CN111455980B - 一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构及施工方法，包括桩身，所述桩身的一端为桩端，另一端为桩头，所述桩端上具有一圈内窄外宽的凹陷部，所述凹陷部上开有贯通的孔道，所述凹陷部外包裹有空心套管，所述空心套管的外壁直径大于所述桩身的外壁，所述空心套管的侧壁上开有贯通的滑槽，空心套管的下端设置有若干不贯通的竖向切口，限位件穿设在所述滑槽和所述孔道上，所述桩头上固定有保护套。根据以上技术方案，本发明实施例结构简单，有利于工厂批量生产，现场运输与施工拼装方便，经济可行，适用性强，具有较好的推广应用价值，显著的经济效益和社会效益。

Description

一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构及施工方法

技术领域

本发明涉及地下工程以及地基处理领域，尤其是一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构及施工方法。

背景技术

近年来，随着城市建设的快速发展，地下空间的开发已成为城市发展的主角，地铁、地下商场、地下车库、地下室等地下结构成为城市不可或缺的一部分，使得人们对地下结构的设计研究产生了极大的关注。随着地下室向着更深更大的方向发展，地下室的抗浮问题在近几年逐步得到了关注，特别是长三角、珠三角等沿海地区，由于地下水位较高、土质较差，存在深厚的软粘土，且地下室挖深较大，对于上部建有主楼的地下室一般不存在抗浮问题，但对于地铁车站、地下室或下沉式广场等上部荷载较小的地下结构，抗浮设计变得尤为重要。

一般建筑基础桩通常为抗压桩，桩体承受建筑荷载压力，受力自桩顶向桩底传递，桩体受力大小随着建筑荷载的变化而变化；而抗浮桩则为抗拔桩，桩体承受拉力，普通抗浮桩受力也是自桩顶向桩底传递，桩体受力大小随着地下水位的变化而变化，但两者受力机制恰好相反。若抗浮设防水位确定过高，抗浮措施十分复杂，造成投资经济效益降低；而抗浮设防水位确定过低，结构将产生过大内力，甚至整体或局部浮起，造成地下工程的破坏。因此，地下结构的抗浮设计成为及其重要的环节。对地下结构抗浮桩进行设计，应做到既安全又经济合理，慎重分析工程地质和水文地质资料，针对地下水位可能的丰水期和枯水期分别考虑，且区别施工阶段和竣工后使用阶段的不同工况，综合应用合理设计。

预应力空心抗浮桩作为抗浮桩的一种，具有直径小、比表面积大、经济效益好的优点，在工程中得到广泛应用。但是，预制空心桩内外壁较为光滑，桩身与地下土层之间的摩阻力较小，存在桩体易被拔起的问题。另外，预制方桩也可作为抗浮桩，但其各面棱角的存在使得方桩受力分布不均，打入预制桩过程较为困难。圆桩的端部为圆锥形，从而造成端部受力均布在锥形面，导致桩基底部稳定性较差、承载能力降低，加之施工机械设备、人为操作等因素，打桩过程中经常会出现桩体倾斜、偏移的现象，增加了工程的安全隐患。此外，实际工程中，常出现打桩过中桩头断裂损坏的情形，严重影响了施工质量和进程。

综上所述，如何有效的改善抗浮桩桩身结构、桩头工艺，增加抗浮桩的稳定性和承载能力，针对不同地质、不同地下水分布状况合理采取不同抗浮桩的施工工艺，且施工工艺更加简便安全可靠，经济合理是我们需要继续深入考虑的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构及施工方法，以解决相关技术中存在的稳定性差、承载能力不够以及抗浮不够的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明实施例提供一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，包括桩身，所述桩身的一端为桩端，另一端为桩头，所述桩端上具有一圈内窄外宽的凹陷部，所述凹陷部上开有贯通的孔道，所述凹陷部外包裹有空心套管，所述空心套管的外壁直径大于所述桩身的外壁，所述空心套管的侧壁上开有贯通的滑槽，空心套管的下端设置有若干不贯通的竖向切口，，限位件穿设在所述滑槽和所述孔道上，以限制空心套管沿桩身轴向方向的滑动距离，所述桩头上固定有保护套。

进一步地，所述桩身为圆形截面，所述桩端底部设置桩尖。

进一步地，所述桩头顶面设置有法兰盘，所述保护套固定在法兰盘上。

进一步地，所述桩身采用实心钢筋混凝土结构，所述桩端与桩头部分采用钢筋加密处理。

进一步地，所述空心套管外壁面进行横向螺纹处理。

进一步地，所述法兰盘与保护套之间用衬垫密封。

进一步地，所述保护套两侧边缘底部各有一处空槽结构，所述空槽结构内部设置连接件，用于紧固连接红外线测距仪。

进一步地，所述保护套两侧边缘各设置一个把手。

进一步地，所述保护套上方放置橡胶垫作为桩头缓冲垫。

第二方面，本发明实施例还提供一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构的施工方法，包括：

将预制抗浮桩结构吊放置至桩位中心附近，保证桩尖垂直对准桩位中心；

桩尖插入桩位后，先将桩插入地下预定距离，再使桩垂直稳定；

继续打桩，根据设计标高条件或贯入度要求，终止打桩；

待预制抗浮桩结构完成打桩施工后，再向上抬起至桩身无法再上移，完成预制抗浮桩结构的施工。

根据以上技术方案，本发明实施例结构简单，有利于工厂批量生产，现场运输与施工拼装方便，经济可行，适用性强，具有较好的推广应用价值，显著的经济效益和社会效益。使用时，在预制抗浮桩结构完成打桩施工后，通过桩机将桩体向上抬起至桩体基本无法上移，即此时滑槽中的限位件已从底部滑动至顶部，在限定长度的滑槽中完成了相对滑动。空心套管与桩体发生错动，周围土体对空心套管施加压力，产生滑动，空心套管通过内窄外宽的凹陷部向下移动，空心套管被撑开膨胀，进而在空心套管的外壁面形成很大的正压力，增大了桩端与土体的接触面积与摩阻力，产生摩擦自锁效应，增加了桩端的稳固能力，提高了抗浮力，满足设计要求。本发明实施例中的滑槽的长度应可根据现场工程的地质水文及结构特点设计，通过设置不同长度的滑槽以限定空心套管的相对滑动，可产生不同程度的抗浮力作用，避免因抗浮设计不当而导致的工程效益低，结构危害大的后果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的桩身结构示意图；

图2是本发明实施例的法兰盘部分构造特征示意图；

图3是本发明实施例的保护套构造特征示意图；

图4是本发明实施例的空心套管构造特征示意图；

图5(a)是本发明实施例的滑槽细部构造特征主视示意图；

图5(b)是本发明实施例的滑槽细部构造特征侧视示意图；

图6是本发明实施例的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构示意图；

图7是本发明实施例的空心套管外包于桩端细部示意图；

图8是本发明实施例的抗浮处理桩端细部示意图；

图9是本发明实施例的不同长度滑槽的空心套管示意图；

其中，桩身1；桩头2；桩端3；桩尖3-1；凹陷部3-2；孔道3-3；法兰盘4；孔眼；空心套管6；滑槽6-1；限位件6-2；螺母6-3；横向螺纹6-4；衬垫7；保护套8；螺栓孔；空槽；把手；螺栓9；红外线测距仪10；橡胶垫11。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1-9所示，本发明实施例提供一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，包括桩身1，所述桩身1的一端为桩端3，另一端为桩头2，所述桩端3上具有一圈内窄外宽的凹陷部3-2，所述凹陷部3-2上开有贯通的孔道3-3，所述凹陷部3-2外包裹有空心套管6，所述空心套管6的外壁直径大于所述桩身1的外壁(约2～4cm)，所述空心套管6的侧壁上开有贯通的滑槽6-1，空心套管6的下端设置有若干不贯通的竖向切口，限位件6-2穿设在所述滑槽6-1和所述孔道3-3上，以限制空心套管沿桩身1轴向方向的滑动距离，所述桩头2上固定有保护套8。

根据以上技术方案，本发明实施例结构简单，有利于工厂批量生产，现场运输与施工拼装方便，经济可行，适用性强，具有较好的推广应用价值，显著的经济效益和社会效益。使用时，在预制抗浮桩结构完成打桩施工后，通过桩机将桩体向上抬起至桩体基本无法上移，即此时滑槽中的限位件已从底部滑动至顶部，在限定长度的滑槽中完成了相对滑动。空心套管与桩体发生错动，周围土体对空心套管施加压力，产生滑动，空心套管通过内窄外宽的凹陷部3-2向下移动，空心套管被撑开膨胀，进而在空心套管的外壁面形成很大的正压力，增大了桩端与土体的接触面积与摩阻力，产生摩擦自锁效应，增加了桩端的稳固能力，提高了抗浮力，满足设计要求。本发明实施例中的滑槽的长度应可根据现场工程的地质水文及结构特点设计，通过设置不同长度的滑槽以限定空心套管的相对滑动，可产生不同程度的抗浮力作用，避免因抗浮设计不当而导致的工程效益低，结构危害大的后果。

本实施例中，所述桩身1采用圆形截面，所述桩端3上具有一圈内窄外宽的凹陷部3-2，具体为变截面锥形，其中小截面略小于桩身1，大截面与桩身1相同。

所述桩头2为圆形截面，与桩身1相同，所述桩头2顶面可设置法兰盘4，所述法兰盘4为圆环结构，有便于螺栓9安装的孔眼5。

所述桩端3底部设置桩尖3-1，距离所述桩尖3-1上方30cm～50cm处的桩端向内缩进5cm，所述凹陷部3-2与未凹陷的桩端部分形成了一定的锥度。距离所述凹陷部3-2下方5～10cm处预留直径0.5～1cm的孔道3-3。上述尺寸应结合工程实际确定。

优选的，所述预制抗浮桩采用实心钢筋混凝土结构，所述桩头2与桩端3部分采用钢筋加密处理。

通过采用上述技术方案，使用时，预制抗浮桩形成的结构主体为圆柱形，有利于桩基打入地面后，桩身1的周向受力均匀；桩端3整体为变截面锥形，增加了桩基结构底部的接触面积，同时形成的锐化棱边更容易破坏土体结构性，用于平衡桩入土端承受的应力，设置桩尖3-1增加了预制桩的穿透能力，提高了打桩的效率。所以桩基周向受力较为均匀且打入过程中也更为容易。

本实施例中，所述空心套管6，外包于所述凹陷部3-2，其形状能恰好贴合凹陷部3-2截面处，与桩身1形成统一的圆柱形桩体。所述空心套管6的厚度略小于桩端向内缩进的长度，以保证空心套管6能贴合于预制桩上。

所述空心套管6设置滑槽6-1，所述滑槽6-1为空心套管6上部的镂空槽形结构。所述孔道3-3内置直径0.5～1cm、长度大于所述凹陷部3-2直径的限位件6-2，本实施例限位件采用双头螺丝，并于滑槽6-1处两侧采用螺母6-3紧固。通过双头螺丝两侧螺母6-3固定加滑槽6-1的可动设计以便于施工抗浮处理时空心套管可以相对滑动，并适应不同长度的滑槽。

本实施例中，所述滑槽6-1的长度应根据工程实际特点设计，通过设置不同长度的滑槽6-1以限定空心套管6的相对滑动，产生不同程度的抗浮力作用。具体而言，根据不同地质与水文情况，选取不同的抗浮水位进行抗浮桩的抗浮计算，并随结构抗浮要求的增加适当调整增大所述滑槽的长度，以进一步增加空心套管的相对滑动距离，从而增大土体、空心套管及桩端间的摩擦自锁。

具体地，所述空心套管6设置有若干不贯通的竖向切口，以便于空心套管的撑开。作为优选，空心套管外壁面设置横向螺纹6-4处理，以增大空心套管与土体之间的摩阻力。所述空心套管6的安装不会改变预制抗浮桩的形状和直径，不影响打桩的效率进程。

优选的，所述空心套管6的制作应选用韧性力学性能较好的钢材，如弹簧钢、模具钢等，以方便空心套管的装配和撑开。

上述桩身1与空心套管6均根据模具设计与制作完成，有利于工厂的批量生产和现场施工。本实施例中所述空心套管6可以通过两片半圆空心套管套装在所述凹陷部后再进行焊接而成。

为了满足预制抗浮桩工厂批量生产和现场合理有序堆放与施工的要求，不必要在工厂阶段就设计出桩头扩大结构，因此所述保护套8可以采用圆形截面，其直径稍大于抗浮桩直径，具体视抗浮桩尺寸而定，保护套8上设置有与法兰盘4的孔眼5一一对应的螺栓孔8-1，通过螺栓9使得法兰盘4与保护套8紧连，之间用衬垫7密封，以确保与抗浮桩相贴合。所述保护套8两侧边缘底部各有一处空槽8-2结构，所述空槽8-2结构内部设置连接件，用于紧固连接红外线测距仪10，以实现施工过程中的实时距离测量，保证桩基施工不偏移、不倾斜。所述空槽8-2结构尺寸应满足可以放置红外线测距仪10的空间大小，对应的，所述保护套8的厚度也应满足大于空槽8-2结构的厚度。

优选的，所述保护套8两侧边缘各设置一个把手8-3，用于保护套的装备和拆卸。作为优选，所述保护套可重复拆卸使用。

优选的，所述保护套8上方进一步放置橡胶垫11作为桩头缓冲垫。

本发明实施例还提供了一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构的施工方法，详细的一种施工方法的实施例主要包括以下步骤：

1.1放线定桩位

根据设计图纸编制桩测量定位图，并保证轴线控制点不受打桩时振动和挤土的影响。

1.2桩机就位

桩机就位，对准桩位，保证垂直稳定，在施工中不发生倾斜、移动。

1.3安装空心套管

根据不同工程的抗浮要求，设计制作不同长度滑槽的空心套管，见图9。选择相应长度滑槽的空心套管，在缩进的桩端部分处安装空心套管。通过滑槽的镂空槽形结构中穿入双头螺丝，应保证与预留孔道直径契合的双头螺丝内置于孔道内，且此时双头螺丝应处于滑槽的下部位置，在空心套管的滑槽处两侧采用螺母6-3紧固，见图5(a)和图5(b)。

1.4安装桩头保护套

见图6，通过把手搬运桩头保护套放置在拟施工的桩头位置，并保证桩头法兰盘的孔眼与桩头保护套的螺栓孔一一对应，采用螺栓紧固连接完成。注意桩头保护套的表面与桩头的表面要相平，以确保打桩时桩头的受力均匀。

1.5起吊预制桩

通过钢丝绳、索具将预制桩吊放置至定位桩位中心附近，保证桩尖垂直对准桩位中心。

1.6安装红外线测距仪

见图6，将小型红外线测距仪放置在桩头保护套的空槽中，施工时通过两个测距仪的实时反馈数据，监测桩基打入深度，保证桩基施工不偏移不倾斜。

1.7稳桩

桩尖插入桩位后，先将桩插入地下30～50cm，再使桩垂直稳定，短桩可目测或用线坠双向校正，长桩可根据红外线测距仪结果进行校正。

1.8打桩

(1)打桩前在桩头保护套上方放置橡胶垫作为桩头缓冲垫，打桩宜重锤低击，锤重的选择应根据工程地质条件、桩的类型、结构、密集程度及施工条件来选用。

(2)打桩顺序一般按先深后浅、先长桩后短桩、先大径后小径、先施工大承台桩后施工小承台桩的原则，由于桩的密集程度不同，可根据工程实际施工。

(3)打桩时应根据红外线测距仪结果做好打桩记录。

(4)当遇到打桩时桩身数据不正常，桩顶或桩身出现严重裂缝、破碎等情况时，应暂停打桩，并分析原因，采取相应措施。

1.9终止锤击

根据设计标高条件或贯入度要求，填好施工记录，终止锤击。如发现桩位与要求相差较大时，应会同有关单位研究处理。

1.10抗浮处理

本发明提出了用于抗浮处理的特殊变截面锥形的桩端设置，以及外包空心套管的设置。见图8，预制抗浮桩完成打桩施工后，通过桩机将桩体向上抬起至桩体基本无法上移，即此时滑槽中的双头螺丝已从底部滑动至顶部，在限定长度的滑槽中完成了相对滑动。空心套管与桩体发生错动，周围土体对空心套管施加压力，产生滑动，空心套管通过桩端的锥度部分向下移动，空心套管被撑开膨胀，进而在空心套管的外壁面螺纹式复合支架形成很大的正压力，加之桩尖锥度较小，从而增大了桩端与土体的接触面积与摩阻力，使土体、空心套管及桩端间形成摩擦自锁，起到了稳固桩端，提高抗浮力的作用。

本发明提供了整环单环施工的顺序和纵向通缝或错缝拼装的施工要点，为工程实际提供了可靠的设计依据，通过整环凸形结构的契合和错缝拼装连接，不仅增大了本发明所述盾构隧道结构的环向结构承载力，也增大了纵向结构的承载力，具有显著的经济和社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，包括桩身，所述桩身的一端为桩端，另一端为桩头，所述桩端上具有一圈内窄外宽的凹陷部，所述凹陷部上开有贯通的孔道，所述凹陷部外包裹有空心套管，所述空心套管的外壁直径大于所述桩身的外壁，所述空心套管的侧壁上开有贯通的滑槽，空心套管的下端设置有若干不贯通的竖向切口，限位件穿设在所述滑槽和所述孔道上，所述桩头上固定有保护套。

2.根据权利要求1所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，所述桩身为圆形截面，所述桩端底部设置桩尖。

3.根据权利要求1所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，所述桩头顶面设置有法兰盘，所述保护套固定在法兰盘上。

4.根据权利要求1所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，所述桩身采用实心钢筋混凝土结构，所述桩端与桩头部分采用钢筋加密处理。

5.根据权利要求1所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，所述空心套管外壁面进行横向螺纹处理。

6.根据权利要求3所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，所述法兰盘与保护套之间用衬垫密封。

7.根据权利要求1所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，所述保护套两侧边缘底部各有一处空槽结构，所述空槽结构内部设置连接件，用于紧固连接红外线测距仪。

8.根据权利要求1所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，所述保护套两侧边缘各设置一个把手。

9.根据权利要求1所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构，其特征在于，所述保护套上方放置橡胶垫作为桩头缓冲垫。

10.权利要求1所述的一种适用于地下工程的预制抗浮桩结构的施工方法，其特征在于，包括：

将预制抗浮桩结构吊放置至桩位中心附近，保证桩尖垂直对准桩位中心；

桩尖插入桩位后，先将桩插入地下预定距离，再使桩垂直稳定；

继续打桩，根据设计标高条件或贯入度要求，终止打桩；

待预制抗浮桩结构完成打桩施工后，再向上抬起至桩身无法再上移，完成预制抗浮桩结构的施工。

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