一种具有桩侧自膨胀扩大器的预制管桩结构的制作方法

1.本实用新型属于桩基础工程领域，具体涉及一种具有桩侧自膨胀扩大器的预制管桩结构。


背景技术：

2.挤扩桩作为一种新桩型，通过沿桩身不同位置设置承力盘或分支，改变桩的荷载传递和受力机理，具有大幅增加桩基承载力、抗震性好、沉降变形小等优点。例如，申请号为cn201010264525.8的发明专利公开了一种预制挤扩桩及其施工方法与施工机械设备，施工方法包括以下步骤：将底部连接有桩塞的中空的预制桩沉入预定深度；移开桩塞，并将未凝结的桩体材料灌入中空的预制桩；使未凝结的桩体材料挤入中空的预制桩下部的土体中，形成桩底扩大段；重复上述步骤，直至桩底扩大段满足要求。该种桩型由于设置了桩底扩大段，因此大幅度提高了目前广泛应用的phc管桩、空心方桩等预制桩的端部承载力，可作为抗拔、抗压承载桩。
3.经过多年实践证明，挤扩桩技术可靠，经济效益显著，应用前景十分广阔。但挤扩桩通常只能应用于钻孔灌注桩，其桩身需要现场施工才能实现，存在施工工期较长，施工质量不易保证的缺陷。
4.预制管桩是在工厂中直接预制后进行现场打桩的桩型，预制管桩近年来使用范围越来越广泛，这取决于它制造流水化、运输方便、施工快速等优点，可以很大程度上降低成本。但是预制管桩的整体结构往往是预先在工厂中模板化加工而成的，在实际现场施工时很难进行调整，因此其存在灵活性差、无法适应于不同土质情况的问题。特别是对于深厚软土层分布广泛、对基础的承载力要求较高的软土地基，预制管桩往往无法具有充足的承载能力，因此难以适用于软土地基中。因此，如何将在预制管桩中灵活地根据实际场地情况调整桩基承载力，是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于解决现有技术中预制管桩无法灵活地根据实际场地情况调整桩基承载力的问题，并提供一种具有桩侧自膨胀扩大器的预制管桩结构。
6.本实用新型所采用的具体技术方案如下：
7.一种具有桩侧自膨胀扩大器的预制管桩结构，其包括预制管桩、桩侧自膨胀扩大器、桩靴和注液管道；
8.所述桩侧自膨胀扩大器同轴套于预制管桩的桩身上，桩靴安装于预制管桩的底部桩端上；
9.所述桩侧自膨胀扩大器包括同轴内外嵌套的内套筒和可扩径外套筒，内套筒底部具有突出可扩径外套筒底部的伸长段，且内套筒的内径大于所述预制管桩的外径，所述伸长段底部设有将内套筒环绕箍紧在预制管桩桩身上的卡箍；可扩径外套筒的底部与内套筒之间保持间隔且通过环形底板进行密封，可扩径外套筒、内套筒和环形底板共同围合形成
向上开口的环形槽；
10.可扩径外套筒由若干固定板和折叠组件交替拼接而成，且与环形底板之间构成转动连接；任意两块固定板之间设置一个折叠组件，每个折叠组件包含两块折叠板和三个铰接件，两块折叠板各自的内侧边之间通过一个铰接件转动连接，两块折叠板的外侧边分别通过一个铰接件与所在侧的固定板转动连接；可扩径外套筒上的每个折叠组件均具有折叠和展开两种形态，在折叠形态中两块折叠板被折叠于所述环形槽中，而在展开形态中两块折叠板平铺展开并与固定板处于同一倒置圆台的侧面上；
11.所述环形槽中填充有吸水能够膨胀的膨胀材料，且所有折叠组件均处于折叠形态时可扩径外套筒的底面直径大于顶面直径但小于桩靴的直径，所有折叠组件均处于展开形态时可扩径外套筒的顶面直径大于底面直径；所述内套筒上开设有贯通筒壁的溢浆口，且溢浆口的高度低于所有折叠组件均处于展开形态时的可扩径外套筒顶面高度；
12.所述注液管道沿预制管桩外部安装，且其底部出口伸入所述环形槽中。
13.作为优选，所述可扩径外套筒中，所述固定板呈等腰梯形，所述折叠板呈直角三角形，两块折叠板拼接成倒置的等腰三角形，且等腰梯形的腰长与等腰三角形的腰长相等；固定板与折叠板之间通过腰边拼接，所有固定板的底部通过铰接件贴合固定在环形底板的外圆周上；可扩径外套筒中的折叠组件初始均处于折叠形态，在受到沿预制管桩径向的推力时向外放倒扩展并转变为展开状态，从而实现可扩径外套筒顶部直径的扩大。
14.作为优选，所述铰接件为合页连接件。
15.作为优选，所述膨胀材料为吸水树脂。
16.作为优选，所述内套筒、可扩径外套筒和环形底板均采用刚性金属材料制成。
17.作为优选，所述内套筒中具有多个溢浆口，且各溢浆口绕筒体环向均匀分布。
18.作为优选，所述注液管道有多条，其顶部入口均伸出桩顶，而底部出口环向均匀分布于所述环形槽中。
19.作为优选，所述预制管桩为混凝土桩或钢桩。
20.作为优选，所述内套筒的顶部高度低于所有折叠组件均处于展开形态时的可扩径外套筒顶面高度。
21.作为优选，所述可扩径外套筒中每块固定板的底部通过铰接件与环形底板的外圆周转动连接。
22.本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
23.本实用新型在预制管桩的桩身上设置了桩侧自膨胀扩大器，在该桩侧自膨胀扩大器中通过可扩径外套筒、内套筒和环形底板共同围合形成向上开口的环形槽，并在环形槽中填充吸水能够膨胀的膨胀材料，通过向环形槽中注水，即可使膨胀材料吸水膨胀，推动可扩径外套筒向外打开扩展直径。进一步通过继续通过注液管道向环形槽中注入混凝土或水泥浆等形式的注浆浆液，使其充满环形槽和内套筒与预制管桩之间的环形间隙并固化后，即可形成桩身扩大结构。该桩身扩大结构能够提高预制管桩的承载能力和抗拔能力。本实用新型在预制管桩上采用挤扩桩原理形成了可变直径的桩身扩大结构，相对于常规扩底灌注桩，施工步骤少，耗时短，而且能对混凝土桩、钢桩等多种材料的预制桩进行适用。
附图说明
24.图1为一种具有桩侧自膨胀扩大器的预制管桩结构的示意图；
25.图2为桩侧自膨胀扩大器的结构示意图；
26.图3为桩侧自膨胀扩大器的剖面图；
27.图4为桩侧自膨胀扩大器处于折叠状态的俯视示意图；
28.图5为图4中的a位置放大图；
29.图6为桩侧自膨胀扩大器处于展开状态的俯视示意图；、
30.图7最终形成的预制管桩桩侧扩大结构示意图。
31.图中附图标记为：预制管桩1、桩侧自膨胀扩大器2、桩靴3、注液管道4、内套筒201、可扩径外套筒202、卡箍203、溢浆口204、膨胀材料205、环形底板206、固定板221、折叠板222、铰接件223。
具体实施方式
32.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。本实用新型各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
34.如图1所示，在本实用新型的一个较佳实施例中，提供了一种具有桩侧自膨胀扩大器的预制管桩结构，该预制管桩结构的基本结构单元包括预制管桩1、桩侧自膨胀扩大器2、桩靴3和注液管道4。下面分别对预制管桩1、桩侧自膨胀扩大器2、桩靴3和注液管道4各自的具体结构进行详细描述。
35.本实用新型中的预制管桩1可以为混凝土桩或钢桩等多种形式，具体根据实际工程需要选择，对此不做限制。桩靴3安装于预制管桩1的底部桩端上，可以通过焊接方式固定在预制管桩1的最底端，在管桩下沉施工过程中起引导和封堵作用，以免造成桩头破坏及桩身倾斜，并能较好得进入持力层。桩靴3的具体结构形式不限，可根据实际需要进行选择。
36.如图2和图3所示，桩侧自膨胀扩大器2是本实用新型中起到桩端承载能力的核心结构，该桩侧自膨胀扩大器2同轴套于预制管桩1的桩身上，其作用是能够在预制管桩1打入地基之后控制直径的伸展，从而形成类似扩大头结构。桩侧自膨胀扩大器2包括同轴内外嵌套的内套筒201和可扩径外套筒202以及连接两者的环形底板206。内套筒201底部具有突出可扩径外套筒202底部的伸长段，且内套筒201的内径大于预制管桩1的外径，使得内套筒201套在预制管桩1 上时能够形成一定的环形间隙。这部分环形间隙的作用是作为后续的注浆空间，利用注浆浆液来提高内套筒201与预制管桩1的结合强度，避免两者发生松动。但是由于内套筒201套在预制管桩1上时存在一定的环形间隙，但是这个环形间隙中的注浆采用的是后注浆工艺，在预制管桩1沉桩过程中需要临时对内套筒 201和预制管桩1进行固
定。因此，该内套筒201中，在伸长段底部设有将内套筒201环绕箍紧在预制管桩1桩身上的卡箍203。在桩侧自膨胀扩大器2套入预制管桩1之前，预先松开卡箍203，然后桩侧自膨胀扩大器2套入预制管桩1之后再箍紧卡箍203，使得内套筒201的底部紧密环绕在预制管桩1桩身外壁上，但是内套筒201的中上位置依然与预制管桩1桩身之间存在环形间隙，后续可向环形间隙中注浆，由于内套筒201底部与预制管桩1之间被卡箍203箍紧，因此浆液会蓄积在环形间隙中，固化后起到提高整体结合强度的作用。
37.另外，在该可扩径外套筒202中，其内套筒201直径是不变的，但是可扩径外套筒202则可调整其直径。因此，两者之间整体形成一种可变化的调整结构，其变化的动力来源于膨胀材料的吸水膨胀作用。因此，在该可扩径外套筒202 中需要设置一个空间来容纳膨胀材料。参见图3所示，可扩径外套筒202的底部与内套筒201之间保持间隔且通过环形底板206进行密封，可扩径外套筒202、内套筒201和环形底板206共同围合形成向上开口的环形槽。环形槽用于填充吸水能够膨胀的膨胀材料205。
38.可扩径外套筒202是在桩身上形成扩大部分的关键组件，其在初始状态下折合靠近内套筒201的外壁面，而需要扩大时可以利用高膨胀材料遇水膨胀的原理撑开从而实现扩径，最终形成倒圆台形式状的扩大头结构。因此可扩径外套筒 202必须满足能够实现直径扩大的功能，而且由于该扩大头结构需要承载荷载，因此其不能采用柔性材料，必须采用刚性材料制成。同时，为了实现扩大头直径的灵活控制，该可扩径外套筒202还需要具有能调节角度和直径大小的功能。下面对该可扩径外套筒202的具体实现结构和原理进行详细描述。
39.如图4和图5所示，可扩径外套筒202由若干固定板221和折叠组件交替拼接而成，且可扩径外套筒202的底部与环形底板206之间构成转动连接，在收到径向的外扩推力时会向外反转从而实现扩径。任意两块固定板221之间设置一个折叠组件，每个折叠组件包含两块折叠板222和三个铰接件223，两块折叠板222 各自的内侧边之间通过一个铰接件223转动连接，两块折叠板222的外侧边分别通过一个铰接件223与所在侧的固定板221转动连接。可扩径外套筒202上的每个折叠组件均具有折叠和展开两种形态。如图4所示，为折叠组件处于折叠形态的示意图，在折叠形态中，两块折叠板222被折叠于可扩径外套筒202、内套筒 201和环形底板206共同围合形成的向上开口的环形槽中，而在展开形态中两块折叠板222平铺展开并与固定板221处于同一倒置圆台的侧面上。
40.环形槽中填充有吸水能够膨胀的膨胀材料205，膨胀材料205的具体形式不限，只要能够在吸水后膨胀即可，在本实施例中优选采用吸水树脂(superabsorbent polymer，sap)。吸水树脂是一种新型功能高分子材料。它具有吸收比自身重几百到几千倍水的高吸水功能，并且保水性能优良，一旦吸水膨胀成为水凝胶时，即使加压也很难把水分离出来。因此，可通过向环形槽中进行注水来控制折叠组件的形态。如图6所示，展示了折叠组件处于展开形态的示意图，此时两块折叠板222向外展开，与两侧的固定板221形成了一个近似平滑的连续表面，此时可扩径外套筒202的顶部开口直径被扩大了。展开后的最大直径可通过对固定板221和折叠板222的具体形状尺寸进行优化来调整。
41.特别需要说明的是，上述图4和图5中，为了展示固定板221、折叠板222 和铰接件223的空间方位关系，对板体的边缘做了线条加粗显示，同时以圆点表示铰接件223所在位置，而图6中，未对线条进行加粗也未示出铰接件223所在位置。因此，这几张图并非完全标
准的六视图，仅仅是为了更好地区分各部件所作的示意图，实际的六视图空间方位关系可根据该示意图中的原理进行确定。
42.为了保证预制管桩1在沉桩过程中，桩侧自膨胀扩大器2不会受到周围土体过大的摩阻力，需要合理控制桩侧自膨胀扩大器2和桩靴3的尺寸。具体的要求分两方面：一方面，所有折叠组件均处于折叠形态时可扩径外套筒202的底面直径大于顶面直径但小于桩靴3的直径，由此保证整个桩侧自膨胀扩大器2呈上小下大的圆台形式并在沉桩过程中沿着桩靴3已开出的孔道下沉，不会与周围土体发生挤压；另一方面，所有折叠组件均处于展开形态时可扩径外套筒202的顶面直径大于底面直径，由此在沉桩后推动可扩径外套筒202扩大直径，使得桩身上形成一个扩大结构，从而提高桩身的承载力和抗拔能力。
43.上述环形槽中膨胀材料205的水是通过注液管道4后续加入的，注液管道4 需要沿预制管桩1外壁安装，且其底部出口伸入环形槽中。为了保证注水的均匀性，使得环向不同方位的膨胀材料205能够同步外扩，可设置多条注液管道4，各管道的顶部入口均伸出桩顶，而底部出口环向均匀分布于环形槽中。
44.另外，注液管道4除了向环形槽中注水之外，还需要起到注浆的作用，即将混凝土或者水泥浆液注入环形槽中。虽然膨胀材料205能够提供可扩径外套筒 202的外扩推力，但是其强度尚不足以承载桩身传递的荷载，因此需要对展开后的可扩径外套筒202提供径向的防止其收缩的支撑力。此时，可继续通过注液管道4注入混凝土或水泥浆等形式的注浆浆液，注浆浆液逐渐填充满环形槽。而为了使得内套筒201与预制管桩1外壁之间的环形间隙中也能够填充注浆浆液，可在内套筒201上开设有贯通筒壁的溢浆口204，且溢浆口204的高度低于所有折叠组件均处于展开形态时的可扩径外套筒202顶面高度。由此，环形槽中的注浆浆液填充过程中，当浆液液面达到溢浆口204位置时，会进一步通过溢浆口204 进入内套筒201与预制管桩1外壁之间的环形间隙中。待注浆浆液固化后，就形成了对可扩径外套筒202的径向支撑以及预制管桩1和桩侧自膨胀扩大器2之间的固定联结。当可扩径外套筒202受到荷载时依然能够维持其直径不变，从而提高预制管桩1的承载能力和抗拔能力。
45.上述内套筒201中的溢浆口204可以设置多个，且各溢浆口204绕筒体环向均匀分布，以提高浆液注入环形间隙的均匀性。进一步的，必要时还可以设置内套筒201的顶部高度低于所有折叠组件均处于展开形态时的可扩径外套筒202 顶面高度，从而时注浆浆液不仅可以通过溢浆口204进入，还可以直接从内套筒 201的顶部溢出进入环形间隙，提高注浆的效率。
46.可扩径外套筒202中，固定板221与折叠板222的具体形状可根据实际进行调整，以最终平铺展开后整个板体能够形成一个倒置圆台的侧面为准。如果要形成一个完整的倒置圆台侧面，固定板221应当是一个扇环形，而两块折叠板222 则应当拼接成一个扇形，且扇环形的侧边长于扇形的半径相同，使得两块固定板 221之间刚好能够通过填入两块折叠板222进行连续拼接。但是，在实际应用中，由于弧形的板体加工困难，而且由于后续混凝土或者水泥注浆浆液本身存在一定的粘滞系数，因此可扩径外套筒202并不一定要完整的倒置圆台侧面，存在缝隙时也可以蓄积注浆浆液。为了便于各板体的加工，在本实施例中，可扩径外套筒202采用的固定板221呈等腰梯形，而单块折叠板222呈直角三角形，两块折叠板222通过直角边对接的方式拼接成倒置的等腰三角形，且等腰梯形的腰长与等腰三角形的腰长相等。固定板221与折叠板222之间通过腰所在的边拼接，所有固定板221的底部也通过
铰接件223贴合固定在环形底板206的外圆周上，而折叠板262可以无需铰接在桩靴主体201的外周面上。可扩径外套筒202中的折叠组件初始均处于折叠形态，在受到沿预制管桩1径向的推力时向外放倒扩展并转变为展开状态，从而实现可扩径外套筒202顶部直径的扩大。
47.在本实施例中，折叠组件的三个铰接件223以及固定板221与环形底板206 铰接所需的铰接件223，都可以采用合页连接件。各铰接位置保持缝隙尽量小即可，只要不会导致注浆浆液贯通式流失，存在一定的缝隙也是允许的。
48.上述桩侧自膨胀扩大器2整体除了填充的膨胀材料205之外，其余组件内套筒201、可扩径外套筒202和环形底板206均可采用刚性金属材料制成，具体可采用钢、铁、铝等材料制作，优选采用钢材质。
49.上述具有桩侧自膨胀扩大器的预制管桩结构在实际施工过程中，可以先在地面上将桩侧自膨胀扩大器2套入预制管桩1的桩身上，将桩靴3焊接固定在预制管桩1底部，将注液管道4安装在预制管桩1桩侧壁并伸入桩侧自膨胀扩大器2 中的环形槽中，形成图1所示状态。然后通过锤击法或者静压法将携带桩侧自膨胀扩大器2和桩靴3的预制管桩1整体打入地基土层中，当到达指定深度后通过注液管道4向环形槽中注水，使膨胀材料205吸水膨胀，推动可扩径外套筒202 向外打开。该过程中两块折叠板222展开至与固定板221处于同一圆台面上，同时折叠板222和固定板221都绕着固定板221底部的铰接位置翻到，最终使整个可扩径外套筒202转变为展开状态，从而实现可扩径外套筒202顶部直径的扩大。但此时可扩径外套筒202的直径虽然扩大了，但尚不足以承载桩身传递的荷载，因此需要对展开后的可扩径外套筒202提供径向的防止其收缩的支撑力。此时，继续通过注液管道4向环形槽中注入混凝土或水泥浆等形式的注浆浆液，注浆浆液充满环形槽并通过溢浆口204进入环形间隙。待注浆浆液固化后，即可形成图 7所示的桩身扩大结构，该桩身扩大结构能够提高预制管桩1的承载能力和抗拔能力。
50.而且，在实际应用时，可通过调节环形槽中的膨胀材料205用量以及调节环形槽中的注水量来控制整个可扩径外套筒202的张开角度，进而灵活调整扩大结构的扩大直径。
51.以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。