适用于水泥土插芯组合桩复合地基的预制桩帽

摘要

一种适用于水泥土插芯组合桩复合地基的预制桩帽，包括由混凝土一次浇筑成圆桶状的混凝土表层，截面呈倒凹字形，在混凝土表层中内置组合骨架体，其特征是所述组合骨架体包括钢板和钢筋网片，钢板的端面为圆形，钢筋网片的中央部位与钢板焊接，混凝土表层的底面设置有直通钢板底面的中央橡胶垫安装槽，钢板底面与中央橡胶垫粘接；在混凝土表层的底面环绕中央橡胶垫安装槽周边设置有环状橡胶垫。本方案的预制桩帽采取工厂预制，具有强度高、结构简单、加工制作操作方便、造价低等优点，可以实现水泥土插芯组合桩复合地基桩帽的快速施工，对水泥土桩和芯桩的应力分担起到很好的调节作用。

说明书

技术领域

本方案涉及地基处理工程中的桩帽，具体涉及一种适用于水泥土插芯组合桩复合地基的预制桩帽。

背景技术

水泥土插芯组合桩包括各种在水泥土桩中插芯的复合桩，例如水泥土桩复合芯桩、劲性桩。

水泥土插芯组合桩复合地基施工时需在芯桩顶端制作桩帽，目前关于桩帽方面的研究现状如下：

（1）200820230810.6本实用新型涉及一种在公路工程软弱地基处理时使用的上部荷载向下部桩基的传递问题的复合式砼桩帽，包括承载钢板，在承载钢板底面的中部设置有加劲套环，在承载钢板底面上、加劲套环的外径处设置有加劲钢板，在加劲套环内与桩顶面接触的承载钢板底面处粘贴有橡胶垫片，该专利的橡胶垫片主要解决承载钢板底面和桩顶面由于加工或施工误差可能造成的应力集中问题。

（2）申请号为200910135359.9的中国专利公开了一种预铸桩帽结构及其接合结构的接合方法，包含本体、梁柱结合单元、基桩结合单元。发明的桩帽结构均设置了通孔，这种通孔在桩帽安装后还需对预制桩进行封顶处理，这种方式造成桩帽的受剪性能差，容易使桩帽出现脱落，且操作繁琐。

（3）申请号为201310030674.1公开了一种复合地基柔性桩帽，包括布设在加固桩桩顶上的水平底座、沿圆周方向布设在水平底座上方的多根斜向受力杆和布设在多根斜向受力杆上的圆形套箍；申请号为201420723764.9的中国专利公开了一种管桩桩帽构造，包括桩帽和管桩，桩帽设置在管桩上部的外围，桩帽中加设有方形钢筋笼，方形钢筋笼的边长为管桩直径的两倍；此两个专利桩帽都是通过现场制作的方式，施工工期与预制桩帽相比较长。

（4）申请号201520481702.6的中国专利公开了一种预制混凝土桩帽，包括混凝土帽体、卡体和钢筋骨架体，钢筋骨架体包括受力钢筋网片和连接筋。在混凝土帽体上还可以设有至少一个贯穿整个卡体和混凝土帽体的定位安装孔，定位安装孔设置在卡体的轴向范围内。

（5）申请号为201521116438.2的中国专利公开了一种预制桩帽，桩帽主体为钢筋混凝土预制圆形桩，钢筋混凝土预制圆形桩配筋采用环向钢筋和径向钢筋布筋；申请号为201510119140.5的中国专利公开了一种复合地基用预制空心桩桩帽及其固定方法，包括将钢筋网片置于混凝土中浇筑而成的桩帽体，钢筋网片为多条钢筋交叉焊接形成的具有网孔的网状结构；桩帽体上开设有贯通桩帽体的阶梯孔；此两个专利都需要在现场桩内腔浇筑混凝土并进行养护，没有完全发挥预制桩帽在工期上的优越性。

（6）201610420237.4本方案涉及一种桩与桩帽柔性连接结构，包括顶端钢板、弹性套管、嵌入钢板以及若干剪力钉，桩头与桩帽之间能发生相对旋转，增加了顶部结构的横向位移允许量，同时，桩的弯矩也会因横向位移而显著减小。

（7）申请号为201610104685.3的中国专利公开了一种复合地基用装配式桩帽，它包括顶板以及连接在顶板下侧面上的固定套件，该专利只是对接触部位进行补强，其连接强度有限，易发生局部破坏。

目前，桩帽施工大多采用现场制作的方式，致使工作效率低，质量难以保证，且后续养护时间长。关于预制桩帽，已有的相关类似研究仍然存在桩帽结构连接不牢固，仍需进行混凝土养护、安装不便、没有考虑芯桩与桩周水泥土的应力分担等缺点。

发明内容

本方案的目的在于提供一种对水泥土桩和芯桩的应力分担起到很好的调节作用，具有强度高、结构简单、加工制作操作方便、造价低等优点，可以实现快速施工的水泥土插芯组合桩复合地基用预制桩帽。

为了达到上述目的，本方案采用下述技术方案：一种适用于水泥土插芯组合桩复合地基的预制桩帽，包括由混凝土一次浇筑成圆桶状的混凝土表层，截面呈倒凹字形，在混凝土表层中内置组合骨架体，其特征是所述组合骨架体包括钢板和钢筋网片，钢板的顶面和底面为圆形，钢筋网片的中央部位与钢板焊接，混凝土表层的底面设置有直通钢板底面的中央橡胶垫安装槽，钢板底面与中央橡胶垫粘接；在混凝土表层的底面环绕中央橡胶垫安装槽周边设置有环状橡胶垫；中央橡胶垫与芯桩顶端接触，环状橡胶垫与水泥土桩接触。

本方案的具体特点还有，所述混凝土表层内腔高度为50mm~150mm；混凝土表层内腔的直径等于或略大于水泥土桩桩径，混凝土表层的内径和外径之差为100mm~300mm。

所述混凝土表层还包括吊环，所述吊环穿过混凝土表层与钢板焊接。

所述组合骨架体与混凝土表层同心，所述组合骨架体的钢板与钢筋网片同心，所述钢筋网片外径小于混凝土表层外径50mm~150mm。

所述中央橡胶垫与组合骨架体的钢板同心，其形状为圆形或圆环形，所述环状橡胶垫与混凝土表层同心，其形状为圆环形，圆环外圆直径等于或略小于混凝土表层内腔直径。

所述中央橡胶垫与环状橡胶垫的厚度满足以下公式：

（E₁：中央橡胶垫的弹性模量；E₂：环状橡胶垫的弹性模量；σ：水泥土桩桩顶所受应力，不大于水泥土强度值；n：芯桩桩顶所受应力与水泥土桩桩顶所受应力之比；χ：芯桩与水泥土桩的桩顶沉降差，根据实测资料，一般取2cm~5cm；H：中央橡胶垫厚度；h：环状橡胶垫厚度）。

本方案的有益效果是：该桩帽具有强度高、结构简单、加工制作操作方便、施工快、造价低等优点，能够在保证工程质量的前提下实现桩帽的快速施工，对水泥土桩和芯桩的应力分担起到很好的调节作用。

附图说明

图1是适用于水泥土插芯组合桩复合地基的预制桩帽结构示意图；图2是组合骨架体的仰视图；图3是组合骨架体A-A剖面图；图4是桩帽施工安装示意图。

图中：1-混凝土表层；2-组合骨架体；3-中央橡胶垫；4-吊环；5-环状橡胶垫；6-钢板；7-钢筋网片；8-芯桩；9-芯桩顶端；10-水泥土桩；11-垫层；12-原状土。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本方案做进一步说明：

如图1~3所示，一种适用于水泥土插芯组合桩复合地基的预制桩帽，包括由混凝土一次浇筑成圆桶状的混凝土表层1，截面呈倒凹字形，在混凝土表层1中内置组合骨架体2，所述组合骨架体2包括钢板6和钢筋网片7，钢板6的顶面和底面为圆形，钢筋网片7的中央部位与钢板6焊接，混凝土表层1的底面设置有直通钢板6底面的中央橡胶垫3安装槽，钢板6底面与中央橡胶垫3粘接；在混凝土表层1的底面环绕中央橡胶垫3安装槽周边设置有环状橡胶垫5。

中央橡胶垫3与芯桩顶端9接触，环状橡胶垫5与水泥土桩10接触。

混凝土表层1内腔高度为50mm~150mm；混凝土表层1内腔的直径等于或略大于水泥土桩10桩径，混凝土表层1的内径和外径之差为100mm~300mm。

混凝土表层1还包括吊环4，所述吊环4穿过混凝土表层1与钢板6焊接。

组合骨架体2与混凝土表层1同心，所述组合骨架体2的钢板6与钢筋网片7同心，所述钢筋网片7外径小于混凝土表层1外径50mm~150mm。

中央橡胶垫3与组合骨架体2的钢板6同心，其形状为圆形或圆环形，所述环状橡胶垫5与混凝土表层1同心，其形状为圆环形，圆环外圆直径等于或略小于混凝土表层1内腔直径。

如图4所示，桩帽水平向尺寸大小主要通过现场施工水泥土桩10的尺寸和工程经验确定。通过设置不等厚度的中央橡胶垫3与环状橡胶垫5，可以调节水泥土桩10和芯桩8的应力分担；橡胶垫片的设置充分考虑了芯桩8、水泥土桩10、桩周原状土12的变形协调，可以更好地发挥水泥土插芯组合桩复合地基的承载能力。安装完毕后的桩帽要保证芯桩8周围水泥土桩10竖向方向上完全在混凝土表层1以下，桩帽安装完成后再进行垫层11施工，最终完成水泥土插芯组合桩复合地基的施工。

中央橡胶垫3与环状橡胶垫5的厚度与水泥土桩10和芯桩8的荷载分担、截面面积、橡胶垫的材料弹性模量等相关。中央橡胶垫3与环状橡胶垫5的厚度满足以下公式：

其中：E₁：中央橡胶垫3的弹性模量；E₂：环状橡胶垫5的弹性模量；σ：水泥土桩10桩顶所受应力，不大于水泥土强度值；n：芯桩8桩顶所受应力与水泥土桩10桩顶所受应力之比；χ：芯桩8与水泥土桩10的桩顶沉降差，取2cm~5cm；H：中央橡胶垫3厚度；h：环状橡胶垫5厚度。

以芯桩8为管桩为例，选取试验参数如下表一的水泥土插芯组合桩复合地基。表一试验桩参数

①对于1^#桩：

预估芯桩8与水泥土桩10的桩顶沉降差为2cm，芯桩8桩顶所受应力与水泥土桩10桩顶所受应力之比为4，为达到以上应力分担之比，选用弹性模量为10MPa的中央橡胶垫3和环状橡胶垫5，选用厚度为1cm的环状橡胶垫5时，应用该公式：

计算得到H=3.58cm，选用中央橡胶垫的厚度为3.5cm。

②对于2^#桩：

预估芯桩8与水泥土桩10的桩顶沉降差为3cm，芯桩8桩顶所受应力与水泥土桩10桩顶所受应力之比为5，为达到以上应力分担之比，选用弹性模量为10MPa的中央橡胶垫3和环状橡胶垫5，选用厚度为1cm的环状橡胶垫5时，应用该公式：

计算得到H=4.2cm，选用中央橡胶垫的厚度为4cm。

③对于3^#桩：

预估芯桩8与水泥土桩10的桩顶沉降差为5cm，芯桩8桩顶所受应力与水泥土桩10桩顶所受应力之比为10，为达到以上应力分担之比，选用弹性模量为20MPa的中央橡胶垫3和环状橡胶垫5，选用厚度为1cm的环状橡胶垫5时，应用该公式：

计算得到H=6.7cm，选用中央橡胶垫的厚度为6.5cm。

根据以上计算数据，选取中央橡胶垫3与环状橡胶垫5的厚度，应用该桩帽后芯桩8和水泥土桩10桩顶的实测应力比和沉降差如下表二。

表二实测应力比和沉降差

由以上水泥土插芯组合桩复合地基的实测应力比和沉降差等监测数据可以得到：通过合理选取中央橡胶垫3与环状橡胶垫5的厚度，本方案的预制桩帽达到了预期的荷载分担效果，可以对水泥土桩10和芯桩8的应力分担起到很好的调节作用。