专利名称：预制花管桩及制备方法
技术领域：
本发明属于建筑基础施工工艺，具体就是预制花管桩及制备方法。
背景技术：
现有预制桩施工在目前条件下，多采用大型设备和机具——大型钻孔设备、高吨 位静压桩设备及配套设备和工厂等来完成。因此，设备运输和现场施工难度很大，电力或 燃料油用量大；受到地基土多层、多相、多力学性等组合的影响，成孔和沉桩过程工艺复 杂——钻孔需要不同钻具配套、静压桩需要引孔后才能把桩压到设计深度等导致工艺复 杂，任何一个工艺环节出现问题可导致过程失败或产生工程隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转挤压方式送入不同深度的预制花管桩，进而提供一 种有侧限预制花管桩。 本发明是这样实现的，一种预制花管桩，由花管及设置在花管内外的混凝土构成 管体，其特征在于管体外壁设置自攻丝。 所述的预制花管桩，其特征在于所述自攻丝是在管体外壁设置的螺旋突起。
所述的预制花管桩，其特征在于所述管体底端是平头。
所述的预制花管桩，其特征在于所述管体底端是尖头。
所述的预制花管桩，其特征在于所述管体顶端是多面柱。
所述的预制花管桩，其特征在于所述管体顶端是正多面柱。
所述的预制花管桩，其特征在于所述管体顶端是正四面柱、正六面柱、正八面柱之一。 所述的预制花管桩，其特征在于所述管体顶端外套侧限环，侧限环是喇叭状。
所述的预制花管桩，其特征在于所述管体与侧限环之间是地基土。
所述的预制花管桩的制备方法，包括以下步骤 花管由不同规格的钢管制造，厚度大于2mm，花管中的花孔的孔径采用切割方式制 造，孔径按照混凝土中石子的粒径确定，根据桩的附加应力分布特性确定从桩顶到桩端的 花孔的分布；花管的外部的螺旋突起根据单桩承载力和转动的扭矩确定；花管预制桩的各 种参数按照分担的建筑荷载和地基最终变形量、地基土条件、影响沉桩的条件确定。
下面通过与现有桩的比对说明本发明的积极效果。
有侧限预制花管桩结构组成 有侧限预制花管桩是种由侧限环l-l、预制花管桩2-l(直径相等或不等、长度为 长短结合或相等、桩数为n、n的最小取值为0)、地基土、或人工级配砂石等组成见图1 2。
图1系有侧限预制花管桩平面图，4A3-1为有侧限预制花管桩的桩径(等于侧限 环的外直径，内直径由相关参数确定)，d2A4-l为预制花管桩的桩径，d2A4-l = (0. 3 0. 1) c^A3-l，c^A3-l ^ 400rnm。有侧限预制花管桩中预制花管桩的根数和长度由有侧限预制花管桩分担的承载力和变形等要求确定 图2中的预制花管桩2-1-1和预制花管桩2-1-2的直径相同、工艺相同、长度不 同、持力层不同(按照分担荷载和工程地质条件划分的二元结构等确定)。预制花管桩的根 数n的最小值为零。侧限环的构造和相关参数的确定见第二节内容。
单桩地基基础的现状 图3 4中承台5-2尺寸相同，承台承担的荷载相同，4B3-2和图1中4A3-1数 值相同。桩2-2为普通的各种方式的钻孔灌注桩、预应力管桩、后插筋CFG桩、CFG桩、预制 桩等。由于桩2-2的情况比较普遍，在此不予叙述。
有侧限预制花管桩和桩2-2比较
1、先进性说明 有侧限预制花管桩在一维固结试验结果和一维固结理论及复合材料理论等基础 上，通过理论和设计、工程的实践和测试及地基长期观测等的总结后，归纳出地基的有侧限 结构设计原理，在该原理的指导下，而设计桩体。 有侧限预制花管桩设计目标是第一，最大限度利用浅层地基土的固结强度并提 高固结强度——提高桩间土的承载力。地基土在完全侧限条件下(不同工程荷载作用下，K。 状态时的表层地基土产生相应的侧向变形，侧限环完全控制此变形)，地基土在变形量发生 后，可提高其相应状态的固结强度，此强度发挥量越大，土分担的荷载越高，桩上的荷载减 少，因此，减少预制花管桩的数量，节约建材；第二提高单桩桩顶强度，桩周土的抗剪强度和 强度的增加同时，不仅提高了预制花管桩的桩顶强度，而且桩顶强度随着沉降变形的增加 而增加，减少了在集中高荷载的条件下桩顶经常破坏的现象；第三，减少桩和桩间土的上部 沉降变形量，根据不同的工程荷载和工程地质条件确定侧限环的深度，达到两个目的—— 实现预变形(与其它技术结合，对桩体预加荷载，地基土和桩等固结和预变形，在桩体范围 内的地基土上预加附加应力，提前在桩身产生侧限应力和应变，减少或提前实现施工变形 和最终沉降)，并减少施工变形以及最终沉降；第四，有侧限预制花管桩最大限度分层利用 地基土的侧摩阻力和承载力，利用有限的建筑材料提高单桩承载力，灵活调整单桩承载力 数值；第五，对于不同变形要求的地基，沉降变形通过侧限环和分层预制花管桩控制，减少 桩体深部的沉降变形量。第六，和其它专利技术相结合，除了在有侧限预应力桩顶预加力应 力外，尚在桩端处预加应力，形成桩端预变形，提高桩端承载力和减少变形。第七，出现工程 隐患和缺陷的概率非常微小，即使出现，在桩体的施工工艺环节中，很容易发现和处理，不 必在竣工后处理。 桩2-2 :依据空间结构方法设计桩体，不具备上述理论和设计原理优点，无法利用 浅层地基土的固结强度；桩体的侧限强度无法通过承担荷载过程提高；单桩承载力控制灵 活性小；桩的后期变形量控制难度大；研究发现施工后的隐患和缺陷处理费用昂贵、处理 时间长、处理过程复杂、社会负面影响较大，尤其是隐患部分是设计原理本身无法克服的。
2、节约性(在相同承台和承载力下，与桩2-2相比较) 两种桩比较可知有侧限预制花管桩的单桩施工时间减少20 50%;采用旋转挤 压方式将预制花管桩送入不同的深度，工艺用电量减少50 60%;节约用水量60 80%; 混凝土减少量30 50% ;节约钢材20 35% ;采用小型的一次性旋转挤压机(另行提 供)成桩，节约人工20 30% 。工程造价综合减少量30 40% ;减少桩顶的截桩数量(桩
42-2的截桩量非常大，竣工后场地内大量堆放费桩头)，桩顶深度预先控制；相对桩2-2提高 桩承载力和减少变形的工艺环节和方式(孔底注浆、孔底扩大、孔底夯实、桩身多分支承力 盘、长短桩结合等)，本桩的施工工艺简单且环节较少，即在地基土的上部实施有侧限环，提 高单桩承载力和减少桩变形量变得易操作，保证各种事故率低并在可控范围内。
1、环保性(在相同承台和承载力下，与桩2-2相比较) 两种桩比较可知有侧限预制花管桩无费土或泥浆排放；除了极端特殊地基土 外，没有废弃桩头，不产生建筑垃圾；对周围建筑物没有挤土或因为排土产生的不均匀沉降 变形；无噪音，不扰民；
2、可行性 有侧限预制花管桩的桩径小，现多为100 200mm，预制花管桩对于机具的扭力矩 和静压力要求较少，因此施工便利，施工环节少，设备小型，现场用电量少；管理和监督简单 (类似于预制管桩的施工工艺)；预制花管桩的每个环节均可以工厂化制作；对于砂层或卵 石分布的地层，沉桩过程不需要引孔或取土，不存在塌孔、縮孔、无法穿透(现在的预制管 桩不能穿透厚砂层)等问题。 对于浅层地基土变形量大、承载力低的问题，设计灵活，布桩不受间距限制，试验 和测试数据验证在松散沉积层厚的地基中桩的沉降变形量小、承载力高；在桩端具有硬 土层或桩端预加应力后可满足不同变形精度要求的建筑物需要；地基中二元结构内上部土 层薄(小于6m)且位于水位以下时，有侧限预制花管桩内的桩的根数n二O，也能满足要求。
解决目前桩基工程中主要问题 1、解决表层地基土无法利用、或桩间土承载力大幅度提高难和变形较大等难题
利用表层土为建筑物地基具有节约基础施工周期和地下空间、施工简便、基础工 程经济投入降低、施工过程安全、建筑垃圾少、环保、地基检测简单、管理简捷等优势。
在地基基础工程研究中，利用表层土做地基是岩土工程界的难题和热点。难题是 表层土在集中高荷载条件下变形量大且承载力低，直接做高层建筑地基等，既不满足高层 建筑地基的强度和变形要求，也不符合地基基础设计规范的规定。目前，对表层土处理方法 是采用桩2-2穿越表层土，表层土仅仅提供有限的侧摩阻力，表层的桩间土分担的荷载很 小。 目前的地基设计是建立在应力集中原理基础上的，地基的强度和沉降由其中人工 结构的强度、变形控制。地基土贡献给基础的强度在地基中所占的比例很少。桩间土的厚 度大，因此基础埋深依然很深。因为，人工结构的端部需要高强度的持力层才能发挥桩的强 度和变形控制效应，否则，地基中人工结构首先发生各种形式的破坏。破坏规模增加，并达 到荷载完全由地基土承担状态时，地基发生整体破坏。 深究应力集中原理和地基中桩土共同作用方式后，不难发现地基中应力集中的目 标是人工结构，荷载作用的人工结构就是各种形式的高强度(强度大于20MPa)的桩体，而 在桩间土中没有条件产生应力集中现象并分担更多的荷载，地基土的极限承载力发挥后， 地基土中的颗粒强度没有条件产生，土颗粒强度没有承担增加高和大荷载的机会，地基土 只能产生整体破坏。所以，为了建筑物的安全运营，只有通过人工结构的埋深增加，来承担 更多的荷载，也是地基设计的唯一选择，地基中人工结构的设计现状是，人们设计深大、高 强度桩基与地基土组成复合地基。
太沙基的一维固结理论问世很久，地基工程中限于局部固结应用，没有全面应用理论到地基类型设计中和解决荷载施加过程的固结效应利用问题。土工试验中最为常见的有侧限压縮试验，不断重复地做，其仅仅是提供地基设计时的压縮模量指标，没有给地基类型设计带来启示效应。达西定律是描述地下水的渗流特性的基本规律，然而，现在的地基设计原理中并没有包含。种种这些，忽略了地质工程中的土的力学特性应用，导致设计地基类型针对问题性差。 目前，研究论文最多是桩土共同作用各种分析内容，桩土应力分担比、桩土的应变
控制或应力控制方式等成为研究的焦点和重点内容。目的是实现桩间土分担更多荷载，提
供更高的抵抗基础沉降变形的抗剪强度。因此，对于一维固结理论和高压固结试验、三轴试
验的数据和现象等理解和应用的研究缺失，造成地基基础设计原理的不丰富。本技术是在
本人总结相关学者研究的基础上，提出有侧限结构地基设计原理后形成的。 通过对表土和地基土的强度和变形破坏机理进行系统的研究后，尤其是在不同围
压力和高压固结试验研究中发现侧限的增加对于表层土的强度提高和变形减少具有非常
显著的贡献，一定强度的侧限结构不仅增加了表层土的强度、减少侧向变形，而且改变了地
基中渗流等破坏方式和机理、压縮层内变形特点和规律。侧限环的提出为表层地基土无法
利用的难题的解决找到了捷径，实现了桩间土分担更多荷载的设想。 桩2-2不利用表层地基土有侧限压縮强度，桩2-2的结构简单——土体中一根独立的柱体，与土体的关系表现在桩2-2的表面，桩2-2内部仅仅是传力柱，桩土之间的共同作用发挥不充分。 有侧限预制花管桩利用表层地基土有侧限压縮强度，其结构复杂——桩顶部由多
根花管桩(n根，n值由地基承载力确定，最小值可以取零)和侧限环组成，与土体的关系表
现在花管桩的表面和侧限环内部表面(侧限环限制地基土侧向变形、增加土的固结度、增
加桩顶部的围压力)，桩土之间的共同作用发挥充分——减少表层地基上部变形量、提高表
层地基土承载力、提高桩顶应力向深部传递的效率、增加桩土间摩阻力的发挥。 2、解决集中荷载或大荷载工程建筑的桩基机具庞大和工艺复杂的问题 桩2-2施工在目前条件下，多采用大型设备和机具——大型钻孔设备、高吨位静压
桩设备及配套设备和工厂等来完成。因此，设备运输和现场施工难度很大，电力或燃料油用
量大；受到地基土多层、多相、多力学性等组合的影响，成孔和沉桩过程工艺复杂——钻孔
需要不同钻具配套、静压桩需要引孔后才能把桩压到设计深度等导致工艺复杂，任何一个
工艺环节出现问题可导致过程失败或产生工程隐患。 有侧限预应力桩采用小型设备——旋转挤压设备，桩实现工厂化制作。因此，设备运输和现场施工难度小，能源消耗少；不受地基土多层、多相、多力学性等组合的影响，组合桩体的形式较多，满足不同工程的要求(在地基和基坑支护、大型土边坡或碎石类边坡的支护中均具有其它人工结构不具备的优点)且沉桩过程工艺简单(旋转挤压方式——类似人们经常用的螺丝)，工艺环节少，不产生工程隐患。
3、解决桩2-2提高承载力难和减少变形大等问题 为解决桩2-2承载力提高和变形大的问题，现在的方法是1)在桩底采取挤土、扩底或固结和固化等方式，2)在桩身不同深度进行分枝或挤扩成分力盘。它们成孔过程非常复杂，制桩过程隐患较多——在桩顶下一定深度的土层内成型，可视性和可控性差。
6
有侧限预应力桩解决桩2-2以下问题提高承载力难、减少变形工艺复杂、减少人 工材料用量大等，其方法是把桩2-2分为n根预制花管桩，桩径小，提高桩表面积——增加 桩土间的侧摩阻力，施工容易，部分构件实现工厂化制作；在n根预制花管桩顶周边采用a 角度的侧限环，随着侧限环沉降的发生，其内部地基土被挤密，l)增加桩周围压力，提高桩 的抗压强度，充分发挥单桩强度，增加桩顶荷载向深部传递效应，2)侧限环在桩顶施工，难 度和工艺均较小，排除深部扩径的难度和隐患，可控性和可视性好。试验表明单桩承载力和 沉降量原高于相同的桩2-2。 4、解决桩2-2设计不符合地基附加应力分布规律的问题 桩身附加应力分布曲线和变形测试数据表明桩顶下一定深度(3 4d》内，附加
应力集中和变形量并是其下数十倍，继续向深度方向两项逐渐趋于零。 可见采用桩顶(3 4d》下，采用分枝和扩径措施并不符合桩身应力应变分布规
律，尤其是在巨厚的松散沉积土层中的桩，上述措施仅仅是提高桩的端承力，侧摩阻力提高
速度慢。 有侧限预制花管桩的设计理念符合附加应力和应变分布规律，利于施工，控制桩 顶(3 4d》内的大变形并可大幅度提高承载力。
5、解决桩2-2不能添加预应力的问题 桩2-2在成桩后，由于工艺原因，不能对其施加预应力，因此，工后应力应变状态 基本保持不变。第一，地基土的不均匀性是客观的，导致工后桩的变形量和承载力是不均匀 的，在基础底板内产生不同程度的剪应变，增加工程造价；第二，要求差异沉降量小于一定 量或精度较高时，桩2-2必须加长或增加桩径或在桩底增强；第三，上部施工快速时，将加 大地基基础的沉降速率，导致施工破坏。 有侧限预制花管桩成桩过程中，结合其它技术，对其在桩顶或桩端施加预应力，预 应力的大小根据地基基础沉降变形确定，单桩的变形量在成桩工艺中控制和测试，工程荷 载的针对性较强，因此，桩的工后应力应变基本保持一致，上述桩2-2问题同时得到解决。 在土质边坡中，预制花管桩起锚杆作用，添加预应力成为可能，预防现在土边坡中预加应力 锚杆中预应力快速消散的缺陷。
图1有侧限预制花管桩平面示意图； 图2有侧限预制花管桩剖面示意图； 图3现在桩基础平面示意图； 图4现在桩基础剖面示意图； 图5预制花管桩顶部剖面示意图； 图6预制花管桩侧视示意图； 图7侧限环的结构立体示意图； 图8侧限环上下透视示意图。
具体实施例方式
如图5图6，一种预制花管桩，由花管IO及设置在花管内外的混凝土 11构成管体，其特征在于管体外壁设置自攻丝12。所述自攻丝12是在管体外壁设置的螺旋突起。所述 管体底端是平头。所述管体底端可以是尖头。所述管体顶端是正六面柱，是为了方便旋拧， 当然也可以是正四面柱或者正八面柱，只要是多面柱或者正多面柱都行。所述管体顶端外 套侧限环，侧限环是喇叭状。所述管体与侧限环之间是地基土，这就是有侧限预制花管桩。
侧限环的构造和制作 侧限环平面布置和剖面情况见图5 6，其构造详图见图7 8。由于地基基础类 型复杂多变，因此，侧限环的设计参数根据工程地质条件、上部荷载、地基中附加应力分布 规律及扩散特性等综合确定。 图7 8中侧限环的内倾角a 21根据承台下一定深度z22内地基土的土物理力 学性质和桩径4A3-1确定。Z22为侧限环的垂直高度，z22 = (3 4)^24，巧24为侧限环 的上部直径(侧限环内外为圆形)或上部长度(侧限环外侧形状为矩形、三角形且内部为 圆形时，巧24为边长，可取不同的数值或等值)；巧24大于1500mm时按照3倍取值；地基土 的二元结构异常时，z22值按照二元结构进行确定或地基土侧向变形试验确定；z22值应该 按照上述几个方面综合取大值。1~225为侧限环的下部尺寸，与a21和巧24相关。^26 (顶 部水平宽度，用于基坑支护时系垂直宽度)』227 (底部水平宽度，用于基坑支护时系垂直宽 度)、P28(为侧限环的周边壁与水平方向的夹角)等根据现场土工试验和复合材料测试、 混凝土试验等确定，P28取值范围为a 21 90° 。侧限环的内径由上述参数确定。侧限 环采用预制、先张法预制、现场浇筑、现场搅拌、人工回填等方法施工；材料为钢筋混凝土、 钢板混凝土 、混凝土 、水泥土 、石灰土 、沥青土等。
所述的预制花管桩的制备方法，包括以下步骤 图5 6中的花管由不同规格的钢管制造，厚度大于2mm，花管中的花孔的孔径采 用切割等方式制造，孔径按照混凝土中石子的粒径确定，而且根据桩的附加应力分布特性 确定从桩顶到桩端的花孔的分布。花管的外部的保护层根据单桩承载力和转动的扭矩等确 定。花管预制桩的各种参数等按照分担的建筑荷载和地基最终变形量、地基土条件、影响沉 桩的条件等确定。
权利要求
一种预制花管桩，由花管及设置在花管内外的混凝土构成管体，其特征在于管体外壁设置自攻丝。
2. 如权利要求1所述的预制花管桩，其特征在于所述自攻丝是在管体外壁设置的螺旋突起。
3. 如权利要求2所述的预制花管桩，其特征在于所述管体底端是平头。
4. 如权利要求2所述的预制花管桩，其特征在于所述管体底端是尖头。
5. 如权利要求3或者4所述的预制花管桩，其特征在于所述管体顶端是多面柱。
6. 如权利要求5所述的预制花管桩，其特征在于所述管体顶端是正多面柱。
7. 如权利要求6所述的预制花管桩，其特征在于所述管体顶端是正四面柱、正六面柱、正八面柱之一。
8. 如权利要求7所述的预制花管桩，其特征在于所述管体顶端外套侧限环，侧限环是喇叭状。
9. 如权利要求8所述的预制花管桩，其特征在于所述管体与侧限环之间是地基土。
10. 如权利要求1所述的预制花管桩的制备方法，包括以下步骤花管由不同规格的钢管制造，厚度大于2mm，花管中的花孔的孔径采用切割方式制造，孔径按照混凝土中石子的粒径确定，根据桩的附加应力分布特性确定从桩顶到桩端的花孔的分布；花管的外部的螺旋突起根据单桩承载力和转动的扭矩确定；花管预制桩的各种参数按照分担的建筑荷载和地基最终变形量、地基土条件、影响沉桩的条件确定。
全文摘要
一种预制花管桩，由花管及设置在花管内外的混凝土构成管体，管体外壁设置自攻丝。所述自攻丝是在管体外壁设置的螺旋突起。所述管体底端是平头或尖头。所述管体顶端是多面柱。所述管体顶端外套侧限环，侧限环是喇叭状。管体与侧限环之间是地基土。所述的预制花管桩的制备方法，包括以下步骤花管由不同规格的钢管制造，厚度大于2mm，花管中的花孔的孔径采用切割方式制造，孔径按照混凝土中石子的粒径确定，根据桩的附加应力分布特性确定从桩顶到桩端的花孔的分布；花管的外部的螺旋突起根据单桩承载力和转动的扭矩确定；花管预制桩的各种参数按照分担的建筑荷载和地基最终变形量、地基土条件、影响沉桩的条件确定。
文档编号E02D5/30GK101768962SQ200910064009
公开日2010年7月7日 申请日期2009年1月5日 优先权日2009年1月5日
发明者吴保全 申请人:吴保全