CN102286971A - 钢管混凝土芯柱嵌岩桩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管混凝土芯柱嵌岩桩，其自外向内依次由以下组件构成：轻型结构码头主管，膨胀混凝土，短钢管以及灌注混凝土，所述短钢管直径为2.60m，壁厚为32mm，短管外灌注膨胀混凝土，短管内灌注混凝土，该嵌岩桩采用连片式高桩梁板结构，桩基为直径2.80m的大直径钢管桩，下部地基淤泥、粘土、全风化岩、强风化岩覆盖层厚度约10m，嵌岩持力层为微风化花岗岩。本发明利用短钢管实现钢管混凝土芯柱嵌岩，提高嵌岩结构的水平承载能力，从而减少桩基数量，节省工程造价。

Description

钢管混凝土芯柱嵌岩桩

技术领域

本发明涉及一种钢管混凝土芯柱嵌岩，具体的说是一种钢管混凝土芯柱嵌岩桩。

背景技术

工程中嵌岩桩通常指桩端嵌固于硬质中风化以上岩石的桩体，嵌岩桩可按桩身材料、桩的施工方法及结构等进行分类，常见的分类方法包括按照桩身材料进行分类或按照施工方法进行分类：

1)按桩身材料分类

嵌岩桩按桩身材料可分为嵌岩预应力混凝土桩和嵌岩钢桩。预应力混凝土桩又可分为预应力混凝土方桩和大直径预应力混凝土管桩。该种类型的桩由于受本身强度的限制，通常只用于中型以下码头。钢管桩具有受水流、波浪力小等优点，故嵌岩钢桩均采用钢管桩。钢桩所用材质一般为普通碳素钢，普通低合金钢及高强度细晶可焊结构钢，码头水深越大，也就越有必要采用高强度材质钢材。

2)按施工方法分类

嵌岩桩按施工方法可分为常规打入桩、钻孔栽入桩及钻打结合桩等。

所谓钻孔栽入桩，即采用合适的成孔技术，先钻一个比桩尺寸大的孔至规定深度，桩下放到孔内，再在桩与孔壁之间的环形空间中浇筑水泥砂浆。

所谓钻打结合桩，即使用常规方法沉桩至一定深度(以贯入度控制)后，用合适成孔技术从管桩内钻孔至设计深度。再将桩复打至设计标高(仍以贯入度控制)。此种类型的嵌岩桩适合于岩基上有一定覆盖层或遇有大漂石的地质条件。

已有的技术方案通常为灌注型嵌岩桩结构或钢管桩植入型嵌岩桩结构：

灌注型嵌岩桩结构采用灌注混凝土连接桩基与岩石结构的嵌岩结构型式。其具体设计见附图1，其中1为岩层面，2为钢筋笼，3为钢管桩，4为覆盖层。

尽管灌注型嵌岩桩一般能够满足竖向承载力的要求，但对于承受较大水平力的钢管桩结构，岩层面位置弯矩较大，但是此位置恰恰是钢管桩向嵌岩灌注混凝土桩结构过渡的薄弱节点，灌注混凝土结构承受水平荷载能力较弱。

预制型植入嵌岩桩是指在桩位上现钻岩成孔，然后在孔内沉入预制桩，采用灌注混凝土或压浆方法固结桩身而形成的桩。在制备时，采用打桩设备将预制的钢管桩打至岩面或部分打入岩面，采用钻机在桩内成孔，并钻入岩层一定深度，再采用打桩设备将钢管桩复打至桩底，采用吸渣设备清除孔底岩渣，最后浇筑桩芯混凝土，该法适用于有一定覆盖层的软岩。具体的工艺流程参考附图2，其中步骤如下：a)稳桩；b)钻孔；c)复打；d)清孔、灌注水下混凝土锚固；附图标记：1-预制钢管桩；2-覆盖层顶面；3-岩面层；4-桩芯混凝土。

钢管桩植入型嵌岩桩结构主要有两个缺点：

1)需要反复打桩，施工工序组织困难，桩基施工进度难以保证，对于桩基数量较少的桥墩可以通过流水施工克服反复打桩对工期的影响，但是对于桩基数量大且密集的码头结构，这种困难是难以克服的。

2)对施工期间的钻岩精度要求较高，需要根据岩石的硬度确定钻岩钻孔的大小，既要能满足施工期间桩基稳定要求，又要方便后续桩基打入，稍有不当，都会增加很大的施工麻烦。

发明内容

本发明公开了一种钢管混凝土芯柱嵌岩桩，解决了如下技术问题：

1)解决灌注型嵌岩桩的水平承载力问题；

2)解决植入型嵌岩桩的施工困难问题；

3)解决嵌岩桩的经济性问题。

本发明公开的的钢管混凝土芯柱嵌岩桩，其自外向内依次由以下组件构成：轻型结构码头主管，膨胀混凝土，短钢管以及灌注混凝土。

根据实际应用生产的需要，本领域技术人员可以选择合适的各组件的大小、长度等参数，优选的，在本发明中所述短钢管直径为2.60m，壁厚为32mm，短管外灌注膨胀混凝土，短管内灌注混凝土。

在上述基础上，本发明的嵌岩桩采用连片式高桩梁板结构，桩基为直径2.80m的大直径钢管桩，下部地基淤泥、粘土、全风化岩、强风化岩覆盖层厚度约10m，嵌岩持力层为微风化花岗岩。

在上述基础上，本发明的嵌岩桩优选所述嵌岩桩的嵌岩深度取8m，短钢管总长16m，其嵌岩部分长度为8m。

进一步地，最优选的，本发明的钢管混凝土芯柱嵌岩桩桩端最大内力设计值为下表所示：

最大弯矩(kN.m)	对应轴力(kN)	对应剪力(kN)
			55720	-26124	8163
最大拉力(kN)	对应弯矩(kN.m)	对应剪力(kN)
			8014	35566	1532
最大剪力(kN)	对应轴力(kN)	对应弯矩(kN.m)
			8163	-26124	55720

本发明的钢管混凝土芯柱嵌岩桩，通过采用短钢管嵌岩，钢管内灌注混凝土，大幅度提高嵌岩部分桩基受力性能。

附图说明

图1为现有技术中的灌注型嵌岩桩示意图；

图2为现有技术中的钻岩复打桩锚固施工示意图；

图3为本发明中的钢管混凝土芯柱嵌岩结构示意图。

具体实施方式

结合下述实施例，可以更好的理解本发明的目的以及技术方案和效果。本领域技术人员可以理解本发明所述装置不仅可用于嵌岩桩，也可被用于其他可以适用的地方，下述实施例仅是本发明的优选实施方法，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围，本发明的保护范围被其权利要求以及权利要求的等同变换所涵盖。

以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本技术方案可以应用于全直桩码头工程和桥墩工程，主要解决水平荷载较大情况下的钢管桩基嵌岩问题。

实施例1：全直桩码头工程

钢管混凝土芯柱嵌岩桩，其自外向内依次由以下组件构成：轻型结构码头主管，膨胀混凝土，短钢管以及灌注混凝土。采用连片式高桩梁板结构，桩基为直径2.80m的大直径钢管桩，下部地基淤泥、粘土、全风化岩、强风化岩覆盖层厚度约10m，嵌岩持力层为微风化花岗岩。

表1桩端最大内力设计值

最大弯矩(kN.m)	对应轴力(kN)	对应剪力(kN)
			55720	-26124	8163
最大拉力(kN)	对应弯矩(kN.m)	对应剪力(kN)
			8014	35566	1532
最大剪力(kN)	对应轴力(kN)	对应弯矩(kN.m)
			8163	-26124	55720

嵌岩深度根据常数法计算，计算参数取值如下：

钢管桩直径D＝2.600m

钢管桩壁厚δ＝0.032m

钢管桩抗弯刚度I＝0.213m⁴

弹性模量E＝200000000kPa

挠曲刚度EI＝42568892kNm²

岩石反力系数K＝5000000kN/m³

β＝0.526m^-1

Lt＝3Kd/＝6.85m

根据以上计算结果，嵌岩深度取8m。

岩石饱和抗压强度f_rc＝8000kPa，根据《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》计算的抗压承载力设计值Q_cd＝58534kN，抗拔承载力设计值Q_td＝29551kN，承载力满足要求。

采用钢管混凝土芯柱的结构型式，嵌岩短钢管直径为2.60m，壁厚为32mm，短管内外灌注膨胀混凝土，嵌岩结构的承载力按钢管混凝土结构进行计算，主要计算公式如下：

N_u＝φ₁φ₂N₀

N₀＝f_cA_c(1+θ^0.5+θ)

θ＝f_aA_a/f_cA_c

最大弯矩对应轴力和剪力时结构处于最危险状态，取桩端弯矩M＝55720kNm，桩端轴力N＝26124kN和桩端剪力Q＝8163kN进行计算。经计算，N_u＝65286kN，小于计算的桩端轴力N，采用钢管混凝土芯柱嵌岩满足设计要求，嵌岩形式详见图3。

本发明技术方案带来的有益效果

1)解决了水平荷载较大情况下的嵌岩问题

钢管混凝土芯柱嵌岩结构不仅具有良好的竖向荷载承载能力，而且能够承受较大的水平荷载，适用于大直径钢管桩嵌岩，特别是岩基浅埋情况下的大直径全直桩码头。

2)方便了大直径钢管桩嵌岩桩的施工

钢管混凝土芯柱嵌岩结构可以根据结构内力调整短钢管直径，钢管内外只需要灌注素混凝土，较传统的灌注型嵌岩和植入型嵌岩减少了钢筋笼下放和桩基多次施打等工序，较大程度地方便了施工。

3)有效降低工程造价

由于钢管混凝土芯柱嵌岩结构具有良好的竖向、水平向承载能力，这为大直径桩基的使用提供了条件，从而有效减少桩在数量，增加施工效率，节省工程造价，对于岩基浅埋条件下的20万吨级矿石码头，可较灌注型嵌岩降低桩基造价约22％，较植入型嵌岩降低桩基造价约16％。

钢管混凝土芯柱嵌岩设计基本思路——利用短钢管实现钢管混凝土芯柱嵌岩，提高嵌岩结构的水平承载能力，从而减少桩基数量，节省工程造价。

Claims (5)

1.一种钢管混凝土芯柱嵌岩桩，其特征在于：其自外向内依次由以下组件构成：轻型结构码头主管，膨胀混凝土，短钢管以及灌注混凝土。

2.如权利要求1所述的钢管混凝土芯柱嵌岩桩，其特征在于：所述短钢管直径为2.60m，壁厚为32mm，短管外灌注膨胀混凝土，短管内灌注混凝土。

3.如权利要求1所述的钢管混凝土芯柱嵌岩桩，其特征在于：该嵌岩桩采用连片式高桩梁板结构，桩基为直径2.80m的大直径钢管桩，下部地基淤泥、粘土、全风化岩、强风化岩覆盖层厚度约10m，嵌岩持力层为微风化花岗岩。

4.如权利要求3所述的钢管混凝土芯柱嵌岩桩，其特征在于：所述嵌岩桩的嵌岩深度取8m，短钢管总长16m，其嵌岩部分长度为8m。

5.如权利要求1所述的钢管混凝土芯柱嵌岩桩，其特征在于：桩端最大内力设计值如下表所示：

  最大弯矩(kN.m)   对应轴力(kN)   对应剪力(kN)   55720   -26124   8163   最大拉力(kN)   对应弯矩(kN.m)   对应剪力(kN)   8014   35566   1532   最大剪力(kN)   对应轴力(kN)   对应弯矩(kN.m)   8163   -26124   55720

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