。
本发明的有益效果：
(1) 采用水压及吸力贯入方法避免了传统地锚施工中钻孔，泥浆护壁和预应力筋束吊装等环节，施工快捷、工艺简单、设备要求低，有效缩短了工期；
(2) 通过注气破土辅助下沉，增加了锚筒基础下沉的地基土适用性，尤其是砂土地基，下沉过程更加简单，安装速度大为提高，避免了环境条件的干扰；
(3) 锚筒顶部的隔水装置能有效阻止桩内水向下渗漏，避免了在渗流压差作用下锚筒内部泥面隆起，形成土塞或流土，从而使吸力锚筒贯入到设计深度，保证了下沉的施工质量和安全；
(4) 通过锚筒内外筒壁与土体的摩阻力分担管桩所受拉力，避免了传统灌注扩底抗拔桩和伞式扩底抗拔桩中桩身同时传递抗拔端承力和桩侧摩阻力所带来的额外裂缝发展。
附图说明
图1为本发明地锚装置的结构示意图。
图2为钢箍的结构示意图。
图3为锚筒顶板的剖面图。
图4为施工流程图。
附图标记说明：1-锚具；2-锚垫板；3-基础承台；4-PE套管；5-管桩；6-遇水膨胀橡胶垫；7-托板；8-橡胶膜；9-遇水膨胀橡胶圈；10-钢箍；11-拉索；12-锚筒；13-花管；14-钢筋骨架；15-混凝土垫层；16-接头；17-注气钢管；18-抽气钢管；19-拉环；20-螺纹；21-真空泵；22-高压气泵；23-注浆泵；24-钢箍支架；25-花管口；26-排气口；27-襟边。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步描述：
如图1~3所示，一种管桩内吸力地锚装置，包括拉索11和锚筒12，所述拉索11位于管桩5内部的轴线上，拉索11上端部通过锚垫板2固定在基础承台3顶面，拉索11下端通过锚筒上的拉环19与锚筒12连接，锚筒12为底端开口、上端封闭的圆筒，锚筒顶部为带有襟边27的顶板，锚筒12上方设有隔水装置，所述隔水装置包括遇水膨胀橡胶圈9、钢箍10和橡胶膜8，沿管桩5内壁竖直方向设有2～3道遇水膨胀橡胶圈9，钢箍10位于遇水膨胀橡胶圈9的内部，橡胶膜8上方固定在橡胶圈和钢箍底部，橡胶膜8下方固定在锚筒12顶部；在锚筒12外壁沿圆周方向等角度焊接数根花管13，花管13的长度大于锚筒的高度，花管13侧面和底端均设有小孔；锚筒顶部设有一个排气口26，锚筒的排气口26通过抽气钢管18与地面上的高压真空泵21相连，花管13通过注气钢管17与地面上的注浆泵23相连；注气钢管17和抽气钢管18由若干短节采用螺纹20接长，以方便后期移出。
上述装置中，所述锚筒12为薄壁钢，壁厚为2～3mm，筒深为2～3m；为避免锚筒在自重沉放过程中发生倾斜，使锚筒顶板与管桩内壁之间留有间隙，间隙为10～20mm。
上述装置中，所述橡胶膜8下边缘通过水下工程胶粘贴在锚筒顶面上，橡胶膜上端粘贴在遇水膨胀橡胶圈外表面；橡胶膜在竖直方向伸展的长度大于锚筒顶板贯入的深度，圆周方向保证在水压作用下能密贴于管桩内壁；锚筒贯入前，橡胶膜松散折叠于锚筒顶面，之后则随锚筒的贯入自由伸长。管桩内注水后，膨胀橡胶圈遇水发生体积膨胀，充填管桩与中心钢箍之间的接缝空间，并产生巨大的挤压力，与橡胶膜形成底端密封的隔水套筒，防止桩内水向下渗漏，避免锚筒内泥面隆起，形成土塞。
选取橡胶膜时，以橡胶膜形成的套筒半径大于管桩内径10～20mm为宜，可保证橡胶膜的圆周方向在水压作用下能密贴于管桩内壁。
上述装置中，在钢箍10底部焊接数根钢箍支架24，遇水膨胀橡胶圈9卡套在钢箍10外侧，钢筋10对遇水膨胀橡胶圈9起到支撑作用，底部钢筋搁放在锚筒顶板上。
本发明为了防止桩内水向下渗漏，避免锚筒内泥面隆起，形成土塞，有必要设置隔水装置。锚筒贯入后，橡胶膜8下边缘通过水下工程胶粘贴于锚筒12顶面，上端粘贴于遇水膨胀橡胶圈9外表面，其竖直方向伸展的长度大于锚筒贯入的深度，圆周方向保证在水压作用下能密贴于管桩5内壁；锚筒贯入前，橡胶膜8松散折叠于锚筒12顶面，之后则随锚筒12的贯入自由伸长。在管桩5与中心钢箍10之间设置2～3道遇水膨胀橡胶圈9；管桩内注水后，膨胀橡胶圈9遇水发生体积膨胀，充填管桩5与中心钢箍10之间的接缝空间，并产生巨大的挤压力，与橡胶膜8形成底端密封的隔水套筒。
下面结合附图4对具体的施工过程进行说明：
如图4-1所示，平整场地，测量定位，桩机就位，管桩起吊，对中调直后，将开口管桩5静压沉入或打入到预定深度。
如图4-2所示，利用高压水枪将桩芯土体冲刷成泥浆并排出地面，之后清除内壁浮浆，抽干管桩内余水。
如图4-3所示，将拉索11、抽气钢管18、注气钢管17与锚筒12连接，并将其与隔水装置一道吊装至桩端土面。注气钢管17和抽气钢管18由若干短节采用螺纹接长，以方便后期移出。
如图4-4所示，向管桩5内注水，并连接真空泵21通过锚筒顶部预留的排气口26向筒内抽负压，依靠静水压力和吸力双重作用将锚筒12缓慢贯入土层；当锚筒贯入阻力超过水压及吸力提供的下沉力时，连接高压气泵22并通过锚筒外壁花管13向筒周及筒底土层注入高压气体，破坏土体结构，使锚筒12继续下沉。
如图4-5所示，当锚筒12到达预定深度后，连接注浆泵23，通过花管13向筒周土高压灌注水泥浆；之后利用水泵排出管桩内水，撤除注气钢管17和抽气钢管18。
如图4-6所示，待桩端水泥浆达到锚固强度后，浇筑基础承台3底部的混凝土垫层15，在桩顶内设置托板7及放入遇水膨胀橡胶垫6和钢筋骨架14：钢绞线穿束后再包裹一层或两层高密度PE套管4，并灌注桩顶填芯混凝土以及基础承台3混凝土(图4-7）。
如图4-8所示，待基础承台3混凝土达到预定强度后，对拉索11进行张拉，使其保持张紧状态，之后固定锚垫板2，采用锚具1锁定拉索端头。

Claims (10)

1.一种管桩内吸力地锚装置，其特征在于：包括拉索和锚筒，所述拉索位于管桩内部的轴线上，拉索上端部通过锚垫板固定在混凝土顶面，拉索下端通过锚筒上的拉环与锚筒连接，锚筒为底端开口、上端封闭的圆筒，锚筒顶部为带有襟边的顶板，锚筒上方设有隔水装置，所述隔水装置包括遇水膨胀橡胶圈、钢箍和橡胶膜，沿管桩内壁竖直方向设有2～3道遇水膨胀橡胶圈，钢箍位于遇水膨胀橡胶圈的内部，橡胶膜下方固定在锚筒顶部；在锚筒外壁沿圆周方向等角度焊接数根花管，花管的长度大于锚筒的高度，花管侧面和底端均设有小孔；锚筒顶部设有一个排气口，锚筒的排气口通过钢管与地面上的真空泵相连，花管通过钢管与地面上的注气设备或注浆泵相连。
2.根据权利要求1所述的管桩内吸力地锚装置，其特征在于：所述锚筒为薄壁钢，壁厚为2～3mm，筒深为2～3m；锚筒顶板的半径比管桩内径小10～20mm。
3.根据权利要求1所述的管桩内吸力地锚装置，其特征在于：所述橡胶膜下边缘通过水下工程胶粘贴在锚筒顶面上，橡胶膜上端粘贴在遇水膨胀橡胶圈外表面，橡胶膜上方被紧压在遇水膨胀橡胶圈外表面与管桩内壁之间；锚筒贯入前，橡胶膜松散折叠于锚筒顶面，之后则随锚筒的贯入自由伸长；橡胶膜在竖直方向伸展的长度大于锚筒顶板贯入的深度，橡胶膜在水压作用下能密贴于管桩内壁。
4.根据权利要求1所述的管桩内吸力地锚装置，其特征在于：在钢箍的圆周方向焊接数根径向短钢筋，以支承上方的遇水膨胀橡胶圈，并使橡胶圈卡套在钢箍外侧；底部钢筋搁放在锚筒顶板上。
5.一种权利要求1~4任一项所述的管桩内吸力地锚装置的水压贯入方法，其特征在于：将带有拉索的锚筒沉放至桩端土面后，向管桩内注水，并启用负压系统通过锚筒顶部预留的排气口进行筒内抽吸，形成筒内负压，在静水压力和吸力双重作用下将锚筒缓慢贯入土层；当锚筒贯入阻力超过水压及吸力提供的下沉力时，连接注气设备并通过锚筒外壁花管向筒周及筒底土层注入高压气体，破坏土体结构，使锚筒继续下沉，直到预定深度；待锚筒贯入到位后，再通过花管进行锚固注浆，最后张拉拉索并锁定拉索端头。
6.根据权利要求5所述的管桩内吸力地锚装置的水压贯入方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）平整场地，测量定位，桩机就位，管桩起吊，对中调直后，将开口管桩静压沉入或打入到预定深度；
（2）利用高压水枪将桩芯土体冲刷成泥浆并排出地面，之后清除内壁浮浆，抽干管桩内余水；
（3）将拉索、抽气钢管和注气钢管与锚筒连接，并将其与隔水装置一道吊装至桩端土面；
（4）向管桩内注水，并连接真空泵通过锚筒顶部预留的排气口向筒内抽负压，依靠静水压力和吸力双重作用将锚筒缓慢贯入土层；当锚筒贯入阻力超过水压及吸力提供的下沉力时，连接注气设备并通过锚筒外壁花管向筒周及筒底土层注入高压气体，破坏土体结构，使锚筒继续下沉；
（5）当锚筒到达预定深度后，连接注浆泵，通过花管向锚筒周围土体高压灌注水泥浆；之后利用水泵排出管桩内水，撤除注气钢管和抽气钢管；
（6）待桩端水泥浆达到锚固强度后，浇筑基础承台或基础梁底部垫层并在桩顶内设置托板及放入钢筋骨架；钢绞线穿束后包裹一层高密度聚乙稀套管，灌注桩顶填芯混凝土以及承台或基础梁混凝土；
（7）待基础承台混凝土达到预定强度后，对拉索进行张拉，使其保持张紧状态，之后固定锚垫板，采用锚具锁定拉索端头。
7.根据权利要求6所述的管桩内吸力地锚装置的水压贯入方法，其特征在于：所述抽气钢管和注气钢管的顶端范围内标注有刻度，以显示锚筒的贯入深度。
8.根据权利要求6所述的管桩内吸力地锚装置的水压贯入方法，其特征在于：所述填芯混凝土的浇筑先在桩顶填芯混凝土的托板中心预留拉索孔，并设置遇水膨胀橡胶垫，防止填芯混凝土浇灌时向下渗漏。
9.根据权利要求6所述的管桩内吸力地锚装置的水压贯入方法，其特征在于：所述拉索上端通过锚具锚固于基础承台或基础梁顶面，拉索体采用镀锌或环氧喷涂无粘结钢绞线；在桩顶托板至承台顶面区段，外再包裹一层或两层高密度聚乙烯套管。
10.根据权利要求6所述的管桩内吸力地锚装置的水压贯入方法，其特征在于：拉索上端锚固段采用塑料波纹管预留孔道，在钢绞线张拉完成后，进行孔道内灌浆，使钢绞线与孔道内混凝土产生粘结力形成整体构件。
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