CN108385674A - 高承载力薄壁钢管砼桩施工方法和装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了高承载力薄壁钢管砼桩施工方法和装置及其应用，用内击法解决了高承载力问题，用弱化桩孔土体技术解决了内击法的施工效率问题，用装置解决了缓冲及防腐问题，由此使得高承载力薄壁钢管混凝土桩的施工具有了可行性，且成桩质量好，用钢量小，操作简单，控制容易，施工效率高，可以形成可靠防腐，耐久性、力学性能好，性价比高。

Description

高承载力薄壁钢管砼桩施工方法和装置及其应用

技术领域

本发明涉及工程桩的施工方法和装置及其应用，属于施工技术领域。

背景技术

本发明所指的薄壁钢管，一般是指直径与壁厚之比大于20的钢管。钢管成本决定了只有薄壁钢管砼桩才可能真正具有市场竞争力。

本发明所指的高承载力一般是指薄壁钢管砼桩的抗压承载力不低于相应的钢管砼短柱的轴心受压承载力设计值的50％。例如：钢管为D426*4.2螺旋钢管，Q235材质，灌注C50混凝土，荷载设计值/荷载标准值＝1.3，成桩工艺系数0.85，这样的薄壁钢管砼桩的受压承载力特征值约为420吨，对应的钢管砼短柱的轴心受压承载力设计值约为540吨，二者的比值约为77％。该桩属于本发明所指的高承载力薄壁钢管砼桩。

要做出高承载力的薄壁钢管砼桩，沉管方法一般离不开内击法，特别是沉管后期，这时的锤击能量相对较大，而锤截面面积相对又比较小，所以，锤底的冲击应力很高，对缓冲的要求很高，一般的整体式缓冲很难满足要求，往往会被击碎而失去缓冲作用，所以，这种桩的缓冲一般要用散体式缓冲。该缓冲是很难取出来的，灌注混凝土后要硬化为桩身的一部分，就目前的材料和技术而言，采用干硬性水泥或干硬性水泥砂浆或干硬性混凝土比较适宜，采用这样的散体式缓冲，必须解决其横向膨胀问题；另外，内击法的沉管效率比较低，须提高沉管效率，这种桩才具有实用性；再就是薄壁钢管砼桩的防腐问题比较突出，最具实用性的是给钢管提供防腐保护层或防腐涂层，这就需要解决沉管过程中，怎样做好防腐保护层问题或防腐涂层损坏问题。

申请号为200610000525.0的“一种底部撞击式钢管混凝土桩及其施工方法”发明专利，提供了一种在底部撞击沉钢管、再向钢管内灌注混凝土形成钢管砼桩的施工方法。

这个专利提供的方法属于内击沉钢管施工钢管砼桩的方法，但其存在如下问题，使其失去了实用性：

1.落锤直接锤击桩靴，没有缓冲，导致钢管的冲击拉力很大，钢管拉坏的风险很高，锤底和桩靴直接撞击也会导致锤底和桩靴的损坏；

2.没有缓冲，也就没有考虑锤击时缓冲材料的横向膨胀可能将钢管胀坏的问题，对于薄壁钢管，这个问题尤为突出；

3.桩靴与钢管直径基本相同，难以做到用保护层解决钢管防腐问题，如果用防腐涂层，防腐涂层容易损坏，无法保证防腐效果。

200610000525.0号专利还提出可先用机械预钻孔，然后灌入填充材料。在一般土层条件下，灌入填充材料前孔就已经塌了，所以，该方法是不可实施的，是没有实用性的。如果填充水泥浆、水泥砂浆或混凝土，沉管可能会将其挤出桩孔，造成材料浪费和环境污染；如果填充砂质类材料，由于地下水的存在，将形成水沉砂的效果，反而加大了沉管难度，降低了沉管效率。

其它内击类钢管桩或钢管砼桩，都存在着与上述类似的问题。

综上，现有技术及装置是无法高效、可靠地做出高承载力的薄壁钢管砼桩的。

发明内容

为此，本发明提供了高承载力薄壁钢管砼桩的施工方法和装置及其应用。

下面先介绍装置，包括桩尖和专用内击锤。

一.桩尖A，如附图1所示，为有防胀钢管11的桩尖，优先采用混凝土或钢筋混凝土或外包钢混凝土桩尖。

二.桩尖B，如附图2所示，为有连接钢管21的桩尖，优先采用混凝土或钢筋混凝土或外包钢混凝土桩尖。

三.专用内击锤，如附图3、4、5所示，为自带缓冲的内击锤，其具体特征如下：

1.套筒40的钢管42与下部砧座41焊接，钢管42上口有环板43；环板43的内径小于钢管42内径，砧座41内可放散体式缓冲材料44；

2.锤体30下段34直径最小、上段31直径最大，下段34与中段32之间有直径大于中段32直径的外闪沿33；

3.锤体30上提超过锤体30最大工作落距一定高度后，锤体30的外闪沿33挂住套筒40上口的环板43，上提锤体30可将套筒40带起；

4.锤体30可自由下落或附加外力推动下落，通过缓冲材料44锤击套筒40下部砧座41。

四、专用桩机，如附图6所示，为驱动内击锤的油缸和卷扬均放在平台上的桩机，其具体特征如下：

1.卷扬52、油缸53装在桩机平台50上；

2.油缸53的活塞杆54端头有动滑轮55；

3.从卷扬52出来的钢丝绳59，绕过动滑轮55，到下定滑轮56，再经过里上定滑轮57，最后到外上定滑轮59，吊着桩机立柱51外面的内击锤60；

4.随卷扬52放绳，内击锤60下放；

5.通过活塞杆54的收、放驱动内击锤60上、下运动；

6.活塞杆54上提内击锤60前，卷扬52转动紧绳；活塞杆54上提内击锤60时，卷扬53不转；活塞杆54下放内击锤60时，卷扬52跟转放绳不小于单击最大预估贯入度的量；

下面介绍施工方法。

五、使用通用内击锤的高承载力薄壁钢管砼桩的施工方法：

1.根据需要，对桩孔土体进行弱化处理，包括但不限于松土引孔、全孔注浆引孔、下段注浆上段松土引孔、高压旋喷引孔、水泥搅拌引孔等现有方法；

2.优选直径大于桩身的大头桩尖A，优选在地面上将薄壁钢管与桩尖A的防胀钢管焊好，必要的话可采用筋板加强；

3.吊起薄壁钢管，对好桩点、调整好垂直度后，可采用振动或静压等现有方式进行先期沉管，至预定目标为止；可边沉管边在孔口往桩孔与钢管间的间隙里向下注浆，或采用带注浆管的薄壁钢管，边沉管边注浆；如果注浆本身不能满足防腐要求，可事先做好防腐涂层；

4.优选从钢管上口下干硬性水泥或干硬性水泥砂浆或干硬性混凝土做缓冲，其夯实厚度不大于防胀钢管高度；然后把通用内击锤下到钢管里，压到缓冲上，开始后期内击沉管，至预定目标为止；对于用干硬性水泥或水泥砂浆做缓冲的情况，必要时，可在内击结束后，提出内击锤，下少量混凝土，再把内击锤放下去，小落距锤击后下的混凝土，使其与缓冲用干硬性水泥或水泥砂浆充分混合；

5.提出内击锤，向钢管内灌注混凝土，优选自密实混凝土；可一根一灌，也可分批灌注，结束。

六、使用专用内击锤的高承载力薄壁钢管砼桩的施工方法：

1.根据需要，对桩孔土体进行弱化处理，包括但不限于松土引孔、全孔注浆引孔、下段注浆上段松土引孔、高压旋喷引孔、水泥搅拌引孔等现有方法；

2.优选直径大于桩身的大头桩尖B，优选在地面上将薄壁钢管与桩尖B的连接钢管焊好，必要的话可采用筋板加强；

3.吊起薄壁钢管，对好桩点，调整好垂直度后，可采用振动或静压等现有方式进行先期沉管，至预定目标为止；边沉管边在孔口往桩孔与钢管间的间隙里向下注浆，或采用带注浆管的薄壁钢管，边沉管边注浆；如果注浆本身不能满足防腐要求，可事先做好防腐涂层；

4.根据需要，可向桩尖上放压实厚5～10mm的一个薄层的干硬性水泥或干硬性水泥砂浆，然后把专用内击锤下到钢管里，压在干硬性水泥或干硬性水泥砂浆上或直接压到桩尖上，开始后期内击沉管，至预定目标为止；

5.提出内击锤，向钢管内灌注混凝土，优选自密实混凝土；可一根一灌，也可分批灌注，结束。

七、使用专用桩机施工高承载力薄壁钢管砼桩的方法：

1.根据需要，对桩孔土体进行弱化处理，包括但不限于松土引孔、全孔注浆引孔、下段注浆上段松土引孔、高压旋喷引孔、水泥搅拌引孔等现有方法；

2.优选直径大于桩身的大头桩尖A或大头桩尖B，优选在地面上将薄壁钢管与桩尖A的防胀钢管或桩尖B的连接钢管焊好，当用桩尖A时，优选先将缓冲放到薄壁钢管里面后再与薄壁钢管焊，必要的话可采用筋板加强；

3.吊起薄壁钢管，对好桩点、调整好垂直度后，可采用振动或静压等现有方式进行先期沉管，至预定目标为止；可边沉管边在孔口往桩孔与钢管间的间隙里向下注浆，或采用带注浆管的薄壁钢管，边沉管边注浆；如果注浆本身不能满足防腐要求，可事先做好防腐涂层；

4.卷扬放绳将内击锤下到钢管里，开始后期内击沉管，至预定目标为止；对于用干硬性水泥或水泥砂浆做缓冲的情况，必要时，可在内击结束后，提出内击锤，下少量混凝土，再把内击锤放下去，小落距锤击后下的混凝土，使其与缓冲用干硬性水泥或水泥砂浆充分混合；

5.也可全程用内击锤沉管；

6.卷扬收绳提出内击锤，向钢管内灌注混凝土，优选自密实混凝土；可一根一灌，也可分批灌注，结束。

通用内击锤是一个简单的柱形重锤，自身不带缓冲；专用内击锤为内击沉薄壁钢管专用锤，自带缓冲，其缓冲主要在砧座里面，砧座的抗胀能力比较强，桩尖上的干硬性水泥或干硬性水泥砂浆厚度较小，除做缓冲用外，主要起找平作用。通用内击锤用的干硬性水泥或干硬性水泥砂浆缓冲厚度相对较大，需要在桩尖上设防胀钢管解决锤击干硬性水泥或干硬性水泥砂浆的胀力。

薄壁钢管与防胀钢管或连接钢管焊好后再用筋板加强，主要是提高钢管的抗拉能力。

采用全孔注浆引孔时，优选边沉管边回收浆料。

无需赘述，显然，专用桩机可用于夯扩类桩的施工，包括载体桩的施工。

附图说明

附图1为桩尖A示意图；附图2为桩尖B示意图；附图3为专用内击锤套筒示意图；附图4为专用内击锤锤体示意图；附图5为专用内击锤锤体与套筒组合示意图；附图6为专用桩机示意图。

有益效果

本发明将弱化桩孔土体技术应用到高承载力薄壁钢管砼桩施工中，可大大提高施工效率，使得内击沉管施工高承载力薄壁钢管砼桩的方法具有了实用性。

实施例中的高承载力薄壁钢管砼桩，按流水组织施工，平均单桩成桩时间在30min左右。如果不对桩孔土体进行弱化处理，振动沉管最深只能沉到中密砂层，内击沉管深度超过7m，平均单桩成桩时间超过60min。施工效率差1～2倍，甚至更多。

使用通用内击锤，锤的构造简单，长度较小，需在桩尖上解决缓冲，要有防胀钢管，桩尖成本较高。使用专用内击锤，锤的构造复杂一些，长度较大，缓冲主要由锤自身解决，不需要防胀钢管，桩尖成本较低。

对于高承载力薄壁钢管砼桩而言，如果不解决缓冲，内击沉管势必将钢管拉断，导致沉管失败。对于内击沉一般壁厚的钢管，也存在这个问题。就是说，能否解决好缓冲问题，是内击沉钢管的关键，承载力越高，这个问题越突出。

大头桩尖同时注浆既解决了沉管时损坏防腐涂层问题，还可有效减小桩长，注浆硬化后，对桩受压起侧向支撑作用，还可提高桩侧阻力。

实施例中的直径仅426、承载力特征值却高达420吨的桩，如果不用大头桩尖，桩长约14～15m，中风化泥岩做持力层。桩长要长出2～3m。为提高施工效率，引孔要引到中风化泥岩，对引孔设备的能力要求比较高，也要增加不少成本。

本发明提供的专用桩机，与市场上现有的卷扬提锤的桩机相比，锤击频率高，钢丝绳过放小，钢丝绳损耗小。

实施例中的高承载力薄壁钢管砼桩，单桩造价比较高，约4000元，但单位承载力造价不到10元/吨，低于市场上竞争力较强的PHC桩，远低于其它桩。

由此施工出来的薄壁钢管砼桩，成桩质量好，用钢量小，承载力高，操作简单，控制容易，施工效率高，可以形成可靠防腐，耐久性、力学性能好，性价比高。

具体实施方式

实施例一：采用通用内击锤施工高承载力薄壁钢管砼桩。

场地土自上而下的土层情况：约1m厚的杂填土，约2m厚软塑-可塑状态的粉质粘土，约5m厚稍密、中密至密实状态的细砂、中砂，约2m厚的全风化泥岩，约3m厚的强风化泥岩，以下为中风化泥岩。

设计采用高承载力薄壁钢管砼桩，钢管为D426*4.2螺旋钢管，Q345材质，长12m，钢管外涂防腐涂层，灌芯混凝土为C60自密实混凝土，受压承载力特征值420吨。

采用外包钢混凝土的大头桩尖A，最大外径508mm，全高0.6m，防胀钢管11为D480*35无缝钢管，Q345材质，高150mm。

采用通用内击锤，锤直径380mm，长约5m，重约4.5吨。

施工步骤及情况如下：

1.松土引孔，直径550mm，深度12m；

2.在地面上将钢管与桩尖防胀钢管对焊，再焊22个100*30*5的加强筋板；

3.对好桩点、调好垂直度后，用60kW的配有通用内击锤的中空振动锤桩机振沉钢管，深度约12m；

4.从钢管上口向钢管内放干硬性水泥砂浆做缓冲，夯实厚度不超过100mm；

5.把通用内击锤放到底，压到干硬性水泥砂浆上，开始内击，最大落距3m，至最后两个10击的贯入度均不超过30mm时，停止内击；

6.随沉管随向钢管与桩孔的间隙里注入M5水泥砂浆；

7.提出内击锤，向钢管内灌满C60自密实混凝土，结束。

经检验，成桩质量优良；经检测，桩的极限承载力超过850吨，满足要求。

实施例二：采用专用内击锤施工高承载力薄壁钢管砼桩。

地质情况和设计要求同实施例一。

套筒40的钢管42直径390mm，厚度5mm，长约3.5m，环板内径350mm，砧座41的底板厚200mm，侧壁厚35mm、高200mm；锤体30下段34直径280mm，高300mm；中段32直径330mm，高约4m，上段31直径380mm，高约1.2m，外闪沿33直径370mm，高50mm，锤体30总重约4.5吨，缓冲材料44采用厚度100～150mm的机油土。

桩尖采用大头桩尖B，连接钢管21为D426*5螺旋钢管，Q345材质，高100mm，其它与实施例一基本相同，不再赘述。

实施例三，采用专用桩机施工高承载力薄壁钢管砼桩。

桩机为全液压桩机，卷扬52在前，油缸53在后，活塞杆54最大行程1.5m，对应行程0～1.5m的锤击频率为15～50次/min，内击锤最大落距3m。

全程内击沉管。引孔深度范围内，预估单击最大贯入度100mm。

其它不再赘述。

Claims (7)

1.高承载力薄壁钢管砼桩施工用的桩尖：

1.1桩尖A，为有防胀钢管(11)的桩尖，优先采用混凝土或钢筋混凝土或外包钢混凝土桩尖；

1.2桩尖B，为有连接钢管(21)的桩尖，优先采用混凝土或钢筋混凝土或外包钢混凝土桩尖。

2.高承载力薄壁钢管砼桩施工用的专用内击锤，为自带缓冲的内击锤，其具体特征如下：

2.1套筒(40)的钢管(42)与下部砧座(41)焊接，钢管(42)上口有环板(43)；环板(43)的内径小于钢管(42)内径，砧座(41)内可放散体式缓冲材料(44)；

2.2锤体(30)下段(34)直径最小、上段(31)直径最大，下段(34)与中段(32)之间有直径大于中段(32)直径的外闪沿(33)；

2.3锤体(30)上提超过锤体(30)最大工作落距一定高度后，锤体(30)的外闪沿(33)挂住套筒(40)上口的环板(43)，上提锤体(30)可将套筒(40)带起；

2.4锤体(30)可自由下落或附加外力推动下落，通过缓冲材料(440锤击套筒(40)下部砧座(41)。

3.高承载力薄壁钢管砼桩施工用的专用桩机，为驱动内击锤的油缸和卷扬均放在平台上的桩机，其具体特征如下：

1.卷扬(52)、油缸(53)装在桩机平台(50)上；

2.油缸(53)的活塞杆(54)端头有动滑轮(55)；

3.从卷扬(52)出来的钢丝绳(59)，绕过动滑轮(55)，到下定滑轮(56)，再经过里上定滑轮(57)，最后到外上定滑轮(59)，吊着桩机立柱(51)外面的内击锤(60)；

4.随卷扬(52)放绳，内击锤(60)下放；

5.通过活塞杆(54)的收、放驱动内击锤(60)上、下运动；

6.活塞杆(54)上提内击锤(60)前，卷扬(52)转动紧绳；活塞杆(54)上提内击锤(60)时，卷扬(53)不转；活塞杆(54)下放内击锤(60)时，卷扬(52)跟转放绳不小于单击最大预估贯入度的量。

4.使用通用内击锤的高承载力薄壁钢管砼桩的施工方法：

4.1根据需要，对桩孔土体进行弱化处理，包括但不限于松土引孔、全孔注浆引孔、下段注浆上段松土引孔、高压旋喷、水泥搅拌等现有方法；

4.2优选直径大于桩身的大头桩尖A，优选在地面上将薄壁钢管与桩尖A的防胀钢管焊好，必要的话可采用筋板加强；

4.3吊起薄壁钢管，对好桩点、调整好垂直度后，可采用振动或静压等现有方式进行先期沉管，至预定目标为止；可边沉管边在孔口往桩孔与钢管间的间隙里向下注浆，或采用带注浆管的薄壁钢管，边沉管边注浆；如果注浆本身不能满足防腐要求，可事先做好防腐涂层；

4.4优选从钢管上口下干硬性水泥或干硬性水泥砂浆或干硬性混凝土做缓冲，其夯实厚度不大于防胀钢管高度；然后把通用内击锤下放到底，压到缓冲上，开始后期内击沉管，至预定目标为止；

4.5提出内击锤，向钢管内灌注混凝土，优选自密实混凝土；可一根一灌，也可分批灌注，结束。

5.使用专用内击锤的高承载力薄壁钢管砼桩的施工方法：

5.1根据需要，对桩孔土体进行弱化处理，包括但不限于松土引孔、全孔注浆引孔、下段注浆上段松土引孔、高压旋喷引孔、水泥搅拌引孔等现有方法；

5.2优选直径大于桩身的大头桩尖B，优选在地面上将薄壁钢管与桩尖B的连接钢管焊好，必要的话可采用筋板加强；

5.3吊起薄壁钢管，对好桩点、调整好垂直度后，可采用振动或静压等现有方式进行先期沉管，至预定目标为止；边沉管边在孔口往桩孔与钢管间的间隙里向下注浆，或采用带注浆管的薄壁钢管，边沉管边注浆；如果注浆本身不能满足防腐要求，可事先做好防腐涂层；

5.4根据需要，可向桩尖上放压实厚度5～10mm的一个薄层的干硬性水泥或干硬性水泥砂浆，然后把专用内击锤下放到底，压在干硬性水泥或干硬性水泥砂浆上，开始后期内击沉管，至预定目标为止；

5.5提出内击锤，向钢管内灌注混凝土，优选自密实混凝土；可一根一灌，也可分批灌注，结束。

6.使用专用桩机施工高承载力薄壁钢管砼桩的方法：

6.1根据需要，对桩孔土体进行弱化处理，包括但不限于松土引孔、全孔注浆引孔、下段注浆上段松土引孔、高压旋喷引孔、水泥搅拌引孔等现有方法；

6.2优选直径大于桩身的大头桩尖A或大头桩尖B，优选在地面上将薄壁钢管与桩尖A的防胀钢管或桩尖B的连接钢管焊好，当用桩尖A时，优选先将缓冲放到薄壁钢管里面后再与薄壁钢管焊，必要的话可采用筋板加强；

6.3吊起薄壁钢管，对好桩点、调整好垂直度后，可采用振动或静压等现有方式进行先期沉管，至预定目标为止；可边沉管边在孔口往桩孔与钢管间的间隙里向下注浆，或采用带注浆管的薄壁钢管，边沉管边注浆；如果注浆本身不能满足防腐要求，可事先做好防腐涂层；

6.4卷扬放绳将内击锤下到钢管里，开始后期内击沉管，至预定目标为止；对于用干硬性水泥或水泥砂浆做缓冲的情况，必要时，可在内击结束后，提出内击锤，下少量混凝土，再把内击锤放下去，小落距锤击后下的混凝土，使其与缓冲用干硬性水泥或水泥砂浆充分混合；

6.5也可全程用内击锤沉管；

6.6卷扬收绳提出内击锤，向钢管内灌注混凝土，优选自密实混凝土；可一根一灌，也可分批灌注，结束。

7.专用桩机可用于夯扩类桩的施工，包括载体桩的施工。