专利名称：一种复合摩擦桩的结构及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种作为建筑物深基础的桩，特别是一种可以用于填海地区、存在高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞的土层的复合摩擦桩的结构及其施工方法。
背景技术：
目前采用的预制摩擦桩，多数为锤击式施工方法，振动、噪音及结构破坏程度、损耗都相当高。普通纯混凝土灌注桩的承载力由于受桩身现浇混凝土强度低的影响而不能充分利用钻孔所能提供的最大承载力，而且对缩颈、断层的危害没有足够的免疫力，所以设计安全系数就必须大于其它桩型，无形之中提高了建造成本。中国专利申请号为97242911.5公开了一种建筑基础水泥土硬芯复合桩，该复合桩是在预制桩或管桩周围，牢牢地包裹着一层1-120CM厚的水泥土，形成以预制桩或管桩为硬芯，而以水泥土为外桩的共同受力的复合桩。该复合桩适合使用于土层具有较大粘性的地质环境，但是有些地区具有较厚松软砂质土层或有高流动性地下水或有溶洞的环境，例如香港等沿海地区，其地下以砂性土及淤泥表土为主，在这些地下土质的环境下，该97242911.5专利很难达到其预想的技术效果，其原因是在地表下一定的深度处，由于松软砂质土层或有高流动性地下水或有溶洞的影响，从上入口灌入到孔内的水泥土在松软砂质土层或有高流动性地下水或有溶洞处被冲走，造成钻孔灌注桩发生局部漏浆、断层、缩颈时令整桩承载力丧失。另外，无法在该处灌水泥土，由于该技术方案对上述土质层无任何防御能力，它只适合于优良粘土地区。另外灌入孔内的水泥土的质量和力学特性也难以数量化分析。
即使有人希望采用钻孔加预制桩的复合方法施工，也只是从节省水泥用量做为出发点，例如在填充材料中使用工业废渣或碎石等环保材料或以水泥土作为填充材料，此种复合桩施工方法若遇到容易塌孔的土层则多以泥浆护壁方法施工籍以降低钻孔周围水、土向孔内的压力差、阻止塌孔发生，然而在孔壁上的泥浆是否对成桩的正向摩擦力产生不良影响仍是一个不确定因素，但如此施工必然会对环境造成较大的泥浆污染和工期的拖长，在环境保护要求严格、地盘面积小和人工成本较高的地方将会造成极大的不便。填充材料中使用的工业废渣在沿海地区含盐量高或有不同化学成份的地下水腐蚀下，其化学性质及力学性能在其寿命中是否可以保持稳定状态，尚无全面、可靠的理论及经验数据。
发明内容
本发明的目的是公开一种复合摩擦桩的结构，该复合摩擦桩的结构可以用于填海地区、存在高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞土层的地区。
本发明的另一目的是公开一种复合摩擦桩的施工方法，该施工方法可以用于填海地区、存在高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞土层的地区构筑摩擦桩。
本发明的复合摩擦桩的结构是这样来实现的，该复合摩擦桩的结构包含有土孔、长条形预制构件、填充材料，预制构件位于土孔的中间，预制构件周围包裹有填充材料，其特征在于在土孔和预制构件之间设有具有一定长度的护筒，在该护筒与预制构件之间灌注填充材料。
所述的护筒的长度与土孔的深度相同。
所述的护筒的长度短于土孔的长度，所述的护筒的长度短于土孔的深度，其底端部离开土孔底部一定的距离。
在所述的护筒内的一定垂直位置设有一个或多个短于土孔的永久护筒，该永久护筒覆盖存在高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞的土层范围，所述护筒将会全部拔出。
所述的护筒为钢筒。
所述的永久护筒为钢筒或其它材料制成的筒状构件。
所述的预制构件，可为预制钢筋混凝土实心或空心构件；也可以是预应力钢筋混凝土实心或空心构件；或空心构件内现场灌以填充材料。所述的预制构件还可以是埋入钢筋的组合构件，其截面可以是圆形或任意多边形。为增加与填充材料的结合力，所述预制桩可以加工成各种凹凸表面。
如上所述的预制构件，既可以是各种单一的型钢，也可以是由多个型钢、钢板拼装成的组合截面，也可以是钢管混凝土构件。
如上所述的填充材料既可以是混凝土，也可以是纯水泥浆或水泥砂浆，及采用各种添加剂的上述填充材料或当地建筑规范认可的其它填充材料。
本发明复合摩擦桩的施工方法是这样实现的1)首先在预定桩位采用各种适当的钻孔方法在地下钻入设计深度的土孔一般有采用螺旋钻头、高频率冲击钻头等等钻孔方法或它们的组合)，2)钻孔的同时放入一定长度的护筒，该护筒以阻挡流沙、塌孔和溶洞造成的桩周土松弛或漏浆等等不良影响；3)然后在该土孔的内部置入较小直径的、长条形的预制构件，4)在护筒与长条形预制构件之间灌入高黏结力填充材料，5)最后是待上述填充材料硬化到一定程度后，开挖基坑制作桩头。
在完成上述步骤2)的同时，可以同时放入比护筒尺寸小，并事先固定于预制构件上的永久护筒。该永久护筒的长度将大于容易产生流沙、塌孔和有溶洞土层的厚度并覆盖上述土层的整个范围。
在完成上述步骤4)和5)之间，增加以下步骤，即缓慢抽出护筒，根据需要可以只抽出护筒的一部分，将剩余一部分留在土孔中做永久护筒；在上述步骤之后，必要时可在有负摩擦力的松散土层与预制构件之间灌入普通回填材料或特制桩土隔离材料以减小桩身有效直径及负摩擦面积。
在完成上述步骤4)之后，必要时可在有负摩擦力的松散土层与预制构件之间灌入普通回填材料或特制桩土隔离材料以减小桩身有效直径及负摩擦面积。
所述的步骤3置入预制构件的方法是采用整体一次置入、分段置入、先灌注填充材料后置入或先置入预制构件后灌注填充材料，还可以同时进行置入预制构件和灌注填充材料，也可以采用多次沉桩到位方法将预制构件放入土孔中。
在所述的步骤4中灌入高黏结力填充材料时，即执行灌浆工序的同时或完成后，可以在上述预制构件顶部上施加静压或许可的锤击方法使桩底与孔底原状土的结合更加紧密或使上述预制构件进入更加密实的土层，也可以对上述预制构件施加振动或其它振捣方法使填充材料更加密实。
在步骤4灌入填充材料是采用压力或无压力灌注，可以从孔底开始，边灌注边提升灌浆管方法，或一直在孔底灌注；所述的填充材料可以灌满土孔，也可以局部填充本发明还提供了一种形成预钻孔-灌浆-预制构件的复合桩施工方法，包括如下步骤a.预定的桩位钻孔至设计桩底标高，同时带入一定长度的临时钢护筒；b.按照设计要求对孔底进行以加强桩端土体承载力为目的的工序，如压力灌浆、夯实、扩底等等。
c.在该孔内置入预制构件及灌浆管至孔底或悬空一定距离；若使用较小直径的永久护筒，则把该护筒固定在预制构件相应的位置，一起放入孔中。
d.灌浆至有负摩擦力土层的底部或全部灌满，缓慢抽出临时钢护筒，必要时留下一部分在孔中做永久护筒；e.必要时待灌浆材料硬化到一定程度，实施二次沉桩，逼使灌浆材料渗入土层孔隙，加强桩、土结合力。
f.待灌浆材料硬化到一定强度时，开挖基坑制作桩头。
采用在带有临时钢护筒的预钻孔内全部或局部灌注水泥浆或水泥砂浆或混凝土的方法，使位于钻孔内的预制构件与土孔可靠地黏结在一起，从而充分利用了预制构件小直径和高强度的优良力学特性及灌浆材料与周围土体的高渗透力和高黏结力，依此提高成桩的承载力，并避免了普通现场灌注桩发生局部断层时令整桩承载力丧失的危险。
该施工方法提供一种免震动、免噪音、减小污染、减小负摩擦力、免钢筋笼而又不增加建造成本，甚至降低建造成本的复合结构桩及其形成该桩段的的施工技术，使得普通钻孔灌注桩的土孔承载力和桩身承载力得以最大匹配、施工程序大大简化，地盘工作量和用料都得以减少。设计参数和方法更加可靠、成熟。使复合桩除能承受压力荷载外还能承受较大的拉力和水平力。
本发明中的预制构件强度高，截面尺寸小，除可有效降低负摩擦力外，还可减小桩承台的尺寸；预制构件、灌浆材料、临时钢护筒和永久护筒在孔内的长度、竖向位置可以按照设计随意调整，在土层条件差的位置设置防线，所以可有效保护钻孔及填充材料不受恶劣土质和地下水流冲蚀或溶洞漏浆影响，从而使复合桩的施工质量得以充分保障，适用范围大大扩展；即使出现灌浆材料的周围出现局部颈缩、断层，由于受力预制构件不会受到影响，所以桩身的承载力可以完好无损。
若采用二次沉桩可以提高填充材料与桩周土之间的压力，加强正向摩擦力。预制构件采用预制(包括预应力)钢筋混凝土构件或钢管混凝土构件，以及型钢桩，其在孔中竖向位置没有严格要求，开料准确度要求宽松，因而损耗低，可以充分利用预制构件；本发明的填充材料使用普通水泥浆、水泥砂浆或混凝土，不限定使用工业废渣、水泥土、碎石等非工厂化产品，使复合桩的施工适合于任何商业城市及人工相对较高的地区；管状预制构件也不采用加土塞或异型构件可以加快施工速度减少出错机会。
整桩所有构件都能工业化大量生产，甚至填充材料也可以做到商品化(如商品混凝土、商品水泥砂浆等等)，故能进行标准化设计、成桩质量可靠、方便施工、降低成本。填充材料与土孔壁之间的正向摩擦力计算参数，香港地区已经有多年的成功经验，设计、施工方法成熟。
以下结合附图，通过具体实施例，对本发明作进一步说明。
图1是本发明复合桩第一实施例的整桩剖面图；图2是图1中沿A-A线的断面放大图；图3是图1中沿B-B线的断面放大图；图4是图1中沿C-C线的断面放大图；图5是本发明复合桩第二实施例的整桩剖面图；图6是图5中沿D-D线的断面放大图；图7是预制件为“工”型构件沿线A-A的断面放大图；图8是预制件为“工”型构件沿B-B线的断面放大图；图9是预制件为“工”型构件沿C-C线的断面放大图；图10是预制件为“工”型构件沿D-D线的断面放大图；图11是现有技术的硬芯复合桩整桩剖面图附图中1-桩周土2-预制构件(桩) 2’-“工”字型预制构件21-预制构件外周22-预制构件底端
3-土孔31-土孔底4-填充材料5-护筒5’-永久护筒6-桩承台具体实施方式
如图1所示，是本发明的第一实施例的整桩剖面图。
在本实施例中，该复合摩擦桩的结构包含有土孔3预制构件2、填充材料4，土孔3是预先通过现有的钻井方法钻制，即可以是任何适当的机械成孔，为提供端承力，孔底可以进入岩石表面以下一定深度。也可以在孔底预先夯实、扩底或压力灌浆方法来加强地基端承力。预制构件2位于土孔3的中间，该预制构件2为实心的预制桩，所述预制构件可以在孔内通长设置或局部设置，其底部可以连接钢筋，在该预制构件置入孔底时部分或全部插入孔底土中。
在预制构件2的周围包裹有填充材料4，在土孔3和预制构件2之间设有具有一定长度的护筒5，该护筒5的外直径略小于土孔3的内直径，该护筒5可以在土孔3内的竖向位置可以按照需要调整，根据需要将该护筒5放到土孔3的一定深度，该护筒5的外壁对着具有高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞的土层，在护筒5与预制构件2之间灌注填充材料4，由于护筒5的保护，位于该护筒5内的填充材料4与外面的具有高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞的土层隔离，所以护筒5内的填充材料4能正常凝固。待填充材料4凝固后，即构成了本发明的复合摩擦桩的结构。
由于护筒5一般是采用钢筒，将该钢筒全部存留在土孔3内，会消耗较多的钢筒。另外，护筒5的外周一般比较光滑，所以会造成该复合摩擦桩与该桩周土1的结合产生明显的薄弱段，为了节约成本和增加本复合摩擦桩与桩周土1的结合和摩擦力，可以将护筒5全部抽出，这时的复合桩与一般的硬芯复合桩相似。
另外一种实施方式，是待填充材料4凝固后，将护筒5一部分抽出，直到该护筒5可以隔断外面的具有高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞的土层为止，将护筒5的剩余部分保留在土孔3内。这样形成具有上面部分护筒5的复合摩擦桩。
如图6所示，是本发明的第二实施例的整桩剖面图，在该实施例中，该复合摩擦桩的结构包含有土孔3、预制构件2、填充材料4，与图1所示的实施例相同，预制构件2位于土孔3的中间位置，预制构件2周围包裹有填充材料4，在土孔3和预制构件2之间设有具有一定长度的护筒5。其区别是在于在所述的护筒5内，在与具有高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞的土层同一水平位置处设置有永久护筒5’，该永久护筒5’的外径小于护筒5，保证永久护筒5’与护筒5可以滑动。该永久护筒5’的下面、内面和上面灌注有填充材料4。等填充材料4凝固后，拔出护筒5，这时永久护筒5’的外壁正对具有高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞的土层，避免该复合摩擦桩的外周被冲掉和腐蚀。
如图2、3、4和6所示，该预制构件2为实心的圆柱体。事实上，所述预制构件2可以是现有技术的任何一种的预制构件。即该预制构件2可以是预制钢筋混凝土构件、预制予应力钢筋混凝土构件；也可以是单一型钢或由多个型钢、钢板拼装成的组合截面，也可以是钢管混凝土构件。
预制构件2的断面形状可以是圆形或多边形，灌浆管可以内置或外置于该预制构件，可以固定于预制构件上面或设计成自由活动款式；包括空心或实心构件、空心构件内现场灌以填充材料甚至埋入钢筋的组合构件。
如图6、7、8和9所示，该预制构件2’为一“工”字型的构件，图6、7、8所示实施例是预制构件2’为一“工”字型的构件，其桩的外周与第一实施例中公开的复合桩相同。在本实施例中，该复合摩擦桩的结构包含有土孔3预制构件2’、填充材料4，土孔3是预先通过现有的钻孔方法钻制。“工”字型预制构件2’位于土孔3的中间，所述预制构件可以在孔内通长设置或局部设置，其底部可以连接钢筋，在该预制构件置入孔底时部分或全部插入孔底土中。
为了增加预制构件2和填充材料4之间的粘接力和粘接力的传递，可以将该预制构件2的外周做成凹凸表面。
本发明的复合摩擦桩的结构应用于具有较深尺寸的土孔3时，其预制构件2的长度一般都较长，在香港十五米～三十五米，故大多不可能整桩预制，即使能预制也不方便运输，所以要分段预制后再连接成一个整体。各桩段之间的连接虽然在各图中都以焊接法为例，但也可以采用各种其它的常规连接方式，例如各式焊接、利用高粘性材料直接黏结、螺栓连接或套筒连接等等。所述预制构件其表面可以预先涂刷为增加与填充材料之间的黏结力而配制的特别涂料或为增加与填充材料之间的结合力而焊接的各种构件。
下面对本发明的复合桩的施工方法的一个实施例作一详细说明。
第一步桩孔定位，钻孔机就位，按照设计要求的桩身、钻孔直径、倾斜角度和方向，在土层中钻孔至硬土层或岩石表面，形成土孔3；同时并将临时钢护筒5平稳地坐落于其上或按要求插入其中一定的深度；第二步必要时清孔。按照设计要求对孔底31进行以加强桩端土体承载力为目的的工序，如压力灌浆、夯实、扩底等等。
第三步复合预制构件2逐段放入土孔3内。按设计图纸要求把桩底附有预制钢筋笼或钢构件或钢筋混凝土构件的预制管桩或型钢桩逐段置入土孔3内，直至孔底或悬空一定距离。每段之间采用焊接、高黏结力材料或其它可靠方法连接。扶正、定位。必要时灌浆前再清孔。
第四步浇筑填充材料4。必要时填充材料从桩底开始灌入，灌浆管的出口必须低于灌浆顶面一定深度，灌浆结束时其顶面必须超过桩顶设计标高一定高度，以保证桩头的灌浆质量符合设计要求，必要时可在灌浆材料内配入外加剂，以达到早凝、早强等效果。
第五步，临时护筒5慢速抽出。
第六步待灌浆材料硬化及达到一定强度后，开挖基坑，切掉桩头设计标高之上的桩身及超浇的灌浆材料，最后形成予钻孔内由现场填充材料4作为传力介质的予钻孔预制复合桩。
所述预制桩2可采用整体一次置入、分段置入、先灌注填充材料后置入、先置入后灌注填充材料4，还可以同时进行置入和灌注填充材料4，也可以采用多次沉桩到位方法。
所述的填充材料4为较高强度的素水泥浆或水泥砂浆或混凝土，其中可以有为各种目的配制的添加剂。
所述的填充材料4可以采用压力或无压力灌注，可以从孔底31开始，边灌注边提升灌浆管方法，或一直在孔底灌注；所述的填充材料可以灌满土孔，也可以局部填充。
本发明的复合桩，桩身结构承载力按照预制构件强度计算；地基承载力即摩擦力和端承力按照预制构件2与填充材料4之间、填充材料2与土孔3壁之间的黏结力及周围土和桩底土的力学特征值计算。
上述各实施例中所述的复合桩在钻孔内的钢筋、预制钢筋混凝土构件、型钢等，其数量、尺寸、形状和强度等级，并不局限于附图所示样式，可以按照具体设计施工。
本说明书中所述的复合桩的临时钢护筒或永久护筒的竖向位置，并不局限于附图所示，但必须保证钻孔在施工时不塌孔、不缩颈。在上述土层中采用带临时钢护筒或永久护筒的钻孔设备进行钻孔，以达保护灌浆材料和钻孔不会遭受周围水土的破坏目的。
权利要求
1.一种复合摩擦桩的结构，其包含有土孔、长条形预制构件、填充材料，预制构件位于土孔的中间，预制构件周围包裹有填充材料，其特征在于在土孔和预制构件之间设有具有一定长度的护筒，在该护筒与预制构件之间灌注填充材料。
2.如权利要求1所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述的护筒的长度与土孔的深度相同。
3.如权利要求1所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述的护筒的长度短于土孔的深度，其底端部离开土孔底部一定的距离。
4.如权利要求1所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于在所述的护筒内的一定垂直位置设有一个或多个短于土孔的永久护筒，该永久护筒覆盖存在高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞的土层范围，所述护筒将会全部拔出。
5.如权利要求1所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述的护筒为钢筒。
6.如权利要求4所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述的永久护筒为钢筒或其它材料制成的筒状构件。
7.如权利要求1所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述预制构件是预制钢筋混凝土构件、预制予应力钢筋混凝土构件；其断面形状可以是圆形或多边形，灌浆管可以内置或外置于该预制构件，可以固定于预制构件上面或设计成自由活动款式。
8.如权利要求1所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述预制构件是各种单一型钢或由多个型钢、钢板拼装成的组合截面，也可以是钢管混凝土构件。
9.如权利要求1、7、8所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述的预制构件也可以做成凹凸表面。
10.如权利要求1或7所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述的预制构件包括空心或实心构件、空心构件，在该空心中现场灌有填充材料。
11.如权利要求1、7或8所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述的预制构件包括空心或实心构件、空心构件，在该空心中现场灌有填充材料，及钢筋的组合构件。
12.如权利要求1、7或8所述的复合摩擦桩的结构，其特征在于所述预制构件可由整件预制或多段构成，所述多段构件通过焊接、黏结、螺栓连接或套筒连接等可靠方法连接在一起。所述预制构件其表面可以预先涂刷为增加与填充材料之间的黏结力而配制的特别涂料或为增加与填充材料之间的结合力而焊接的各种构件。
13.如权利要求1所述的复合桩，其特征在于所述的填充材料为较高强度的纯水泥浆或水泥砂浆或混凝土，其中可以有为各种目的配制的添加剂。
14.一种复合摩擦桩的施工方法，其特征在于1)首先在预定桩位采用各种适当的钻孔方法在地下钻入设计深度的土孔；2)钻孔的同时置入一定长度的护筒，该护筒以阻挡流沙、塌孔和溶洞造成的桩周土松弛或漏浆等等不良影响；3)然后在该土孔的内部置入较小直径的、长条形的预制构件；4)在护筒与长条形预制构件之间灌入填充材料；5)最后是待上述填充材料硬化到一定程度后，开挖基坑制作桩头。
15.如权利要求14所述的施工方法，其特征在于在完成上述步骤2)的同时，可以同时放入比护筒尺寸小，并事先固定于预制构件上的永久护筒，该永久护筒的长度将大于容易产生流沙、塌孔和有溶洞土层的厚度并覆盖上述土层的整个范围。
16.如权利要求14所述的施工方法，其特征在于在完成上述步骤4)和5)之间，增加以下步骤，即缓慢抽出护筒，根据需要可以只抽出护筒的一部分，将剩余一部分留在土孔中做永久护筒。
17.如权利要求14所述的施工方法，其特征在于在完成上述步骤4)之后，必要时可在有负摩擦力的松散土层与预制构件之间灌入普通回填材料或特制桩土隔离材料以减小桩身有效直径及负摩擦面积。
18.如权利要求14所述的复合摩擦桩的施工方法，其特征在于步骤3置入预制构件的方法是采用整体一次置入、分段置入、先灌注填充材料后置入或先置入预制构件后灌注填充材料，还可以同时进行置入预制构件和灌注填充材料，也可以采用多次沉桩到位方法将预制构件放入土孔中。
19.如权利要求14所述的施工方法，其特征在于在步骤4中灌入高黏结力填充材料时，即执行灌浆工序的同时或完成后，可以在上述预制构件顶部上施加静压或许可的锤击方法使桩底与孔底原状土的结合更加紧密或使上述预制构件进入更加密实的土层，也可以对上述预制构件施加振动或其它振捣方法使填充材料更加密实。
20.如权利要求14所述的的施工方法，其特征在于在步骤4灌入填充材料是采用压力或无压力灌注，可以从孔底开始，边灌注边提升灌浆管方法，或一直在孔底灌注；所述的填充材料可以灌满土孔，也可以局部填充。
全文摘要
本发明公开一种可以用于填海地区、存在高流动地下水、可能发生流沙、塌孔或有溶洞土层内的予钻孔摩擦桩的结构和施工方法。它是在有临时或永久护筒的土孔内放置一长条形预制构件和灌注水泥浆为主的填充材料，形成以该预制构件作为桩芯、上述填充材料与桩周土为加强介质的摩擦桩。在上述土层中采用临时护筒或永久护筒来保护预钻土孔和填充材料在硬化前不会遭受周围水土的不良影响。本发明的摩擦桩的结构和施工方法避免了钻孔灌注桩发生局部漏浆、断层、缩颈时令整桩承载力丧失的危险，所以成桩的承载力、施工质量和经济价值都有大幅提高。
文档编号E02D5/22GK1490467SQ0315301
公开日2004年4月21日 申请日期2003年8月5日 优先权日2003年8月5日
发明者胡柏英 申请人:胡柏英