一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒及施工方法

1.本发明涉及工程基础技术领域，尤其涉及一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒及施工方法。


背景技术：

2.桩基基础不仅能保证工程施工的顺利开展，也是其上建筑物或构筑物安全运维的关键所在。
3.预制桩作为常见的桩基基础，被广泛应用于边坡工程、基坑工程以及各类抗震工程中。预制桩通过压桩机静压或者振动的方式打设，如遇较难贯入的土层，会加大压桩力或振动荷载，可能导致桩身发生压破甚至压碎的情况，对预制桩的承载力具有不利影响。另外，预制桩的工程抗震问题也是业界比较关注的问题，常规的做法是在预制桩中预埋排水元件进行抗震排水，防治地震所致土体液化灾害的发生，但预埋排水元件将大大增加了预制桩的加工难度，导致预制桩制作时间长，在一定程度上可能影响工程进度。
4.因此，未解决预制桩沉贯阻力过大致其结构破坏的问题，同时提高预制桩的承载力和工程抗震性能，亟需一种适用于预制桩的施工便捷、高效可靠的辅助沉贯装备。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒及施工方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒，包括减阻扩径抗震套筒、扩径橡胶以及刃脚；
7.所述扩径橡胶环向对称地设置在减阻扩径抗震套筒外，每个所述扩径橡胶的边与减阻扩径抗震套筒密封固定连接；
8.所述刃脚设置在减阻扩径抗震套筒底部；所述刃脚底部设置有环形空腔和减阻通道；
9.所述减阻扩径抗震套筒的顶部内设置有第一环形通道；所述第一环形通道顶部开设有水泥砂浆浇筑口和排气口，底部与筒壁中若干个环向均布的第一竖向通道连通；所述第一竖向通道下部外侧壁开设水泥砂浆通道；所述水泥砂浆通道的排出口连通至扩径橡胶对套筒的包裹处；
10.所述减阻扩径抗震套筒外侧设置有第二环形通道，所述第二环形通道顶部开设有排水口，内侧开设有凹槽连通至套筒壁内若干个环向均布的排水通道；所述排水通道下部外侧壁开设排水孔连通至筒壁外；
11.所述减阻扩径抗震套筒的筒壁内还设置有若干个环向均布的第三竖向通道；所述第三竖向通道顶部设有减阻接口，底部通过连接管与刃脚内的环形空腔连通。
12.进一步地，所述减阻扩径抗震套筒的内径与预制桩的外径一致；所述预制桩为实心桩或空心管桩。
13.进一步地，所述第一竖向通道与扩径橡胶的设置数量一致；所述扩张橡胶达到最大膨胀限度后，顶点超出刃脚的外径范围。
14.进一步地，所述刃脚的最大外径应大于减阻扩径抗震套筒最大外径，防止预制桩沉贯过程中减阻扩径抗震套筒外的扩径橡胶损伤；
15.除环形空腔以外刃脚内中空区域能够填筑混凝土，提高刃脚的自重、强度和稳定性。
16.进一步地，所述排水通道设置反滤层，保证土颗粒无法通过。
17.根据说明书的第二方面，提供一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒的施工方法，该方法包括以下步骤：
18.s1、将减阻套筒与预制桩固定连接；将安装好减阻套筒的预制桩吊装至指定区域进行沉贯安装；
19.s2、根据预制桩沉贯过程中的减阻设计要求以及场地水文地质条件，确定减阻材料和减阻方式；将减阻材料通过减阻接口，经第三竖向通道、连接管、环形空腔、减阻通道注入到刃脚，辅助预制桩沉贯；
20.s3、控制预制桩沉贯垂直度和沉贯速度；
21.s4、预制桩沉贯过程中，桩周产生的超静孔隙水，以及由减阻材料产生的多余水，经排水通道、第二竖向通道、第二环形通道通过排水口排出；
22.s5、待预制桩沉贯至设计标高后，打开水泥砂浆浇筑口、排气口；通过水泥砂浆浇筑口，经第一环形通道、第一竖向通道、水泥砂浆通道，向扩径橡胶浇筑水泥砂浆；待排气口有水泥砂浆溢出后，关闭排气口；继续通过水泥砂浆浇筑口加压注入水泥砂浆，直至扩径橡胶与周边土体紧密相接；停止注入水泥砂浆，关闭水泥砂浆浇筑口；
23.s6、重复以上步骤直至预制桩全部安装完成。
24.进一步地，所述s1中，预制桩压实刃脚，防止沉贯过程中两者脱空；
25.进一步地，所述s2中，当场地地下水位较高时，优选高压水、高压气作为减阻材料，通过加注设计压力的高压水或气体的方式减阻；当场地地下水位较低时，优选触变泥浆作为减阻材料，通过加注设计压力的触变泥浆的方式减阻；
26.进一步地，所述s3中，预制桩沉贯垂直度和沉贯速度通过调整减阻材料注入速度和注入压力进行辅助控制。
27.进一步地，预制桩安装完成后，保证排水通道、第二竖向通道、第二环形通道畅通，保持排水口打开；遇地震灾害时，将排水口与水泵连接，及时排出地震引起的土体中的超静孔隙水，防治土体液化破坏。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果：
29.本发明开发了一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒，优选3d打印技术一体成型制作，便于实现工业化生产；不仅实现了预制桩减阻沉贯，有效提高沉贯效率；还能在预制桩沉贯完成后进行桩身扩径，大大增加了预制桩桩身侧摩阻力，较传统预制桩的早期承载力大大增加，有效提高预制桩的整体承载力；能保证预制桩长期运营阶段抵抗地震液化破坏的影响，提高预制桩的工程抗震水平。
30.本发明中减阻材料根据减阻设计要求以及场地水文地质条件确定，因地制宜，当场地地下水位较高时，优选高压水、高压气作为减阻材料，通过加注设计压力的高压水或气
体的方式减阻；当场地地下水位较低时，优选触变泥浆作为减阻材料，通过加注设计压力的触变泥浆的方式减阻，确保预制桩减阻沉贯高效节能环保。
31.本发明中减阻扩径抗震套筒的底部设置刃脚，能较好地破土，利于预制桩沉贯；进一步地，在刃脚底部设置减阻通道，注入减阻材料，更有效地提高减阻效率。
32.本发明中扩径橡胶能在预制桩沉贯完成后通过注入水泥砂浆扩大预制桩桩径，联合排水通道，排出预制桩周围土体中的超静孔隙水压力，保证预制桩与周围土体紧密联系，增加了预制桩桩身侧摩阻力，有效提高预制桩的承载力，节约水泥砂浆用量。
33.本发明中排水通道的设置不仅能够满足预制桩沉贯过程中的排水需求，及时排出预制桩周围土体中的超静孔隙水，减少减阻材料对桩身周围土体的扰动，增加预制桩与周围土体的连接，提高预制桩承载力；同时，在长期运营阶段，确保能及时排出地震荷载作用下产生的超静水压力，防治预制桩周边土体液化破坏，大大提高预制桩的工程抗震水平。
附图说明
34.图1为减阻扩径抗震套筒的横截面剖面图；
35.图2为a-a剖面图；
36.图3为b-b剖面图；
37.图4为c-c剖面图。
38.图中，减阻扩径抗震套筒1、第一竖向通道2、第一环形通道2-1、水泥砂浆浇筑口2-1-1、排气口2-1-2、水泥砂浆通道2-2、第二竖向通道3、第二环形通道3-1、排水口3-1-1、排水通道3-2、第三竖向通道4、减阻接口4-1、连接管4-2、扩径橡胶5、刃脚6、环形空腔6-1、减阻通道6-2。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
40.一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒，包括减阻扩径抗震套筒1、第一竖向通道2、第二竖向通道3、第三竖向通道4、扩径橡胶5以及刃脚6。
41.若干所述第一竖向通道2、第二竖向通道3、第三竖向通道4环向均布且对称地设置在减阻扩径抗震套筒1内；所述扩径橡胶5环向均布且对称地设置在减阻扩径抗震套筒1，每个所述扩径橡胶的边与减阻扩径抗震套筒密封固定连接外(所述扩径橡胶与减阻扩径抗震套筒可通过焊接的方式密封固定连接)；所述刃脚6设置在减阻扩径抗震套筒1底部；
42.所述第一竖向通道2顶部设置第一环形通道2-1，侧壁设置水泥砂浆通道2-2；所述第一环形通道2-1设有水泥砂浆浇筑口2-1-1、排气口2-1-2；所述第一竖向通道2通过水泥砂浆通道2-2与扩径橡胶5连通；所述水泥砂浆通道的排出口连通至扩径橡胶对套筒的包裹处；
43.所述第二竖向通道3顶部与第二环形通道3-1连通，侧壁设置排水通道3-2；所述第二环形通道3-1设置在减阻扩径抗震套筒1外侧，其上设有排水口3-1-1；所述第三竖向通道4顶部设有减阻接口4-1；所述刃脚6底部设置环形空腔6-1和减阻通道6-2；所述第三竖向通道4通过连接管4-2与环形空腔6-1连通。所述第三竖向通道4是一对对称布置的通道，直接与4-1连通，用于减阻材料传输；第一环形通道2-1通道在第三竖向通道4处截断，第一环形
通道2-1与第三竖向通道并不连通。
44.所述一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒优选3d打印技术一体成型制作；所述减阻扩径抗震套筒1的内径与预制桩的外径一致；所述预制桩可为实心桩或者空心管桩；
45.所述第一竖向通道2、第二竖向通道3、第三竖向通道4以及扩径橡胶5的数量和尺寸由工程基础直径、场地工程地质条件确定；所述第一竖向通道2与扩径橡胶5的设置数量一致；
46.所述第一竖向通道2、第一环形通道2-1、水泥砂浆浇筑口2-1-1以及水泥砂浆通道2-2的设置能够满足扩径橡胶5内水泥砂浆浇筑的需要；
47.所述第二竖向通道3、第二环形通道3-1、排水口3-1-1以及排水通道3-2的设置能够满足预制桩沉贯过程中的排水需求以及长期运营阶段的抗震排水需求；
48.所述第三竖向通道4、减阻接口4-1、连接管4-2、环形空腔6-1以及减阻通道6-2的设置能够满足预制桩沉贯过程中的减阻需要；
49.所述排水通道3-2设置反滤层，保证只通水、土颗粒无法通过；
50.根据工程需要，除环形空腔6-1以外刃脚6内中空区域可以填筑混凝土，提高刃脚6的自重、强度和稳定性；
51.所述刃脚6的最大外径，应大于加注水泥砂浆前的减阻扩径抗震套筒1和扩径橡胶5的最大外径，防止预制桩沉贯过程中扩径橡胶5损伤甚至破坏；
52.实施例2
53.一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒的施工方法，该方法包括以下步骤：
54.将减阻套筒与预制桩固定连接；将安装好减阻套筒的预制桩吊装至指定区域进行沉贯安装；预制桩需要压实刃脚6，防止沉贯过程中两者脱空；
55.根据预制桩沉贯过程中的减阻设计要求以及场地水文地质条件，确定减阻材料和减阻方式；将减阻材料通过减阻接口4-1，经第三竖向通道4、连接管4-2、环形空腔6-1、减阻通道6-2注入到刃脚6，辅助预制桩沉贯；当场地地下水位较高时，优选高压水、高压气作为减阻材料，通过加注设计压力的高压水或气体的方式减阻；当场地地下水位较低时，优选触变泥浆作为减阻材料，通过加注设计压力的触变泥浆的方式减阻；所述减阻材料的设计压力应大于沉贯深度处土体的抗剪强度。
56.控制预制桩沉贯垂直度和沉贯速度；预制桩沉贯垂直度和沉贯速度可以通过调整减阻材料注入速度和注入压力进行辅助控制；
57.预制桩沉贯过程中，桩周产生的超静孔隙水，以及由减阻材料产生的多余水，经排水通道3-2、第二竖向通道3、第二环形通道3-1通过排水口3-1-1排出；当减阻材料为高压水或触变泥浆时，由减阻材料产生的多余水为高压水或触变泥浆中多余的水；排出的水可以经管线排到排水沟，避免排出的水直接流入预制桩周围的地表；
58.待预制桩沉贯至设计标高后，打开水泥砂浆浇筑口2-1-1、排气口2-1-2；通过水泥砂浆浇筑口2-1-1，经第一环形通道2-1、第一竖向通道2、水泥砂浆通道2-2，向扩径橡胶5浇筑水泥砂浆；待排气口2-1-2有水泥砂浆溢出后，关闭排气口2-1-2；继续通过水泥砂浆浇筑口2-1-1加压注入水泥砂浆，直至扩径橡胶5与周边土体紧密相接；停止注入水泥砂浆，关闭水泥砂浆浇筑口2-1-1；优选高强速凝水泥砂浆；加注完成水泥砂浆的减阻扩径抗震套筒1和扩径橡胶5的最大外径，应大于刃脚6的最大外径，确保扩径橡胶5与周边土体紧密相接。
59.重复以上步骤直至预制桩全部安装完成。
60.进一步地，所述预制桩安装完成后，保证排水通道3-2、第二竖向通道3、第二环形通道3-1畅通，保持排水口3-1-1打开；如遇地震灾害时，将排水口3-1-1与水泵连接，及时排出地震引起的土体中的超静孔隙水，防治土体液化破坏。
61.以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒，其特征在于，包括减阻扩径抗震套筒、扩径橡胶以及刃脚；所述扩径橡胶环向对称地设置在减阻扩径抗震套筒外，每个所述扩径橡胶的边与减阻扩径抗震套筒密封固定连接；所述刃脚设置在减阻扩径抗震套筒底部；所述刃脚底部设置有环形空腔和减阻通道；所述减阻扩径抗震套筒的顶部内设置有第一环形通道；所述第一环形通道顶部开设有水泥砂浆浇筑口和排气口，底部与筒壁中若干个环向均布的第一竖向通道连通；所述第一竖向通道下部外侧壁开设水泥砂浆通道；所述水泥砂浆通道的排出口连通至扩径橡胶对套筒的包裹处；所述减阻扩径抗震套筒外侧设置有第二环形通道，所述第二环形通道顶部开设有排水口，内侧开设有凹槽连通至套筒壁内若干个环向均布的排水通道；所述排水通道下部外侧壁开设孔洞连通至筒壁外；所述减阻扩径抗震套筒的筒壁内还设置有若干个环向均布的第三竖向通道；所述第三竖向通道顶部设有减阻接口，底部通过连接管与刃脚内的环形空腔连通。2.根据权利要求1所述的一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒，其特征在于，所述减阻扩径抗震套筒的内径与预制桩的外径一致；所述预制桩为实心桩或空心管桩。3.根据权利要求1所述的一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒，其特征在于，所述第一竖向通道与扩径橡胶的设置数量一致；所述扩张橡胶达到最大膨胀限度后，顶点超出刃脚的外径范围。4.根据权利要求1所述的一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒，其特征在于，所述刃脚的最大外径应大于减阻扩径抗震套筒最大外径，防止预制桩沉贯过程中减阻扩径抗震套筒外的扩径橡胶损伤；除环形空腔以外刃脚内中空区域能够填筑混凝土，提高刃脚的自重、强度和稳定性。5.根据权利要求1所述的一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒，其特征在于，所述排水通道设置反滤层，保证土颗粒无法通过。6.一种使用权利要求1-5任一项所述的用于预制桩的减阻扩径抗震套筒的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：s1、将减阻套筒与预制桩固定连接；将安装好减阻套筒的预制桩吊装至指定区域进行沉贯安装；s2、根据预制桩沉贯过程中的减阻设计要求以及场地水文地质条件，确定减阻材料和减阻方式；将减阻材料通过减阻接口，经第三竖向通道、连接管、环形空腔、减阻通道注入到刃脚，辅助预制桩沉贯；s3、控制预制桩沉贯垂直度和沉贯速度；s4、预制桩沉贯过程中，桩周产生的超静孔隙水，以及由减阻材料产生的多余水，经排水通道、第二竖向通道、第二环形通道通过排水口排出；s5、待预制桩沉贯至设计标高后，打开水泥砂浆浇筑口、排气口；通过水泥砂浆浇筑口，经第一环形通道、第一竖向通道、水泥砂浆通道，向扩径橡胶浇筑水泥砂浆；待排气口有水泥砂浆溢出后，关闭排气口；继续通过水泥砂浆浇筑口加压注入水泥砂浆，直至扩径橡胶与周边土体紧密相接；停止注入水泥砂浆，关闭水泥砂浆浇筑口；
s6、重复以上步骤直至预制桩全部安装完成。7.根据权利要求6所述的一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒的施工方法，其特征在于，所述s1中，预制桩压实刃脚，防止沉贯过程中两者脱空。8.根据权利要求6所述的一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒的施工方法，其特征在于，所述s2中，当场地地下水位较高时，优选高压水、高压气作为减阻材料，通过加注设计压力的高压水或气体的方式减阻；当场地地下水位较低时，优选触变泥浆作为减阻材料，通过加注设计压力的触变泥浆的方式减阻。9.根据权利要求6所述的一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒的施工方法，其特征在于，所述s3中，预制桩沉贯垂直度和沉贯速度通过调整减阻材料注入速度和注入压力进行辅助控制。10.根据权利要求6所述的一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒的施工方法，其特征在于，预制桩安装完成后，保证排水通道、第二竖向通道、第二环形通道畅通，保持排水口打开；遇地震灾害时，将排水口与水泵连接，及时排出地震引起的土体中的超静孔隙水，防治土体液化破坏。

技术总结
本发明公开了一种用于预制桩的减阻扩径抗震套筒及施工方法，包括减阻扩径抗震套筒、扩径橡胶以及刃脚；扩径橡胶环向对称地设置在减阻扩径抗震套筒外，底部有环形空腔和减阻通道的刃脚安装在减阻扩径抗震套筒底部，套筒的顶部内设置有开设了水泥砂浆浇筑口和排气口的第一环形通道，连通若干开设水泥砂浆通道的第一竖向通道；水泥砂浆通道的排出口连通至扩径橡胶处；减阻扩径抗震套筒外侧设置带有排水口的第二环形通道，连通至套筒壁内若干个排水通道；减阻扩径抗震套筒的筒壁内还设置有若干个第三竖向通道，顶部设有减阻接口，底部与刃脚连通。本发明不仅有效提高沉贯效率；还能在预制桩沉贯完成后进行桩身扩径，提高预制桩的工程抗震水平。工程抗震水平。工程抗震水平。


技术研发人员：魏骁 杨仲轩 郭宁 刘福深 王金昌 韩开元
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/7/22