CN108221972A - 一种组合桩及其施工方法和单桩竖向承载力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合桩及其施工方法和单桩竖向承载力计算方法，所述组合桩包括预制桩芯和包裹在所述预制桩芯外的结石体，预制桩芯由若干根预制桩分段连接而成并且所述预制桩芯的桩端、桩顶及分段连接处均设置有刚性连接板，预制桩具有大截面端和小截面端并且预制桩的桩截面面积沿着轴线从大截面端向小截面端渐变减小。本发明公开的组合桩结构有利于预制桩与结石体紧密粘结形成整体并防止二者接触面滑移，还能够扩大有效桩径，单桩承载力相对于普通预制桩大幅增大；此外，能够通过简单的标贯试验估算单桩承载力，计算过程简单、方便，计算结果可靠。

Description

一种组合桩及其施工方法和单桩竖向承载力计算方法

技术领域

本发明涉及土木工程的技术领域，更具体地讲，涉及建筑、交通、市政领域中一种组合桩及其施工方法和单桩竖向承载力计算方法。

背景技术

目前桩基采用的机械施工方法主要分为两种：机械成孔灌注桩和锤击或静压预制桩。旋挖灌注桩是机械成孔灌注桩中最常用的桩型之一，其施工效率高，人工安全性好，然而缺点也很明显：首先桩端持力层具有不确定性，如在中风化与强风化互层的端承桩，桩端持力层往往难以满足设计要求；其次是采用泥浆护壁桩底沉渣厚度不易控制，桩身质量不易控制，易出现缩颈、夹泥、离析等；最后是单桩承载力较大的桩的检测难度较大。

预制桩具有桩身质量可控、锤击或静压法施工效率较高、穿透力较强并且可使桩端位于较硬的持力层的优点，缺点是锤击施工噪音和振动大、挤土明显，易对周边建筑物及地下管线产生不利影响，此外锤击法施工对软岩、较软岩的破坏性较大，工后易出现端承力减小、可靠度降低的问题。并且，静压法施工桩端难以达到设计要求的较硬持力层，还会产生挤土效应。当持力层之上有较硬土层时，锤击或静压施工难以使预制桩穿过这些地层达到设计持力岩层，以上问题在一定程度上影响了预制桩的应用。

综合灌注桩和预制桩的施工工艺，对两种桩型取其长、避其短，采用先钻孔再植入预制桩，形成预制桩外包裹结石体的组合桩，其具有以下优点：1)桩端持力层可控，可以到达设计要求的持力层；2)对软质岩石的破坏小，减少后期因岩石软化带来的质量隐患；3)采用先注浆技术，对岩石裂隙和桩周土孔隙的充填，可提高单桩竖向承载力；4)桩身质量有保障，大大降低工程质量隐患。

专利文献(申请号91103285.1)提出一种沉桩工艺，包括以下步骤：放样定桩位→钻机就位钻孔→测量孔深、孔径及孔底虚土沉渣→泥浆护壁→植入预制桩，桩尖达设计标高→拔送桩管、回填送桩内孔虚土。此工艺将挤土桩改善为低挤土桩，减小了沉桩对邻近建筑物、构筑物不良影响，解决了穿越硬夹土层等特定条件下的施工难度。

专利文献(申请号201610404195.5)提出一种植桩方法，包括以下步骤：采用可入岩的旋挖钻、回转钻、冲击钻等钻孔，穿过各种土层进入坚硬岩土层，钻孔中采用泥浆护壁，干成孔时不用泥浆护壁，形成桩孔；钻孔完成后，将预制桩或型钢桩或钢管插入孔内；采用注浆工艺以水泥触变泥浆或水泥浆置换泥浆，干成孔时直接在孔内注入水泥触变泥浆；在预制桩或型钢桩的顶部施加压力或打击力。此方法可穿过各种土层及坚硬，成孔深度大。

然而现有技术存在以下不足：1)插入的预制桩单独发挥作用，没有发挥组合桩优势，或预制桩与水泥浆结石体间不能很好形成整体共同发挥作用，在较大荷载下可能发生组合桩内预制桩与水泥浆结石体间发生滑移破坏；2)组合桩作为一种新的桩型，现有单桩承载力计算方法不一定适用，在使用中需要一种简单、有效的承载力计算方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种组合桩及其施工方法和单桩竖向承载力计算方法。

本发明一方面提供了一种组合桩，所述组合桩包括预制桩芯和包裹在所述预制桩芯外的结石体，所述预制桩芯由若干根预制桩分段连接而成并且所述预制桩芯的桩端、桩顶及分段连接处均设置有刚性连接板，其中，所述预制桩具有大截面端和小截面端并且预制桩的桩截面面积沿着轴线从大截面端向小截面端渐变减小。

根据本发明组合桩的一个实施例，所述组合桩由上部的非扩体段和下部的扩体段组成，其中，所述扩体段的长度不小于2m且不大于组合桩的桩长的一半，所述扩体段的直径为非扩体段的直径的1～2倍。

根据本发明组合桩的一个实施例，所述预制桩均以大截面端朝上且小截面端朝下的方式进行分段连接，预制桩通过焊接方式与刚性连接板连接。

根据本发明组合桩的一个实施例，所述预制桩为混凝土预制桩、金属质预制桩或合成树脂类预制桩，所述预制桩的桩长为2～100m。

根据本发明组合桩的一个实施例，所述预制桩为实心桩或中空桩，所述实心桩的桩截面形状为圆形、方形、十字形或梅花形，所述中空桩的中空截面形状为圆形、方形、十字形或梅花形。

根据本发明组合桩的一个实施例，所述预制桩的桩截面面积渐变率0.01≤γ＝(D₂-D₁)/L₀≤0.2，其中L₀为单节预制桩的桩长，D₂为大截面端的外径或边长，D₁为小截面端的外径或边长。

根据本发明组合桩的一个实施例，所述刚性连接板的面积大于分段连接处预制桩的桩截面面积，所述刚性连接板为钢板、合金板或合成树脂板，所述结石体是由注浆材料硬化后形成的，所述注浆材料为水泥浆或聚氨酯化学浆液。

本发明的另一方面提供了上述组合桩的施工方法，所述施工方法包括以下步骤：

在预定桩位钻孔或挖孔形成非扩孔段，向孔内注入少量注浆材料；

将预制桩分段连接至设计桩长并在桩端、桩顶及分段连接处设置刚性连接板，制成预制桩芯；

将预制桩芯下放至孔底预定深度并将预制桩芯对中固定，补充注浆材料至孔口，静置养护至硬化达到设计强度。

根据本发明组合桩的施工方法的一个实施例，所述施工方法还包括钻孔或挖孔时在孔底以上的预定深度进行扩孔形成扩孔段的步骤，其中，孔深为3～100m，孔径为0.2～1.6m，所述扩孔段的孔径为非扩孔段的孔径的1～2倍，所述孔径大于刚性连接板的面积。

本发明的再一方面提供了上述组合桩的单桩竖向承载力计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

①通过动力触探标准贯入试验确定各土层标准贯入锤击数；

②根据所述各土层标准贯入锤击数计算桩端承力P₁和桩侧阻力P₂，其中，

桩端承力P₁与土层标准贯入锤击数之间的关系符合下式1：

P₁＝N₁A₀(mλⁿ+tλ)——式1

其中，A₀为组合桩非扩体段的桩截面面积；A为组合桩扩体段的桩截面面积；m、n、t为常数；N₁为组合桩扩体段土层范围的平均锤击数；

桩侧阻力P₂与土层标准贯入锤击数之间的关系符合下式2：

P₂＝aU∑N_il_i——式2

其中，a为常数，U为组合桩非扩体段的周长，N_i为桩侧土层i的标准贯入锤击数，l_i为桩侧土层i的厚度；所述桩侧阻力P₂未计入扩体段及以上非扩体段2m范围内的桩侧摩阻力；

③根据下式3计算得到单桩竖向承载力特征值R_a：

R_a＝(P₁+P₂)/K——式3

其中，K为安全系数且K取值为3；

上述常数m、n、t、a，对于黏性土分别取值为200、1.2、90、3，对于非黏性土分别取值为250、1.5、100、4。

与现有技术相比，本发明公开的组合桩结构有利于预制桩芯与结石体紧密粘结形成整体并防止二者接触面滑移，还能够扩大有效桩径，单桩承载力相对于普通预制桩大幅增大；此外，能够通过简单的标贯试验估算单桩承载力，计算过程简单、方便，计算结果可靠。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的组合桩的结构示意图。

附图标记说明：

1-刚性连接板、2-结石体、3-预制桩、4-非扩体段、5-扩体段。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面对本发明的组合桩及其施工方法和单桩竖向承载力计算方法分别进行具体说明。

图1示出了根据本发明示例性实施例的组合桩的结构示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述组合桩包括预制桩芯和包裹在预制桩芯外的结石体2，预制桩芯由若干根预制桩3分段连接而成并且预制桩芯3的桩端、桩顶及分段连接处均设置有刚性连接板1，其中，预制桩3具有大截面端和小截面端并且预制桩3的桩截面面积沿着轴线从大截面端向小截面端渐变减小。

本发明同时对预制桩芯中预制桩的结构和预制桩之间的连接方式进行了改进。一方面通过采用横截面面积渐变缩小的预制桩连接形成预制桩芯，能够使得组合桩的承载力得到有效提高。

优选地，预制桩3均以大截面端朝上且小截面端朝下的方式进行分段连接，这种布置形态有利于预制桩身的荷载向结石体传递，能够提高承载力。并且，预制桩3通过焊接方式与刚性连接板1连接。

根据本发明的示例性实施例，预制桩3可以为混凝土预制桩、金属质预制桩或合成树脂类预制桩，预制桩的桩长为2～100m。预制桩优选为实心桩或中空桩，实心桩的桩截面形状包括但不限于为圆形、方形、十字形或梅花形，中空桩的中空截面形状包括但不限于圆形、方形、十字形或梅花形。

其中，预制桩的桩截面面积渐变率0.01≤γ＝(D₂-D₁)/L₀≤0.2，其中L₀为单节预制桩的桩长，D₂为大截面端的外径或边长，D₁为小截面端的外径或边长。渐变率γ越大越利于预制桩芯与结石体间的粘结，提高二者整体性，同时也会因增加预制桩节数而增加施工工期。

另一方面，本发明通过采用刚性连接件连接相邻预制桩，有利于预制桩芯与结石体结合成为整体，共同承担荷载的同时有效地避免二者接触面发生滑移，产生了显著优于现有技术中组合桩的技术效果。目前组合桩中预制桩芯主要为全长等径的结构形式，桩节间没有设置扩大的刚性连接板。这种结构在桩顶竖向荷载作用下，预制桩芯所受竖向力通过摩擦力传递至结石体。当二者间摩擦力不足时，则易出现预制桩芯与结石体间的粘接破坏，这在目前的工程应用中是最为常见的破坏方式。组合桩的理想破坏模式是结石体与土层间滑移破坏。若结石体与预制桩芯间先发生滑移，则没有充分发挥组合桩的高承载力优势。为了防止预制桩芯与结石体间滑移，本发明将预制桩设计为截面渐变的结构形式，预制桩芯所受竖向荷载传递在二者接触面上通过法向压力和切向摩擦力传递至结石体，这一方面大幅减小了接触面的摩擦力，同时作用于接触面的法向压力可以提高二者间粘结力，对于防止接触面滑移破坏有利，同时当在组合桩顶及桩节间设置刚性粘结板，则作用于桩顶的竖向荷载有较大部分是直接通过刚性连接板传至结石体，减小了预制桩芯与结石体间摩擦力的传递，有利于保证二者的整体性，而且扩大的刚性连接板可以的加筋作用可以提高结石体的抗压强度。这种组合桩结构在试验中承载力高、安全和经济性好，显著优于传统的组合桩结构。

其中，刚性连接板的面积应大于分段连接处预制桩的桩截面面积，以整桩能下放孔底为宜。优选地，该刚性连接板1可以为钢板、合金板、合成树脂板等。

该组合桩的结石体2是由注浆材料硬化后形成的，其能够包裹在预制桩芯的外表面上，其中，注浆材料可以为水泥浆、聚氨酯化学浆液等。

根据本发明的优选实施例，组合桩由上部的非扩体段4和下部的扩体段5组成，其中，扩体段5的长度不小于2m且不大于组合桩的桩长的一半，并且扩体段5的直径为非扩体段4的直径的1～2倍。设置扩体段可以显著提高桩端承载力，进一步可提高单桩承载力，这在设计单桩承载力较高时尤其适用

针对上述结构的组合桩，本发明同时提供了上述组合桩的施工方法。

根据本发明的示例性实施例，所述组合桩的施工方法包括以下步骤。

步骤1：

在预定桩位钻孔或挖孔形成非扩孔段，向孔内注入少量注浆材料。

本步骤为钻孔步骤，通过注入少量注浆材料可以用于对后续放入的预制桩芯进行预固定。

为了形成组合桩的扩孔段，所述施工方法还可以进一步包括钻孔或挖孔时在孔底以上的预定深度进行扩孔形成扩孔段的步骤。

优选地，孔深为3～100m，孔径为0.2～1.6m；扩孔段的孔径为非扩孔段的孔径的1～2倍，并且孔径应大于刚性连接板的面积。

步骤2：

将预制桩分段连接至设计桩长并在桩端、桩顶及分段连接处设置刚性连接板，制成预制桩芯。

其中，预制桩分段连接时采取大截面端朝上且小截面端朝下的方式连接，并且优选地通过焊接连接的方式将预制桩与刚性连接板连接。

步骤3：

将预制桩芯下放至孔底预定深度并将预制桩芯对中固定，补充注浆材料至孔口，静置养护至硬化达到设计强度，得到本发明的组合桩。

针对上述结构的组合桩，本发明同时提供了上述组合桩的单桩竖向承载力计算方法。

根据本发明的示例性实施例，所述组合桩的单桩竖向承载力计算方法包括以下步骤。

步骤①：

通过动力触探标准贯入试验确定各土层标准贯入锤击数。

动力触探标准贯入试验是动力触探的一种，是在现场测定砂或粘性土的地基承载力的一种方法，本领域技术人员均了解其方法。这一方法已被列入国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021中，具体为采用63.5kg的锤自76cm的高度自由落下，将长度大于50厘米、外径5.1厘米、内径3.49厘米的贯入器击打入土中30cm所需的锤击数称为标准贯入锤击数N。

②根据所述各土层标准贯入锤击数计算桩端承力P₁和桩侧阻力P₂，其中，

桩端承力P₁与土层标准贯入锤击数之间的关系符合下式1：

P₁＝N₁A₀(mλⁿ+tλ)——式1

其中，A₀为组合桩非扩体段的桩截面面积；A为组合桩扩体段的桩截面面积；m、n、t为常数；N₁为组合桩扩体段土层范围的平均锤击数；

桩侧阻力P₂与土层标准贯入锤击数之间的关系符合下式2：

P₂＝aU∑N_il_i——式2

其中，a为常数，U为组合桩非扩体段的周长，N_i为桩侧土层i的标准贯入锤击数，l_i为桩侧土层i的厚度。

考虑到组合桩的扩体段以上2m范围内的桩侧摩阻力没有有效发挥，因此上述桩侧阻力P₂未计入扩体段及以上非扩体段2m范围内的桩侧摩阻力。

③根据下式3计算得到单桩竖向承载力特征值R_a：

R_a＝(P₁+P₂)/K——式3

其中，K为安全系数且K取值为3。考虑到该组合桩在长期荷载作用下耐久性相对于普通钻孔灌注桩略低，故增大单桩承载力安全系数至3。

根据现有组合桩承载特性试验数据拟合上述常数m、n、t、a，对于黏性土分别取值为200、1.2、90、3，对于非黏性土分别取值为250、1.5、100、4。

采用上述施工方法制得的上述结构的组合桩中，预制桩芯与结石体之间能实现紧密粘结，不仅能够扩大有效桩径，而且单桩承载力相对于普通预制桩大幅增大；此外，上述计算方法通过简单的标准贯入试验即可估算单桩承载力，计算过程方法简单、方便，计算结果可靠。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

如图1所示，该组合桩的桩长为12m，其中非扩体段长度为10m且直径为0.8m，扩体段长度为2m且直径为1.2m。采用的预制桩为PHC管桩(空心桩)，每节预制桩的桩长为6m，大截面端的外径为600mm，小截面较的外径为400mm，壁厚为125mm。

组合桩的施工包括以下步骤：

在预定桩位钻孔或挖孔，孔深12m，在孔底以上2m深度范围内扩孔形成扩孔段，孔内注入少量M30水泥浆；

将每节6m的预制桩分段连接至12m的预定桩长(2根预制桩即可)，在桩端、桩顶及分段连接处设置钢板，钢板与预制桩之间通过焊接方式连接，形成预制桩芯，其中，钢板厚3cm且板径为700mm；

将预制桩芯下放至孔底，将预制桩芯对中固定，补充M30水泥浆液至孔口，静置养护至浆液硬化达到设计强度，得到组合桩。

确定该组合桩单桩竖向承载力，计算方法包括以下步骤：

①通过动力触探标准贯入试验确定各土层标准贯入锤击数，其中，0～3m为素填土，试验得到标准贯入锤击数N＝3；3～10m为粉质黏土，试验得到标准贯入锤击数N＝15；10～25m为中密中砂，试验得到标准贯入锤击数N＝22；

②桩端承力P₁与土层标准贯入锤击数之间的关系符合式1：P₁＝N₁A₀(mλⁿ+tλ)，

其中，A₀为组合桩非扩体段的桩截面面积，具体为0.5024m²；A为组合桩扩体段的桩截面面积，计算得到桩端为非黏性土，则m、n、t为常数250、1.5、100；N₁为组合桩扩体段土层范围的平均锤击数，具体为22；根据上述数据和式1计算得P₁＝6734kN；

③桩侧阻力P₂与土层标准贯入锤击数之间的关系符合式2：P₂＝aU∑N_il_i，

其中，a为已知常数3；U为组合桩非扩底段的周长，具体为2.5m；表层素填土不计入侧阻力，N_i为桩侧黏土层i的标准贯入锤击数，具体为15；l_i为桩侧黏土层i的厚度且扣除扩体段以上2m，有效长度为7m；根据上述数据和式2计算得P₂＝788kN；

④单桩竖向承载力特征值R_a＝(P₁+P₂)/K，K为安全系数3，计算得R_a＝2507kN。

对该组合桩进行破坏性试验，单桩竖向承载力极限值为8905kN，单桩竖向承载力特征值的试验值为2968kN。由此可见，采用本发明计算方法计算得到的该组合桩单桩竖向承载力特征值的计算值2507kN小于2968kN，对于工程设计偏于安全，且计算值与设计值偏差小于20％。

综上所述，本发明可解决锤击或静压施工无法使预制桩穿过较硬地层到达设计桩端持力层以及持力层岩面存在倾斜易导致桩端滑移等问题，组合桩中的预制桩与结石体能作为整体共同发挥作用，单桩承载力高且单桩承载力计算方法简单实用，可作为设计前及初步设计阶段承载力估算的有效方法。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种组合桩，其特征在于，所述组合桩包括预制桩芯和包裹在所述预制桩芯外的结石体，所述预制桩芯由若干根预制桩分段连接而成并且所述预制桩芯的桩端、桩顶及分段连接处均设置有刚性连接板，其中，所述预制桩具有大截面端和小截面端并且预制桩的桩截面面积沿着轴线从大截面端向小截面端渐变减小。

2.根据权利要求1所述的组合桩，其特征在于，所述组合桩由上部的非扩体段和下部的扩体段组成，其中，所述扩体段的长度不小于2m且不大于组合桩的桩长的一半，所述扩体段的直径为非扩体段的直径的1～2倍。

3.根据权利要求1所述的组合桩，其特征在于，所述预制桩均以大截面端朝上且小截面端朝下的方式进行分段连接，预制桩通过焊接方式与刚性连接板连接。

4.根据权利要求1所述的组合桩，其特征在于，所述预制桩为混凝土预制桩、金属质预制桩或合成树脂类预制桩，所述预制桩的桩长为2～100m。

5.根据权利要求1所述的组合桩，其特征在于，所述预制桩为实心桩或中空桩，所述实心桩的桩截面形状为圆形、方形、十字形或梅花形，所述中空桩的中空截面形状为圆形、方形、十字形或梅花形。

6.根据权利要求1所述的组合桩，其特征在于，所述预制桩的桩截面面积渐变率0.01≤γ＝(D₂-D₁)/L₀≤0.2，其中L₀为单节预制桩的桩长，D₂为大截面端的外径或边长，D₁为小截面端的外径或边长。

7.根据权利要求1所述的组合桩，其特征在于，所述刚性连接板的面积大于分段连接处预制桩的桩截面面积，所述刚性连接板为钢板、合金板或合成树脂板，所述结石体是由注浆材料硬化后形成的，所述注浆材料为水泥浆或聚氨酯化学浆液。

8.如权利要求1至7中任一项所述组合桩的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括以下步骤：

在预定桩位钻孔或挖孔形成非扩孔段，向孔内注入少量注浆材料；

将预制桩分段连接至设计桩长并在桩端、桩顶及分段连接处设置刚性连接板，制成预制桩芯；

将预制桩芯下放至孔底预定深度并将预制桩芯对中固定，补充注浆材料至孔口，静置养护至硬化达到设计强度。

9.根据权利要求8所述组合桩的施工方法，其特征在于，所述施工方法还包括钻孔或挖孔时在孔底以上的预定深度进行扩孔形成扩孔段的步骤，其中，孔深为3～100m，孔径为0.2～1.6m，所述扩孔段的孔径为非扩孔段的孔径的1～2倍，所述孔径大于刚性连接板的面积。

10.如权利要求1至7中任一项所述组合桩的单桩竖向承载力计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

①通过动力触探标准贯入试验确定各土层标准贯入锤击数；

②根据所述各土层标准贯入锤击数计算桩端承力P₁和桩侧阻力P₂，其中，桩端承力P₁与土层标准贯入锤击数之间的关系符合下式1：

P₁＝N₁A₀(mλⁿ+tλ)——式1

其中，A₀为组合桩非扩体段的桩截面面积；A为组合桩扩体段的桩截面面积；m、n、t为常数；N₁为组合桩扩体段土层范围的平均锤击数；

桩侧阻力P₂与土层标准贯入锤击数之间的关系符合下式2：

P₂＝aU∑N_il_i——式2

其中，a为常数，U为组合桩非扩体段的周长，N_i为桩侧土层i的标准贯入锤击数，l_i为桩侧土层i的厚度；所述桩侧阻力P₂未计入扩体段及以上非扩体段2m范围内的桩侧摩阻力；

③根据下式3计算得到单桩竖向承载力特征值R_a：

R_a＝(P₁+P₂)/K——式3

其中，K为安全系数且K取值为3；

上述常数m、n、t、a，对于黏性土分别取值为200、1.2、90、3，对于非黏性土分别取值为250、1.5、100、4。