CN108842837A - 一种端部封口预制混凝土扩大头管型桩 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地基基础工程技术领域，涉及一种端部封口预制混凝土扩大头管型桩，预制混凝土管桩的端部设有螺母，扩大头通过螺栓和螺母固定安装在预制混凝土管桩的桩端，轮辐传感器外接数字转化器，测量端板通过内六角螺栓与扩大头连接，加劲肋焊接在测量端板的底端，其结构简单，测试方便，安装简便，机械化程度高，现场操作性强，不必预先拼接，适合打桩过程中现场安装。
Description
技术领域:
本发明属于地基基础工程技术领域，涉及一种端部封口预制混凝土扩大头管型桩，适用于上软下硬的二元地层中，即持力层上覆盖软弱土层，持力层的承载力较高(如砾石、卵石或风化岩地基)，并且可以直接测试沉桩过程中的桩端阻力。
背景技术:
桩基技术在现代高层建筑和保证软土地基承受较大荷载方面得到广泛应用，特别是预制混凝土管型桩，以其质量稳定、施工速度快、工期短、保护环境、能承受较大的荷载、坚固耐久、生产实现工厂化等优点，成为桩基工程中优先选择的桩型。预制管型桩分为预应力混凝土管桩和预应力高强混凝土管桩，预制管型桩的施工方法有静压法、锤击法和振动法，并且成桩机械及设备齐全、施工工序日益完善，预制管型桩的使用量逐渐增多，据不完全统计，截止2017年底，我国管型桩的每年的使用量达到3亿米。
端部封口扩大头管型桩是在预制管桩基础上开发的一种新桩型，通过增大有效支承面积和扩大头刚度从而提高桩端承载力，使扩大头管型桩成为以桩端支承力为主、桩侧阻力为辅的桩型，除了可以很大程度提高管型桩的承载力、减小沉降之外，还能够消除上部软弱土层带来的负夫摩阻力，另外，在相同施工条件和地质情况下可减小桩长，降低工程造价。现阶段预制混凝土扩大头管桩主要是通过在桩端焊接桩头板的形式扩大桩端与土层的接触面积。但是在焊接过程中，焊接部位及附近由于高温会使钢板的组织性能和机械性能发生变化，从而使钢板变脆。加之，焊接会产生残余应力使钢板产生残余应力的可能性增大，降低钢板的稳定性。而且桩端阻力是桩基承载力的重要组成部分，由于在沉桩过程中影响沉桩阻力的因素较多，并且测试桩端阻力的测试方法较多，但大部分都是安装土压力盒和轴力计进行测试，与土层的接触面为传感器表面，接触面积都不是实际的桩端有效面积，表现出不为全截面承载的现象，从而使测量结果与桩基的实际工作条件存在差距，所以有必要对测试桩端阻力的方法进行改进。因此，迫切需要设计一种端部封口预制混凝土扩大头管型桩及制备方法。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，设计提供一种端部封口预制混凝土扩大头管型桩，通过改变扩大头与混凝土管桩的连接方式，使其既能满足在力学方面提高承载力的要求，从而桩身减小沉降，又能避免由于焊接产生的高温影响和残余应力的影响，同时通过改进端部传感器的安装工艺，在端部封口预制混凝土管桩桩端安装轮辐传感器，可测出在沉桩过程中的桩端阻力，根据压桩力可计算出桩侧摩阻力，通过桩端阻力和桩侧摩阻力可推断出沉桩过程中土层的变化规律。
为了实现上述目的，本发明所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩的主体结构包括预制混凝土管桩、螺栓、螺母、扩大头、轮辐传感器、测量端板、内六角螺栓、加劲肋；预制混凝土管桩的端部设有螺母，用于安装扩大头；螺栓的规格为M12×80，螺母与螺栓的规格相匹配；扩大头采用厚度为20cm的钢板制成，扩大头的半径比预制混凝土管桩的半径大5～10cm，扩大头靠近外侧面的位置处沿周向对称钻有四个第一孔洞，第一孔洞的孔径大小能够供螺栓穿过，第一孔洞的的内侧钻有对称的四个第二孔洞，第二孔洞的深度根据内六角螺栓的长度确定，直径与内六角螺栓的直径相匹配，第二孔洞的内壁上套丝，保证内六角螺栓拧到第二孔洞中，根据轮辐传感器的数据线在扩大头上标出相应位置，第三孔洞设置在扩大头上，其直径略大于轮辐传感器数据线的直径，第三孔洞将轮辐传感器的数据线从预制混凝土管桩的内径引出；扩大头通过螺栓和螺母固定安装在预制混凝土管桩的桩端，用于增大桩端与地基土的接触面积；轮辐传感器采用十字剪切梁结构，轮辐传感器外接数字转化器，在电脑上直接显示出沉桩过程中的压力大小，其量程根据预制混凝土管桩的承载力特征值来确定；测量端板的半径与扩大头半径相同，厚度为10cm，测量端板的表面预留与第二孔洞对应的第四孔洞，其直径大小保证内六角螺栓穿过即可，测量端板通过内六角螺栓与扩大头连接，内六角螺栓的长度根据测量端板和轮辐传感器的厚度来确定，内六角螺栓在扩大头中的长度不小于10cm，直径不小于12mm；加劲肋焊接在测量端板的底端，同时提高测量端板的承压强度和预制混凝土管桩的承载力，加劲肋采用六边形钢板制成，其厚度与测量端板厚度相同，高度为10cm，边长与测量端板直径相同。
本发明制备端部封口预制混凝土扩大头管型桩的具体过程为：
(1)将螺母预埋到预制混凝土管桩桩端的端头板上，并在螺母上下表面用胶带将螺母的孔洞粘好，防止混凝土溅到螺纹上影响后续安装；
(2)根据预制混凝土管桩的直径和单桩承载力特征值以及扩大头钢板的厚度确定扩大头的直径，并根据预制混凝土管桩桩端预埋的螺母在扩大头上标出相应位置，在所标出的位置处根据螺栓的直径钻取第一孔洞，保证螺栓能够穿过，再根据轮辐传感器上自带的螺栓孔在扩大头上标出相应位置，并在所标出的位置处根据内六角螺栓的直径和长度钻取第二孔洞，并在孔洞内壁上套丝，保证内六角螺栓能够拧紧，将轮辐传感器的出线位置在扩大头上标出，并根据轮辐传感器数据线的直径大小钻取第三孔洞，保证数据线能够穿出即可；
(3)在测量端板上标出轮辐传感器的孔洞位置，并根据内六角螺栓的直径钻取第四孔洞；
(4)根据测量端板的直径确定加劲肋的长度，并将加劲肋焊接到测量端板的底面，加劲肋呈90°分布，每条加劲肋均位于测量端板的直径上；
(5)将扩大头通过螺栓与预制混凝土管桩的桩端预埋的螺母连接到预制混凝土管桩的桩端上，保证拧紧不松动；
(6)对轮辐传感器进行标定，确定轮辐传感器的精确度，通过内六角螺栓将轮辐传感器和测量端板固定在扩大头的下表面，制备得到端部封口预制混凝土扩大头管型桩。
本发明所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩能够在沉桩过程中测试全截面上的桩端阻力，并通过测试得到的桩端阻力和压桩力并根据公式FS＝F-FP直接计算出沉桩过程中的桩侧摩阻力，其中FS桩侧摩阻力，单位(kN)；F为压桩力，单位(kN)；FP为桩端阻力，单位(kN)；从而推断出沉桩过程中的土层变化。
本发明与现有技术相比，采用螺栓连接的方式将扩大头与预制混凝土管桩连接，从而增大桩端与土层的接触面积，并且在扩大头钢板底面增设轮辐传感器，在传感器下表面安装测量端板从而实现全截面测量桩端阻力，并在测量端板下表面增设加劲肋提高扩大头的承压强度，从而提高桩的承载力；端部封口扩大头管型桩以桩端支撑为主、桩侧摩擦为辅的端承摩擦桩，在沉桩过程中的由于扩大头致使桩侧软弱土预先挤排开，沉桩之后软弱土体在自重应力之下向桩侧靠拢并固结，从而也消除软弱土层产生的桩侧负摩阻力；而且轮辐传感器采用十字剪切梁结构，具有良好的自然线性、抗偏载能力强、精度高、外形高度低、安装方便稳定，轮辐传感器外接数字转化器，在电脑上直接显示出沉桩过程中的压力大小，不必再外接其它解调仪；其结构简单，测试方便，安装简便，机械化程度高，现场操作性强，不必预先拼接，适合打桩过程中现场安装。
附图说明:
图1为本发明所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩的主视图。
图2为本发明所述扩大头的俯视图。
图3为本发明所述预埋好螺母的混凝土管桩俯视图。
图4为本发明所述轮辐传感器的俯视图。
图5为本发明所述测量端板的俯视图。
图6为本发明所述第四孔洞的结构图。
图7为本发明所述加劲肋的结构原理示意图。
图8为本发明所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩的剖面图。
图9为本发明实施例所述扩底桩与非扩底桩的压桩力与贯入深度对比曲线。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩的主体结构包括预制混凝土管桩1、螺栓2、螺母3、扩大头4、轮辐传感器5、测量端板6、内六角螺栓7、加劲肋8；预制混凝土管桩1的端部设有螺母3，用于安装扩大头4；螺栓2的规格为M12×80，螺母3与螺栓2的规格相匹配；扩大头4采用厚度为20cm的钢板制成，扩大头4的半径比预制混凝土管桩1的半径大5～10cm，扩大头4靠近外侧面的位置处沿周向对称钻有四个第一孔洞9，第一孔洞9的孔径大小能够供螺栓2穿过，第一孔洞9的的内侧钻有对称的四个第二孔洞10，第二孔洞10的深度根据内六角螺栓7的长度确定，直径与内六角螺栓7的直径相匹配，第二孔洞10的内壁上套丝，保证内六角螺栓7拧到第二孔洞10中，根据轮辐传感器5的数据线在扩大头4上标出相应位置，第三孔洞11设置在扩大头4上，其直径略大于轮辐传感器5数据线的直径，第三孔洞11将轮辐传感器5的数据线从预制混凝土管桩1的内径引出；扩大头4通过螺栓2和螺母3固定安装在预制混凝土管桩1的桩端，用于增大桩端与地基土的接触面积；轮辐传感器5采用十字剪切梁结构，轮辐传感器5外接数字转化器，在电脑上直接显示出沉桩过程中的压力大小，其量程根据预制混凝土管桩1的承载力特征值来确定；测量端板6的半径与扩大头4半径相同，厚度为10cm；测量端板6的表面预留与第二孔洞10对应的第四孔洞12，其直径大小保证内六角螺栓7穿过即可，测量端板6通过内六角螺栓7与扩大头4连接，内六角螺栓7的长度根据测量端板6和轮辐传感器5的厚度来确定，内六角螺栓7在扩大头4中的长度不小于10cm，直径不小于12mm；加劲肋8焊接在测量端板6的底端，同时提高测量端板的承压强度和预制混凝土管桩1的承载力，加劲肋8采用六边形钢板制成，其厚度与测量端板6厚度相同，高度为10cm，边长与测量端板6直径相同。
本实施例制备端部封口预制混凝土扩大头管型桩的具体过程为：
(1)将螺母3预埋到预制混凝土管桩1桩端的端头板上，并在螺母上下表面用胶带将螺母3的孔洞粘好，防止混凝土溅到螺纹上影响后续安装；
(2)为保证扩大头4在沉桩过程中以及工作阶段不发生弯曲，要满足一定的厚度，所以扩大头4的直径要根据预制混凝土管桩1的直径和单桩承载力特征值以及扩大头钢板的厚度综合考虑来确定，并根据预制混凝土管桩1桩端预埋的螺母3在扩大头4上标出相应位置，在所标出的位置处根据螺栓2的直径钻取第一孔洞9，保证螺栓2能够穿过，再根据轮辐传感器5上自带的螺栓孔在扩大头4上标出相应位置，并在所标出的位置处根据内六角螺栓7的直径和长度钻取第二孔洞10，并在孔洞内壁上套丝，保证内六角螺栓7能够拧紧，将轮辐传感器5的出线位置在扩大头4上标出，并根据轮辐传感器5数据线的直径大小钻取第三孔洞11，保证数据线能够穿出即可；
(3)在测量端板6上标出轮辐传感器5的孔洞位置，并根据内六角螺栓7的直径钻取第四孔洞12，第四孔洞12的详图如图6所示。
(4)根据测量端板6的直径确定加劲肋8的长度，并将加劲肋8焊接到测量端板6的底面，加劲肋8呈90°分布，每条加劲肋均位于测量端板6的直径上；
(5)将扩大头4通过螺栓2与预制混凝土管桩1的桩端预埋的螺母3连接到预制混凝土管桩1的桩端上，保证拧紧不松动；
(6)对轮辐传感器5进行标定，确定轮辐传感器5的精确度，通过内六角螺栓7将轮辐传感器5和测量端板6固定在扩大头4的下表面，制备得到如图8所示的端部封口预制混凝土扩大头管型桩。
本实施例所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩能够在沉桩过程中测试全截面上的桩端阻力，并通过测试得到的桩端阻力和压桩力并根据公式FS＝F-FP直接计算出沉桩过程中的桩侧摩阻力，其中FS桩侧摩阻力，单位(kN)；F为压桩力，单位(kN)；FP为桩端阻力，单位(kN)；从而推断出沉桩过程中的土层变化。
实施例2：
本实施例在某工程中进行端部封口预制混凝土扩大头管型桩的制备及桩端阻力测试，工程场地主要分布淤泥质土层和粘性土层为主，土层分布见表1：
表1：土层的物理力学性质指标
其中/：表示勘察报告中未给出；
本实施例所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩(即下述扩底桩)采用混凝土管桩的桩长为10m，桩径为400mm，壁厚为9.5mm，扩大头的直径为500mm，本实施例的压桩方式采用静力压桩法，对扩底桩与非扩底桩的压桩力与贯入深度进行对比，其对比曲线如图9所示，从图中可以看出：在贯入初期，扩底桩与非扩底桩的压桩力变化较小，增长幅度约为23％，随着贯入深度的增加，扩底桩的压桩力明显大于非扩底桩，说明随着贯入深度的增加，扩底桩的优势逐渐发挥，当贯入深度达到10m时，扩底桩压桩力最大值为1799KN，非扩底桩压桩力的最大值为1265kN，增长幅度约为42％，其曲线变化规律在一定程度反映了土层的变化。
Claims (3)
1.一种端部封口预制混凝土扩大头管型桩，其特征在于主体结构包括预制混凝土管桩、螺栓、螺母、扩大头、轮辐传感器、测量端板、内六角螺栓、加劲肋；预制混凝土管桩的端部设有螺母，用于安装扩大头；螺栓的规格为M12×80，螺母与螺栓的规格相匹配；扩大头采用厚度为20cm的钢板制成，扩大头的半径比预制混凝土管桩的半径大5～10cm，扩大头靠近外侧面的位置处沿周向对称钻有四个第一孔洞，第一孔洞的孔径大小能够供螺栓穿过，第一孔洞的的内侧钻有对称的四个第二孔洞，第二孔洞的深度根据内六角螺栓的长度确定，直径与内六角螺栓的直径相匹配，第二孔洞的内壁上套丝，保证内六角螺栓拧到第二孔洞中，根据轮辐传感器的数据线在扩大头上标出相应位置，第三孔洞设置在扩大头上，其直径大于轮辐传感器数据线的直径，第三孔洞将轮辐传感器的数据线从预制混凝土管桩的内径引出；扩大头通过螺栓和螺母固定安装在预制混凝土管桩的桩端，用于增大桩端与地基土的接触面积；轮辐传感器采用十字剪切梁结构，轮辐传感器外接数字转化器，在电脑上直接显示出沉桩过程中的压力大小，其量程根据预制混凝土管桩的承载力特征值来确定；测量端板的半径与扩大头半径相同，厚度为10cm测量端板的表面预留与第二孔洞对应的第四孔洞，，其直径大小保证内六角螺栓穿过即可，测量端板通过内六角螺栓与扩大头连接，内六角螺栓的长度根据测量端板和轮辐传感器的厚度来确定，内六角螺栓在扩大头中的长度不小于10cm，直径不小于12mm；加劲肋焊接在测量端板的底端，同时提高测量端板的承压强度和预制混凝土管桩的承载力，加劲肋采用六边形钢板制成，其厚度与测量端板厚度相同，高度为10cm，边长与测量端板直径相同。
2.根据权利要求1所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩，其特征在于其具体制备过程为：
(1)将螺母预埋到预制混凝土管桩桩端的端头板上，并在螺母上下表面用胶带将螺母的孔洞粘好，防止混凝土溅到螺纹上影响后续安装；
(2)根据预制混凝土管桩的直径和单桩承载力特征值以及扩大头钢板的厚度确定扩大头的直径，并根据预制混凝土管桩桩端预埋的螺母在扩大头上标出相应位置，在所标出的位置处根据螺栓的直径钻取第一孔洞，保证螺栓能够穿过，再根据轮辐传感器上自带的螺栓孔在扩大头上标出相应位置，并在所标出的位置处根据内六角螺栓的直径和长度钻取第二孔洞，并在孔洞内壁上套丝，保证内六角螺栓能够拧紧，将轮辐传感器的出线位置在扩大头上标出，并根据轮辐传感器数据线的直径大小钻取第三孔洞，保证数据线能够穿出即可；
(3)在测量端板上标出轮辐传感器的孔洞位置，并根据内六角螺栓的直径钻取第四孔洞；
(4)根据测量端板的直径确定加劲肋的长度，并将加劲肋焊接到测量端板的底面，加劲肋呈90°分布，每条加劲肋均位于测量端板的直径上；
(5)将扩大头通过螺栓与预制混凝土管桩的桩端预埋的螺母连接到预制混凝土管桩的桩端上，保证拧紧不松动；
(6)对轮辐传感器进行标定，确定轮辐传感器的精确度，通过内六角螺栓将轮辐传感器和测量端板固定在扩大头的下表面，制备得到端部封口预制混凝土扩大头管型桩。
3.根据权利要求1所述端部封口预制混凝土扩大头管型桩，其特征在于该管型桩能够在沉桩过程中测试全截面上的桩端阻力，并通过测试得到的桩端阻力和压桩力并根据公式FS＝F-FP直接计算出沉桩过程中的桩侧摩阻力，其中FS桩侧摩阻力，单位kN；F为压桩力，单位kN；FP为桩端阻力，单位kN；从而推断出沉桩过程中的土层变化。
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