桥梁大直径预制混凝土管柱基础及其施工方法与流程

本发明涉及桥梁基础施工结构技术领域。更具体地说，本发明涉及用于陆上桥梁大直径预制混凝土管柱基础及其施工方法。

背景技术：

随着我国经济快速发展，城市交通运输需求迅速增长，市政桥梁由于能够大幅度提高交通能力，缓解城市拥堵，在城市建设中应用越发广泛。市政桥梁的下部结构通常采用“钻孔灌注桩+承台+墩柱”的结构形式，灌注桩具有作业机械化，施工方便；钢筋笼和混凝土可集中加工、配送，作业方便；施工速度快，工艺成熟，施工过程安全可靠等优点，目前在桥梁基础中应用广泛。

目前，灌注桩的常用施工工艺主要有两种。第一种方法是泥浆护壁法，通过钻机设备(冲击钻、回旋钻、旋挖钻等)就地成孔灌注混凝土而成桩。钻孔时为防止坍孔用泥浆护壁。通过泥浆循环排除钻渣土屑，达到设计深度后清孔以排孔底沉渣。其施工过程包括平整场地、泥浆制备、埋设护筒、安装钻机并定位、钻进成孔、清孔及检孔、安装钢筋笼、浇筑水下混凝土。目前在高层建筑和桥梁等大型工程中大直径钻孔灌注桩多用此工艺施工，桩径多在2.5m以下。第二种方法是全套管施工法，其主要特点是采用全套管护壁，施工过程无需泥浆和清孔，利用摇动装置的摇动使钢套管与土层间的摩阻力减少，边摇动边压入，同时利用冲抓斗挖掘取土。一般施工过程是：平整场地、安装钻机、套管施工、钻进成孔、安装钢筋笼、浇筑混凝土、拉拔套管、检查成桩质量。

但是，城市桥梁下部结构“钻孔灌注桩+承台+墩柱”的结构形式，地层变形适应性差，路面沉降后外观影响严重，承台结构尺寸大影响桥下通行空间，且基础采用灌注桩存在结构施工材料消耗量大，成孔速度慢，施工工期长，施工质量管控难等问题；钻孔灌注桩的施工工艺也存在一定缺陷，施工泥浆和钻渣对周围的植被土壤、地表水和地下水造成严重污染，施工中存在较大施工噪声，水下混凝土浇筑质量难以保障，预制装配化程度低等。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供桥梁大直径预制混凝土管柱基础及其施工方法，通过预制大直径管柱，现场采用静压法配合小型绞吸式挖泥设备完成桥梁基础的装配式施工，施工后不需要承台，降低成本，缩短施工工期，预制装配化程度高，具有广泛的应用前景。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了桥梁大直径预制混凝土管柱基础，包括：管柱本体，其包括从下至上依次连接的管柱底段、多节标准管柱段和管柱顶段，所述管柱本体为内部中空的套筒结构且竖直位于土层中，所述管柱本体底部通过封底混凝土密封；连接段，其位于土层上且为实心结构，所述连接段下端连接管柱顶段、上端直接连接墩柱。

优选的是，所述管柱本体的直径为2～4m，壁厚为25～35cm，所述封底混凝土高度为2～5m。

优选的是，所述管柱底段内侧设置有带刃脚踏面的刃脚，所述刃脚外包覆刃脚钢板。

优选的是，所述管柱底段、多节标准管柱段和管柱顶段之间的连接采用焊接、法兰螺栓连接或机械接头连接。

优选的是，所述管柱本体为混凝土结构且混凝土内部设置双层加强钢筋。

本发明还提供一种桥梁大直径预制混凝土管柱基础的施工方法，包括如下步骤：

s1：采用不排水下沉工艺结合静压法下沉管柱底段；

s2：将第一节标准管柱段与管柱底段连接，同样采用不排水下沉工艺结合静压法下沉第一节标准管柱段；

s3：依次在第一节标准管柱段上连接第二节标准管柱段并采用不排水下沉工艺结合静压法下沉第二节标准管柱段，在第二节标准管柱段上连接第三节标准管柱段并采用不排水下沉工艺结合静压法下沉第三节标准管柱段......在第n-1节标准管柱段上连接第n节标准管柱段并采用不排水下沉工艺结合静压法下沉第n节标准管柱段；

s4：在第n节标准管柱段上连接管柱顶段并采用不排水下沉工艺结合静压法下沉管柱顶段；

s5：在管柱底段进行封底混凝土的施工；

s6：施工连接段。

优选的是，在步骤s1之前，先对需要施工的管柱本体进行分节，然后在预制厂对分节的管柱底段、多节标准管柱段和管柱顶段进行预制，最后运输至施工现场。

优选的是，不排水下沉工艺为通过绞吸式挖泥设备进行施工；静压法为在管柱上表面施加静压荷载；在软弱土层下只施加静压荷载；在基岩层下，在管柱上连接uhpc段，通过重锤锤击uhpc段辅助管柱下沉。

优选的是，步骤s6施工连接段具体方法为：在管柱顶段上安装底模板并绑扎连接段钢筋，然后安装连接段模板，最后进行连接段现浇施工。

优选的是，不排水下沉工艺中，排渣管竖直位于管柱基础的中心，所述排渣管下端设置有挖泥机构，其包括：

固定环，其内环通过多根连接杆连接于排渣管上且所述固定环恰好水平卡合于刃脚内侧的卡槽中；

转动套筒，其位于固定环下方且套设于排渣管外，所述转动套筒通过驱动机构驱动绕排渣管的中轴线转动；

外挖泥钻头，其为多个且沿排渣管的周向均匀间隔设置，所述外挖泥钻头通过水平固定于转动套筒上部的支撑杆连接，所述外挖泥钻头向下远离排渣管的中心倾斜设置；

内挖泥钻头，其为多个且沿排渣管的周向均匀间隔设置，所述内挖泥钻头通过固定于转动套筒下部的套环连接，所述内挖泥钻头也向下远离排渣管的中心倾斜设置。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)大直径预制混凝土管柱结构采用无承台形式，直接与墩柱连接，对地层沉降变形适应性强，且桥下通行空间大；

(2)预制混凝土管柱基础直径大，增加侧摩阻受力面积，能够充分发挥侧摩阻力和端阻力，提升基础竖向承载能力荷载，同时增加了管柱基础的稳定性；

(3)大直径管柱基础布置双层钢筋，提高混凝土强度，水平承载力大，抗弯性能强；

(4)管柱采用工厂预制，管柱质量有保障，且基础施工后在现场施工时无养护时间，可缩短建设工期，预制装配化程度高；

(5)管柱静压下沉过程种通过加载块重量的直观可控，从而通过施工静压荷载与压桩系数，可初步判断管柱基础竖向承载性能，管柱基础施工质量及承载性能有保障；

(6)预制混凝土管柱施工过程无需泥浆护壁，噪声低，施工过程绿色环保；

(7)预制混凝土管柱采用空心薄壁结构，节省钢材和水泥，造价较低，经济效益和社会效益明显,具有广泛的应用前景。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明管柱基础的结构示意图；

图2为本发明管柱底段下沉施工图；

图3为本发明标准管柱段下沉施工图；

图4为本发明管柱顶段下沉施工图；

图5为本发明封底混凝土施工图；

图6为本发明连接段施工图，

图7为本发明挖泥机构的结构示意图。

附图标记说明：

1、管柱底段，2、标准管柱段，3、管柱顶段，4、刃脚钢板，5、封底混凝土，6、连接段，7、墩柱，8、盖梁，9、基岩层，10、砂土层，11、软土层，12、挖泥机构，13、排渣管，121、固定环，122、支撑杆，123、外挖泥钻头，124、内挖泥钻头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种桥梁大直径预制混凝土管柱基础，包括：管柱本体，其包括从下至上依次连接的管柱底段1、多节标准管柱段2和管柱顶段3，所述管柱本体为内部中空的套筒结构且竖直位于土层中，所述管柱本体底部通过封底混凝土5密封；连接段6，其位于土层上且为实心结构，所述连接段6下端连接管柱顶段3、上端直接连接墩柱7。

在上述技术方案中，现有的管柱基础为多桩承台结构，多根混凝土现浇灌注桩需要通过承台连接墩柱7，墩柱7再连接盖梁8，另外现有的现浇混凝土灌注柱直径一般在2.5m以下，在某些施工中无法达到需要承载的性能，因此多桩承台结构需要承台作为连接。而本发明通过大直径预制混凝土管柱的结构形式，管柱本体分为多节段，管柱底段1、多节标准管柱段2和管柱顶段3提前预制，现场装配，不仅能达到装配式施工，提高现场施工的效率，还能实现直接连接墩柱7，采用无承台形式，扩大桥面下的通行空间，另外管柱本体采用空心薄壁结构，大大节省了钢材和水泥用量，成本降低，经济效益明显。连接段6为实心现浇混凝土结构，采用uhpc结构，用于连接管柱本体和上部的墩柱7。

在另一种技术方案中，所述管柱本体的直径为2～4m，壁厚为25～35cm，所述封底混凝土5高度为2～5m。根据承载力要求来合理设定管柱本体的直径和壁厚，另外根据具体的土质情况合理安排封底混凝土5的高度。

在另一种技术方案中，所述管柱底段1内侧设置有带刃脚踏面的刃脚，所述刃脚外包覆刃脚钢板4。管柱底段1设置刃脚，刃脚下设水平支撑面为刃脚踏面，刃脚踏面以上为刃脚斜面，均设在预制管柱底段1内侧，同时采用刃脚钢板4加固刃脚防止刃脚踏面损坏。

在另一种技术方案中，所述管柱底段1、多节标准管柱段2和管柱顶段3之间的连接采用焊接、法兰螺栓连接或机械接头连接。采用的连接结构须保证桩身质量，确保结构整体性以及抗剪性能等符合设计要求。另外机械接头可以为齿合式接头、卡扣式接头、灌浆套筒接头、螺纹接头，工字型接头等。

在另一种技术方案中，所述管柱本体为混凝土结构且混凝土内部设置双层加强钢筋。管柱本体在预制加工厂内分段匹配预制，每一节段混凝土内部均设置双层钢筋，提高混凝土强度，管柱节段的水平承载力以及抗弯强度。

如图2至6所示，桥梁大直径预制混凝土管柱基础的施工方法，包括如下步骤：

s1：采用不排水下沉工艺结合静压法下沉管柱底段1；管柱底段1采用不排水下沉工艺，在软弱土层主要通过加载静压，配合绞吸式挖泥设备，确保管柱底段1下沉过程平稳、均衡；管柱下沉过程发生偏斜时通过绞吸式设备挖泥调整；控制开挖过程管柱内水位，保持内外水位符合设计要求；管桩底段1下沉受阻时，根据实际情况加强桩内挖泥管理，同时调整桩内外水位差，管桩底段1下沉到指定标高后，卸除静压荷载；

s2：将第一节标准管柱段2与管柱底段1连接，同样采用不排水下沉工艺结合静压法下沉第一节标准管柱段2；管柱底段1下沉到设计高度时，现场吊装第一节标准管柱段2，与管柱底段1进行结构连接；管柱节段接高完成后，在第一节标准管柱段2上继续加载静压；

s3：依次在第一节标准管柱段2上连接第二节标准管柱段2并采用不排水下沉工艺结合静压法下沉第二节标准管柱段2，在第二节标准管柱段2上连接第三节标准管柱段2并采用不排水下沉工艺结合静压法下沉第三节标准管柱段2......在第n-1节标准管柱段2上连接第n节标准管柱段2并采用不排水下沉工艺结合静压法下沉第n节标准管柱段2；

s4：在第n节标准管柱段2上连接管柱顶段3并采用不排水下沉工艺结合静压法下沉管柱顶段3；多节标准管柱段2、管柱顶段3的连接和下沉工艺同管柱底段1下沉一致，主要利用绞吸式挖泥设备，挖除管柱基础前段的局部砂土减小管柱下沉侧摩阻力和端阻力，通过管柱自重及静压荷载来确保管柱节段的平稳下沉，如图2和图3所示的砂土层10和软土层11；管柱底段1入岩石层后，如图4所示的基岩层9中，采用重锤进行施打辅助下沉，确保符合设计标高和贯入度要求；为防止管柱顶部受锤击破坏，在管柱顶连接专用的uhpc段，管桩完成后拆除；

s5：在管柱底段1进行封底混凝土5的施工；如图5所示，管柱底标高符合设计要求后，拆除管柱底的绞吸式装置；安装混凝土浇筑导管，浇筑管柱基础封底混凝土5，提高管柱基础的端阻力。

s6：施工连接段6，如图6所示，在管柱顶段3上安装底模板并绑扎连接段6钢筋，然后安装连接段6模板，最后进行连接段6现浇施工；通过预埋螺栓安装基础和墩柱7的连接段6下的底模板，底模板无需回收，将管柱顶段3上的连接段6的钢筋按照设计要求布置成型，绑扎连接段6的钢筋；安装连接段6模板，浇筑管柱本体和墩柱7连接段6的混凝土；管柱本体与墩柱7连接段6施工完成后，进入桥梁墩柱7和盖梁8施工。

在上述技术方案中，首先进行预制混凝土管柱的首节管柱底段1的定位安装，管柱底段1下沉到位后，再进行标准管柱段2连接安装及下沉，最后施工预制管桩顶段3，管柱各节段的下沉施工可采用静压工艺，配合绞吸式挖泥技术，必要时通过安装专用uhpc管柱段配合采用锤击法辅助下沉。本发明施工方法，大直径桩基采用空心圆柱结构，能够充分发挥大直径桩基的侧摩阻力和端阻力特性；大直径预制管柱采用装配式施工工艺，施工便捷，功效高；成桩过程无需泥浆护壁，噪声低，具有施工周期短、省时省料、作业效率高、施工环保等优点。本发明施工方法适用于城市桥梁大直径管柱基础的施工。

在另一种技术方案中，在步骤s1之前，先对需要施工的管柱本体进行分节，然后在预制厂对分节的管柱底段1、多节标准管柱段2和管柱顶段3进行预制，最后运输至施工现场。

在上述技术方案中，通过验算结构抗弯合理划分管柱本体各节段长度，避开各节段连接处不是弯矩最大点即可。在预制加工厂进行预制各节段，然后运输至施工现场进行装配式施工。在施工前，对管柱基础施工区域进行场地平整，测量放线，确定预制管柱准确位置。管柱底段1预制完成后，运输至现场，通过设备起吊至设计位置，测量精准定位，确保管柱的平面位置和垂直度符合设计要求。安装绞吸式挖泥设备，绞吸式挖泥设备安装于管柱底段1下部，挖除预制管柱柱底土壤，减小管柱端阻力，桩底钻渣通过绞吸式设备排出孔外。

在另一种技术方案中，不排水下沉工艺为通过绞吸式挖泥设备进行施工；静压法为在管柱上表面施加静压荷载；在软弱土层如砂土层10和软土层11下只施加静压荷载；在基岩层9下，在管柱上连接uhpc段，通过重锤锤击uhpc段辅助管柱下沉。

在另一种技术方案中，如图7所示，不排水下沉工艺中，排渣管13竖直位于管柱基础的中心，所述排渣管13下端设置有挖泥机构12，其包括：固定环121，其内环通过多根连接杆连接于排渣管13上且所述固定环121恰好水平卡合于刃脚内侧的卡槽中；转动套筒，其位于固定环121下方且套设于排渣管13外，所述转动套筒通过驱动机构驱动绕排渣管13的中轴线转动；外挖泥钻头123，其为多个且沿排渣管13的周向均匀间隔设置，所述外挖泥钻头123通过水平固定于转动套筒上部的支撑杆122连接，所述外挖泥钻头123向下远离排渣管13的中心倾斜设置；内挖泥钻头124，其为多个且沿排渣管13的周向均匀间隔设置，所述内挖泥钻头124通过固定于转动套筒下部的套环连接，所述内挖泥钻头124也向下远离排渣管13的中心倾斜设置。

在上述技术方案中，通过将挖泥机构12和排渣管13结合起来，设备进行优化整合。固定环121可卡合于刃脚自带的内侧卡槽中，实现排渣管13位置的稳定，方便稳定挖泥排渣，固定环121可根据需要设置两个或多个；通过施工现场地面上的驱动机构连接转动套筒可驱动转动套筒转动，从而带动外挖泥钻头123和内挖泥钻头124转动，进而实现挖泥；外挖泥钻头123和内挖泥钻头124的结合，实现挖泥的充分，提高挖泥效率，另外，内挖泥钻头124与竖直方向的倾斜锐角小于外挖泥钻头123与竖直方向的倾斜锐角，内挖泥钻头124主要向下挖进，而外挖泥钻头123向外侧扩张挖进。

结合武汉某市政高架桥基础设计条件，本发明的管柱基础与现浇灌注桩达到的承载力等整体性能一样时，混凝土用量对比如下表所示：

在一般地质条件下，本发明的管柱基础与现浇灌注桩达到的承载力等整体性能一样时，虽然本发明的预制管柱基础直径较大造成单次开挖方量增加，但现场施工无需进行基础浇筑及养护施工，施工效率大幅提升。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。