本发明涉及一种桥梁支撑结构及其施工方法，具体涉及一种套筒连接装配式桩基及其施工方法。
背景技术：
目前的预应力混凝土管桩(phc)以其强度高、成桩质量易检测、经济、便于施工现场快速拼装等特点，在我国建筑工程领域应用十分广泛。但管桩基础也有其缺点：(1)桩身截面面积较小，抗弯和抗剪性能较弱；(2)由于混凝土自重较大，单节桩长不宜过长，多接头的构造会降低其整桩的承载能力；(3)沉桩过程容易出现偏桩(接桩不对中)情况，导致桩身受弯开裂，甚至出现断桩；(4)采用了预应力钢筋施工工艺，使施工过程复杂；(5)接桩采用现场焊接，对现场环境和施工队伍的要求高，且接头处容易生锈，影响桩基的耐久性；(6)桩基抗震能力较差，主要适用于抗震设防烈度较低的地区。
桩基础是桥梁工程中应用最多的基础形式。桥梁桩基础除了要承受上部结构重量、荷载(汽车荷载、人群荷载)和桩身自重等竖向荷载，还要承受顺桥向的行车制动力、温度作用、风力、地震力、土压力和动水压力等水平荷载，此外，桥梁工程自重在其全部重量中所占的比例较大，对桩基承载能力的要求大。可见桥梁桩基对其抗弯、抗剪承载能力、抗震性能以及构件整体性的要求要远大于一般建筑工程对桩基要求。因此，当前的phc管桩基础尚不能满足桥梁结构对桩基的要求，限制了其在公路或铁路桥梁工程中应用。
钢筋混凝土钻孔灌注桩基施工是目前桥梁工程应用最多的成桩形式，尽管钻孔灌注桩的施工工艺较成熟，但对于一般的中小跨径桥梁而言，采用现场钻孔并浇注混凝土的施工方案，往往导致施工周期长、施工人员劳动量大、质量难以保证和造成环境污染等问题，而装配式桩基拼装施工技术能较好的解决以上问题，符合我国装配式建筑发展的要求。
钻孔灌注桩施工质量控制点多,控制面广,而且,施工质量控制过程模糊性大,很多质量控制点无法做到“眼见为实”,所以钻孔灌注桩的施工质量可控性的难度要远大于uhpc管桩。uhpc管桩的施工质量可控性远远大于钻孔灌注桩的施工质量可控性。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种套筒连接装配式桩基及其施工方法,它具有高承载能力和强耐久性，可使桥梁桩基实现轻型装配式施工，并可使桥梁、建筑工程或其他含有桩基的工程的施工质量更可靠、施工过程更快捷且更加环保。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种套筒连接装配式桩基，包括分块预制的若干节桩身、一个桩尖和一个桩帽，所述若干节桩身通过全灌浆套筒接桩装置和半灌浆套筒接桩装置首尾连接组成一个整体，所述半灌浆套筒接桩装置预埋在首节桩身的一端部，所述全灌浆套筒接桩装置预埋在除末节外的第二节及其以后的若干节桩身的一端，第二节及其以后的若干节桩身的另一端预留有伸入到全灌浆套筒接桩装置和半灌浆套筒接桩装置内的纵向带肋钢筋；所述桩尖和桩帽分别安装在首节和末节桩身的端部，所述桩尖与首节桩身采用整体浇筑的方式连接，所述桩帽与末节桩身采用现场浇筑的方式连接；所述桩身、桩尖均由超高性能混凝土和钢筋笼浇筑而成；中间节段的所述桩身采用全灌浆套筒接桩装置连接，首节和第二节的所述桩基身采用半灌浆套筒接桩装置连接。
桩身采用超高性能混凝土材料在工厂预制而成，利用超高性能混凝土材料(uhpc)的高强度、高韧性和超强的抗拉性能，uhpc桩身材料的抗拉强度为15mpa～40mpa、抗压强度150mpa～200mpa，其承载能力是传统管桩的5倍以上，uhpc桩身承载力一般可由桩身混凝土强度来控制，并可穿透较厚密实的砂层及黏土层，可解决管桩穿透密实砂层、粘土层问题，还可使管桩竖向抗压承载力得到充分发挥，在桩基础工程中更具明显的优势；取消了传统管桩的预应力钢束，采用普通带肋的纵向带肋钢筋代替，从而方便了采用灌浆套筒接桩装置来完成上节段桩身和下节段桩身之间的连接，桩身的连接面均为打磨平整的结构。
作为上述技术方案的进一步改进：相邻两节所述桩身的连接处设有桩端板，桩端板上预留有若干个漏斗形的纵筋插入孔。
进一步的，所述纵向带肋钢筋的直径不小于28mm，保证纵向带肋钢筋的直径较大，进而保证桩身的强度较高，利于提高桩身的抗弯承载能力。
进一步的，所述纵向带肋钢筋的锚固长度不小于8倍的纵向带肋钢筋直径，保证伸入到全灌浆套筒接桩装置和半灌浆套筒接桩装置中的纵向带肋钢筋的长度较长，保证桩身连接处的可靠性和强度均较高。
进一步的，所述钢筋笼包括普通螺旋箍筋和纵向设置的带肋钢筋，纵向设置的带肋钢筋沿桩身管壁环形排布，并与半灌浆套筒接桩装置进行机械式连接，与全灌浆套筒接桩装置进行无灌浆套接。
进一步的，所述半灌浆套筒接桩装置包括半灌浆连接套筒、半灌浆套筒环状导管、机械连接件，所述半灌浆套筒环状导管设置在半灌浆连接套筒的端部，半灌浆连接套筒内灌充有uhpc灌浆料，所述机械连接件位于半灌浆连接套筒的一端；纵向带肋钢筋伸入到半灌浆连接套筒内；半灌浆连接套筒包括含有竖向导管的进出浆口半灌浆连接套筒和不含竖向导管的非进出浆口半灌浆连接套筒，一个所述进出浆口半灌浆连接套筒与若干个非进出浆口半灌浆连接套筒交叉设置，所述竖向导管的一端伸入到进出浆口半灌浆连接套筒内，另一端分别伸出进出浆口半灌浆连接套筒，所述竖向导管的插入端与半灌浆套筒环状导管所在位置不在同一端。
进一步的，所述全灌浆套筒接桩装置包括全灌浆连接套筒和全灌浆套筒环状导管，所述全灌浆套筒环状导管设置在全灌浆连接套筒的端部，全灌浆连接套筒内灌充有uhpc灌浆料，所述纵向带肋钢筋伸入到全灌浆连接套筒内；所述全灌浆连接套筒包括含有竖向导管的进出浆口全灌浆连接套筒和不含竖向导管的非进出浆口全灌浆连接套筒，一个所述进出浆口全灌浆连接套筒与若干个非进出浆口全灌浆连接套筒交叉设置；所述竖向导管的一端伸入到进出浆口全灌浆连接套筒内，另一端伸出进出浆口全灌浆连接套筒，所述竖向导管的插入端与全灌浆套筒环状导管所在位置不在同一端。
全灌浆套筒接桩装置和半灌浆套筒接桩装置内的各个灌浆连接套筒的钢管筒体为内带肋式无缝钢管；全灌浆套筒接桩装置和半灌浆套筒接桩装置内没有专门的溢浆管，而是以竖向导管作为溢浆口，灌浆完成以后，以导管处溢浆为标志停止灌浆，与桩身等长的竖向导管和钢筋一起预埋在桩身，桩基拼接时通过纵筋导管插入孔随钢筋插入全灌浆套筒接桩装置和/或半灌浆套筒接桩装置中的进出浆口灌浆连接套筒内，待所有桩基打到设计位置之后从进浆口的竖向导管处开始灌浆，待出浆口的竖向导管处溢浆则停止灌浆,能更大的提高灌浆的密实度。
一种套筒连接装配式桩基的施工方法，采用上述的套筒连接装配式桩基，具体操作包括以下步骤：
a：沉桩：预制好的桩身运抵现场，在已定位好的桩基中心位置，通过打桩机施工垂直向下的压力，使桩基下沉后，并使首节桩身和桩尖沉桩到位；
b：接桩：将第二节桩身垂直吊至首节桩身的上方并缓慢下降，通过将第二节桩身预留的纵向带肋钢筋插入到首节桩身预埋的半灌浆套筒接桩装置内，完成首节桩身与第二节桩身的连接，待第二节桩身打入设计位置时将第三节桩身预留的纵向带肋钢筋插入到第二节桩身预埋的全灌浆套筒接桩装置内，中间节及末节的所有桩身连接方式与第二节桩身的接桩方式相同，完成所有桩身的连接，再用打桩机打入相应的设计位置；
c：灌浆：向全灌浆套筒接桩装置和半灌浆套筒接桩装置内灌入uhpc灌浆料；
d：桩帽现浇：桩身全部连接完成以后，利用打桩机继续沉桩到设计深度，然后在末节桩身的顶部绑扎钢筋和立模板，进行桩帽现浇施工，桩帽安装完成以后即完成了整个桩基的施工。
上述各部件的预制过程为：
a1：钢模制作及混凝土材料配比的确定：根据桥梁结构设计图纸中桩基的设计参数，分别制作桩身、桩尖、桩帽等构件的预制钢模，全灌浆套筒和半灌浆套筒采用无缝钢管材料，同时设计出超高性能混凝土材料的配合比；
b1：绑扎钢筋笼：将纵向带肋钢筋与螺旋箍筋绑扎在一起形成钢筋笼，并将钢筋笼放入设计好的预制钢模中；
c1：首节桩身预埋半灌浆套筒接桩装置：对桩尖相对的首节桩身的另一端预埋半灌浆套筒接桩装置；使半灌浆套筒接桩装置一端与首节桩身的纵向带肋钢筋进行机械连接，半灌浆套筒接桩装置的另一端预埋纵向带肋钢筋；
d1：其余节桩身预埋全灌浆套筒接桩装置和纵向带肋钢筋：预埋全灌浆套筒接桩装置时，全灌浆套筒接桩装置设置在中间桩桩身的上端，全灌浆套筒接桩装置的下端与本节桩身的纵向带肋钢筋进行不灌浆套接，其上端则与桩端板进行对接，并预留后一节桩桩身的纵向带肋钢筋的插入孔；
e1：桩身的预制与养护：根据前期准备的超高性能混凝土材料的配合比配制出符合要求的超高性能混凝土材料，并灌注到前面准备好的预制钢模中，再将带模板的桩身放入离心槽中进行离心形型，最后把经过离心成型的桩身放入蒸养池中进行高温高压蒸养，达到设计强度以后进行脱模，此时桩身预制完成。
进一步的，步骤c中的具体灌浆过程为：所有桩身连接好之后，由末节桩身内预埋的竖向导管口开始灌浆，使其内的灌浆液流入下一节桩身预埋的进出浆口全灌浆连接套筒，再通过进出浆口全灌浆连接套筒的尾端预埋的竖向导管，使其灌浆液流入下一节桩身的全灌浆连接套筒内，以此工艺直至灌浆液流入首节桩身预埋的进出浆口半灌浆连接套筒，当灌浆液流入首节桩身内的进出浆口半灌浆连接套筒时又通过首节桩身内的半灌浆套筒环状导管流入非进出浆口半灌浆连接套筒，待首节桩身内的半灌浆连接套筒全部灌注密实之后再从下往上通过上一节桩身内的全灌浆套筒环状导管使其上一节桩身内的非进出浆口全灌浆连接套筒灌注密实，以此回灌的方法直至所有的全灌浆套筒接桩装置和半灌浆套筒接桩装置内全部灌浆密实。
进一步的，步骤b中灌浆套筒接桩装置的具体使用方法为：第二节桩身的纵向带肋钢筋通过首节桩身上部预埋的桩端板上的漏斗形的纵筋插入孔快速准确的插入到首节桩身端部的半灌浆套筒接桩装置中，把第二节桩身打入设计位置，将第三节桩身的纵向带肋钢筋通过第二节桩身上部焊接的桩端板上的漏斗形的纵筋插入孔快速准确的插入到第二节桩身端部的全灌浆套筒接桩装置中，再通过向全灌浆套筒接桩装置和半灌浆套筒接桩装置中灌浆，实现纵向带肋钢筋的固定，依次类推，完成其他剩余中间节桩身的接桩，进而完成接桩过程。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的套筒连接装配式桩基采用可预制的若干节桩身，通过若干节桩身采用首尾连接，可进行施工现场完成装配，并采用了全/半灌浆套筒接桩装置进行不同节段桩身之间的连接，直接利用了桩身端部预留的纵向带肋钢筋进行锚固，能使桩身节段之间的连接更牢固，不仅可以省掉传统钢板焊接接桩的流程，还可以有效避免焊缝处后期生锈导致接桩失效的风险，可使桥梁桩基实现轻型装配式施工，并可使桥梁、建筑工程或其他含有桩基的工程的施工质量更可靠、施工过程更快捷且更加环保；
2、本发明的套筒连接装配式桩基的桩身采用了超高性能混凝土和钢筋笼工厂预制浇筑而成，既可利用超高性能混凝土材料(uhpc)的超高强度、高韧性和超强的抗拉性能的特点，一方面，可以克服普通管桩在桥梁工程应用中承载能力不足、容易开裂和断桩等问题，从而取消了传统管桩的预应力钢束，大大简化了管桩的施工工艺；另一方面，利用其轻型超高的优点来进行装配式施工，可以解决传统钻孔灌注桩施工周期长、劳动量大、质量难以保证和造成环境污染等问题，本发明的桩身结构与传统钻孔灌注桩比，可以大量减少混凝土的用量，减轻桩基的自重，可降低桩基的建设成本，保证桥梁桩基在高腐蚀性环境的耐久性，还可减小使用期的维护维修；
3、本发明的套筒连接装配式桩基的桩身超高性能混凝土(uhpc)的基础上配置了普通钢筋笼，利用螺旋箍筋进一步增强uhpc材料的抗拉性能以及管桩的抗剪承载能力，大直径纵筋则在提高桩身的抗弯承载能力的同时，还可以利用钢筋的销栓作用提高桩接头处的水平抗剪切能力，大大增加了装配式桩基础的整体性能；
4、本发明的套筒连接装配式桩基的桩身可利用超高性能混凝土(uhpc)具有高致密性的特点，使桩身的抗腐蚀等耐久性指标均较普通混凝土有较大提升，能够很好地适应各种恶劣环境，大大扩展了桩基在桥梁工程中的应用范围；
5、本发明的套筒连接装配式桩基的施工方法采用了桩身、桩尖工厂预制，其中桩身采用了分块预制，桩帽现场浇筑的方式，具有施工周期短、施工工艺简单、不易造成环境污染等问题；
6、本发明的套筒连接装配式桩基的施工方法采用首节桩身先打入设计位置，然后通过半灌浆套筒接桩装置将第二节桩身与首节桩身进行连接，再把第二节桩身打入设计位置，然后通过全灌浆套筒接桩装置再进行第二节及其后面的若干节桩身的连接，以此来完成桩身的全部连接，最后由最上端的末节桩身统一灌浆，这样相对于传统的拼装之后就立即灌浆工艺有着避免在灌浆之后再打桩会对灌浆有扰动甚至是破坏的优点；而传统的拼装之后就立即灌浆的工艺还需要等灌浆液固化达到设计强度才能进行打桩工序，从而可以节省施工时间，提高施工质量。
附图说明
图1是本发明具体实施例1中套筒连接装配式桩基的结构示意图；
图2是本发明图1中a-a剖视放大图；
图3是本发明图1中b-b剖视放大图；
图4是本发明图1中c-c剖视放大图；
图5本发明具体实施例1中的桩端板的结构示意图；
图6是本发明的具体实施例1中含有进出浆口全灌浆连接套筒的全灌浆连接套筒的结构示意图；
图7是本发明的具体实施例1中含有进出浆口半灌浆连接套筒的半灌浆套筒接桩装置的结构示意图；
图8是本发明的具体实施例1中含有非进出浆口全灌浆连接套筒的全灌浆连接套筒的结构示意图；
图9是本发明的具体实施例1中含有非进出浆口半灌浆连接套筒的半灌浆套筒接桩装置的结构示意图；
图10是本发明的具体实施例2中的套筒连接装配式桩基的结构示意图。
图例说明：
1、桩身；2、桩尖；3、桩帽；4、全灌浆套筒接桩装置；41、全灌浆连接套筒；411、进出浆口全灌浆连接套筒；412、非进出浆口全灌浆连接套筒；42、全灌浆套筒环状导管；5、半灌浆套筒接桩装置；51、半灌浆连接套筒；511、进出浆口半灌浆连接套筒；512、非进出浆口半灌浆连接套筒；52、半灌浆套筒环状导管；53、机械连接件；6、纵向带肋钢筋；7、钢筋笼；8、桩端板；81、纵筋插入孔；9、uhpc灌浆料；10、竖向导管。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
实施例1：
如图1至图9所示，一种套筒连接装配式桩基，包括分块预制的三节桩身1、一个桩尖2和一个桩帽3，所述三节桩身1通过全灌浆套筒接桩装置4和半灌浆套筒接桩装置5首尾连接组成一个整体，所述半灌浆套筒接桩装置5预埋在首节桩身1的一端部，所述全灌浆套筒接桩装置4预埋在第二节桩身1的一端，第二节、第三节桩身1的另一端预留有伸入到全灌浆套筒接桩装置4和半灌浆套筒接桩装置5内的纵向带肋钢筋6；所述桩尖2和桩帽3分别安装在首节和末节桩身1的端部，所述桩尖2与首节桩身1采用整体浇筑的方式连接，所述桩帽3与末节桩身1采用现场浇筑的方式连接；所述桩身1、桩尖2均由超高性能混凝土和钢筋笼浇筑而成；中间节段的桩身1采用全灌浆套筒接桩装置4连接，首节和第二节的桩身1采用半灌浆套筒接桩装置5连接。本实施例中，相邻两节桩身1的连接处设有桩端板8，桩端板8上预留有若干个漏斗形的纵筋插入孔81。
本实施例中，纵向带肋钢筋6的直径不小于28mm，保证纵向带肋钢筋6的直径较大，进而保证桩身的强度较高，利于提高桩身的抗弯承载能力。
本实施例中，纵向带肋钢筋6的锚固长度不小于8倍的纵向带肋钢筋直径，保证伸入到全灌浆套筒接桩装置4和半灌浆套筒接桩装置5中的纵向带肋钢筋6的长度较长，保证桩身连接处的可靠性和强度均较高。
本实施例中，钢筋笼7包括普通螺旋箍筋和纵向设置的带肋钢筋，纵向设置的带肋钢筋沿桩身1管壁环形排布，并与半灌浆套筒接桩装置5进行机械式连接，与全灌浆套筒接桩装置4进行无灌浆套接。
本实施例中，半灌浆套筒接桩装置5包括半灌浆连接套筒51、半灌浆套筒环状导管52、机械连接件53，半灌浆套筒环状导管52设置在半灌浆连接套筒51的端部，半灌浆连接套筒51内灌充有uhpc灌浆料9，所述机械连接件53位于半灌浆连接套筒51的一端；纵向带肋钢筋6伸入到半灌浆连接套筒51内；半灌浆连接套筒51包括含有竖向导管10的进出浆口半灌浆连接套筒511和不含竖向导管10的非进出浆口半灌浆连接套筒512，一个所述进出浆口半灌浆连接套筒511与若干个非进出浆口半灌浆连接套筒512交叉设置，所述竖向导管10的一端伸入到进出浆口半灌浆连接套筒511内，另一端分别伸出进出浆口半灌浆连接套筒511，所述竖向导管10的插入端与半灌浆套筒环状导管52所在位置不在同一端。
本实施例中，所述全灌浆套筒接桩装置4包括全灌浆连接套筒41和全灌浆套筒环状导管42，所述全灌浆套筒环状导管42设置在全灌浆连接套筒41的端部，全灌浆连接套筒41内灌充有uhpc灌浆料9，所述纵向带肋钢筋6伸入到全灌浆连接套筒41内；所述全灌浆连接套筒41包括含有竖向导管10的进出浆口全灌浆连接套筒411和不含竖向导管10的非进出浆口全灌浆连接套筒412，一个所述进出浆口全灌浆连接套筒411与若干个非进出浆口全灌浆连接套筒412交叉设置；所述竖向导管10的一端伸入到进出浆口全灌浆连接套筒411内，另一端伸出进出浆口全灌浆连接套筒411，所述竖向导管10的插入端与全灌浆套筒环状导管42所在位置不在同一端。
本实施例中，全灌浆套筒接桩装置4的两端和半灌浆套筒接桩装置5的一端还包括竖向导管10，竖向导管10的一端分别伸入到半灌浆连接套筒51和全灌浆连接套筒41内，另一端分别伸出半灌浆连接套筒51和全灌浆连接套筒41，竖向导管10的插入端与半灌浆套筒环状导管52和全灌浆套筒环状导管42所在位置不在同一端。
一种套筒连接装配式桩基的施工方法，采用上述的套筒连接装配式桩基，具体操作包括以下步骤：
a：沉桩：预制好的桩身1运抵现场，在已定位好的桩基中心位置，通过打桩机施工垂直向下的压力，使桩基下沉后，并使首节桩身1和桩尖2沉桩到位；
b：接桩：将第二节桩身垂直吊至首节桩身的上方并缓慢下降，通过将第二节桩身1预留的纵向带肋钢筋6插入到首节桩身1预埋的半灌浆套筒接桩装置5内，完成首节桩身1与第二节桩身1的连接，待第二节桩身1打入设计位置时将第三节桩身1预留的纵向带肋钢筋6插入到第二节桩身1预埋的全灌浆套筒接桩装置4内，中间节及末节的所有桩身1连接方式与第二节桩身1的接桩方式相同，完成所有桩身1的连接，再用打桩机打入相应的设计位置；
c：灌浆：向全灌浆套筒接桩装置4和半灌浆套筒接桩装置5内灌入uhpc灌浆料9；
d：桩帽3现浇：桩身1全部连接完成以后，利用打桩机继续沉桩到设计深度，然后在末节桩身1的顶部绑扎钢筋和立模板，进行桩帽3现浇施工，桩帽3安装完成以后即完成了整个桩基的施工。
本实施例中，步骤c中的具体灌浆过程为：所有桩身1连接好之后，由末节桩身1内预埋的竖向导管10口开始灌浆，使其内的灌浆液流入下一节桩身1预埋的进出浆口全灌浆连接套筒411，再通过进出浆口全灌浆连接套筒411的尾端预埋的竖向导管10，使其灌浆液流入下一节桩身1的全灌浆连接套筒41内，以此工艺直至灌浆液流入首节桩身1预埋的进出浆口半灌浆连接套筒511，当灌浆液流入首节桩身1内的进出浆口半灌浆连接套筒511时又通过首节桩身1内的半灌浆套筒环状导管52流入非进出浆口半灌浆连接套筒512，待首节桩身1内的半灌浆连接套筒51全部灌注密实之后再从下往上通过上一节桩身1内的全灌浆套筒环状导管42使其上一节桩身1内的非进出浆口全灌浆连接套筒412灌注密实，以此回灌的方法直至所有的全灌浆套筒接桩装置4和半灌浆套筒接桩装置5内全部灌浆密实。
本实施例中，步骤b中灌浆套筒接桩装置的具体使用方法为：第二节桩身1的纵向带肋钢筋6通过首节桩身1上部预埋的桩端板8上的漏斗形的纵筋插入孔81快速准确的插入到首节桩身1端部的半灌浆套筒接桩装置5中，把第二节桩身1打入设计位置，将第三节桩身1的纵向带肋钢筋6通过第二节桩身1上部焊接的桩端板8上的漏斗形的纵筋插入孔81快速准确的插入到第二节桩身1端部的全灌浆套筒接桩装置4中，再通过向全灌浆套筒接桩装置4和半灌浆套筒接桩装置5中灌浆，实现纵向带肋钢筋6的固定，依次类推，完成其他剩余中间节桩身1的接桩，进而完成接桩过程。
实施例2：
如图10所示，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中，桩身变为两节(首节和末节)组成，两节桩身只采用半灌浆套筒接桩装置4，其结构中没有采用全灌浆套筒接桩装置5，其施工方法中也不存在全灌浆套筒接桩装置5的施工方法，其余结构与施工方法同例1。