CN102839647B - 搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基，包括若干排搅拌桩和透水性混凝土桩，所述搅拌桩和透水性混凝土桩隔排布置，在搅拌桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设有碎石垫层。同时公开了该地基的处理方法。该复合地基既具有高的承载能力，又具有强的透水能力，不仅可以有效减小工后沉降，又能提高地基的抗液化能力。同时通过排水固结作用，该复合地基还能消除搅拌桩施工引起的工程病害。

Description

搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基及其处理方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程技术，尤其是一种搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基及其处理方法。

背景技术

近二十年来，地基处理技术得到很大发展，其中复合地基技术应用最为广泛。复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换。复合地基中的竖向增强体一般可分为散体材料桩、柔性桩（或称半刚性桩）和刚性桩。其中，柔性桩一般常指搅拌桩。搅拌桩地基处理方法是利用水泥和/或石灰作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，利用压缩空气喷射石灰或水泥，就地与地基土强行搅拌，利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软弱土固结成具有整体性、水稳定性和一定强度的地基，以达到提高地基承载力和减少地基沉降量的目的。搅拌桩适合于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土地基。与刚性桩相比，搅拌桩成本低，但它对复合地基承载力的提高有一定的限度，其承载力一般不大于160kPa，当复合地基承载力要求较高时，搅拌桩不再有优势。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基及其处理方法,该新型复合地基不仅能降低地基内附加应力引起的超静孔隙水压力，从而减小地基工后沉降，而且能有效提高地基的抗液化能力。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基，包括若干排搅拌桩和透水性混凝土桩，所述搅拌桩和透水性混凝土桩隔排布置，在搅拌桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设有碎石垫层。

隔排布置的排列方式可以为：所述搅拌桩和透水性混凝土桩的每一排数量相等，且前后对正，整体成正方形布置。

该排列方式也可以为：所述透水性混凝土桩数量少于搅拌桩数量，每个透水性混凝土桩位于相邻排中两个相邻搅拌桩连线的中心线上，每个透水性混凝土桩与所述相邻的两个搅拌桩形成三角形布置。

所述碎石垫层厚度为20-30cm。

所述每排搅拌桩或透水性混凝土桩中每两个所述桩的桩距为3-4倍搅拌桩桩径。

所述透水性混凝土桩桩径取0.8-1.0倍搅拌桩桩径。

本发明还提供了该复合地基的处理方法，步骤如下：

1）先施工透水性混凝土桩；透水性混凝土抗压强度不低于20MPa，渗透系数不低于2mm/s；透水性混凝土桩用长螺旋钻孔灌注成桩、长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩或振动沉管灌注成桩方法施工，施工前场地清表处理，做好抽水、清淤及整平工作；

2）然后再施工搅拌桩，以便将搅拌桩施工引起的超静孔隙水压力通过透水性混凝土桩排走，两种桩施工间隔时间不少于10天；

3）铺设有碎石垫层。

所述透水性混凝土抗压强度为20-25MPa，渗透系数为2-5mm/s。

所述两种桩施工间隔时间为10-20天。

所述长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩和振动沉管灌注中，长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩施工的坍落度为160～200mm，振动沉管灌注成桩施工的坍落度为30～50mm，振动沉管灌注成桩后桩顶浮浆厚度不超过200mm。

具体而言，一种搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基处理方法的步骤如下：

1）先施工透水性混凝土桩：施工前场地先清表处理，做好抽水、清淤及整平工作。透水性混凝土抗压强度为20-25MPa，渗透系数为2-5mm/s；透水性混凝土桩的施工，应根据现场条件选用下列施工工艺：

①长螺旋钻孔灌注成桩，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土，其工艺流程为：施工准备→定位放线→钻机成孔→制备桩料→压灌成桩→转移钻机→桩体养护→桩身质量检验→铺设垫层。

②长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土以及对噪声或泥浆污染要求严格的场地，其工艺流程为：施工准备→桩位放线→钻机就位→调整桩机垂直度→确定钻进深度标识→湿润泵管→钻孔→成孔至设计标高→泵送CFG桩混合料至设计标高→清理桩间土→凿桩头→桩身质量检验→铺设垫层。

③振动沉管灌注成桩，适用于粉土、粘性土及素填土地基，其工艺流程为：施工准备→定位放线→桩机就位→沉管成孔→压灌、拔管→成桩→桩体养护→桩身质量检验→铺设垫层。

长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩施工和振动沉管灌注成桩施工除应执行国家现行有关规定外，尚应符合下列要求：

①施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时按配合比配制透水性混凝土。长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160～200mm，振动沉管灌注成桩施工的坍落度宜为30～50mm，振动沉管灌注成桩后桩顶浮浆厚度不宜超过200mm。

②长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩施工在钻至设计深度后，应准确掌握提拔钻杆时间，透水性混凝土泵送量应与拔管速度相配合，遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵侍料；沉管灌注成桩施工拔管速度应按匀速控制，拔管速度应控制在1.2～1.5m/min左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速度应适当放慢。

③对振动沉管灌注成桩法，当逐排打设时，打桩的推进方向应逐排改变，以免土体朝一个方向挤压，并且对同一排桩而言，必要时宜采用间隔跳打的方式进行。自边缘向中央打法将使中间部分土体挤压较密实，不仅使桩难以打入，而且打中间桩时，还有可能使外侧各桩被挤压而浮起，所以一般以自中央向边缘打法和分段打法为宜。尽量避免土体因挤压而密实，使沉管困难和桩位偏移，或产生水平力和拉力，使已打好的桩身造成断裂。有时遇到地表土层较坚硬，下面为软弱土层，桩成型后，还未达到初凝强度，当邻桩施工时，在软硬不同的两层土中振动下沉套管，由于振动对于两层土的波速不一样，产生了剪应力，把先施工的桩剪断。遇此情况，应采用跳打法加大桩的施工间距。并且对于群桩基础，或桩的中心距离小于3.5倍桩径时，也应采用跳打法，中间空出的桩应待混凝土达到设计强度等级的50%以后，方可施打，以减轻对邻桩的挤压力，防止断裂事故发生。

④施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高不少于0.5m。

⑤成桩过程中，抽样做透水性混凝土试块，每台机械一天应做一组（3块）试块（边长为150mm的立方体），标准养护，测定其立方体抗压强度。

⑥透水性混凝土入孔温度不得低于5℃，冬季施工时对桩头和桩间土应采取保温措施。

⑦清土和截桩时，不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。

⑧透水性混凝土施工垂直度偏差不应大于1%。

⑨透水性混凝土桩地基检验应在桩身强度满足试验荷载条件时，并宜在施工结束28d后进行。试验数量宜为总桩数的0.5%～1%，且每个单体工程的试验数量不应少于3点。应抽取不少于总桩数10%的桩进行低应变动力试验，检测桩身完整性。

2）然后再施工搅拌桩，以便将搅拌桩施工引起的超静孔隙水压力通过透水性混凝土桩排走，两种桩施工间隔时间为10-20天。

所述步骤2）中的搅拌桩为水泥土搅拌桩，水泥土强度以无侧限抗压强度衡量，90天抗压强度须大于1.2Mpa；水泥土搅拌桩径为50cm；水泥土搅拌桩施工工艺为：放样→搅拌机械就位→预搅下沉→喷粉搅拌提升至离地面30cm处→重复搅拌下沉→重复搅拌提升至离地面30cm处→关闭搅拌机械→铺筑碎石垫层。

所述步骤2）中的搅拌桩为石灰搅拌桩，所用石灰纯净无杂质，氧化钙和氧化镁的按质量百分比的总量至少为85%；为防止桩体中石灰聚集，在使用前应筛分，石灰粒径宜小于0.5mm，最大粒径不大于2mm；石灰搅拌桩桩径为50cm；石灰搅拌桩施工工艺为：放样→搅拌机械就位→预搅下沉→喷粉搅拌提升至离地面30cm处→重复搅拌下沉→重复搅拌提升至离地面30cm处→关闭搅拌机械→铺筑碎石垫层。

本发明中的透水性混凝土是由级配的集料、水泥、增强材料、外加剂和水等按比例经成型工艺制成的,集料骨架间含有大量贯通性孔隙(通常在5%～30%之间并多为直径超过1mm的大孔)的蜂窝状结构的混凝土，在保证一定透水性情况下其抗压强度一般在3.5MPa～28MPa，挠曲强度一般在1MPa～3.8MPa。透水混凝土的渗透系数一般介于2.0mm/s～5.4mm/s，有的甚至达到1.2cm/s。透水混凝土的配比特点是采用单粒级粗骨料作为骨架,水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面,作为骨料颗粒之间的胶结层,形成骨架—空隙结构的多孔混凝土材料。试验研究表明，透水性混凝土的强度和透水性是一对矛盾体，此消彼长，如图1所示。在工程设计中应根据具体要求，根据公知常识能够确定最佳的强度和渗透性组合。

透水性混凝土桩是将透水性混凝土采用长螺旋钻孔灌注成桩方法、长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩或振动沉管灌注成桩方法施工而成，成桩方法为现有技术，不再赘述。

搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基中的透水性混凝土桩不仅透水性强，而且强度高，既提高了地基承载力，又加快了地基固结速度，减小了工后沉降。图2(a)、2(b)示为路基填筑和运营期间不同复合地基（水泥土搅拌桩复合地基和水泥土搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基（实施例1制备）土体内的超静孔隙水压力随时间变化的有限元计算曲线。可见，与水泥土搅拌桩相比，搅拌桩-透水性混凝土桩周围超静孔隙水压力消散更快，一直处于很低的水平。图3所示为路基工后沉降随时间的变化曲线。可见，与水泥土搅拌桩复合地基相比，搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基（实施例1制备）对应的路基工后沉降明显减小。另外，因为透水性混凝土桩桩体材料强度远大于搅拌桩桩体材料强度，所以与单纯的搅拌桩复合地基相比，搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基可适当降低桩体的置换率。

搅拌桩施工时压缩空气对周围土体施加的侧向压力及搅拌叶片搅拌时对周围土体施加的剪切力均会在土体内引起很大的超静孔隙水压力，施工完后的搅拌桩会突然下沉，还会引起地面开裂，导致附近建筑物受损。透水性混凝土桩的设置能快速消散超静孔隙水压力，不仅避免了以上现象的发生，而且充分利用搅拌桩施工时产生的侧向压力，变不利为有利，通过排水固结作用，在提高搅拌桩周围土体强度的基础上更有效地提高复合地基的强度。

地震时，土体内将产生很高的超静孔隙水压力，会导致可液化地基发生液化。透水性混凝土桩因为具有很强的透水性，将使得超静孔隙水压力快速消散，抑制液化的发生。图4所示为地震作用下不同类型复合地基内超孔压比随时间的变化曲线。可见，地震期间搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基（实施例1制备）内的超静孔隙水压比单纯搅拌桩复合地基内的超静孔隙水压力明显降低。这说明搅拌桩-透水性混凝土桩二元复合地基比搅拌桩一元复合地基更能有效抑制地基液化的发生。同时因为透水性混凝土桩的刚度和强度高，搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基的抗震性能将明显优于单纯的搅拌桩复合地基，将有效降低地基表面的加速度放大系数。所以，透水性混凝土桩的设置将使得搅拌桩复合地基的抗震性能显著增强。

本发明用透水性混凝土桩代替部分搅拌桩，透水性混凝土桩刚度和强度高，具有刚性桩的优点，同时透水性强，具有碎石桩的优点。搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基是一种二元复合地基，与单纯的搅拌桩复合地基相比，该新型复合地基不仅能降低地基内附加应力引起的超静孔隙水压力，从而减小地基工后沉降，而且能有效提高地基的抗液化能力。同时，与CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）等刚性桩复合地基相比，搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基成本明显降低。另外，搅拌桩施工时压缩空气对周围土体施加的侧向压力及搅拌叶片搅拌时对周围土体施加的剪切力均会在土体内引起很大的超静孔隙水压力，施工完后的搅拌桩会突然下沉，还会引起地面开裂，导致附近建筑物受损。透水性混凝土桩的设置能快速消散超静孔隙水压力，不仅避免了以上现象的发生，而且充分利用搅拌桩施工时产生的侧向压力，变不利为有利，通过排水固结作用，在提高搅拌桩周围土体强度的基础上更有效地提高复合地基的强度。

复合地基既具有高的承载能力，又具有强的透水能力，不仅可以有效减小工后沉降，又能提高地基的抗液化能力。同时通过排水固结作用，该复合地基还能消除搅拌桩施工引起的工程病害。

附图说明

图1是透水性混凝土抗压强度与渗透系数的关系曲线图；

图2(a)水泥土搅拌桩复合地基桩周土体超静孔压随时间的变化曲线；

图2(b)水泥土搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基桩周土体超静孔压随时间的变化曲线；

图3工后沉降随时间的变化曲线；

图4地震作用下不同类型复合地基内超孔压比随时间的变化曲线；

图5(a)是正方形布桩图；

图5(b)是三角形布桩图。

其中图5(a)、图5(b)中的实心圆圈表示透水性混凝土桩，空心圆圈表示搅拌桩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：水泥搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基

如图5(a)、图5(b)所示，水泥搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基桩体采用正方形或三角形布置，水泥搅拌桩和透水性混凝土桩隔排布置。在地基表面铺设碎石垫层，厚度为15-30cm。每排搅拌桩或透水性混凝土桩中每两个所述桩的桩距为3-4倍透水性混凝土桩桩径。透水性混凝土桩桩径取0.8-1.0倍搅拌桩桩径。

施工时，先施工透水性混凝土管桩，然后再施工水泥搅拌桩，间隔时间不少于10天。所有桩体垂直度误差不大于1%。

透水性混凝土设计抗压强度为22MPa，渗透系数为2mm/s。透水性混凝土桩可用振动沉管灌注成桩方法施工，施工前场地需清表处理，做好抽水、清淤及整平工作。振动沉管灌注成桩法主要施工工艺为：施工准备→定位放线→桩机就位→沉管成孔→压灌、拔管→成桩→桩体养护→桩身质量检验→铺设垫层。（该工艺与现有工艺相同，不再赘述）。

水泥土强度应以无侧限抗压强度衡量，90天抗压强度须大于1.2MPa。水泥土搅拌桩桩径一般为50cm。水泥土搅拌桩施工工艺为：放样→搅拌机械就位→预搅下沉→喷粉搅拌提升至离地面30cm处→重复搅拌下沉→重复搅拌提升至离地面30cm处→关闭搅拌机械→铺筑碎石垫层（该工艺与现有工艺相同，不再赘述）。

实施例2：石灰搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基

如图5（a）、图5（b）所示，石灰搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基桩体采用正方形或三角形布置，石灰搅拌桩和透水性混凝土桩隔排布置。在地基表面铺设碎石垫层，厚度为15-30cm。每排搅拌桩或透水性混凝土桩中每两个所述桩的桩距为3-4倍透水性混凝土桩桩径。透水性混凝土桩桩径取0.8-1.0倍搅拌桩桩径。

施工时，先施工透水性混凝土管桩，然后再施工石灰搅拌桩，间隔时间不少于10天。所有桩体垂直度误差不大于1%。

透水性混凝土抗压强度为20MPa，渗透系数为2.5mm/s。透水性混凝土桩可用长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩方法施工，施工前场地需清表处理，做好抽水、清淤及整平工作。长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩法工艺流程为：施工准备→桩位放线→钻机就位→调整桩机垂直度→确定钻进深度标识→湿润泵管→钻孔→成孔至设计标高→泵送CFG桩混合料至设计标高→清理桩间土→凿桩头→桩身质量检验→铺设垫层。

所用石灰应该纯净无杂质，氧化钙和氧化镁的总量至少为85%。为防止桩体中石灰聚集，在使用前应筛分，石灰粒径宜小于0.5mm，最大粒径应不大于2mm。石灰土桩径一般为50cm。石灰搅拌桩主要施工工艺为：放样→搅拌机械就位→预搅下沉→喷粉搅拌提升至离地面30cm处→重复搅拌下沉→重复搅拌提升至离地面30cm处→关闭搅拌机械→铺筑碎石垫层（该工艺与现有工艺相同，不再赘述）。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基，包括若干排搅拌桩和透水性混凝土桩，其特征是，所述搅拌桩和透水性混凝土桩隔排布置，在搅拌桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设有碎石垫层；

所述搅拌桩和透水性混凝土桩的每一排数量相等，且前后对正，整体成正方形布置；

或者所述透水性混凝土桩数量少于搅拌桩数量，每个透水性混凝土桩位于相邻排中两个相邻搅拌桩连线的中心线上，每个透水性混凝土桩与相邻的两个搅拌桩形成三角形布置；

每排搅拌桩或透水性混凝土桩中每两个桩的桩距为3-4倍搅拌桩桩径；

所述透水性混凝土桩桩径取0.8-1.0倍搅拌桩桩径；

透水性混凝土为集料骨架间含有大量贯通性孔隙的蜂窝状结构的混凝土，其抗压强度在3.5MPa～28MPa，挠曲强度在1MPa～3.8MPa，透水混凝土的渗透系数介于2.0mm/s～5.4mm/s。

2.如权利要求1所述的复合地基，其特征是，所述碎石垫层厚度为20-30cm。

3.如权利要1-2任一项所述复合地基的处理方法，其特征是，步骤如下：

1)先施工透水性混凝土桩；透水性混凝土抗压强度不低于20MPa，渗透系数不低于2mm/s；长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩或振动沉管灌注成桩方法施工，施工前场地清表处理，做好抽水、清淤及整平工作；

所述长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩或振动沉管灌注成桩方法施工中，长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩施工的坍落度为160～200mm，振动沉管灌注成桩施工的坍落度为30～50mm，振动沉管灌注成桩后桩顶浮浆厚度不超过200mm；

2)然后再施工搅拌桩，以便将搅拌桩施工引起的超静孔隙水压力通过透水性混凝土桩排走，两种桩施工间隔时间不少于10天；

3)铺设有碎石垫层。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述透水性混凝土抗压强度为20-25MPa，渗透系数为2-5mm/s。

5.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述两种桩施工间隔时间为10-20天。