CN1386936A - 一种嵌岩组合桩及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌岩组合桩及其施工方法,用预制钢筋砼管或其它桩加附加钢筋作为土层中的承载构件,用钢筋或钢构件加附加钢筋或预制钢筋砼构件置入较深的预钻岩孔内,再施以现场灌浆材料形成的组合桩,其中一组钢筋贯通并浇固于上述构件的内部以承受压力或拉力,并改善桩段之间的连续性,位于岩孔内的桩体依靠和岩孔侧壁的黏结力把上面传来的荷载均匀地扩散到岩层深处。由于桩的支承面积比先有技术的纯端承式桩大幅增加,其灌浆材料与岩石的结合力又远远大于现有技术的纯摩擦桩与土壤之间的摩擦力,因而大大提高了整桩的承载力。由于整桩所有构件都能工业化大量生产,故能简化设计、方便施工、降低成本。

Description

一种嵌岩组合桩及其施工方法

技术领域

本发明涉及作为建筑物深基础的桩，尤其是一种依靠灌浆材料与预制桩、岩孔内壁的黏结力，把荷载沿竖直方向逐渐扩散到持力岩层的组合桩及其施工方法。

背景技术

建筑物基础采用的预制桩，一向都是用打桩机把一节节预制钢筋砼桩或型钢桩在现场逐一连接，挤土打入设计深度，依靠桩身与周围土的摩擦力及桩底持力层的承载力来支承桩头荷载，例如美国专利US 4,199,277。这样做的缺点：一是施工噪音大、振动剧烈，二是桩身在打桩锤猛烈、连续的撞击之下容易受到严重破坏或强度减弱，三是挤土打入桩的穿透硬土层的能力差，当基础的部分桩不得不坐落在局部夹硬土石层上时，容易导致建筑物的不均匀沉降、倾斜，四是持力层越深，需要的桩锤能量越大，给打桩机械的制作带来严重困难。

近期开始应用的钻孔嵌岩技术，是采用钻孔机从地面钻孔穿过土层及或碎石层，然后按设计要求钻入岩层一定深度，把H型钢桩插入孔底，灌浆浇固，形成非挤土桩。其承载机理与本发明其中一个桩型相似，即通过灌浆材料与型钢桩、岩孔壁之间的黏结力把桩荷载向持力层深处逐渐扩散。其构造特点是整支桩全部采用H型钢，成桩后型钢被灌浆材料包围住，以减低型钢锈蚀作用。采用此种施工方法，可避免上述打入式施工方法的各种弊端。但是这种纯型钢嵌岩桩仍然存有以下缺点：

1.由于H型钢断面积小，单位面积的承载力相对砼桩为高，从而要求桩段之间的对接焊缝需有严格的质量要求，以保证桩荷载的顺利传递，因此大幅提升施工技术的难度和检测的频率。施工成本也相应提高。

2.作为保护层的灌浆材料，硬化之前可能要面对松散的土层和地下水，其内并无设置钢筋骨架，因此施工质量容易受临时护筒拔管速度、土质及地下水流动的影响而产生颈缩、空洞及泥沙夹层等质量问题。甚至被桩间土固结下沉时的下拽力扯裂而失去保护作用。

在某些组合桩的设计中，虽然也包括预制桩和现浇砼部分，但其承载机理仍然与传统的钻孔灌注桩相同，即依靠桩底与岩石接触水平面的局部乘压来传递荷载，典型的端乘桩，只是桩身部分改换成预制砼桩而已，见特开平-127054，始终难以避免沉渣对成桩质量的影响。因为通常砼的强度大于岩石，所以若要发挥桩身的全部承载力，就必须扩底，而扩底所使用的机械成本高昂，操作技术要求高，且容易发生卡钻事故，实际扩底尺寸也难以控制。由于没有钢筋直伸到岩石面，预制桩部分的定位也就十分困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题的是要消除先有技术中的种种缺点，提供一种嵌岩组合桩及其施工方法，以实现成本低、适用范围广、桩身强度高、刚度大、寿命长、施工污染小、施工工期短及成桩质量可靠的效果。

1.构造及施工方法

1.1按照设计要求的桩身、岩孔直径、倾斜角度，分别在土层和岩石中钻孔，直到桩底设计标高，清孔。

1.2组合桩逐段放入钻孔内，每段之间采用焊接或高粘结力材料驳接，扶正、定位，必要时再清孔。

1.3按照设计要求在桩管中放置钢筋笼至桩底，然后用灌浆材料通过灌浆管灌浆，直至灌浆材料顶面高出设计桩头标高为止，必要时可在灌浆材料内配入外加剂，以达到早凝、早强等效果。

1.4待桩管内的灌浆材料硬化及达到一定强度后，切掉桩顶设计标高之上多余的桩身及超浇的灌浆材料，最后形成岩孔内为型钢或钢筋笼及土层中为预制砼管(包括预制预应力钢筋砼管，下同)桩及内配钢筋的嵌岩组合桩。

2.本发明的优点

2.1利用本发明方法成型的嵌岩组合桩，其最大优点是穿越土层的预制砼管桩(以下简称管桩)或其它类型、其它材料的预制桩可以一物两用地既充当主要受荷构件，又扮演临时、永久护筒的角色。因为管桩为预制构件(甚至为预应力构件)，桩身密实且安装前已达到设计强度，所以绝对不会出现上述现有技术所产生的质量问题，而且灌浆材料用量明显减少，临时护筒拔管速度明显提高。

2.2嵌入岩石部分的桩体，可以是预制的钢筋组件、预制的钢筋砼构件，也可以是型钢或特制钢构件，它们除可以满足本身强度要求外，还尽可能地增加了与灌浆材料之间的黏结面积，提供最大的承载力。采用与预制砼桩之间相同的连接方法，构造简单，传力直接，质量可靠。当它们与穿越桩管内的钢筋连在一起时，又可承受强大的拉力，变成一支粗壮的锚杆。

2.3普通钻机已可使“打桩”深度轻易达到60M或更深的岩层，穿越土层时不再受坚硬土层甚至石层的影响。可使备料计算准确，减少损耗。

2.4灌浆工序是在几乎密封的桩管、岩孔内进行，受外界影响机会很小，所以灌浆材料可以当作桩身的一部分，桩身强度、刚度借此得以提高。

3.组合桩的类型

本发明的组合桩按岩孔内的桩身构造及材料的不同，可以分成四种不同的桩型，岩孔以外的桩身构造主要是由预制砼管桩或其它不同形状的、不同材料的空心或实心桩，其内设置钢筋笼及灌浆材料组合而成：

类型一：岩孔直径大于或等于预制砼管桩外径，可以在岩孔内设置内外多层钢筋笼以发挥岩石面之上的组合桩或其它桩的全部承载力。因为钻孔费用昂贵，人们总想在较浅的钻孔内设计出最大的承载力，以节省打桩的费用。外钢筋笼与预制砼管桩的连接，采用焊接法兰盘方法。

凭借填充材料与较大的钢筋、岩孔表面积之间的可靠粘结而使钻岩深度相对比较浅。在桩数多或嵌岩深度以模数变化的大型桩基工程中可以明显地缩短工期有较好的经济效益及质量保证。

类型二：岩孔直径大于或等于预制砼管桩内径，仅在管桩内设置钢筋笼，并向下延伸到孔底，以便采用小型钻岩机成孔，构造最简单。当在岩孔内设置特种高强钢筋伸入到预制砼管桩时，同样可以发挥岩石面之上的组合桩的全部承载力，此时钻岩深度因岩孔直径小而相对比较深。

在水平力、长细比控制或以小型钻岩机为主的桩基工程(如挡土墙、码头桥梁及某些构筑物的基础)，此类桩型可以发挥刚性较大的优势，有较好的经济效益及质量保证。

类型三：岩孔直径大于或等于预制砼管桩外直径，以便在岩孔内设置型钢或特制钢构件及内钢筋笼，以发挥岩石面之上的组合桩或其它桩的全部承载力，钻岩深度因岩孔直径大而相对比较浅。型钢构件与预制砼管桩或其它桩的连接采用法兰盘的焊接或黏结方法。

由于型钢或特制钢构件可以在现场制作、切割、焊接，不论桩数多少或嵌岩深度变化多端的桩基工程中都有较好的经济效益及质量保证。

类型四：岩孔直径大于或等于预制砼管桩或其它桩的外径，以便在岩孔内设置预制钢筋砼(包括预应力预制钢筋砼构件，下同)厚壁或实心桩，减少钢材及灌浆材料的用量，当预制设备完善、工艺成熟时，可以在此类预制件的外表面制作凹凸花纹，以增加其与灌浆材料的黏结面积或机械咬合力。其与预制管桩或其它桩的连接，采用法兰盘的焊接或黏结方法。

由于预制钢筋砼构件可以工业化生产，质量可靠，价格相对便宜，所以用于桩数多或嵌岩深度以模数变化的大型桩基工程中，可以明显地缩短工期有较好的经济效益及质量保证。

4.组合桩的主要施工步骤

4.1桩孔定位，钻孔机就位；

4.2按照设计桩型、桩径、桩深、倾斜角度、方向进行第一阶段钻孔至所要求等级的岩石表面，并将临时钢护筒平稳地坐落于岩石表面(如果使用临时钢护筒的话)；

4.3岩石钻孔及预制砼管桩或其它桩的安装

4.3.1若采用本发明桩类型一、三或四，则转用与第一阶段钻孔直径数量级匹配的钻岩专用钻头继续凿岩至设计要求的岩孔深度，清底。按设计图纸要求，把桩底连有预制钢筋笼、钢构件或钢筋砼构件的预制砼管桩或其它桩逐节摆入孔内，直至孔底。

4.3.2若采用本发明桩类型二，则先摆放预制砼管桩或其它桩至岩石面，扶直，固定，然后选用与预制砼管桩或其它桩内孔直径数量级匹配的钻岩专用钻头继续凿岩至设计要求的岩孔深度，清底。

4.4按图纸设计要求，把附有灌浆管、试验感应器等设备的内钢筋笼穿过预制砼管桩摆入至桩底。

4.5从桩底开始灌浆。灌浆管的出口必须低于灌浆顶面一定深度。灌浆结束时灌浆顶面必须超过桩顶设计标高最少300毫米，以保证桩头的灌浆质量符合设计要求。

4.6临时钢护筒(若采用的话)的抽出，必须小心避免伤及桩身外面可能包裹的桩土分隔材料或沥青涂料。

4.7当灌浆材料硬化达到某一要求强度时，切掉设计桩顶标高以上的预制砼管桩及其中的灌浆部分，按照设计图纸规定的最小锚固长度L保留内钢筋笼露出桩顶的长度。

5.本发明的应用范围

除预制桩管部分主张工厂化生产外，其它构件既可现场制作又可工厂化生产，质量、产量都有确实保障；所有桩身构件都是现有技术所采用过的普通建筑材料组成，但是经过本发明的重新设计、组合，其各项力学特性都好过组合之前的桩型。在设计、施工及检验方面都比现有技术更方便、更精确、更容易满足当地规范，通过调整桩身各部分的尺寸及配筋就可以方便地改变桩的承载力及造价，以满足不同的设计要求。所以，不论工程规模大小，施工环境如何变化，只要现有技术可以应用的地方，本发明几乎都可以被采用。

因为采用预制砼管桩甚至预应力预制砼管桩，其价格承载力的比值与纯型钢类型的桩比较，有很大的折让，许多地区都有合格的生产厂家，资源丰富，可以就地取材，适合国情，因此有很好的经济效益、质量保证及发展前景。

附图说明

图1是本发明桩型一的成桩全貌立面图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3A是图1中在桩身I-I向剖视图

图3B是图1中在桩身II-II向剖视图

图4是本发明桩型二的成桩全貌立面图；

图5A是图4中III-III向剖视图；

图5B是图4中IV-IV向剖视图

图6是本发明桩型三的成桩全貌立面图；

图7是图6中B处局部放大图；

图8A是图6中VI-VI向剖视图；

图8B是图6中VII-VII向剖视图；

图8C是图6中V-V向剖视图；

图9是本发明桩型四的成桩全貌立面图；

图10A是图9中C处一种管状预制构件的局部放大图；

图10B是图9中C处一种实心预制构件的局部放大图；

图11A是图9中VIII-VIII向剖视图；

图11B是图9中IX-IX向剖视图；

图11C是图9中X-X向剖视图；

图12是本发明全部桩型采用的内钢筋笼分隔、固定构件放大示意图

图12A是图12中XI-XI向剖视图。

具体实施方式

在图1和图2中显示了本发明的第一实施例即类型一的详细内部结构。在图1中，桩身设置在土层100和岩石层200之中，根据桩身设计要求，相应设置岩石顶面标高H1、桩承台底标高H2、桩头设计标高H4和建面地面标高H4，以及桩承台18、垫层20和锚固长度L。砼管1的下端有端板2，端板2下面是钢筋笼端板3，贯通桩身全长的多根主钢筋4，只布置在岩孔内的多根钢筋5，在图1、图2、图3中可以看到主钢筋4的分布圆较钢筋5的分布圆为小。分隔件7在主钢筋4之间起到分隔作用。岩孔8在图1中大于砼管1的外径。多根钢筋5的上端利用对焊或角焊D2和钢筋笼端板3连接，在多根钢筋5所形成的圆周上设有箍筋6，因此端板3、钢筋5和箍筋6构成笼状，统称为钢筋笼。

在图12和图12A中，本发明设置专用分隔件7，用来分隔现有技术没有的、贯通桩身全长的、把桩身两部份有机地结合在一起的主钢筋4。分隔件7主要是由一个钢圆环9和在环身外侧径向地焊上多个钢柱做的定位筋10而成。在图12中所示的主钢筋是6根，但实际使用时因为砼管内径和主钢筋外径的不同而会少于或多于6根，甚至采用多层钢筋笼。如图12所示的主钢筋4正好嵌在两个定位筋10之间，必要时可以通过对焊或者角焊D2把主钢筋4焊牢在定位筋10上。在桩身的长度方向上最好每隔两米左右设置一个分隔件7。灌浆用的灌浆管21(见图10A)就是从上而下地一路穿过该些钢圆环9的内孔直至岩孔底部。

图3A和图3B是图2中的岩孔8入桩灌浆后桩身两个不同部位的截面图，请同时参阅图1的灌浆后的全貌剖视图以便更清楚该两个断面的取向。断面II-II是取自岩层200向下看的，可以看到分布圆较小的6根主钢筋1和分布圆较大的13根钢筋5和捆扎钢筋5的箍筋6。箍筋6的作用和分隔件7是一样的，就是把钢筋保持在一定的位置，所以在桩身的长度方向也是每隔两米设置一个。箍筋6可以是圆环形箍筋或螺旋形箍筋。断面I-I是取自土层100向上看的，所以只看到主钢筋4、分隔件7、灌浆材料12和砼管1。

图4是本发明的第二实施例，即类型二的灌浆后桩的全貌剖视图，除桩身设计与图1一致外，可以明显地看出砼管1内的钢筋砼芯自始至终都是同一直径。在图4中，岩孔8直径大于或等于砼管1的内径。本类型场合的承荷部位主要是靠岩孔侧壁而不是靠岩孔底部。主钢筋4必要时可采用特高强钢筋。浇灌沙浆的灌浆管21在图中也未示出。

图5A和图5B是图4中桩身两个不同部位的断面图。两个断面的主要差别在于岩石层200断面中的灌浆材料12黏接主钢筋4和岩孔8的内壁，泥层中的灌浆材料12黏接主钢筋4和砼管1的内壁。因此，桩身上端的轴向负荷主要是由砼管1和灌浆材料12和主钢筋4传至岩孔内的灌浆材料12和主钢筋4再传至岩孔内壁的。此外，可能用到桩身分隔填充材料300。

图7是本发明的第三实施例，类型三的剖视图，与图2不同之处是用型钢5’取代了图1中的钢筋5和箍筋6。由于型钢构件可以在现场切割、焊接，不论桩数多少或嵌岩深度变化多端的桩基工程中都有较好的经济效益及质量保证，所以在本发明中作为一个较佳实施例介绍。型钢5’的上端附加强板13焊在端板3上以配合上下构件不同断面形状顺利过渡。

图8A、图8B和图8A是图6中桩身不同部位的三个断面图。请同时参阅灌浆后的全貌图(图6)以便更清楚该三个断面的取向。断面VI-VI是通过加强板13的向上看的断面，以显示型钢5’和加强板13的横截面及其焊接情况。也用虚线圆表示出砼管1的内径和外径以便再次显示岩孔8大于砼管1的外径。虽然在这里用了工字钢举例，但本发明并不限于工字钢，任何截面的型钢或特制钢构件都可以用的。断面VII-VII是在加强板13下面取的并且是向下看的，所以只看见被截断的主钢筋4和型钢5’。断面V-V是在泥层中截取向上看的，所以和图13A和图3B中的断面I-I完全一样。

图9、图10A和图10B是本发明第四实施例，类型四的示意图。由于放在岩孔8中的预制钢筋砼桩可以是管状的(见图10A)，也可以是实心的(见图10B)也可以是上管下实混合式的(见图9)，所以可以按具体的情况选用。但不论何种形式，为了保证本发明的灌浆的下料管口自始至终都低于填充材料顶面这个原则，所以都要预先埋置岩孔灌浆管21。实际上本发明的任何实施例的灌浆口(尤其在水下施工时)都应该从岩孔底部向上浇灌，即所谓的“上推”法。图10A和图10B中的预制钢筋砼构件11埋在岩孔中。

图11是在图9灌浆后桩身全貌图上取的三个断面图，分别显示整桩各段的结构。图9更清楚地显示了本发明第四实施例岩孔8中预制桩的外形是一个尖端向下的锥体(柱体)，桩身的向下虚位移使负载传向四周的岩孔壁。而现有技术(如，特开平-127054)中的该锥体是尖端向上的，桩身的虚位移使负载只能由桩端下方的面积来承担，岩孔侧壁受不到任何压力。这正好说明本发明和

现有技术的原则差别。

本发明的施工方法中钻孔的清渣最好使用砂泵、空气吸泥或其它可靠的方式，以保证岩孔各部份和灌浆之间的黏结。

通过上面的详细介绍，可以知道本发明相比于先有技术具有较实用的优越性，本发明的集优嵌岩组合桩的设计承载力主要取决于：

1.预制(预应力)砼管桩或其它桩的理论承载值；

2.置入预制(预应力)砼管桩或其它桩内的钢筋和填充材料的强度；

3.岩孔内的钢筋笼/型钢的承载力；

4.填充材料与预制(预应力)砼管桩或其它桩内壁的黏结力；

5.填充材料与钢筋笼的黏结力；

6.填充材料与岩孔内壁之间的黏结力；

7.若为受拉桩，桩段之间的连接强度；

8.整个组合桩的长细比。

由此可见，本发明所考虑利用的因素比现有技术多，这才能使承载力比现有技术有所提高。

Claims (12)

1.一种嵌岩组合桩，由土层中的预制砼管和岩层中不同类型的预制构件经过现场内置钢筋、灌浆组成，其特征为，该土层中的该砼管桩或其它桩和该岩层中的该预制构件都由同一组贯穿整桩内心可以承受拉力和压力的钢筋组件所连接，整桩在土层部份由该砼管及其内部的钢筋、灌浆材料共同传递荷载及抵抗泥层中的地下水、气等的侵蚀，整桩在岩层部份由该预制构件主要以灌浆材料和岩孔侧壁的粘结力承受该砼管组合构件传来的轴向力。

2.如权利要求1中所述的组合桩，其特征在于，该岩层中的该现场浇灌构件由焊在和该砼管桩或其它桩的端板相连接的钢筋笼端板分布圆上的钢筋笼和位于其中心的该贯通整桩内心的该多根钢筋组件灌浆而成。

3.如权利要求1中所述的组合桩，其特征在于，该岩层中的该现场浇灌构件由该贯通整桩内心的该多根钢筋组件灌浆而成。

4.如权利要求1中所述的组合桩，其特征在于，该岩层中的该现场浇灌构件由焊在和该砼管端板相连接的型钢端板上的型钢和位于其中心的该贯通整桩内心的该多根钢筋组件灌浆而成。

5.如权利要求1中所述的组合桩，其特征在于，该岩层中的该现场浇灌构件由特制的厚壁或实心钢筋砼构件灌浆而成。

6.如权利要求1、2、3、4或5中所述的组合桩，其特征在于，该贯通整桩内心的钢筋组件在长度方向上每隔一定的距离由钢圆环和多根钢柱组成的或类似的传统构件分隔件定位和分隔。

7.如权利要求1、2、3、4或5中所述的组合桩，其特征在于，钢筋和钢筋之间的连接可以采用螺栓连接或用普通搭接方法来代替焊接。

8.如权利要求1、2、3、4或5中所述的组合桩，其特征为，各桩段之间的连接可采用高黏结力材料方法来代替焊接。

9.一种预钻孔嵌岩组合桩的施工方法，其特征在于：包括下列步骤：

第一步，首先用成孔机械在地表钻孔至持力岩层顶面；

第二步，按照桩型要求改用专门钻岩机械沿原孔在岩石内钻孔，其中对于桩类型二，则先逐节摆入预制砼管桩或其它桩，然后沿桩管内径在岩石内钻孔，至桩底设计标高；

第三步，对于桩类型一、三及四逐节摆入预制砼管桩或其它桩，桩类型一或三桩身下段为钢筋笼或型钢，桩型四桩身下端为预制钢筋砼构件；

第四步，按照设计要求，在预制砼管桩或其它桩内放入内钢筋笼至桩底；

第五步，在预制砼管桩或其它桩、岩孔内灌入配置好的填充材料；

第六步，待填充材料达到合适强度时，切掉桩顶设计标高以上的砼管桩及填充材料，内钢筋笼伸出桩顶的长度按照设计要求。

10.如权利要求9中所述的预钻孔嵌岩组合桩的施工方法，其特征在于，该填充材料在水下施工时是采用“上推”方法施工，即下料管管口自始至终必须低于填充材料顶面。

11.如权利要求9中所述的预钻孔嵌岩组合桩的施工方法，其特征在于，该钻孔的清渣宜采用砂泵、空气吸泥或其它可靠方式。

12.如权利要求9中所述的预钻孔嵌岩组合桩的施工方法，其特征在于，设计组合桩的承载力主要取决于：

预制砼管桩或其它桩的理论承载值；

置入预制砼管桩或其它桩内的钢筋和填充材料的强度；

岩孔内的钢筋笼/型钢的承载力；

填充材料与预制砼管桩或其它桩内壁的黏结力；

填充材料与钢筋笼的黏结力；

填充材料与岩孔内壁之间的黏结力；

若为受拉桩，桩段之间的连接强度；

整个组合桩的长细比。

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