1.本发明关联桩基施工技术领域，更具体地，涉及一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构及其施工方法。
背景技术：
2.桩基施工技术领域，预制桩正是基础装配化施工的重要环节。相较于传统灌注桩，预制桩以其具有单桩承载能力高、设计选用范围广、对持力层起伏变化大的地质条件适应性强、单桩承载力造价便宜，成桩长度不受施工机械的限制、集约化程度高等优点，现已广泛应用于我国铁路公路的路基结构当中。
3.然而，以预应力混凝土管桩为例，既有研究表明预制管桩在作为摩擦桩使用时，若桩身长度小于20m时，其桩身承载力仅能发挥混凝土材料所能提供的承载力的50％甚至更低，材料的利用率低造成了极大的浪费。与此同时，对于多节预制桩的接桩问题，目前大多采用电焊连接，接桩处易因人为原因出现焊缝开裂等现象，对于基桩的竖向承载力和水平稳定性能都存在着不利影响。除此之外，目前广泛采用的劲性搅拌桩，水泥掺入量、水泥土搅拌的均匀程度和施工机具等都严重影响着成桩桩身的强度，大量的水泥土搅拌桩抽芯检测表明，试件强度随深度增加而减小，尤其是桩端附近的水泥土强度甚低。基于此，本发明提出一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构，采用灌浆材料可提升桩身强度，扩引孔协配孔底钢筋笼可嵌岩成桩，整桩承载力得到大幅提升。
技术实现要素：
4.为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构及施工工艺，主要为了开发一种单桩承载力高、结构简单，工艺简明且易于制备，可扩展应用于各类异形预制桩的植入施工的扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构及施工工艺。
5.为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
6.一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构，包括深入岩土层的扩引孔，所述扩引孔内设有复合桩，所述复合桩包括预制桩和灌浆材料桩，所述预制桩设有封底钢板，所述预制桩长度短于复合桩长度，所述灌浆材料桩由灌注灌浆材料充溢挤密预制桩与引孔间的环状间隙，形成预制桩悬浮于充盈灌浆材料中的复合桩。
7.本发明还提供一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩的施工方法，包括预制桩和包裹在预制桩周围的外部灌浆材料桩，钻机滚压破岩扩径引孔穿越岩土层，预制桩植入灌浆材料充溢挤密预制桩与引孔间的环状间隙，形成预制桩悬浮于充盈灌浆材料中的复合桩，具体的包括了以下步骤：
8.(1)测量放线，确定桩位，场地平整后进驻钻机机组设备，扩径引孔至设计孔径和孔底标高，引孔外径大于预制桩外径；
9.(2)成孔质量检查合格后，钻机移位，将定位装置下放至钻孔内，定位装置外缘搭
接在钢护筒顶面或地表面；
10.(3)下放注浆导管，通过导管向钻孔内灌注灌浆材料至设计标高；
11.(4)在灌浆材料初凝前，履带吊机协配钢丝绳悬吊预制桩穿过定位装置，植入充溢挤密灌浆材料填充引孔间环状间隙，形成预制桩悬浮于充盈灌浆材料中的变截面复合桩；
12.(5)回收定位装置，自然养护。
13.所述步骤(1)中复合桩截面模数，即预制桩直径与复合桩直径的比值分布在0.30～0.88范围内，所述预制桩和外部灌浆材料桩芯桩长度比分布在0.25～0.9范围内。
14.所述步骤(2)中定位装置包括上部定位孔和中部限位钢箍，上部定位孔和中部限位钢箍通过支撑连接钢条焊接成为统一整体，上部定位孔四周预设有环形卡口，搭配护桩螺纹钢棒共同工作。
15.所述步骤(3)中的灌浆材料，其掺量为10％～12％，水胶比0.3～0.33，30min截锥流动度≥280mm，24h自由膨胀率为2～5％，24h自由沁水率为0％，毛细沁水率≤0.1％，28d抗压强度≥35mpa。
16.本发明的有益效果：
17.采用预制桩配合植入法施工，可解决预制桩嵌岩采取直接锤击法或静压法所造成的沉桩困难，强行穿越伴随的桩尖、桩身损伤，以及带来的不良环境岩土效应；预制桩单节植入形成上部复合截面悬浮桩，下部素灌浆材料桩，可在工期紧张的情况下取消预制桩的接桩工序，装配化施工效率显著提升；预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构，上部荷载及抗弯主要由预制桩承担，下部荷载可由灌浆材料桩将其扩散至桩端和桩周土体中，抗弯性能符合桥梁基桩下部弯拉应力很小的荷载传递特征。此外，预制桩植入振动锤激振排浆挤土效应，一方面浆液流动度、密度和密实度显著提高，复合桩结构桩身强度得到保障，另一方面浆液挤压桩周土体，桩土界面的岩土性质得到优化，基桩侧摩阻力显著提升。综合来看，此扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构及施工工艺使得预制桩承载力得到充分发挥，造价降低，材料利用率和施工效率显著提升，优势明显。
附图说明
18.图1为本发明的复合桩结构应用于桥梁墩台桩基础示意图；
19.图2为本发明的复合桩结构应用于桩板式无土路基示意图；
20.图3为本发明成桩工艺示意图；
21.图4为本发明定位装置示意图。
22.图1-4中，1、外芯灌浆材料桩；2、预制桩；3、定位装置；4、封底钢板；5、注浆导管；31、上部定位孔；32、中部限位钢箍；33、支撑连接钢条；34、护桩螺纹钢棒。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
24.如附图1所示的一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构，包括深入岩土层的
扩引孔，所述扩引孔内设有复合桩，所述复合桩预制桩2和灌浆材料桩1，所述预制桩2设有封底钢板4，所述预制桩长度短于复合桩长度；所述外部灌浆材料桩1由所述灌浆材料桩由灌注灌浆材料充溢挤密预制桩与引孔间的环状间隙，形成预制桩悬浮于充盈灌浆材料中的复合桩。桩端穿越强风化、中等风化岩等坚硬岩土层成桩时，同时施工进度较赶的情况下，尤其适合采用此扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构。
25.如图3一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩的施工方法，包括上部预制桩、下部钢筋笼和包裹在预制桩周围的外部灌浆材料桩，钻机滚压破岩扩径引孔穿越岩土层，钢筋笼悬吊置于孔底，预制桩植入灌浆材料充溢挤密预制桩与引孔间的环状间隙，形成预制桩悬浮于充盈灌浆材料中的复合桩，具体的包括了以下步骤：
26.施工时，确定桩位后钻机或长螺旋钻机扩引孔穿越强风化、中等风化岩等坚硬岩土层成孔，钻机根据不同的地层条件采用不同的牙轮齿型。成孔垂直度偏差不大于0.5％，成孔直径大于所述预制桩2直径，所述复合桩结构截面模数(预制桩直径与复合桩直径的比值)分布在0.30～0.88范围内，所述预制桩2和外部灌浆材料桩1芯桩长度比分布在0.25～1.50范围内，所述预制桩2的悬浮深度不超过现有预制单节桩的最大长度。成孔质量检查合格后，钻机移位，将定位装置3下放至钻孔内，定位装置外缘搭接在钢护筒顶面或地表面，如图4，定位装置3包括上部定位孔31和中部限位钢箍32，上部定位孔31和中部限位钢箍32通过支撑连接钢条33焊接成为统一整体，上部定位孔四周预设有环形卡口，搭配护桩螺纹钢棒34共同工作，钢棒长度3～5m。植桩前将护桩螺纹钢棒穿过环形卡口压入桩周土体，植桩时不仅可控制预制桩的垂直度偏差在0.2％以内，还能防止管桩上浮。孔内下放注浆导管5，通过导管向钻孔内灌注灌浆材料至设计标高。注浆导管5直径200～250mm，壁厚3mm，导管的分节长度2.5～3.0m，底管长度不宜小于4m，下入孔内的注浆导管5底部距孔底300～500mm，并保证足够的初灌量。预制桩2植入前，先在其端部焊接封底钢板4，通过注浆导管5灌注灌浆材料后，采用履带吊机悬吊预制桩2穿过定位装置3植入桩孔内，预制桩2植入充盈灌浆材料上返填充引孔间环状间隙，形成预制桩2悬浮于充盈灌浆材料中的变截面复合桩。预制桩2沉至设计标高后，采用振动锤激振使灌浆材料更加均匀密实，最后通过调整定位装置3的上部定位孔和中部限位钢箍精准定位，可确保预制桩2不会出现上浮现象。直至灌浆材料初凝成桩。回收定位装置3，自然养护。
27.实施实例
28.某高速公路位于安徽中部丘陵河谷地区，沿线地层结构中，上覆沉积土较薄，风化凝灰岩和泥质砂岩这两类特殊性岩土广泛分布，风化程度不一。项目沿线多分布大跨径桥梁，以及桩板路基(有桩无土)，桩基础的合理布设对桥梁墩台及路基的稳定性能起到了至关重要的作用。
29.本发明提出的一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构应用于桥梁墩台桩基础(附图1)，由于墩台基础荷载较大，且存在基桩稳定问题，复合桩结构的正截面尺寸相对偏大。例如，预制管桩直径800mm，扩引孔直径可以大于1000mm，以满足桥梁墩台基础的荷载水平与荷载性质；根据桥梁墩台场址，扩引孔穿越全(强)风化凝灰岩进入中等风化岩或坚硬岩层中形成嵌岩桩，确保桩端进入持力层的深度；适当增加预制桩悬浮深度，形成上部悬浮预制桩，下部素灌浆材料的变截面复合桩。
30.本发明提出的一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构应用于桩板式无土路
基(附图2)，解决了该工程建造周期紧张，路基填土土源匮乏，且路基征地困难等一系列问题。中等直径扩引孔预制桩半悬浮，即成为桩柱一体化协同承载结构。例如，预制管桩直径500mm，扩引孔直径可以大于700mm，扩引孔的正截面尺寸增大，解决了桩柱系统稳定问题。桩柱一体化施工，根据单节预制桩基准长度上限值设置悬浮深度，可装配化施工，同时解决了接桩工艺带来的进度延误和质量隐患。
31.相较于传统大直径灌注桩，本发明的施工效率和经济效应优势明显。
32.上述实施方式中，扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构施工过程中所采用的灌浆材料掺量及物理力学性质指标参见下表。
[0033][0034][0035]
所述复合桩结构的嵌岩深度可根据实际场地工况而有所变化，针对桩端落在坚硬土层和强风化岩层中，嵌岩深度不低于50cm，针对桩端落在中风化以上坚硬岩层中，嵌岩深度不低于30cm。
[0036]
所述复合桩结构可扩引孔穿越强风化、中风化岩等坚硬岩土层成为嵌岩桩，针对杂填土、卵石土、圆砾土等较硬岩土层中的成桩也同样适用。
[0037]
预制桩可根据工况采用预制管桩、预制实心桩、预制方桩、预制x形桩、预制y形桩、预制h形桩、钢管桩、型钢桩、钢板桩等桩型。
[0038]
以上所述仅是本发明公开的一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构及施工方法的优选实施方式，应当指出：对于本技术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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。技术特征：
1.一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩的施工方法，其特征在于：包括预制桩和包裹在预制桩周围的外部灌浆材料桩，钻机滚压破岩扩径引孔穿越岩土层，预制桩植入灌浆材料充溢挤密预制桩与引孔间的环状间隙，形成预制桩悬浮于充盈灌浆材料中的复合桩，具体的包括了以下步骤：(1)测量放线，确定桩位，场地平整后进驻钻机机组设备，扩径引孔至设计孔径和孔底标高，引孔外径大于预制桩外径；(2)成孔质量检查合格后，钻机移位，将定位装置下放至钻孔内，定位装置外缘搭接在钢护筒顶面或地表面；(3)下放注浆导管，通过导管向钻孔内灌注灌浆材料至设计标高；(4)在灌浆材料初凝前，履带吊机协配钢丝绳悬吊预制桩穿过定位装置，植入充溢挤密灌浆材料填充引孔间环状间隙，形成预制桩悬浮于充盈灌浆材料中的变截面复合桩；(5)回收定位装置，自然养护。2.根据权利要求1中所述的一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩的施工方法，其特征在于：复合桩截面模数，即预制桩直径与复合桩直径的比值分布在0.30～0.88范围内，所述预制桩和外部灌浆材料桩芯桩长度比分布在0.25～0.9范围内。3.根据权利要求1中所述的一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩的施工方法，其特征在于：所述步骤(2)中定位装置包括上部定位孔和中部限位钢箍，上部定位孔和中部限位钢箍通过支撑连接钢条焊接成为统一整体，上部定位孔四周预设有环形卡口，搭配护桩螺纹钢棒共同工作。4.根据权利要求1中所述的一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩的施工方法，其特征在于：所述步骤(3)中的灌浆材料，其掺量为10％～12％，水胶比0.3～0.33，30min截锥流动度≥280mm，24h自由膨胀率为2～5％，24h自由沁水率为0％，毛细沁水率≤0.1％，28d抗压强度≥35mpa。
技术总结
本发明公开了一种扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构及其施工方法，包括预制桩和包裹在预制桩周围的外部灌浆材料桩，钻机滚压破岩扩径引孔穿越岩土层，预制桩植入灌浆材料充溢挤密预制桩与引孔间的环状间隙，形成预制桩悬浮于充盈灌浆材料中的复合桩。采用预制桩配合植入法施工，可解决预制桩嵌岩采取直接锤击法或静压法所造成的沉桩困难，强行穿越伴随的桩尖、桩身损伤，以及带来的不良环境岩土效应；此扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构及施工工艺使得预制桩承载力得到充分发挥，造价降低，材料利用率和施工效率显著提升，优势明显。优势明显。优势明显。
技术研发人员：赵宇 席进 张浩 朱玉 邵虎 江磊 王伟 陈亮 李浩浩 于浩然
受保护的技术使用者：公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心 郑州大学
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2022/5/17
声明：
“扩引孔预制桩悬浮式可嵌岩复合桩结构及其施工方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心 郑州大学
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2024年11月29日 ~ 12月01日 
