CN110284494B - 一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩及其施工方法 - Google Patents

一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩及其施工方法，涉及钢桩技术领域，该用于破除礁灰岩地层的钢管桩包括钢管桩本体；预裂锥头，其设有多个，多个预裂锥头沿周向设置于所述钢管桩本体底部端面，所述预裂锥头具有向所述钢管桩本体中心方向突出的棱边。本发明的用于破除礁灰岩地层的钢管桩，通过预裂锥头沿礁灰岩地层垂直生长方向的弱化面预先劈裂礁灰岩地层，避免了钢管桩本体端面接触礁灰岩地层，减少了端头阻力，确保钢管桩顺利打入硬质礁灰岩，提高钢管桩的施工效率。

Description

一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩及其施工方法
技术领域
本发明涉及钢桩技术领域，具体涉及一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩及其施工方法。
背景技术
珊瑚礁地层呈现出礁灰岩的特性。礁灰岩是生物成岩，具有孔隙大、结构性强、脆性大以及强度各向异性的特点，显示出极为复杂的岩土工程特性。礁灰岩试样在进行劈裂试验后多呈现出脆性破坏，破坏面比较明显，破裂面多沿竖向劈开，说明礁灰岩沿垂直生长方向具有弱化面的结构特征。
现有的桥梁钢管桩在打入礁灰岩等硬质地层的过程中，常发生卷边、桩头变形等问题，给桩基施工带来巨大困难，导致工期延误，成本增加。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩及其施工方法，可确保钢管桩顺利打入硬质礁灰岩地层，提高钢管桩的施工效率。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩，其包括：
钢管桩本体；
预裂锥头，其设有多个，多个预裂锥头沿周向设置于钢管桩本体底部端面，预裂锥头具有向钢管桩本体中心方向突出的棱边。
在上述技术方案的基础上，预裂锥头的横截面尺寸自下而上逐渐增大，棱边朝向钢管桩本体中心倾斜设置。
在上述技术方案的基础上，钢管桩本体对应每个预裂锥头的竖直方向开设有多个应力回弹孔，多个应力回弹孔呈行列式布置。
在上述技术方案的基础上，每行应力回弹孔的孔径相同，每列应力回弹孔的孔径自下而上逐渐增大。
在上述技术方案的基础上，最下行应力回弹孔与钢管桩本体底部端面之间的距离等于钢管桩本体外径的一半，相邻两行应力回弹孔的间距为钢管桩本体外径的一半。
在上述技术方案的基础上，钢管桩本体内壁位于任意相邻两列应力回弹孔之间竖向设有应力补偿钢条，应力补偿钢条的上表面高于最上行应力回弹孔的上表面，且应力补偿钢条的横截面尺寸自下而上逐渐增大。
在上述技术方案的基础上，预裂锥头为五棱台结构，其顶面焊接于钢管桩本体底部端面，五棱台的横截面尺寸自下而上逐渐增大，向钢管桩本体中心方向突出的棱边相对的侧壁与五棱台的顶面垂直。
本发明还提供一种基于上述用于破除礁灰岩地层的钢管桩的施工方法，其包括步骤：
将钢管桩本体喂入打桩架；
采用冲击锤施打钢管桩本体，使预裂锥头刺入地层中；每次施打后使锤芯在钢管桩本体上保压数秒，限制钢管桩本体竖向回弹，再进行下一次施打，直至钢管桩本体到达设计高程。
在上述技术方案的基础上，钢管桩本体对应每个预裂锥头的竖直方向开设有多个应力回弹孔，多个应力回弹孔呈行列式布置；钢管桩本体内壁位于任意相邻两列应力回弹孔之间竖向设有应力补偿钢条，应力补偿钢条的上表面高于最上行应力回弹孔的上表面；
采用冲击锤施打钢管桩本体时，应力补偿钢条劈裂钢管桩本体内的礁灰岩。
在上述技术方案的基础上，还包括：取出钢管桩本体内破碎的礁灰岩块，在应力补偿钢条高度范围内灌入混凝土，混凝土通过应力回弹孔渗透进入礁灰岩与钢管桩本体之间的间隙、以及礁灰岩自身的孔隙内。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的用于破除礁灰岩地层的钢管桩，通过预裂锥头沿礁灰岩地层垂直生长方向的弱化面预先劈裂礁灰岩地层，避免了钢管桩本体端面接触礁灰岩地层，减少了端头阻力，确保钢管桩顺利打入硬质礁灰岩，提高钢管桩的施工效率。
(2)本发明的用于破除礁灰岩地层的钢管桩，利用应力回弹孔蓄积锤击的能量，向下回弹产生预裂应力，进一步促使预裂锥头劈裂礁灰岩地层。
(3)本发明的用于破除礁灰岩地层的钢管桩，利用应力补偿钢条，可以将进入钢管桩内部的礁灰岩切割劈裂破碎，减少其对钢管桩内壁的摩阻力，提升钢管桩入岩效率。
(4)本发明，改变了钢管桩的破岩模式，由传统挤压破坏礁灰岩地层，转变为劈裂破坏礁灰岩地层，同时在打桩时增加了骤停保压步骤，与传统的连续锤击法相比，大大降低了锤击次数，增加打桩效率，显著节约了打桩费用。
(5)本发明的钢管桩在桩端灌入混凝土时，由于礁灰岩地层具有孔隙大的特点，混凝土浆液可以通过应力回弹孔渗透进入礁灰岩与钢管桩周边的间隙、以及礁灰岩自身的孔隙内，显著提高钢管桩桩端与礁灰岩地层的粘结力，提高桩基承载能力，还可缩短钢管桩长度，节约桩基工程量。
附图说明
图1为本发明实施例中用于破除礁灰岩地层的钢管桩的结构示意图；
图2为图1的B-B向视图；
图3为图2沿C向的展开示意图；
图4为本发明实施例中预裂锥头的俯视图；
图5为图4的D-D向视图；
图6为图4的E-E向视图。
图中：1-钢管桩本体，2-预裂锥头，21-棱边，22-侧壁，3-应力补偿钢条，4-应力回弹孔。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1-3所示，本发明实施例提供一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩，其包括钢管桩本体1和预裂锥头2。根据礁灰岩地层垂直生长方向具有弱化面的结构特征，在钢管桩本体1的底部端面沿周向均匀间隔布置多个预裂锥头2。参见图4-6所示，每个预裂锥头2均具有向钢管桩本体1中心方向突出的棱边21，且棱边21沿直线延伸。
上述预裂锥头2的布置不宜太疏也不宜太密，相邻两个预裂锥头 2与多个预裂锥头2所在圆圆心的连线之间的夹角在10-40°之间。当钢管桩本体1的外径R大于3.0m时，圆心角取小值；当钢管桩本体1的外径R小于1.0m，圆心角取大值；当钢管桩本体1的外径R 在1.0-3.0m之间时，圆心角可在10-40°之间根据钢管桩本体1半径插值。
优选地，预裂锥头2的高H在5-10cm之间，当礁灰岩地层的抗压强度较高时，预裂锥头2的高度取小值，进而预裂锥头2的刚度较大，施工时不易弯曲变形；当礁灰岩地层的抗压强度较低时，预裂锥头2的高度取大值，有利于预裂锥头2劈入更深，施工效率更快。
本实施例的钢管桩制造方便，其在施工时，通过预裂锥头2沿礁灰岩地层垂直生长方向的弱化面预先劈裂礁灰岩地层，避免了钢管桩本体端面接触礁灰岩地层，减少了端头阻力，确保钢管桩顺利打入硬质礁灰岩，提高钢管桩的施工效率。
优选地，预裂锥头2的横截面尺寸自下而上逐渐增大，棱边21 朝向钢管桩本体1中心倾斜设置，通过倾斜设置的棱边21，可使预裂锥头2更容易将接触的礁灰岩劈裂。
上述钢管桩本体1对应每个预裂锥头2的竖直方向开设有多个应力回弹孔4，多个应力回弹孔4呈行列式布置。因此，每行应力回弹孔4均沿钢管桩本体1周向开设，且每行应力回弹孔4的个数即为预裂锥头2的个数。在钢管桩进行施打时，通过应力回弹孔4短暂吸收蓄积锤击的冲击功，然后再向下回弹产生预裂应力，可促使预裂锥头 2进一步竖向劈裂礁灰岩地层。
优选地，每行应力回弹孔4的孔径相同，每列应力回弹孔4的孔径自下而上逐渐增大。最下行应力回弹孔4与钢管桩本体1底部端面之间的距离等于钢管桩本体1外径的一半，相邻两行应力回弹孔4的间距为钢管桩本体1外径的一半。
本实施例中，应力回弹孔4为圆形通孔，且自下而上设有3行应力回弹孔4。当钢管桩本体1的外径R大于等于3.0m时，应力回弹孔4的孔径ri(i＝1，2，3)取R/30-R/15；当钢管桩本体1的外径R 小于等于1.0m时，应力回弹孔4的孔径ri取R/12-R/6。其中，最下行应力回弹孔4的孔径为r1，中间应力回弹孔4的孔径为r2，最上行应力回弹孔4的孔径为r3。
上述钢管桩本体1内壁位于任意相邻两列应力回弹孔4之间竖向设有应力补偿钢条3，应力补偿钢条3的上表面高于最上行应力回弹孔4的上表面。
优选地，应力补偿钢条3的横截面尺寸自下而上逐渐增大，应力补偿钢条3下端面面积等于最下行应力回弹孔4的孔径r1与钢管桩本体1壁厚d的乘积，应力补偿钢条3上端面面积等于最上行应力回弹孔4的孔径r3与钢管桩本体1壁厚d的乘积，以便于在节约应力补偿钢条3生产成本的同时，使应力补偿钢条3最大程度地补偿开设应力回弹孔4造成的钢管桩本体1截面的强度损失。
本实施例中，应力补偿钢条3的横截面为等腰直角三角形，其直角所在的棱朝向钢管桩本体1中心设置。通过应力补偿钢条3可补偿由于开设应力回弹孔4造成的钢管桩本体1截面的强度损失量，同时该直角所在的棱，可以将打桩过程中进入钢管桩本体1内部的礁灰岩切割劈裂破碎，减少其对钢管桩内壁的摩阻力，提升钢管桩入岩效率。由于应力补偿钢条3的横截面为等腰直角三角形，因此，下端面直角三角形的高
Figure RE-GDA0002167919430000061
上端面直角三角形的高
Figure RE-GDA0002167919430000062
在其他实施例中，应力补偿钢条3的横截面也可为扇形，扇形的尖端指向钢管桩本体1中心。通过应力补偿钢条3可补偿由于开设应力回弹孔4造成的钢管桩本体1截面的强度损失量，同时应力补偿钢条3突出的棱尖，也可将打桩过程中进入钢管桩本体1内部的礁灰岩切割劈裂破碎，减少其对钢管桩内壁的摩阻力，提升钢管桩入岩效率。
本实施例中，预裂锥头2为五棱台结构，其顶面焊接于钢管桩本体1底部端面，五棱台的横截面尺寸自下而上逐渐增大，向钢管桩本体1中心方向突出的棱边21相对的侧壁22与五棱台的顶面和底面均垂直。
其中，棱边21相对的侧壁22的上边长a与钢管桩本体1的壁厚 d相同，棱边21相对的侧壁22的下边长b为顶面五边形的底边长a 的一半，也就是，棱边21相对的侧壁22的下边长b为钢管桩本体1 的壁厚d的一半，即b＝a/2＝d/2。优选地，棱边21顶端到该侧壁22 的距离为a，棱边21底端到该侧壁22的距离为b，可达到最好的刚度和劈裂效果。
本实施例还提供一种基于上述用于破除礁灰岩地层的钢管桩的施工方法，其包括步骤：
S1.将钢管桩本体1喂入打桩架。
S2.首先使液压冲击锤就位，然后采用冲击锤施打钢管桩本体1，使预裂锥头2刺入地层中；每次施打后，不要立刻提升锤芯，使锤芯在钢管桩本体1上保压数秒，限制钢管桩本体1竖向回弹，然后再进行下一次施打，直至钢管桩本体1到达设计高程。
本实施例中，钢管桩本体1对应每个预裂锥头2的竖直方向开设有多个应力回弹孔4，多个应力回弹孔4呈行列式布置。钢管桩本体 1内壁位于任意相邻两列应力回弹孔4之间竖向设有应力补偿钢条3，应力补偿钢条3的上表面高于最上行应力回弹孔4的上表面。
钢管桩受到锤击后，首先是预裂锥头2刺入礁灰岩地层中，由于预裂锥头2与礁灰岩地层是点接触，因此劈裂效果非常明显，礁灰岩地层会沿着垂直生长方向的弱化面开裂，紧接着锤芯在钢套筒上骤停保压3-5秒即可。此时，一方面可限制钢管桩本体1竖向回弹，另一方面，通过应力回弹孔4爆发蓄积的回弹能量，进一步促使预裂锥头 2劈裂礁灰岩地层。另外，采用冲击锤施打钢管桩本体1时，应力补偿钢条3可劈裂钢管桩本体1内的礁灰岩。
优选地，将钢管桩本体1喂入打桩架后，在钢管桩本体1上套设桩套筒，然后通过液压冲击锤施打套设桩套筒的钢管桩本体1。
本实施的施工方法还包括：S3.取出钢管桩本体1内破碎的礁灰岩块，在应力补偿钢条3高度范围内灌入混凝土。
由于礁灰岩地层具有孔隙大的特点，在上述步骤S3中，灌入混凝土时，混凝土浆液可以通过应力回弹孔4渗透到钢管桩本体1外周与地层的间隙，以及地层本身的孔隙中，以进一步提高钢管桩与礁灰岩地层的粘结力，提高桩基承载能力。在实现桩基同等承载能力下，可缩短钢管桩长度，节约桩基工程量。
本实施例的施工方法，改变了钢管桩的破岩方式，由传统挤压破坏礁灰岩地层，转变为劈裂破坏礁灰岩地层，同时在打桩时增加了骤停保压步骤，与传统的连续锤击法相比，大大降低了锤击次数，节约锤击能量，增加打桩效率，显著节约了打桩费用，经济性能优越，应用前景广阔。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种用于破除礁灰岩地层的钢管桩，其特征在于，其包括：
钢管桩本体(1)；
预裂锥头(2)，其设有多个，多个预裂锥头(2)沿周向设置于所述钢管桩本体(1)底部端面，所述预裂锥头(2)具有向所述钢管桩本体(1)中心方向突出的棱边(21)；
所述钢管桩本体(1)对应每个预裂锥头(2)的竖直方向开设有多个应力回弹孔(4)，多个应力回弹孔(4)呈行列式布置；
所述钢管桩本体(1)内壁位于任意相邻两列应力回弹孔(4)之间竖向设有应力补偿钢条(3)，所述应力补偿钢条(3)的上表面高于最上行应力回弹孔(4)的上表面，且所述应力补偿钢条(3)的横截面尺寸自下而上逐渐增大。
2.如权利要求1所述的用于破除礁灰岩地层的钢管桩，其特征在于：所述预裂锥头(2)的横截面尺寸自下而上逐渐增大，所述棱边(21)朝向所述钢管桩本体(1)中心倾斜设置。
3.如权利要求1所述的用于破除礁灰岩地层的钢管桩，其特征在于：每行应力回弹孔(4)的孔径相同，每列应力回弹孔(4)的孔径自下而上逐渐增大。
4.如权利要求1所述的用于破除礁灰岩地层的钢管桩，其特征在于：所述最下行应力回弹孔(4)与所述钢管桩本体(1)底部端面之间的距离等于所述钢管桩本体(1)外径的一半，相邻两行应力回弹孔(4)的间距为所述钢管桩本体(1)外径的一半。
5.如权利要求1所述的用于破除礁灰岩地层的钢管桩，其特征在于：所述预裂锥头(2)为五棱台结构，其顶面焊接于所述钢管桩本体(1)底部端面，五棱台的横截面尺寸自下而上逐渐增大，所述向钢管桩本体(1)中心方向突出的棱边(21)相对的侧壁(22)与五棱台的顶面垂直。
6.一种基于权利要求1所述的用于破除礁灰岩地层的钢管桩的施工方法，其特征在于，其包括步骤：
将钢管桩本体(1)喂入打桩架；
采用冲击锤施打钢管桩本体(1)，使预裂锥头(2)刺入地层中；每次施打后使锤芯在钢管桩本体(1)上保压数秒，限制钢管桩本体(1)竖向回弹，再进行下一次施打，直至钢管桩本体(1)到达设计高程；
所述钢管桩本体(1)对应每个预裂锥头(2)的竖直方向开设有多个应力回弹孔(4)，多个应力回弹孔(4)呈行列式布置；所述钢管桩本体(1)内壁位于任意相邻两列应力回弹孔(4)之间竖向设有应力补偿钢条(3)，所述应力补偿钢条(3)的上表面高于最上行应力回弹孔(4)的上表面；
采用冲击锤施打钢管桩本体(1)时，所述应力补偿钢条(3)劈裂所述钢管桩本体(1)内的礁灰岩。
7.如权利要求6所述的用于破除礁灰岩地层的钢管桩的施工方法，其特征在于，还包括：取出钢管桩本体(1)内破碎的礁灰岩块，在应力补偿钢条(3)高度范围内灌入混凝土，混凝土通过应力回弹孔(4)渗透进入礁灰岩与钢管桩本体(1)之间的间隙、以及礁灰岩自身的孔隙内。
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