CN113373907B - 一种复合打入型雪花型桩系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合打入型雪花型桩系统及施工方法，该系统包括水泥搅拌桩外芯、雪花型钢板桩内芯、导向组件、接桩装置以及水泥浆状态监测系统；雪花型钢板桩内芯顶部安装有桩帽，桩帽与承台连接；水泥搅拌桩外芯超过设定长度时，该雪花型钢板桩内芯通过接桩装置和导向组件采用分段接桩的方式打入未初凝的水泥搅拌桩外芯。本发明结合了水泥搅拌桩与雪花型钢板桩的承载特性，弥补了高强度钢板桩体积相对较小而导致的侧摩阻力不足和结构稳定性不足的情况，提高了桩体承载力。本发明平衡了施工造价，增强了桩体承载能力，适用范围广泛，用于解决软土地基加固、基坑支护及桥头差异沉降的问题，在桥梁、基坑、道路领域具有广阔的应用前景。

Description

一种复合打入型雪花型桩系统及施工方法

技术领域

本发明涉及建筑和岩土中的湿法水泥搅拌桩以及地质工程中的钢板桩，尤其涉及一种复合打入型雪花型桩系统及施工方法。

背景技术

随着建筑物纵向与横向的高速发展，其受力状态愈发复杂，对承载特性的要求更是不断提高，桩基础需要具备抗水平荷载和抗竖向荷载的能力。尤其当地基软土层较厚时，建筑物上部荷载较大，地基工程利用性差，在荷载作用下容易发生变形，造成整体沉降或局部不均匀沉降。而且建筑物要求围栏结构不允许出现裂缝，对沉降量限制要求比较严格。因此建筑物同时兼具极强抗水平荷载和抗竖向荷载能力成为一个极具前景的发展方向。

软土基坑、高速桥头过渡段常因软土特性导致平稳性下降，普通桩体不能充分利用各土层的承载力，无法提供足够的侧摩阻力，甚至会产生桩基失稳。同时，软土区域持力层分布各异，工程需求的桩长变化极易带来工程造价不合理问题，亟需研究一种结合水泥桩与钢板桩特性的复合桩。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种复合打入型雪花型桩系统及施工方法，以解决现有技术中的普通桩体无法提供足够的侧摩阻力，导致桩基失稳；以及软土区域持力层的分布导致工程需求的桩长变化的不足之处。

技术方案：本发明复合打入型雪花型桩系统包括水泥搅拌桩外芯、雪花型钢板桩内芯、导向组件、接桩装置以及水泥浆状态监测系统；

雪花型钢板桩内芯顶部安装有桩帽，桩帽与承台连接；

水泥搅拌桩外芯超过设定长度时，该雪花型钢板桩内芯通过接桩装置和导向组件采用分段接桩的方式打入未初凝的水泥搅拌桩外芯内。

导向组件包括固定支座、支撑杆和定位单元，支撑杆在固定支座内移动。

定位单元包括工字钢横肋、第一限位板、第二限位板和滑轨装置；工字钢横肋、第一限位板和第二限位板通过滑轨装置固定该雪花型钢板桩内芯。

滑轨装置包括多个对称固定在工字钢横肋上的滑轨单元，滑轨单元包括第一导轨、中央轨道和第二导轨，中央轨道通过第一导轨和第二导轨连接。

接桩装置包括接桩环和收紧螺母，接桩环上开设有固定雪花型钢板桩内芯的桩槽。

水泥浆状态监测系统包括混凝土含水率检测仪和空气湿度传感器。

水泥搅拌桩外芯中添加有石膏粉剂，进而提高水泥搅拌桩的抗渗性，对雪花型钢板桩内芯形成防腐保护。

雪花型钢板桩内芯以长芯、短芯或等芯方式打入水泥搅拌桩外芯内。

本发明复合打入型雪花型桩系统的施工方法包括以下步骤：

(1)对桩的场地进行平整处理，设置好桩位和桩距并进行定点标记；

(2)移动水泥搅拌机至指定制桩位置并进行对中、调整，搅拌机钻孔中心点和桩体中心点的就位误差≦2.5cm，检测钻机主臂是否垂直，调整钻杆使钻杆垂直度偏差≦1％；

(3)进行浆液拌制，同时在水泥中添加对雪花型钢板桩内芯防腐保护的石膏粉剂；

(4)启动水泥搅拌机，在定位点钻进下沉，搅拌成孔；到达设计深度后，打开高压注浆泵，开始反循环提钻并喷水泥浆；当深层搅拌机提升至地面以下0.8-1m时，慢速提升和搅拌，提升至距离地面0.2-0.4m时，停止喷浆，搅拌数秒以保证桩体紧实；

(5)初搅后利用混凝土含水率检测仪和空气湿度传感器进行浆液检测，当喷浆口到达桩顶标高时，停止提升，搅拌数秒，最终成桩桩位偏差≦5cm，桩身垂直度偏差≦1.5％；

(6)施工过程中如因故停浆，将搅拌头提升至停浆点以上0.5m处，待恢复供浆时搅拌下沉至停浆位置1m以下再进行搅拌提升；

(7)待水泥搅拌桩未初凝时，准备雪花型钢板桩内芯的插入；

(8)将固定支座固定在桩点，将雪花型钢板桩内芯置于定位单元内，采用滑轨装置限定雪花型钢板桩位置和角度，通过导向组件将钢板桩内芯的桩尖对准水泥搅拌桩中心，通过雪花型钢板桩内芯自重垂直插入未初凝的水泥搅拌桩外芯内；

(9)若不分段接桩，则控制雪花型钢板桩内芯打入水泥搅拌桩外芯至设计深度，进入持力层0.8～1m；通过法兰将桩帽与雪花型钢板桩内芯连接为一个整体，并进一步将雪花型钢板桩内芯打入水泥搅拌桩外芯；

(10)若分段接桩，将内芯组件中的第一段内芯打入至接桩预留长度，通过接桩环将第二段内芯固定，通过双面焊接接桩，错开接头；焊接结束后，打磨焊缝，再焊接加强板，再次打磨焊缝；再次打入内芯组件；重复操作直至内芯组件打入入至设计深度，通过法兰连接桩帽。

步骤(8)中，接通电源，通过滑轨装置纵向移动两根工字钢横肋，夹紧雪花型钢板桩内芯两侧；通过滑轨装置移动第一限位板和第二限位板，将第一限位板、第二限位板与工字钢横肋的夹角设置成60°，以夹持雪花型钢管桩内芯。

工作原理：本发明复合打入型雪花型桩系统在施工时，分为水泥搅拌桩外芯加工和雪花型钢板桩内芯接入两步，在通过湿法水泥搅拌工艺形成水泥搅拌桩外芯后，用沉桩设备将雪花型钢板桩内芯打入还没有凝结的水泥中，最终形成一种外廓为水泥搅拌桩、内置雪花型钢板桩的复合打入型雪花型桩系统。

在水泥搅拌桩外芯内加入雪花型钢板桩内芯，使得桩体结构更加立体，桩体水平承载力和竖向承载力都大幅增加，兼具水平抗力和抗弯能力。

本发明根据土层状况调整雪花型钢板桩内芯和水泥搅拌桩外芯的长度比，分为短芯、等芯、长芯三种组合形式；同时雪花型钢板桩内芯采用分段接桩处理的方式，提升结构稳定性。

本发明在施工时配置有导向组件便于钢板桩内芯的插入，并增加了桩侧摩阻拦，利用桩身上下各部位土层，控制了桩体沉降；同时采用滑轨装置实现了对雪花型钢板桩内芯的多维度限位；配置有接桩装置便于钢板桩芯长的控制。

有益效果：本发明在水泥搅拌桩中加入钢板桩，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明兼顾湿喷水泥桩基础和钢板桩的优点，结构立体，承载能力增大，桩侧阻力大，兼具水平抗力和抗弯能力，基础造价低，施工速度加快。

(2)本发明相对于钢板桩,在相同的设计要求条件下，本发明增加了结构的刚度和稳定性，增强了桩结构的耐腐蚀性、耐久性和抗火性。

(3)本发明相对于水泥搅拌桩，雪花型钢板桩内芯的加入，大幅提高了复合桩的承载能力，同时增强了抗弯能力。

(4)在基坑支护工程中，当基坑深度较大时，容易造成施工工期较长、支护能力不足的问题，且对周边环境产生影响。而采用本发明进行基坑支护时，则节省了投资，减少对周边环境影响，且防渗水性能好，支护能力是常规混凝土支护桩的数倍。

(5)本发明的导向组件的位置布置符合桩周土体应力扩散规律，有利于桩体充分受力，使桩体达到较小沉降；同时与水泥搅拌桩外芯共同弥补了高强度钢板桩体积相对较小而导致的侧摩阻力较小的情况，使得本发明同时具有良好的抗剪、抗拔及抗弯性能。

(6)本发明的桩体在承受较大拉力时，钢板提高了桩体的抗剪性能；另外与钢板桩相比，在既有桩基础周围打设水泥土搅拌桩或旋喷桩，同时在水泥中添加石膏粉剂，提高水泥搅拌桩的抗渗性，对雪花型钢板桩内芯形成了防腐保护，增加了既有桩基础的水平抗力。

(7)采用本发明时，若加固深度较大，即水泥搅拌桩外芯超过设定长度，则对雪花型钢板桩进行分段接桩处理，以降低施工难度，避免竖直度误差，同时提高了雪花型钢板桩内芯的强度和稳定性。

(8)水泥搅拌桩外芯以及雪花型钢板桩上部加劲肋的加入弥补了高强度钢板桩体积相对较小而导致的侧摩阻力不足和结构稳定性不足的情况，使得本发明同时具有良好的抗剪、抗拔及抗弯性能。

(9)本发明适用范围更加广泛，用于不均匀沉降要求较高的工程，解决了桥头差异沉降、基坑支护、软弱地基加固问题。

(10)由于本发明更大的承载力，同时根据土层状况进行变芯长调整，适用范围广，平衡了土层差异带来的工程造价不合理的问题；具有显著的社会效益和经济技术效益，在建筑、道路、桥梁和岩土领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明复合打入型雪花型桩系统结构及施工示意图；

图2为本发明的导向组件结构示意图；

图3为本发明的导向组件的滑轨装置的结构示意图；

图4为本发明钢板桩内芯插入过程俯视图；

图5为本发明雪花型钢板桩内芯的芯长调整示意图；

图6为本发明雪花型钢板桩内芯接桩示意图；

图7为本发明接桩装置俯视图；

图8为本发明复合打入型雪花型桩系统施工示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明复合打入型雪花型桩系统包括水泥搅拌桩外芯1、雪花型钢板桩内芯2、导向组件、接桩装置和水泥浆状态监测系统。

其中的雪花型桩的桩体由水泥搅拌桩外芯1和雪花型钢板桩内芯2复合而成，即该复合打入型雪花型桩体的内部含有雪花型钢板桩内芯作为支撑。该雪花型钢板桩内芯包括桩身、位于桩身上的加劲肋、位于内芯顶部的桩帽3、内芯支座4和位于钢板桩桩底的桩尖5。

钢板桩内芯2的桩身的横截面为雪花型，呈Y形且夹角为120°。每个复合打入型雪花型桩系统的水泥搅拌桩外芯1的长度和雪花型钢板桩内芯2的长度根据设计需要取值。本实施例中，水泥搅拌桩外芯1的长度≦15m，当外芯1的长度超过8m时，雪花型钢板桩内芯2采用分段接桩的方式连接。

如图1至图3所示，为了便于安装和施工，本发明雪花型钢板桩内芯2在沉桩时配置有导向组件和接桩装置。其中，该导向组件包括固定支座10、支撑杆11和定位单元；支撑杆11在固定支座10内移动。

定位单元包括工字钢横肋12、第一限位板18、第二限位板17、减震橡胶垫19和滑轨装置13；工字钢横肋12、第一限位板18和第二限位板17通过滑轨装置13固定该雪花型钢板桩内芯2。

如图3所示，滑轨装置13内置有电容、电源和压力阀，该滑轨装置13包括第一铝导轨15、中央铝轨道14和第二铝导轨16；其中，第一铝导轨15和第二铝导轨16均为L型，中央铝轨道14位于第一铝导轨15和第二铝导轨之间。

滑轨装置13对称安装在工字钢横肋12的端部，并对第一限位板18、第二限位板17进行定位。其中，工字钢横肋12嵌入两个对称安装的滑轨装置13的第二铝导轨16的导轨槽内进行移动后定位，即通过工字钢横肋12将两个滑轨装置13衔接固定。第一限位板18在其中一个滑轨装置13的第一铝导轨15的导轨槽内移动；第二限位板17在对称的另一个滑轨装置13的中央铝轨道14和第一铝导轨15之间的导轨槽内移动。

如图4所示，当钢板桩内芯接入时，首先启动滑轨系统的电源，将工字钢横肋12、第一限位板18、第二限位板17扩展至最大间距，然后通过滑轨装置纵向移动两根工字钢横肋12，夹紧雪花型钢板桩内芯纵向两侧；通过滑轨装置13移动第一限位板18和第二限位板17，第一限位板18和第二限位板17横向收缩，考虑到钢板桩内芯雪花型的特殊性，将第一限位板18、第二限位板17与工字钢横肋的夹角设置成60°斜向，以夹持限制住待打入的雪花型钢管桩内芯2，从而起到限位作用。

在本发明施工过程中，如图7所示，接桩装置包括加强板6、接桩环20和收紧螺母21；其中，接桩环20上开设有固定雪花型钢板桩内芯的桩槽22。

水泥浆状态监测系统由混凝土含水率检测仪7和空气湿度传感器8及电脑9组成，对水泥浆状态进行实时监测。

此外，本发明的钢板桩内芯桩帽3与钢板桩内芯桩身2分开安装，在内芯桩身2打入稳定后，内芯桩帽3与内芯桩身2通过法兰连接，且桩帽3上装配有钢板承台23。

如图5所示，本发明根据土层状况调整雪花型钢板桩内芯和水泥搅拌桩外芯的长度比，将雪花型钢板桩内芯长度分为长芯、短芯、等芯三种工况示例。本发明中，将桩体要穿透软土层，直至达到较硬的土层当作桩长的控制标准，因此由现场土层勘察情况确定施工类型。当施工地浅部土层较好且能找到合格持力层时，则雪花型钢板桩内芯采用短芯或等芯方式施工；当施工地浅部土层较差时，须在深层土层中寻找持力层，则采用长芯复合打入桩施工。

如图6所示，本发明雪花型钢板桩内芯2在水泥搅拌桩外芯1超过雪花型钢板桩内芯桩长时采用分段接桩的方式，通过如图7所示采用接桩装置固定内芯桩体，接着在内芯桩体四周两侧采用双面焊接并加焊加强板的方法提升结构稳固性。

如图8所示，本发明复合打入型雪花型桩系统施工方法包含四个步骤，分别是水泥搅拌桩外芯1制作、雪花型钢板桩内芯2插入、桩帽3的安装、打入桩帽3并凝结成桩。本发明复合打入型雪花型桩系统的具体施工方法包括以下步骤：

(1)对桩的场地进行平整处理，确保无沉降，设置好桩位和桩距并进行定点标记，清除桩位处的障碍物。

(2)移动水泥搅拌机至指定制桩位置并进行对中、调整，使装置水平，搅拌机钻孔中心点和桩体中心点的就位误差≦2.5cm，现场通过经纬仪或者全站仪检测钻机主臂是否垂直，调整钻杆使钻杆垂直度偏差≦1％；

(3)进行浆液拌制，控制水灰比在0.45-0.5，要求调制出的水泥浆具有较好的流动性、和易性；同时在水泥土中添加石膏粉剂，提高水泥搅拌桩的抗渗性，对雪花型钢板桩内芯形成防腐保护；

(4)启动水泥搅拌机，在定位点钻进下沉，搅拌成孔。首次钻进速度控制为0.5m/min，采用正循环钻进，到达设计深度后，打开高压注浆泵，开始反循环提钻并喷水泥浆，此时注意喷浆速率与提升速度相协调，以确保水泥浆沿桩长分布，搅拌提升速度控制在0.5-0.8m/min。当水泥搅拌机提升至地面以下0.8-1m时，应慢速提升和搅拌，提升至距离地面0.2米时，停止喷浆，搅拌数秒，以保证桩头质量。

(5)初搅后利用混凝土含水率检测仪和空气湿度传感器进行浆液检测，水泥浆状态符合要求则进行复搅，且最后一次提升搅拌宜采用慢速提升，当喷浆口到达桩顶标高时，停止提升，搅拌数秒，以保证桩头的均匀密实，形成未初凝的水泥搅拌桩外芯，保证最终成桩桩位偏差≦5cm，桩身垂直度偏差≦1.5％。

(6)施工过程中如因故停浆，将搅拌头提升至停浆点以上0.5米处，待恢复供浆时搅拌下沉至停浆位置一米以下再进行搅拌提升，以免断桩。

(7)待水泥搅拌桩未初凝时，即在步骤(6)的搅拌停止后30min以内，开始准备雪花型钢板桩内芯的插入。内芯在放置时采用垫木、钢制支墩调平以减少雪花型钢板桩内芯的变形。

(8)将雪花型钢板桩导向组件固定在桩点，同时将雪花型钢板桩吊起，确保钢板桩内芯在铅直状态下，倾斜角度≦1％，使内芯置于导向组件中，采用定位单元限定钢板桩位置和角度，通过导向组件将钢板桩内芯桩尖对准水泥搅拌桩中心，靠自重垂直沉入水泥搅拌桩内，开始时不宜过快，当桩尖打入外芯后，进一步矫正钢板桩的垂直度。起重机、导向组件与地面的垂直度偏差<1％。雪花型钢板桩内芯插入控制在停止搅拌后30min内，最长不超过1小时。当雪花型钢板桩内芯靠自重难以下沉至设计标高时采用锤压机具辅助下沉。

(9)若钢板桩外芯无需分段接桩，控制雪花型钢板桩内芯沉桩达到设计深度并预留长度，进入持力层0.8～1m。为了便于安置桩帽，钢板桩内芯插入留置长度≧0.5m。通过法兰将桩帽与桩身连接为一个整体，并进一步打入内芯桩体。

(10)若钢板桩内芯分段接桩，将第一段内芯插入至接桩预留长度，此时对桩头进行清洁，清除水分、油污、泥浆，通过接桩装置将第二段内芯固定，衔接无误后通过双面焊接接桩，错开接头。焊接结束后，用砂轮机打磨焊缝至光滑，清除焊渣，检验焊缝是否合格。检查合格后再焊接加强板，焊接期间保持竖直，结束后再次打磨焊缝。此时再次打入内芯桩体；重复操作直至内芯插入至设计深度，通过法兰连接桩帽。

Claims (1)

1.一种复合打入型雪花型桩系统的施工方法，其特征在于：所述复合打入型雪花型桩系统包括水泥搅拌桩外芯(1)、雪花型钢板桩内芯(2)、导向组件、接桩装置以及水泥浆状态监测系统；

所述雪花型钢板桩内芯顶部安装有桩帽(3)，所述桩帽(3)与承台连接；

所述水泥搅拌桩外芯(1)超过设定长度时，所述雪花型钢板桩内芯通过接桩装置和导向组件采用分段接桩的方式打入未初凝的水泥搅拌桩外芯(1)内；

所述导向组件包括固定支座(10)、支撑杆(11)和定位单元，所述支撑杆(11)在所述固定支座(10)内移动；

所述定位单元包括工字钢横肋(12)、第一限位板(18)、第二限位板(17)和滑轨装置(13)；所述工字钢横肋(12)、第一限位板(18)和第二限位板(17)通过所述滑轨装置(13)固定所述雪花型钢板桩内芯(2)；

所述滑轨装置(13)包括多个对称固定在工字钢横肋(12)上的滑轨单元，所述滑轨单元包括第一铝导轨(15)、中央铝轨道(14)和第二铝导轨(16)，所述中央铝轨道(14)通过所述第一铝导轨(15)和第二铝导轨(16)连接；

所述接桩装置包括接桩环(20)和收紧螺母(21)，所述接桩环(20)上开设有固定雪花型钢板桩内芯的桩槽(22)；

所述水泥浆状态监测系统包括混凝土含水率检测仪(7)和空气湿度传感器(8)；

所述水泥搅拌桩外芯中添加有石膏粉剂；

所述施工方法包括以下步骤：

(1)对桩的场地进行平整处理，设置好桩位和桩距并进行定点标记；

(2)移动水泥搅拌机至指定制桩位置并进行对中、调整，搅拌机钻孔中心点和桩体中心点的就位误差≦2.5cm，检测钻机主臂是否垂直，调整钻杆使钻杆垂直度偏差≦1％；

(3)进行浆液拌制，同时在水泥中添加对雪花型钢板桩内芯防腐保护的石膏粉剂；

(4)启动水泥搅拌机，在定位点钻进下沉，搅拌成孔；到达设计深度后，打开高压注浆泵，开始反循环提钻并喷水泥浆；当深层搅拌机提升至地面以下0.8-1m时，慢速提升和搅拌，提升至距离地面0.2-0.4m时，停止喷浆，搅拌数秒；

(5)初搅后利用混凝土含水率检测仪和空气湿度传感器进行浆液检测，当喷浆口到达桩顶标高时，停止提升，搅拌数秒，最终成桩桩位偏差≦5cm，桩身垂直度偏差≦1.5％；

(6)施工过程中如因故停浆，将搅拌头提升至停浆点以上0.5m处，待恢复供浆时搅拌下沉至停浆位置1m以下再进行搅拌提升；

(7)待水泥搅拌桩未初凝时，准备雪花型钢板桩内芯的插入；

(8)将固定支座(10)固定在桩点，将雪花型钢板桩内芯置于定位单元内，采用滑轨装置(13)限定雪花型钢板桩位置和角度，接通电源，通过滑轨装置(13)纵向移动两根工字钢横肋(12)，夹紧雪花型钢板桩内芯两侧；通过滑轨装置(13)移动第一限位板(18)、第二限位板(17)，将第一限位板、第二限位板与工字钢横肋的夹角设置成60°，以夹持雪花型钢板桩内芯(2)；通过导向组件将钢板桩内芯的桩尖对准水泥搅拌桩中心，通过雪花型钢板桩内芯自重垂直插入未初凝的水泥搅拌桩外芯(1)内；

(9)若不分段接桩，则控制雪花型钢板桩内芯打入水泥搅拌桩外芯(1)至设计深度，进入持力层0.8～1m；通过法兰将桩帽与雪花型钢板桩内芯连接为一个整体，并进一步将雪花型钢板桩内芯打入水泥搅拌桩外芯(1)；

(10)若分段接桩，将内芯组件中的第一段内芯打入至接桩预留长度，通过接桩环将第二段内芯固定，通过双面焊接接桩，错开接头；焊接结束后，打磨焊缝，再焊接加强板，再次打磨焊缝；再次打入内芯组件；重复操作直至内芯组件打入入至设计深度，通过法兰连接桩帽。

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