CN102619223B - 粘结力增强式刚柔组合桩及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粘结力增强式刚柔组合桩及其施工方法，组合桩包括水泥搅拌桩桩体以及同心的混凝土沉管灌注桩劲芯，后者深于前者；两者的重合部位设置一个以上扩挤混凝土支盘。首先施工水泥搅拌桩桩体，然后在水泥土中施工混凝土沉管灌注桩，沉管打设至设计桩底标高后，向沉管内灌入混凝土，上拔钢沉管，启动支盘挤扩装置，形成向外扩张的扩挤混凝土支盘，沉管灌注桩施工完成后，在桩顶插设盖板连接钢筋，浇筑钢筋混凝土盖板。本发明可有效解决沉管灌注桩桩体上部易出现断桩等问题，设置扩挤支盘增强了水泥搅拌桩与混凝土灌注桩的粘结作用，提高了其协同承载效果，有效避免了盖板与桩连接强度低、同心度偏差大及施工机械易导致桩帽与桩脱离等问题。

Description

粘结力增强式刚柔组合桩及施工方法

技术领域

本发明涉及一种粘结力增强式刚柔组合桩，特别涉及一种由水泥搅拌桩与带扩挤支盘混凝土灌注桩同心组合而成的粘结力增强式刚柔组合桩，可用于公路、市政、机场及堤坝等工程中等深厚软基处理。

背景技术

我国幅员辽阔，地质条件复杂且各地差别较大，软弱地基类别多、分布广；特别是在沿海地区及内地湖河沉积相地区存在着众多复杂的中等深厚软土地基。

我国桩基技术的大量开发始于20世纪80年代，桩基础以其承载力高、稳定性好、随地质条件变化适应性强等特点得到日益广泛的应用。沉管灌注桩又称套管成孔灌注桩，按其成孔方法不同可以分为振动沉管灌注桩、锤击沉管灌注桩和振动冲击沉管灌注桩。沉管灌注桩以其施工设备简单、施工方便、造价低、施工速度快、工期短等优点，在我国得到广泛的应用；我国岩土工程界的前辈们对沉管灌注桩的设计、施工、检测等进行了不懈的努力和探索，自引入我国以来也获得了长足的发展。由于沉管灌注桩为挤土桩，在实际工程应用中受挤土效应及上部施工机械碾压荷载影响易出现断桩，严重影响沉管灌注桩的承载性能，且从目前工程经验来看，断桩位置多为位于桩身上部。目前实际工程应用中，刚性桩桩顶多设置方形或圆形盖板，盖板的设置可有效减少垫层加筋材料的拉力，改善加筋垫层的受力性能，同时可调整桩土荷载分担比、协调桩土共同作用、减小桩顶面的应力集中。盖板常采用现浇和预制两种，目前桩与盖板连接强度低及同心度偏差大等为常见问题，在路堤、堤坝工程中带盖板桩在首层土摊铺及碾压过程中，施工机械的偏心受压易导致盖板与桩脱离，导致带盖板桩承载力明显降低，盖板作用也明显降低。

水泥搅拌桩是通过特制的深层搅拌机械在地层深部就地将软土和水泥强制拌和，使软土硬结而提高地基强度。水泥搅拌桩按材料喷射状态可分为湿法和干法两种，湿法以水泥浆为主，搅拌均匀，易于复搅，水泥土硬化时间较长；在适宜的条件下目前湿法应用更为普及。由于水泥搅拌桩具有施工场地要求较低、施工工艺成熟、造价相对较低等特点，在我国得到了广泛应用。但水泥搅拌桩的处理深度浅，采用普通的施工设备国内一般认为仅适用于处理深度小于10～12m的软基。近些年发展起来的双向水泥搅拌桩，通过正反不同速度旋转叶片同时双向搅拌，以及上层叶片的同时更快速的反向搅拌，阻断浆液上冒途径，使水泥浆液就地与土体进行充分的搅拌，保证了成桩质量，特别是深层桩体质量。双向水泥搅拌桩虽较普通水泥搅拌桩，在成桩质量方面有所提高，处理深度有所加大，但难于应用于中等深厚软基处理。双向水泥搅拌桩通过固定叶片和可伸展叶片的设置，在地基内通过正向和反向旋转，根据设计要求形成钉型桩或局部直径扩大桩体的方式，已在工程实践中得到验证。

目前对稳定变形要求较高的工程，常采用刚性桩、刚柔组合桩、长短桩等处理深厚软基；刚柔组合桩是柔性桩(水泥搅拌桩、高压旋喷桩等)内插刚性桩(素混凝土桩、预应力管桩、CFG桩等)的一种软土地基处理技术。刚柔组合桩的加固机理是打设完柔性桩同心插入长度较大的刚性桩，形成刚柔组合桩。利用打设深度较浅、直径较大的柔性桩加大桩身上部的侧表面积和横截面积来增加桩侧摩阻力和获得较大的置换率来提高单桩及复合地基的承载力。刚性桩将部分荷载传递至下部强度较好的持力层，控制复合地基的沉降和差异沉降，克服了柔性桩处理深度有限、桩体下部质量难于保障的难题，同时有效节约了刚性桩的打设数量，降低了工程造价。目前，刚柔组合桩技术以其优越的承载性能、性价比高及较大的应用范围等优点在高速公路、高速铁路、市政、机场、堤坝等软基处理工程中得到了越来越广泛的应用。

目前工程中采用的刚柔组合桩，由于刚性桩与柔性桩接触面抗剪强度不足，导致在某些地质条件下柔性桩与刚性桩在承受较大荷载时接触面易发生剪切破坏，而此时桩侧摩阻力及端阻力尚未完全发挥。目前已有将刚性桩设置成锥形的方式，提高刚性桩与柔性桩的协同承载性能，提高其承载力的技术，但在设置有锥形刚性桩的刚柔组合桩中，某些截面柔性桩将承担较大的压力，易导致柔性桩因强度不足而过早破坏，近而引起整个刚柔组合桩体的破坏。

总上所述，根据目前的实际情况和技术条件，亟需发明一种在工期、工程投资、工程质量之间能够合理平衡，有效克服沉管灌注桩桩身混凝土灌注质量差及上部易断桩、盖板与刚性桩连接强度差及易脱离、刚性桩与柔性桩接触面抗剪强度低等问题，充分发挥柔性桩与刚性状的特点，将其组合使用加固中等深厚软基的粘结力增强式刚柔组合桩及施工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粘结力增强式刚柔组合桩，将混凝土沉管灌注桩与水泥搅拌桩组合应用，充分发挥两种桩型的优点。克服沉管灌注桩桩身混凝土灌注质量差及上部易断桩、盖板与刚性桩连接强度差及易脱离、刚性桩与柔性桩接触面抗剪强度低等问题。

本发明的另一个目的在于提供一种粘结力增强式刚柔组合桩施工方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种粘结力增强式刚柔组合桩，其特征在于包括水泥搅拌桩桩体以及同心设置的混凝土沉管灌注桩劲芯，两者的顶部设有钢筋混凝土盖板；混凝土沉管灌注桩劲芯的长度大于水泥搅拌桩桩体，且在混凝土沉管灌注桩劲芯的底部设置预制桩尖，在混凝土沉管灌注桩劲芯上与水泥搅拌桩桩体重合的部位设置一个以上混凝土扩挤支盘；混凝土扩挤支盘是由设置在沉管灌注桩钢沉管中的支盘挤扩装置扩挤后混凝土灌入而形成。

前述的粘结力增强式刚柔组合桩，其特征在于支盘挤扩装置包括动力系统、传动轴、叶片、小型振捣棒，叶片由固定叶片和可伸展叶片组成，固定叶片固定在传动轴上，可伸展叶片通过联动轴连接在固定叶片的另一端；固定叶片的内外侧均开有刃口，可伸展叶片呈半圆形且内侧开有切削刃口，传动轴正向旋转时可伸展叶片闭合，传动轴反向旋转时可伸展叶片伸开；小型振捣棒连接至传动轴的底部，振动棒软管由传动轴内部引出。

前述的粘结力增强式刚柔组合桩，其特征在于混凝土沉管灌注桩劲芯与钢筋混凝土盖板一次施工完成；混凝土沉管灌注桩劲芯桩顶插设盖板连接钢筋。

前述的粘结力增强式刚柔组合桩，其特征在于水泥搅拌桩桩体为采用两搅两喷工艺制成的湿法双向水泥搅拌桩。

前述的粘结力增强式刚柔组合桩，其特征在于预制桩尖采用钢板桩尖或钢筋混凝土预制桩尖。

粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、根据设计桩长首先进行水泥搅拌桩施工；

步骤二、水泥搅拌桩施工完成后，立即进行混凝土沉管灌注桩施工，钢沉管底部由预制桩尖封闭，在水泥土中静压辅助振动打设至混凝土桩桩底标高；

步骤三、向钢沉管内灌入混凝土，振动上提拔管，开动小型振捣棒振捣；

步骤四、拔管至混凝土扩挤支盘位置，使沉管底部略高于扩挤装置叶片，开动扩挤装置，反向旋转，可伸展叶片伸开，切削扩挤水泥土，混凝土灌入形成混凝土扩挤支盘；

步骤五、开动扩挤装置，正向旋转，将伸展叶片闭合，继续上提拔管，根据需要向钢沉管内补加混凝土，至下一支盘设计位置，重复步骤四，完成混凝土沉管灌注桩及混凝土扩挤支盘施工；

步骤六、在混凝土灌注桩顶部插设盖板连接钢筋，安装盖板浇筑模板及盖板配筋，浇筑形成钢筋混凝土盖板。

前述的粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，其特征在于支盘挤扩装置包括动力系统、传动轴、叶片、小型振捣棒，叶片由固定叶片和可伸展叶片组成，固定叶片固定在传动轴上，可伸展叶片通过联动轴连接在固定叶片的另一端；固定叶片的内外侧均开有刃口，可伸展叶片呈半圆形且内侧开有切削刃口，传动轴正向旋转时可伸展叶片闭合，传动轴反向旋转时可伸展叶片伸开；小型振捣棒连接至传动轴的底部，振动棒软管由传动轴内部引出。

前述的粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，其特征在于混凝土沉管灌注桩劲芯与钢筋混凝土盖板一次施工完成；混凝土沉管灌注桩劲芯桩顶插设盖板连接钢筋。

前述的粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，其特征在于水泥搅拌桩桩体为采用两搅两喷工艺制成的湿法双向水泥搅拌桩。

前述的粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，其特征在于预制桩尖采用钢板桩尖或钢筋混凝土预制桩尖。

本发明具有以下特点：

(1)首先施工水泥搅拌桩，有利于混凝土沉管灌注桩的施工及减小其挤土效应，同时通过传动轴底部设置小型振捣棒，有效避免了沉管灌注桩桩身混凝土灌注质量差及上部易断桩等问题；

(2)首先进行水泥搅拌桩施工，有利于扩挤装置扩挤，形成混凝土扩挤支盘的灌入空间；

(3)混凝土扩挤支盘的设置，有效避免了刚性桩与柔性桩接触面抗剪强度低等问题，提高了刚柔组合桩的协同承载性能；

(4)盖板设置可有效避免柔性桩桩顶被压碎，盖板与混凝土沉管灌注设置连接钢筋及一次浇筑完成，及大直径水泥搅拌桩的设置有效增大了盖板底与桩的接触面积，可有效克服盖板与刚性桩连接强度差及易脱离等问题。

总之，本发明的特点在于有效克服了沉管灌注桩桩身混凝土灌注质量差及上部易断桩、盖板与刚性桩连接强度差及易脱离、刚性桩与柔性桩接触面抗剪强度低等问题，将混凝土沉管灌注桩与水泥搅拌桩组合应用，充分发挥了两种桩型的优点。

附图说明

图1是本发明粘结力增强式刚柔组合桩剖面示意图；

图2是本发明支盘扩挤装置叶片示意图；

图3是本发明粘结力增强式刚柔组合桩施工工艺示意图；

图中：1—钢筋混凝土盖板、2-盖板配筋、3-连接钢筋、4-水泥搅拌桩桩体、5-混凝土沉管灌注桩劲芯、6-混凝土扩挤支盘、7-预制桩尖、8-传动轴、9-固定叶片、10-可伸展叶片、11-小型振捣棒、12-钢沉管。

具体实施例

图1是本发明粘结力增强式刚柔组合桩剖面示意图，参照图1所示，一种粘结力增强式刚柔组合桩，包括水泥搅拌桩桩体4以及同心设置的混凝土沉管灌注桩劲芯5，两者的顶部位于同一水平且设有钢筋混凝土盖板1；混凝土沉管灌注桩劲芯5的长度大于水泥搅拌桩桩体4，且在混凝土沉管灌注桩劲芯5的底部设置预制桩尖7，在混凝土沉管灌注桩劲芯5上与水泥搅拌桩桩体4复合的部位每隔2m设置1个混凝土扩挤支盘6。

钢筋混凝土盖板1，直径为1.2m，外观呈圆形,厚度为0.3m，由C25混凝土浇筑。混凝土盖板内布置配筋2，盖板与水泥搅拌桩桩体通过连接钢筋3加固。连接钢筋3采用直径为12mm的螺纹钢筋，均匀设置4根，插入桩顶深度为0.5m。混凝土沉管灌注桩劲芯5与钢筋混凝土盖板1一次施工完成。

水泥搅拌桩桩体4，选用直径为0.9m的湿法双向水泥搅拌桩，桩长10m，水泥采用32.5号普通硅酸盐水泥，水灰比采用0.55，搅拌桩的水泥掺量为180kg/m，采用两搅两喷工艺。

混凝土沉管灌注桩劲芯5，采用直径为377mm的混凝土沉管灌注桩，桩长18m。钢沉管12采用直径为377mm、壁厚为10mm的无缝钢管；混凝土采用C25，配合比应通过试验确定，碎石粗骨料粒径宜为20～40mm，细骨料宜采用干净的中粗砂，根据软土参数确定坍落度值，需具备良好的流动性和和易性。

预制桩尖7，采用壁厚为12mm的圆形钢板桩尖，直径为0.4m。

混凝土扩挤支盘6，横截面呈现椭圆形，竖向最大厚度为0.1m,横向长度为0.1m。是由设置在混凝土沉管灌注桩劲芯5钢沉管12中的支盘挤扩装置扩挤后混凝土灌入而形成。支盘挤扩装置由可正反旋转的动力系统、传动轴8、叶片、小型振捣棒11组成，并置于钢沉管12内部，图2是本发明支盘扩挤装置叶片示意图，参照图2所示，叶片由固定叶片9和可伸展叶片10组成，固定叶片9与传动轴固定，可伸展叶片10连接在固定叶片9的另一端，传动轴正向旋转时可伸展叶片10闭合，传动轴反向旋转时可伸展叶片10伸开，切削扩挤水泥土。

传动轴8采用外径为80mm、壁厚为8mm的无缝钢管，固定叶片9焊接于传动轴8上，采用厚度为12mm、宽度为60mm、长度为120mm的钢板制成，钢板两侧开有刃口；可伸展叶片10呈半圆形，采用厚度为12mm、宽度为60mm的钢板、内侧开有切削刃口，半圆形的直径为120mm。固定叶片9和可伸展叶片10通过联动轴连接，连接便于传动轴正向旋转时可伸展叶片10闭合，传动轴反向旋转时可伸展叶片10伸开，可伸展叶片10闭合后可置于钢沉管12内部。

传动轴8的底部连接小型振捣棒11，小型振捣棒11可采用棒头直径为25mm的电动振动棒，振动棒软管由传动轴8内部引出。

图3是本发明粘结力增强式刚柔组合桩施工工艺示意图，参照图3所示，粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，包括以下步骤：

(1)根据设计桩长首先进行水泥搅拌桩桩体施工；

(2)水泥搅拌桩桩体施工完成后，立即进行混凝土沉管灌注桩劲芯5施工，钢沉管12底部由预制桩尖7封闭，在水泥土中静压辅助振动打设至混凝土沉管灌注桩劲芯5桩底标高；

(3)向钢沉管12内灌入混凝土，振动上提拔管，开动小型振捣棒11振捣；

(4)拔管至混凝土扩挤支盘6位置，使钢沉管12底部略高于扩挤装置叶片，开动扩挤装置，反向旋转，可伸展叶片10伸开，切削扩挤水泥土，混凝土灌入形成混凝土扩挤支盘6；

(5)开动扩挤装置，正向旋转，将可伸展叶片10闭合，继续上提拔管，根据需要向钢沉管12内补加混凝土，至下一支盘设计位置，重复步骤(4)，完成混凝土沉管灌注桩劲芯5及混凝土扩挤支盘6施工。

(6)在混凝土沉管灌注桩劲芯5顶部插设盖板连接钢筋3，安装盖板浇筑模板及盖板配筋2，浇筑形成钢筋混凝土盖板1。

Claims (3)

1.粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、根据设计桩长首先进行水泥搅拌桩桩体（4）施工；

步骤二、水泥搅拌桩桩体（4）施工完成后，立即进行混凝土沉管灌注桩劲芯（5）的施工，水泥搅拌桩桩体（4）与混凝土沉管灌注桩劲芯（5）同心设置，两者的顶部位于同一水平且设有钢筋混凝土盖板（1），混凝土沉管灌注桩劲芯（5）的长度大于水泥搅拌桩桩体（4），且在混凝土沉管灌注桩劲芯（5）的底部设置预制桩尖（7）；钢沉管（12）底部由预制桩尖（7）封闭，在水泥土中静压辅助振动打设至沉管灌注桩劲芯（5）桩底标高；

步骤三、向钢沉管（12）内灌入混凝土，振动上提拔管，开动小型振捣棒（11）振捣；小型振捣棒（11）连接至传动轴（8）的底部，振动棒软管由传动轴（8）内部引出；

步骤四、在混凝土沉管灌注桩劲芯（5）上与水泥搅拌桩桩体（4）重合的部位设置一个以上混凝土扩挤支盘（6）；

混凝土扩挤支盘（6）是由设置在沉管灌注桩劲芯（5）钢沉管（12）中的支盘挤扩装置扩挤后混凝土灌入而形成；支盘挤扩装置包括动力系统、传动轴（8）、叶片、小型振捣棒（11），叶片由固定叶片（9）和可伸展叶片（10）组成，固定叶片（9）固定在传动轴（8）上，可伸展叶片（10）通过联动轴连接在固定叶片（9）的另一端；固定叶片（9）的内外侧均开有刃口，可伸展叶片（10）呈半圆形且内侧开有切削刃口， 传动轴正向旋转时可伸展叶片（10）闭合，传动轴反向旋转时可伸展叶片（10）伸开；

拔管至混凝土扩挤支盘（6）位置，使钢沉管（12）底部略高于扩挤装置叶片，开动扩挤装置，反向旋转，可伸展叶片（10）伸开，切削扩挤水泥土，混凝土灌入形成混凝土扩挤支盘（6）；

步骤五、开动扩挤装置，正向旋转，将可伸展叶片（10）闭合，继续上提拔管，根据需要向钢沉管（12）内补加混凝土，至下一支盘设计位置，重复步骤四，完成混凝土沉管灌注桩劲芯（5）及混凝土扩挤支盘（6）施工；

步骤六、在混凝土沉管灌注桩劲芯（5）顶部插设盖板连接钢筋（3），安装盖板浇筑模板及盖板配筋（2），浇筑形成钢筋混凝土盖板（1）。

2.根据权利要求1所述的粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，其特征在于所述的水泥搅拌桩桩体（4）为采用两搅两喷工艺制成的湿法双向水泥搅拌桩。

3.根据权利要求1所述的粘结力增强式刚柔组合桩的施工方法，其特征在于预制桩尖（7）采用钢板桩尖或钢筋混凝土预制桩尖。