专利名称：可加强水平抗弯强度和刚度的组合桩段及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种作为建筑物或构筑物的桩基，特别是指附加在桩身上端外围的一种局部加强的构造及其施工方法，能够有效加强桩基的水平抗弯强度和刚度。
现有技术对提高工程桩竖向承载力的方法非常多，主要强调提高整枝桩身和持力层的竖向承载力或加大它们之间的接触面积，这些方法理论上也十分奏效，应用这些方法的桩由于竖向承载能力的大幅度提高，其直径理所当然显著缩小的同时，也意味着抗弯刚度的降低，当然，成本和施工工期都无可避免地会增加。特别是在有些不适合撞击式打桩的地区，采用预钻孔嵌岩小直径桩或灌注型钢桩(香港地区多用，由于其尺寸不会太大，本发明通称为小直径桩)就是主要的选择了。但是以高昂代价换取来的竖向承载力由于受到水平力在桩头附近引起的弯曲应力或水平位移等问题的困扰，其优越性非但不能很好地发挥出来，而且面临荷载实验时容易局部失稳而失败的风险。虽然上述钻孔嵌岩小直径桩的建造成本相当于撞击式打桩成本的3至4倍，但它们的水平抗弯刚度和强度至今却没有任何实用、有效的办法提高。
由于地表面附近埋有越来越多的公用设施及经常进行维修、加建开挖工程，故在桩承台周围形成松软的土，使得桩承台不再适宜用来承受上部结构传来的水平力，竖向桩就不得不逐渐肩负起承受水平力的重任。如何提高桩的抗弯强度和水平位移刚度就变得越来越重要。为使桩基础有足够的水平力承载能力，现有技术中采用的方法主要有以下三种一是在工程桩旁边加设独立的比较短的抗剪桩(通常采用工字钢桩)。这种方法表面上看来似乎可以解决上述问题，但这些新增加的工字钢桩其强度与刚度比值并不合理，而且其两个方向的刚度相差甚远，给设计造成许多困难。一方面难以充分利用这些抗剪钢桩的强度，另一方面在有负摩擦力存在的场合，还会被周围下沉的土层向下拽，无意中增加了工程桩的竖向荷载。最不利的是在狭窄的工地中造成桩位拥挤、各桩在土层中产生的水平推力叠加、桩头位移增加等等问题，从而陷入顾此失彼的困境。
二是采用成对出现的斜桩的办法，由于不可能作出倾斜度很大的斜桩，所以必须牺牲较多的斜桩来承受水平力，由此可见这种方法仍然有美中不足的地方。其它缺点是整桩的长度增加、占地面积增加(有时往往会超出自己的地盘范围)、倾斜角度和方向难以控制，在桩周围的土有固结沉降时，负摩擦力对斜桩的影响更是难以评估，可能还要增加斜桩的荷载试验数量，所以经济性能并不理想。而且也不是处处都能使用的。
三是加大整桩的直径，例如中国专利申请号99117810.6中公开的利用在临时护筒内设置波形管模作为永久护筒，虽然间接拥有增大水平抗力的功效而且在香港大直径钻孔灌注桩内成功地使用超过十年，但因为它的出发点只是对桩身混凝土起保护作用，其本身的强度和刚度因为难以定量分析而一般都不予考虑，而且必须延伸到岩石表面，波形筒所占用的桩直径要比光滑表面套筒大出几倍，故仍然没有最大程度地降低造价。施工方面由于波形护筒在桩身直径较大、埋置较深的情况下，容易产生弯曲变形而挤压临时护筒，导致拔出临时护筒时连带将波形护筒一起提升，容易造成工程事故。所以它不适合大直径钻孔灌注桩之外的其它桩型。而且大直径钻孔灌注桩在目前来讲， 其价格承载力的比值是最高的，施工机械昂贵、施工技术要求高，一般中小型的建筑公司无法承接此类桩基的施工任务。
对于那些竖向力较小，而水平力却很大的桥梁基础、码头和挡土墙等场合，以及无法使用斜桩的场合，大直径钻孔灌注桩的施工费用通常是很高的。如何找出一种经济有效的增加现有小直径桩的水平抵抗能力的方法就是当务之急，也是本发明的出发点。
为了实现上述目的，本发明首先提供了一种可加强水平抗弯强度和刚度的组合结构桩段，其中，在原有基础桩身上端的外围，设置有一加强构件，所述加强构件与该基础桩由结构性填充材料粘结成为一体。
如上所述的组合结构桩段，所述加强构件是预制管桩或永久钢套筒。
如上所述的组合结构桩段，为增加与填充材料的结合力，所述永久钢套筒可以加工成凹凸内表面。
如上所述的组合结构桩段，所述加强构件由塑料护筒或其他材料制成的护筒及其设置在该塑料护筒内部的钢筋笼组成。
如上所述的组合结构桩段，所述的结构性填充材料为可以传递水平力和弯曲应力的结构性灌浆材料。
如上所述的组合结构桩段，所述的结构性灌浆材料是水泥砂浆或混凝土或当地建筑规范认可的其它填充材料，它可与套筒外的填充材料不同。
本发明还提供了一种形成可加强基础桩抗弯强度和刚度的结构桩段的方法，包括如下步骤a.在预定的桩位设置一加强构件；b.在该加强构件内部设置基础桩；c.灌浆，将所述的加强构件粘结在基础桩的上端部；d.在所述加强构件之上施工桩头。
如上所述的形成结构桩段的方法，所述的步骤b进一步包括如下详细步骤
(1)沿所述加强构件的中心继续向下钻孔直至进入岩层中，在所述加强构件的中心形成一深孔；(2)在该深孔中放入钢筋笼或工字钢；(3)在放置了所述钢筋笼或工字钢的该深孔中灌浆形成基础桩。
如上所述的形成结构桩段的方法，其中，在步骤(2)之前还包括一在钻孔的同时在该深孔中放入所述基础桩的永久护筒的步骤，而步骤(2)中的钢筋笼或工字钢放置在该永久护筒内。
如上所述的形成结构桩段的方法，其中，所述的加强构件是预制管桩(包括预应力)或永久钢套筒。
如上所述的形成结构桩段的方法，其中，所述的加强构件由塑料护筒及其内部的钢筋笼组成，在步骤a之前，还包括在预定桩位设置一临时护筒的步骤，所述的加强构件设置在该临时护筒内；而在所述步骤c的灌浆步骤中，同时缓慢拔出临时护筒，保证临时护筒底部低于填充顶面一定深度，同时低于塑料护筒的底面，直至填充材料的顶面到达其设计标高为止。
如上所述的组合结构桩段，其中，所述加强构件的尺寸、位置、强度等级、钢筋数量并无严格限值，但必须按照具体设计施工；而结构桩段的桩头也可采用各种方式，如自由桩头、铰支桩头、滑动铰支桩头及固结桩头等等。
同样，加强构件提高桩身的抗弯强度和刚度的能力并无特别指定，但必须按照当地建筑规范认可方法计算。
本发明的有益效果是，由于水平力产生的桩身弯矩在离开桩头不远处就会很快衰减，本发明采取了在桩身上端一定长度、原有构件的表面上，包上一个大尺寸或高强度构件来加大其惯性矩和强度，其优越之处在于加强部份的附加构件位于原有构件的外围，并由后续的填充材料把两者粘结成为一个整体构件。该段一定长度的整体构件的作用及目的只是为了提升桩身的水平承载力，使原有基础桩身构件在相同的位移下产生最小的弯曲应力，从而最大程度地保留桩身竖向承载力。正因为本发明只是在桩身上端采取加强措施，所以它在施工方面增加的工序最少、最容易实现，然而却使价格和承载力的比值大大降低。
图1是本发明第一实施例的强化小直径桩抗弯强度和刚度的组合结构的纵剖面图；图2是图1中的A-A断面图；图3是本发明第二实施例的一种强化预钻孔嵌岩灌注型钢桩抗弯强度和刚度的组合结构的纵剖面图；图4是图3中的B-B断面图，图5是本发明第三实施例的一种强化预钻孔嵌岩灌注型钢桩抗弯强度和刚度的组合结构填充前带有临时钢护筒的纵剖面图；图6是图5填充后把临时钢护筒取出后的纵剖面图；图7是图5中的C-C断面图；图8是图6中的D-D断面图。其中，附图标记说明如下10预制管桩 11预制管桩的钢笼 111圆形箍筋 112竖向钢筋12桩头板 20小直径桩 21小直径桩的钢笼主筋22小直径桩的钢笼箍筋 30填充材料 40永久钢套筒 41延伸钢筋42永久护筒 50桩头承台 60型钢桩(工字钢桩) 71塑料护筒72钢筋笼主筋 73钢筋笼箍筋80临时护筒E加强桩的深度 T持力层中具有永久钢护筒的桩段 R岩孔深度该第一实施例的加强桩是用下列方法形成的先把预制管桩10按照设计要求深度E(这段深度在香港约为4至12米)置入地下，该置入方法可以是撞击、振动、预钻孔甚至静压等方法；然后沿着预制管桩10的中心继续向下钻孔直至进入岩层中，从而形成一深孔；在该深孔中放入所述小尺寸桩用的永久护筒42；在该小尺寸桩用的永久护筒42中放入钢筋笼或工字钢；之后由底向上灌浆，从而在下部形成基础桩，而在上端部形成基础桩与加强构件预制管桩10粘结而成的加强桩结构；最后形成上端部的桩承台。其中，该加强构件与该桩承台的连接方式并无限制，但必须按照具体设计施工。
上述的方法中，若对于非嵌岩非现浇桩则也可不必继续向下钻孔而是利用该筒形外套的导向及定位作用直接把小直径的基础桩20置入到预定的深度；该小直径基础桩20是通过预制的方法由钢笼主筋21和钢笼箍筋22浇灌混凝土而形成，然后在该预制管桩与该小尺寸基础桩之间灌浆，使之形成为一体；从而本发明的加强结构桩段与现有桩也可以不同时形成。
小直径基础桩20的永久护筒42留在预制管桩10内一定长度以避免水土从两者之间的缝隙中渗入桩管内，必要时可以先在预制管桩10底部敷设胶凝材料以堵塞该缝隙。预制管桩10只是代替其中的那段小直径桩12承受水平力，并没有进入持力层T和R，所以不会提供竖向承载力，但在弱土层中可以局部提高小直径桩抵抗失稳的能力。这样做，较大直径的预制管桩10可以很容易地置入地下，而不必大幅增加建造工序。当桩位确定后，还可以成批一次置入全部预制管桩10到位。小直径基础桩20在管桩10内的那段深度则可减少再钻孔的工作，管桩10还可为小直径基础桩20起到导向、定位作用，从而最大可能地减少附加工程量。除预钻孔方法外，其它如用挤入式方法贯入的基础桩20，由于桩周围的土将会被挤压得更加硬实，因此抵抗水平力的能力将会更加提高。
与独立式抗剪桩系统比较，当桩群整体刚度相同或位移相同时，本发明的工程桩桩身弯曲应力将会明显小于独立式抗剪桩系统的工程桩。
小直径基础桩20在进行荷载试验时，通常由于桩头附近桩周土比较软弱，没有良好的水平约束，桩身尺寸小，因而最容易发生局部失稳而造成失败。本发明由于桩身上端增加了大尺寸、而且是永久结构物的管桩10，荷载试验在加粗后的桩头上进行，检验整个组合结构的实际受力情况，结果证实大大减少了小直径桩局部失稳的机会，从而提高了验收的合格率。
因为管桩内填充了结构性材料，使桩头与承台50的接触面加大，局部压力减小，原来单用小直径桩时所采用的钢板桩头可以省略。因为没有占用承台空间，工程桩不会拥挤，承台不需特别加大，从而不会增加承台的建造成本。
圆形的预制管桩10在任何方向都有相同的刚度，不会像抗剪工字桩经常出现施工时排错方向的事故。预制管桩10埋深较小，一般打桩机械和轻型的钻孔机械都能胜任。填充材料完全在一个封闭的永久护筒42内完成，质量不受外界水土影响，为了增加上端的抗弯曲能力，上部加强段(图1中的E段)所使用的填充材料可以与下端(T和R段)所使用的填充材料不同。
现有技术中的一些开放式沉管灌注桩或以现浇混凝土为主要受力构件的桩虽然外形有些和本发明的第一实施例相似，但它们的加粗部分主要作为承受竖向荷载的构件来用，一般通长设计。而本发明的加粗部分并没用来代替小直径桩承受竖向荷载的功能，小直径桩穿心而过直入桩承台50，所以造价不会升高，反而降低了桩基础的价格承载力比值。
图3是本发明的第二实施例的纵剖面图，该第二实施例是一种强化预钻孔嵌岩灌注型钢桩的抗弯强度和刚度的组合结构。因为目前工字钢桩的生产技术已经相当高，其材料强度和截面尺寸已经可以提供非常高的竖向承载力，但其水平承载力却因为惯性矩不大而产生很大的弯曲应力，导致竖向承载力大打折扣。本发明的第二实施例就是为维护工字钢桩竖向承载力大的优点及避免水平力的局部干扰，在该预钻孔嵌岩灌注型钢桩(或其它方法施工的钢桩)的上段，设置护筒，从而提高其水平承载力。
如图3及图4所示，本发明的第二实施例与第一实施例一样只注重桩身上端加强的原理，达到“好钢用在刀刃上”的效果。护筒40不进入持力层，所以不提供竖向承载力，但是它在施工过程中保护了其中的结构性的填充材料30，并在将来扮演主要抗弯构件。该护筒可以采用在临时钢护筒内置入较小直径的永久钢套筒或干脆留下一部分临时钢护筒在桩头下面作为永久护筒，必要时在顶端焊以延伸钢筋41来配合具体设计需要，该延伸钢筋延伸到所述的桩承台中，从而进一步增强了抵抗水平抗弯曲的能力。此加强方法施工最为简单、省时，受力情况也最容易分析。
同样因为永久钢套筒内填充了结构性填充材料，使桩头与承台50的接触面加大，局部压力减小，原来单用工字钢桩时所采用的钢板桩头可以省略。因为没有占用承台空间，工程桩不会拥挤，承台不需特别加大，从而不会增加承台的建造成本。
本第二实施例中的抗弯强度和刚度的结构桩段的形成方法，对于该护筒是永久钢套筒的情况下，可由如下步骤形成首先在预定的桩位用撞击、振动、预钻孔或静压的常规方法埋设一定长度永久钢套筒；然后沿着所述永久钢套筒的中心继续向下钻孔直至进入岩层中，在所述永久钢套筒的中心形成一深孔；在该深孔中放入型钢；然后由底向上灌浆，从而在下部形成基础桩，而在上端部形成加强桩结构；最后形成桩承台。
图5、图6所示是本发明的第三实施例，分别示出了一种强化预钻孔嵌岩灌注型钢桩抗弯强度和刚度的组合结构在填充结构性材料前后的纵剖面图，该第三实施例中的加强桩段是由永久塑料护筒71、钢筋笼和预钻孔嵌岩灌注型钢桩(或其它方法施工的钢桩)组成，并在中间充填由结构性材料30。在上述的第二实施例中，由于钢护筒40造价贵，准确定位较困难。若采用留下临时护筒作为永久护筒的方法时可能导致地面到承台底这段距离的钢护筒40留在地下，将来要做二次切割，造成损耗和整个完工期的拖长。而且钢护筒40通常以软钢制作，其抗弯强度不高，所以用料不算最经济。而本发明的第三实施例采用永久塑料护筒71和钢筋笼的构造措施正可以解决上述不足，永久塑料护筒71在临时钢护筒80的保护下，并没有承受外围水土压力。填充时，管内填充材料呈液态及比重大于周围水土，所以其作用于临时护筒80上的水平压力一般大于外围水土压力，内外压力差显著变小，塑料护筒71将受环向拉力，可以充分发挥其材料的力学特性。当填充材料硬化后塑料筒就可以功成身退了。钢筋笼可以采用高强度钢筋制作，包括主筋72和箍筋73，其埋入深度由水平力在型钢桩60内产生的影响可以小到合理水平来决定，从而可以减少用钢量。临时钢护筒80得以重复使用而降低施工成本。在本实施例中，型钢桩60是工字钢桩。
钢筋笼的竖向钢筋72同样不进入持力层，它与其中的结构性填充材料组成圆形钢筋混凝土梁，主要用来承受弯曲应力，成桩后同样可以起到工字钢桩60的保护层作用，一物两用。将来塑料护筒71就算老化开裂或开凿桩头时产生破裂都不会影响成桩质量或其中钢构件的生存环境。钢筋笼可以工厂生产或就地制作，加上塑料护筒71成本远远低于第二实施例中的钢护筒40，所以该加强方法费用相对较低。钢筋笼深入承台内将会产生更好的连接，对承台内的钢筋绑扎、间距产生的影响最少，后期的桩头加工工作量不大，反而由于增加了桩头与承台的结构性接触面，原技术采用的巨型桩头钢板都可以省掉。
本发明第三实施例的施工方法也很简单，首先在预定的桩位用撞击、振动、预钻孔或静压的常规方法埋设一定长度的临时护筒80；然后沿着所述临时护筒80的中心继续向下钻孔直至进入岩层中，在所述临时护筒的中心形成一深孔；将上部附有钢筋笼的型钢放入所述的深孔中；在临时护筒内将塑料护筒71置入到设计深度；然后填充结构性填充材料，即灌浆，同时缓慢拔出临时护筒80，施工过程中临时护筒底部必须低于填充顶面一定深度，也必须低于塑料护筒71的底面，直至填充材料到达其设计标高，以保证临时护筒80的内外压力差不会在塑料护筒71内引起太大的拉、压应力而导致该塑料护筒过早开裂；最后形成桩承台。
以上述方法所形成的桩，位于塑料护筒71内的填充材料质量是有保证的，虽然本发明没有利用它对桩身竖向承载力的贡献，但它完全可以传递弯曲应力，使钢筋笼、工字钢桩60成为一个惯性矩很大的整体受弯构件。由于外围钢筋并没有到达持力层，所以完全可以假定弯曲应力由位于外围的钢筋来承受，竖向荷载则仍然由工字钢桩60直接传递到岩石持力层中。
权利要求
1.一种可加强水平抗弯强度和刚度的组合结构桩段，其特征在于，在原有基础桩身上端的外围，设置有一加强构件，所述加强构件与该基础桩由结构性填充材料粘结成为一体。
2.如权利要求1所述的组合结构桩段，其特征在于，所述加强构件是预制管桩或永久钢套筒。
3.如权利要求1所述的组合结构桩段，其特征在于，所述加强构件由护筒及其设置在该护筒内部的钢筋笼组成。
4.如权利要求1所述的组合结构桩段，其特征在于，所述的结构性填充材料为可以传递水平力和弯曲应力的结构性灌浆材料。
5.如权利要求4所述的组合结构桩段，其特征在于，所述的结构性灌浆材料是水泥砂浆或混凝土。
6.如权利要求2所述的组合结构桩段，其特征在于，所述永久钢套筒具有光滑或凹凸的内表面。
7.一种形成可加强基础桩抗弯强度和刚度的结构桩段的方法，其特征在于，包括如下步骤a.在预定的桩位设置一加强构件；b.在该加强构件内部设置基础桩；c.灌浆，将所述的加强构件粘结在基础桩的上端部；d.在所述加强构件之上形成桩承台。
8.如权利要求7所述的形成结构桩段的方法，其特征在于，所述的步骤b进一步包括如下详细步骤(1)沿所述加强构件的中心继续向下钻孔直至进入岩层中，在所述加强构件的中心形成一深孔；(2)在该深孔中放入钢筋笼和/或工字钢；(3)在放置了所述钢筋笼和/或工字钢的该深孔中灌浆形成基础桩。
9.如权利要求8所述的形成结构桩段的方法，其特征在于，在步骤(2)之前还包括一在该深孔中放入所述基础桩的永久护筒的步骤，而步骤(2)中的钢筋笼或工字钢放置在该永久护筒内。
10.如权利要求7所述的形成结构桩段的方法，其特征在于，所述的加强构件是预制管桩或永久钢套筒，所述预制管桩可以是包含预应力的预制管桩。
11.如权利要求7所述的形成结构桩段的方法，其特征在于，所述的加强构件由塑料护筒及其内部的钢筋笼组成，在步骤a之前，还包括在预定桩位设置一临时护筒的步骤，所述的加强构件设置在该临时护筒内；而在所述步骤c的灌浆步骤中，同时缓慢拔出临时护筒，保证临时护筒底部低于填充顶面一定深度，同时低于塑料护筒的底面。
全文摘要
一种可增强水平抗弯强度和刚度的组合桩及其施工方法。在水平荷载施加影响最严重的桩头以下一定桩长范围内，给桩身外包一个大尺寸或高强度的加强构件，然后由结构性填充材料把两者粘结成为一体。其主要施工步骤为首先在预定桩位置入一定长度的较大尺寸的套筒，例如预制钢筋混凝土管桩、永久钢护筒或其它材料护筒加钢筋笼。其次在该护筒的内部施工欲被加强的较小直径的基础桩。第三是在加强段内灌入结构性填充材料。第四是按照具体设计要求施工桩头。以此方法形成的组合桩，不但没有改变原小尺寸桩的设计，反而在它的要害处加上一个强有力的保护套，使其固有的竖向承载力可以最大程度地保存，其水平承载力和刚度得以大幅提高。
文档编号E02D5/22GK1458345SQ0312430
公开日2003年11月26日 申请日期2003年4月29日 优先权日2003年4月29日
发明者张向东, 袁炎波 申请人:立基工程有限公司