一种超大直径空心独立复合桩基础及其建造方法与流程

本发明涉及建筑桩基础领域，具体涉及一种超大直径空心独立复合桩基础及其建造方法。

背景技术：

桩基础已在各类工程中广泛应用，常用的桩基础形式为中小直径(含pc)单桩基础和群桩基础。群桩基础需设置承台(或连梁)，桩与桩，桩与土之间相互影响较大，群桩效应也较为明显，桩身荷载传递过程复杂，影响承载力的因素较多，给设计和建造都带来了较高的成本和较大的难度。随着社会经济的发展，各类工程建(构)筑物的大量涌现，大直径单桩(桩柱一体)逐渐得到了认同，而超大直径桩基础更是未来替代群桩基础的优选发展方向之一。

目前，超大直径桩大都采用实心灌注桩。由于既有理论、计算、设计、建造方法、重装设备的局限性，桩基承载能力主要考虑桩端支撑力和桩身周围土的摩阻力，造成超大直径实心灌注桩桩中混凝土很大的浪费，且增加了桩身自重和对土体承载能力要求的提高；再者，由于清孔不彻底、缩颈、夹泥、断裂等造成桩身质量问题，影响桩基承载力，甚至是桩基安全性；特别是随着桩径、桩长的增大，上述不利因素更加突显，从而使超大直径桩基础的应用受到很大的限制。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供了一种超大直径空心独立复合桩基础。本发明中的超大直径空心独立复合桩基础不需设置大体积承台，柱桩一体的型式使得荷载传递更直接，具有较高的承载力，还具有桩身质量好、安全性高的优点，同时，本发明中的超大直径空心独立复合桩基础无需使用沉井、套箱等临时围护结构，便于施工，还具有较好的经济性能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种超大直径空心独立复合桩基础，包括薄壁钢筋混凝土空心桩，所述薄壁钢筋混凝土空心桩的周侧设置有由若干水泥搅拌桩围成的封闭的水泥搅拌桩墙，所述薄壁钢筋混凝土空心桩和水泥搅拌桩墙之间充注有由水泥浆和土体构成的注浆土体。

优选的，所述薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁外侧面设置为直径下大上小的台阶式；所述薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁中预置有彼此联通的水平注浆孔和竖向注浆孔；所述竖向注浆孔沿薄壁钢筋混凝土空心桩的环向在桩壁中设置有多个，且所述竖向注浆孔向上沿薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁内部延伸至桩顶，向下延伸至薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁外侧面的桩壁台阶处；所述水平注浆孔沿薄壁钢筋混凝土空心桩的长度方向设置并形成多个注浆层，每个注浆层中的水平注浆孔均沿着薄壁钢筋混凝土空心桩的环向排布。

优选的，所述薄壁钢筋混凝土空心桩的底端设有封闭空心桩的桩端钢筋混凝土厚板，所述桩端钢筋混凝土厚板的下部和周围设有由水泥浆和土体构成的桩底注浆土体。

优选的，所述薄壁钢筋混凝土空心桩在与所述桩端钢筋混凝土厚板相接的范围内设置有凸榫，所述凸榫自上而下设置为形成环状的多层结构。

本发明的目的之二是提供一种前述超大直径空心独立复合桩基础的建造方法，具体的，本建造方法包括如下步骤：

s1、在薄壁钢筋混凝土空心桩施工前，在施工现场确定的桩位四周施工水泥搅拌桩，并形成封闭的水泥搅拌桩墙；

s2、在桩位处，对制作好的薄壁钢筋混凝土空心桩的首节空心桩进行沉桩作业；

在薄壁钢筋混凝土空心桩的首节空心桩下沉时，向因薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁台阶形成的桩外壁与周围土体之间的空隙内回填洁净的中粗砂，形成砂套，以减小土体摩阻力，并避免空心桩周边土体坍塌；

因下沉阻力过大使得薄壁钢筋混凝土空心桩的首节空心桩停止下沉且未下沉至接高位置时，进行桩内取土作业，以减小桩基土体对薄壁钢筋混凝土空心桩的下沉阻力；

当薄壁钢筋混凝土空心桩的首节空心桩下沉至接高位置后，在下节空心桩连接前，向薄壁钢筋混凝土空心桩已沉节段内回填黄砂，以提高地基承载力，保证薄壁钢筋混凝土空心桩接高时的稳定性，避免产生突沉或过大变形；

s3、依次连接后续空心桩，对每一节空心桩重复步骤s2，即在每一节空心桩下沉的过程中，采用桩内取土和桩外壁填砂的作业方式，直至薄壁钢筋混凝土空心桩的桩身沉至设计位置；

在连接后续空心桩时，应当使得相邻空心桩上的竖向注浆孔彼此相连通；

s4、当薄壁钢筋混凝土空心桩下沉到位后，向薄壁钢筋混凝土空心桩底部放入封底钢筋笼，在薄壁钢筋混凝土空心桩底部采用水下灌注法浇筑桩端钢筋混凝土厚板，以封闭空心桩底部；

s5、采用高压旋喷法向薄壁钢筋混凝土空心桩和水泥搅拌桩之间压注水泥浆；

s6、所述封底钢筋笼上设有桩底注浆管，所述桩底注浆管上设有单向注浆阀，通过所述桩底注浆管向桩端钢筋混凝土厚板下面压注水泥浆形成桩底注浆土体；

s7、通过薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁上的水平注浆孔和竖向注浆孔对薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁外侧注浆，注浆量以充满薄壁钢筋混凝土空心桩与水泥搅拌桩墙之间的土体为准，形成注浆土体，最终得到超大直径空心独立复合桩基础。

优选的，所述薄壁钢筋混凝土空心桩的制作，在设计桩位处现场浇筑并逐节接高；

或者在工厂分节预制，现场拼装接高，两节空心桩的竖向钢筋用直螺纹连接器连接，空心桩接头处安装定型模板，通过混凝土灌注孔向定型模板中灌注快硬高强自密实混凝土，完成接桩；

或者将空心桩沿高度和周长方向分割成多个块件分别在工厂预制，在现场拼接成管型的空心桩，每个块件之间采用高强弯螺栓连接，并在相邻块件之间和高强弯螺栓周围的空隙内压注水泥浆形成整体。

优选的，在对薄壁钢筋混凝土空心桩的各节空心桩进行沉桩作业时，通过薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁上的水平注浆孔和竖向注浆孔对薄壁钢筋混凝土空心桩桩壁外侧的土体喷气，在薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁与土体之间形成气幕，以减小两者之间的摩擦阻力。

优选的，薄壁钢筋混凝土空心桩1的承载力qu可用下式计算：

qu＝qsu+qpu＝ηs(u2∑λqiλiqsilsi+λp1nqp1ap1)+λp2ηpqp2ap2

其中：u2＝πd；

式中：qsu为大直径管桩桩侧承载力；qpu为大直径管桩桩端承载力；λqi为大直径管桩桩侧第i层搅拌土层的桩侧阻力增强系数；ηs为大直径管桩的桩侧阻力尺寸效应系数；λi为搅拌桩桩侧的第i层土的桩侧阻力发挥系数；u2为搅拌桩围成一圈形成的大圆外环面的周长；qsi为原状土第i层土的极限侧阻力标准值；lsi为桩体穿越第i层土的长度；λp1为搅拌桩桩端单桩承载力发挥系数；n为搅拌桩的根数；qp1为单根搅拌桩桩端土层极限承载力标准值；ap1为单根搅拌桩的横截面面积；ηp为大直径管桩的桩端阻力尺寸效应系数；λp2为大直径管桩桩端阻力增强系数；qp2为大直径管桩桩端极限承载力标准值；ap2为大直径管桩的外环面积；d1为单根水泥搅拌桩的直径；d2为管桩端部外环面的直径；d为搅拌桩围成一圈形成的大圆的外环面直径。

本发明的有益效果在于：

1)本发明由水泥搅拌桩、超大直径薄壁钢筋混凝土空心桩、桩端钢筋混凝土厚板、高压旋喷桩、桩周围注浆土体共同形成复合桩基础，充分利用了超大直径空心桩-注浆土-原状土之间相互作用，能提供更大的竖向承载力和水平荷载力。

2)超大直径空心独立复合桩基础不需设置大体积承台，柱桩一体的型式使得荷载传递更直接，具有较高的承载力。

3)本发明提出的超大直径空心独立复合桩基无需使用沉井、套箱等临时围护结构，便于施工，对施工现场条件要求低，不需大型施工设备，所述超大直径薄壁钢筋混凝土空心桩可采用桩位现场分段现浇制作和预制分段拼接成型，在岸地和水上均便于施工，可推广应用范围广。

4)本发明提出了一种新型桩基础型式-超大直径空心独立复合桩基的承载能力理论和计算方法，是桩基理论的创新，具有重要的理论意义、经济价值和社会价值。

5)针对传统超大直径桩基础采用灌注桩所造成的不足，本发明采用了预制空心桩，能较好地保证桩身质量，提高了桩基础的耐久性；空心截面型式显著降低了桩身自重和对混凝土材料的耗费，提高了桩基础施工的速度，降低了施工作业难度，节约了施工成本。

6)本发明还在薄壁钢筋混凝土空心桩的桩壁上设置有水平注浆孔和竖向注浆孔，通过所述水平注浆孔和竖向注浆孔对空心桩底及桩身周边土体压注水泥浆进行加固，增大了桩侧阻力和桩端阻力，提高了桩基竖向承载力，减少了桩基沉降。

7)本发明所采用的水泥搅拌桩墙、高压旋喷桩和桩周围注浆措施有效增大桩体影响范围，增加桩与土体接触面积的同时，又改良了桩周围土体，增强了土体的抗力，进而提高了复合桩基础的水平承载性能，增强了基础的安全性和稳定性。

8)本发明在薄壁钢筋混凝土空心桩的周侧设置由若干水泥搅拌桩围成的封闭的水泥搅拌桩墙，除了能够提供承载能力之外，在施工过程中，此封闭的水泥搅拌桩墙不仅可预防空心桩发生偏斜，还能有效避免空心桩下沉时所引起的地表沉降和相邻桩基之间的相互干扰，降低桩基施工对周边的影响，确保了桩基施工的稳定性和安全性。

9)本发明还将薄壁钢筋混凝土空心桩的桩身外壁面设置为台阶式，即薄壁钢筋混凝土空心桩处于底部的桩头处桩身外直径较大，而中上部的桩身外直径较小，这种形状设计可以大大减小薄壁钢筋混凝土空心桩桩身在沉桩作业时所受到的摩擦力，从而有利于提高施工速度，降低施工难度。

10)本发明在进行沉桩作业时，可通过所述水平注浆孔和竖向注浆孔向桩壁和周围的土体之间压气形成气幕，所述气幕可以进一步降低薄壁钢筋混凝土空心桩桩身在沉桩作业时所受到的摩擦力，有效地减少下沉阻力，降低设备功率要求。

附图说明

图1为本发明中的超大直径空心独立复合桩基础的结构简示图。

图2为图1的a-a截面的剖视图。

图3为图2的局部放大图。

图4为分节预制拼装方式的示意图。

图5为空心桩内弧面展开的分块拼装示意图。

图6为图5的局部放大图。

图中标注符号的含义如下：

1-薄壁钢筋混凝土空心桩2-水泥搅拌桩3-注浆砂套

4-注浆土体5-水平注浆孔6-竖向注浆孔7-桩底注浆管

8-凸榫9-刃脚10-桩壁台阶11-桩端钢筋混凝土厚板

12-封底钢筋笼13-桩底注浆土体14-钢筋15-直螺纹连接器

16-混凝土灌注孔17-定型模板18-定位销

19-快硬高强自密实混凝土20-柱墩21-承台22-预制快件

23-高强弯螺栓24-螺母25-预留螺栓孔

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中的薄壁钢筋混凝土空心桩1为大直径薄壁圆管型结构，通常来说，圆管的管外直径≥2.0m。

如图1、图2所示，一种超大直径空心独立复合桩基础，包括薄壁钢筋混凝土空心桩1，所述薄壁钢筋混凝土空心桩1的周侧设置有由若干水泥搅拌桩2围成的封闭的水泥搅拌桩墙，所述薄壁钢筋混凝土空心桩1和水泥搅拌桩墙之间充注有由水泥浆和土体构成的注浆土体4，所述薄壁钢筋混凝土空心桩1下端设有封闭空心桩底部的桩端钢筋混凝土厚板11，所述桩端钢筋混凝土厚板下部为由水泥浆和土体构成的桩底注浆土体13。

如图2所示，所述薄壁钢筋混凝土空心桩1的桩壁外侧面设置为直径大小不同的台阶式，即薄壁钢筋混凝土空心桩1的靠近桩底的桩身外直径较大，而中部以及上部桩身外直径较小，直径大小不同的桩身在相交处形成桩壁台阶10，所述桩壁台阶10处的宽度为10～20cm，即较大的桩身半径比较小的桩身半径大10～20cm。

如图2、3所示，所述薄壁钢筋混凝土空心桩1的管壁中预置有彼此联通的水平注浆孔5和竖向注浆孔6；所述竖向注浆孔6沿薄壁钢筋混凝土空心桩1的环向在桩壁中设置有多个，且所述竖向注浆孔6向上沿薄壁钢筋混凝土空心桩1的管壁内部延伸至桩顶，向下延伸至薄壁钢筋混凝土空心桩1的桩壁外侧面的台阶10处或台阶10的上侧；所述水平注浆孔5沿薄壁钢筋混凝土空心桩1的长度方向设置并形成多个注浆层，每个注浆层中的水平注浆孔5均沿着薄壁钢筋混凝土空心桩1的环向排布。

如图2、3所示，所述薄壁钢筋混凝土空心桩1的底端设有刃脚9，所述刃脚倾角β为45°～60°。所述薄壁钢筋混凝土空心桩1在所述刃脚9的上方设有用于与封底混凝土即桩端钢筋混凝土厚板11相配合的凸榫8(所述凸榫也称为凸隼)，所述凸榫8自上而下设置有多层，每层凸榫8均形成环状。

下面结合附图对本发明中的建造方法做详细说明。

首先，在薄壁钢筋混凝土空心桩1施工前，如图1所示，沿桩基四周施工水泥搅拌桩2，并形成封闭的水泥搅拌桩墙。

对于长度较长的薄壁钢筋混凝土空心桩1，可按以下方式制作所述薄壁钢筋混凝土空心桩1，采取现场分节制作、多次下沉的施工方案。

其一，可以在设计桩位处现场浇筑并逐节接高；

其二，也可以在工厂分节预制，现场拼装接高，如图4所示，两节空心桩的竖向钢筋14用直螺纹连接器15连接，空心桩接头处安装定型模板17，通过混凝土灌注孔16灌注快硬高强自密实混凝土，完成接桩；

其三，也可以将空心桩沿高度和周长方向分割成多个块件22分别在工厂预制，在现场拼接成管型的空心桩1，如图5所示，每个块件22之间采用高强弯螺栓23连接，并在相邻块件22之间和高强弯螺栓23周围的空隙内压注水泥浆形成整体。

薄壁钢筋混凝土空心桩1的首节空心桩的制作高度由薄壁钢筋混凝土空心桩1的平面尺寸确定，主要为了保证制作和下沉时平稳，不致偏斜，还应具有足够的自重，以满足下沉需要。除首节空心桩外，其他各节段空心桩的结构形式均相同，每节空心桩的高度由薄壁钢筋混凝土空心桩1直径、施工工艺、下沉要求综合确定。

然后，在施工现场确定的桩位处，由下至上铺筑砂垫层和承垫木，砂垫层采用级配良好的中粗砂，分层填筑，分层振实；铺设承垫木时，应使薄壁钢筋混凝土空心桩1的刃脚9踏面处在同一水平面上，承垫木平面布置要均匀对称，铺完承垫木和定位垫木后，应按拟定抽取次序对承垫木编号。

将首节空心桩安置在承垫木上，然后分区、依次、对称、同步、分组抽取承垫木并及时用砂或砂卵石回填抽出承垫木时所产生的空挡，当薄壁钢筋混凝土空心桩1的首节空心桩下侧的承垫木全部抽出(或部分被切断)后，薄壁钢筋混凝土空心桩1在自重作用下下沉；至薄壁钢筋混凝土空心桩1因阻力过大停止下沉时，开始桩内取土作业，以减小桩基土体对薄壁钢筋混凝土空心桩1的首节空心桩的下沉阻力；当薄壁钢筋混凝土空心桩1的首节空心桩沉至顶面露出地面1m时，停止下沉，准备接高下一节空心桩。在空心桩下沉过程中应经常观测刃脚9的标高，当薄壁钢筋混凝土空心桩1下沉速度较快时应进行连续观测，发现偏斜时应立即止沉并进行纠偏。

具体的，前述桩内取土作业是在沉桩时，利用机械或人工等方法挖出或吸出薄壁钢筋混凝土空心桩1内的土体，对于前段空心桩可采用排水后取土，当下沉穿过透水性高的土层或因排水而产生流沙或管底土体隆起失稳时，采用水下取土作业。

在薄壁钢筋混凝土空心桩1的首节空心桩下沉时，应及时向因桩壁台阶10产生的空心桩壁与周围土体之间的空隙内回填洁净的中粗砂，形成砂套，减小土体摩阻力，避免空心桩周边土体坍塌。

薄壁钢筋混凝土空心桩1的首节空心桩下沉至接高位置后，在下节空心桩连接前，向薄壁钢筋混凝土空心桩1的已沉节段内回填黄砂，提高地基承载力，保证薄壁钢筋混凝土空心桩1接高时的稳定性，避免产生突沉或过大变形。

薄壁钢筋混凝土空心桩1接高时，已下沉的空心桩应尽可能正位直立，若有偏斜应做好纠偏，保证空心桩垂直度偏差在允许的范围内。接高施工时应注意以下几点：

(1)薄壁钢筋混凝土空心桩1的接高节段的中轴线应与已下沉部分的中轴线重合；

(2)薄壁钢筋混凝土空心桩1的接高结合面上应预留凹凸缝或止水带，以防空心桩下沉到位后管壁渗漏；

(3)浇筑接高混凝土前，应凿除结合面浮浆和松动的混凝土，将结合面清理干净；

(4)接高空心桩立模时，模板应支撑在已下沉的空心桩上，不得支撑在地面上，以免产生差异沉降破坏新浇筑的混凝土。

重复上述工步，采用桩内挖土，桩外壁填砂，并辅以喷气作业，至桩身沉至设计位置。

具体地，前述喷气作业是沉桩时，利用薄壁钢筋混凝土空心桩1桩壁上的水平注浆孔5和竖向注浆孔6对薄壁钢筋混凝土空心桩1的桩壁外侧的土体喷气，在薄壁钢筋混凝土空心桩1的外壁与土体之间形成气幕，以减小两者之间的摩擦阻力。

当薄壁钢筋混凝土空心桩1下沉到位后，向薄壁钢筋混凝土空心桩1底部放入封底钢筋笼12，向薄壁钢筋混凝土空心桩1底部水下灌注法浇筑桩端钢筋混凝土厚板11，以封闭空心桩底部。

采用高压旋喷法向薄壁钢筋混凝土空心桩1和水泥搅拌桩2之间压注水泥浆。

所述封底钢筋笼12上固设有桩底注浆管7，所述桩底注浆管7上设有单向注浆阀；通过所述桩底注浆管7向桩端钢筋混凝土厚板11下面压注水泥浆形成桩底注浆土体13。

最后，从薄壁钢筋混凝土空心桩1下段至上段依次通过桩壁上的水平注浆孔5和竖向注浆孔6对薄壁钢筋混凝土空心桩1的桩壁外侧注浆，注浆量以充满空心桩与水泥搅拌桩墙之间的土体(含砂套)为准，形成注浆土体(含砂套)4，最终得到超大直径空心独立复合桩基础。

本发明的超大直径空心独立复合桩基础通过薄壁钢筋混凝土空心桩1、水泥搅拌桩2以及桩周注浆土体4与桩底注浆土体13共同承载。

其中，薄壁钢筋混凝土空心桩1的承载力qu通过下式计算：

qu＝qsu+qpu＝ηs(u2∑λqiλiqsilsi+λp1nqp1ap1)+λp2ηpqp2ap2

其中：u2＝πd；

式中：qsu为大直径管桩桩侧承载力；qpu为大直径管桩桩端承载力；λqi为大直径管桩桩侧第i层搅拌土层的桩侧阻力增强系数；ηs为大直径管桩的桩侧阻力尺寸效应系数；λi为搅拌桩桩侧的第i层土的桩侧阻力发挥系数；u2为搅拌桩围成一圈形成的大圆外环面的周长；qsi为原状土第i层土的极限侧阻力标准值；lsi为桩体穿越第i层土的长度；λp1为搅拌桩桩端单桩承载力发挥系数；n为搅拌桩的根数；qp1为单根搅拌桩桩端土层极限承载力标准值；ap1为单根搅拌桩的横截面面积；ηp为大直径管桩的桩端阻力尺寸效应系数；λp2为大直径管桩桩端阻力增强系数；qp2为大直径管桩桩端极限承载力标准值；ap2为大直径管桩的外环面积；d1为单根水泥搅拌桩的直径；d2为管桩端部外环面的直径；d为搅拌桩围成一圈形成的大圆的外环面直径。