CN1508363A - 钢管板桩沉井基础及其所使用的钢管板桩 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种嵌合接头并按封闭的形状组合若干根钢管板桩而形成的钢管板桩沉井基础。钢管板桩(1)在通过H形钢(4)的系杆构件形成一体的H钢连接型钢管上，设置H钢外螺纹管接头(7)、内螺纹管接头(8)作为接头，其中，H钢(4)使各个钢管(2)在各个钢管(2)的周边与凸缘边缘焊接在一起。H钢外螺纹管接头(7)要稍小一些，以保证它可以嵌入H钢内螺纹管接头(8)的凸缘内侧面与腹板面所围成的空间。此外，根据需要，钢管板桩中H钢(4)的系杆构件，与H钢外螺纹管接头(7)、H钢内螺纹管接头(8)突出的方向成适当的角度，以保证组合成一个封闭形状的整体。

Description

钢管板桩沉井基础及其所使用的钢管板桩

技术领域

本发明是关于建造桥梁基础等工程中所采用的钢管板桩沉井基础及其所使用的钢管板桩。

背景技术

常规挖掘地基时的挡土施工法中一直使用钢板桩。与钢板桩相比，钢管板桩的长度长，截面刚度大。昭和38年(1963年)钢管板桩在日本被首次用于板桩码头。之后，昭和41年(1966年)钢管板桩基础在矿石熔炼炉的基础中被使用，它充分发挥了钢管板桩的特性。

因这种基础形式确保了在深厚支承层的软弱地基中的施工性能而受到好评。昭和44年(1969年)作为桥梁基础，被用于石狩河口桥的基础。钢管板桩基础在水下基础中，开发出临时围堰兼用方式(使临时设置的围堰墙作为主体墙的一种方式)。于是，迄今为止已建设1000个以上的基础。

钢管板桩基础，在施工现场，按照图8所示的圆形(a)、椭圆形(b)、矩形(c)封闭形状，连续对钢管板桩进行打桩，钢管板桩的顶部设置顶板并焊接在一起。这样，不仅保持了每个钢管板桩的刚度，而且也保持了整个沉井的刚度。因此，此基础结构能够获得较大的水平荷载和垂直承载力。下面列举钢管板桩的特征。

1、施工过程中能够进行与钢管桩相同的机械化施工和快速施工。

2、设计时采用沉箱和桩的中间方案。

3、临时围堰兼用施工法。

特征3的临时围堰兼用施工法，是在水下进行桥梁基础的施工时，钢管板桩基础兼用临时围堰墙和基础主体的施工法，与其它的施工法相比，其特征是它的工期可以缩短，钢管板桩的刚度强，保证了施工时极高的安全性。

如图10所示，当钢管板桩沉井基础作为桥墩11的基础时，若干根钢管板桩12组合排列成椭圆形，椭圆形的内部被围成封闭空间，在该椭圆形的内部，从底层开始依次对铺砂13、底板混凝土打桩形成的底板14、顶板混凝土的打桩形成的顶板15进行施工，并向钢管板桩12的内部填充混凝土16。

前述钢管板桩12与钢板桩一样，其目的是构筑连续的挡土墙，钢管上设置接头12a(根据形状可分为P-P型、P-P型、L-T型)的挡土用钢材。图9表示使用最多的P-P型钢管板桩接头的形状。通常情况下，在钢管板桩基础中，需要向临时围堰部分的接头部止水浇灌低强度的砂浆。

当水平方向的外力作用于前述钢管板桩基础时，垂直方向的剪力作用于接头12a的部分。如果该剪力比接头的抗剪强度大，则接头部分的位移变形加剧，钢管板桩基础整体的抗弯刚度也大幅度下降。

作为提高接头本身的抗剪强度的方法，一种方法是在接头构件的圆形钢管的里面设置若干突起，通过该突起的效果，增加圆形钢管和砂浆的粘结强度，从而提高接头的抗剪强度。另一种方法是增大构成接头的圆形钢管的直径，通过增大直径来增加钢管和砂浆的粘结面积，从而提高接头的抗剪强度。此外，还有其它方法，如下述专利文献1中所记载的方法。在作为接头的圆形钢管的里面设置凹凸，同时在圆形钢管中，从向钢管板桩主管进行固定的安装部至缝隙位置，沿圆周方向延伸着的两个圆弧中，圆弧长度稍长的一侧的该圆形钢管的外面与主管外面，用增强构件使它们连接起来。

专利文献1：特开平2000-220135号公报。

通过增加接头12a的剪切刚度及抗剪强度，使板桩产生的应力度降低。增加接头荷载，则水平荷载时的接头位移变形减少，于是钢管板桩基础整体的抗弯刚度增大，水平荷载增加。这些情况已被试验所证实。此外，常规所使用的接头，已无法适用于当今直径增大的钢管板桩基础及软弱地基。

前述专利文献1，与常规的接头进行比较，可得到2.2倍的抗剪强度。这被认为是拱肋粘结面积增加至1.3倍，则砂浆的粘结强度增加至表面1.7倍的原因。换言之，大型钢管接头、里面带突起的接头、网纹钢板接头与常规的钢管接头相比，具有荷载大，这已通过冲剪力试验得以证实。但是，过于拘泥于钢管接头的形状，而没有进行大幅度改良，但凭这些不能说接头12a的强度充分。

此外，前述钢管板桩12有时使用柴油打桩机进行打桩，但打桩中产生的巨大噪音震动成为建设公害。因此，也采用通过螺旋钻机挖掘来降低嵌入阻力，同时，使用油压千斤顶或振动打桩机压入的方法。使用任何一种方法，都是一根一根地安置钢管2。

如上所述，一根一根地把钢管板桩12插入挖掘孔中，并打桩进行围堰施工。这样，不仅非常费事，而且施工时接头12a的部分的插入阻力大，容易发生弯曲，因此很难确保钢管板桩12的垂直精度。

如前所述，首先用螺旋钻机进行挖掘，在挖掘孔内安置钢管板桩1时，如在此螺旋钻机中使用多轴的麻花钻，则可以一次同时形成多个挖掘孔。但是，如前所述，钢管板桩12的配置是一根一根进行的，所以，无法减少施工量。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢管板桩沉井基础及其所使用的钢管板桩，它消除前述原有方式的不便，嵌合接头并按封闭的形状组合若干根钢管板桩而形成的钢管板桩沉井基础中，作为钢管板桩，与常规的钢管板桩相比，增加它整体的强度。这样，密闭空间起到止水的作用，减少了因止水工程导致的水质污染，经济效益也随之增加，达到环保目的。而且，通过提高接头的屈服应力，可以显著提高接头部分的剪应力。

为达成本发明的前述目的，作为钢管板桩沉井基础，首先，嵌合接头构件并按封闭的形状组合若干根钢管板桩而形成的钢管板桩沉井基础中，钢管板桩用H钢的系杆构件形成一体的H钢连接型钢管，H钢是使各个钢管在各个钢管的周边与凸缘边缘焊接在一起。在此钢管上，设置H钢外螺纹管接头、内螺纹管接头作为接头。H钢外螺纹管接头要稍小一些，以保证它可以嵌入H钢内螺纹管接头的凸缘内侧面与腹板面所围成的空间。此外，根据需要，钢管板桩中H钢的系杆构件，与H钢外螺纹管接头、H钢内螺纹管接头突出的方向成适当的角度，以保证组合成一个封闭形状的整体。

第2，其特征在于使H钢的系杆构件的凸缘的长度各不相同，以适当改变H形形状。

钢管板桩沉井基础中所使用的钢管板桩，其特征在于，第1，用H钢系杆构件使各个钢管在各个钢管的周边与凸缘边缘焊接在一起，从而形成一体的H钢连接型钢管，在此钢管上，设置H钢外螺纹管接头、H钢内螺纹管接头作为接头。第2，使H钢的系杆构件的凸缘的长度各不相同，以适当改变H形形状。

根据本发明的第一方面及第三方面，通过使用H钢连接型钢管，从施工性、对环境的影响及水平荷载看，它具有如下作用。

①可以2根同时打桩

②提高施工过程中的垂直精度

③减少止水处理剂

④增加单位长度的抗弯刚度

⑤可以按任意的截面形状闭合

⑥防止土砂流出

①常规所使用的钢管板桩要一根一根进行打桩。而使用H钢连接型钢管板桩，施工之前，使两根钢管桩与H钢焊接起来，因此，可以同时对两根钢管桩进行打桩。这样就可以大大缩短施工时间。举一个施工过程缩短的例子，使用直径、厚度相同的钢管桩的H钢连接型钢管板桩和常规所使用的钢管板桩进行施工时，假定使用常规所使用的钢管板桩时的打桩时间为100％，那么，使用H钢连接型钢管板桩，可减少至49％。

②因常规所使用的钢管板桩要一根一根进行打桩，所以，需要格外的注意并需具备相当的施工经验，才可确保垂直精度。但是，使用H钢连接型钢管板桩，因两根钢管在施工前已被连接在一起，垂直精度提高，所以在钢管板桩及钢管板桩基础的施工过程中，接头管不会发生挤压脱落，于是施工精度得以提高。此外，把首先打桩的H钢连接型钢管板桩的接头作为导向装置，则不仅可以在与之后打桩的H钢连接型钢管板桩的接头进行嵌合的同时进行打桩，还可以进一步提高精度。

③钢管板桩及钢管板桩基础的施工时，向接头管内浇注砂浆或药液，需要进行止水处理。但是，如使用H钢连接型钢管板桩，则无需在H钢的系杆构件上进行止水处理。这样，就可以把止水处理剂的浇注量减半，还可以减少因止水处理剂(砂浆或药液)的流出而导致的水质污染。止水处理剂的注入量可减少至常规所使用钢管板桩的48％。因此，与常规所使用钢管板桩相比，它更具有环保作用。

④常规所使用钢管板桩，因接头部发生位移，无法充分考虑抗弯刚度。而H钢连接型钢管板桩的钢管用H钢的系杆构件连接起来，所以，如果与钢管桩焊接得当，则可充分考虑抗弯刚度。这样，单位长度的抗弯刚度就比常规所使用钢管板桩有所增加。常规所使用钢管板桩的并联方向的单位长度的抗弯刚度为9.47×10⁴(kN·m²/m)、而H钢连接型钢管板桩的并联方向的单位长度的抗弯刚度为1.35×10⁵(kN·m²/m)，增加了43％。因此，能够缩小H钢连接型钢管板桩的钢管直径及厚度，减少钢材料。

此外，因抗弯刚度增加，水平荷载也会有所增加。举一个通过试验进行验证的例子，对图11所示的地基中，打桩长度为500mmH钢连接型钢管板桩与常规所使用钢管板桩的模型，进行离心模型试验。考虑因荷载方向的差异，抗弯刚度也不同，进行两个方向(串联方向，并联方向)的水平荷载。

图11表示模型钢管板桩的元件和试验类型。图12表示位移至钢管直径D的10％，换算为原型值的试验结果。

并联方向荷载时，因抗弯强度大致相等，所以表示相等的水平荷载力。串联方向荷载时，本发明所使用的H钢连接型钢管板桩与常规所使用钢管板桩进行比较，表示大约1.35倍的水平荷载力。常规所使用的钢管板桩接头的位移增大，并沿垂直方向偏离，这样就不能保持在一体行为状态下所算出的抗弯强度。因此，如使用本发明的H钢连接型钢管板桩作为钢管板桩基础，则基础整体的水平荷载要大大高于常规所使用的钢管板桩。

但是，如使用本发明的H钢连接型钢管板桩作为钢管板桩基础，则在接头部分可能发生应力集中。本发明中，即使在接头部分，因使H钢外螺纹管接头和H钢内螺纹管接头嵌入式连接，可以提高刚度，作为钢管板桩联结成矩形等形状(沉井)的模型钢管板桩基础，则可以获得足够的强度。

⑤本发明所使用的H钢连接型钢管板桩，H钢外螺纹管接头嵌入H钢内螺纹管接头的凸缘内侧面与腹板面所围成的空间，而常规所使用的钢管板桩，其接头部分没有焊接自由度，但是使这些H钢外螺纹管接头沿H钢内螺纹管接头的突出方向成适当角度，就可以对任意形状的钢管板桩基础进行施工。

⑥如果港湾建筑物中使用H钢连接型钢管板桩，则长期都不会出现板桩背面的填充地基受波浪等影响而流出渗入湾内的现象。即，可以防止背面地基因土砂流出而塌陷。

根据本发明第二及第四方面，加上前述作用，通过改变作为H钢连接型钢管板桩的中间的接头的H钢的形状(使一根比另一根短)，可得到保持曲率的H钢连接型钢管板桩的单元，通过连接这些单元，就可以按照更光滑的曲率对任意形状的钢管板桩基础施工。这样，不仅可以像常规一样，对任意截面形状的钢管板桩基础进行施工，还可以提高施工精度。

附图说明

图1为本发明的钢管板桩沉井基础的第1实施方式的平面图。

图2为本发明的钢管板桩沉井基础的第2实施方式的平面图。

图3为本发明的钢管板桩沉井基础的第3实施方式的平面图。

图4为本发明中所使用的H钢连接型钢管板桩的1单元的平面图。

图5为第1实施方式中，转角部的H钢连接型钢管板桩的平面图。

图6为第2实施方式中，转角部的H钢连接型钢管板桩的平面图。

图7为本发明的钢管板桩沉井基础的第4实施方式的平面图。

图8为钢管板桩沉井基础的说明图。

图9为常规的钢管板桩的接头部分的平面图。

图10为桥墩基础的施工中所使用的钢管板桩沉井基础的部分正面图。

图11为模型钢管板桩与试验类型的说明图。

图12为表示离心模型试验结果的曲线图。

符号说明：1钢管板桩；2钢管；3接头；3a缝隙；4H形钢；4a凸缘；4b腹板；5密闭空间；7外螺纹管接头；8内螺纹管接头；7a、8a凸缘；7b、8b腹板；9填充料；11桥墩；12钢管板桩；12a接头；13铺砂；14底板；15顶板；16填充混凝土。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。图1～图3是本发明的钢管板桩沉井基础的第1～3实施方式的平面图，首先从本发明中所使用的H钢连接型钢管板桩的1个单元进行说明，如图4所示，H钢连接型钢管板桩1中，H形钢4作为系杆构件，它使并联而设的钢管2在各个钢管2的周边与凸缘边缘焊接在一起，并只在H形钢4的宽度留有间隔而焊接成一体，此外，在与相互焊接相反一侧设置H钢外螺纹管接头7、H钢内螺纹管接头8。

此H形钢4可以是由钢材轧制而成，也可以在工厂等场所，通过适当焊接单独组装而成。使用轧制钢材时，使凸缘4a的左右边缘与钢管周围焊接在一起，并通过这些平行的凸缘4a与钢管2、2围绕形成四方形的密闭空间5。图中4b为腹板。

前述H钢外螺纹管接头7、H钢内螺纹管接头8与钢管2之间的系杆构件相同，其横截面为H形，由凸缘7a、8a与腹板7b、8b的组合构成，凸缘7a、8a的边缘与钢管2的周边焊接而成。H钢外螺纹管接头7要比H钢内螺纹管接头8稍小。

H钢外螺纹管接头7与H钢内螺纹管接头8的嵌合，H钢外螺纹管接头7插入H钢内螺纹管接头8的凸缘8a之间，此外，凸缘7a的顶端接近于H钢内螺纹管接头8的腹板8b，因此，可以形成由凸缘7a、8a和腹板7b、8b围绕而成的密闭空间，不仅可以使用灌注导管向此空间内浇注混凝土或砂浆等填填充料9，还可以根据需要在此密闭空间内附设钢筋。

图1为使用H钢连接型钢管板桩所组合而成的矩形沉井，形成转角部的H钢连接型钢管板桩1中，如图5所示，使其中一个H钢外螺纹管接头7或H钢内螺纹管接头8与H钢的系杆构件H形钢4大致成90度而突出。

图2为转角部倾斜的变形矩形时，形成转角部的H钢连接型钢管板桩1中，如图6所示，使其中一个H钢外螺纹管接头7或H钢内螺纹管接头8与H钢的系杆构件H形钢4大致成120度角而突出。

图3为使用H钢连接型钢管板桩1所组合而成的矩形沉井。此时，如图6所示，使其中一个H钢外螺纹管接头7或H钢内螺纹管接头8与H钢的系杆构件H形钢4大致成很小的角度。

此外，作为其它的实施方式，如图7所示，在H钢连接型钢管板桩1的H形钢4的系杆构件中，使它的凸缘4a的长度各不相同，通过适当改变H形钢4的形状，以保持整个H钢连接型钢管板桩1的曲率。

此时，如前述第1～3实施方式所述，可以使H钢连接型钢管板桩1的H钢外螺纹管接头7或H钢内螺纹管接头8与H钢的系杆构件H形钢4形成角度或没有角度。

这样就得到保持曲率的H钢连接型钢管板桩1的单元，通过连接这些单元，可以按照更光滑的曲率对任意形状的钢管板桩基础进行施工。

这在图3也有所表示，H钢外螺纹管接头7或H钢内螺纹管接头8，在各自的凸缘7a、8a上相互平行的长度各不相同，这样，也可以确保在此H钢外螺纹管接头7或H钢内螺纹管接头8的嵌合部分的曲率。此外，也可以对前述系杆构件H形钢4的变形与此H钢外螺纹管接头7或H钢内螺纹管接头8进行组合。

发明的效果

如上所述，本发明的钢管板桩沉井基础及其所使用的钢管板桩，使接头相互嵌合，并封闭式组合多根钢管板桩而形成的钢管板桩沉井基础中，作为钢管板桩，与常规的钢管板桩相比，它增加了整体的强度，这样，密闭空间具有止水效果，减少由于止水工程所导致的水质污染，增加经济效益，并达到环保的目的。而且，通过提高接头的屈服应力，则可以显著提高接头部分的剪应力。

作为特别使用的钢管板桩，在陆地或海上的基础工程中被使用，因可一次安置多根钢管板桩，所以不仅可以减少工序缩短工期，同时还可以提高架设精度。此外，因接头的数量减少，所以因接头部分而引起的架设时的阻力减少，止水性也随之提高。于是，由于止水性提高，所以能够省去灌注药液等辅助施工法，从而简化了工程。

此外，通过提高接头的屈服应力，可以显著提高接头部分的剪应力。

此外，它在陆地或海上的基础工程中被使用，因可一次安置多根钢管板桩，所以不仅可以减少工序缩短工期，同时还可以提高架设精度。此外，因接头的数量减少，所以因接头部分而引起的架设时的阻力减少，止水性也随之提高。于是，由于止水性提高，所以能够省去灌注药液等辅助施工法，从而简化了工程。

Claims (4)

1.一种钢管板桩沉井基础，其嵌合接头构件并按封闭的形状组合若干根钢管板桩，其特征在于，钢管板桩用H钢的系杆构件一体地连接H钢连接型钢管，H钢使各个钢管在各个钢管的周边与凸缘边缘结合在一起，在此钢管上，设置H钢外螺纹管接头、内螺纹管接头作为接头，H钢外螺纹管接头要稍小一些，以保证它可以嵌入H钢内螺纹管接头的凸缘内侧面与腹板面所围成的空间，此外，根据需要，钢管板桩中H钢的系杆构件，与H钢外螺纹管接头、H钢内螺纹管接头突出的方向成适当的角度，以保证组合成一个封闭形状的整体。

2.如权利要求1所述的钢管板桩沉井基础，其特征在于，使H钢的系杆构件的凸缘的长度各不相同，以适当改变H形形状。

3.一种钢管板桩沉井基础中所使用的钢管板桩，其特征在于，在通过使各个钢管在各个钢管的周边与凸缘边缘结合在一起的H钢的系杆构件而连接成一体的H钢连接型钢管上，设置H钢外螺纹管接头、内螺纹管接头作为接头。

4.如权利要求3所述的钢管板桩沉井基础中所使用的钢管板桩，其特征在于，使H钢的系杆构件的凸缘的长度各不相同，以适当改变H形形状。

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