CN113266032A - 一种组合式雪花型桩基础施工系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式雪花型桩基础施工系统及施工方法，该桩基础施工系统包括组合式雪花型桩基础和施工设备；组合式雪花型桩基础包括雪花型混凝土钢板桩和粉喷桩，雪花型混凝土钢板桩在施工设备的作用下压入粉喷桩；施工设备包括底座和操作装置；操作装置包括多个定位锁紧装置、手动操作系统、二维码远程操作系统、电脑远程操作系统和操作系统控制中枢；定位锁紧装置对雪花型混凝土钢板桩定位；操作系统控制中枢对手动操作系统、二维码远程操作系统和电脑远程操作系统进行转换以对定位锁紧装置的锁紧尺寸和施工设备的高度进行控制。本发明确保了在将雪花型混凝土钢板桩沉入粉喷桩时桩身的垂直度，提高了组合式雪花型桩基础的水平极限承载力。

Description

一种组合式雪花型桩基础施工系统及施工方法

技术领域

本发明涉及建筑和岩土以及地质工程软土加固领域中的组合式桩基础，尤其涉及一种组合式雪花型桩基础施工系统及施工方法。

背景技术

在地质工程中需要根据不同地质情况采取不同的地基加固方法。如在西部及西北地区分布有大面积、深厚度的液化土层和湿陷性土层，南方地区存在部分淤泥质软土，软土地基的高压缩性会使建筑物产生较大的不均匀沉降甚至开裂和损坏。

在公路的高路堤、港口、基坑及边坡支护等工程中，桩基础除了承受竖向荷载外，还受到较大的水平荷载，在建筑物受到风荷载和地震作用下，需要桩体具有抗拉和抗弯能力。运用桩基础进行软土地基加固，能使桩体同时拥有良好的抗水平荷载以及抗拉弯能力。

现有的沉桩技术在将桩身打入粉喷桩时，由于粉喷桩桩体固结不均匀或者沉桩时通过不同土层等原因导致桩身倾斜和偏移，无法精确保证桩身的垂直度；另外，吊机的振动也影响桩体的水平定位和垂直度，目前针对复杂形状的复合芯桩的沉桩固定无任何辅助装置。

因此，针对软土地基加固亟需一种性能优异的复杂截面复合桩基础以及施工设备，进而保证桩体的施工质量。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种组合式雪花型桩基础施工系统及施工方法，以解决现有技术中在将桩身压入粉喷桩时由于粉喷桩桩体固结不均匀或沉桩时通过不同土层的原因无法保证桩身垂直度，以及缺少辅助装置导致施工质量降低的技术问题。

技术方案：本发明组合式雪花型桩基础施工系统包括组合式雪花型桩基础和施工设备；

组合式雪花型桩基础包括雪花型混凝土钢板桩和粉喷桩，雪花型混凝土钢板桩在施工设备的作用下压入粉喷桩；

施工设备包括底座和操作装置；底座上开设有正六边形定位孔以对雪花型混凝土钢板桩进行定位；

操作装置包括多个定位锁紧装置、手动操作系统和二维码远程操作系统、电脑远程操作系统和操作系统控制中枢；多个定位锁紧装置对雪花型混凝土钢板桩定位；操作系统控制中枢对手动操作系统、二维码远程操作系统和电脑远程操作系统进行转换以对定位锁紧装置的锁紧尺寸和施工设备的高度进行控制。

定位锁紧装置包括支撑板、推杆电机和锁紧机构；支撑板固定在底座上，锁紧机构通过推杆电机与支撑板连接。

锁紧机构包括竖向挡板、锁紧组件和滑轨，推杆电机通过竖向挡板带动锁紧组件沿着滑轨移动。

锁紧组件包括至少一个锁紧杆，锁紧机构通过锁紧杆对雪花型混凝土钢板桩的桩身定位。

锁紧杆端部设有对雪花型混凝土钢板桩的桩身定位的夹持板，夹持板的横截面的夹角为120°。

夹持板上固定有橡胶垫。

二维码远程操作系统通过手机、平板移动端扫描施工设备上的二维码，进入移动端操作界面，通过操作系统控制中枢控制施工设备的夹取尺寸和设备的高度。电脑远程操作系统控制施工设备的夹取尺寸和设备的整体高度。

粉喷桩的长度小于雪花型混凝土钢板桩的长度。

本发明组合式雪花型桩基础施工方法，采用雪花型桩基础施工系统进行施工，该施工方法包括以下步骤：

(1)提前预制雪花型混凝土钢板桩桩身以及桩帽；

(2)平整和清理施工场地，确定粉喷桩桩位，粉喷桩垂直误差≦0.5％，桩位偏差≦30mm；

(3)启动搅拌桩机，钻头钻进深度为雪花型混凝土钢板桩桩长的一半；

(4)在钻头的提升过程中喷粉搅拌，通过粉体发送器将水泥粉喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向拌和，得到粉喷桩；

(5)当钻头提升到桩顶标高上方时，粉体发送器停止向孔内喷射粉料；

(6)停止喷粉，钻头边旋转边钻进，直至雪花型混凝土钢板桩底标高处；

(7)边提升边反向旋转钻头并喷粉，使土体和料体拌和，将水泥分散在桩土中；

(8)通过现场机械将组合式雪花型桩基础配套的施工设备移动至粉喷桩的上方，使正六边形定位孔对准粉喷桩中心，检查固定支座；

(9)根据现场条件选择手动操作系统、电脑远程操作系统和二维码远程操作系统中的一种操作系统来控制推杆电机和定位锁紧装置对雪花型混凝土钢板桩进行定位；

(10)在预制的雪花型混凝土钢板桩的混凝土养护完成后，混凝土的强度达到设计强度时进行起吊定位，调整桩机位置，使雪花型混凝土钢板桩在铅垂状态下，桩尖对准粉喷桩桩位中心；

(11)推动推杆电机，保证每个定位锁紧装置中的推杆电机等速运行，使定位锁紧装置夹紧雪花型混凝土钢板桩腹板部分，检查夹持位置；

(12)当雪花型混凝土钢板桩的桩尖插入粉喷桩后，压紧雪花型混凝土钢板桩；

(13)将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩，在压桩过程中观察桩身位移以及桩身是否发生倾斜；在雪花型混凝土钢板桩通过粉喷桩时，或者由软弱土层进入坚硬土层时放慢压桩速度；

(14)将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩后，移除施工设备，通过法兰将桩帽与雪花型混凝土钢板桩桩身连接。

工作原理：本发明在完成雪花型混凝土钢板桩内芯的预制后，经过运输、堆放至施工现场后，进行粉喷桩的施工，在粉喷桩尚未完全固结时用本发明的配套施工设备将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩中心，最终形成一种内芯轮廓为雪花型的组合式雪花型桩基础。

本发明组合式雪花型桩基础减小了桩基础的自重，增加了结构刚度和承载力，雪花型截面大幅增加了内外芯桩界面与桩土界面的接触面积，从而增加内外芯界面摩阻力和桩侧阻力，雪花型钢板桩提高了桩基础的水平抗力和抗弯能力。

粉喷桩有效减小了桩身最大弯矩和剪力，将雪花型混凝土钢板桩内芯压入可挤扩粉喷桩外芯和桩周土体，使桩周土体内、外芯以及外芯和周围土体更能紧密咬合，从而使得桩侧摩阻力、复合桩的整体性和强度得到大幅提高，该组合式雪花型桩基础的水平极限承载力为同参数水泥土搅拌桩水平极限承载力的数倍。

在将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩形成复合雪花型桩基础时，由于粉喷桩桩身固化不均匀或者沉桩过程中穿过不同土层的原因导致桩身倾斜和偏移，本发明的施工设备通过推动三个或多个定位锁紧装置，对雪花型混凝土钢板桩的腹板部分进行夹持锁紧，避免在打入粉喷桩时发生倾斜。

有益效果：本发明通过配套的施工设备将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩形成一种组合式雪花型桩基础，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明使用雪花型混凝土钢板桩内芯，提高了复合桩的桩身性能，减小了桩基础自重，增加结构刚度，增加了摩阻力，提高了桩基础的承载力、水平抗力和抗弯能力，减小不均匀沉降，降低地震作用，基础造价低，施工速度快。

(2)本发明组合式桩基础相较于普通桩型具有更大的承载力，避免了由于较小的桩间距造成的高造价，降低了群桩效应引起的二次沉降；在地质工程复杂的条件下具有优异的工程效益，在深淤泥质土、粉土、填土、一般粘性土及饱和黄土、松散砂土及含水率达30％以上的软弱地基处理领域具有广泛的应用前景。

(3)本发明所使用的沉桩设备通过定位锁紧装置对雪花型混凝土钢板桩的腹板进行位置固定，避免在压入粉喷桩时雪花型混凝土钢板桩桩身发生倾斜，控制雪花型芯桩在粉喷桩中的垂直度；底座下部的固定支架减少由于设备振动导致的桩位偏移，弥补了当前没有针对复杂截面桩基础的沉桩定位设备的缺失，提高了复杂截面芯桩复合桩的施工质量。

(4)本发明通过推杆电机对雪花型混凝土钢板桩桩身的夹持尺寸进行调节，适用于不同尺寸参数的雪花型混凝土钢板桩。

(5)本发明的底座底部四角带有固定支座，避免了在沉桩过程中桩体发生偏移，从而提高组合式雪花型桩基础的施工质量。

附图说明

图1为本发明组合式雪花型桩基础施工系统结构示意图；

图2为本发明组合式雪花型桩基础结构图；

图3为本发明配套施工设备结构图；

图4为本发明配套施工设备俯视图；

图5为定位锁紧装置结构图；

图6为定位锁紧装置俯视图；

图7为本发明控制装置示意图；

图8为本发明组合式雪花型桩基础施工图。

具体实施方式

如图1所示，本发明组合式雪花型桩基础施工系统包括组合式雪花型桩基础Ⅰ和配套的施工设备Ⅱ。

如图2所示，本发明所使用的组合式雪花型桩基础Ⅰ包括雪花型混凝土钢板桩a和粉喷桩b。雪花型混凝土钢板桩a的桩尖呈45°，用于减小沉桩阻力；桩帽通过法兰与桩芯连接。

由于粉喷桩b以提供桩侧摩阻力为主，粉喷桩不进入桩端持力层；而雪花型混凝土钢板桩提供较大的桩侧摩阻力和桩端阻力，该雪花型混凝土钢板桩需要进入持力层，通过粉喷桩b与雪花型混凝土钢板桩的结合进而提高桩的承载力并降低成本。本实施例中，选择将粉喷桩b的长度为雪花型混凝土钢板桩长度的一半，用于提高桩基础的水平荷载承载力，同时减少基础造价。

如图3至图7所示，本发明施工设备Ⅱ包括底座1和操作装置；其中，底座1上开设有数据传输孔6。操作装置包括定位锁紧装置3、手动操作系统5、二维码远程操作系统13、电脑远程操作系统15和操作系统控制中枢16；该操作系统控制中枢位于底座1内。

手动操作系统5通过液压杆来控制施工设备的夹取尺寸和整体高度。二维码远程操作系统13通过手机、平板移动端扫描施工设备上的二维码，进入移动端操作界面，通过操作系统控制中枢16控制本施工设备的夹取尺寸和设备的整体高度。电脑远程操作系统15的数据线穿过数据传输孔6，该电脑远程操作系统15控制该施工设备对雪花型混凝土钢板桩桩身的夹取锁紧尺寸，通过调整固定支座2的高度以控制设备的整体高度，以适应工程需要。根据现场工程的实际要求，通过操作系统控制中枢16选择手动操作系统5、二维码远程操作系统13或者电脑远程操作系统15，即进行三者的转换以对定位锁紧装置的锁紧尺寸和施工设备的高度进行控制，以达到方便施工的目的。底座1下方通过螺纹连接有固定支座2。

如图4所示，由于雪花型桩基础尺寸比较复杂，而正六边形定位孔适用于各种参数尺寸的雪花型桩基础，因此本实施例中，在底座1中心，开设有边长为1500mm的正六边形雪花型定位孔4。三个尺寸参数相同的定位锁紧装置之间相互呈60°固定在底座1的上部，通过定位锁紧装置3对雪花型混凝土钢板桩a进行定位。

如图5、图6所示，该定位锁紧装置3包括支撑板7、推杆电机8和锁紧机构，该锁紧机构包括竖向挡板9、锁紧组件和滑轨14；滑轨14固定在底座1上，推杆电机8通过竖向挡板9带动锁紧组件沿着滑轨14移动，进而对雪花型混凝土钢板桩桩身进行定位。本实施例中，该锁紧组件采用2个锁紧杆10共同作用。每个定位锁紧装置3采用四个推杆电机8；具体结构为，支撑板7固定在底座1上，推杆电机8一端固定在支撑板7上，推杆电机8的另一端通过竖向挡板9驱动锁紧杆沿着滑轨14移动，进而由锁紧杆10对雪花型混凝土钢板桩桩芯a进行定位。其中，每个锁紧杆10的端部固定有夹持板11，该夹持板11的横截面的夹角为120°，夹持板端部对雪花型混凝土钢板桩的桩身进行定位。为避免对雪花型混凝土钢板桩的桩身产生磨损，夹持板11上固定有橡胶垫12。二维码控制系统13位于支撑板内，该二维码控制系统13通过移动端远程控制夹取尺寸。

如图7和图8所示，本发明组合式雪花型桩基础施工系统的具体施工方法如下：

(1)提前预制雪花型混凝土钢板桩桩芯以及桩帽；

(2)平整和清理施工场地，保证场地没有不均匀沉降，确定粉喷桩桩位，粉喷桩垂直度≦0.5％，桩位偏差≦30mm；

(3)启动搅拌桩机，钻头边旋转边钻进，钻进深度为雪花型混凝土钢板桩桩长的一半，以提高桩身抗水平荷载能力，桩机钻进过程中喷射压缩空气，以减小钻进阻力，钻进过程中，原位土体受到搅动；

(4)在钻头的提升过程中喷粉搅拌，规定水泥的使用量，保证粉喷桩的施工质量，通过粉体发送器将水泥粉喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向充分拌和，以得到粉喷桩；

(5)当钻头提升到桩顶标高上方0.50m处时，粉体发送器停止向孔内喷射粉料；

(6)停止喷粉，钻头边旋转边钻进，直至雪花型混凝土钢板桩底标高处；该标高即实际设计的雪花型混凝土钢板桩的实际高度；

(7)边提升边反向旋转钻头并喷粉，使土体和料体充分拌和，土体被充分粉碎，水泥被分散在桩土中，保证成桩均匀和提高桩体强度；

(8)通过现场机械将本发明配套的施工设备移动至粉喷桩的上方，使正六边形定位孔对准粉喷桩中心，检查固定支座2保证在沉桩过程中本施工设备不发生移动；

(9)根据现场条件选择手动操作系统5、电脑远程操作系统15和二维码远程操作系统13中的一种操作模式来控制连接定位锁紧装置3的推杆电机8；

(10)在预制的雪花型混凝土钢板桩的混凝土养护完成后，混凝土的强度达到设计强度时，对雪花形混凝土钢板桩进行起吊定位，调整桩机位置，使雪花型混凝土钢板桩在铅垂状态下，桩尖对准粉喷桩桩位中心处；

(11)推动推杆电机8，保证每个定位锁紧装置3中的推杆电机8同时等速运行，避免推力不均匀导致的设备损坏和固定不牢，推杆电机8移动使定位锁紧装置3夹紧雪花型混凝土钢板桩腹板部分，检查夹持位置有无晃动；

(12)压桩开始速度不宜过快，当雪花型混凝土钢板桩的桩尖插入粉喷桩0.5米后，压紧雪花型混凝土钢板桩；

(13)将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩，在压桩过程中对雪花型混凝土钢板桩的桩身垂直度和偏移度进行控制，在雪花型混凝土钢板桩通过粉喷桩时，或者由软弱土层进入坚硬土层的时候放慢压桩速度；

(14)将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩之后，移除本发明的施工设备Ⅱ，通过法兰将桩帽与雪花型混凝土钢板桩桩身连接。

如图8所示，步骤(2)-(7)对应图8中的过程a，为制备粉喷桩的过程；步骤(8)对应图8中的过程b，为固定本施工设备的过程；步骤(9)-(13)对应图8中的过程c，为通过本施工设备，将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩的过程；步骤(14)对应图8中的过程d，为形成组合式雪花型桩基础的结构示意图。

Claims (10)

1.一种组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述雪花型桩基础施工系统包括组合式雪花型桩基础(Ⅰ)和施工设备(Ⅱ)；

所述组合式雪花型桩基础(Ⅰ)包括雪花型混凝土钢板桩(a)和粉喷桩(b)，所述雪花型混凝土钢板桩(a)在施工设备的作用下压入所述粉喷桩(b)；

所述施工设备(Ⅱ)包括底座(1)和操作装置；所述底座(1)上开设有正六边形定位孔(4)以对雪花型混凝土钢板桩进行定位；

所述操作装置包括多个定位锁紧装置(3)、手动操作系统(5)和二维码远程操作系统(13)、电脑远程操作系统(15)和操作系统控制中枢(16)；所述多个定位锁紧装置(3)对所述雪花型混凝土钢板桩(a)定位；所述操作系统控制中枢(16)对手动操作系统(5)、二维码远程操作系统(13)和电脑远程操作系统(15)进行转换以对定位锁紧装置的锁紧尺寸和施工设备的高度进行控制。

2.根据权利要求1所述的组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述定位锁紧装置(3)包括支撑板(7)、推杆电机(8)和锁紧机构；所述支撑板(7)固定在所述底座(1)上，所述锁紧机构通过推杆电机(8)与支撑板(7)连接。

3.根据权利要求2所述的组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述锁紧机构包括竖向挡板(9)、锁紧组件和滑轨(14)，所述推杆电机(8)通过所述竖向挡板(9)带动所述锁紧组件沿着滑轨(14)移动。

4.根据权利要求3所述的组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述锁紧组件包括至少一个锁紧杆(10)，所述锁紧机构通过所述锁紧杆(10)对雪花型混凝土钢板桩的桩身定位。

5.根据权利要求4所述的组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述锁紧杆(10)端部设有对雪花型混凝土钢板桩的桩身定位的夹持板(11)，所述夹持板(11)的横截面的夹角为120°。

6.根据权利要求5所述的组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述夹持板(11)上固定有橡胶垫(12)。

7.根据权利要求1所述的组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述施工设备还包括固定支座(2)，所述二维码远程操作系统(13)通过手机、平板移动端扫描施工设备上的二维码，进入移动端操作界面，通过操作系统控制中枢(16)控制施工设备的夹取尺寸，通过调整固定支座(2)控制施工设备的高度。

8.根据权利要求1所述的组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述电脑远程操作系统(15)控制所述施工设备的夹取尺寸和设备的整体高度。

9.根据权利要求1所述的组合式雪花型桩基础施工系统，其特征在于：所述粉喷桩(b)的长度小于所述雪花型混凝土钢板桩的长度。

10.一种组合式雪花型桩基础施工方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的雪花型桩基础施工系统进行施工，所述施工方法包括以下步骤：

(1)提前预制雪花型混凝土钢板桩桩芯以及桩帽；

(2)平整和清理施工场地，确定粉喷桩桩位，粉喷桩垂直误差≦0.5％，桩位偏差≦30mm；

(3)启动搅拌桩机，钻头钻进深度为雪花型混凝土钢板桩桩长的一半；

(4)在钻头的提升过程中喷粉搅拌，通过粉体发送器将水泥粉喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向拌和，得到粉喷桩；

(5)当钻头提升到桩顶标高上方时，粉体发送器停止向孔内喷射粉料；

(6)停止喷粉，钻头边旋转边钻进，直至雪花型混凝土钢板桩底标高处；

(7)边提升边反向旋转钻头并喷粉，使土体和料体拌和，将水泥分散在桩土中；

(8)通过现场机械将组合式雪花型桩基础(Ⅰ)配套的施工设备(Ⅱ)移动至粉喷桩的上方，使正六边形定位孔对准粉喷桩中心，检查固定支座(2)；

(9)根据现场条件选择手动操作系统(5)、电脑远程操作系统(15)和二维码远程操作系统(13)中的一种操作系统来控制推杆电机(8)和定位锁紧装置(3)对雪花型混凝土钢板桩(a)进行定位；

(10)在预制的雪花型混凝土钢板桩的混凝土养护完成后，混凝土的强度达到设计强度时进行起吊定位，调整桩机位置，使雪花型混凝土钢板桩在铅垂状态下，桩尖对准粉喷桩桩位中心；

(11)推动推杆电机(8)，保证每个定位锁紧装置(3)中的推杆电机(8)等速运行，推杆电机(8)移动使定位锁紧装置(3)夹紧雪花型混凝土钢板桩腹板部分，检查夹持位置；

(12)当雪花型混凝土钢板桩的桩尖插入粉喷桩后，压紧雪花型混凝土钢板桩；

(13)将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩，在压桩过程中对雪花型混凝土钢板桩的桩身垂直度和偏移度进行控制；在雪花型混凝土钢板桩通过粉喷桩时，或者由软弱土层进入坚硬土层时放慢压桩速度；

(14)将雪花型混凝土钢板桩压入粉喷桩后，移除施工设备(Ⅱ)，通过法兰将桩帽与雪花型混凝土钢板桩桩身连接。

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