本發(fā)明涉及巖土工程領(lǐng)域，特別涉及一種齒輪形復合樁及其施工方法。

背景技術(shù)：

隨著國內(nèi)土木建設(shè)的發(fā)展，不斷探索開發(fā)安全可靠、施工可行且功效高、費用低的新技術(shù)對推動巖土工程技術(shù)的發(fā)展意義深遠。在實際工程中，對基礎(chǔ)施工的要求越來越高，不但要求有高的性價比，而且對成樁工藝施工的環(huán)保要求也越來越高，現(xiàn)有的成樁工藝多為灌注樁和預制樁施工。其中鉆孔灌注樁的承載力高，性能也較好，但是鉆孔灌注樁造價高，施工時間長，施工速度慢、存在泥漿外運污染環(huán)境等缺點；沉管灌注樁利用帶有活瓣式樁尖或預制鋼筋混凝土樁靴的鋼套管沉入土中，其內(nèi)澆筑混凝土，拔管成樁，避免了一般鉆孔灌注樁樁尖浮土造成的樁身下沉，持力不足的問題，但施工過程中，產(chǎn)生較大噪音，振動會影響周圍建筑物，擠土效應明顯；預制樁具有較好的性價比和力學性能，但是成樁施工時具有噪音污染，對周邊房屋安全和居民造成極大影響，雖然可采用靜壓樁機施工，降低施工噪音，且同樣存在較大的擠土效應；另外，也有采用水泥土深層攪拌法、高壓旋噴注漿法加固地基，水泥漿等固化物與部分土體在土中形成一個固結(jié)體與樁間土一起構(gòu)成復合地基，從而提高地基承載力，對周圍土體擾動較小，減少地基的變形，但存在單樁承載力低、施工質(zhì)量難控制的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明以提高樁體側(cè)摩阻力、最大限度地降低施工時擠土效應為宗旨，提供一種單樁承載力高、安全可靠、造價較低、施工過程環(huán)保的齒輪形復合樁及其施工方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所述的齒輪形復合樁，包括預制芯樁、外包水泥土和預制開口樁尖，預制開口樁尖為上部敞口和下部敞口均呈喇叭形的中空齒輪，由限位臺和樁尖主體組成，所述樁尖主體上部設(shè)有限位臺；所述預制芯樁嵌入預制開口樁尖的上部敞口內(nèi)，鋼沉管以預制芯樁為中心均勻固接于限位臺上，所述土工布袋穿入鋼沉管內(nèi)；鋼沉管內(nèi)部和預制芯樁與鋼沉管間外包橫截面呈齒輪形的外包水泥土。

作為本發(fā)明的優(yōu)選，預制開口樁尖的上部敞口向上張開，下部敞口向下張開，上部敞口的開口直徑是下部敞口的開口直徑的0.68～0.71倍；上部敞口的收口直徑與下部敞口的收口直徑相同；上部敞口的開口高度是下部敞口的0.68～0.75倍，且上部敞口的直徑大于預制芯樁的直徑20～50mm。

作為本發(fā)明的進一步改進，預制芯樁為鋼筋混凝土實心樁、預應力管樁或鋼管樁中的任意一種，所述預制芯樁的底部設(shè)有樁底封閉板。

作為本發(fā)明的進一步改進，鋼沉管所組成的截面積為外包水泥土截面積與預制芯樁截面之和。

作為本發(fā)明的進一步改進，土工布袋由紡土工布制成；土工布袋的長度比鋼沉管的長度長500～900mm。

作為本發(fā)明的優(yōu)選，樁尖主體是限位臺的1.25～1.3倍。

本發(fā)明所述的齒輪形復合樁的施工方法，主要包括以下步驟：

⑴.施工前準備工作：清平場地，施工機械、預制芯樁及時進場，預制鋼沉管、開口樁尖及土工布袋等構(gòu)件；

⑵.施工裝置組合：將土工布袋穿入鋼沉管內(nèi)，土工布袋首末端口翻卷出鋼沉管，保證袋體張開，鋼沉管一端與預制開口樁尖上的限位臺固接；

⑶.水泥攪拌樁施工：在設(shè)計樁位處進行水泥攪拌樁施工，水泥攪拌樁截面積為外包水泥土截面積1.05～1.10倍；

⑷.施工裝置下沉：在水泥土初凝之前將組合后的施工裝置垂直壓入水泥攪拌樁內(nèi)，鋼沉管的中心與水泥攪拌樁中心相重合，直至達到設(shè)計底面標高位置；根據(jù)水泥土流動性控制下壓速度，保證水泥不外排、不堵孔，基本進入鋼沉管內(nèi)；

⑸.芯樁下壓：鋼沉管內(nèi)水泥土回擠停止后，在水泥土初凝前，對準鋼沉管中心垂直壓入預制芯樁，預制芯樁下壓前需封閉樁底；預制芯樁最后嵌入預制開口樁尖的上部敞口內(nèi)；

⑹.補充水泥土：預制芯樁完成下壓，采用外包水泥土回填鋼沉管內(nèi)空隙部分并夯實至設(shè)計頂面標高；

⑺.上拔鋼沉管：翻起土工布袋外沿，上拔鋼沉管，修整頂部水泥土，施工完成。

綜上所述本發(fā)明的有益效果：⑴在水泥攪拌樁內(nèi)壓入帶預制開口樁尖的齒輪形鋼沉管，未初凝水泥土通過樁尖孔道回擠至鋼沉管內(nèi)，在鋼沉管圍合約束下，插入預制芯樁擠密，再補料壓實，形成形態(tài)穩(wěn)定的齒輪形外包水泥土。⑵采用深層攪拌法形成水泥土，相較于高壓旋噴法水泥土成型質(zhì)量高；其內(nèi)壓入齒輪形鋼沉管，由于水泥土回擠至鋼沉管內(nèi)，不向外排擠，相比直接在土體內(nèi)壓入沉管擠土效應較小。⑶樁型外側(cè)包裹齒輪形復合樁水泥土樁，可增加復合樁整體側(cè)摩阻力，繼而增強其側(cè)摩阻力，且齒輪形柔性樁體在使用過程中損傷較之單一，齒輪形鋼筋混凝土樁對樁體承載力的影響較小。⑷預制芯樁可在工廠貨施工現(xiàn)場預制，工序獨立，可加快施工進度；預制芯樁插入未初凝水泥土內(nèi)，可擠密回擠后的水泥土，預制芯樁下壓完成后沉管內(nèi)補充水泥土并壓實，除去鋼沉管下壓時水泥土回擠翻起形成的氣泡。⑸由于采用的鋼沉管為齒輪形異形沉管，內(nèi)壁表面積較大，且水泥土樁被多次擠密壓實，沉管上拔時易帶起水泥土，為了保證鋼沉管拔起后，齒輪形復合樁樁身形樁達到設(shè)計要求，在沉管內(nèi)襯有土工布袋，且采用有紡土工布為原材料，可加固增強樁體，具有平面隔離與保護功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明齒輪形復合樁的示意圖；

圖2是本發(fā)明齒輪形復合樁沿a-a線剖面圖；

圖3是本發(fā)明施工裝置組合后示意圖；

圖4是本發(fā)明預制開口樁尖示意圖；

圖5是本發(fā)明預制開口樁尖沿b-b線剖面圖；

圖6是齒輪形復合樁樁身截面及其截面積計算示意圖；

其中，1、預制芯樁，2、外包水泥土，3、預制開口樁尖，4、鋼沉管，5、土工布袋，6、樁底封閉板，7、限位臺，8、樁尖主體，9、上部敞口，10、下部敞口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步描述：

如圖1至圖6所示，外徑500mm壁厚100mm的預應力鋼筋混凝土管樁作為預制芯樁1，采用外包水泥土。根據(jù)設(shè)計齒輪形復合樁尺寸，預先制作施工裝置。鋼沉管內(nèi)部尺寸與外包水泥土2尺寸相應，允許偏差在0～10mm，鋼板厚度不小于16mm，采用圓鋼管切割后焊接而成。預制開口樁尖3為鋼筋混凝土樁尖，由鋼沉管連接臺7、樁尖主體8組成，整體為空心齒輪形，鋼沉管4連接臺輪廓與設(shè)計外包水泥土尺寸相同，高100mm；樁尖主體高750mm，上部擴大為半徑125mm、圓心角120°弧長和375mm翼緣寬度的齒輪形界面，即較之鋼沉管限位臺7擴大1.25倍，下部逐漸收口縮小成圓形，直徑與設(shè)計水泥攪拌樁相同。預制開口樁尖3中部留有貫通的孔道，孔道上、下部逐漸收口縮小成圓形，直徑與設(shè)計水泥攪拌樁相同。預制開口樁尖3中部留有貫通的孔道，孔道上、下部敞口呈喇叭狀，由垂直孔道連通，上部敞口9向上張開，開口直徑550mm，收口直徑450mm，開口高度135mm；下部敞口10向下張開，開口直徑800mm，略小于水泥攪拌樁直徑，收口直徑450mm，開口高度200mm。土工布袋5采用有紡土工布縫合而成，大小與形狀外包水泥土2相同，長度較之于鋼沉管4長500mm以上，保證組合裝置時土工布袋5兩端均可翻出鋼沉管4。

施工場地清平后，在設(shè)計樁位進行水泥攪拌樁施工，施工前換算水泥攪拌樁徑，以水泥攪拌樁截面積與外包水泥土截面積相等為理論依據(jù)，如圖6，外包水泥土界面積s1為大正六邊形面積s減去六個扇形面積s2外包水泥土面積、再減去預制芯樁區(qū)域面積s3，即s1＝s-6s2-s3,換算為水泥攪拌樁直徑為以l＝600mm，r＝300mm，r＝250mm為例，理論水泥攪拌樁直徑為899mm，為保證后續(xù)沉管時樁周土體不進入沉管內(nèi)，適當擴大水泥攪拌樁直徑。采用深層攪拌法施工水泥攪拌樁的施工操作本處不再詳述，嚴格遵循現(xiàn)行相關(guān)的施工規(guī)范、標準。

水泥攪拌樁施工完成后，在水泥土初凝之前將組合后施工裝置壓入水泥土內(nèi)，鋼沉管中心與水泥攪拌樁中心相重合，垂直下壓，直至達到設(shè)計底面標高位置。由于預制開口樁尖3下部敞口10直徑接近水泥土樁直徑，根據(jù)水泥土流動性控制下壓速度，可保證水泥不外排、不堵孔，基本進入鋼沉管內(nèi)。

水泥攪拌樁施工完成后，在水泥土初凝之前將組合后施工裝置壓入水泥土內(nèi)，鋼沉管中心與水泥攪拌樁中心相重合，垂直下壓，直至達到設(shè)計底面標高位置。由于預制開口樁尖3下部敞口10直徑接近水泥土樁直徑，根據(jù)水泥土流動性控制下壓速度，可保證水泥不外排、不堵孔，基本進入鋼沉管內(nèi)。

向回擠了水泥土的鋼沉管4內(nèi)插入預制芯樁1，本實施例采用預應力鋼筋混凝土管樁，故下壓前管樁底部需用樁底封閉板6密封，樁底封閉板6可采用圓形鋼板焊接封閉或混凝土提前堵孔。預制芯樁插入時保證居中、垂直，最后嵌入預制開口樁尖3的上部敞口9內(nèi)。

預制芯樁1插入，使鋼沉管4內(nèi)水泥土適當充盈、密實，但可能無法填充到設(shè)計高度，故通過人工拌合水泥土，并向鋼沉管4內(nèi)填筑、壓實，直至設(shè)計頂面標高，最后振動上拔鋼沉管4，完成所述齒輪形復合樁施工。