CN111159806B - 一种微型注浆钢管桩群桩设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，该方法适用于上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件；首先对施工场景进行进行地质勘察，确定所在地的地层条件符合该方法的要求，并且计算出河流冲刷范围的最高值；其次选择桩体直径、桩径比和钢管壁厚；接着选择桩体长度、桩体间距以及桩体排布；并根据群桩上部荷载确定群桩桩数；依据上述所得的参数对承台进行尺寸设计；依据上述所得的参数进行群桩施工，在施工完成后的群桩上部进行承台的施工。本发明所设计施工的注浆微型钢管桩基础，形式简单，且能够节约施工成本，尤其对于周围人群较多的地方能够减少噪音污染，施工方式环保且施工简单便捷迅速，施工周期较短。

Description

一种微型注浆钢管桩群桩设计方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体是一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，尤其适用于中小型跨径桥梁。

背景技术

近年来，随着我国经济建设的飞速发展，交通基础设施建设也取得了相应的发展，且社会对此的关注度也是越来越高，一些落后贫困地区的道路桥梁基础建设取得了长足发展。我国幅员辽阔，不同区域地质条件差异明显，传统的地基处理(例如灌注桩、预制桩等)已不能完全满足当下需求。微型注浆钢管桩因其施工工艺简单、无污染、噪音小、施工快、造价低、可适应多种区域水文地质条件等优点。地层条件较好地区且人口较多的地区，如果依旧使用大型钻孔灌注桩基础不仅会产生很大噪音污染，而且会产生极大的资源浪费，所以现行阶段注浆微型钢管桩的兴起很好的替代这种情况，注浆微型钢管桩不仅施工便利，噪音污染小，资源节省而且能满足上部为碎石土下部为岩层等地层下承载力的需求。

然而现阶段对微型钢管桩的研究主要集中在边坡抗滑、基坑支护和托换加固等领域，对于中小跨径桥梁基础，利用钻孔灌注桩技术不仅会造成大量材料、人力、物力的浪费，同样会对周边环境造成很大污染，故考虑微型钢管桩基础可以有效解决上述问题。但是做为建筑物基础或中小跨径桥梁基础时注浆微型钢管桩群桩设计方法几乎没有。

因此针对以上不足，需要提供一种行之有效的技术设计方法来克服上述问题。

发明内容

为解决在中小跨径桥梁基础中微型钢管桩群桩的应用问题，针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种微型注浆钢管桩群桩的设计方法，以供在地质情况良好的地层条件下建筑和桥梁基础中的应用。

为了解决上述问题，本发明设计一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，该方法适用于上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件，该方法具体步骤如下：

第一步：进行地质勘察，确定施工场地为上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件，并计算出河流冲刷范围的最高值。

第二步：选择微型钢管桩桩体直径大小为100-150mm，桩径比d/D(钢管直径与桩体直径的比值)为0.59≤d/D≤0.72；钢管最小壁厚为5mm。

第三步：选择桩体长度；由地质勘察结果确定桩身长度，使其能够进入风化岩层中，根据不同桩长下Q-S曲线，确定桩顶沉降4cm处桩体承受荷载值为极限荷载值，根据不同桩长下极限荷载值确定合适桩长。

第四步：依据群桩效应系数和Q-S曲线中确定的群桩承载力确定选择桩体间距为4-6倍桩体直径；桩体排布方式选择梅花形排布。

第五步：由受力计算软件计算的群桩上部荷载值大小和由Q-S曲线确定单桩承载力特征值进行比值，选取较大整数作为群桩桩数进行下一步设计。

第六步：依据确定桩间距大小和桩体数量对承台的长度和宽度进行设计；考虑承台的埋深和具体桥址最大冲刷深度来确定承台最小高度，使承台底部微型钢管桩在最大冲刷深度范围之外，对微型钢管桩做防冲刷保护以延长使用寿命。

第七步：在所选定的钢管管壁上沿与其呈90°方向对称打通孔，从钢管顶部开始，每隔一定间距打一圈，在快靠近底部时缩小间距；在钢管外壁上每间隔一定距离均匀焊接一圈定位钢筋；将打好通孔、焊接好定位钢筋的钢管放置于钻孔区，进行高压注浆，使浆体沿通孔喷出与周围土体形成整体；依次对每一个单桩桩体内的钢管进行注浆，直至群桩桩体的注浆完成；在位于同一承台下的群桩之间竖直向下打与单桩桩体直径相等的注浆孔，注浆孔深度为一半钢管长，注浆孔与桩体间距不小于4倍单桩桩体直径，注浆孔之间间距5倍单桩桩体直径；注浆孔打好后对其进行注浆。

第八步：将一个群桩中的钢管顶部往下3倍桩体直径的钢管部分用紧固钢筋相互水平缠绕，并焊接到一起，形成一个整体；并在钢管顶部朝上倾斜焊接一圈钢筋条，且每隔一定间距绑定箍筋，使焊接的钢筋条的沿垂直方向的高度与钢管顶部往下3倍桩体直径的长度之和等于承台高度的一半；根据第六步得到的承台的尺寸，在多个群桩桩体上铺设承台，使钢管顶部往下3倍桩体直径的长度的管体部分和钢管顶部朝上焊接的钢筋条均包埋于承台内部。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：采用本发明的在上部为碎石土下部为岩层等地层下设计施工的注浆微型钢管桩基础，形式简单，且能够节约施工成本，尤其对于周围人群较多的地方能够减少噪音污染，施工方式环保且施工简单便捷迅速，施工周期较短。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例的桥梁整体结构示意图(微型钢管桩中部的“z”形折线表示部分省略，实物为完整无折断，下同)；

图2为图1的Ⅰ-Ⅰ截面剖视结构示意图(已去掉顶部桥梁梁体结构)；

图3为本发明一种实施例的群桩施工示意图(图中承台等仅用于定位，并不用于示意结构)；

图4为本发明一种实施例的钢管结构示意图，其中图4(a)为钢管主视结构示意图，图4(b)为图4(a)的A-A截面剖视结构示意图；

图5为本发明一种实施例的紧固钢筋焊接方式示意图；

图6为本发明一种实施例的钢筋条与箍筋焊接方式示意图；

图中：1—墩柱；2—微型钢管桩；3—钢管；4—承台；5—注浆孔；6—定位钢筋；7—钢筋条

8—箍筋；9—紧固钢筋。

具体实施方式

为了使本发明的实施例的目的、设计方案和优点更加清楚，下面将结合本实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清晰地完整地描述，显然本实施例的描述为发明的一部分实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，该方法适用于上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件，该方法具体步骤如下：

第一步：进行地质勘察，确定施工场地为上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件，并计算出河流冲刷范围的最高值；具体可以通过地质勘察工具 (例如GPS测量定位仪、浅震仪等)确定施工地基的地层分类和分布，确定地层的承载力特征值、孔隙率和含水率是否为碎石土类特征，依据《堤防工程设计规范》(GB50286—98)计算得出河流冲刷的最高范围值。

第二步：选择微型钢管桩桩体直径大小为100-150mm，桩径比d/D(钢管直径与桩体直径的比值)为0.59≤d/D≤0.72，具体取值根据施工场景相应要求来确定；桩体直径大小的选择是依据Tom Armour等人在1997年完成的《小直径桩设计与施工指南》；桩径比d/D的选择是依据钢管直径和壁厚对微型钢管桩轴压承载力和抗弯承载力影响，且壁厚能有效控制钢管屈服变形。

微型钢管桩轴向承载力和抗弯承载力随长径比增加或注浆体水灰比增加而逐渐降低，外包浆破损和钢管变形几乎同时发生，故这时注浆微型钢管桩整体性能最佳；而当钢管直径增至0.59≤d/D≤0.72时，长径比、浆体水灰比对轴压承载力和抗弯承载力影响不显著。钢管直径大小影响微型钢管桩的破坏模式，当 d/D≤0.4时，微型钢管桩的承载力主要由外包浆承担，轴向荷载作用下钢管外包浆体先出现裂纹并最终破坏，钢管迅速屈曲，桩体呈脆性破坏；而当0.4＜ d/D≤0.59时，微型钢管桩承载力逐渐由钢管和核心水泥浆来承担，轴向荷载作用下钢管外包浆体先出现裂缝，后续随着荷载增加，裂缝持续扩展并破损，钢管紧箍约束作用明显，微型钢管桩呈现延性破坏模式。基于注浆微型钢管桩轴向承载特性、抗弯特性及破坏模式分析，推荐实际工程中钢管直径与桩径之比的合理范围为0.59≤d/D≤0.72之间，可根据具体的施工要求选择合适的桩径比。

根据微型钢管桩轴向荷载与钢管轴向应变关系曲线，得到钢管最小壁厚为 5mm。不同钢管壁厚t时，微型钢管桩轴向荷载与钢管轴向应变关系曲线的表现形式有细微差别，当t≤4mm时，轴向荷载与钢管轴向应变关系曲线具有软化特性；当t＝5mm时，二者关系曲线近似呈理想塑性状态；而当t＞5mm时，二者关系曲线呈塑性硬化特性。根据以上分析可以选取出工程实际中钢管最小壁厚为5mm。

第三步：选择桩体长度；由地质勘察结果确定桩身长度，使其能够进入风化岩层中，根据不同桩长下Q-S曲线，确定桩顶沉降4cm处桩体承受荷载值为极限荷载值，根据不同桩长下极限荷载值确定合适桩长。

第四步：依据群桩效应系数和Q-S曲线中确定的群桩承载力确定选择桩体间距为4-6倍桩体直径，根据现场施工场地的面积大小确定合适桩体间距值；桩体排布方式选择梅花形排布。桩间距不同时群桩效应系数不同，由此具体分析群桩效应时，规定以同级别荷载作用即单桩承载力等于群桩中单桩承载的平均荷载时，承台位移与单桩位移比值η为群桩效应系数。η值越大，群桩效应越明显；η值越小，群桩效应越小；η＝1时，认为无群桩效应。依据群桩效应系数和Q-S曲线中确定的群桩承载力综合可以确定选择桩体间距为4-6倍桩径时，桩基承载力和群桩效应相对于其它桩体间距值较优。

第五步：由受力计算软件计算的群桩上部荷载值大小和由Q-S曲线确定单桩承载力特征值进行比值，选取较大整数作为群桩桩数进行下一步设计。

第六步：依据确定桩间距大小和桩体数量对承台的长度和宽度进行设计，具体参考《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008；考虑承台的埋深和具体桥址最大冲刷深度来确定承台最小高度，使承台底部微型钢管桩在最大冲刷深度范围之外，对微型钢管桩做防冲刷保护以延长使用寿命。

第七步：在所选定的钢管管壁上沿与其呈90°方向对称打通孔，从钢管顶部开始，每隔一定间距打一圈，在快靠近底部时缩小间距；在钢管外壁上每间隔一定距离均匀焊接一圈定位钢筋；将打好通孔、焊接好定位钢筋的钢管放置于钻孔区，进行高压注浆，使浆体沿通孔喷出与周围土体形成整体；依次对每一个单桩桩体内的钢管进行注浆，直至群桩桩体的注浆完成；在位于同一承台下的群桩之间竖直向下打与单桩桩体直径相等的注浆孔，注浆孔深度为一半钢管长度，注浆孔与桩体间距不小于4倍单桩桩体直径，注浆孔之间间距5倍单桩桩体直径；注浆孔打好后对其进行注浆。各群桩之间竖向打相同桩径注浆孔可以提高承台承载能力。钢管上通孔的间距根据具体场景进行选择，可每50cm 间距打一圈，距离底部2m时缩小间距，每间隔20cm打一圈孔；打孔完成后，可用砂纸打磨钢管管壁，使管壁和注浆体贴合度更高；定位钢筋的焊接方式可根据具体场景进行选择，也可采用钢管上每间隔1m焊接直径为8mm、长度为 21mm、以120°排列的3根定位钢筋，焊接定位钢筋的目的是为了保证钢管处于钻孔区中央。

第八步：将一个群桩中的钢管顶部往下3倍桩体直径的钢管部分用直径为 8mm的紧固钢筋相互水平缠绕，并焊接到一起，形成一个整体；并在钢管顶部朝上倾斜焊接一圈钢筋条，且每隔一定间距绑定箍筋，使焊接的钢筋条的沿垂直方向的高度与钢管顶部往下3倍桩体直径的长度之和等于承台高度的一半；根据第六步得到的承台的尺寸，在多个群桩桩体上铺设承台，使钢管顶部往下3 倍桩体直径的长度的管体部分和钢管顶部朝上焊接的钢筋条均包埋于承台内部。所述钢筋条的具体焊接方式可以参考：按60°焊接直径为12mm钢筋条，且每间隔5-10cm绑定直径为8mm的箍筋。

实施例1

以某地区地质条件为例，位于某市区的中小跨径桥，设计方案中其上部采用结构为4×13m的后张预应力混凝土简支T梁，下部结构采用柱式墩，墩柱用桩基础，其桩基础的原有设计为桩径1.2m和桩长为20m的钢筋混凝土灌注桩，如图1所示。桥址处地质条件为适用于本发明的地层形式，即由地表向下为：圆砾层(5-10m)、强风化岩层(3-5m)、中风化岩层(5-8m)和微风化岩层。因桥址距离民房近，原有设计的大直径灌注桩在施工时因机械噪声大而存在扰民问题。故采用注浆微型钢管桩的设计施工方案进行替代，这样不仅能有效避免噪音污染而且节省大量成本。如图1所示，为某地区地层图。

本实施例提供一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，该方法适用于上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件，根据上述的地质条件和施工场景要求，该方法具体步骤如下：

第一步：进行地质勘察，确定施工场地为上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件，并计算出河流冲刷范围的最高值为3m；具体可以通过地质勘察工具(例如GPS测量定位仪、浅震仪等)确定施工地基的地层分类和分布，确定地层的承载力特征值、孔隙率和含水率是否为碎石土类特征，依据《堤防工程设计规范》(GB50286—98)计算得出河流冲刷的最高范围值；

第二步：选取桩体直径150mm为单桩直径，此桩体直径下单桩承载力最高，群桩桩基所需桩数最少，能最大程度节约成本；选择桩径比d/D为0.72，此时钢管3直径最大，单桩2能发挥最大承载力且保护层能发挥最大效果，由此可以得到钢管3直径为108mm。钢管壁厚增加对于增大单桩承载力效果较小，故为以承载特性和经济效益综合考量选取6mm；

第三步：根据中华人民共和国行业标准JGJ106-2014《建筑基桩检测技术规范》进行承载力特征值验算确定桩长为5m、10m、15m不同桩长时，单桩竖向承载力特征值大小为150kN、280kN、320kN；根据当地冲刷深度为3m，且风化岩层位于地面10m以下，故根据工程勘察地质情况和计算得到的当地抗冲刷深度考虑选择桩长为10m。

第四步：确定桩间距以4倍桩径进行梅花形排布。

第五步：利用荷载验算软件计算得出上部荷载需要2900kN，根据单根桩长为10m承载力特征值280kN计算，可以得出群桩单桩数量参考值为11根单桩 2。

第六步：考虑当地最大冲刷深度为3m，设置承台埋深为1m，承台4高度设计为2m，此时能够有效避免承台下部桩体在冲刷范围以外，对桩体产生抗冲刷保护。根据第二步和第四步得到的桩间距值为60cm，可计算上下两排桩中心最大间距为108cm，承台以整体形式设计，依据《建筑桩基技术规范》 JGJ94-2008，设计承台4宽度为200cm、设计承台4整体长度为1310cm，故承台尺寸大小为长×宽×高为1310×200×200cm。

第七步：在所选定10m钢管3的管壁上沿与其呈90°方向对称打通孔，孔径大小为1cm，从钢管顶部开始，每隔50cm间距打一圈，一圈均布4个通孔，在距离近底部2m按间隔20cm打一圈；在钢管3外壁上每间隔1m焊接直径为8mm、长度为21mm、以120°排列的定位钢筋6；将打好通孔、焊接好定位钢筋6的钢管3放置于钻孔区，进行高压注浆，使浆体沿通孔喷出与周围土体形成整体；依次对每一个单桩桩体内的钢管进行注浆，直至群桩桩体的注浆完成；在位于同一承台下的群桩之间竖直向下打与单桩桩体直径相等的注浆孔 5，即注浆孔5孔径150mm，深度5m，注浆孔5与桩体间距70cm，注浆孔5 之间间距80cm；各群桩之间竖向打相同桩径注浆孔5可以提高承台承载能力。此设计方案相对钻孔灌注桩有经济效益高节约成本、施工周期短、噪音污染小的优点。打孔完成后，可用砂纸打磨钢管管壁，使管壁和注浆体贴合度更高。

第八步：将一个群桩中的11个单桩2内的钢管3顶部往下45mm部分用直径为8mm的紧固钢筋9相互水平缠绕，并焊接到一起，形成一个整体；并在钢管顶部朝上按60°焊接直径为12mm的7根钢筋条7，将钢筋条7做成与竖直线成15°角的喇叭形，每间隔5cm做一圈箍筋，箍筋8直径大小为8mm；钢筋条的沿垂直方向的高度为55mm；根据第六步得到的承台的尺寸，在多个群桩桩体上铺设承台，使钢管顶部往下45mm的管体部分和钢管顶部朝上焊接的钢筋条均包埋于承台内部。

以上事实例是对本发明的具体应用，尽管本发明的实施公例方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方案中所列用，它完全适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉和了解本领域的人员可以实现其他修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限定于特定的细节和这里出示和描述的图案。

Claims (7)

1.一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，该方法适用于上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件，其特征在于，该方法具体步骤如下：

第一步：进行地质勘察，确定施工场地为上部为碎石土层、下部为风化岩层的地层条件，并计算出河流冲刷范围的最高值；

第二步：选择微型钢管桩桩体直径大小为100-150mm，桩径比d/D为0.59≤d/D≤0.72；钢管最小壁厚为5mm；

第三步：选择桩体长度；由地质勘察结果确定桩身长度，使其能够进入风化岩层中，根据不同桩长下Q-S曲线，确定桩顶沉降4cm处桩体承受荷载值为极限荷载值，根据不同桩长下极限荷载值确定合适桩长；

第四步：依据群桩效应系数和Q-S曲线中确定的群桩承载力确定选择桩体间距为4-6倍桩体直径；桩体排布方式选择梅花形排布；

第五步：由受力计算软件计算的群桩上部荷载值大小和由Q-S曲线确定单桩承载力特征值进行比值，选取较大整数作为群桩桩数进行下一步设计；

第六步：依据确定桩间距大小和桩体数量对承台的长度和宽度进行设计；考虑承台的埋深和具体桥址最大冲刷深度来确定承台最小高度，使承台底部微型钢管桩在最大冲刷深度范围之外，对微型钢管桩做防冲刷保护以延长使用寿命；

第七步：在所选定的钢管管壁上沿与其呈90°方向对称打通孔，从钢管顶部开始，每隔一定间距打一圈，在距离钢管底部五分之一钢管长时缩小间距；在钢管外壁上每间隔一定距离均匀焊接一圈定位钢筋；将打好通孔、焊接好定位钢筋的钢管放置于钻孔区，进行高压注浆，使浆体沿通孔喷出与周围土体形成整体；依次对每一个单桩桩体内的钢管进行注浆，直至群桩桩体的注浆完成；在位于同一承台下的群桩之间竖直向下打与单桩桩体直径相等的注浆孔，注浆孔深度为一半钢管长，注浆孔与桩体间距不小于4倍单桩桩体直径，注浆孔之间间距5倍单桩桩体直径；注浆孔打好后对其进行注浆；

第八步：将一个群桩中的钢管顶部往下3倍桩体直径的钢管部分用紧固钢筋相互水平缠绕，并焊接到一起，形成一个整体；并在钢管顶部朝上倾斜焊接一圈钢筋条，且每隔一定间距绑定箍筋，使焊接的钢筋条的沿垂直方向的高度与钢管顶部往下3倍桩体直径的长度之和等于承台高度的一半；根据第六步得到的承台的尺寸，在多个群桩桩体上铺设承台，使钢管顶部往下3倍桩体直径的长度的管体部分和钢管顶部朝上焊接的钢筋条均包埋于承台内部。

2.根据权利要求1所述的一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，其特征在于，所述第一步中的河流冲刷范围的最高值依据《堤防工程设计规范》计算得出。

3.根据权利要求1所述的一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，其特征在于，所述第二步中的桩体直径大小的选择是依据Tom Armour等人在1997年完成的《小直径桩设计与施工指南》；桩径比d/D的选择是依据钢管直径和壁厚对微型钢管桩轴压承载力和抗弯承载力影响。

4.根据权利要求1所述的一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，其特征在于，所述第七步中钢管管壁上的通孔可每50cm间距打一圈，距离底部2m时缩小间距，每间隔20cm打一圈孔。

5.根据权利要求1所述的一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，其特征在于，所述第七步中钢管管壁上的定位钢筋采用每间隔1m焊接直径为8mm、长度为21mm、以120°排列的3根。

6.根据权利要求1所述的一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，其特征在于，所述第八步中的紧固钢筋的直径为8mm。

7.根据权利要求1所述的一种微型注浆钢管桩群桩设计方法，其特征在于，所述第八步中的钢筋条的焊接方式为：按60°焊接直径为12mm钢筋条，且每间隔5-10cm绑定直径为8mm的箍筋。

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