CN106759296A - 一种可排水异形截面竹节管桩及其根植式施工方法 - Google Patents

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Abstract

一种可排水异形截面竹节管桩及其根植式施工方法，竹节管桩内部具有空腔，且竹节管桩沿轴向从上到下依次包括顶部、中间部和底部，顶部和底部的横截面均呈圆环状；中间部包括若干节管桩段，相邻两节管桩段之间设有竹节，竹节的横截面形状为圆环状；管桩段的横截面形状呈齿轮状，齿轮的外轮廓线条包括若干个向内凹陷的圆弧段和若干个直线段，圆弧段和直线段交替分布，直线段和圆弧段首尾相连，且圆弧段向管桩段的中心凹陷。本发明的竹节管桩的根植式施工方法集成静钻成孔、扩底注浆和根植桩身等多项技术，充分发挥和协调各项简单工艺的技术优势。单桩抗压承载力高，桩身混凝土强度得到充分发挥，抗拔性能得到大幅提高。

Description

一种可排水异形截面竹节管桩及其根植式施工方法
技术领域
本发明属于岩土工程中地基处理技术领域，具体涉及一种可排水异形截面竹节管桩及其根植式施工方法。
背景技术
目前，国内桩基主要为灌注桩和预制桩两种，两种桩都存在一定的不足。灌注桩采用泥浆护壁，存在侧摩阻力下降、桩端沉渣和泥浆排放污染等缺点，而预制管桩则存在侧摩阻力发挥不足、易脆性破坏、施工中挤土严重和噪声大等缺点。预制管桩多采用“锤击法”和“静压法”，这两种技术存在挤土严重、易损伤桩身等缺陷。
公开号为CN103556555A的中国专利公开了一种加固路堤软基的钉形钻孔桩复合地基结构及其施工方法，本专利在出现病害的公路软基中设置钉形钻孔桩，与桩间土形成复合地基。每个桩孔从路堤穿过硬壳层、软土层贯穿至硬土层，桩孔从路堤下端开始向下的一定深度直径比上下直径大。以地平面为分界线，分界线以上桩孔内为中粗砂,分界线以下桩孔内为凝固的水泥浆或水泥砂浆。该发明能增强路基稳定性、减少路基沉降，但是该钉形钻孔桩属于钻孔灌注桩，采用泥浆护壁，会产生桩侧摩阻力下降、桩端沉渣和泥浆排放污染等缺点。
杨淼、张忠苗、刘念武、施茂飞和张日红应用ABAQUS有限元软件对新型螺旋成孔根植注浆竹节管桩进行抗压数值模拟，分析结果表明桩身竹节处存在2～3倍桩径的应力影响范围，并且存在1.6～1.8倍桩径的空壳区，竹节极限承载力从上到下排列线性增长(除第1节和最后一节)。结果还表明，竹节间距、水泥土厚度、桩侧土弹性模量以及桩端土弹性模量都对组合桩极限承载力有影响，而水泥土弹性模量的影响则可忽略(参考文献：杨淼、张忠苗、刘念武、施茂飞.新型螺旋成孔根植注浆竹节管桩抗压性状数值模拟研究[J].岩土力学，2013,34(7):2119-2126)。但是该文献介绍的竹节管桩截面均为圆形，桩侧摩阻力较小。
工程技术人员先后研发了预制管桩的“静钻根植”技术。“静钻根植”法可以减少排土量，还可有效降低施工噪音，同时具备施工速度快等优点。
在现有地基处理技术中，尚未有效集成与融合“静钻成孔”、“扩底注浆”、“深层搅拌”和“根植桩身”等多项成熟技术并形成一种新型的桩基施工方法。此外，工程中常用的竹节管桩优势在于可大幅提高软土地基的承载力，而其缺陷则为不能起到加速软土排水固结的作用。
发明内容
为克服背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种可排水异形截面竹节管桩及其根植式施工方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种可排水异形截面竹节管桩，竹节管桩内部具有空腔，且竹节管桩沿轴向从上到下依次包括顶部、中间部和底部，所述顶部和底部的横截面均呈圆环状；中间部包括若干节管桩段，相邻两节管桩段之间设有竹节，所述竹节的横截面形状为圆环状；所述管桩段的横截面形状呈齿轮状，所述齿轮的外轮廓线条包括若干个向内凹陷的圆弧段和若干个直线段，所述圆弧段和所述直线段交替分布，所述直线段和所述圆弧段首尾相连，且所述圆弧段向管桩段的中心凹陷。
进一步，所述齿轮的外轮廓线条包括6个圆弧段和6个直线段，且每个圆弧段的圆心角为120°。
进一步，所述顶部的横截面外径大于管桩段的横截面外径。
进一步，所述竹节的横截面外径比管桩段的横截面外径长5-10mm。
进一步，所述空腔的横截面形状为圆形。
本发明所述的一种可排水异形截面竹节管桩的根植式施工方法，包括以下步骤：
(1)预制
根据安装部位的具体需求预制若干节所述竹节管桩；
(2)静钻成孔
1)桩机选择
在施工前，依据地质条件、周边环境、沉桩深度和桩径，选择合适的单轴钻机和桩架类型；
2)桩机就位
将选好的单轴钻机的钻头定位于所述竹节管桩设计的桩位中心安装位置，使用定位检测尺确认单轴钻机的钻头是否定位于竹节管桩桩心平面位置，用互成90°的2台经纬仪对单轴钻机的钻杆进行垂直度监测和校正，确保钻杆的垂直度偏差在许可范围内；
3)钻孔
启动单轴钻机，搅拌机带动钻杆沿导向架向下切土钻孔，且在钻头钻孔过程中，根据地质情况喷水或膨润土和水的混合液，利用带有搅拌叶的钻杆一边钻孔一边对钻孔进行修整及护壁，钻孔直径为Dmin；
前一根钻杆钻入地下后接入下一根钻杆，直至钻入深度达到钻孔的设计深度；之后，上下反复提升和下降钻杆进行桩孔的修整；
钻头达到持力层部位附近时，钻进速度应尽量保持一致，结合单轴钻机检测到的钻机的实时电流负荷变化情况和地勘报告柱状图，来判断钻头是否进入或到达持力层；
(3)扩底施工
桩孔修整完成后，打开钻头部位扩大翼，根据地质情况分次扩孔，扩孔直径为Dmax，扩孔深度为h1；扩底完成后，钻杆应上下反复升降2～4次，保证桩端土体分散均匀；
(4)深搅注浆
扩孔完成后，注入桩端水泥浆，注浆时上下升降钻机并反复搅拌，保证桩端水泥浆均匀；
桩端水泥浆液喷送完成后，收拢扩大翼并开始拔出钻杆，在拔钻杆的同时，注入桩周水泥浆，并进行反复搅拌，直到将钻杆全部拔出；
钻杆上设置有螺旋推进翼与搅拌翼，随着钻进和搅拌的反复进行，桩端水泥浆和桩周水泥浆与周围软土可得到充分搅拌；
(5)根植桩身
1)根植桩身
在桩端水泥浆注入2h后立即开始植桩，用吊机将预制好的所述竹节管桩移到桩孔位置，使用定位检测尺对桩身进行定位，偏差不得超过30mm，同时，用2台经纬仪互成90°对竹节管桩进行检测，垂直度偏差不大于0.5％，然后一节一节植入所述的竹节管桩；
2)机械接桩
上下相邻的两个竹节管桩通过法兰盘和螺栓连接，并在连接时配合人工检查，以确保连接质量；为了操作方便，在竹节管桩的桩头高出地面0.5m以上时进行连接操作；
3)回旋送桩
在最上一节竹节管桩的沉桩过程中，当最上一节竹节管桩的桩顶距地面1.5m～2m的深度时，用定位检测尺对最上一节竹节管桩进行固定、校正，然后使用钻机对最上一节竹节管桩进行回旋送桩，直至将最上一节竹节管桩送至最上一节竹节管桩的设计深度；
(6)桩孔间隙投放碎石
为了填补竹节管桩与桩孔间的间隙，在竹节管桩植桩完成后，以及水泥浆完全固化前，立即向所述间隙内投放碎石，并采用振捣设备反复插实形成碎石围护层，由碎石围护层构造软土地基固结排水通道，碎石围护层与竹节管桩形成复合桩结构，既利于提高桩基承载力，又利于软土地基固结排水；
(7)安装桩帽
在达到桩帽底部标高时，先安放并绑扎桩帽连接钢筋，然后浇注桩帽混凝土；
(8)成桩检测
在成桩后7～28天进行质量检测试验，包括开挖检测、钻孔检测和载荷试验。
进一步，所投碎石是天然碎石、建筑垃圾再生骨料和工业废渣。
进一步，步骤(6)中所述的振捣设备为振冲器。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)加固优势显著。本发明所述可排水异形截面竹节管桩，竹节管桩外围围护层可加速软土地基排水固结；而竹节管桩因截面呈齿轮状，可大幅提高单桩承载力。此外，该桩桩身尺寸可调，能满足不同类型地基承载力设计要求，具有加固范围广、效果显著和适用性强等优点。
(2)成本低效益高。本发明所述可排水异形截面竹节管桩，因其具有中空的齿轮截面，从而有效减少了桩身断面尺寸，可大量节省混凝土用量；还可充分利用建筑垃圾再生骨料、工业废渣等散体材料填充竹节管桩与桩孔间的间隙，从而减少天然建材消耗和建筑垃圾等废弃物堆填所占土地面积，可节约建材成本并保护生态环境，由此产生较为显著的经济、环保和社会效益。
(3)本发明所述的竹节管桩的根植式施工方法集成静钻成孔、扩底注浆和根植桩身等多项技术，充分发挥和协调各项简单工艺的技术优势。单桩抗压承载力高，桩身混凝土强度得到充分发挥，抗拔性能得到大幅提高(可用环向锁紧卡箍机械连接)。桩身(尤其接头)受桩管内外水泥土保护，长期耐久性可靠。静钻根植工法可以减少排土量，还可有效降低施工噪音，同时具备施工速度快等优点。较之灌注桩，工厂化规模生产，不会出现缩颈现象，桩底无沉渣，确保端阻力满足设计要求，具有无振动、低噪声和泥浆排放少等优点。
(4)本发明所述的竹节管桩的根植式施工方法集成了静钻成孔、扩底注浆和根植桩身等多项技术，在保证工程质量的同时，实现了较高的机械化施工效率，从而缩短了施工周期，节约劳动力和工程投资等，一定程度上节省了人力和物力资源。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是管桩段横截面形状结构示意图。
具体实施方式
参照附图，一种可排水异形截面竹节管桩，竹节管桩内部具有空腔，且竹节管桩沿轴向从上到下依次包括顶部1、中间部2和底部3，所述顶部1和底部3的横截面均呈圆环状；中间部2包括若干节管桩段21，相邻两节管桩段21之间设有竹节22，所述竹节22的横截面形状为圆环状；所述管桩段21的横截面形状呈齿轮状，所述齿轮的外轮廓线条包括若干个向内凹陷的圆弧段211和若干个直线段212，所述圆弧段211和所述直线段212交替分布，所述直线段212和所述圆弧段211首尾相连，且所述圆弧段211向管桩段21的中心凹陷。
所述齿轮的外轮廓线条包括6个圆弧段211和6个直线段212，且每个所述圆弧段211的圆心角a为120°，直线段212的长度为开弧间距b。
所述顶部1的横截面外径大于管桩段21的横截面外径c，所述管桩段21的横截面外径c指的是管桩段21的横截面的外接圆的直径。
所述竹节22的横截面外径d比管桩段21的横截面外径c长5-10mm。
所述空腔的横截面形状为圆形。
所述的竹节管桩的根植式施工方法，包括以下步骤：
(1)预制
根据安装部位的具体需求预制若干节所述竹节管桩；
(2)静钻成孔
1)桩机选择
在施工前，依据地质条件、周边环境、沉桩深度和桩径，选择合适的单轴钻机和桩架类型；
2)桩机就位
将选好的单轴钻机的钻头定位于所述竹节管桩设计的桩位中心安装位置，使用定位检测尺确认单轴钻机的钻头是否定位于竹节管桩桩心平面位置，用互成90°的2台经纬仪对单轴钻机的钻杆进行垂直度监测和校正，确保钻杆的垂直度偏差在许可范围内；
3)钻孔
启动单轴钻机，搅拌机带动钻杆沿导向架向下切土钻孔，且在钻头钻孔过程中，根据地质情况喷水或膨润土和水的混合液，利用带有搅拌叶的钻杆一边钻孔一边对钻孔进行修整及护壁，钻孔直径为Dmin；
上一根钻杆钻入地下后接入下一根钻杆，直至钻入深度达到钻孔的设计深度；之后，上下反复提升和下降钻杆进行桩孔的修整；
钻头达到持力层部位附近时，钻进速度应尽量保持一致，结合单轴钻机检测到的钻机的实时电流负荷变化情况和地勘报告柱状图，来判断钻头是否进入或到达持力层；
(3)扩底施工
桩孔修整完成后，打开钻头部位扩大翼，根据地质情况分次扩孔，扩孔直径为Dmax，扩孔深度为h1；扩底完成后，钻杆应上下反复升降2～4次，保证桩端土体分散均匀；
(4)深搅注浆
扩孔完成后，注入桩端水泥浆，注浆时上下升降钻机并反复搅拌，保证桩端水泥浆均匀；
桩端水泥浆液喷送完成后，收拢扩大翼并开始拔出钻杆，在拔钻杆的同时，注入桩周水泥浆，并进行反复搅拌，直到将钻杆全部拔出；
钻杆上设置有螺旋推进翼与搅拌翼，随着钻进和搅拌的反复进行，桩端水泥浆和桩周水泥浆与周围软土可得到充分搅拌；
(5)根植桩身
1)根植桩身
在桩端水泥浆注入2h后立即开始植桩，用吊机将预制好的所述竹节管桩移到桩孔位置，使用定位检测尺对桩身进行定位，偏差不得超过30mm，同时，用2台经纬仪互成90°对竹节管桩进行检测，垂直度偏差不大于0.5％，然后一节一节植入所述的竹节管桩；
2)机械接桩
上下相邻的两个竹节管桩通过法兰盘和螺栓连接，并在连接时配合人工检查，以确保连接质量；为了操作方便，在竹节管桩的桩头高出地面0.5m以上时进行连接操作；
3)回旋送桩
在最上一节竹节管桩的沉桩过程中，当最上一节竹节管桩的桩顶距地面1.5m～2m的深度时，用定位检测尺对最上一节竹节管桩进行固定、校正，然后使用钻机对最上一节竹节管桩进行回旋送桩，直至将最上一节竹节管桩送至最上一节竹节管桩的设计深度；
(6)桩孔间隙投放碎石
为了填补竹节管桩与桩孔间的间隙，在竹节管桩植桩完成后，以及水泥浆完全固化前，立即向所述间隙内投放碎石5，并采用振捣设备反复插实形成碎石围护层，由碎石围护层构造软土地基固结排水通道，碎石围护层与竹节管桩形成复合桩结构，既利于提高桩基承载力，又利于软土地基固结排水；
(7)安装桩帽
在达到桩帽底部标高时，先安放并绑扎桩帽连接钢筋，然后浇注桩帽混凝土；
(8)成桩检测
在成桩后7～28天进行质量检测试验，包括开挖检测、钻孔检测和载荷试验。
进一步，所投碎石5是天然碎石、建筑垃圾再生骨料和工业废渣。
进一步，步骤(6)中所述的振捣设备为振冲器。
图1中常规预制桩4与本发明所述的竹节管桩的顶部1通过法兰盘和螺栓固定连接。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种可排水异形截面竹节管桩，其特征在于：竹节管桩内部具有空腔，且竹节管桩沿轴向从上到下依次包括顶部、中间部和底部，所述顶部和底部的横截面均呈圆环状；中间部包括若干节管桩段，相邻两节管桩段之间设有竹节，所述竹节的横截面形状为圆环状；所述管桩段的横截面形状呈齿轮状，所述齿轮的外轮廓线条包括若干个向内凹陷的圆弧段和若干个直线段，所述圆弧段和所述直线段交替分布，所述直线段和所述圆弧段首尾相连，且所述圆弧段向管桩段的中心凹陷。
2.如权利要求1所述的一种可排水异形截面竹节管桩，其特征在于：所述齿轮的外轮廓线条包括6个圆弧段和6个直线段，且每个圆弧段的圆心角为120°。
3.如权利要求2所述的一种可排水异形截面竹节管桩，其特征在于：所述顶部的横截面外径大于管桩段的横截面外径。
4.如权利要求3所述的一种可排水异形截面竹节管桩，其特征在于：所述竹节的横截面外径比管桩段的横截面外径长5-10mm。
5.如权利要求4所述的一种可排水异形截面竹节管桩，其特征在于：所述空腔的横截面形状为圆形。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种可排水异形截面竹节管桩的根植式施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)预制
根据安装部位的具体需求预制若干节所述竹节管桩；
(2)静钻成孔
1)桩机选择
在施工前，依据地质条件、周边环境、沉桩深度和桩径，选择合适的单轴钻机和桩架类型；
2)桩机就位
将选好的单轴钻机的钻头定位于所述竹节管桩设计的桩位中心安装位置，使用定位检测尺确认单轴钻机的钻头是否定位于竹节管桩桩心平面位置，用互成90°的2台经纬仪对单轴钻机的钻杆进行垂直度监测和校正，确保钻杆的垂直度偏差在许可范围内；
3)钻孔
启动单轴钻机，搅拌机带动钻杆沿导向架向下切土钻孔，且在钻头钻孔过程中，根据地质情况喷水或膨润土和水的混合液，利用带有搅拌叶的钻杆一边钻孔一边对钻孔进行修整及护壁，钻孔直径为Dmin；
上一根钻杆钻入地下后接入下一根钻杆，直至钻入深度达到钻孔的设计深度；之后，上下反复提升和下降钻杆进行桩孔的修整；
钻头达到持力层部位附近时，钻进速度应尽量保持一致，结合单轴钻机检测到的钻机的实时电流负荷变化情况和地勘报告柱状图，来判断钻头是否进入或到达持力层；
(3)扩底施工
桩孔修整完成后，打开钻头部位扩大翼，根据地质情况分次扩孔，扩孔直径为Dmax，扩孔深度为h1；扩底完成后，钻杆应上下反复升降2～4次，保证桩端土体分散均匀；
(4)深搅注浆
扩孔完成后，注入桩端水泥浆，注浆时上下升降钻机并反复搅拌，保证桩端水泥浆均匀；
桩端水泥浆液喷送完成后，收拢扩大翼并开始拔出钻杆，在拔钻杆的同时，注入桩周水泥浆，并进行反复搅拌，直到将钻杆全部拔出；
钻杆上设置有螺旋推进翼与搅拌翼，随着钻进和搅拌的反复进行，桩端水泥浆和桩周水泥浆与周围软土可得到充分搅拌；
(5)根植桩身
1)根植桩身
在桩端水泥浆注入2h后立即开始植桩，用吊机将预制好的所述竹节管桩移到桩孔位置，使用定位检测尺对桩身进行定位，偏差不得超过30mm，同时，用2台经纬仪互成90°对竹节管桩进行检测，垂直度偏差不大于0.5％，然后一节一节植入所述的竹节管桩；
2)机械接桩
上下相邻的两个竹节管桩通过法兰盘和螺栓连接，并在连接时配合人工检查，以确保连接质量；为了操作方便，在竹节管桩的桩头高出地面0.5m以上时进行连接操作；
3)回旋送桩
在最上一节竹节管桩的沉桩过程中，当最上一节竹节管桩的桩顶距地面1.5m～2m的深度时，用定位检测尺对最上一节竹节管桩进行固定、校正，然后使用钻机对最上一节竹节管桩进行回旋送桩，直至将最上一节竹节管桩送至最上一节竹节管桩的设计深度；
(6)桩孔间隙投放碎石
为了填补竹节管桩与桩孔间的间隙，在竹节管桩植桩完成后，以及水泥浆完全固化前，立即向所述间隙内投放碎石，并采用振捣设备反复插实形成碎石围护层，由碎石围护层构造软土地基固结排水通道，碎石围护层与竹节管桩形成复合桩结构，既利于提高桩基承载力，又利于软土地基固结排水；
(7)安装桩帽
在达到桩帽底部标高时，先安放并绑扎桩帽连接钢筋，然后浇注桩帽混凝土；
(8)成桩检测
在成桩后7～28天进行质量检测试验，包括开挖检测、钻孔检测和载荷试验。
7.如权利要求6所述的根植式施工方法，其特征在于：所投碎石是天然碎石、建筑垃圾再生骨料和工业废渣。
8.如权利要求7所述的根植式施工方法，其特征在于：步骤(6)中所述的振捣设备为振冲器。
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