专利名称：一种带桩肩的桩及其桩基施工方法
技术领域：
本发明涉及一种带桩肩的桩基结构及桩位锪铣成孔技术。
背景技术：
高桩承台结构的水工建筑物，具有结构简单，砂、石料用量少，而且结构为透空式，对波浪反射作用小，易于靠泊，泊稳条件好；由于该结构施工中挖泥较少，因此对自然环境影响及破坏较小，而被广泛应用于码头建设中。桩基础受力具有承载能力强，对水深的适应性强等特点。港口工程中大量采用混凝土预制桩、钢质预制桩，在某些基岩埋深较浅的地质基础上，采用钻孔灌注桩或嵌岩桩。所谓嵌岩桩就是先在桩位上施打预制桩(也称为钢护筒)，然后再进行桩内的钻孔、清渣，类似于钻孔灌注桩的工艺进行施工。该类桩以端载桩的性质为主，但由于桩身入泥、入岩有一定的深度，桩壁摩阻力也占有相当的比例。传统的预制桩桩基施工是依靠重力锤、振动锤或静压的方法使桩身挤入基础中，使之具有一定的承载能力。根据桩在地基基础中承载形式和受力机理，以桩身外表面与土体之间的摩擦力为承载主体的桩基，称之为摩擦桩。摩擦桩为获得足够的承载力，该类桩身一般入土较深，桩身因此都比较长。常适用于基岩埋藏深，覆盖层为淤泥、淤泥质土、粘土、老粘土、沙层等地质结构中；以桩基的端部作为持力层(主要是支撑在基岩上)上支撑主载荷的桩基，称之为端承桩。该类桩大多以钻孔灌注桩的方法进行施工，也有采用先施打预制桩，然后再采用桩孔内再钻孔的工艺，灌注混凝土而形成嵌岩桩。该类桩基适合于基岩埋深较浅，且基岩较坚硬的地质结构。而在基岩裸露的海床、浅基岩地区、砂岩、珊瑚礁盘或其他基岩地质，传统的摩擦型桩基的施工方法基本不可行，而采用以端承载为主的嵌岩桩，也非常困难，锤击沉桩桩基入土极少，也难以自稳，即使采取其他手段使桩基稳定，且因桩基入土极少造成抗拔能力有限，施工难度很大，效率较低，而且工程造价极高。特别是在类似珊瑚礁盘一类的松软“基岩”上，由于基岩本身的强度有限，基岩压缩性较大，甚至孔隙较多，在这类基岩上进行预制打入桩施工，桩侧土粘结力受到破坏而致使岩土体强度变低，同时水平抗力也没有提高，造成桩不仅施工较难而且承载能力弱。而以端承载为主的嵌岩桩由于桩径断面的面积有限，基岩强度低而无法可靠承载桩基传递的载荷。因此按常规的设计、施工可选的只有最原始的钻孔灌注桩，但钻孔灌注桩施工效率比较低、耗用资源多、施工作业面大，辅助作业工序多、对环境污染大，在海工条件下较少采用，更无法适应高效、快捷、大范围的施工以及岛礁快速成岛施工的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种适用于非坚硬基岩地质结构的一种的桩。本发明的另一目的在于就用上述桩的一种桩基基础的施工方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案:一种带桩肩的桩，其具有一柱形桩身及一从桩身外表面垂直于桩身轴线向外延伸的盘形桩肩，所述桩肩设置于桩身的下半部分。通过桩肩平面将上部载荷传递比桩身断面面积更大的地基基础上，充分发挥基础的承载能力。作为优选方案，所述桩肩具有直径较小的上底面、直径较大的下底面、从下底面外边缘向上延伸形成的圆周面及连接于上底面外边缘与圆周面上边缘的斜面。所述桩身的横断面为圆形或方形或规则多边形，即桩可以为方柱桩，也可以是圆柱桩。作为一种实施方式，所述桩基结构为钢筋混凝土桩，且桩身与桩肩为整体浇注成形。例如，所述桩身为一次浇筑成形的钢筋混凝土桩，在桩身的桩肩所处位置预留有从桩身外表向外延伸的钢筋，再后烧轮形成桩肩。所述桩肩上底面之上为上桩身，桩肩下底面之下为下桩身，所述上桩身为一次浇筑成形的上部钢筋混凝土桩，所述桩肩与下桩身为共同浇筑成形的下部钢筋混凝土桩，上部钢筋混凝土桩的底部预留有向下延伸的钢筋，下部钢筋混凝土桩的顶部预留有向上延伸的钢筋，上、下部钢筋混凝土桩在预留钢筋位置对接后浇砼成形为带桩肩的桩。作为另一种实施方式，所述桩身由整体钢管构成，钢质材料制成的所述桩肩具有一圆形平台，圆形平台的中心设有可容桩身穿过的穿孔，桩身贯穿过所述穿孔，圆形平台的上表面设置有若干垂直于圆形平台表面并从圆形平台表面延伸至桩身外表面的斜肋。又或者，所述桩身由位于桩肩之上的上段钢管和桩肩之下的下段钢管续接而成，所述桩肩为钢质材料制成，具有一圆形平台，圆形平台的中心设有可容桩身穿过的穿孔，桩肩通过所述穿孔套设固定于上桩身或下桩身，圆形平台的上表面设置有若干垂直于圆形平台表面并从圆形平台表面延伸至桩身外表面的斜肋。一种桩基施工方法，其包括以下步骤:在钻杆上安装钻头，在基岩上钻桩孔，桩孔孔径与桩身外径公称尺寸相等，达到动配合或过盈配合的精度要求；在钻杆上安装锪、铣刀头，对已钻桩孔上方的基岩面进行锪、铣切削加工形成一大于桩肩孔径的沉孔形承载平台；利用起吊设备将如上任一所述的桩基结构安放入桩孔，桩肩位于承载平台内；在桩孔底部、桩身外壁与桩孔内壁之间、桩肩与承载平台的基岩平面之间进行压力灌注水泥沙浆，对桩肩的上方浇筑水下混凝土，覆盖桩肩及承载平台外周的基岩部位。为增加粧与地基基础之间的连接强度，提闻综合承载能力，在粧肩以下的粧身部分之外壁预留竖向直槽、沿桩肩以下桩身部分之外壁开设向下螺旋状延伸的竖向螺旋槽或环向槽或径向槽、在桩肩下表面开设环向或径向槽及固结孔。通过在桩身上的设置盘型桩肩，扩大了桩基与地基基础之间接触面，充分发挥地基基础的承载能力。该桩基主要分下桩身、盘型桩肩、上桩身三部分，盘型桩肩结构固定在上、下桩身之间，上桩身与下桩身也可是一条完整体。下桩身为入岩部分，并兼有定位、导向、锚固等功能，下桩身的头部制造时可以考虑一小段长度加工成小锥体，以便吊装时起引导作用，改善工艺性；盘型桩肩的下平面与桩轴线垂直，承担把上桩身载荷传递到地基基础的作用；上桩身顶部与水工建筑物上部结构连接，承担把上部结构的载荷传递到盘型桩肩的功能。本发明通过锪铣工艺在基岩上精加工出的沉台平面与预制桩肩平面的紧密接触，能够扩大桩基作用在地基基础上的承载面积，可靠的传递桩基上部结构的载荷到基岩上。本发明通过下桩身外径与钻孔孔径有配合精度的要求，提高桩的抵抗上拔力和抵抗水平力的效果。本发明也可通过在下桩身外径与钻孔孔径、盘型桩肩平面与基岩上切削加工出的沉台平面之间余留的径向、轴向槽孔，进行压力灌注水泥沙浆，提高桩的抵抗上拔力和抵抗水平力的效果。本发明也可通过在桩肩盘和其相邻周围的基岩上覆盖水下混凝土，提高桩基结构的力学综合性能。本发明充分发挥了具有一定承载能力，但非坚硬岩石的地质结构的功效。由于施工中减少或不需进行码头基床的大量开挖，最大限度的保护海洋环境、岛礁生态。因施工工序简单，投入的大型水上施工船机设备少，成孔工序机械化程度、作业效率高，能耗较少。并有桩身结构简单、受力合理、桩身耗用材料少等特点。本发明的这种带桩肩的桩基结构特别适合与基岩埋深较浅、基岩裸露、基岩强度较低的如:珊瑚礁盘、砂岩、钙质岩等地质结构上的桩基。该技术进行桩位成孔，机械化程度高，桩位定位精度高，质量好，能够快速优质的形成高桩码头的桩基基础，满足海洋施工环境下，特别是在地材比较奇缺的外海珊瑚岛礁盘进行快速、大面积的成岛施工。本发明充分发挥了具有一定承载能力的地质结构的功效，减少或不需进行码头基床的大量开挖。桩位成孔的工序少，节约能源、施工效率高、桩身材料耗用仅为普通桩的30 50%，并可以最大限度的保护海洋环境、岛礁生态。
图1是带桩肩预制桩的结构及钻、锪铣成孔技术示意图。图2是水上施工平台的平面布置图。 图3是沉桩工艺示意图。图4是带桩肩的预制混凝土桩结构示意图，其中图4a是整体预制桩结构示意图；图4b是后浇桩肩结构的预制桩结构示意图，其中图4bl为桩肩预留钢筋；图4b2为后烧轮桩肩；图4c是对接上桩体的预制桩结构示意图，其中图4cl为对接前的带肩下桩体和分离式上桩体；图4c2为对接后的预制桩。图5是带桩肩的钢质桩结构示意图，其中图5a是整体桩身加焊桩肩的预制桩结构示意图，其中图5al是焊前的桩身与桩肩；图5a2是焊后的带粧肩的粧；图5b是分体组装钢质预制桩结构示意图，其中图5bl是组装前的桩身与桩肩；图5b2是组装后的桩身与桩肩。图6是桩壁注浆及桩肩覆盖水下混凝土示意图。其中，1、水上平台2、支撑桩腿3、纵移轨道4、回旋钻机5、钻机台车6、钻杆7、钻孔8、钻头9、锪削刀头10、承载平台11、已安装带桩肩的桩12、待沉预制桩13、起重机14、上桩身15、桩肩16、下桩身17、整体桩身18、桩肩预留钢筋19、后浇砼桩肩20、带肩下桩身21、桩身对接预留钢筋22、分离式上桩身23、后浇砼对接头24、整体钢管桩身25、钢质桩肩26、钢质下桩身27、钢质上桩身28、砼桩壁压注水泥浆29、竖向槽压浆槽30、压浆孔道31、桩肩压浆槽32环型压浆槽 33、基岩34、覆盖水下砼
具体实施例方式先预制带桩肩的桩，桩的结构如图4及图5图所示。如图4a所示为整体浇注成形的带桩肩的钢筋混凝土桩，其具有一柱形桩身及一从桩身外表面垂直于桩身轴线向外延伸的盘形桩肩15,所述桩肩设置于桩身的下半部分，桩身与桩肩为整体浇注成形。所述桩肩上底面之上为上桩身14，桩肩下底面之下为下桩身16。作为优选的方式，桩肩15具有直径较小的上底面、直径较大的下底面、从下底面外边缘向上延伸形成的圆周面及连接于上底面外边缘与圆周面上边缘的斜面。本例中的桩身为圆柱桩，实际应用中也可以根据实际情况采用方形或其它横断面形状的柱形柱身。如图4bl和4b2所示，为另一种钢筋混凝土桩，其桩身17为一次浇筑成形的钢筋混凝土桩，在桩身的桩肩所处位置预留有从桩身外表向外延伸的钢筋18，再后浇砼形成桩肩。如图4cl和4c2所示，为另一种钢筋混凝土桩，桩肩与下桩身为共同浇筑成形的带肩的下部钢筋混凝土桩19，上部钢筋混凝土桩22的底部预留有向下延伸的钢筋21，下部钢筋混凝土桩19的顶部预留有向上延伸的钢筋20，上、下部钢筋混凝土桩在预留钢筋位置对接后浇砼，钢筋所在部分浇砼成形为后浇砼对接头23。如图5a所不为一种钢质桩,其桩身24由整体钢管构成,钢质桩肩25具有一圆形平台，圆形平台的中心设有可容桩身穿过的穿孔，桩身贯穿过所述穿孔，圆形平台的上表面设置有若干垂直于圆形平台表面并从圆形平台表面延伸至桩身外表面的斜肋。如图5b所示为一种组装型钢质桩，其桩身由钢质上桩身27、钢质下桩身26组成，桩肩25为钢质材料制成，具有一圆形平台，圆形平台的中心设有可容桩身穿过的穿孔，桩肩通过所述穿孔套设固定于上桩身或下桩身，圆形平台的上表面设置有若干垂直于圆形平台表面并从圆形平台表面延伸至桩身外表面的斜肋。将桩身部件及桩肩焊接组装。桩基施工如附图1及图2所示:水上施工平台I通过支撑桩腿2在待钻桩孔位上就位，施工平台I上安装有供钻机纵移轨道3，回旋钻机4通过GPS或全站仪引导，准确定位、锁位于纵移轨道3上。首先使用钻机4夹持钻杆6在基岩上采用钻头8进行钻孔，钻孔到设计深度后取下钻杆，然后换装带锪、铣刀头9的钻杆，利用已钻孔7作导向定位，对已钻孔的上方进行用锪、铣切削，精确加工出一个大于钻孔孔径的沉孔形式的承载平台10 ;也可采用带钻、锪刀盘的组合刀具，一次完成钻、锪工艺进行成孔。如附图3所示:在基岩上成孔后，进行清孔作业，清除孔内及锪铣平台上的切削岩渣。移开施工平台上的回旋钻机到边上，然后利用平台上的起重设备13或其他水上浮吊，从驳船上起吊带承载桩肩的预制混凝土桩(钢质桩)12，安放进入桩孔。在有需要时，可采用轻度静压法、小能量锤击法等工艺辅助沉桩到位。如附图4所示:带桩肩的预制混凝土桩12，其结构由上桩身14、桩肩15、下桩身16组成，其制造方法如前所述，在此不再赘述。为满足桩基有较高的抗拔强度要求，设计中可考虑下桩身26 (16、24、20)与桩孔之间有配合精度要求，可采用轻度静压、小能量锤击等工艺将该类桩基沉桩到位。如附图6所示:为增加桩身与地基基础之间的连接强度，增强桩基整体的综合承载能力、抗拔强度，下桩身、桩肩盘面在预制和加工时，预留竖向槽压浆槽29、竖向大角度螺旋槽、环向压浆槽32 (也可在桩孔、桩孔承台上预留)、桩肩压浆槽31、固结孔等，辅以在下桩身与桩壁、桩肩平面与基础承载面之间进行压力灌注水泥沙浆的工艺，增强整个桩身与地基基础的固接强度；为增强桩基的综合抗力、抗腐蚀性和耐久性能，可在桩肩盘体的上面浇注水下混凝土覆盖整个桩肩，进一步提高桩基的综合力学性能、整体可靠性，抗腐蚀、抗氯离子侵蚀的性能，增加结构的耐久性。
权利要求
1.一种带桩肩的桩，其特征在于:具有一柱形桩身及一从桩身外表面垂直于桩身轴线向外延伸的盘形桩肩，所述桩肩设置于桩身的下半部分。
2.根据权利要求1所述的带桩肩的桩，其特征在于:所述桩肩具有直径较小的上底面、直径较大的下底面、从下底面外边缘向上延伸形成的圆周面及连接于上底面外边缘与圆周面上边缘的斜面。
3.根据权利要求1所述的带桩肩的桩，其特征在于:所述桩身的横断面为圆形或方形或规则多边形。
4.根据权利要求1所述的带桩肩的桩，其特征在于:所述桩基结构为钢筋混凝土桩，且桩身与桩肩为整体浇注成形。
5.根据权利要求2所述的带桩肩的桩，其特征在于:所述桩身为一次浇筑成形的钢筋混凝土桩，在桩身的桩肩所处位置预留有从桩身外表向外延伸的钢筋，再后浇砼形成桩肩。
6.根据权利要求2所述的带桩肩的桩，其特征在于:所述桩肩上底面之上为上桩身，桩肩下底面之下为下桩身，所述上桩身为一次浇筑成形的上部钢筋混凝土桩，所述桩肩与下桩身为共同浇筑成形的下部钢筋混凝土桩，上部钢筋混凝土桩的底部预留有向下延伸的钢筋，下部钢筋混凝土桩的顶部预留有向上延伸的钢筋，上、下部钢筋混凝土桩在预留钢筋位置对接后浇砼成形为带桩肩的桩。
7.根据权利要求1所述的带桩肩的桩，其特征在于:所述桩身由整体钢管构成，钢质材料制成的所述桩肩具有一圆形平台，圆形平台的中心设有可容桩身穿过的穿孔，桩身贯穿过所述穿孔，圆形平台的上表面设置有若干垂直于圆形平台表面并从圆形平台表面延伸至桩身外表面的斜肋。
8.根据权利要求1所述的带桩肩的桩，其特征在于:所述桩身由位于桩肩之上的上段钢管和桩肩之下的下段钢管续接而成，所述桩肩为钢质材料制成，具有一圆形平台，圆形平台的中心设有可容桩身穿过的穿孔，桩肩通过所述穿孔套设固定于上桩身或下桩身，圆形平台的上表面设置有若干垂直于圆形平台表面并从圆形平台表面延伸至桩身外表面的斜肋。
9.一种桩基施工方法，其特征在于包括以下步骤: 在钻杆上安装钻头，在基岩上钻桩孔，桩孔孔径与桩身外径公称尺寸相等，达到动配合或过盈配合的精度要求； 在钻杆上安装锪、铣刀头，对已钻桩孔上方的基岩面进行锪、铣切削加工形成一大于桩肩孔径的沉孔形承载平台； 利用起吊设备将权利要求1 8任一所述的桩基结构安放入桩孔，桩肩位于承载平台内； 在桩孔底部、桩身外壁与桩孔内壁之间、桩肩与承载平台的基岩平面之间进行压力灌注水泥沙浆，对桩肩的上方浇筑水下混凝土，覆盖桩肩及承载平台外周的基岩部位。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于设置以下结构中的至少一种或几种的组合:在桩肩以下的桩身部分之外壁预留竖向直槽、沿桩肩以下桩身部分之外壁开设向下螺旋状延伸的竖向螺旋槽或环向槽或径向槽、在桩肩下表面开设环向或径向槽及固结孔。
全文摘要
本发明公开了一种带桩肩的桩，其具有一柱形桩身及一从桩身外表面垂直于桩身轴线向外延伸的盘形桩肩，所述桩肩设置于桩身的下半部分。本发明还公开了采用这种桩的桩基施工方法。本发明的这种带桩肩的桩基结构特别适合与基岩埋深较浅、基岩裸露、基岩强度较低的地质结构上的桩基。该技术进行桩位成孔，机械化程度高，桩位定位精度高，质量好，能够快速优质的形成高桩码头的桩基基础，满足海洋施工环境下，特别是在地材比较奇缺的外海珊瑚岛礁盘进行快速、大面积的成岛施工。
文档编号E02D5/48GK103195053SQ201310139329
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者陆红, 胡利文, 李耕, 郑远斌, 王小平, 居治安, 董勇 申请人:中交第四航务工程局有限公司