CN106284331A - 大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法，在大直径嵌岩灌注桩中心部位加设钢管混凝土芯桩，所述钢管混凝土芯桩中的混凝土为高强度混凝土，本发明的大直径嵌岩灌注桩提高桩身竖向承载力的方法，可充分发挥基岩的承载力，使桩身竖向承载力与基岩承载力相一致，从而充分提高桩的最大竖向承载力，在桩身截面不变的情况下，将桩竖向承载力大幅度提高，从而减少桩基数量和承台尺寸，或在原设计单桩竖向承载力不变的前提下，将桩身截面设计到最小，以适应某些特殊环境场地的建设，降低造价；由于在桩中心加设了钢管混凝土芯桩，不但桩身竖向承载力得到提高，桩的延性也得到了有效的提高，有利于提高桩身的抗震性能。

Description

大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法

技术领域

本发明涉及岩土过程技术领域，尤其涉及一种大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法。

背景技术

大直径嵌岩嵌岩桩一般采用冲孔成桩或钻孔成桩，泥浆护壁，水下灌注混凝土，由于水下灌注混凝土可靠性较低，规范对桩身混凝土设计强度做了不宜大于C40的规定。据此规定，在基岩岩性及完整性较好时，对于不扩底的嵌岩桩，桩身竖向承载力远低于基岩竖向承载力，桩的竖向承载力由桩身强度控制，即基岩承载力未能完全发挥，当泥浆护壁灌注桩设计桩身混凝土强度为C40时，桩身承载力为最大，假定桩嵌岩深度为1倍桩径时，与之相对应的基岩饱和单轴抗压强度标准值f_rk_o为：

K1.K2.ζ_r.f_rk_o.A_p＝Ψ_c.f_c.A_p

$f_r{k}_o=\frac{{\mathrm{\ψ}}_c.f_c}{K1.K2.{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{\γ}}}=\frac{0.75\×19.1}{0.5\×1.3\×0.81}=27.21MPa$

K1-桩竖向承载力标准值换算成特征值的换算系数，取0.5；

K2-桩竖向承载力特征值换算成设计值的换算系数，取1.3；

ζ_r-嵌岩桩端阻和侧阻综合系数，按《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008表5.3.9取值为0.81；

Ψ_c-非挤土灌注桩成桩工艺系数：按《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008第5.8.3条取值为0.75；

f_c-C40混凝土轴心抗压强度设计值：19.1N/mm²；

A_p-桩截面面积；

可见，对于一般的钻孔灌注桩，当基岩饱和单轴抗压强度标准值f_rk_o为 27.21MPa时，桩身竖向承载力与基岩承载力是相等的，桩的竖向承载力可以得到最大发挥。而当岩饱和单轴抗压强度标准值f_rk_o＞27.21MPa时，桩的竖向承载力由桩身强度控制，基岩承载力未能充分发挥，因此通过提高桩身竖向承载力，充分发挥基岩的承载能力，就可有效的提高单桩承载力。

大直径嵌岩水下灌注桩一般用于超高层房屋、大型桥梁等竖向荷载特别大的建、构筑物基础桩，当桩端以完整基岩为持力层时，基岩的岩石饱和单轴抗压强度往往较高，其强度标准值f_rk_o许多都在40MPa以上，以桩嵌岩为1倍桩径，桩截面积A_p为1.0m²，基岩饱和单轴抗压强度标准值f_rk_o＝40MPa为例，按《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008第5.3.9条，其桩端嵌岩段竖向极限阻力标准值Q_rk为：

Q_rk＝ζ_r.f_rk_o.A_p＝0.81×40000000×1＝32400000N＝32400KN，

桩基岩竖向承载力特征值Ra为：

R_a＝Qrk/2＝32400/2＝16200KN，

因特征值与设计值间的关系系数约为1.3，则桩基岩竖向承载力所提供的对应设计值N_zdj为：

N_zdj＝16200×1.3＝21060KN，

按《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011第8.5.3.5条规定，考虑到水下灌注混凝土可靠性较低，水下灌注的桩身混凝土强度设计等级不宜高于C40，取桩身混凝土强度等级上限为C40。按《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008第5.8.3.3条，灌注桩成桩工艺系数Ψ_c为0.7～0.8，取中间值0.75；桩截面面积A_ps假定为1.0m²；由于为端承桩，桩嵌岩以上段土的侧阻力对沿桩长的轴向力影响甚微，偏于全不考虑其有利作用。按《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第5.8.2.2条，荷载效应基本组合下的桩顶竖向压力设计值N_zs为：

N_zs＝Ψ_c.f_c.A_ps＝0.75×19.1×1000000＝14325000N＝14325KN，

由上可看出，桩的基岩竖向承载力远高于桩身竖向承载力，其比值为：N_zdj/N_zs＝21060/14325＝1.47，即一般混凝土灌注桩采用C40强度上限值时，桩的基岩竖向承载力还远未完全发挥，对某些有特殊要求和特殊条件工程，通过提高桩身竖向承载力，充分利用基岩承载力，从而提高单桩竖向承载力，对实际工程 就有着较现实的意义。

有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种大直径嵌岩灌注桩通过加设钢管混凝土芯桩提高竖向承载力的方法

本发明的大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法，在大直径嵌岩灌注桩中心部位加设钢管混凝土芯桩，所述钢管混凝土芯桩外周为圆钢管，所述圆钢管内灌有高强度混凝土。

进一步的，其施工步骤包括：

(1)桩基成孔施工；

(2)钢筋笼及钢管混凝土芯桩制作；

(3)桩底清孔后安放钢筋笼；

(4)吊装灌注混凝土后的钢管混凝土芯桩；

(5)桩基灌注混凝土前再次清孔后进行桩混凝土浇注；

(6)切断芯桩定位钢管；

所述步骤(2)中所述钢管混凝土芯桩外周与竖向呈45度角环绕螺旋钢筋，钢筋与钢管间采用间断焊接，作为钢管与周边混凝土间的抗剪加强措施，所述钢筋笼由纵筋和箍筋焊接而成，所述钢筋笼内侧均匀有设置至少3根镀锌注浆钢管，所述镀锌注浆钢管向下伸至钢筋笼底，所述镀锌注浆钢管上露出施工地面≥500mm；

所述步骤(4)中将高强混凝土浇入钢管内形成钢管混凝土芯桩，然后吊装灌注混凝土后的钢管混凝土芯桩，并用可重复利用的芯桩安装固定支架调整所述钢管混凝土芯桩的定位；

所述步骤(5)中两根桩基混凝土浇注导管对称设置，并同时浇注混凝土，以保证混凝土浇注均衡密实；

所述步骤(6)中桩混凝土浇注7天后，切断芯桩定位钢管，通过钢筋笼预 留的3根镀锌注浆钢管进行桩底清洗后高压灌注水泥浆。

进一步的，所述芯桩安装固定支架包括定位钢管，所述定位钢管设置在钢管混凝土芯桩中心位置，所述定位钢管露出地面≥1200mm，所述芯桩安装固定支架设置有四个支脚，所述支脚围绕所述定位钢管呈圆周分布。

进一步的，所述支脚与所述定位钢管之间通过热轧H型钢连接，所述定位钢管外套接有无缝钢管套筒，所述无缝钢管套筒与所述热轧H型钢连接，所述支脚包括上、下两节M24调节螺杆，所述调节螺杆通过调节螺杆套筒连接在一起，下方的调节螺杆一端插入底座，所述底座由四块厚肋板拼接而成。

进一步的，所述大直径嵌岩灌注桩较长时，根据施工的吊装能力设置有多段钢管混凝土芯桩连接在一起，所述钢管混凝土芯桩上、下端板中心位置分别设置有圆锥形螺栓及圆锥形定位孔，所述多段钢管混凝土芯桩的中心在一条直线上，位于上段的钢管混凝土芯桩的下端封板与下段的钢管混凝土芯桩的上端封板通过贴角安装焊缝连接成一整体。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：1、本发明可充分发挥基岩的承载力，使桩身竖向承载力与基岩承载力相一致，充分发挥桩的最大竖向承载力，在桩身截面不变的情况下，将桩竖向承载力大幅度提高，从而减少桩基数量和承台尺寸，或在保持原桩竖向承载力不变的前提下将桩身截面设计到最小，从而适应某些特殊环境场地的建设，降低造价；2、由于在桩中心加设了钢管混凝土芯桩，桩的延性得到了有效的提高，有利于提高桩身的抗震性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法的灌注桩加钢管混凝土芯桩的剖面图；

图2是图1所示的在桩截面不变的情况下，增大单桩竖向承载力的灌注桩加钢管芯混凝土桩的立面图；

图3是图1原设计单桩竖向承载力不变的情况下，减小桩身截面的灌注桩加钢管混凝土芯桩的立面图；

图4是图2或图3所示的钢管混凝土芯桩的芯桩安装固定支架的示意图；

图5是图4所示的钢管混凝土芯桩安装固定支架的俯视图；

图6是图4所示的钢管混凝土芯桩安装固定支架的定位钢管大样；

图7是图2或图3所示的钢管混凝土芯桩接桩大样；

图8是图7所示的钢管混凝土芯桩接桩大样的剖面图；

图9是图7所示的钢管混凝土芯桩接桩大样的上端的钢管混凝土芯桩下端封板的仰视图；

图10是图7所示的钢管混凝土芯桩接桩大样的下端的钢管混凝土芯桩上端封板的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

在原设计桩截面不变的情况下，增大单桩竖向承载力；

参见图1和图2，以桩径为1.6m，嵌岩深度为1倍桩径，基岩饱和单轴抗压强度标准值f_rk＝40MPa为例，其桩端嵌岩段竖向极限阻力标准值Q_rk为：

Qrk＝ζ_r.f_rk_o.A_p＝0.81×40000000×0.8×0.8×3.14＝65111040N＝65111KN，

桩竖向承载力特征值Q_ra＝Q_rk/2＝65111/2＝32555KN，

荷载效应基本组合下的基岩竖向承载力设计值Q_rs为：

Q_rs＝1.3Q_ra＝1.3×32555＝42321KN，

荷载效应基本组合下的桩身(混凝土强度C40)竖向压力设计值N_zs为：

N_zs＝Ψ_c.f_c.A_ps＝0.75×19.1×800×800×3.14＝28787520N＝28787KN，

对应的竖向承载力特征值为：N_zs/1.3＝28787/1.3＝22144KN，

该桩基岩竖向承载力设计值与桩身强度设计值间相差为：42321-28787＝13534KN，即在桩径不变的前提下，通过加强桩身强度，该桩竖向 承载力设计值还有≤13534KN的提升空间，即该桩的承载力特征值还有≤13534/1.3＝10410KN的提升空间。

参见图2，要求桩身竖向承载力与桩地基承载力相一致，在桩径1.6m不变的情况下，以钢管混凝土芯桩中的混凝土强度等级为C80为例，加设φ500×18mm的Q345钢管混凝土芯桩，该芯桩的竖向承载力设计值宜≥N_o，以充分发挥基岩竖向承载力：

N_o＝42321000-0.75×3.14×19.1(800×800-250×250)＝16344761N＝16344KN，

按《钢管混凝土结构设计规范》GB 50936-2014第6.1.2条各相关公式：

钢管混凝土构件套箍系数

因1/(α-1)²＝1/(1.8-1)²＝1.5625≥θ＝1.3245，

故钢管混凝土芯桩所能承担的竖向荷载设计值为(考虑钢管混凝土芯桩施工时的垂直度偏差等施工因素，钢管混凝土芯桩的发挥系数取0.9进行折减)：

N_o1＝0.9【0.9A_cf_c(1+αθ)】＝0.9【0.9×169007×35.9(1+1.8×1.3245)】

＝0.9×18479271N＝16631344N＝16631KN＞N_o＝16344KN，

该桩身允许的竖向荷载设计值N＝0.75×3.14×19.1(800×800-250×250)+16631344＝25976238+16631344＝42607582N＝42607KN，

实取该桩承载力设计值为基岩和桩身竖向承载力两者的小值42321KN，相应的桩竖向承载力特征值为42321/1.3＝32554KN。相比未加强前的单桩竖向承载力提高了42321/28787＝1.47倍。

将水下灌注大直径嵌岩桩改为加钢管混凝土芯桩嵌岩桩后的施工做法为：

(1)桩基成孔施工；

(2)钢筋笼及钢管混凝土芯桩制作；在钢管混凝土芯桩3外周与竖向呈45度角环绕φ12螺旋钢筋6，钢筋与钢管间采用间断焊接，以作为钢管与周边混凝土间的抗剪加强措施，钢筋笼由纵筋2和箍筋1焊接而成，钢筋笼内侧均匀有设置至少3根φ25镀锌注浆钢管，镀锌注浆钢管向下伸至钢筋笼底，镀锌注浆钢管向上露出施工地面≥500mm。

(3)桩底清孔后安放钢筋笼；

(4)吊装灌注混凝土后的钢管混凝土芯桩；将高强混凝土15浇入钢管混凝土芯桩3内，然后吊装灌注混凝土后的钢管混凝土芯桩3，并用芯桩安装固定支架调整钢管混凝土芯桩3的定位，芯桩安装固定支架包括φ95×4定位钢管5，定位钢管5设置在钢管混凝土芯桩3的中心位置，露出地面≥1200mm，定位钢管5距离钢管混凝土芯桩3的内壁5mm，芯桩安装固定支架设置有四个支脚，四个支脚围绕定位钢管5呈圆周分布，支脚与定位钢管5之间通过热轧H型钢25连接，定位钢管5外套接有无缝钢管套筒26，无缝钢管套筒26与热轧H型钢25连接，支脚包括上M24调节螺杆21和下M24调节螺杆23，调节螺杆通过调节螺杆套筒22连接在一起，下方的M24调节螺杆23一端插入底座，底座是由四块厚肋板7拼接而成。

(5)桩基灌注混凝土前再次清孔后进行桩混凝土浇注；由于有钢管混凝土芯桩3置于桩中心，所以对称设置有两根浇注导管，并同时浇注混凝土，以保证混凝土浇注均衡密实。

(6)切断芯桩定位钢管；桩混凝土浇注7天后，切断钢管混凝土芯桩3的定位钢管5，通过钢筋笼预留的3根镀锌注浆钢管进行桩底清洗后高压灌注水泥浆，以使桩底沉渣及空隙由水泥浆充分包裹填充，桩端与基岩紧密结合。

实施例2：

在原设计单桩竖向承载力不变的情况下，减小桩身截面算例；

参见图1和图3，仍以桩径1600mm为例，桩身混凝土强度等级为C40，嵌岩深度为1600mm，基岩的岩石饱和单轴抗压强度标准值f_rk为40MPa，其桩端嵌岩段竖向极限阻力标准值Q_rk为：

Q_rk＝ζ_r.f_rk_o.A_p＝0.81×40000000×0.8×0.8×3.14＝65111040N＝65111KN，

桩基岩竖向承载力特征值R_a为：

R_a＝Q_rk/2＝65111/2＝32555KN，

特征值与设计值间的关系系数约为1.3，则桩基岩竖向承载力所提供的对应设计值N_zdj为：

N_zdj＝32555×1.3＝42321KN，

荷载效应基本组合下以身强度控制的桩顶轴向压力设计值Nzs为：

N_zs＝Ψ_c.f_c.A_ps＝0.75×19.1×800×800×3.14＝28787520N＝28787KN，

相对于桩特征值为：28787/1.3＝22143KN，

该桩竖向承载力特征值由桩身强度控制，即为22143KN。

如按上述条件，桩身竖向承载力与基岩竖向承载力相一致时，桩身截面积可减为：0.8×0.8×3.14/1.47＝1.367m²，

注：(1.47为上述条件下桩身竖向承载力与基岩承载力相一致时的单桩竖向承载力提高系数)。

桩径可减为：d＝1.32m，

按规范要求，钢管混凝土芯桩以外混凝土为水下灌注混凝土，故设计强度等级仍按C40考虑，钢管混凝土芯桩内混凝土预先进行浇灌，由于灌注该混凝土是干作业，其强度等级可采用C60～C80高强混凝土。见图3，以芯桩混凝土强度等级C60为例，钢管混凝土芯桩为φ400mm×18mm的Q345钢管，根据《钢管混凝土结构设计规范》GB 50936-2014第6.1.2条，由于钢管混凝土芯桩包裹在混凝土内，且桩嵌于土层中，故考虑偏心率影响的竖向承载力折减系数取1.0，考虑长细比影响的承载力折减系数也取1.0。芯桩轴心竖向承载力设计值N等于钢管混凝土轴心受压短柱强度承载力设计值No。考虑钢管混凝土芯桩施工时的垂直度偏差等施工因素，钢管混凝土芯桩的发挥系数取0.9进行折减。

要求桩身竖向承载力与桩基岩竖向承载力相一致，使得桩径在同样承载力下为最小，则钢管混凝土芯桩所承担的竖向承载力设计值为：

N_o＝28787000-0.75×3.14×19.1(660×660-200×200)＝10992714N＝10993KN

按《钢管混凝土结构设计规范》GB 50936-2014第6.1.2条各相关公式：

钢管混凝土构件套箍系数

由于混凝土强度等级为C60，≥C55，系数α取1.8；

A_c-钢管内核心混凝土横截面面积(mm²)；

f_c-钢管内核心混凝土抗压强度设计值(MPa)；

A_s-钢管的横截面面积(mm²)；

f-钢管的抗拉、抗压强度设计值(MPa)；

因1/(α-1)²＝1/(1.8-1)²＝1.5625≤θ＝2.2267，

故钢管混凝土芯桩所能承担的竖向荷载设计值为：

即该桩通过加钢管混凝土芯桩后，直径由原来的1600mm减小为1320mm，其承载力特征值为：【0.75x3.14x19.1(660x660-200x200)+10932000】/1.3＝22097142N＝22097KN≈22143KN(原单桩承载力特征值)。

施工方式与实施例1相同。

实施例3：

在实施例1或实施例2的基础上，当原灌注桩较长时，钢管混凝土芯桩根据施工吊装能力可由多段拼接组成，多段钢管混凝土芯桩的中心设置在一条直线上，位于上段的钢管混凝土芯桩3与下段的钢管混凝土芯桩3由接桩定位圆锥形螺栓11与圆锥形螺孔相扣定位，位于上段的钢管混凝土芯桩的下端封板12与下段的钢管混凝土芯桩的上端封板13用安装贴角焊缝连接在一起，钢管混凝土芯桩的钢管壁3与端封板用剖口围焊连接。

通过以上计算分析可以看出，以桩径1.6m为例，当桩端完整基岩岩石饱和单轴抗压强度标准值为40MPa，桩嵌岩深度为1倍桩径时，限于规范要求的水下灌注桩混凝土强度等级不宜大于C40，按最大C40考虑时，为充分利用基岩承载力，加钢管混凝土芯桩后，在桩径不变的情况下，桩竖向承载力较原设计提高了47％；加钢管混凝土芯桩后，在桩竖向承载力不变的情况下，桩设计截面面积可较正常设计截面面积减少32％。如桩端完整基岩岩石饱和单轴抗压强度标准值大于40MPa，桩嵌岩深度为1～4倍桩径时(嵌岩深度越大，桩端阻和侧阻综合系数ζr越大)，则通过增大钢管混凝土芯桩直径、钢管壁厚及芯桩混凝土强度等级，从而使桩身强度与基岩承载力相一致，在桩径不变时，就可大幅度提高单桩竖向承载力，或在原设计单桩竖向承载力不变时，可大幅度减小桩径。这对减少桩数或对桩径有限制的工程桩设计具有实用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还 可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法，其特征在于，在大直径嵌岩灌注桩中心部位加设钢管混凝土芯桩，所述钢管混凝土芯桩外周为圆钢管，所述圆钢管内灌有高强度混凝土。

2.根据权利要求1所述的大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法，其特征在于，其施工步骤包括：

(1)桩基成孔施工；

(2)钢筋笼及钢管混凝土芯桩制作；

(3)桩底清孔后安放钢筋笼；

(4)吊装灌注混凝土后的钢管混凝土芯桩；

(5)桩基灌注混凝土前再次清孔后进行桩基混凝土浇注；

(6)切断芯桩定位钢管；

所述步骤(2)中所述钢管混凝土芯桩外周与竖向呈45度角环绕螺旋钢筋，钢筋与钢管间采用间断焊接，所述钢筋笼由纵筋和箍筋焊接而成，所述钢筋笼内侧均匀有设置至少3根镀锌注浆钢管，所述镀锌注浆钢管向下伸至钢筋笼底，所述镀锌注浆钢管上露出施工地面≥500mm；

所述步骤(4)中将高强混凝土浇入圆钢管内形成钢管混凝土芯桩，然后吊装灌注混凝土后的钢管混凝土芯桩，并用可重复利用的芯桩安装固定支架调整所述钢管混凝土芯桩的定位；

所述步骤(5)中两根桩基混凝土浇注导管对称设置，并同时浇注混凝土，以保证混凝土浇注均衡密实；

所述步骤(6)中桩基混凝土浇注7天后，切断芯桩定位钢管，通过钢筋笼预留的3根镀锌注浆钢管进行桩底清洗后高压灌注水泥浆。

3.根据权利要求2所述的大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法，其特征在于，所述芯桩安装固定支架包括定位钢管，所述定位钢管设置在钢管混凝土芯桩中心位置，所述定位钢管露出地面≥1200mm，所述芯桩安装固定支架设置有四个支脚，所述支脚围绕所述定位钢管呈圆周分布。

4.根据权利要求3所述的大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法，其特征在于，所述支脚与所述定位钢管之间通过热轧H型钢连接，所述定位钢管外套接有无缝钢管套筒，所述无缝钢管套筒与所述热轧H型钢连接，所述支脚包括上、下两节M24调节螺杆，所述调节螺杆通过调节螺杆套筒连接在一起，下方的调节螺杆一端插入底座，所述底座由四块厚肋板拼接而成。

5.根据权利要求2所述的大直径嵌岩灌注桩提高竖向承载力的方法，其特征在于，所述大直径嵌岩灌注桩较长时，根据施工的吊装能力设置有多段钢管混凝土芯桩连接在一起，所述钢管混凝土芯桩端板中心位置设置有圆锥形螺栓及圆锥形定位孔，所述多段钢管混凝土芯桩的中心在一条直线上，位于上段的钢管混凝土芯桩的下端封板与下段的钢管混凝土芯桩的上端封板通过贴角安装焊缝连接成一整体。