一种现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模及施工方法

摘要

本发明公开了一种现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模及其施工方法。桩模由X 形桩模外管，圆形桩模内管组成；圆形桩模内管外侧螺旋形凹槽中缠绕直流线圈，线圈正负极通过两条直线形凹槽与直流稳压电源连接；其施工方法包括以下步骤：桩机就位，闭合活瓣桩靴；沉入桩模；灌注钢纤维混凝土；接通直流电源，桩模空腔结构内产生沿桩轴向的磁场；振动拔管；桩模拔出地面，形成完整桩体；本发明巧妙的利用电磁感应原理是钢纤维形成与桩轴向平行排布的定向分布状态，显著提高了桩的水平承载力，施工工艺简单、可操作性强，大大拓展了其应用范围。

说明书

技术领域

本发明属于土木建筑工程技术领域，特别涉及一种现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模及其施工方法。

背景技术

在软土地区修建公路、铁路、桥梁等需要对软土地基进行加固处理，而桩基及其复合地基技术是应用最为广泛的地基处理技术。桩基础竖向承载力由桩侧摩阻力和桩端阻力两部分组成，在深厚软土地基中桩侧摩阻力的发挥显得尤为重要。其中如何提高单位材料强度利用率、在节省建筑材料用量的同时提高桩基承载力，是研究人员长期关注的重要课题之一。

在本发明之前，中国专利“现浇X形大直径空心混凝土桩及其施工方法”（专利号：ZL201010215965.4），结合现浇X形混凝土桩和现浇混凝土大直径管桩的技术优点，同时考虑桩侧异形截面形式和桩芯土对提高单位混凝土材料利用率和桩基承载力的作用，是一种经济合理、性价比优越的桩型。但此种桩是素混凝土桩，它的缺点在于水平抗剪强度较小，因而难以用于水平向荷载很大的工况，其使用范围大受限制。因此考虑使用可显著增加桩身水平承载力的钢纤维混凝土进行浇筑。

通常采用的钢纤维混凝土的制备工艺是将砂、石、水泥等原材料和钢纤维一起混合，加入拌和水搅拌均匀，入模振捣密实。按照这种传统工艺成型的钢纤维混凝土，钢纤维在混凝土中随机乱向分布。在实际工程中，只有与桩轴向方向一致或接近的小部分的钢纤维才起到有效提高桩身水平承载力的作用。现有制备工艺的缺点在于混凝土中钢纤维的有效利用效率很低，相当部分的钢纤维无法发挥期望的抗剪作用，同时也会导致制备钢纤维混凝土的原材料用量大大增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现浇X形大直径空心混凝土桩水平承载力不足的缺陷，在考虑桩侧异形截面形式和桩芯土对提高单位混凝土材料利用率和桩基竖向承载力的同时，结合定向钢纤维混凝土显著提高桩身水平承载力的优势，提供一种经济高效的现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模及其施工方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模，包括同心设置的桩模外管和桩模内管，桩模外管和桩模内管之间形成一个空腔结构，桩模外管和桩模内管的顶部通过可拆卸法兰盘与打桩机的振动头相连，桩模外管和桩模内管的底部连接有活瓣桩靴，桩模外管的顶部设置有与空腔结构相通的进料口，其特征在于：还包括直流电源控制器，所述圆形桩模内管外侧底部至1/5~1/2高度预刻螺旋形凹槽，螺旋形凹槽上方至顶部预刻两条竖向直线形凹槽，直流线圈缠绕螺旋形凹槽设置，且直流线圈的正负极接线通过直线形凹槽引出与直流电源控制器连接。

所述的现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模，所述桩模外管为 X型桩模外管，所述桩模内管为圆形桩模内管。

所述的现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模，所述活瓣桩靴具有和桩模套管外轮廓形状相同的X形，包括锁轴和活瓣。

所述的现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模，所述螺旋形凹槽内涂制一层自干型粘结绝缘漆。

所述的现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模，所述直流线圈匝数为500 ~ 600。

一种现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的施工方法，包括以下步骤，

（1）    将桩模和打桩机在指定的打桩位置就位，在沉桩之前将活瓣桩靴闭合；

（2）    启动振动打桩机，带动与之连接的空腔结构的桩模缓慢沉入地基，且每下沉1.5~2.5m 留振0.5~1.5min，活瓣桩靴在土压力作用下保持闭合状态，保护空腔结构桩模下沉至设计深度；

（3）    通过进料口向桩模空腔结构内注入均匀一定量的由胶凝材料、砂、石、高效减水剂和钢纤维按公知比例混合制备的钢纤维混凝土；

（4）    接通直流电源控制器，向内层套管凹槽中缠绕的直流线圈通电，在桩模空腔结构内产生磁场，在空腔范围内的磁场与桩轴向基本一致；

（5）    启动振动拔管，在振动状态下钢纤维混凝土粘滞阻力较小，钢纤维在磁场作用下排布方向趋于与磁场方向一致，达到定向分布状态；

（6）    重复步骤(3) 至(5)，直至桩模向上拔出地面，形成现浇X 形大直径空心定向钢纤维混凝土桩。

所述现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的施工方法，钢纤维混凝土选用的钢纤维长度为8~10cm，直径为1.0 ~1.5mm。

所述现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的施工方法，振动拔管上拔速率为0.5-1.2m/min，且每拔管1m 留振1.5min。

所述现浇X形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的施工方法，直流电源控制器开启后，直流线圈中的直流电流为20-60A，空腔结构内能产生磁感应强度为20×10^-3T ～ 60×10^-3T 的磁场。

本发明的优点和效果在于：

（1）    本发明采用对现浇钢纤维混凝土拌合物施加定向磁场的方法，利用磁感应效应来达到钢纤维在混凝土中定向分布的目的，克服了现有钢纤维混凝土成型工艺所导致的钢纤维随机乱向分布、有效利用效率低和很大部分钢纤维不能发挥应有的抗剪能力的缺点；

（2）    由于横截面外轮廓呈X 形，与传统的圆形截面相比具有更大的周长，因此具有更高的外侧摩阻力；由于存在桩芯土，因此桩内壁还有内摩阻力的作用，该桩型同时利用横截面异形效应和桩芯土对桩侧摩擦力的提高作用，有效地提高竖向承载能力；

（3）    本发明中提供的桩模和施工方法浇筑的定向钢纤维X形大直径空心桩，其桩身水平承载力比现有方法浇筑的钢纤维X形大直径空心桩提高45% ~90%，或节省达到相同桩身水平承载力所需钢纤维20%~50%；

（4）    对现浇X形大直径空心混凝土桩进行改进，改用定向钢纤维混凝土进行浇筑后其水平承载力大大提高，可作为高层建筑、桥梁、基坑支护等的桩基础，大大拓展了应用范围。

附图说明：

图1为本发明的施工过程示意图；

图2为本发明的桩模示意图；

图3为本发明的桩模横截面示意图；

图4为本发明的电源示意图；

图中，1为振动头，2为可拆卸式法兰盘，3为进料口，4为X型桩模外管，5为圆形桩模内管，6为从直线型槽线处引出的正负极接线，7为缠绕于螺旋形槽线的直流线圈，8为活瓣桩靴，9为直流电源控制器，10为电流调节旋钮，11为电源开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图2所示，现浇X 形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的桩模，由X型桩模外管4和圆形桩模内管5形成同心套管空腔结构，桩模顶部通过可拆卸式法兰盘2与振动头1进行连接，桩模底部连接活瓣桩靴8；圆形内管5外侧底部至1/2高度预刻500 ~ 600圈的螺旋形凹槽，1/2高度至顶部预刻两条直线形凹槽；直流线圈7缠绕于螺旋形凹槽，通过自干型粘结绝缘漆与凹槽形成稳固连接，并上覆一层自干型覆盖绝缘漆作为保护层，其正负极接线6通过直线形凹槽引出并与直流电源控制器9相连；直流电源控制器9为现有技术，包括电源开关11和电流调节旋钮10；电源开关11控制是否向桩模线圈7内通直流电，直流调节旋钮10用于控制所通直流电的电流大小。

如图1所示，本发明的现浇X 形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的施工方法，包括以下步骤：

（1）    将带活瓣桩尖的桩模和打桩机在指定的打桩位置就位，在沉桩之前将活瓣桩靴8闭合；

（2）    启动振动打桩机振动头1，带动与之连接的空腔结构桩模缓慢沉入地基，且每下沉2.0m 留振1min，活瓣桩靴8在土压力作用下保持闭合状态，保护桩模空腔结构桩模下沉至设计深度；

（3）    通过进料口3向空腔结构内注入均匀一定量的由胶凝材料、砂、石、高效减水剂和钢纤维按公知比例混合制备的钢纤维混凝土，上述钢纤维混凝土，主要由胶凝材料、砂、石、减水剂和钢纤维混合进行制备；钢纤维的长度为8-10cm，直径为1.0-1.5cm。其优选的制备操作过程为：将称量好的胶凝材料、砂、石投入搅拌机干料搅拌均匀，然后边搅拌边投入全部称量好的钢纤维至搅拌均匀，再加入称量好的拌合水和减水剂（如高效减水剂），继续搅拌3min～5min，控制钢纤维混凝土拌合物的坍落度在100mm～150mm范围内，以便减小拌合物粘滞阻力；

（4）    打开直流电源开关11，向圆形桩模内管5凹槽中缠绕的直流线圈7通电，通过电流调节旋钮10控制直流线圈中的电流大小为20 ~ 60，在桩模空腔结构内产生磁感应强度为10×10^-3T ～ 50×10^-3T的磁场，其在空腔范围内的方向与桩轴向基本一致；

（5）    启动振动头向上拔管，上拔速率为0.5-1.2m/min，且每拔管1m 留振1.5min。在振动状态下钢纤维混凝土粘滞阻力较小，钢纤维在磁场作用下排布方向趋于与磁场方向一致，达到定向分布状态，拔管时保证桩模内混凝土表面高于桩模底部高度2m；

（6）    重复步骤(3) 至(5)，直至桩模向上拔出地面，形成现浇X 形大直径空心定向钢纤维混凝土桩。

所述的粘结绝缘漆和覆盖绝缘漆均为自干型绝缘漆，耐热等级为E级，涂层厚度均为1mm。

步骤（1）所述的活瓣桩靴具有和桩模套管外轮廓形状相同的X形，由锁轴和活瓣组成；活瓣桩靴在桩模沉入地基是由于土压力的左右保持闭合状态，在桩模拔出地基时由于钢纤维混凝土的自重作用将自动打开；

步骤（3）所述的制备的钢纤维混凝土，选用的钢纤维长度为8~10cm，直径为1.0 ~1.5mm。其优选制备操作过程是：将称量好的胶凝材料、砂、石投入搅拌机干料搅拌均匀，然后边搅拌边投入全部称量好的钢纤维至搅拌均匀，再加入称量好的拌合水和高效减水剂，继续搅拌3min～5min，控制钢纤维混凝土拌合物坍落度在100mm～150mm范围内，以便减小拌合物粘滞阻力；

步骤(3)所述的制备钢纤维混凝土的公知比例可以从《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》(CECS 38-1992)和《钢纤维混凝土》(JG/T3064-1999)中得知；

步骤（4）所述的直流电源由专用大功率直流电源提供，最大供电电压为380V。在接通直流电源后，直流线圈中的电流约为20 ~ 60 安，在内套管外侧产生的磁感应强度为20×10^-3T ～60×10^-3T的磁场，磁场方向大致沿桩身轴向。在向上拔管的过程中，空腔结构的磁场也一起上移，从而使整个桩身长度范围内钢纤维都达到定向分布状态；

步骤（6）中所述的最终形成的现浇X 形大直径空心定向钢纤维混凝土桩的内径为0.5 ~ 0.8m,外包圆直径为1.5 ~ 2.0m，桩身最大长度可达30m。