CN102839683A - 散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，包括散体桩和透水性混凝土桩，所述散体桩和透水性混凝土桩隔排布置，在散体桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设有碎石垫层。本发明还公开了该复合地基的处理方法。该复合地基是一种集高承载性能和高排水性能于一体的二元地基处理形式，不仅能减小地基工后沉降，而且能有效提高地基的抗液化能力。另外，散体桩施工时地基内会产生超静孔隙水压力，导致地面隆起（黏性土层）和桩体沉降（砂性土层），而透水性混凝土桩的设置可以通过消散施工期间的超静孔隙水压力而防止这些工程危害的发生。

Description

散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基及处理方法

技术领域

本发明提出了一种散体桩-透水性混凝土桩新型复合地基及处理方法，属于土木工程领域。

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（如砂桩和碎石桩）、柔性桩（如水泥土搅拌桩）和刚性桩（如CFG桩）。碎石桩等散体桩是透水的，可以加快地基的固结速度，也可减小砂土或粉土地基的液化势，而且成本低。但是，单纯的散体桩复合地基存在以下主要问题：

（1）因为散体材料桩的刚度和强度低，而且与桩周土的围压有很大关系，在附加应力作用下浅层桩体易发生膨胀破坏，当应用于软粘土及有机土和泥炭土等地基时，地基承载力提高不大，而且工后沉降大。

（2）因为散体材料桩的刚度和强度低，所以桩长较小，不适用于深厚液化地基的抗震。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种散体桩-透水性混凝土桩组合式长短桩复合地基及处理方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，包括散体桩和透水性混凝土桩，所述散体桩和透水性混凝土桩隔排布置，在散体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是：所述散体桩和透水性混凝土桩每一排前后对正，整体成正方形布置。

该排列方式也可以是：每个透水性混凝土桩位于相邻排中两个相邻散体桩连线的中心线上，每个透水性混凝土桩与所述相邻的两个散体桩形成三角形布置。

所述碎石垫层厚度为30-50cm。

所述散体桩和透水性混凝土桩桩径均为300-800mm；对粉土和砂土地基，相邻两个桩的桩距不大于透水性混凝土桩桩径的4-5倍；对粘性土地基不大于透水性混凝土桩桩径的2.5-3.5倍。地基中若存在浅深两个符合工程要求的持力层，则散体桩可打到浅持力层上，透水性混凝土桩可打到深持力层上，而且桩须打到持力层以下1.0-1.5m所述散体桩桩长为6-13m，透水性混凝土桩长为8-30m。

本发明还提供上述的散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基的处理方法，步骤如下：

1）先施工散体桩；

2）再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；将符合上述强度和渗透系数要求的透水性混凝土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；两种桩施工间隔时间不少于7天；

3）在地基表面铺设碎石垫层，厚度为30-50cm。

所述透水性混凝土抗压强度20-25MPa，渗透系数2-5mm/s。

所述透水性混凝土桩和散体桩施工间隔时间为7-15天。

地基中若存在浅深两个符合工程要求的持力层，则散体桩可打到浅持力层上，透水性混凝土桩可打到深持力层上，而且桩须打到持力层以下1.0-1.5m。

具体而言，上述的散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基的处理方法的步骤如下：

（1）先施工散体桩。桩体材料可用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑等硬质材料，含泥量不得大于5%，最大粒径不宜大于50mm。砂石桩施工可采用振动沉管、锤击沉管或冲击成孔等成桩法。当用于消除粉细砂及粉土液化时，宜用振动沉管成桩法。施工前应进行成桩工艺和成桩挤密试验。当成桩质量不能满足设计要求时，应在调整设计与施工有关参数后，重新进行试验或改变设计。振动沉管成桩法施工应根据沉管和挤密情况，控制填砂石量、提升高度和速度、挤压次数和时间、电机的工作电流等。施工中应选用能顺利出料和有效挤压桩孔内砂石料的桩尖结构。当采用活瓣桩靴时，对砂土和粉土地基宜选用尖锥型；对粘性土地基宜选用平底型；一次性桩尖可采用混凝土锥形桩尖。锤击沉管成桩法施工可采用单管法或双管法。锤击法挤密应根据锤击的能量，控制分段的填砂石量和成桩的长度。砂石桩的施工顺序，对砂土地基宜从外围或两侧向中间进行，对粘性土地基宜从中间向外围或隔排施工；在既有建（构）筑物邻近施工时，应背离建（构）筑物方向进行。施工时桩位水平偏差不应大于0.3倍套管外径；套管垂直度偏差不应大于1%。

（2）再施工透水性混凝土桩：透水性混凝土抗压强度20-25MPa，渗透系数2-5mm/s；透水性混凝土桩桩径宜取300－800mm；桩距的确定需满足地基沉降和承载力要求，对粉土和砂土地基，散体桩-透水性混凝土桩复合地基的桩距不宜大于透水性混凝土桩径的4-5倍；对粘性土地基不宜大于桩径的2.5-3.5倍；透水性混凝土桩和散体桩施工间隔时间为7-15天。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）然后再施工低强度刚性桩：低强度刚性桩桩径宜取350-600mm；桩距宜取2.5-5倍透水性混凝土桩桩径，需满足地基沉降和承载力要求；桩长一般取8-30m，存在持力层时，桩需打到持力层以下1.0-1.5m；低强度刚性桩与透水性混凝土桩的施工间隔时间为7-15天；低强度刚性桩的施工方法和注意事项与透水性混凝土桩相同。

3）在地基表面铺设碎石垫层，厚度为30-50cm。垫层铺设宜采用静力压实法，当基础底面下桩间土的含水量较小时，也可采用动力夯实法，夯填度（夯实后的褥垫层厚度与虚铺厚度的比值）不得大于0.9。

本发明中的透水性混凝土是由特定级配的集料、水泥、增强材料、外加剂和水等按特定比例经特殊成型工艺制成的,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，确定最佳的强度和渗透性组合。

透水性混凝土桩指的是将透水性混凝土经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方法或振动沉管灌注成桩方法等常规方法制得的桩，成桩方法为现有技术，不再赘述。

散体桩-透水性混凝土桩组合式长短桩复合地基（实施例1制备）如图2所示。在上覆荷载作用下，透水性混凝土桩的主要作用是将荷载通过桩身向地基深处传递，减小压缩土层的变形；在图2中I区深度范围内，透水性混凝土桩对散体桩起到“护桩”作用，提高散体桩本身的承载能力，同时透水性混凝土桩和散体桩（实施例1制备）的协同作用将对桩间土产生明显的“挟持”及“遮挡”效应，抑制地基周围的隆起，提高地基承载力。

散体桩-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，兼具了散体桩和刚性桩的优点，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3所示为不同复合地基上路基工后沉降随时间的变化曲线。可见，与单纯的碎石桩复合地基相比，散体桩-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散体桩桩体材料强度，所以与单纯的散体桩复合地基相比，在散体桩-透水性混凝土桩复合地基设计时可以适当降低桩体的置换率。

碎石桩等散体桩常用于抗震，防治地基发生液化。但因为碎石桩强度低，桩长一般不大，所以对深层液化地基的液化无能为力，其抗震能力受到影响。图4所示为某地震动作用下碎石桩-透水性混凝土桩复合地基（实施例1制备）和单纯碎石桩复合地基表面土体的水平加速度时程曲线。碎石桩对应的加速度放大系数为3.05，而碎石桩-透水性混凝土桩对应的加速度峰值放大系数仅为1.80。可见碎石桩-透水性混凝土桩比碎石桩有更强的减震作用。另外，当输入的地震简谐波频率为5Hz时，碎石桩-透水性混凝土桩复合地基的卓越周期为0.12s，而碎石桩复合地基的卓越周期约为0.21s。这说明透水性混凝土桩提高了地震期间复合地基的整体刚度，显著降低了场地的卓越周期。对钢筋混凝土建筑结构，其自振周期T与层数n的经验关系如下：

T＝(0.05~0.1)n        （1）

另外，对双向四车道高速公路路基，其自振周期T与路基高度h的关系符合以下关系式：

T＝0.038hB            （2）

由以上两式可见，自振周期与建筑物层数和路基高度成正比。对n＞2的建筑物，其自振周期一般大于0.2s；当路基高度为5m时，其自振周期也将接近0.2s。根据振动理论，对高层建筑物和高路基，地基的卓越周期越小，越远离它们的自振周期，它们在地震中的破坏越小。由以上分析知，由于碎石桩-透水性混凝土桩复合地基的卓越周期明显小于碎石桩复合地基的卓越周期，且远离高层建筑物和高路基的自振周期，所以从避免共振角度看，碎石桩-透水性混凝土桩复合地基亦具有显著的抗震作用。

同时，与透水性混凝土桩相比，由于碎石桩刚度和强度低，所以地震作用下碎石桩复合地基的变形大，导致地震期间地基内产生更大的超静孔隙水压力，使得地基更容易液化。图5所示为不同类型地基内超孔压比随时间的变化曲线。可见，地震期间碎石桩和碎石桩-透水性混凝土桩都会对超静孔隙水压力有明显的消散作用，但碎石桩-透水性混凝土桩（实施例1制备）因为刚度大，土体的变形小，超静孔隙水压力一直处于更低的水平。这说明与单纯的碎石桩相比，碎石桩-透水性混凝土桩不仅有减震作用，而且有显著的减压、抑制地基液化的作用。

散体桩-透水性混凝土桩复合地基是一种集高承载性能和高排水性能于一体的二元地基处理形式，与散体桩复合地基相比，不仅能提高地基承载力，减小地基工后沉降，而且能有效提高较深层地基的抗液化能力。

本发明提出的散体桩-透水性混凝土桩复合地基及处理方法，透水性混凝土桩不仅刚度和强度高，具有刚性桩的优点，而且透水性强，摒弃了散体桩的缺点，保留了散体桩的优点。散体桩-透水性混凝土桩复合地基是一种集高承载性能和高排水性能于一体的二元地基处理形式，不仅能减小地基工后沉降，而且能有效提高地基的抗液化能力。同时，因为本发明仅用透水性混凝土桩代替了传统散体桩复合地基中的部分桩体，所以在提高复合地基承载性能的前提下，保持了碎石桩复合地基成本低的优点。

附图说明

图1透水性混凝土抗压强度与渗透系数的关系曲线；

图2散体桩-透水性混凝土桩组合式长短桩复合地基示意图

图3不同复合地基工后沉降随时间的变化曲线；

图4不同地基中心土表水平加速度时程曲线；

图5不同复合地基中心2m深度处超孔压比时程曲线；

图6(a)是正方形布桩图；

图6(b)是三角形布桩图。

其中图6(a)、图6(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。

实例1：

某高速公路地基主要由前第四系基岩和第四系冲洪积松散堆积层组成，地表以下为砂土、砾石等多种不同地层，下伏基岩，基岩埋深20m，上而下依次为：粉质粘土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂、圆砾、基岩。存在的主要问题：①天然地基承载力较低，工程要求地基承载力达到250kPa以上；②在地震作用下存在着液化的可能性。但是，单纯的碎石桩复合地基不能满足以上要求，可采用碎石桩透水性混凝土桩复合地基进行处理。

碎石桩和透水性混凝土桩隔排三角形布置。要求在地基表面铺设碎石垫层，厚度为40cm。要求施工时先施工散体桩，然后再施工透水性混凝土桩，间隔时间为10天。所有桩体垂直度误差不大于1.0%。所有桩体直径相同，根据工程实际情况，桩径取500mm；桩距取1500mm。要求碎石桩桩长8m，碎石含泥量不大于5%，压碎值小于32%，最大粒径不大于50mm。要求透水性混凝土桩长21m，透水性混凝土设计抗压强度为21MPa，渗透系数为2mm/s，所用水泥为42.5普通硅酸盐水泥，粗集料为粒径5~10mm的石灰岩碎石。

要求碎石桩和透水性混凝土桩采用振动沉管法施工。其工艺流程为：施工准备→定位放线→桩机就位→沉管成孔→灌入材料、拔管→成桩→桩身质量检验→施工垫层（该工艺与现有工艺相同，不再赘述）。

经计算分析，碎石桩-透水性混凝土桩复合地基承载力达到260kPa，满足工程要求。

实例2：

某商厦地面以上13层，基础采用筏板基础，筏板厚0.9m，筏板底面埋深1.6m，基底荷载设计值为300kPa。根据工程地质勘察报告，该建筑物地基自上而下为：①杂填土：厚0-1.6m，为建筑垃圾及填土；②粉质粘土：厚1.6-7m，承载力特征值为150kPa；③粘土：厚7-14m，承载力特征值为210kPa；④泥岩：埋深14-20m，地基承载力特征值为2100kPa。因天然地基承载力不足，需进行处理。

可采用砂桩-透水性混凝土桩组合式长短桩复合地基方法对地基进行处理。短桩采用中砂桩，桩长6m，孔径400mm，长桩采用透水性混凝土桩，桩长15m，桩距1.0m，正方形布置。要求在复合地基和基底之间铺设0.3厚的碎石垫层。要求中砂桩和透水性混凝土桩采用振动沉管法施工。其工艺流程为：施工准备→定位放线→桩机就位→沉管成孔→灌入材料、拔管→成桩→桩身质量检验→施工垫层。

经计算分析，中砂桩-透水性混凝土桩地基承载力满足300kPa的工程要求。

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 (10)

1.一种散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，包括散体桩和透水性混凝土桩，所述散体桩和透水性混凝土桩隔排布置，在散体桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设有碎石垫层。

2.如权利要求1所述的散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，所述散体桩和透水性混凝土桩每一排前后对正，整体成正方形布置。

3.如权利要求1所述的散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，每个透水性混凝土桩位于相邻排中两个相邻散体桩连线的中心线上，每个透水性混凝土桩与所述相邻的两个散体桩形成三角形布置。

4.如权利要求1所述的散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，所述碎石垫层厚度为30-50cm。

5.如权利要求1所述的散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，所述散体桩和透水性混凝土桩桩径均为300-800mm；对粉土和砂土地基，相邻两个桩的桩距不大于透水性混凝土桩桩径的4-5倍；对粘性土地基不大于透水性混凝土桩桩径的2.5-3.5倍。

6.如权利要求1所述的散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，所述散体桩桩长为6-13m，透水性混凝土桩长为8-30m。

7.权利要求1-6任一项所述的散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基的处理方法，其特征是，步骤如下：

1）先施工散体桩；

2）再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；将符合上述强度和渗透系数要求的透水性混凝土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；两种桩施工间隔时间不少于7天；

3）在地基表面铺设碎石垫层，厚度为30-50cm。

8.如权利要求7所述的处理方法，其特征是，所述透水性混凝土抗压强度20-25MPa，渗透系数2-5mm/s。

9.如权利要求7所述的处理方法，其特征是，所述透水性混凝土桩和散体桩施工间隔时间为7-15天。

10.如权利要求7所述的处理方法，其特征是，地基中若存在浅深两个符合工程要求的持力层，则散体桩可打到浅持力层上，透水性混凝土桩可打到深持力层上，而且桩须打到持力层以下1.0-1.5m。

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