CN102650128A - 一种先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩及施工方法，水泥搅拌桩包括设置在水泥搅拌桩内的竖向排水注浆管和间隔设置在竖向排水注浆管上数量为一个以上的双层可伸缩的水平排水注浆管，在水泥搅拌桩内设置散体材料劲芯桩，水平排水注浆管伸展状态外层水平排水注浆管长度小于内层水平排水注浆管。施工过程中振动上拔钢沉管，水平排水注浆管脱离钢沉管后伸展，形成横向排水体。本发明集排水固结与复合地基法两者之长，提高水泥搅拌桩承载性能、扩大了其处理深度的同时，实现在较低造价的前提下根据工期和沉降要求对地基进行动态加固。
Description
技术领域
本发明涉及一种先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩及施工方法，特别涉及一种由水泥搅拌桩与注浆后散体材料浆固劲芯同心组合而成的劲芯水泥搅拌桩桩，采取排水固结法与复合地基加固法并用的原则处理软基，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
我国软土地基类别多、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。软土具有含水量大、压缩性高、强度低、透水性差等特点，在软土地基上直接建造建筑物或进行填土时，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和沉降差异，而且沉降的延续时间长，因此有可能影响建筑物的正常使用。另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求而产生地基土破坏，所以软土地基通常需要采取适宜措施加固处理，
排水固结法是对天然地基，或先在地基中设置砂井、袋装砂井或塑料排水带等竖向排水体，然后利用建（构）筑物、堤坝等本身重量分级逐渐加载，或在建（构）筑物造前在场地上先行加载预压，使软土中的孔隙水排出，软土逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。排水固结法主要用于解决地基的沉降和稳定问题，为了加速软土固结，最有效的办法是在天然土层中增加排水通道，缩短排水距离，以加速软基的固结，缩短工程的预压期，使其在短时期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成；并加速地基土抗剪强度的增长，使地基承载力提高的速率大于施工荷载增长的速率，以保证地基的稳定性。排水固结法是由排水系统和加压系统两个主要部分组成。根据加压和排水两个系统的不同，派生出多种固结加固地基的方法，如堆载预压法、真空预压法、真空联合堆载预压法、电渗法等。由于排水固结法具有造价低、施工工艺成熟等特点，在我国得到广泛应用，但排水固结法具有工期长，地基总沉降大，若预压期不足工后沉降大等缺点。
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。
目前已有在水泥搅拌桩、预应力管桩等桩间土中打设砂井、塑料排水板等组合应用排水固结法与复合地基法的方法，如排水粉喷桩（2D工法）等，在适宜的工程背景和地质条件下也取得了相对较好的工程效果，但该类方法及单独采取排水固结法均具有在预压期结束后竖向排水体仍具有排水、诱使软土固结、软基沉降的效果，易导致建构筑施工完成后，产生过大的工后沉降。
同时在实际工程建设中由于设计变化造成施工方案的修改、气候、土地不能按期交付等社会因素、环境因素、资金因素、管理因素的影响，在总工期控制不便的情况下，往往导致需要压缩预压期，进而需要采取地基补强加固或采用轻质材料减轻上部荷载等措施，类似工况下往往导致建设资金的大幅增加。
总上所述，目前对软土地基的处理措施主要有两种：一类为排水固结预压法，另一类为复合地基方法。在公路工程中，往往考虑造价因素的影响，在一般路段会采用排水预压方法进行软基处理，该工法工期长，需要充分的预压和排水时间，且施工期与工后沉降大，沉降补方量较大。往往在桥头路段采用复合地基方法进行处理，如水泥搅拌桩、预应力管桩、刚柔组合桩等，该方式造价较高，特别当桥头软基深厚时造价尤其昂贵。为了使软土地基处理的方式更加多元化，适合不同地区不同工况下的选择，因此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，将排水固结法与复合地基加固法组合应用，集预压固结、复合地基法两者之长，造价低廉的排水体先后起到排水固结和容纳浆液后形成刚性劲芯的作用，构筑物及路堤施工后仍可动态对软基进行加固的地基处理方法。
发明内容
本发明的目的在于将排水固结法与复合地基法组合应用，集排水固结与复合地基法两者之长，使造价低廉的排水体先后起到排水固结和容纳浆液后形成刚性劲芯的作用，并实现在较低造价的前提下根据工期和沉降要求对地基进行动态加固。研制一种先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩及施工方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩，包括水泥搅拌桩、设置在水泥搅拌桩内的竖向排水注浆管和间隔设置在竖向排水注浆管上数量为一个以上的水平排水注浆管，在水泥搅拌桩内设置散体材料劲芯桩，竖向排水注浆管的底部设置预制桩尖。
桩尖顶部中心位置设置便于竖向排水注浆管与桩尖连接的竖向注浆管预埋接头。
散体材料劲芯桩的散体材料可选取碎石、中粗砂或粉煤灰。
前述的先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩，所述的水平排水注浆管由可伸缩的内外双层注浆管套接构成，压缩后两者两端等长度，伸展后外层水平排水注浆管长度小于内层水平排水注浆管。
内层排水注浆管顶部设置滑动钢板，滑动钢板外侧焊接滚轮。
前述的先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩，内层排水注浆管由内而外依次由高强弹簧、透水层、过滤层、被覆层组成；外层注浆管由内而外依次由高强弹簧和被覆层组成。
所述的透水层采用无纺土工布、过滤层采用涤纶过滤布、被覆层为丙纶丝滤布，各层间采用高强丙纶丝缝合；内层排水注浆管的高强钢丝弹簧包覆PVC塑料软管。
且外层高强弹簧钢的弹性系数大于内层高强弹簧钢丝。
先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、首先由置于水泥搅拌桩传动轴上的搅拌叶片采取两搅两喷工艺施工水泥搅拌桩；
步骤二、 在引绳的牵引下，将与水平排水注浆管连接后的竖向排水注浆管，逐段连接置于钢沉管内，人工微调钢沉管和预制桩尖的位置，对准水泥搅拌桩的中心；
步骤三、在水泥土初凝前，将钢沉管打设至设计桩底标高，灌入散体材料，振动上拔钢沉管，水平排水注浆管脱离钢沉管后依次伸展，形成横向排水体，完成散体材料劲芯桩的施工；
步骤四、待处理区水泥搅拌桩及散体材料劲芯桩施工完成后，将竖向排水注浆管与垫层水平排水注浆主管连接，并将水平排水注浆主管引至堤坝坡脚或空阔处；
步骤五、待水泥搅拌桩桩身强度达到设计要求后，铺设路堤水平排水垫层及堤坝填料，并根据软土排水固结情况，在水平排水注浆主管端部根据设计要求抽水，加速土体固结；
步骤六、根据堤坝沉降情况及工期要求，通过水平排水注浆主管全部或间隔注浆，完成先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩施工。
本发明具有以下特点：
（1）首先进行水泥搅拌桩施工，利于钢沉管的下沉及上拔施工，并减小了其挤土效应，保障了散体材料劲芯桩的成桩质量；
（2）水平排水注浆管设置为双层，外层水平排水注浆管设置了外层外被覆层，且通过外层高强弹簧钢丝、内层高强弹簧钢丝不同弹性系数的选用，使的外层水平排水注浆管先于内层水平排水注浆管伸展。可有效克服水泥土浆液渗透并粘覆在内层水平排水注浆管的外被覆层上，影响其排水效果。
（3）将排水固结法与复合地基法组合应用，集排水固结与复合地基法两者之长，使造价低廉的排水体先后起到排水固结和容纳浆液后形成刚性劲芯的作用，可实现在较低造价的前提下根据工期和沉降要求对地基进行动态加固。
（4）注浆后散体材料劲芯桩可极大提高水泥搅拌桩的承载性能，并有效扩大了水泥搅拌桩加固软基的深度。
总之，本发明的特点在于集排水固结与复合地基法两者之长，提高水泥搅拌桩承载性能、扩大了其处理深度的同时，实现在较低造价的前提下根据工期和沉降要求对地基进行动态加固。
附图说明
图1是本发明先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩的剖面图；
图2是双层水平排水注浆管压缩状态示意图；
图3是双层水平排水注浆管伸展状态示意图；
图4是外层水平排水注浆管横断面图；
图5是内层水平排水注浆管横断面图；
图6是先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩施工工艺图；
图7是先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩用于堤坝示意图；
图中：1—竖向排水注浆管、2-散体材料劲芯桩、3-水泥搅拌桩、4-双层水平排水注浆管、5-预制桩尖、6-预埋接头、7-外层水平排水注浆管、8-内层排水注浆管、9-焊接点、10-滚轮、11-滑动钢板、12、16-高强钢丝弹簧、13-透水层、14-过滤层、15、17-被覆层、18-水泥搅拌桩传动轴、19-搅拌叶片、20-压缩后双层水平排水注浆管、22-钢沉管、24-伸展后双层水平排水注浆管、25-引绳、26-堤坝水平排水垫层、27-堤坝填料、28-垫层中水平排水注浆主管。
具体实施例
图1是本发明先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩剖面示意图，参照图1所示，一种先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩，包括水泥搅拌桩3、设置在水泥搅拌桩3内的竖向排水注浆管1和间隔设置在竖向排水注浆管1上的、一个以上的双层水平排水注浆管4，在水泥搅拌桩3内设置散体材料劲芯桩2，竖向排水注浆管1的底部设置预制桩尖5。
竖向排水注浆管1,采用外径为30mm，壁厚为2mm的无缝钢管，管身均匀设置排水注浆孔。
水泥搅拌桩3选用直径为0.6m的湿法双向水泥搅拌桩，桩长15m，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80kg/m，采用两搅两喷工艺。
预制桩尖5采用直径为0.265m的圆形钢板桩尖，并在桩尖顶部中心位置焊接便于竖向排水注浆管1与桩尖连接的预埋接头6。
图2是双层水平排水注浆管压缩后示意图，图3是双层水平排水注浆管伸展后示意图，图4是外层水平排水注浆管横断面图，图5是内层水平排水注浆管横断面图；参照图2至5所示，双层水平排水注浆管4由可伸缩的内外双层注浆管套接构成，外层排水注浆管7伸展状态下的长度为0.45m，内层排水注浆管8长度为0.6m。内层排水注浆管8的内径为40mm，外层排水注浆管7的内径为50mm。其中，内层排水注浆管8由内而外依次由高强钢丝弹簧12、透水层13、过滤层14、被覆层15组成；透水层13采用无纺土工布、过滤层14采用涤纶过滤布、被覆层15为丙纶丝滤布，各层间采用高强丙纶丝缝合；高强钢丝弹簧12包覆PVC塑料软管；内层排水注浆管8顶部设置滑动钢板11，是直径为80mm，壁厚为10mm的圆形钢板，高强钢丝弹簧12的一端通过焊接点9与滑动钢板11内侧焊接；滑动钢板11外侧焊接滚轮10，为橡胶材质。
外层排水注浆管7由内而外依次由高强弹簧16和被覆层17组成。高强钢丝弹簧16由直径为6.5mm的高强钢丝，根据场地土体的抗剪指标等专门定做制成，被覆层17的材料为丙纶丝滤布。
钢沉管22采用外径为0.245，壁厚为12mm的热轧无缝钢管。钢丝弹簧12、16压缩后可置于钢沉管22内，且双层水平排水注浆管4露出钢沉管22后弹簧伸展，钢丝弹簧12、16在软土中可分别伸展到最大长度0.45m和0.6m，且钢丝弹簧16先于弹簧钢丝12在地基土内伸展。
为便于置于钢沉管22内，需预先将双层水平排水注浆管1的内外双层注浆管压缩，且用钢丝作为压缩固定绳绑扎，引入钢沉管后解除压缩固定绳，将钢沉管22提升一定高度，在引绳25的牵引下，逐段连接置于钢沉管22内。
图6是本发明先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩施工工艺示意图，图7 是本发明先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩用于堤坝示意图，参照图6、7，先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩的施工方法，包括以下步骤：
步骤一、首先由置于水泥搅拌桩传动轴18上的搅拌叶片19采取两搅两喷工艺施工直径为0.6m的水泥搅拌桩3；
步骤二、 将双层水平排水注浆管4与竖向排水注浆管连接，将钢沉管22提升一定高度，在引绳25的牵引下将竖向排水注浆管1逐段连接置于钢沉管22内，人工微调钢沉管22和预制桩尖5的位置，对准水泥搅拌桩3的中心；
步骤三、在水泥土初凝前，将钢沉管22打设至设计桩底标高，灌入散体材料，振动上拔钢沉管，双层水平排水注浆管露出钢沉管后依次伸展，形成横向排水体，完成散体材料劲芯桩2的施工；
步骤四、待处理区水泥搅拌桩3及散体材料劲芯桩2施工完成后，将竖向排水注浆管1与垫层水平排水注浆主管27连接，并将水平排水注浆主管27引至堤坝坡脚或空阔处；
步骤五、待水泥搅拌桩3桩身强度达到设计要求后，铺设路堤水平排水垫层25及堤坝填料26，并根据软土排水固结情况，在水平排水注浆主管27端部根据设计要求抽水，加速土体固结；
步骤六、根据堤坝沉降情况及工期要求，通过水平排水注浆主管27全部或间隔注浆，浆液采用砂浆，并按照注浆后散体材料劲芯桩2设计强度配置，散体材料劲芯桩2形成注浆后散体材料浆固劲芯，完成先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩施工。
Claims (8)
1.一种先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩，其特征在于包括水泥搅拌桩、设置在水泥搅拌桩内的竖向排水注浆管和间隔设置在竖向排水注浆管上数量为一个以上的水平排水注浆管，在水泥搅拌桩内设置散体材料劲芯桩，竖向排水注浆管的底部设置预制桩尖；水平排水注浆管由可伸缩的内外双层注浆管套接构成，压缩后两者两端等长度，伸展后外层水平排水注浆管长度小于内层水平排水注浆管。
2.根据权利要求1所述的先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩，其特征在于所述的内层排水注浆管由内而外依次由高强钢丝弹簧、透水层、过滤层、被覆层组成，且内层排水注浆管顶部设置滑动钢板，滑动钢板外侧焊接滚轮；外层排水注浆管由内而外依次由高强钢丝弹簧和被覆层组成；且外层高强弹簧钢的弹性系数大于内层高强弹簧钢丝；散体材料劲芯桩的散体材料为碎石、中粗砂或粉煤灰。
3.根据权利要求2所述的先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩，其特征在于所述的透水层采用无纺土工布、过滤层采用涤纶过滤布、被覆层为丙纶丝滤布，各层间采用高强丙纶丝缝合；内层排水注浆管的高强钢丝弹簧包覆PVC塑料软管。
4.根据权利要求1所述的先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩，其特征在于所述的桩尖顶部中心位置设置预埋接头。
5.先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、首先由置于水泥搅拌桩传动轴上的搅拌叶片采取两搅两喷工艺施工水泥搅拌桩；
步骤二、 在引绳的牵引下，将与水平排水注浆管连接后的竖向排水注浆管，逐段连接置于钢沉管内，人工微调钢沉管和预制桩尖的位置，对准水泥搅拌桩的中心；
步骤三、在水泥土初凝前，将钢沉管打设至设计桩底标高，灌入散体材料，振动上拔钢沉管，水平排水注浆管脱离钢沉管后依次伸展，形成横向排水体，完成散体材料劲芯桩的施工；
步骤四、待处理区水泥搅拌桩及散体材料劲芯桩施工完成后，将竖向排水注浆管与垫层水平排水注浆主管连接，并将水平排水注浆主管引至堤坝坡脚或空阔处；
步骤五、待水泥搅拌桩桩身强度达到设计要求后，铺设路堤水平排水垫层及堤坝填料，并根据软土排水固结情况，在水平排水注浆主管端部根据设计要求抽水，加速土体固结；
步骤六、根据堤坝沉降情况及工期要求，通过水平排水注浆主管全部或间隔注浆，完成先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩施工。
6.根据权利要求5所述的先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩的施工方法，其特征在于所述的内层排水注浆管由内而外依次由高强弹簧、透水层、过滤层、被覆层组成，且内层排水注浆管顶部设置滑动钢板，滑动钢板外侧焊接滚轮；外层排水注浆管由内而外依次由高强弹簧和被覆层组成；且外层高强弹簧钢的弹性系数大于内层高强弹簧钢丝；散体材料劲芯桩的散体材料为碎石、中粗砂或粉煤灰。
7.根据权利要求6所述的先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩的施工方法，其特征在于所述的透水层采用无纺土工布、过滤层采用涤纶过滤布、被覆层为丙纶丝滤布，各层间采用高强丙纶丝缝合；内层排水注浆管的高强钢丝弹簧包覆PVC。
8. 根据权利要求5所述的先排水预压后注浆劲芯水泥搅拌桩的施工方法，其特征在于所述的桩尖顶部中心位置设置预埋接头。
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