CN114197453B - 一种采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是按设计桩径预制一高强混凝土桩头，在钻孔成孔后，将高强混凝土桩头安装在钢筋笼端部，随钢筋笼吊装沿钻孔放置到孔底，并利用高强混凝土桩头对孔底沉渣进行挤压切入，使高强混凝土桩头与持力土层紧密接触；所述高强混凝土桩头内部配置钢筋骨架，并设有钢筋连接器，通过钢筋连接器与桩身钢筋笼连接为整体。解决了钻孔灌注桩沉渣控制问题，有效保证灌注桩的承载性能；简化施工过程中沉渣控制措施，使得施工更为快捷，造价更低，适用范围广。

Description

一种采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩
技术领域
本发明涉及建筑工程技术，尤其是一种采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩。
背景技术
沉管灌注桩是土木建筑工程中众多类型桩基础中的一种。它采用与桩的设计尺寸相适应的钢管(即套管)，在端部套上桩尖沉入土中后，在套管内吊放钢筋骨架，然后边浇筑混凝土边振动或锤击拔管，利用拔管时的振动捣实混凝土而形成所需要的灌注桩。这种施工方法适用于在有地下水、流砂、淤泥的情况。。但这种传统工艺由于振动、锤击噪音大，造成很大的声污染，以及挤土效应对周边环境或建筑的影响，因此现在很少再用这种振动沉管灌注桩。
而钻孔(挖孔、冲孔)灌注桩已成为基础结构中常用的一种桩基形式，从软土地区低矮建筑到有良好地基土层的超高层建筑，钻孔灌注桩都可以作为一种合适的桩基，通过直径、桩长的变化提供各种符合要求的承载力，支撑起主体建筑。在这种钻孔灌注桩施工方法中，除了材料性能的保证，一个很重要的质量控制因素在于桩底端沉渣的控制。钻孔机械在钻成孔过程中会切削孔的侧壁和底部(岩)土层产生渣土，大部分渣土在钻进成孔过程中被运出地面，但仍会有一些渣土沉积在孔底部。此外，在地下水位较高的地质中，孔壁往往需要有一定稠度的泥浆进行护壁，以防止钻进过程中孔壁坍塌，在钻孔完毕下放钢筋笼以及下放导管浇筑混凝土的过程中，泥浆都会随着施工时间的持续而产生一定程度的沉积，在孔底形成沉渣。上述孔底沉渣达到一定厚度(通常50mm为上限)，就会对灌注桩端部的承载能力产生不利影响，明显降低桩的承载能力，并使得桩在承担上部建筑荷重的时候产生过大变形，影响建筑物的安全性。
因此，灌注桩在施工过程中，会采取措施对孔底沉渣进行多次清孔，如采用各种专用的清孔装置或者清孔工艺，并在混凝土浇筑时，利用第一斗混凝土的下冲尽可能减小沉渣厚度，进一步还会利用桩端后注浆的方式利用水泥浆对孔底沉渣进行加强。
然而，通过工程现场对已经施工完毕的灌注桩进行的取芯检测表明，尽管有上述各种控制沉渣措施的采用，灌注桩底端仍有很大可能存在明显厚度的松软沉渣层，如图5所示，这种不利情况尤其容易在软土地质深长钻孔灌注桩、持力层为泥质岩层的嵌岩灌注桩基础中出现，探究其原因，在于几个方面：一是深长桩成孔后吊放钢筋笼以及准备混凝土浇筑的时间长，容易导致较厚的泥浆沉积；二是桩端持力层为水下泥质岩石时，钻孔切削的泥质碎渣有较强的胶结能力，形成泥状块体，不容易被清孔排出；三是后续的混凝土冲击以及桩端注浆对松散的颗粒沉渣有较好处理效果，但对胶泥状沉渣失去作用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，它具有高强混凝土桩头，通过挤压切入方式减少桩底面沉渣量，使桩头与持力层紧密接触，提高桩底端承载性能等特点。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是按设计桩径制备一高强混凝土预制桩头，在钻孔成孔后，将高强混凝土预制桩头安装在钢筋笼端部，随钢筋笼吊装沿钻孔放置到孔底，并利用高强混凝土预制桩头对孔底沉渣进行挤压切入，使高强混凝土预制桩头与持力(岩)土层紧密接触；所述高强混凝土预制桩头内部配置钢筋骨架，并设有钢筋连接器，通过钢筋连接器与桩身钢筋笼连接为整体。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，高强混凝土预制桩头整体呈上大下小的圆锥台形状，其直径与灌注桩设计桩径相等；高强混凝土预制桩头底部形状与灌注桩钻孔机械的钻头形状相一致。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，所述高强混凝土预制桩头的顶面呈中间高、四周低的弧面结构。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，所述高强混凝土预制桩头顶部具有一段圆柱体高度，该高度段与钢筋连接器埋置要求以及桩径相适配。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，所述高强混凝土预制桩头内设置若干均匀布置并竖向贯通的预留竖孔。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，所述预留竖孔留设的面积不大于桩头投影面积的5％。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，所述钢筋连接器与桩身钢筋笼的桩身纵筋连接为一体，两者通过螺纹连接。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，当桩身钢筋笼的桩身纵筋数量大于钢筋连接器数量时，则部分桩身纵筋与钢筋连接器连接，剩余桩身纵筋顶住高强混凝土预制桩头顶面。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，钻孔灌注桩在完成钻孔以及第一次清孔后，吊装放下连接好高强混凝土预制桩头的钢筋笼，当高强混凝土预制桩头下放至钻成孔孔底遇阻时，通过深度尺寸监测与成孔时标高进行复核，并考虑钻头与高强混凝土预制桩头尺寸因素，准确评估高强混凝土预制桩头底面的沉渣分布及厚度；根据所得数据采取钢筋笼上端加压或通过后续混凝土浇筑的重量进一步减小沉渣厚度。
前述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩中，作为优选，高强混凝土预制桩头及钢筋笼下放就位后，把混凝土浇筑导管放到高强混凝土预制桩头顶面，利用导管进行二次清孔；二次清孔后进行混凝土的浇筑。
本技术方案主要针对目前常用的钻孔灌注桩，或冲孔、旋挖等成孔工艺，对成桩过程中孔底沉渣处理进行研究。设计了一种与灌注桩钻孔机械钻头形状相一致的高强混凝土预制桩头，对成孔后经清孔还剩留的沉渣以及安放钢筋笼过程中脱落的沉渣，利用高强混凝土预制桩头进行挤压切入，使孔底沉渣被挤入高强混凝土预制桩头预留孔洞内或桩头周边空隙内，从而保证了高强混凝土预制桩头与持力(岩)土层的紧贴。进一步，预制桩头与钢筋笼同时下放就位，使得安放混凝土导管过程中新沉积的沉渣被隔绝在预制桩头的上表面，不再出现常规钻孔灌注桩那样沉积到孔底累计增加孔底沉渣厚度的情况，对利用混凝土导管进行二次清孔减少沉渣非常有利，从而减小施工过程中的沉渣堆积效应，提升清孔减渣效果。
高强混凝土预制桩头采用高标号混凝土浇筑，内部配置钢筋骨架形成一个高强度实体，通过常规分析设计，可以保证在预留竖向贯通的洞口同时，桩头仍具有足够的抗压承载力，满足桩基底部承载要求。桩头顶面设有钢筋连接器，可以与桩身钢筋笼连接为整体，方便工地连接操作，吊装下放。
本高强混凝土预制桩头(简称桩头，下同)除了底部形状与灌注桩钻孔机械钻头形状相一致之外，整体为圆锥台的形状，直径与灌注桩桩身设计直径相同，以保证桩头底面与钻成孔的孔底面尽可能地形状接近，相互吻合。而桩头顶面呈中间高四周低的微弧状。在二次清孔后进行混凝土浇筑时，当第一斗混凝土冲击桩头时，桩头顶面可能残存的少量沉渣将顺着桩头顶部的圆弧面被冲到桩头四周，与混凝土水泥浆液混合后落在预制桩头和钻孔的侧面间隙内，由此很好地保证了桩头范围内混凝土无夹渣，从而实现良好的灌注质量。
本方案中的桩头在制作时，其外轮廓直径可以精确按照设计桩径确定，而钻成孔的直径往往因为钻头的旋转存在一定的偏大，因此，在桩头下放到位后，桩头周边与成孔周边会存在少量空隙，这个空隙恰巧可以为混凝土灌注时桩头顶面冲落的沉渣和水泥浆液混合物提供沉积空间，由此也更好地保证了桩头范围内的混凝土灌注质量。
进一步，本桩头内设置若干竖向贯通的孔洞，一方面减小下放过程中的水压阻力，另一方面便于桩头切入孔底沉渣内。由于开洞对桩头本身承载力存在削弱现象，因此可通过桩头配筋以及采用比桩身混凝土更高标号的混凝土制作进行补偿。
再进一步，本方案可以按标准化设定桩头基本数据，以实现良好的通用性和互换性，如桩头中的钢筋连接器数量可以根据桩头直径设定为标准规格，以便标准化批量预制。当桩身钢筋笼纵筋数量与钢筋连接器数量不等时，可以通过部分纵筋连接方式，以便于相同直径但不同配筋的灌注桩采用相同规格的桩头，有利于工厂加工及现场施工。
本发明的有益效果是：
1.通过简便的方式解决了钻孔灌注桩沉渣控制问题，在基本不增加材料用量的前提下大大提高了钻孔灌注桩的成桩质量，有效保证灌注桩的承载性能；高强混凝土预制桩头的引入使用，可以减少为了控制沉渣而采取的桩端二次注浆环节，简化施工过程中沉渣控制措施，使得施工更为快捷，造价更低。
2.高强混凝土预制桩头可以按直径规格标准化在工厂定制，进一步结合钻孔机械钻头形式进行规格、形状统一，实现大规模批量生产，符合工业化、装配式建筑政策；桩头采用高强混凝土，相比于普通灌注桩水下灌注的混凝土，具备更好的承载可靠性。
3.适用范围广，本方案不仅限于钻孔成孔的灌注桩，同样适用于冲击成孔、旋挖成孔的灌注桩。
附图说明
图1是本发明的一种使用状态结构示意图。
图2是图1的A-A向结构示意图。
图3是本发明的一种高强混凝土预制桩头结构示意图。
图4是图3的俯视图。
图5是现有常规灌注桩竖向剖面结构示意图。
图中：1.灌注桩成孔孔壁，2.桩身纵筋，3.桩身箍筋，4.高强混凝土预制桩头，401.桩头型底，402.桩头型顶，5.桩端沉渣，6.持力(岩)土层，7.上部土层，8.预留竖孔，9.钢筋连接器。
D1.钻孔孔径，D2.设计桩径。
具体实施方式
下面通过实施例，并通过附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本实施例一种采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，参见图1，按设计桩径D2预制一件高强混凝土预制桩头4，将高强混凝土预制桩头4沿孔径D1的钻孔放置到孔底，图中钻孔孔径D1形成的孔壁即为灌注桩成孔孔壁1。利用高强混凝土预制桩头4对孔底沉渣(也就是现有常规灌注桩中的桩端沉渣5)进行挤压切入，使高强混凝土预制桩头4与持力(岩)土层6紧密接触。
高强混凝土预制桩头4结构如图2至图4所示，整体结构呈上大下小的圆锥台形状，其直径与灌注桩设计桩径D2相等。高强混凝土预制桩头4底部与灌注桩钻孔机械的钻头相一致，以一种桩头型底401的结构存在。内部配置钢筋骨架，并在同一圆周上设有12个钢筋连接器9，通过钢筋连接器9与桩身钢筋笼连接为整体。具体地是钢筋连接器9与桩身钢筋笼的桩身纵筋2连接为一体，两者通过螺纹连接。当桩身钢筋笼的桩身纵筋2数量大于钢筋连接器9数量，则部分桩身纵筋2与钢筋连接器连接，一般以间隔或均匀分布为准，剩余桩身纵筋2顶住高强混凝土预制桩头4顶面。
高强混凝土预制桩头4的顶面呈中间高、四周低的弧面结构，形成桩头型顶402，且顶部具有一段圆柱体高度，该高度段根据预留钢筋连接器9埋置要求、结合桩径确定，可取250～400mm。高强混凝土预制桩头4内设置4条竖向贯通的预留竖孔8，4条预留竖孔8以桩头中心对称及均匀分布。预留竖孔8留设的面积不大于桩头投影面积的5％。
钻孔灌注桩按照传统方法在完成钻孔以及第一次清孔后，吊装放下连接好高强混凝土预制桩头4的钢筋笼，钢筋笼接长以及下放过程均按照传统方法。当高强混凝土预制桩头4下放至钻成孔孔底遇阻时，可通过深度尺寸监测与成孔时标高进行复核，并考虑钻头与桩头尺寸因素，更准确评估高强混凝土预制桩头4底面的沉渣厚度及分布情况。一般情况下，圆锥形结构的桩头在上部钢筋笼重量作用下，借助桩头开洞，会更容易挤压切入底面沉渣内，使得桩头底面与持力(岩)土层6更紧密相接。如测算发现桩头底面仍存在一定厚度沉渣，可采取钢筋笼上端加压的措施，挤压底部沉渣，减小厚度。当然，这一个挤压措施也可以通过后续混凝土浇筑的重量来自动实现。
高强混凝土预制桩头4及钢筋笼下放就位后，下放混凝土浇筑导管到桩头顶面，利用导管进行二次清孔。相比于传统的钻孔灌注桩，由于预制的高强混凝土预制桩头4的存在，使得导管下放过程中最新沉积的沉渣被隔离在桩头上表面，没有与底部沉渣融合在一起，因此，利用混凝土浇筑导管进行的二次清孔能够实现更好的清渣效果，可以很好控制预制桩头上表面的沉渣。
随着混凝土浇筑量的增加，高强混凝土预制桩头4在混凝土重量作用下将进一步向下挤压，高强混凝土预制桩头4底面可能残存的沉渣相比于传统灌注桩沉积的沉渣分布更为分散，相应厚度也更小，因而能够更好地挤密，保证了桩身主体混凝土与持力(岩)土层6的紧密接触，使得沉渣问题得以很好地解决。
注：附图中一些常规部件如桩身箍筋3、上部土层7等，在说明中只作参考理解，未作特别解释，在此不作赘述。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明的简单变换后的结构、工艺、方法等均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是按设计桩径制备一高强混凝土预制桩头(4)，在钻孔成孔后，将高强混凝土预制桩头安装在钢筋笼端部，随钢筋笼吊装沿钻孔放置到孔底，并利用高强混凝土预制桩头对孔底沉渣进行挤压切入，使高强混凝土预制桩头与持力(岩)土层(6)紧密接触；所述高强混凝土预制桩头内部配置钢筋骨架，并设有钢筋连接器(9)，通过钢筋连接器与桩身钢筋笼连接为整体；
所述高强混凝土预制桩头(4)整体呈上大下小的圆锥台形状，其直径与灌注桩设计桩径相等；高强混凝土预制桩头底部形状与灌注桩钻孔机械的钻头形状相一致；
所述高强混凝土预制桩头(4)的顶面呈中间高、四周低的弧面结构。
2.根据权利要求1所述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是，所述高强混凝土预制桩头(4)顶部具有一段圆柱体高度，该高度段与钢筋连接器(9)埋置要求以及桩径相适配。
3.根据权利要求1或2所述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是，所述高强混凝土预制桩头(4)内设置若干均匀布置并竖向贯通的预留竖孔(8)。
4.根据权利要求3所述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是，所述预留竖孔(8)留设的面积不大于桩头投影面积的5％。
5.根据权利要求1所述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是，所述钢筋连接器(9)与桩身钢筋笼的桩身纵筋(2)连接为一体，两者通过螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是，当桩身钢筋笼的桩身纵筋(2)数量大于钢筋连接器(9)数量，则部分桩身纵筋与钢筋连接器连接，剩余桩身纵筋顶住高强混凝土预制桩头(4)顶面。
7.根据权利要求1所述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是，钻孔灌注桩在完成钻孔以及第一次清孔后，吊装放下连接好高强混凝土预制桩头(4)的钢筋笼，当高强混凝土预制桩头(4)下放至钻成孔孔底遇阻时，通过深度尺寸监测与成孔时标高进行复核，并考虑钻头与高强混凝土预制桩头(4)尺寸因素，准确评估高强混凝土预制桩头(4)底面的沉渣分布及厚度；根据所得数据可采取钢筋笼上端加压或通过后续混凝土浇筑的重量进一步减小沉渣厚度。
8.根据权利要求1所述的采用预制高强混凝土桩头的钻孔灌注桩，其特征是，高强混凝土预制桩头(4)及钢筋笼下放就位后，把混凝土浇筑导管放到高强混凝土预制桩头顶面，利用导管进行二次清孔；二次清孔后进行混凝土的浇筑。
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