一种齿轮形复合桩及其施工方法与流程

本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种齿轮形复合桩及其施工方法。

背景技术：

随着国内土木建设的发展，不断探索开发安全可靠、施工可行且功效高、费用低的新技术对推动岩土工程技术的发展意义深远。在实际工程中，对基础施工的要求越来越高，不但要求有高的性价比，而且对成桩工艺施工的环保要求也越来越高，现有的成桩工艺多为灌注桩和预制桩施工。其中钻孔灌注桩的承载力高，性能也较好，但是钻孔灌注桩造价高，施工时间长，施工速度慢、存在泥浆外运污染环境等缺点；沉管灌注桩利用带有活瓣式桩尖或预制钢筋混凝土桩靴的钢套管沉入土中，其内浇筑混凝土，拔管成桩，避免了一般钻孔灌注桩桩尖浮土造成的桩身下沉，持力不足的问题，但施工过程中，产生较大噪音，振动会影响周围建筑物，挤土效应明显；预制桩具有较好的性价比和力学性能，但是成桩施工时具有噪音污染，对周边房屋安全和居民造成极大影响，虽然可采用静压桩机施工，降低施工噪音，且同样存在较大的挤土效应；另外，也有采用水泥土深层搅拌法、高压旋喷注浆法加固地基，水泥浆等固化物与部分土体在土中形成一个固结体与桩间土一起构成复合地基，从而提高地基承载力，对周围土体扰动较小，减少地基的变形，但存在单桩承载力低、施工质量难控制的缺点。

技术实现要素：

本发明以提高桩体侧摩阻力、最大限度地降低施工时挤土效应为宗旨，提供一种单桩承载力高、安全可靠、造价较低、施工过程环保的齿轮形复合桩及其施工方法。

为解决上述技术问题，本发明所述的齿轮形复合桩，包括预制芯桩、外包水泥土和预制开口桩尖，预制开口桩尖为上部敞口和下部敞口均呈喇叭形的中空齿轮，由限位台和桩尖主体组成，所述桩尖主体上部设有限位台；所述预制芯桩嵌入预制开口桩尖的上部敞口内，钢沉管以预制芯桩为中心均匀固接于限位台上，所述土工布袋穿入钢沉管内；钢沉管内部和预制芯桩与钢沉管间外包横截面呈齿轮形的外包水泥土。

作为本发明的优选，预制开口桩尖的上部敞口向上张开，下部敞口向下张开，上部敞口的开口直径是下部敞口的开口直径的0.68～0.71倍；上部敞口的收口直径与下部敞口的收口直径相同；上部敞口的开口高度是下部敞口的0.68～0.75倍，且上部敞口的直径大于预制芯桩的直径20～50mm。

作为本发明的进一步改进，预制芯桩为钢筋混凝土实心桩、预应力管桩或钢管桩中的任意一种，所述预制芯桩的底部设有桩底封闭板。

作为本发明的进一步改进，钢沉管所组成的截面积为外包水泥土截面积与预制芯桩截面之和。

作为本发明的进一步改进，土工布袋由纺土工布制成；土工布袋的长度比钢沉管的长度长500～900mm。

作为本发明的优选，桩尖主体是限位台的1.25～1.3倍。

本发明所述的齿轮形复合桩的施工方法，主要包括以下步骤：

⑴.施工前准备工作：清平场地，施工机械、预制芯桩及时进场，预制钢沉管、开口桩尖及土工布袋等构件；

⑵.施工装置组合：将土工布袋穿入钢沉管内，土工布袋首末端口翻卷出钢沉管，保证袋体张开，钢沉管一端与预制开口桩尖上的限位台固接；

⑶.水泥搅拌桩施工：在设计桩位处进行水泥搅拌桩施工，水泥搅拌桩截面积为外包水泥土截面积1.05～1.10倍；

⑷.施工装置下沉：在水泥土初凝之前将组合后的施工装置垂直压入水泥搅拌桩内，钢沉管的中心与水泥搅拌桩中心相重合，直至达到设计底面标高位置；根据水泥土流动性控制下压速度，保证水泥不外排、不堵孔，基本进入钢沉管内；

⑸.芯桩下压：钢沉管内水泥土回挤停止后，在水泥土初凝前，对准钢沉管中心垂直压入预制芯桩，预制芯桩下压前需封闭桩底；预制芯桩最后嵌入预制开口桩尖的上部敞口内；

⑹.补充水泥土：预制芯桩完成下压，采用外包水泥土回填钢沉管内空隙部分并夯实至设计顶面标高；

⑺.上拔钢沉管：翻起土工布袋外沿，上拔钢沉管，修整顶部水泥土，施工完成。

综上所述本发明的有益效果：⑴在水泥搅拌桩内压入带预制开口桩尖的齿轮形钢沉管，未初凝水泥土通过桩尖孔道回挤至钢沉管内，在钢沉管围合约束下，插入预制芯桩挤密，再补料压实，形成形态稳定的齿轮形外包水泥土。⑵采用深层搅拌法形成水泥土，相较于高压旋喷法水泥土成型质量高；其内压入齿轮形钢沉管，由于水泥土回挤至钢沉管内，不向外排挤，相比直接在土体内压入沉管挤土效应较小。⑶桩型外侧包裹齿轮形复合桩水泥土桩，可增加复合桩整体侧摩阻力，继而增强其侧摩阻力，且齿轮形柔性桩体在使用过程中损伤较之单一，齿轮形钢筋混凝土桩对桩体承载力的影响较小。⑷预制芯桩可在工厂货施工现场预制，工序独立，可加快施工进度；预制芯桩插入未初凝水泥土内，可挤密回挤后的水泥土，预制芯桩下压完成后沉管内补充水泥土并压实，除去钢沉管下压时水泥土回挤翻起形成的气泡。⑸由于采用的钢沉管为齿轮形异形沉管，内壁表面积较大，且水泥土桩被多次挤密压实，沉管上拔时易带起水泥土，为了保证钢沉管拔起后，齿轮形复合桩桩身形桩达到设计要求，在沉管内衬有土工布袋，且采用有纺土工布为原材料，可加固增强桩体，具有平面隔离与保护功能。

附图说明

图1是本发明齿轮形复合桩的示意图；

图2是本发明齿轮形复合桩沿a-a线剖面图；

图3是本发明施工装置组合后示意图；

图4是本发明预制开口桩尖示意图；

图5是本发明预制开口桩尖沿b-b线剖面图；

图6是齿轮形复合桩桩身截面及其截面积计算示意图；

其中，1、预制芯桩，2、外包水泥土，3、预制开口桩尖，4、钢沉管，5、土工布袋，6、桩底封闭板，7、限位台，8、桩尖主体，9、上部敞口，10、下部敞口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1至图6所示，外径500mm壁厚100mm的预应力钢筋混凝土管桩作为预制芯桩1，采用外包水泥土。根据设计齿轮形复合桩尺寸，预先制作施工装置。钢沉管内部尺寸与外包水泥土2尺寸相应，允许偏差在0～10mm，钢板厚度不小于16mm，采用圆钢管切割后焊接而成。预制开口桩尖3为钢筋混凝土桩尖，由钢沉管连接台7、桩尖主体8组成，整体为空心齿轮形，钢沉管4连接台轮廓与设计外包水泥土尺寸相同，高100mm；桩尖主体高750mm，上部扩大为半径125mm、圆心角120°弧长和375mm翼缘宽度的齿轮形界面，即较之钢沉管限位台7扩大1.25倍，下部逐渐收口缩小成圆形，直径与设计水泥搅拌桩相同。预制开口桩尖3中部留有贯通的孔道，孔道上、下部逐渐收口缩小成圆形，直径与设计水泥搅拌桩相同。预制开口桩尖3中部留有贯通的孔道，孔道上、下部敞口呈喇叭状，由垂直孔道连通，上部敞口9向上张开，开口直径550mm，收口直径450mm，开口高度135mm；下部敞口10向下张开，开口直径800mm，略小于水泥搅拌桩直径，收口直径450mm，开口高度200mm。土工布袋5采用有纺土工布缝合而成，大小与形状外包水泥土2相同，长度较之于钢沉管4长500mm以上，保证组合装置时土工布袋5两端均可翻出钢沉管4。

施工场地清平后，在设计桩位进行水泥搅拌桩施工，施工前换算水泥搅拌桩径，以水泥搅拌桩截面积与外包水泥土截面积相等为理论依据，如图6，外包水泥土界面积s1为大正六边形面积s减去六个扇形面积s2外包水泥土面积、再减去预制芯桩区域面积s3，即s1＝s-6s2-s3,换算为水泥搅拌桩直径为以l＝600mm，r＝300mm，r＝250mm为例，理论水泥搅拌桩直径为899mm，为保证后续沉管时桩周土体不进入沉管内，适当扩大水泥搅拌桩直径。采用深层搅拌法施工水泥搅拌桩的施工操作本处不再详述，严格遵循现行相关的施工规范、标准。

水泥搅拌桩施工完成后，在水泥土初凝之前将组合后施工装置压入水泥土内，钢沉管中心与水泥搅拌桩中心相重合，垂直下压，直至达到设计底面标高位置。由于预制开口桩尖3下部敞口10直径接近水泥土桩直径，根据水泥土流动性控制下压速度，可保证水泥不外排、不堵孔，基本进入钢沉管内。

水泥搅拌桩施工完成后，在水泥土初凝之前将组合后施工装置压入水泥土内，钢沉管中心与水泥搅拌桩中心相重合，垂直下压，直至达到设计底面标高位置。由于预制开口桩尖3下部敞口10直径接近水泥土桩直径，根据水泥土流动性控制下压速度，可保证水泥不外排、不堵孔，基本进入钢沉管内。

向回挤了水泥土的钢沉管4内插入预制芯桩1，本实施例采用预应力钢筋混凝土管桩，故下压前管桩底部需用桩底封闭板6密封，桩底封闭板6可采用圆形钢板焊接封闭或混凝土提前堵孔。预制芯桩插入时保证居中、垂直，最后嵌入预制开口桩尖3的上部敞口9内。

预制芯桩1插入，使钢沉管4内水泥土适当充盈、密实，但可能无法填充到设计高度，故通过人工拌合水泥土，并向钢沉管4内填筑、压实，直至设计顶面标高，最后振动上拔钢沉管4，完成所述齿轮形复合桩施工。