专利名称：预制钢筋砼空腹抗侧向力桩及其植桩方法
技术领域：
本发明涉及深基坑围护工程、护坡工程、港口河堤工程、围海工程中的围护技术领域，尤其涉及一种预制钢筋砼空腹抗侧向力桩及其植桩方法。
背景技术：
在土木工程各领域开挖施工的围护工程、护坡工程以及河海支护工程中，钻孔灌注排桩墙是最常用的围护做法，但是此种方法存在着施工麻烦、进度慢、造价高、需泥浆外运污染环境等缺点。随着开挖工程深度的不断增加，这种钻孔排桩的受力强度和刚度也显不足，因而发展了地下连续墙技术。地下连续墙围护同样存在着施工麻烦、进度慢、需泥浆外运污染环境等缺点，并且造价昂贵。
因此在基坑围护工程和边坡支护工程中，如何降低造价，减少施工麻烦，提高功效以及提高围护墙的抗弯抗压能力一直是土木工程的发展方向。因而开发一种适用于大深度开挖，具有强度与刚度大，施工简单，施工速度快，无需泥浆外运污染环境，而且造价便宜的围护桩必将产生很大的经济和社会效益。
发明内容
本发明提供了一种刚度大、抗弯剪能力强、施工简单、施工速度快、质量可靠、造价低廉的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，解决了在大深度基坑围护工程中传统围护桩抗弯能力小和刚度不足的问题，同时大幅降低了造价。一种预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，包括横截面外形为矩形的桩体，桩体具有钢筋笼，所述的桩体沿桩体纵轴方向设置有贯穿整个桩体的空腹区；所述的钢筋笼包括多个预应力主筋、腹筋和箍筋；
桩体矩形截面长边的两头为加厚区，在其内配置有预应力主筋。由于主要受力筋位于桩体矩形截面的两头，截面抗弯有效高度可大幅提高，因而大幅增加了桩体的抗弯强度和刚度。所述的主筋一般采用高强度的预应力钢棒，也可以采用普通非预应力钢筋。所述的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩有多个空腹区，各空腹区一般沿矩形截面长边单列整齐排列，若围护工程受力需要增大矩形长边，也可以将更多空腹区沿矩形长边双排或更多排排列。空腹区与桩外侧面砼及空腹区之间拥有一定厚度的混凝土实心区，所述的箍筋沿着桩体矩形截面轮廓，纵横穿过各个混凝土实心区，相互焊接形成封闭。桩体截面实心区砼和箍筋共同抵抗水土侧向力产生的剪力，确保了桩体的抗剪强度要求。所形成封闭整体箍筋的各个交叉点设有沿桩身分布的腹筋。所述的箍筋、腹筋与截面两头的主筋共同形成了完整的配筋骨架，与整浇的砼形成整体，满足了围护工程对抗侧向力桩的抗弯剪强度要求，同时也确保了桩体在制作、吊装、运输、植入过程中的强度和抗裂要求。所述预制钢筋砼空腹抗侧向力桩矩形截面的一头加厚区可根据工程需要设有翼缘，如此横截面形状为T字型。所述桩体矩形截面中的两头加厚区各自连接有翼缘，翼缘与桩体的横截面形状为工字型。所述的两个翼缘长度可以相同，也可以不同。所述的空腹区为矩形、方形、圆形、椭圆形，也可以为其他形状，如多边形、三角形
坐寸ο围护桩墙施工时，将预制钢筋砼空腹抗侧向力桩与围护桩墙轴线垂直布置且相互间隔排列，桩体矩形截面长边与水土侧压力方向一致，充分发挥空腹抗侧向力桩截面的长边方向具有巨大抗弯强度与刚度的优点，使形成的围护桩墙的抗弯强度和刚度大大高于传统围护桩墙。
预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的植桩方法共有两种，第一种是桩端松动土直接植桩法，第二种是预成孔植桩法。第一种又可以分为多轴旋喷松动土法和多轴振冲松动土法；第二种可以分为冲抓成孔植桩法和旋挖成孔植桩法。I、多轴旋喷松动土法的施工步骤如下I)、植桩机定位后，将植桩机上的多轴带旋喷头钻杆插入并穿过桩体空腹区；2)、开动植桩机，旋喷头喷出高压浆液切割桩端土，使桩端土体破坏，同时钻杆边转动边旋进；在桩体的重力作用下，使桩体逐渐下沉到预定标高，必要情况下借助植桩机的振动和向下静压系统；3)、提升多轴旋喷钻杆，完成植桩。利用该方法进行植桩时，喷射的浆液前期可以是水，待达到一定深度再改喷一定浓度的水泥浆。桩到位后水泥土浆体和植入的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩凝结成整体。喷射水泥浆水泥掺合比15% 25%，水灰比O. 5 2. O。在砂浆土层植入桩时，水泥浆掺入2% 15%的膨润土以降低植桩的难度。植桩机的钻杆数目可与桩体空腹区的数量一致或减少。2、多轴振冲松动土法的施工步骤如下I)、植桩机定位后，将植桩机上的多轴带振冲头钻杆插入并穿过桩体空腹区；2)、开动植桩机，钻杆边转动边振冲,振冲头冲水并振动使桩端土体松软破坏,在桩体的重力作用下，使桩体逐渐下沉，必要情况下可借助植桩机的振动和向下静压系统；3)、下沉到一定深度后，振冲头停止喷水改为喷射水泥浆直至桩体下沉到预定标闻;4)、提升多轴振冲钻杆,完成植桩。水泥浆液的参数同方法I所述。3、冲抓成孔植桩法的施工步骤如下I)、植桩机定位后，用植桩机上的冲抓成孔头冲抓土体，至一定深度后注入水泥浆，冲抓至底；2)、当冲抓成孔的深度超出植桩深度IO-IOOcm时，提升冲抓成孔头；3)、用吊机将预制钢筋砼空腹抗侧向力桩吊入孔内，定位后在桩的重力和外加振动或静压系统作用下将桩植入土中到位。当土体为土性较好的粘土层时，在步骤I中可以用冲抓成孔头先冲抓取出一定量的土体，然后注入水泥浆，使冲抓过程水泥浆与土体形成水泥土流动状。
当土性为土质较差的土体或砂性土时，在步骤I中可以先按传统的泥浆护壁方法冲抓成孔到一定深度，置换出一定的土体，然后注入水泥浆，冲抓到底。在步骤3中也可以直接用植桩机将预制钢筋砼空腹抗侧向力桩植入。该方法中所用的冲抓成孔头，可以是常见的类似地下连续墙冲抓头，在成孔尺寸上做适当改进(扩大或减小冲抓头尺寸)，使成孔的尺寸与植入的桩体尺寸一致，并且每边多出约5 IOcm04、旋挖成孔植桩法的施工步骤如下I)、植桩机定位后，用植桩机上的旋挖成孔机头旋挖土体，至一定深 度后开始注入水泥浆；2)、旋挖至预定标高后，提升旋挖成孔机头；3)、用吊机将预制钢筋砼空腹抗侧向力桩吊入孔内，定位后在桩的重力和外加振动或静压系统作用下将桩植入土中到位。当土性较好时，在步骤I中可以利用旋挖成孔机头，先直接干取土成孔到一定的深度；当土性为较差的土体或砂性土时，在步骤I中用旋挖成孔机头旋挖成孔的同时进行泥浆护壁。有关旋挖取土的深度、注入的水泥浆量以植入桩后水泥土浆液正好上升齐平桩头来计算这两个参数。本发明的有益效果是I、通过合理的排列空腹区，使矩形截面的长边抗弯有效高度增加，同时在矩形长边的二头设置了砼加厚区，且配置了高强度的预应力钢棒，使桩体的整体抗弯剪能力大幅增加，使所述的围护桩墙具备很大的抗弯剪强度，适应深基坑围护工程的需要；2、通过主筋和空腹区之间混凝土实心区的设置确保了桩体在制作、吊装、运输、植入和围护过程的强度和抗裂要求；通过空腹区的设置有效减少了桩体的砼用量以及桩体的自重，为运输、吊装、植桩提供了方便，同时节约了工程造价；3、预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的抗弯强度和刚度是常用传统钻孔桩的3-8倍，而造价约为常用传统钻孔灌注桩的50%，这为土木工程各领域的围护工程提供了一种全新的围护桩，产生巨大的经济和社会效益；4、预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的植桩方法具有施工方便、简单、快捷等优点，同时提高了施工效率。
图I是本实施列I中矩形桩体空腹区单排的结构示意图；图2-3是本实施列I中矩形桩体空腹区数量变化的结构示意图；图4是本实施列I中矩形桩体空腹区双排的结构示意图；图5-8是本实施例I中T字形桩体的空腹区数量及排数变化示意图；图9-12是本实施例I中工字形桩体的空腹区数量及排数变化示意图；图13-16是本实施例I中矩形桩体圆形空腹区数量及排数变化示意图；图17-20是本实施例I中空腹区形状及布置方向的示意图；图21是本发明旋喷植桩的结构示意图22是本发明振冲植桩的结构示意图；图23是本发明振冲植桩的俯视结构示意图；图24-25是本发明冲抓成孔植桩的流程示意图；图26-27是本发明旋挖成孔植桩的流程示意图。
具体实施例方式实施例I如图I所示，一种预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，包括横截面为矩形的桩体2，桩体2具有钢筋笼，沿桩体2纵轴方向设置有贯穿整个桩体的空腹区3 ;钢筋笼包括多个预应力主 筋4、腹筋5和箍筋6。桩体2矩形截面长边的两头是加厚区7，加厚区7为混凝土加厚区，且主要受力主筋4均布设在两头加厚区7中。由于主要受力筋位于桩体2矩形截面的两头，截面抗弯有效高度可大幅提高，因而大幅增加了桩体2的抗弯强度和刚度。主筋4 一般采用高强度的预应力钢棒，也可以采用普通非预应力钢筋。空腹区3的数量为两个，表面形状为矩形，成单排沿桩体2矩形截面较长边布置。空腹区3与桩体2外侧面砼拥有一定厚度的混凝土实心区，空腹区3与空腹区3间也有一定厚度的混凝土实心区，其中箍筋6沿着桩体矩形截面轮廓，纵横穿过各个混凝土实心区，相互焊接形成封闭。桩体2截面实心区砼与箍筋6共同抵抗水土侧向力产生的剪力，确保了桩体2的抗剪强度要求。形成封闭整体箍筋6的各个交叉点焊接有沿桩身分布的腹筋5。箍筋6、腹筋5以及两头的主筋4共同形成了完整的配筋骨架，配筋骨架与整浇的砼形成整体，满足了围护工程对抗侧向力桩的抗弯抗剪要求。预制钢筋砼空腹抗侧向力桩采用工厂化生产，单节长度一般小于18米，便于运输及应用。根据工程需要，桩长度超过一节后，可采用现场接桩、植入以满足围护需求。其中预制钢筋砼空腹抗侧向力桩空腹区的数量可以为3个、4个或者更多，如图
2-3。当需要增大桩体的抗弯抗剪强度时，可以采用双排布置，如图4。桩体截面形状还可以有如下变形如图5所示，需要增大桩体的抗弯能力时，桩体2中的一个加厚区7可以外伸有翼缘1，翼缘I与桩体2构成T字型，其中翼缘I与相对的加厚区7各布设有主筋4。如图9所示，桩体2的两个加厚区7各自连接有翼缘1，翼缘I与桩体2构成工字型。两个翼缘I长度可以相同，也可以不同。主筋4布设在翼缘I内，布设的方式及数量根据土体及现场环境确定。如上所述，图1-4可以视为一组预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，图5-16所示各图也依此形成三组预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，由此可知，预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的形状、空腹区的数量及表面形状根据实际需要组合确定。如图17-20所示，空腹区的表面形状为矩形和椭圆形(其横向或竖向均可)，除了上述形状也可以为方形、多边形、三角形等。预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的植桩方法，有两大实施方案其一是桩端松动土直接植桩法，其二是预成孔植桩法。
实施方案一桩端松动土直接植桩法。 此实施方法借助专门的植桩机，利用多轴旋喷松动土和多轴振冲松动土在桩前端引孔，直接植入预制钢筋砼空腹抗侧向力桩。具体说明如下I、多轴旋喷松动土直接植桩方法如图21所示，该植桩方法是利用专门开发的多轴带旋喷头9钻杆8插入并穿过预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的空腹区3，定位后开动多轴旋喷钻杆8，用高压浆液切割桩端土，使桩端土体破坏。在桩体的重力(必要的情况下借助植桩机的振动和向下静压系统10)作用下使桩体逐渐下沉到预定标高，然后提升多轴旋喷钻杆，完成植桩。喷射的浆液前期可以是水，待达到一定深度再改喷一定浓度的水泥浆。桩到位后水泥土浆体和植入的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩凝结成整体。喷射水泥浆水泥掺合比15% 25%，水灰比O. 5 2. O。在砂浆土层植入桩时，水泥浆掺入2% 15%的膨润土以降低植桩的难度。多轴的数目可与空腹桩一致或减少。 2、多轴振冲松动土直接植桩方法如图22-23所示，该植桩方法是利用专门的多轴带振冲头钻杆8插入并穿过预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，定位后开动多轴振冲头11冲水并振动松动破坏土体，待桩植入一定深度后改用水泥浆液。同时桩体在重力(必要时开动植桩机振动头和向下静压系统10)作用下逐渐下沉到预定标高，然后提升多轴振冲钻杆完成植桩。水泥浆液参数同上所述。实施方案二 预成孔植桩法此实施方法是借助专门开发的植桩机械，具体可以是冲抓成孔植桩法和旋挖成孔植桩法。具体说明如下I、冲抓成孔植桩法如图24-25所示，该植桩方法是先用专门的冲抓成孔头12，这种成孔头可以是常见的类似地下连续墙冲抓头，在成孔尺寸上做适当改进(扩大或减小冲抓头尺寸)，使成孔的尺寸与植入的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的尺寸一致，并且每边多出约5 10cm。成孔过程应视土层状况分为干作业和湿作业两种。对较好的粘土层，先冲抓取出一定量的土体，然后注入水泥浆14，使冲抓过程水泥浆与土体形成水泥土流动状。待成孔到位后(成孔的深度要超出植桩深度，一般为10 100cm)，提升出冲挖头，然后用吊机将预制的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩吊入孔内，定位后在桩的重力和外加振动或静压系统作用下将桩植入土中到位；成孔后也可紧跟着用植桩机将预制空腹桩植入。对于土质较差的土体或砂性土，应先按传统的泥浆护壁方法冲抓成孔到一定深度，置换出一定的土体，然后注入水泥浆14，冲抓到底。接下植桩方法同上。先期冲抓置换出的土体、冲抓深度、注入的水泥浆量应以植入桩体后，桩孔中浆液正好齐平桩头来计算置换土体深度和水泥用量。2、旋挖成孔植桩法如图26-27所示，该植桩方法是先用专门的旋挖成孔机头13，边旋挖边搅动，至一定深度后开始注入水泥浆14，继续旋挖直到预定标高，提升旋挖成孔机头13将预制钢筋砼空腹抗侧向力桩植入。同上针对不同的土性可分为干作业和湿作业二种。对土性较好的情况，可先直接干取土成孔到一定的深度，然后注入水泥浆液，旋挖到位后植入预制钢筋砼空腹抗侧向力桩。对土性较差的土体或砂性土，需先用泥浆护壁旋挖成孔到一定深度，然后注入水泥浆并旋挖至预定标高，同上提升旋搅，然后植入预制钢筋砼空腹抗侧向力桩。有关旋挖取土的深度、注入的水泥浆量以植入桩后水泥土浆液正好上升齐平桩头来计算这两个参数。 除上述实施方式外，本发明还可以有类似其它的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护范围。
权利要求
1.一种预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，包括横截面为矩形的桩体(2)，桩体(2)具有钢筋笼，其特征在于所述的桩体(2)沿桩体纵轴方向设置有贯穿整个桩体的空腹区(3);所述的钢筋笼包括多个预应力主筋(4)、腹筋(5)和箍筋￠);所述的桩体(2)矩形截面长边的两头为加厚区(7)，在其内配置有预应力主筋(4)。
2.根据权利要求I所述的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，其特征在于所述的加厚区(7)，其中一个外伸有翼缘(1)，翼缘(I)与桩体(2)的横截面形状为T字型。
3.根据权利要求I所述的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，其特征在于所述的加厚区(7)，均外伸有翼缘(1)，翼缘(I)与桩体(2)的横截面形状为工字型。
4.根据权利要求I所述的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，其特征在于所述的空腹区(3)为多个，沿截面的长边居中整齐排列，空腹区(3)间的混凝土实心区能使箍筋通过并能满足抗剪强度要求。
5.根据权利要求6所述的预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，其特征在于所述的空腹区(3)较多时沿截面长边双排分布，增大桩体(2)抗弯抗剪强度。
6.一种权利要求I所述预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的植桩方法，其特征在于 施工步骤如下 1)、植桩机定位后,将植桩机上的多轴带旋喷头钻杆(8)插入并穿过桩体空腹区； 2)、开动植桩机，转动钻杆，同时旋喷头(9)喷出高压浆液切割桩端土，使桩端土体破坏；在桩体的重力作用下，使桩体逐渐下沉到预定标高，必要情况下借助植桩机的振动和向下静压系统(10)； 3)、提升多轴旋喷钻杆(8),完成植桩。
7.—种权利要求I所述预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的植桩方法，其特征在于 施工步骤如下 1)、植桩机定位后,将植桩机上的多轴带振冲头钻杆(8)插入并穿过桩体空腹区； 2)、开动植桩机，转动钻杆，振冲头冲水并振冲使桩端土体松软破坏，在桩体的重力作用下，必要情况借助植桩机的振动和向下静压系统10，使桩体逐渐下沉； 3)、下沉到一定深度后，振冲头(11)停止喷水改为喷射水泥浆直至桩体下沉到预定标闻; 4)、提升多轴振冲钻杆，完成植桩。
8.—种权利要求I所述预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的植桩方法，其特征在于 施工步骤如下 1)、植桩机定位后，用植桩机上的冲抓成孔头(12)冲抓土体，至一定深度后注入水泥浆(14)，冲抓至底； 2)、当冲抓成孔的深度超出植桩深度IO-IOOcm时，提升冲抓成孔头； 3)、用吊机将预制钢筋砼空腹抗侧向力桩吊入孔内，定位后在桩的重力下将桩植入土中到位，必要时借助外加振动和向下静压系统10。
9.一种权利要求I所述预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的植桩方法，其特征在于 施工步骤如下 I)、植桩机定位后，用植桩机上的旋挖成孔机头旋挖土体，到一定深度后开始注入水泥浆(14)；2)、旋挖至预定标高后，提升旋挖成孔机头(13)； 3)、用吊机将预制钢筋砼空腹抗侧向力桩吊入孔内，定位后在桩的重力下将桩植入土中到位，必要时借助外加振动和向下静压系统10。
全文摘要
本发明公开了一种预制钢筋砼空腹抗侧向力桩，包括横截面为矩形的桩体，桩体具有钢筋笼，所述的桩体沿桩体纵轴方向设置有贯穿整个桩体的空腹区；所述的钢筋笼包括多个预应力主筋、腹筋和箍筋；所述的桩体矩形截面长边的两头为加厚区，在其内配置有预应力主筋。本发明的有益效果是通过合理的排列空腹区，使矩形截面的长边抗弯有效高度增加，同时在矩形长边的二头设置了砼加厚区，且配置了高强度的预应力钢棒，使桩体的整体抗弯剪能力大幅增加，使所述的围护桩墙具备很大的抗弯剪强度，适应深基坑围护工程的需要；预制钢筋砼空腹抗侧向力桩的植桩方法具有施工方便、简单、快捷等优点，同时提高了施工效率。
文档编号E02D7/24GK102828504SQ201210334159
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者严平 申请人:杭州南联地基基础工程有限公司, 严平