CN111335297A - 钢管桩结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢管桩结构，同时涉及一种钢管桩的施工方法，主要适用于深厚软土地区港口码头、公路及铁路工程桥涵构造物及高填方路堤。本发明将钢管桩与透水型土工织物袋高效有机结合，既有钢管桩承载力高、施工速度快、施工效率高、施工工期短的优点，又有透水型土工织物袋透水性好、渗透系数大、作为深厚软土层竖向排水通道、快速降低超孔隙水压力等优点，施工完毕后能迅速发挥功效，但其造价相对较高，施工工艺相对较复杂。该钢管桩结构及施工方法可为深厚软土地区港口码头、公路及铁路工程桥涵构造物与高填方路堤设计与施工提供参考，具有广泛的实用价值。

Description

钢管桩结构

技术领域

本发明涉及一种钢管桩结构，同时涉及一种钢管桩的施工方法，主要适用于深厚软土地区港口码头、公路及铁路工程桥涵构造物及高填方路堤。

背景技术

深厚软土地区软土层最大厚度达到40m，呈软塑～流塑状，天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、沉降量大、地基承载力低、灵敏度高、扰动性大、透水性差。处理软土地基方法主要有换填垫层法、砂垫层+堆载预压法、砂垫层+堆载+真空联合预压法、塑料排水板+堆载预压法、袋装砂井+堆载预压法、水泥土搅拌桩法、强夯法、加筋土法、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)、沉管碎石桩、预应力混凝土管桩等。上述软土地基处理方法处理软土深度有限，管桩存在挤土效应，超孔隙水压力消散时间较长，施工工期较长。

其中，换填垫层法施工简单，对软土地基处理的效果好，质量容易得到保证，但换填垫层法仅适用于表层软土且厚度小于3m的地段。

砂垫层+堆载预压法施工简单，费用低。但施工期长达3～6个月，深、厚层软土的处理效果不佳。

砂垫层+堆载+真空联合预压法般预压方案的施工期短(抽真空与路基填筑同步进行，预压时间约为100天)，能较大减少施工后期沉降，预压土方量小，但施工工艺复杂，工程造价高，处理深度不大于12m。

塑料排水板+堆载预压法施工简单，费用低，但塑料排水板的质量差异性大，施工监理难度大，深、厚层软土的处理效果不佳，预压时间长达3～6个月，处理深度小于12m。

袋装砂井+堆载预压法工程造价低，施工监理较容易，但施工工序复杂，质量不易控制，预压时间长，深、厚层软土的处理效果不佳，处理深度小于12m。

水泥土搅拌桩法施工技术成熟，工期短，处理效果较好，造价较低，但施工监理难度大，对软基下部搅拌不易均匀，粉喷桩粉尘污染较大，粉喷桩处理的深度小于12m，浆喷桩处理的深度小于15m。

强夯法工艺简单，施工快，造价低，处理效果好，但噪音污染大，强夯法适用于部分软土埋藏较浅的地段，处理深度小于6m。

加筋土法土工布覆盖摊铺，既提高路基刚度，也使边坡受到维护，有利于排水，增加地基稳定性，但不适用于沉降量较大的路堤。

水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)施工工期短，处理效果好，质量容易控制，可处理深层软土，但施工工艺复杂，工程造价高，处理厚度大于15m，但水泥粉煤灰碎石桩需要一段时间才能发挥作用。

沉管碎石桩材料供应方便，工程造价较低，处理效果较好，施工监理较容易，同时兼有排水固结和复合地基的特征，但施工工序复杂，在强度较低的淤泥质土层中，容易产生断桩现象。

预应力混凝土管桩采用静压法沉桩，施工工期短，处理效果好，质量容易控制，但施工噪音大，工艺复杂，工程造价高，处理深度可超过20m。

此外，已知的相关专利文献如下：软土地基组合桩网结构，申请公布号为CN103821160A，技术方案如下：钻孔灌注桩，沿填方体边界四周间隔设置，桩底进入软土层下伏基岩层中一定深度；压入桩，间隔设置于钻孔灌注桩范围内的软土层内，底部压入至基岩层顶面；桩帽，设置在钻孔灌注桩和压入桩顶部且与之固结为一体；导向固定框架格，位于软土层内，对各钻孔灌注桩、压入桩形成横向约束；垫层体，铺设于桩帽顶部与填方体底面之间。该方案采用钻孔灌注桩，桩底进入软土层下伏基岩层中一定深度，深厚软土地区软土层厚达30～40m，部分地区软土层厚度大于40m，下伏基岩深度较大，钻孔灌注桩穿透深厚软土层难度较大，桩端难以进入基岩层。且深厚软土层地区采用钻孔灌注桩易产生缩桩、断桩等事故。

一种软土地基排水管桩，授权公告号为CN207331670U，技术方案如下：软土地基排水管桩，包括桩体，所述桩体外壁分布有螺旋槽，螺旋槽内固定有网状的塑料排水带，塑料排水带外表面包覆有滤布。本实用新型可以降低了施工时挤土破坏效应的发生。在该方案中，桩体外壁分布有螺旋槽，螺旋槽内固定有网状的塑料排水带，降低了施工时挤土破坏效应的发生，但是排水管桩桩体外壁分布的螺旋槽制作工艺较为复杂，同时螺旋槽即为结构受力薄弱点，桩长较大时易产生管桩压曲破坏。静压或锤击沉桩时很可能将螺旋槽内固定的塑料排水带牵引出螺旋槽，从而导致塑料排水带失效。

处理软土地基的复合结构，授权公告号为CN 207032204U，技术方案如下：处理软土地基的复合结构包括承载桩、桩帽、加筋层以及回填碾压垫层，承载桩沿软土地基深度竖直布置，桩帽连接在承载桩的上端，加筋层铺设软土地基上且覆盖在桩帽的顶部表面，回填碾压垫层铺设在加筋层上，自上而下形成整个复合结构，承载桩穿过软弱土层作用在下卧持力土层上，基础荷载通过复合结构从软弱土层传至下卧持力土层，不仅达到软土地基加固的效果，而且完成的工艺流程少，缩短了施工时间，提高了工作效率；同时无需对如上述的复合材料进行卸载或拆除，节约卸载拆除的费用支出，更为经济合理，同时不存在土方卸载外运时造成环境污染的情况，更为绿色环保。在该方案中，承载桩穿过软弱土层作用在下卧持力土层上，基础荷载通过复合结构从软弱土层传至下卧持力土层，但深厚软土地区软土层厚达30～40m，承载桩穿过深厚软弱土层作用在下卧持力土层上难度较大，且承载桩长度较大，造价较高。因此该处理软土地基的复合结构不适用于深厚软土地区。

一种软土地基加固方法，申请公布号为CN108265693A，技术方案如下：其提供一种软土地基加固方法,具体包括以下步骤：(1)整平场地，划分区域，确定搅拌桩及锚杆的数目及位置分布；(2)设置锚杆深入地基，可作为排水通道；(3)利用压力机反复压实场地；(4)待排水稳定后，打入搅拌桩，并在锚杆中注浆。本发明可在地基中形成立体网状浆脉骨架，且能减少搅拌桩的数目，处理成本低，效果稳显著且稳定，具有较好的经济效益。该方案采用锚杆深入地基并作为排水通道，待排水稳定后，打入搅拌桩，并在锚杆中注浆。该软土地基加固方法处理深度有限，粉喷桩处理的深度小于12m，浆喷桩处理的深度小于15m，不适用于深厚软土地区。

软土地质预应力管桩静压防挤土结构，授权公告号为CN 207405623U，技术方案如下：一种软土地质预应力管桩静压防挤土结构，包括设于施工区域与非施工区域之间的应力释放孔，所述应力释放孔内设有旋转轴，旋转轴与应力释放孔同轴，旋转轴上设有螺旋叶片，还包括用于驱动旋转轴旋转的电机。其目的在于提供一种软土地质预应力管桩静压防挤土结构，可降低工程桩施工过程中产生的挤土效应对非施工区域地下土的影响。利用螺旋叶片输出应力释放孔内土壤的防挤土方式新颖且实用，并且结构简单，适合推广使用；该型防挤土结构对于应力释放孔具有良好的保护作用；可降低工程桩施工过程中产生的挤土效应对非施工区域地下土的影响。该方案采用应力释放孔，应力释放孔内设有旋转轴，旋转轴与应力释放孔同轴，旋转轴上设有螺旋叶片，采用电机驱动旋转轴及螺旋叶片旋转，利用螺旋叶片输出应力释放孔内土壤，以便减小挤土效应。因电机功率有限，该软土地质预应力管桩静压防挤土结构处理软土深度有限，不适用于深厚软土地区。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种施工工期短、处理效果好、质量容易控制的钢管桩结构，其超孔隙水压力消散时间较短，处理深度可超过40m。

为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：钢管桩结构，包括钢管，钢管的底端固定设置有桩尖，钢管的侧壁上开设有多个钢管排水孔，钢管内设置有其呈同轴线布置的内管，内管的外壁与钢管的内壁之间设置有间隔空间，并且该间隔空间通过透水型土工织物填充形成透水层，内管的侧壁上设置有多个内管排水孔。

进一步的是：布置于钢管的同一断面位置、并沿着钢管的圆周方向均匀间隔布置的多个钢管排水孔为一组，钢管排水孔沿钢管的轴线方向均匀间隔布置多组；相邻两组的钢管排水孔均匀交错布置。

进一步的是：内管排水孔与钢管排水孔一一相对应，并且位于同一位置的内管排水孔与钢管排水孔为同轴线布置；钢管排水孔的直径小于内管排水孔的直径。

进一步的是：内管为塑料管；透水型土工织物为聚丙烯编织袋或者聚乙烯编织袋。

进一步的是：钢管内壁和外壁均设置有防锈涂层；钢管和桩尖为一体结构，桩尖通过钢管切割加工得到。

进一步的是：钢管的顶端固定设置有封头钢板，封头钢板上布置有多个桩顶排水孔。

进一步的是：钢管外侧壁在每个钢管排水孔的外侧孔口位置分别粘贴有胶布，该胶布使得钢管排水孔的外侧孔口处于封闭状态；钢管的顶端设置有压缩空气接口。

相应地，在上述钢管桩结构的基础上，本发明还提供一种钢管桩施工方法，包括如下施工步骤：

一、采用静压法或重锤锤击法沉桩，将钢管打入施工对象中；

二、钢管由一个节段或者多个节段构成，每个节段的钢管长度控制为5m～10m；内管的数量及长度均与钢管相适配；当钢管由多个节段构成时，在前一节段的钢管沉桩施工完成后，为后一节段的钢管预留有焊接接头；相邻两个节段的钢管通过焊接固定；重复采用静压法或重锤锤击法沉桩，直至钢管的桩尖到达设计深度；

三、若采用在钢管排水孔的外侧孔口位置粘贴有胶布、钢管的顶端设置有压缩空气接口的方案施工，则在钢管整体沉桩施工完成后，利用压缩空气接口通入压缩空气，冲开钢管排水孔的外侧孔口位置粘贴的胶布。

进一步的是：步骤二中，在将相邻两个节段的钢管通过焊接固定之前，预先将该连接位置对应的相邻两个节段的内管通过焊接固定。

进一步的是：在钢管整体沉桩施工完成后，在钢管的顶端固定设置有封头钢板，封头钢板上布置有多个桩顶排水孔，封头钢板上方叠设有透水型土工织物层，透水型土工织物层的直径与钢管的外径相匹配，钢管的顶端外周设置有砂垫层，砂垫层的底表面位置低于钢管的顶端面位置，砂垫层的顶表面与透水型土工织物层的顶表面齐平。

本发明的有益效果是：将钢管桩与透水型土工织物袋高效有机结合，既有钢管桩承载力高、施工速度快、施工效率高、施工工期短的优点，又有透水型土工织物袋透水性好、渗透系数大、作为深厚软土层竖向排水通道、快速降低超孔隙水压力等优点，施工完毕后能迅速发挥功效，但其造价相对较高，施工工艺相对较复杂。该钢管桩结构及施工方法可为深厚软土地区港口码头、公路及铁路工程桥涵构造物与高填方路堤设计与施工提供参考，具有广泛的实用价值。

附图说明

图1是本发明的正视方向结构示意图；

图2是本发明的典型断面示意图；

图3是本发明的俯视方向结构示意图；

图4是本发明中钢管排水孔的平面布置展开示意图；

图5是本发明中内管排水孔的平面布置展开示意图；

图中标记：1-钢管排水孔、2-钢管、3-透水层、4-内管、5-内管排水孔、6-封头钢板、7-压缩空气接口、8-桩顶排水孔、9-桩尖。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，本发明中的钢管桩结构包括钢管2，钢管2的底端固定设置有桩尖9，钢管2的侧壁上开设有多个钢管排水孔1，钢管2内设置有其呈同轴线布置的内管4，内管4的外壁与钢管2的内壁之间设置有间隔空间，并且该间隔空间通过透水型土工织物填充形成透水层3，内管4的侧壁上设置有多个内管排水孔5。本发明采用钢管2作为桩体结构，具有钢管桩承载力高、施工速度快、施工效率高、施工工期短的优点，同时设置有透水型土工织物作为透水层3，由钢管排水孔1、透水层3和内管排水孔5共同构成了深厚软土层竖向排水通道，具有快速降低超孔隙水压力等优点，施工完毕后能迅速发挥功效。

为便于快速降低超孔隙水压力，钢管排水孔1的优选布置方式为：布置于钢管2的同一断面位置、并沿着钢管2的圆周方向均匀间隔布置的多个钢管排水孔1为一组，钢管排水孔1沿钢管2的轴线方向均匀间隔布置多组；相邻两组的钢管排水孔1均匀交错布置。内管排水孔5的优选布置方式为：内管排水孔5与钢管排水孔1一一相对应，并且位于同一位置的内管排水孔5与钢管排水孔1为同轴线布置；钢管排水孔1的直径小于内管排水孔5的直径。

为便于施工，同时节约施工成本，内管4优选采用塑料管；透水型土工织物为聚丙烯编织袋或者聚乙烯编织袋。

为提高钢管桩的使用寿命，钢管2内壁和外壁均设置有防锈涂层，即在施工前，钢管2内壁和外壁均需作防锈处理。为提高钢管桩的整体性能，并且便于施工时沉桩，钢管2和桩尖9为一体结构，桩尖9通过钢管2切割加工得到。

为便于渗透水的外排，钢管2的顶端固定设置有封头钢板6，封头钢板6上布置有多个桩顶排水孔8。在具体施工时，封头钢板6上方还设置有透水型土工织物层，四周还布置有砂垫层。

钢管2外侧壁在每个钢管排水孔1的外侧孔口位置分别粘贴有胶布，该胶布使得钢管排水孔1的外侧孔口处于封闭状态；钢管2的顶端设置有压缩空气接口7。设置胶布后，可防止在沉桩过程中软土进入钢管2内部。采用该方式实施时，在钢管2整体沉桩施工完成后，利用压缩空气接口7通入压缩空气，冲开钢管排水孔1的外侧孔口位置粘贴的胶布，以便软土中的地下水可以通过排水孔自由进入内管4的内部。

相应地，在上述钢管桩结构的基础上，本发明还提供一种钢管桩施工方法，包括如下施工步骤：

一、采用静压法或重锤锤击法沉桩，将钢管2打入施工对象中；

二、钢管2由一个节段或者多个节段构成，每个节段的钢管2长度控制为5m～10m；内管4的数量及长度均与钢管2相适配；当钢管2由多个节段构成时，在前一节段的钢管2沉桩施工完成后，为后一节段的钢管2预留有焊接接头；相邻两个节段的钢管2通过焊接固定；重复采用静压法或重锤锤击法沉桩，直至钢管2的桩尖9到达设计深度；

三、若采用在钢管排水孔1的外侧孔口位置粘贴有胶布、钢管2的顶端设置有压缩空气接口7的方案施工，则在钢管2整体沉桩施工完成后，利用压缩空气接口7通入压缩空气，冲开钢管排水孔1的外侧孔口位置粘贴的胶布。

内管4可以直接拼接在一起即可，但为了使整体结构更稳定可靠，优选实施方式为：步骤二中，在将相邻两个节段的钢管2通过焊接固定之前，预先将该连接位置对应的相邻两个节段的内管4通过焊接固定。当内管4采用塑料管时，可采用高温熔合的方法焊接在一起。在进行钢管2和内管4的焊接接长时，可采用吊装法施工，把钢管2和内管4整体吊装固定，然后依次焊接即可。

在钢管2整体沉桩施工完成后，顶部结构优选按如下方式布置：在钢管2的顶端固定设置有封头钢板6，封头钢板6上布置有多个桩顶排水孔8，封头钢板6上方叠设有透水型土工织物层，透水型土工织物层的直径与钢管2的外径相匹配，钢管2的顶端外周设置有砂垫层，砂垫层的底表面位置低于钢管2的顶端面位置，砂垫层的顶表面与透水型土工织物层的顶表面齐平。

优选实施例：

本发明在某工程中应用实施，采用的主要材料及规格为：钢管2(外径2000mm，壁厚15mm，钢管桩外侧及内侧做防锈处理),透水型土工织物袋(聚丙烯编织袋或聚乙烯编织袋等)，塑料管(外径1950mm)封头钢板6(钢板厚度10mm，钢板直径2000mm)，干粗砂。按如下步骤实施：

A、首先根据桥涵构造物承载力要求、路堤高度及路堤稳定性计算要求制作钢管2，钢管2外侧及内侧均做防锈处理。桩端切割形成管靴状的桩尖9，桩尖9斜面与水平面夹角为75°。钢管2侧壁沿着圆周方向在同一断面位置，每间隔45°设置钢管排水孔1，即钢管2在同一断面位置共设8个钢管排水孔1，钢管排水孔1直径150mm；钢管排水孔1沿钢管2的轴线方向均匀间隔布置多组，相邻两组的钢管排水孔1均匀交错布置，即钢管排水孔1呈梅花形布置；同一组钢管排水孔1的中心轴线在钢管2外壁构成环形分布线，相邻两组钢管排水孔1的环形分布线之间的间距为500mm，由于相邻两组的钢管排水孔1均匀交错布置，即位于同一竖向直线上的两个钢管排水孔1的中心间距为1000mm。为防止软土进入花钢管内部，采用透明胶布粘贴钢管排水孔1外侧孔口。

B、然后紧贴钢管2内侧设置透水型土工织物袋，如聚丙烯或聚乙烯编织袋等。透水型土工织物袋内侧设置塑料管，塑料管外径1950mm。塑料管侧壁沿着圆周方向在同一断面位置，每间隔45°设置内管排水孔5，即塑料管在同一断面位置共设8个内管排水孔5。内管排水孔5的直径为300mm，组装好之后，内管排水孔5与钢管排水孔1一一相对应，并且位于同一位置的内管排水孔5与钢管排水孔1为同轴线布置。

C、钢管2采用静压法或重锤锤击法沉桩。

D、现场施工时，钢管桩每隔5～10m进行接桩，接桩前应将钢管2锈迹、油污等清除处理，随后按相关规范要求进行焊接接桩，再次采用静压法或重锤锤击法沉桩，直至钢管2的桩尖9到达设计深度，钢管桩为摩擦桩。

E、接桩时，钢管2和塑料管为配套设计，预先采用加热融化焊接方式加长塑料管。

F、然后采用封头钢板6(钢板厚度10mm，钢板直径2000mm)焊接封闭钢管2的顶端。

G、通过封头钢板6中心预留的通气孔(直径200mm)作为压缩空气接口7，利用高压空气泵向钢管2内部注入压缩空气，压缩空气压力1MPa，压缩空气压力维持30分钟,以此冲开钢管2外壁各排水孔孔口外粘贴的透明胶布，以便软土中的地下水可以通过排水孔自由进入塑料管内部。

H、在封头钢板7外侧切割形成网格状的桩顶排水孔8，桩顶排水孔8的直径为50mm，相邻两个桩顶排水孔8的中心间距布置为100mm。

I、随后在封头钢板7外侧设置透水型土工织物袋，透水型土工织物袋覆盖范围为直径2000mm，深度500mm。

J、钢管桩顶部四周设置砂垫层，钢管2的顶部埋入砂垫层0.5m，即封头钢板7的位置高于砂垫层的底表面位置约为0.5m。砂垫层由干粗砂组成，厚度为1m，含泥量应不大于5％,砂垫层的顶表面位置与透水型土工织物层的顶表面位置基本齐平。

Claims (10)

1.钢管桩结构，包括钢管(2)，钢管(2)的底端固定设置有桩尖(9)，其特征在于：钢管(2)的侧壁上开设有多个钢管排水孔(1)，钢管(2)内设置有其呈同轴线布置的内管(4)，内管(4)的外壁与钢管(2)的内壁之间设置有间隔空间，并且该间隔空间通过透水型土工织物填充形成透水层(3)，内管(4)的侧壁上设置有多个内管排水孔(5)。

2.如权利要求1所述的钢管桩结构，其特征在于：布置于钢管(2)的同一断面位置、并沿着钢管(2)的圆周方向均匀间隔布置的多个钢管排水孔(1)为一组，钢管排水孔(1)沿钢管(2)的轴线方向均匀间隔布置多组；相邻两组的钢管排水孔(1)均匀交错布置。

3.如权利要求2所述的钢管桩结构，其特征在于：内管排水孔(5)与钢管排水孔(1)一一相对应，并且位于同一位置的内管排水孔(5)与钢管排水孔(1)为同轴线布置；钢管排水孔(1)的直径小于内管排水孔(5)的直径。

4.如权利要求1所述的钢管桩结构，其特征在于：内管(4)为塑料管；透水型土工织物为聚丙烯编织袋或者聚乙烯编织袋。

5.如权利要求1所述的钢管桩结构，其特征在于：钢管(2)内壁和外壁均设置有防锈涂层；钢管(2)和桩尖(9)为一体结构，桩尖(9)通过钢管(2)切割加工得到。

6.如权利要求1所述的钢管桩结构，其特征在于：钢管(2)的顶端固定设置有封头钢板(6)，封头钢板(6)上布置有多个桩顶排水孔(8)。

7.如权利要求1所述的钢管桩结构，其特征在于：钢管(2)外侧壁在每个钢管排水孔(1)的外侧孔口位置分别粘贴有胶布，该胶布使得钢管排水孔(1)的外侧孔口处于封闭状态；钢管(2)的顶端设置有压缩空气接口(7)。

8.钢管桩施工方法，其特征在于：采用如权利要求1至7中任意一项所述的钢管桩结构，并包括如下施工步骤：

一、采用静压法或重锤锤击法沉桩，将钢管(2)打入施工对象中；

二、钢管(2)由一个节段或者多个节段构成，每个节段的钢管(2)长度控制为5m～10m；内管(4)的数量及长度均与钢管(2)相适配；当钢管(2)由多个节段构成时，在前一节段的钢管(2)沉桩施工完成后，为后一节段的钢管(2)预留有焊接接头；相邻两个节段的钢管(2)通过焊接固定；重复采用静压法或重锤锤击法沉桩，直至钢管(2)的桩尖(9)到达设计深度；

三、若采用在钢管排水孔(1)的外侧孔口位置粘贴有胶布、钢管(2)的顶端设置有压缩空气接口(7)的方案施工，则在钢管(2)整体沉桩施工完成后，利用压缩空气接口(7)通入压缩空气，冲开钢管排水孔(1)的外侧孔口位置粘贴的胶布。

9.如权利要求8所述的钢管桩施工方法，其特征在于：步骤二中，在将相邻两个节段的钢管(2)通过焊接固定之前，预先将该连接位置对应的相邻两个节段的内管(4)通过焊接固定。

10.如权利要求8所述的钢管桩施工方法，其特征在于：在钢管(2)整体沉桩施工完成后，在钢管(2)的顶端固定设置有封头钢板(6)，封头钢板(6)上布置有多个桩顶排水孔(8)，封头钢板(6)上方叠设有透水型土工织物层，透水型土工织物层的直径与钢管(2)的外径相匹配，钢管(2)的顶端外周设置有砂垫层，砂垫层的底表面位置低于钢管(2)的顶端面位置，砂垫层的顶表面与透水型土工织物层的顶表面齐平。

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