自平衡下沉大直径管桩.pdf

一种自平衡下沉大直径管桩，管桩桩体包括至少两节管桩，管桩桩体的直径为Φ3m～Φ15m，上下相邻两节管桩之间设有中继间，中继间内均匀间隔安装有一组中继千斤顶，中继千斤顶的底座设在上节管桩的下端面，中继千斤顶的伸缩杆顶在下节管桩的上端面，在相邻两个中继千斤顶之间的管桩体内交错间隔设置有预留孔道，每个预留孔道内穿有一根拉杆，一组拉杆将各节管桩直线相连，每个拉杆的下端部在最下节管桩的下端面上连接有锚固件，每个拉杆的上端部在最上节管桩的上端面上安装有穿心式千斤顶。中继间和预留孔道在管桩到底取出中继千斤顶后由混凝土封闭。施工中不需锤击、强力震动等外力作功，降低了施工造价，提高了效率。

1.  一种自平衡下沉大直径管桩，管桩桩体包括至少两节管桩，其特征在于：所述管桩桩体的直径为Φ3m～Φ15m，上下相邻两节管桩之间设有中继间(3)，中继间内均匀间隔安装有一组中继千斤顶(4)，中继千斤顶(4)的底座设在上节管桩的下端面，中继千斤顶(4)的伸缩杆顶在下节管桩的上端面，在相邻两个中继千斤顶之间的管桩体内交错间隔设置有预留孔道(7)，每个预留孔道内穿有一根拉杆(6)，一组拉杆(6)将各节管桩直线相连，每个拉杆的下端部在最下节管桩的下端面上连接有锚固件(17)，每个拉杆的上端部在最上节管桩的上端面上安装有穿心式千斤顶(5)。

2.  根据权利要求1所述的自平衡下沉大直径管桩，其特征在于：所述中继间(3)是上下两节管桩之间的环形间隙，或者是均布在每节管桩下端面、用于容置千斤顶的凹穴。

3.  根据权利要求2所述的自平衡下沉大直径管桩，其特征在于：所述管桩芯内为空心或回填有贫混凝土、片石或砂砾。

4.  根据权利要求2所述的自平衡下沉大直径管桩，其特征在于：所述中继间(3)和预留孔道(7)在管桩就位、并取出中继千斤顶后由混凝土封闭。

5.  根据权利要求2所述的自平衡下沉大直径管桩，其特征在于：所述管桩顶部与顶盖板连接。

6.  根据权利要求2所述的自平衡下沉大直径管桩，其特征在于：所述凹穴的上方管桩桩体上有加宽牛腿(23)。

7.  根据权利要求2所述的自平衡下沉大直径管桩，其特征在于：所述在环形间隙或凹穴外侧的上节管桩桩体外侧连接遮挡钢板(27)。

8.  根据权利要求7所述的自平衡下沉大直径管桩，其特征在于：所述在上节管桩的下端面连接密封橡胶圈(24)。

自平衡下沉大直径管桩
技术领域
本实用新型涉及一种沉入桩，属于土木工程深基础工程中的桩基工程领域。
背景技术
在土木工程深基础施工中，现有的深基础类型主要有桩基基础和沉井基础，桩基础有沉入桩和灌注桩（现浇桩）两大类。
1）沉入桩
含预制混凝土矩形桩（边长250～500㎜）、预应力混凝土管桩（Φ400㎜～550㎜）、和由日本引进的PHC桩（预应力高强混凝土管桩、直径800㎜～1200㎜）及大型管柱（直径1550㎜～5800㎜）。钢桩有型钢桩和钢管桩（最大直径1000㎜～1200㎜）。
沉入桩的工艺路线是靠锤击、强力振动、射水冲沉和管腔内除土等方法，突破桩的侧摩阻和端阻、使桩下沉到持力层或预定深度。因其锤击、强力振动噪声对环境影响，在城镇及其附近已很少使用；只有Φ400㎜～550㎜预应力管桩和PHC桩，在沿海软土地区还在应用。钢桩因耗钢量大、本来就很少应用，目前只有在部分成桩困难或特殊要求下在需较强穿透力的地层还有应用。
振动下沉管柱由1957年武汉长江大桥成功使用Φ1550mm混凝土管柱后，在深水桥梁基础中发展较快。由武汉长江大桥Φ1550mm混凝土管柱到南京长江大桥Φ3600mm预应力混凝土管柱到赣江大桥直径Φ5800㎜最大直径管柱。但由于管柱下沉靠施加强大振动力、其振动力要求大于2倍的管柱重力，使振动沉桩机功率太大，受振动力制约管柱的长度和直径都不可能再大，同时因振动力对周边建筑物（如护岸等）和管柱本身损伤等影响，目前已很少使用。
钻孔沉埋空心桩近十多年来在河南、湖南等地试用，其途径是先成孔、后分节沉入管桩、最后环形间隙填石压浆成桩。受钻孔制约其最大直径在3m左右，环形间隙填石压浆与空心桩壳结成一体，其质量可靠性和稳定性受多种因素影响，尚待进一步探索，多年来只在湖南常德澧水大桥等几座桥梁试用、未见推广。
2）钻孔灌注桩
其方法是先成孔、后灌注混凝土成桩。近30年来在施工工艺、机械设备及检测技术等方面都取得了长足进展，直径2.5m～3m、桩长超过100m的大直径超长桩成功使用，在深基础中显示强大优势，成为桥梁基础中的首选形式。
钻孔桩由于成孔设备及围岩稳定、达到桩径2.5m～3m、最大4m，已经做了很大努力，桩径再增大、难度很大。
由于桩径增大、使空心管桩倍受关注，钻孔桩空心成桩问题始终没有突破。
钻孔桩受桩径制约，大中跨桥梁的桩基只能采用群桩承台的结构形式，群桩在轴力、弯矩荷载作用下、单桩承载力极不均匀，其最大、最小值之比达到3～4，甚至出现负值（一侧桩受压、另一侧桩受拉）既增大了桩长、更增加基础圬工量。钻孔桩在深水和很厚的湖海相沉积软土覆盖层中，都需设置很长的护筒；如海湾大桥Φ2.5m～2.8m、长125m桩基中、护筒长45m，南京长江二桥护筒长42m，舟山连岛工程桩长110m、护筒长45m～60m，有些长桩永久性钢护筒已接近桩长的1/2～1/3；再加上钻孔桩先天存在的泥浆中灌注混凝土成桩，混凝土强度的稳定性、可靠度低及桩侧阻、端阻的降低和钻孔排污问题都少有突破，这些都制约了钻孔桩的发展。
2　沉井基础
一般用于入土较深、荷载很大的大型深基础。其沉入主要靠自重克服井壁摩阻、井内全断面除土降低端阻下沉。因之壁厚受自重和沉入阻抗制约，井壁较厚。
壁厚t≥τ_P/γ_C(τ_P井壁摩阻力、γ_C混凝土容重)
排水下沉时（设τ_P=35KN/㎡、γ_C=25KN/m³)，t≥35KN/㎡／25KN/m³=1.4m；
水中或不排水下沉时（τ_p=35KN/㎡、γ′_C=15KN/m³）,t≥35KN/㎡／１5KN/m³=2.3m；
在跨径100m以下的桥梁，桥墩桩基竖向荷载在15000KN以下，直径Φ3m～8m沉井采用壁厚1.5m～2.5m,圬工量太大。
总之、从上述深基础施工工艺路线看都是靠自重和外加动力作功，如錘击、强力振动、射水及井内除土等克服桩侧摩阻和端阻、使桩或沉井下沉或直接钻孔埋置到预定的持力层和深度，建成深基础。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种自平衡下沉大直径管桩，以解决现有技术施工效率低、成本高、对施工机械功率要求高、对周边建筑物以及管桩本身影响大的技术问题，并解决大直径管桩施工困难的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种自平衡下沉大直径管桩，管桩桩体包括至少两节管桩，其特征在于：所述管桩桩体的直径为Φ3m～Φ15m，上下相邻两节管桩之间设有中继间，中继间内均匀间隔安装有一组中继千斤顶，中继千斤顶的底座设在上节管桩的下端面，中继千斤顶的伸缩杆顶在下节管桩的上端面，在相邻两个中继千斤顶之间的管桩体内交错间隔设置有预留孔道，每个预留孔道内穿有一根拉杆，一组拉杆将各节管桩直线相连，每个拉杆的下端部在最下节管桩的下端面上连接有锚固件，每个拉杆的上端部在最上节管桩的上端面上安装有穿心式千斤顶。
所述中继间是上下两节管桩之间的环形间隙，或者是均布在每节管桩下端面、用于容置千斤顶的凹穴。
所述管桩芯内为空心或回填有贫混凝土、片石或砂砾。
所述中继间和预留孔道在管桩就位、并取出中继千斤顶后是由混凝土封闭的。
所述管桩顶部可以与顶盖板连接。
所述凹穴的上方管桩桩体上可以有加宽牛腿。
所述在环形间隙或凹穴外侧的上节管桩桩体外侧可以连接遮挡钢板。
所述在上节管桩的下端面可以连接密封橡胶圈。
本实用新型的自平衡下沉大直径管桩，在一、二节管桩入土后，启动中继千斤顶,靠上节管桩自重和管桩侧摩阻做支撑顶压下节管桩下沉，然后靠下节管桩阻抗支撑，拉上节管桩跟进下沉，这样相互支撑、交替顶压下沉。利用管桩自身摩阻的一部分作支撑克服下沉段管桩的阻抗，实现自平衡沉入。
有益效果：
（1）本实用新型的自平衡下沉大直径管桩采用全断面除土靠部分管桩自重和摩阻做支撑，顶压另一部分管桩、克服阻抗下沉，这样两节管桩互为支撑交替顶压下沉，改变沉入桩和沉井全靠锤击，强力震动和自重克服摩阻下沉的工艺路线。使管桩下沉不受自重制约，管桩壁厚按结构受力需要和构造要求选定，可以做成薄壁，壁厚一般为桩径的1/20左右。与靠自重下沉的沉井壁厚1.5m～2.5m相比，壁厚可减少70%，圬工量降低50%以上。与沉入桩和振动下沉管柱相比，不需锤击、强力震动等强大外力作功，使基础工程费用可降低20%以上。
（2）本实用新型的自平衡下沉大直径管桩适用于桩径Φ3m～10m、最大直径可达Φ15m、在桥梁基础中、可按需要选择跨径100m以下桥墩基础的桩径和桩长、采用桩柱合一的结构形式、不设承台。
（3）本实用新型的自平衡下沉大直径管桩桩底断面大、刚度大，可充分利用端承和桩侧弹性阻抗，一般情况下、端承可占总承载力的50%～70%，钻孔桩在同样条件下端承只占15%～20%。自平衡下沉大直径管桩与钻孔桩相比，突破了桩径最大3m～4m的制约，同时解决了空心成桩的难题，用管桩柱合一的基础代替群桩承台的结构形式，桩长可缩短1/3～1/2。桥墩基础工程可降低造价20%以上。
（4）本实用新型的自平衡下沉大直径管桩除用于桥梁基础外，在水利、港工、海洋工程中也有广阔的使用前途，在地铁顶管等暗挖工程中作为临设工程的竖井和泵房竖井在直径15m以内可广泛使用。
附图说明
图1为本实用新型自平衡下沉大直径管桩的结构示意图。
图2是图1的A-A剖面图。
图3为自平衡下沉大直径管桩在无水地层用予挖基坑填埋法施工步骤一的示意图图。
图4为自平衡下沉大直径管桩在无水地层用予挖基坑填埋法施工步骤二的示意图图。
图5为自平衡下沉大直径管桩在无水地层用予挖基坑填埋法施工步骤三的示意图图。
图6为自平衡下沉大直径管桩在无水地层用予挖基坑填埋法施工步骤四的示意图图。
图7为本实用新型采用锚桩顶压法施工的俯视状态示意图。
图8为本实用新型采用锚桩顶压法施工的主视状态示意图。
图9为本实用新型在水下施工时在管桩周围设置定位钢管桩桩位的示意图。
图10为本实用新型在水下施工时制作预拼管桩的示意图。
图11为图10的右视示意图。
图12为本实用新型在水下施工时定位桩及环向支撑的示意图。
图13是图12的主视示意图。
图14为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤一的示意图。
图15为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤二的示意图。
图16为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤三的示意图。
图17为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤四的示意图。
图18为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤五的示意图。
图19为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤六的示意图。
图20为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤七的示意图。
图21为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤八的示意图。
图22为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤九的示意图。
图23为应用本实用新型在水下采用辅助顶压法施工步骤十的示意图。
图24为在管桩管壁外侧中继间上下端面设密封环和防水橡胶圈的示意图。
附图标记：1－下节管桩、2－上节管桩、3－中继间、4－中继千斤顶、5－穿心式千斤顶、6－拉杆、7－预留孔道、8－除泥设备、9－钢板滑动套、10－地面、11－另一上节管桩、12－横梁、13－锚桩、14－定位钢管桩、15－自平衡下沉大直径管桩、16－桩顶格栅、17－锚固件、18－套筒、19－套管、20－定位销、21－环向支撑、22－定位钢管桩、23－加宽牛腿、24－密封橡胶圈、25－水面、26－基坑、27－遮挡钢板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
参见图1-图2，一种自平衡下沉大直径管桩，管桩桩体包括至少两节管桩，其特征在于：所述管桩桩体的直径为Φ3m～Φ15m，上下相邻两节管桩之间设有中继间3，中继间内均匀间隔安装有一组中继千斤顶4，中继千斤顶4的底座设在上节管桩的下端面，中继千斤顶4的伸缩杆顶在下节管桩的上端面，在相邻两个中继千斤顶之间的管桩体内交错间隔设置有预留孔道7，每个预留孔道内穿有一根拉杆6，一组拉杆6将各节管桩直线相连，每个拉杆的下端部在最下节管桩的下端面上连接有锚固件17，每个拉杆的上端部在最上节管桩的上端面上安装有穿心式千斤顶5。
中继间泛指两节管桩之间用于安装中继千斤顶的设备间，其原本含义是中间加力站，在管桩自平衡下沉中出现的中继间是指任意二节管桩间留有的环形间隙及在其间安装的一组中继千斤顶，中继千斤顶环向对称布置若干台是为了满足总顶力及均匀分布。两节管桩间的中继间可以是平行环形的间隙，也可以是凹穴形。如果千斤顶总顶力很大，需设置千斤顶较多时，各千斤顶之间间隔不是很大时，即不留凹形槽，而是在上﹑下两节管桩端平面间留平行间隙，其中均匀设置千斤顶。如果设置千斤顶较少（如4台6台），千斤顶间距较大（一般大于2m以上）时，可设置凹形槽以减小整环的间隙，这样可以把环形间隙压缩到最小量20cm-30cm，如不设凹形槽，环形间隙最小应大于千斤顶最小高度40cm-50cm,如果设置千斤顶很多，8台10台以上，其间距不大，没有设置凹形槽的条件或意义，此时即不留凹形槽而是保留二管桩端平台的平行间隙，其大小一般50cm左右。
所述中继间3是上下两节管桩之间的环形间隙，或者是均布在每节管桩下端面、用于容置千斤顶的凹穴。所述管桩芯内为空心或回填有贫混凝土、片石或砂砾。中继间3和预留孔道7在管桩就位、并取出中继千斤顶后由混凝土封闭。管桩顶部与顶盖板连接。
参见图24，所述中继间3是上下两节管桩之间的环形间隙，或者是均布在每节管桩下端面、用于容置千斤顶的凹穴，凹穴上方的管桩桩体上可以有加宽牛腿23，在环形间隙或凹穴外侧的上节管桩桩体外侧可以连接遮挡钢板27，在上节管桩的下端面可以连接密封橡胶圈24。中继间3和预留孔道7在管桩就位、并取出中继千斤顶后由混凝土封闭。
自平衡下沉大直径管桩沉入施工要分别按陆地无水地层沉入和水中沉入两种情况考虑。
自平衡下沉大直径管桩在陆地和无水地层下沉。
（１）管桩可在工厂或现场分节（分段）预制，运至沉桩位置安装、拼接，或在桩位就地预制，分节接高下沉。
（２）初始阶段管桩靠自重只能下沉4m～5m、此时第二节管桩尚未入土不具备自平衡下沉条件，解决初始阶段下沉、可采用三种方法，分述如下：
　1）预挖基坑埋填法
参见图3-图6，在桩位处预挖4m～5m深基坑，在基坑底面上安装或浇筑第一、二节管桩，靠自重由基坑底沉入4m～5m，然后回填肥槽将第二节管桩埋入土中、接高第三节管桩后，启动中继千斤顶，开始分节自平衡下沉。
　2）加大底节自重法
将下节管桩压缩到最短（3m），加厚下节管桩壁厚到(1/10～1/8)D，使底节自重增加到一般情况的2～3倍，靠自重沉入地面以下；接高第二节管桩、靠两节管桩自重可下沉6m～7m，然后启动中继千斤顶、开始分节自平衡下沉。
　3）锚桩加压法
参见图7-图8，沿管桩外侧环向对称设置4根锚桩［Φ60cm×（４m～6m）］抗拔力300KN；管桩顶预埋拉杆与管桩顶面横梁联接,安装4台穿心式千斤顶（YC-60）、用千斤顶加压輔助管桩下沉，达到第二节管桩入土后、启动中继千斤顶、开始分节自平衡下沉。
　（3）管桩下沉到预定位置后，先封底、然后拆除中继千斤顶、封闭中继间、紧固拉杆、孔道压浆使各节管桩联成整体。
　（4）管桩空心可用贫混凝土、片石或砂砾回填，按设计要求也可以不回填，管桩顶盖板要考虑桩柱合一结构受力要求和桩与墩柱联接的需要。
2、自平衡下沉大直径管桩在水中下沉施工方法参见图14-图23。
（1）当水深小于管桩直径时，管桩不能浮运，只能架设栈桥或筑岛，将管桩分段托运到桩位，用吊装设备分段起吊就位，拼装接高。如水中筑岛时，亦可在桩位浇注预制，分段接高。
（2）水中下沉自平衡下沉大直径管桩，为固定管桩位置和初始阶段管桩下沉导向，及辅助顶压，应预先沿管桩外围环向对称位置沉入4根定位钢管桩，定位桩的钢管直径及入土深度应根据承受水平力大小弹性阻抗及抗拔力需要确定。
（3）水深大于管桩直径时，应采用浮运就位，浮运前管桩应预拼。管桩可在工厂或现场分段预制，在岸边设置预拼台座，将分段管桩拼接成一整体。管桩预拼长度可根据水深及河床情况选定分节长度及预拼总长度。
（4）预拼管桩第一、二节最小长度取5m第三节可根据需要选定长度5m～10m，各管桩节间要设中继间安装防水千斤顶，同时将拉杆穿入拉杆孔道并予紧锚固，保证预拼成整体的管桩在浮运、起吊扶正阶段管桩的整体强度及刚度，管腔置入充气胶囊，并与管桩顶格栅连接，浮运时胶囊充气，使管桩浮起，拖运到桩位。
（5）管桩水中下沉
1）管桩在水中扶正就位后，补打第四根定位桩。安装环向支撑，将四根定位桩联接为一整体空间装置。环向支撑最少二道；一道沉入水中接近河底；一道浮在水面。水深超过10m时可适量增加环形支撑，增加定位桩的整体性和刚度。在管桩下沉过程中提高导向效果。
2）管桩就位后，卸除管桩顶格栅，取出充气胶囊，安装除泥设备；抓斗或吸泥机，准备管桩内除土下沉。
3）管桩在水中下沉的初始阶段，水深小于自沉水深时，因管桩重力小于初始阶段摩阻力，管桩无法沉入，需依靠锚桩提供辅助顶压力强迫管桩下沉，直到管桩完成初始阶段下沉。管桩第一、二节全部沉入土中，即可开始以一二节管桩，互为支承，交替顶压自平衡下沉，直到预定深度。锚桩顶压力应依管桩直径、水深和土质摩阻力，经计算决定。管桩的辅助顶压力，由四根锚桩分担，每根锚桩的抗拔力应大于辅助顶压力的1/4。
4）管桩在水中下沉初始阶段，水深大于自沉水深时；可靠管桩重力和第二节管桩阻抗力。开动第一中继间顶压第一节管桩下沉。初始阶段下沉至入土深度达到，第一、二节管桩全部入土，即可开始自平衡下沉，直到预定深度。管桩自沉入水深应依管桩直径、水深及土质摩阻，经沉入阶段受力分析确定。
（6）水中封闭中继间
1）深水中沉入管桩，为封闭中继间防水需要，在管桩预制时靠管壁外侧中继间上下端面，预留20厘米宽封闭环，并在上节端面粘接防水橡胶圈；其上下节管桩间距，在中继间压缩封闭状态下约5厘米（具体尺寸可经防水胶圈压缩量试验确定）如果管桩壁厚不足，可在管桩壁内侧增设牛腿安装千斤顶，或改用小吨位小直径千斤顶。
2）管桩下沉到预定深度，采用水下封闭方法封底。由潜水工移出中继间支承垫块和中继千斤顶。擦洗干净封闭环部位接触面，启动管桩顶面穿心式千斤顶，张紧拉杆达到预定吨位后锚固，将橡胶圈压缩到1/2～1/3使中继间完全密封、防水。
3）在中继间密封防水和管桩封底完成后，管桩内抽水，进行中继间封闭及管桩联接工作，此前应验算封底混凝土断面厚度及强度，按水面到桩底的总高度水压力计算。同时要校核管桩抽水排空时外侧环向土压力及静水压力下管桩的承压强度，环向侧压力取管桩封底高度上1m部位压强计算。
4）管桩内排水后进行中继间封闭工作，焊接预留钢筋（内侧）支模浇混凝土，及孔道拉杆压浆锚固工作。整根管桩内多处中继间可同时封闭及管桩联接工作。
以上为本实用新型的典型实施例，本实用新型的实施不限于此。