预应力管桩的沉桩施工方法及施工结构与流程

1.本发明涉及建筑工程施工技术领域，具体涉及一种预应力管桩的沉桩施工方法及施工结构。


背景技术：

2.中掘法沉桩适用于桩端持力层一般为粘性土层、粉土层、砂土层、碎石类土层、强风化基岩和软质岩层的地质情况。传统的预应力管桩中掘法沉桩施工方法都是采用钻头钻孔配合锤击沉桩同步施工的方式将预应力管桩沉入地基中，由于钻头是穿设在预应力管桩的管腔中进行钻孔，不能去除预应力管桩管壁端部的土体，在预应力管桩沉桩过程中，预应力管桩管壁端部的土体会形成阻碍预应力管桩进一步沉桩的压力球根，且预应力管桩管壁端面的面积越大，该压力球根的阻力也越大，在阻力达到一定程度时，会导致预应力管桩无法沉桩、以及因阻力过大而导致桩身挤压破裂的问题，尤其是在遇到中风化、强风化岩层等硬度较大的土层时，沉桩阻力会大大增加，导致沉桩达不到设计的持力层效果。在实际施工过程中，对于普通口径桩(口径为400mm
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600mm)，在土层硬度达到32基时对桩形成的阻力就会导致无法继续沉桩，对于大口径桩(口径大于600mm)，在土层硬度达到20基时对桩形成的阻力就会导致无法继续沉桩。因此，该种沉桩施工方法在沉桩深度需要达到中风化、强风化岩层等硬度较大的地质岩层时，无法满足施工要求，尤其是无法满足大口径预应力管桩的沉桩施工要求。并且，即使土层硬度较小，能够将预应力管桩沉桩到设计深度，采用该种施工方法，钻头也需要钻出深度大于沉桩深度的引孔，以为预应力管桩管壁端部挤压土体提供避让空间，而该引孔会对桩底部的土层形成扰动，造成不稳定因素，形成安全隐患。同时，采用该种沉桩施工方法，由于缺少对桩身应力和位移的实时监测，在沉桩施工过程中，一旦桩身发生破裂或倾斜，施工很难第一时间判断问题所在，尤其是在遇到孤石、土洞等不良地质作用时，将大大增加桩身破裂或倾斜的风险，这将为后续的建筑施工带来安全隐患，并造成不必要的经济损失。
3.为实现大口径预应力管桩的沉桩施工，现有做法都是先采用钻头钻出孔径大于预应力管桩管径的孔，然后在钻出的孔中灌注混凝土，再将预应力管桩打入灌注有混凝土的孔中。这种施工方法需要钻孔的孔径大，在钻孔过程中容易出现垮孔情况，在地质不稳定的时候需要配合钢护筒进行施工，且所需的混凝土用量大，存在成本高、施工效率低、稳定可靠性低、施工质量差的问题。
4.针对大口径预应力管桩，目前还没有一种既能保证施工质量，又能节省成本、保证施工效率的沉桩施工方法。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种施工质量高、施工效率高、成本低、操作简便、管桩承载能力大的预应力管桩的沉桩施工方法及施工结构。
6.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
7.一种预应力管桩的沉桩施工方法，包括以下步骤：
8.(s1)采用钻进钻头钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩沉桩至地基中的第一深度，该第一深度小于设计沉桩深度；
9.(s2)取出钻进钻头，采用扩底钻头在沉入第一深度的预应力管桩的下方钻出一段扩底孔段，该扩底孔段的孔径大于等于所述预应力管桩的管径，该扩底孔段的深度为大于设计沉桩深度的第二深度；
10.(s3)向扩底孔段中填充混凝土，然后将预应力管桩沉桩至设计沉桩深度。
11.上述的沉桩施工方法，优选的，所述第二深度比设计沉桩深度深1m以上。
12.上述的沉桩施工方法，优选的，所述预应力管桩的桩径≤800mm时，所述第二深度为1m加上3倍预应力管桩的桩径之和；所述预应力管桩的桩径＞800mm时，所述第二深度为1m加上2倍预应力管桩的桩径之和。
13.上述的沉桩施工方法，优选的，所述步骤(s3)中，向扩底孔段中填充混凝土的方式是，将混凝土分别装在多个钢丝网袋中投入到扩底孔段中。
14.上述的沉桩施工方法，优选的，所述步骤(s3)中采用的混凝土为掺有早强剂和/或膨胀剂的混凝土。
15.上述的沉桩施工方法，优选的，所述步骤(s3)中，向扩底孔段中填充混凝土的量要求在预应力管桩沉桩至设计沉桩深度后，有混凝土进入到预应力管桩的管腔内。
16.上述的沉桩施工方法，优选的，向扩底孔段中填充混凝土的体积与扩底孔段的容积相同。
17.上述的沉桩施工方法，优选的，所述步骤(s1)中，采用钻进钻头钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩沉桩至地基中的第一深度具体是，在将预应力管桩沉桩至第一深度的整个过程，采用直径小于预应力管桩管腔内径的钻头穿设在预应力管桩的管腔中钻出引孔，同时采用沉桩设备进行沉桩，直至将预应力管桩沉桩至第一深度。
18.上述的沉桩施工方法，优选的，所述步骤(s1)中，采用钻进钻头钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩沉桩至地基中的第一深度具体是，先采用直径小于预应力管桩管腔内径的钻头穿设在预应力管桩的管腔中钻出引孔，同时采用沉桩设备进行沉桩，直至将预应力管桩沉桩至第四深度，所述第四深度小于第一深度；然后采用直径大于预应力管桩管腔内径的扩底钻头进行扩底钻孔，同时采用沉桩设备进行沉桩，直至将预应力管桩沉桩至第一深度。
19.上述的沉桩施工方法，优选的，所述预设深度为沉桩施工前所探知的持力层深度。
20.上述的沉桩施工方法，优选的，在沉桩施工过程中，在预应力管桩的桩端位置和桩中间位置布设应变计对管桩进行应力和位移监测，在钻进钻头上布设应变计对钻进钻头钻孔进行位移监测，在扩底钻头上布设应变计对扩底钻头钻扩底孔段进行位移监测，在预应力管桩周边土体中布设位移计对桩周土体进行位移监测。
21.上述的沉桩施工方法，优选的，所述应变计采用焊接或者预埋方式安装于预应力管桩、钻进钻头和扩底钻头上，所述位移计采用预埋的方式布置在桩周土体里。
22.上述的沉桩施工方法，优选的，配置一智能控制器，将各应变计和位移计与该智能控制器通讯连接，并配合智能控制器在沉桩施工过程中对预应力管桩的应力和位移、钻进钻头的位移、扩底钻头的位移以及预应力管桩周边土体的位移进行自动实时监测和警示。
23.上述的沉桩施工方法，优选的，进行自动实时监测和警示的具体方法是：
24.预应力管桩安放到指定桩位后，开启智能控制器，由预应力管桩桩端位置和桩中间位置的应变计采集预应力管桩的初始应力和位移，并将初始应力和位移数据经过处理后由显示器显示出来；
25.沉桩过程中，保持智能控制器始终处于工作状态，智能控制器实时对预应力管桩应变计和位移计采集的应力和位移数据进行分析，并根据应力和位移数据进行对应的警示；
26.钻进钻头进行引孔施工中，智能控制器实时对采集的钻进钻头的位移数据进行分析，如果监测中发现钻进钻头钻引孔时累计的位移超出了设计的允许值，则通过警示灯显示为红灯进行警示，并且通过语音提示器发出警报声；如果监测未发现位移异常，则警示灯显示绿色，表示可以正常施工；
27.扩底钻头进行扩底施工中，智能控制器实时对采集的扩底钻头的位移数据进行分析，如果监测中发现扩底钻头扩底时累计的位移超出了设计的允许值，则通过警示灯显示为红灯进行警示，并且通过语音提示器发出警报声；如果监测未发现位移异常，则警示灯显示绿色，表示可以正常施工；
28.在沉桩施工的全过程，如果监测中发现预应力管桩桩周土体累计位移超出了设计的允许值或位移出现大幅度波动，则通过警示灯显示为红灯进行警示，并且通过语音提示器发出警报声；如果监测未发现桩周土体位移异常，则警示灯显示绿色，表示可以正常施工。
29.上述的沉桩施工方法，优选的，所述智能控制器包括外壳，所述外壳内设置有信息处理中心，所述外壳外表面设置有显示器、警示灯、启动按钮、关闭按钮和语音提示器。
30.上述的沉桩施工方法，优选的，所述警示灯位于智能控制器的下部外表面，所述启动按钮、关闭按钮分布于警示灯的下方，所述语音提示器位于智能控制器的底部。
31.一种施工结构，所述施工结构为上述沉桩施工方法施工得到的施工结构。
32.与现有技术相比，本发明的优点在于：
33.本发明的预应力管桩的沉桩施工方法，先采用钻进钻头钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩沉桩至地基中的第一深度，然后钻出扩底孔段并向扩底孔段中填充混凝土，再将预应力管桩沉桩至设计沉桩深度，即完成沉桩施工。相比于传统预应力管桩的施工方法，采用该沉桩施工方法能够大大提升沉桩施工质量，在沉桩完成后，在预应力管桩底部会形成一个膨大的承载体，能够大大提高预应力管桩的承载能力，且该承载体对土体形成挤压密实作用，能够提高密实度和承载能力，同时，该承载体对预应力管桩的管腔进行封底密封，可避免进入管腔的水与土接触导致持力层软化，能够大大提升安全性。此外，在沉桩过程中利用了预应力管桩本身作为护壁，可有效防止出现塌孔现象。该沉桩施工方法在土层硬度较高时，也能够顺利的将预应力管桩沉桩至设计沉桩深度，不会出现无法沉桩和桩破裂的情况，其施工效率高、成本低、操作简便。
附图说明
34.图1为预应力管桩沉桩未达到第一深度时的结构示意图。
35.图2为预应力管桩沉桩至第一深度且钻出部分扩底孔段时的结构示意图。
36.图3为向扩底孔段中填充混凝土时的结构示意图。
37.图4为预应力管桩沉桩施工完成后的结构示意图。
38.图例说明：
39.1、钻进钻头；2、扩底钻头；100、预应力管桩；200、地基；300、扩底孔段。
具体实施方式
40.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
41.实施例1：
42.本实施例的预应力管桩的沉桩施工方法，包括以下步骤：
43.(s1)采用钻进钻头1钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩100沉桩至地基200中的第一深度l1，该第一深度l1小于设计沉桩深度l2，设计沉桩深度l2为预应力管桩100沉桩施工所需到达的设计深度；
44.(s2)取出钻进钻头1，采用扩底钻头2在沉入第一深度l1的预应力管桩100的下方钻出一段扩底孔段300，该扩底孔段300的孔径大于等于预应力管桩100的管径，且该扩底孔段300的深度为大于设计沉桩深度l2的第二深度l3；第二深度l3是指地面到扩底孔段300底面的深度；
45.(s3)向扩底孔段300中填充混凝土，然后将预应力管桩100沉桩至设计沉桩深度l2。
46.上述施工步骤参见图1至图4，图中a表示填土层，b表示强风化或砂砾层，c表示持力层。
47.该预应力管桩的沉桩施工方法，先采用钻进钻头1钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩100沉桩至地基200中的第一深度l1，然后钻出扩底孔段300并向扩底孔段300中填充混凝土，再将预应力管桩100沉桩至设计沉桩深度l2，即完成沉桩施工。相比于传统预应力管桩的施工方法，采用该沉桩施工方法能够大大提升沉桩施工质量，在沉桩完成后，在预应力管桩底部会形成一个膨大的承载体，能够大大提高预应力管桩的承载能力，且该承载体对土体形成挤压密实作用，能够提高密实度和承载能力，同时，该承载体对预应力管桩的管腔进行封底密封，可避免进入管腔的水与土接触导致持力层软化，能够大大提升安全性。此外，在沉桩过程中利用了预应力管桩本身作为护壁，可有效防止出现塌孔现象。该沉桩施工方法在土层硬度较高时，也能够顺利的将预应力管桩沉桩至设计沉桩深度l2，不会出现无法沉桩和桩破裂的情况，其施工效率高、成本低、操作简便。向扩底孔段300中填充混凝土后，将预应力管桩100沉桩至设计沉桩深度l2的过程中，混凝土浆液还会进入预应力管桩100外壁与土体之间的间隙，不仅对土体起到挤压密实作用，还提高了预应力管桩100与土体的结合性能。该沉桩施工方法尤其适用于大口径预应力管桩的沉桩施工。
48.本实施例中，优选的，第二深度l3比设计沉桩深度l2深1m以上，保证形成的承载体具有较好的强度和承载能力。步骤(s3)中，按规范要求的收锤标准将预应力管桩100沉桩至设计沉桩深度l2。
49.优选的，预应力管桩100的桩径≤800mm时，第二深度l3为1m加上3倍预应力管桩100的桩径之和；预应力管桩100的桩径＞800mm时，第二深度l3为1m加上2倍预应力管桩100的桩径之和。使承载能力和混凝土用量达到较佳平衡，在保证形成的承载体具有足够承载
能力的前提下，可避免混凝土用量过大，利于节省成本。
50.本实施例中，优选的，步骤(s3)中，向扩底孔段300中填充混凝土的方式是，将混凝土分别装在多个钢丝网袋中投入到扩底孔段300中，该种方式能够避免混凝土离析，同时钢丝网袋在混凝土中形成钢丝骨架结构，可大大提升承载体成型后的整体强度和承载能力。在其他实施例中，向扩底孔段300中填充混凝土的方式也可以是采用现有具备装料功能的钻头利用钻机钻杆直接带入孔底进行投放。
51.本实施例中，优选的，步骤(s3)中采用的混凝土为掺有早强剂和/或膨胀剂的混凝土，其中，早强剂能够加速混凝土的凝结，缩短工期。膨胀剂能够使凝结后的混凝土产生一定的膨胀，使形成的承载体对土体形成挤压密实作用好，保证密实度和承载能力。进一步优选的，步骤(s3)中采用的混凝土为掺有早强剂和/或膨胀剂的干拌型混凝土。
52.本实施例中，优选的，步骤(s3)中，向扩底孔段300中填充混凝土的量要求在预应力管桩100沉桩至设计沉桩深度l2后，有混凝土进入到预应力管桩100的管腔内。混凝土进入到预应力管桩100的管腔内，成型后的承载体与预应力管桩100构成插接式结合体，两者的连接稳固性好，可提升预应力管桩100的稳固性和承载能力，同时利于混凝土浆液充分的进入预应力管桩100外壁与土体之间的间隙，能够进一步提升对土体起到挤压密实作用，提高预应力管桩100与土体的结合性能。
53.本实施例中，优选的，向扩底孔段300中填充混凝土的体积与扩底孔段300的容积相同，便于判断混凝土的投入量，同时保证预应力管桩100沉桩至设计沉桩深度l2后，进入到预应力管桩100的管腔内以及进入预应力管桩100外壁与土体之间的间隙混凝土适量，避免混凝土浪费。
54.本实施例中，优选的，步骤(s1)中，采用钻进钻头1钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩100沉桩至地基200中的第一深度l1具体是，在将预应力管桩100沉桩至第一深度l1的整个过程，采用直径小于预应力管桩100管腔内径的钻头穿设在预应力管桩100的管腔中钻出引孔，同时采用沉桩设备进行沉桩，直至将预应力管桩100沉桩至第一深度l1。这样可以一步将预应力管桩100沉桩至第一深度l1，便于提高效率，节省设备。该第一深度l1可以为沉桩施工前所探知的持力层深度。
55.在其他实施例中，当预应力管桩100的口径过大或者第一深度l1大于持力层深度时，采用前述方式沉桩的过程中预应力管桩100受到的阻力较大，可能无法顺利正常的将预应力管桩100沉桩至第一深度l1，此时，在步骤(s1)中，采用钻进钻头1钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩100沉桩至地基200中的第一深度l1优选采用以下方法：先采用直径小于预应力管桩100管腔内径的钻头穿设在预应力管桩100的管腔中钻出引孔，同时采用沉桩设备进行沉桩，直至将预应力管桩100沉桩至第四深度，第四深度小于第一深度l1；然后采用直径大于预应力管桩100管腔内径的扩底钻头2进行扩底钻孔，同时采用沉桩设备进行沉桩，直至将预应力管桩100沉桩至第一深度l1。采用该种方法先去除对预应力管桩100管壁端部形成阻碍的土或砂砾，释放其端部压力球根，使预应力管桩100沉桩时仅需克服桩壁摩擦阻力，使预应力管桩100能够顺利沉桩。在其他实施例中，在将预应力管桩100沉桩至地基200中的第一深度l1还可先采用击打方式将预应力管桩100尽可能打入一段深度，然后再采用钻进钻头1钻孔配合沉桩同步施工的方式将预应力管桩100沉桩至地基200中的第一深度l1。
56.优选的，采用直径小于预应力管桩100管腔内径的钻头穿设在预应力管桩100的管腔中钻出引孔，同时采用沉桩设备进行沉桩，直至将预应力管桩100沉桩至第四深度。其中，采用沉桩设备进行沉桩具体是采用锤击沉桩设备或者液压静压式沉桩设备进行沉桩。第四深度的确定具体是：采用大于16吨的桩锤在大于1米的高度下自由落体对预应力管桩100进行锤击沉桩，在连续三击的情况下使预应力管桩100累积贯入度小于100mm时，预应力管桩100所对应的沉桩深度。
57.优选的，上述预设深度为沉桩施工前所探知的持力层深度，保证沉桩达到持力层深度后，即配合扩底钻头2扩底钻孔后继续沉桩，避免因阻力过大导致难以沉桩和管桩破裂等情况。
58.本实施例中，采用直径小于预应力管桩100管腔内径的钻头穿设在预应力管桩100的管腔中钻出引孔，同时采用沉桩设备进行沉桩，该种沉桩施工为现有技术，可参考现有中掘法沉桩施工方法进行施工。本实施例中，扩底钻头2优选采用申请号为202110721288.1的中国专利所公开的扩底钻头或者申请号为202110909701.7的中国专利所公开的扩底钻头，其结构简单、操控简便、钻孔精度高、钻孔效率高、工作稳定可靠，且扩底钻孔效果好，能够有效的清扫、排出扩底孔段300内的土或砂砾。当然在其他实施例中也可以采用目前市场上常见的扩底钻头2进行扩底钻孔，并及时清扫、排出扩底钻孔的土或砂砾，以进一步减小阻力。本实施例中钻进钻头1优选采用螺旋钻头。
59.本实施例中，优选的，在沉桩施工过程中，在预应力管桩100的桩端位置和桩中间位置布设应变计对管桩进行应力和位移监测，在钻进钻头1上布设应变计对钻进钻头1钻孔进行位移监测，在扩底钻头2上布设应变计对扩底钻头2钻扩底孔段300进行位移监测，在预应力管桩100周边土体中布设位移计对桩周土体进行位移监测。
60.优选的，应变计采用焊接或者预埋方式安装于预应力管桩100、钻进钻头1和扩底钻头2上，位移计采用预埋的方式布置在桩周土体里。
61.优选的，配置一智能控制器，将各应变计和位移计与该智能控制器通讯连接，并配合智能控制器在沉桩施工过程中对预应力管桩100的应力和位移、钻进钻头1的位移、扩底钻头2的位移以及预应力管桩100周边土体的位移进行自动实时监测和警示。具体方法是：
62.预应力管桩100安放到指定桩位后，开启智能控制器，由预应力管桩100桩端位置和桩中间位置的应变计采集预应力管桩100的初始应力和位移，并将初始应力和位移数据经过处理后由显示器显示出来；
63.沉桩过程中，保持智能控制器始终处于工作状态，智能控制器实时对预应力管桩100应变计和位移计采集的应力和位移数据进行分析，并根据应力和位移数据进行对应的警示；如果监测中发现预应力管桩100累计的应力和位移超出了设计的允许值或应力和位移出现大幅度波动，则通过警示灯显示为红灯进行警示，并且通过语音提示器发出警报声，提醒现场技术人员应该立即停止沉桩施工并判断施工处于那个步骤；如果监测未发现预应力管桩100的应力和位移异常，则警示灯显示绿色，表示可以正常施工。
64.钻进钻头1进行引孔施工中，智能控制器实时对采集的钻进钻头1的位移数据进行分析，如果监测中发现钻进钻头1钻引孔时累计的位移超出了设计的允许值，则通过警示灯显示为红灯进行警示，并且通过语音提示器发出警报声，提醒现场技术人员应该立即停止引孔施工；如果监测未发现位移异常，则警示灯显示绿色，表示可以正常施工；
65.扩底钻头2进行扩底施工中，智能控制器实时对采集的扩底钻头2的位移数据进行分析，如果监测中发现扩底钻头2扩底时累计的位移超出了设计的允许值，则通过警示灯显示为红灯进行警示，并且通过语音提示器发出警报声，提醒现场技术人员应该立即停止扩底施工；如果监测未发现位移异常，则警示灯显示绿色，表示可以正常施工；
66.在沉桩施工的全过程，如果监测中发现预应力管桩100桩周土体累计位移超出了设计的允许值或位移出现大幅度波动，则通过警示灯显示为红灯进行警示，并且通过语音提示器发出警报声，提醒现场技术人员应该立即停止沉桩施工并判断施工处于那个步骤；如果监测未发现桩周土体位移异常，则警示灯显示绿色，表示可以正常施工。
67.本发明的沉桩施工方法进一步结合智能控制器、应变计和位移计，将施工和监测有效的结合，实现了施工过程的动态化、信息化管理，能够对沉桩施工过程的全方位、立体化和智能化监测，能有效避免预应力管桩100的倾斜和破裂，使预应力管桩100安全、稳定地达到设计沉桩深度。对于穿越中风化、强风化岩层等硬度较大的地层以及穿过孤石、土洞等不良地质作用时，仍能保证沉桩质量和桩身垂直度，克服了传统沉桩施工方法无法穿越较硬地层以及桩身极易发生倾斜的问题。
68.在智能控制器中设置警示灯及语音提示器装置，当监测中发现累计应力或位移超出了设计的允许值以及出现大幅度波动时，警示灯会显示为红灯，并且语音提示器会发出警报声，提醒现场技术人员应该立即停止沉桩施工并判断施工处于那个步骤，有利于技术人员在施工过程中对沉桩质量的宏观把控，也有利于技术人员快速发现问题，避免沉桩施工在后期出现更大的质量问题。
69.桩基础属于隐蔽工程，一旦竣工验收后，将不能对其内部进行相应的监测，本发明的沉桩施工方法克服了这一缺点，在桩基竣工验收后，通过事先布设在预应力管桩100上的应变计，只要接入智能控制器，便能恢复对预应力管桩100的应力和位移监测。由于桩基础是整个建(构)筑物中非常重要的部分，通过后期对预应力管桩的监测，可以有效判断建(构)筑物竣工后一定时期内的安全性，以保证建(构)筑物的正常使用。
70.对预应力管桩100的位移和应力监测时间包括施工期间全过程及工程竣工后不小于2年，对钻进钻头1引孔施工的位移监测时间仅包括引孔施工期间，对扩底钻头2扩底施工的位移监测时间仅包括扩底施工期间，对桩周土体的位移监测时间包括施工期间全过程及工程竣工后不小于2年。
71.优选的，智能控制器包括外壳，外壳内设置有信息处理中心，外壳外表面设置有显示器、警示灯、启动按钮、关闭按钮和语音提示器。
72.优选的，警示灯位于智能控制器的下部外表面，启动按钮、关闭按钮分布于警示灯的下方，语音提示器位于智能控制器的底部。
73.实施例2：
74.一种施工结构，该施工结构为采用实施例1的沉桩施工方法施工得到的施工结构，如图4所示。
75.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。