一種桁架式樁基礎及其施工方法與流程
2023-06-01 23:39:07 2
本發明涉及樁基工程技術領域，尤其是涉及一種桁架式樁基礎及其施工方法。
背景技術：
樁基工程在工業與民用建築、橋梁、港口、市政、公路、鐵路、城市地鐵等領域使用越來越廣泛。各類樁基工程各有其優點，根據地層情況、荷載情況可以選擇不同的樁型和施工方法，隨著經濟和基本建設的發展，樁基也成為各種基礎類型中採用最多的形式之一，在大型建築中基礎的費用有時可達土建總造價的25％～35％。
樁基是一種有7000多年歷史的古老基礎型式，人類歷史上最早使用木樁和石樁，隨著工業化進程加快和科學技術的進步，19世紀中葉以後，出現了混凝土樁和鋼筋餛凝土樁，在20世紀20年代以後特別是二戰後，樁基發展很快，期間人工挖孔樁問世，隨著大功率鑽孔機研製成功，鑽孔灌注樁發展很快。尤其是近二十年來，樁基工程從樁基材料、樁基機械、施工方法、樁基檢測等方面都取得了長足的發展，機械化、自動化、信息化程度不斷提高。
樁基工程按樁直徑可分為微型樁、小直徑樁、大直徑樁、超大直徑樁；按樁長可分為短樁、長樁、超長樁；按施工動力可分為人工挖孔樁、機械成孔樁；按樁基材料可分為木樁、混凝土樁、鋼筋混凝土樁、鋼樁等；按成樁方法可分為非擠土樁、部分擠土樁和擠土樁三類，其中非擠土樁主要包括幹作業法鑽挖孔灌注樁、幹作業法挖孔灌注樁、泥漿護壁法鑽孔灌注樁、套管護壁法鑽孔灌注樁等；部分擠土樁主要包括長螺旋壓灌灌注樁、衝孔灌注樁、鑽孔擠擴灌注樁、攪拌勁芯樁、預鑽孔打入或靜壓預製樁、打入或靜壓式敞口鋼管樁、敞口預應力混凝土空心樁和H型鋼樁等；擠土樁主要包括沉管灌注樁、沉管夯擴灌注樁、打入或靜壓預製樁、閉口預應力混凝土空心樁和閉口鋼管樁等；按施工方法可分為預製樁和灌注樁，其中灌注樁包括採用各種方法在施工現場進行成孔，然後進行混凝土灌注成樁。
目前，工程建設中常用的樁基類型主要有鑽孔灌注樁、人工挖孔樁、沉管灌注樁、打入或靜壓預製樁、擠擴支盤樁、鋼管樁等。在工程建設中，樁基設計成直樁，樁基承受上部建築荷載的形式有兩種，一種是單樁單柱承受上部建築荷載，另一種形式是將樁基和承臺連接在一起承受上部，或和箱形基礎、筏形基礎連接起來構成樁箱、樁筏基礎等，以承受上部建築荷載。但這些基礎形式中的樁基存在以下缺陷：
(1)目前的常規樁基礎，樁基作為地面下部結構，樁基與樁基之間是相互獨立的個體，樁基與樁基之間僅靠設置在樁頂的承臺連接，下部無法連接成一個整體，造成樁基間整體剛度小，在上部豎向荷載作用下易使樁基受力及變形不均，在水平荷載下樁基容易發生剪切破壞，造成基礎不均勻沉降或導致基礎破壞使得上部建築結構發生破壞或造成上部建築結構開裂、傾斜。
(2)由於樁基與樁基之間都是相互孤立的，在相同地層下，要提高單樁剛度和樁基的穩定性、提高樁基豎向和水平荷載承載能力，只有加大樁徑或增加樁長，這樣會造成工程造價增加、工期延長。
(3)樁基的承載力由側摩阻力和端承力組成，當樁基持力層位於土層時樁基的承載力以側摩阻力為主，端承力所佔比例小，要提高樁基承載力只有加大樁徑或增加樁長，這樣使得樁基混凝土方量增加。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種桁架式樁基礎及施工方法，這種桁架式樁基礎可以使樁基連接成一整體以增強樁基間整體剛度、提高樁基豎向和水平承載能力，以減少基礎不均勻沉降，具有可縮短樁基施工工期、節省工程造價，結構簡單、施工方便的特點。
本發明的技術方案：
一種桁架式樁基礎，包括一個及一個以上的單元樁基，每個單元樁基由四根立於巖土體中的鉛垂樁(直樁)組成，每根鉛垂樁分別位於水平橫截面為正方形的四個角上，沿正方形邊的相鄰鉛垂樁之間以斜樁相互連接，四根鉛垂樁的頂部布置正方形的連接梁，鉛垂樁、斜樁和連接梁相互連接構成桁架式結構；斜樁不與鉛垂樁垂直，而是成銳角或鈍角。
所述的鉛垂樁底部直徑變大，變大部分的直徑為0.45米—4.5米，高度為0.3米—3.5米；鉛垂樁其它部分直徑為0.3米—2.5米，長度為2.0米—50米。
所述的斜樁的直徑0.3米—2.5米，長度2.0米—50米。
所述的鉛垂樁和斜樁由鋼筋籠和混凝土澆灌成，鋼筋籠的主筋直徑10—32毫米，混凝土標號C25—C35。
所述的連接梁由鋼筋和混凝土組成，連接梁的橫截面為方形，其寬度為0.4米—2.6米、高度為0.4米—1.2米，鋼筋中主筋直徑10—32毫米，主筋層數1層—6層，主筋每層根數2根—12根，混凝土標號C25—C45。
單元樁基中沿水平橫截面的正方形邊的相鄰兩鉛垂樁的中心距為3米—8米。
一種桁架式樁基礎的施工方法，包括如下步驟:
步驟一，樁基定位，做好成孔前的準備工作；根據設計圖紙進行施工放樣，定出各個鉛垂樁和斜樁的位置；
步驟二，鉛垂樁孔成孔，根據巖土體的地層情況選擇成孔方式；選取一單元樁基位置，鉛垂樁的直徑0.3米—2.5米，長度2.0米—50米；確定鉛垂樁孔所用鑽機鑽頭直徑0.3米—2.5米，孔深2.0米—50米；成孔後檢查孔底沉渣，對孔底沉渣用掏渣筒清理乾淨；
步驟三，澆灌鉛垂樁混凝土，先在鉛垂樁孔內放入鋼筋籠，鋼筋籠每隔1.5米放置混凝土保護塊以保證鋼筋籠居於孔的正中；向鉛垂樁孔內澆灌混凝土，混凝土標號C25—C35，混凝土碎石的級配1—3釐米；
步驟四，斜樁孔成孔，斜樁孔成孔在澆灌鉛垂樁混凝土後的3小時後、5天內進行；根據斜樁的方位定好開孔方向，斜樁孔與兩端鉛垂樁切入0.1—0.5米成孔；斜樁的直徑0.3米—2.5米，長度2.0米—50米，斜樁孔所用鑽機鑽頭直徑0.3米—2.5米，孔深2.0米—50米；成孔後檢查孔底沉渣，對孔底沉渣用泵吸反循環清孔將孔底沉渣清理乾淨；
步驟五，澆灌斜樁混凝土，先在斜樁孔內放入鋼筋籠，鋼筋籠每隔1.5米放置混凝土保護塊以保證鋼筋籠居於孔的正中；向斜樁孔內澆灌混凝土，混凝土標號C25—C35，混凝土的碎石的級配1—3釐米；
步驟六，連接梁施工，破除部分樁頂混凝土露出鉛垂樁頂部和斜樁頂部的鋼筋籠，露出鋼筋長度為0.6米—0.8米；以一個單元樁基的鉛垂樁中心連線構成的正方形為基準進行連接梁的測量放線，按連接梁方形橫截面尺寸加上模板尺寸進行巖土體開挖，安放連接梁的模板；連接梁的橫截面寬度為0.4米—2.6米、高度為0.4米—1.2米；連接梁的鋼筋由主筋組成，主筋直徑10—32毫米，主筋層數1層—6層，主筋每層根數2根—12根；將連接梁鋼筋與鉛垂樁、斜樁的樁頂露出的鋼筋籠綁紮在一起；進行連接梁混凝土的澆築，連接梁混凝土標號C25—C45，使用商品混凝土；
步驟七，連接梁養護，對連接梁進行自然養護，養護21天後拆除模板；澆灌混凝土後鉛垂樁、斜樁和連接梁形成整體結構的地下桁架式樁基。
可以先對一個單元樁基施工，也可以選取多個單元樁基同時施工。
鉛垂樁的成孔根據地層情況、樁基直徑和樁長情況，可以用人工挖也可以用機械成孔；斜樁的成孔用鑽機，鑽機可以選用長螺旋鑽孔鑽機、迴轉鑽進鑽孔鑽機、旋挖鑽進鑽機、全套管護壁鑽孔鑽機、定向鑽機、錨杆鑽機。
可根據地層情況、樁基直徑和樁長、樁基中心距及成孔工藝選擇情況，對鉛垂樁和斜樁的施工順序進行選擇，如巖土體為粘土等不易垮孔的地層、鉛垂樁和斜樁的直徑較小、樁長較短的情況下，採取一定的措施，也可以在鉛垂樁孔成孔後緊接著進行斜樁孔的成孔，然後進行鋼筋籠安放和混凝土澆灌。
本發明具有以下有益的效果:
(1)樁基間連接且在樁頂通過連接梁連接後形成桁架式結構，抗水平荷載能力提高，整體剛度大，在水平荷載下樁基不容易發生剪切破壞，對基礎穩定有利。桁架的杆件主要承受拉力或壓力，可以充分發揮材料的作用，節約材料，減輕結構重量。
(2)樁基連接成一個整體，樁基間整體剛度提高，在上部豎向荷載作用下樁基受力均勻、可減小基礎不均勻沉降，確保建築物的傾斜不超過允許範圍，有利於上部建築結構的安全。
(3)本發明的斜樁為杆系受力，和土層相互作用除產生一部分側摩阻力外，斜樁豎向和土層接面積成倍增加，因此端承力也成倍增加，斜樁增加的端承力和直樁一起共同承擔上部荷載作用，同時可避免樁基發生刺入破壞，這樣在不增加樁長的情況與，採用桁架式樁基礎可提高樁基整體承載力，節省工程費用。
(4)直樁底部擴大為圓錐狀，和同等直徑的直杆樁相比，在混凝土量增加不大的情況下端承力成倍提高，因此，樁的極限承載力提高幅度很大，可節省工程費用。
(5)桁架式樁基礎的整體穩定性好、剛度好、承載能力強，和常規直樁設計相比，在相同地層下，可以提高單樁剛度、樁基穩定性，提高樁基豎向和水平荷載承載能力，不需要加大樁徑或增加樁長，可縮短工期、減少工程造價，與常規樁設計方法相比可減少樁數30％以上。
附圖說明
圖1是本發明實施例中桁架式樁基礎的直樁、斜樁和連接梁布置示意圖(俯視)。
圖2是圖1中沿A—A或B—B剖面的直樁、斜樁和連接梁布置示意圖。
圖3是本發明的直樁結構示意圖。
圖中：1.直樁(鉛垂樁)，2.斜樁，3.連接梁，4.巖土體。
具體實施方式
下面通過具體實施例，並結合附圖，對本發明作進一步詳細說明：
根據地層情況，直樁1底部變大部分的成孔，可以用人工挖孔，也可以使用擴孔鑽頭、擴孔器來成孔。
實施例1：
如圖1、圖2所示為一種桁架式樁基礎，包括立於巖土體4內的直樁1，和直樁1連接在一起的斜樁2，直樁1的頂部布置連接梁3，它們相互連接形成一個呈整體結構的地下桁架式樁基礎。本實施例的桁架式樁基礎由四個單元樁基構成；每個單元樁基由4根直樁1組成，每根直樁1分別位於水平橫截面為正方形的四個角上，沿正方形邊的相鄰直樁1之間以斜樁2相互連接，4根直樁1的頂部布置正方形的連接梁3，它們相互連接構成桁架式結構；斜樁2不與直樁1垂直，而是成銳角或鈍角。
如圖3所示，直樁1的底部變大部分為圓錐狀，圓錐部分的高度為0.8米，大端直徑為1.2米，小端直徑為0.6米，直樁1的全長為16.8米。直樁1由混凝土和鋼筋籠組成，鋼筋籠由主筋、加勁筋、螺旋筋組成，主筋為12根直徑16毫米的鋼筋，加勁筋為直徑14毫米的鋼筋，加勁筋每隔兩米設置一個，螺旋筋為直徑6毫米的鋼筋，螺旋筋間距20毫米；混凝土標號為C30，使用商品混凝土。
斜樁2由混凝土和鋼筋籠組成，斜樁2的直徑為0.6米，斜樁2的長度為17.65米；鋼筋籠由主筋、加勁筋、螺旋筋組成，主筋為12根直徑16毫米的鋼筋，加勁筋為直徑14毫米的鋼筋，加勁筋每隔兩米設置一個，螺旋筋為直徑6毫米的鋼筋，螺旋筋間距20毫米；混凝土標號C30，使用商品混凝土。
連接梁3由鋼筋和混凝土組成，連接梁3的橫截面為正方形，邊長為0.8米，連接梁3的鋼筋由主筋組成，主筋直徑18毫米，主筋層數2層，主筋每層根數6根；混凝土標號C30，使用商品混凝土。
單元樁基中沿水平橫截面的正方形邊的相鄰兩直樁1的中心距為8米。
本實施例中工程所處位置巖土體4地層情況從地面起自上往下為：粘土，厚度21米；粉質粘土，厚度6米；粉砂，厚度8米，樁基持力層位於粘土層。
一種桁架式樁基礎的施工方法，包括如下步驟：
步驟一，樁基定位，做好成孔前的準備工作；根據設計圖紙進行施工放樣，定出各個直樁1和斜樁2的位置，根據設計圖紙進行施工放樣，用全站儀等測量儀器放出施工軸線，放樣定出各個直樁1和斜樁2的位置並在施工樁樣圖上標示，計算斜樁的開孔角度；將測量放樣的直樁1中心在地面上打入鋼筋作為標誌；
步驟二，直樁孔成孔，由於直樁1和斜樁2的樁身段及持力層所處巖土層均為粘土層，成孔採用長螺旋鑽幹鑽形式；選取一單元樁基位置，直樁1直徑0.6米、全長16.8米，底部圓錐部分的高度為0.8米，大端直徑為1.2米；先用直徑0.6米長螺旋鑽機鑽頭鑽孔16.8米，再用擴孔器擴出底部大端直徑1.2米、高度0.8米的圓錐部分；成孔後檢查孔底沉渣，對孔底沉渣用掏渣筒清理乾淨；
步驟三，澆灌直樁1混凝土，先在直樁孔內放入鋼筋籠(鋼筋籠的孔口部分採用單面焊接)，鋼筋籠每隔1.5米放置混凝土保護塊以保證鋼筋籠居於孔的正中；鋼筋籠由主筋、加勁筋、螺旋筋組成，主筋為12根直徑16毫米的鋼筋，加勁筋為直徑14毫米的鋼筋，加勁筋每隔兩米設置一個，螺旋筋為直徑6毫米的鋼筋，螺旋筋間距20毫米；向直樁孔內澆灌混凝土(採用導管法澆灌)，混凝土標號C30，混凝土碎石的級配1—3釐米；
步驟四，斜樁孔成孔，根據斜樁2的方位定好開孔方向，斜樁孔與兩端直樁1切入0.1米成孔，斜樁2的直徑0.6米，長度為17.65米，確定鑽機鑽頭直徑0.6米，孔長為17.65米；斜樁孔成孔在澆灌直樁1混凝土3小時後、5天內進行；成孔後檢查孔底沉渣，對孔底沉渣用泵吸反循環清孔將孔底沉渣清理乾淨；
步驟五，澆灌斜樁2混凝土，先在斜樁孔內放入鋼筋籠，鋼筋籠每隔1.5米放置混凝土保護塊以保證鋼筋籠居於孔的正中；斜樁2的鋼筋籠由主筋、加勁筋、螺旋筋組成，主筋為12根直徑16毫米的鋼筋，加勁筋為直徑14毫米的鋼筋，加勁筋每隔兩米設置一個，螺旋筋為直徑6毫米的鋼筋，螺旋筋間距20毫米；向斜樁孔內澆灌混凝土，混凝土標號C30，混凝土的碎石的級配1—3釐米；
步驟六，連接梁3施工，破除部分樁頂混凝土露出直樁1頂部和斜樁2頂部的鋼筋籠，露出鋼筋長度為0.6米；以四個直樁1(一個單元樁基)的中心連線構成正方形為基準進行連接梁3的測量放線，按連接梁3正方形橫截面尺寸加上模板尺寸進行土體開挖，安放連接梁3的模板；連接梁3的橫截面寬度0.8米、高度為0.8米；連接梁3的鋼筋由主筋組成，主筋直徑18毫米，主筋層數2層，主筋每層根數6根；將連接梁3鋼筋按設計和直樁1、斜樁2的樁頂露出的鋼筋籠綁紮在一起；進行連接梁3混凝土的澆築，連接梁3混凝土標號C30，使用商品混凝土；
步驟七，連接梁3養護，對連接梁3進行自然養護，養護21天後拆除模板；澆灌混凝土後直樁1、斜樁2和連接梁3形成整體結構的地下桁架式樁基。
本實施例中桁架式樁基礎能使樁基與連接梁連接成為一個整體、提高樁基礎的整體剛度和承載力、減少基礎不均勻沉降，與相同地層的全部採用直杆樁的同類型樁基工程相比較，預測可減少樁數36％，工程造價節省32％、工期提前25天。
實施例2：
本實施例的結構同實施例1(連接梁3的橫截面形狀除外)，如圖1、圖2、圖3所示。
如圖3所示，直樁1的底部變大部分為圓錐狀，圓錐部分的高度為1.6米，大端直徑為1.6米，小端直徑為0.8米，直樁1的全長為22.6米。直樁1由混凝土和鋼筋籠組成，鋼筋籠由主筋、加勁筋、螺旋筋組成，主筋為16根直徑18毫米的鋼筋，加勁筋為直徑14毫米的鋼筋，加勁筋每隔兩米設置一個，螺旋筋為直徑8毫米的鋼筋，螺旋筋間距20毫米；混凝土標號為C30，使用商品混凝土。
斜樁2由混凝土和鋼筋籠組成，斜樁2的直徑為0.8米，斜樁2的長度為21.85米；鋼筋籠由主筋、加勁筋、螺旋筋組成，主筋為16根直徑18毫米的鋼筋，加勁筋為直徑14毫米的鋼筋，加勁筋每隔兩米設置一個，螺旋筋為直徑8毫米的鋼筋，螺旋筋間距20毫米；混凝土標號C30，使用商品混凝土。
連接梁3由鋼筋和混凝土組成，連接梁3的橫截面為長方形，寬度1.2米、高度1.0米，，連接梁3的鋼筋由主筋組成，主筋直徑22毫米，主筋層數3層，主筋每層根數8根；混凝土標號C30，使用商品混凝土。
單元樁基中沿水平橫截面的正方形邊的相鄰兩直樁1的中心距為6米。
本實施例中工程所處位置巖土體地層情況從地面起自上往下為：雜填土，厚度3.5米；粉質粘土，厚度3米；粘土，厚度5米；粉砂，厚度3米；中砂，厚度20米，樁基持力層位於中砂層。
一種桁架式樁基礎的施工方法，包括如下步驟：
步驟一，樁基定位，做好成孔前的準備工作；根據設計圖紙進行施工放樣，定出各個直樁1和斜樁2的位置，根據設計圖紙進行施工放樣，用全站儀等測量儀器放出施工軸線，放樣定出各個直樁1和斜樁2的位置並在施工樁樣圖上標示，計算斜樁的開孔角度；將測量放樣的直樁1中心在地面上打入鋼筋作為標誌；
步驟二，直樁孔成孔，由於直樁1和斜樁2的樁身段及持力層所處巖土層均為中砂，易坍塌，成孔採用泥漿護壁迴轉鑽機成孔形式；選取一單元樁基位置，直樁1直徑0.8米、全長21米，底部圓錐部分的高度為1.6米，大端直徑為1.6米；先用鑽頭直徑0.8米迴轉鑽機鑽孔21米，再用擴孔器擴出底部大端直徑1.6米、高度1.6米的圓錐部分；成孔後檢查孔底沉渣，對孔底沉渣用掏渣筒清理乾淨；
步驟三，澆灌直樁1混凝土，先在直樁孔內放入鋼筋籠(鋼筋籠的孔口部分採用單面焊接)，鋼筋籠每隔1.5米放置混凝土保護塊以保證鋼筋籠居於孔的正中；鋼筋籠由主筋、加勁筋、螺旋筋組成，主筋為16根直徑18毫米的鋼筋，加勁筋為直徑14毫米的鋼筋，加勁筋每隔兩米設置一個，螺旋筋為直徑8毫米的鋼筋，螺旋筋間距20毫米；向直樁孔內澆灌混凝土(採用導管法澆灌)，混凝土標號C30，混凝土碎石的級配1—3釐米；
步驟四，斜樁孔成孔，根據斜樁2的方位定好開孔方向，斜樁孔與兩端直樁1切入0.1米成孔，斜樁2的直徑0.8米，長度為21.85米，確定鑽機鑽頭直徑0.8米，孔長為21.85米；斜樁孔成孔在澆灌直樁1混凝土3小時後、5天內進行；成孔後檢查孔底沉渣，對孔底沉渣用泵吸反循環清孔將孔底沉渣清理乾淨；
步驟五，澆灌斜樁2混凝土，先在斜樁孔內放入鋼筋籠，鋼筋籠每隔1.5米放置混凝土保護塊以保證鋼筋籠居於孔的正中；斜樁2的鋼筋籠由主筋、加勁筋、螺旋筋組成，主筋為16根直徑18毫米的鋼筋，加勁筋為直徑14毫米的鋼筋，加勁筋每隔兩米設置一個，螺旋筋為直徑8毫米的鋼筋，螺旋筋間距20毫米；向斜樁孔內澆灌混凝土，混凝土標號C30，混凝土的碎石的級配1—3釐米；
步驟六，連接梁3施工，破除部分樁頂混凝土露出直樁1頂部和斜樁2頂部的鋼筋籠，露出鋼筋長度為0.8米；以四個直樁1(一個單元樁基)的中心連線構成正方形為基準進行連接梁3的測量放線，按連接梁3長方形橫截面尺寸加上模板尺寸進行土體開挖，安放連接梁3的模板；連接梁3的橫截面寬度1.2米、高度為1.0米；連接梁3的鋼筋由主筋組成，主筋直徑22毫米，主筋層數3層，主筋每層根數8根；將連接梁3鋼筋按設計和直樁1、斜樁2的樁頂露出的鋼筋籠綁紮在一起；進行連接梁3混凝土的澆築，連接梁3混凝土標號C30，使用商品混凝土；
步驟七，連接梁3養護，對連接梁3進行自然養護，養護21天後拆除模板；澆灌混凝土後直樁1、斜樁2和連接梁3形成整體結構的地下桁架式樁基。
本實施例中桁架式樁基礎能使樁基與連接梁連接成為一個整體，提高了樁基礎的整體剛度和承載力，明顯減少基礎不均勻沉降，與相同地層的全部採用直杆樁的同類型樁基工程相比較，預測可減少樁數35％，工程造價節省30％、工期提前12天。