CN103669340A

CN103669340A - 一种聚氨酯砂石桩及其施工工艺和应用

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Publication number: CN103669340A
Application number: CN201310658949.6A
Authority: CN
Inventors: 苏志鹏; 梁永辉; 水伟厚; 梁志荣; 朱建锋; 倪飞; 何立军; 刘坤; 徐先坤; 陈国栋; 陈学; 李海平; 黄玮
Original assignee: SHANGHAI SHENYUAN GEOTECHNICAL ENGINEERING Co Ltd; East China Architectural Design and Research Institute Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI SHENYUAN GEOTECHNICAL ENGINEERING Co Ltd; East China Architectural Design and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2014-03-26

Abstract

一种聚氨酯砂石桩，在地基中成孔，填筑砂石骨料，浇注聚氨酯反应原料浆，聚氨酯泡沫反应原料浆注射进砂石骨料后，瞬间发生反应，填充砂石骨料孔隙并固化成聚氨酯泡沫，在地基中砂石骨料与聚氨酯泡沫粘结所述的桩，该桩呈腰鼓状，具有单桩承载力高，工后沉降小，抗弯能力强，施工简单快捷，工期短，不会出现缩径、断桩质量事故等优点。

Description

一种聚氨酯砂石桩及其施工工艺和应用

技术领域

本发明涉及一种聚氨酯砂石桩及其施工工艺和应用，属于地基处理的技术领域。

背景技术

目前，随着经济的发展，建设项目不断增加，对地基土的要求也越来越高，但可供选择的天然地基却十分有限。地基处理方案的选择和确定是否恰当合理，已成为控制和影响工程投资、质量、进度的主要因素。在多种项目工程设计过程中，经常会遇到地基土为软土，且软土层较厚，承载力较低的情况。特别是作为比较重要的建筑项目，对地基承载力和变形要求较高。对于这个情况，采用地基处理是比较可行的方法。地基处理可增加软土地基的承载力，减少沉降量。散体桩、水泥粉煤灰碎石桩和素混凝土桩是地基处理中经常采用的。

散体桩是指不含粘结剂的桩，如碎石桩或砂桩。散体桩的缺点是单桩承载力较低，工后沉降大，容易出现不均匀沉降。

水泥粉煤灰碎石桩，即CFG桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的可变强度桩，通过调整水泥掺量及配比，使其强度等级在C15～C25之间可变。素混凝土桩是由水泥、碎石、石屑或砂加水拌和，用各种成桩机械制成的高粘结强度桩。CFG桩或素混凝土桩与桩间土一起形成复合地基，以改善天然地基的承载力性能。

CFG桩或素混凝土桩也存在众多缺点：单桩承载力低，不能做抗拔桩或承受较大的弯矩，还可能产生缩径、断桩、局部夹土和混凝土离析等质量事故。同时由于CFG桩或素混凝土桩都是以水泥为胶结材料，通过水泥的水化反应使桩体中的骨料形成整体，CFG桩或素混凝土桩成桩后，需要至少28天的养护期，桩体强度增长慢，给一些工期要求严格的工程带来了不利的影响。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种聚氨酯砂石桩，所述的桩有单桩承载力高、工后沉降小、抗弯能力强、施工快捷工期短、不会出现缩径、断桩质量事故等优点。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案，简述如下。一种聚氨酯砂石桩，垂直布置于建筑场地的地基中，以改善地基的承载力性能，含砂石骨料和胶结剂，砂石骨料填筑构成所述的桩的桩体，胶结剂镶嵌在所述的桩体的孔隙中，其特征在于，所述的胶结剂是聚氨酯泡沫，所述的砂石骨料与所述的聚氨酯泡沫胶结成腰鼓状的所述的桩。

现结合附图详细说明上述的技术方案。一种聚氨酯砂石桩，垂直布置于建筑场地的地基70中，含砂石骨料10和胶结剂，砂石骨料10是级配碎石、块石、卵石、角砾、圆砾、中砂、粗砂、建筑垃圾或由它们组成的混合料之一，在地基70中所成的桩孔80中填筑砂石骨料10，构成桩体，所述的胶结剂镶嵌在所述的桩体的砂石骨料10的孔隙中，其特征在于，所述的胶结剂是聚氨酯泡沫20，聚氨酯泡沫20是主链上含有重复的—HNCO—O—基团的高聚物树脂，聚氨酯泡沫20的密度和抗压强度分别为100kg/m³～500kg/m³和0.1MPa～50MPa，聚氨酯泡沫20与所述的桩体中的砂石骨料10胶结形成腰鼓状的所述的桩，所述的桩的平均直径、长度、密度、抗压强度和弹性模量分别为20cm～200cm、2m～25m、500kg/m³～2500kg/m³、1.0MPa～100.0MPa和10MPa～1000MPa。

本发明的技术方案的进一步特征在于，所述的桩还含竖向增强体30，竖向增强体30是土工格栅、土工网格、土工条带、铁管、铜管、铁架、钢架、不锈钢架和钢筋中的一种，竖向增强体30匀混在砂石骨料10中。

在地基70中成垂直于地面的桩孔，填筑砂石骨料，形成桩体，自下而上浇注聚氨酯反应原料浆，由于液体的流动性和注射压力，聚氨酯反应原料浆迅速流入桩体的砂石骨料的孔隙中和桩孔周围的土体的孔隙中。加上聚氨酯反应原料浆反应，产生大量气泡和聚氨酯泡沫，形成高达400kPa的膨胀压力，迫使聚氨酯泡沫迅速充填砂石骨料的最细微的孔隙；聚氨酯泡沫快速固化时，使砂石骨料与聚氨酯胶结成腰鼓状的所述的桩；桩周土受到挤压，聚氨酯泡沫流入桩周土，聚氨酯泡沫固化时对土体产生挤密劈裂，使桩周土和桩体紧密嵌固。聚氨酯泡沫的胶结作用和对桩周土的挤密劈裂作用，大大提高了所述的桩的承载力，且成桩质量高，即所述的桩的单桩承载力高和工后沉降小。此外，聚氨酯泡沫固化迅速，15min内所述的桩的强度就可达到额定强度的90%，甚至超过，可以大大缩短工程工期，即施工快捷工期短。在砂石骨料中可加入竖向增强体，大幅提高所述的桩的抗弯能力，且杜绝了缩径、断桩质量事故的发生，即抗弯能力强和不会出现缩径、断桩质量事故。

本发明的另一个目的是提供一种建造所述的桩的施工工艺。为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。现结合附图说明该技术方案。一种建造所述的桩的施工工艺，其特征在于，包括以下施工步骤：

步骤一地基70中成桩孔80

在地基70中成垂直于地面的桩孔80，桩孔80的直径和深度分别为20cm～200cm和2m～25m，成孔采用人工挖土成孔工艺、螺旋钻机取土成孔工艺或旋挖钻取土成孔工艺施行；

步骤二填料并预埋浇注管40

在桩孔80中填充砂石骨料10，预留浇注管40的位置，直到将浇注管40能直立于桩孔80的中心线，浇注管40的出浆口在桩孔80的底部；

步骤三分层填筑压实砂石骨料10

分层填筑砂石骨料10，振动密实，分层厚度介于2m～3m，分层填筑到比桩顶标高高出40cm～60cm；

步骤四浇注聚氨酯反应原料浆

使用连接到储存聚氨酯反应原料浆单元60的气动双液注浆泵50，进行聚氨酯反应原料浆浇注，可采用①边提浇注管40边浇注，注射枪通过步骤二中预埋的浇注管40将聚氨酯反应原料浆注入浇注管40下端口处的砂石骨料10，并匀速提拉浇注管40，浇注量通过控制聚氨酯反应原料浆注射速率控制，每浇注一段，停留一段时间，分段长度为50cm～100cm，聚氨酯反应原料浆发生反应，形成聚氨酯泡沫20，膨胀填充在砂石骨料10的孔隙中，固化后与砂石骨料10胶结为一体，重复以上浇注过程，直到砂石骨料10与聚氨酯泡沫20胶结形成所述的桩，停止注聚氨酯反应原料浆，清洗气动双液注浆泵50，或者②袖阀式浇注管40浇注，浇注管40是袖阀式浇注管，注射枪下到浇注管30下端口处的浇注位置，自下而上分段注射聚氨酯反应原料浆，通过袖阀式的浇注管的管体上分段的阀门进入砂石骨料10中，每浇注一段，停留一段时间，分段长度为50cm～100cm，聚氨酯反应原料浆发生反应，形成聚氨酯泡沫20，膨胀填充在砂石骨料10的孔隙中，固化后与砂石骨料10胶结为一体，重复以上浇注过程，直到砂石骨料10与聚氨酯泡沫20胶结形成所述的桩，停止注聚氨酯反应原料浆，清洗气动双液注浆泵50，所述的聚氨酯反应原料浆由A组分和B组分按照重量比1:0.1～1:10通过双液气动注浆泵50注射混合，其中，A组分包括一种或多种氰酸酯a，氰酸酯a可由通式R(NCO)_n表示，其中R表示含2～18个碳原子的脂肪族烃基、含6～15个碳原子的芳烃基、含8～15个碳原子芳脂族烃基，n=2～4，所述的B组分包括多元醇b、扩链剂c、发泡剂d和催化剂e，多元醇b是一种多元醇或多种多元醇的混合物，平均分子量为100～10000，官能度为2～10，扩链剂c为一种或多种扩链剂的混合物，是分子量小于800的含活泼氢原子化合物，发泡剂d选用水、卤代烃、烃类化合物或气体，用量为b和c重量的0.3%～15.0%，催化剂e为胺类催化剂、有机金属催化剂、或它们的混合物，用量为b和c的重量0.001%～10.0%，在-10℃～100℃下，所述的A组分和B组分混合发生化学反应，生成物固化成聚氨酯泡沫20，聚氨酯泡沫20是主链上含有重复的—HNCO—O—基团的高聚物树脂。

本发明的技术方案进一步特征在于，砂石骨料10是级配碎石，所述的级配碎石掺入竖向增强体30，竖向增强体30为土工格栅。

本发明的另一个目的是提出一种用所述的桩提高建筑场地的地基承载力的地基处理方法。为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案，其特征在于，将多根所述的桩按一定间距以正方形或者三角形形式布置在所述的场地的地基70中，相邻的所述的桩的间距介于2.5m～3.5m，在多根所述的桩上部铺设一层砂石垫层，压实，厚度为200mm～500mm。

由于所述的桩有单桩承载力强、成桩质量好和工后沉降小的优点，所以，当多根所述的桩均匀地布置在所述的场地的地基70中时，地基承载力便会大幅度得到提升。

与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1、施工快捷简便，不需要养护时间。聚氨酯反应原料浆注射，15分钟内便完成充分的化学反应，使所述的桩拥有90%以上的额定强度，可为工程建设节省大量工期。

2、所述的桩强度高，弹性模量大。聚氨酯反应原料浆注射后，发生化学反应，生成的聚氨酯泡沫填充在砂石骨料中，并与砂石骨料充分胶结，形成的复合体结构完整。

3、所述的桩成桩质量好，承载力高。聚氨酯反应原料浆反应后，体积迅速膨胀，最高可膨胀到液体体积的40倍，产生膨胀压力，且反应后形成的聚氨酯泡沫不会发生干缩，对所述的桩的周围土体有挤压甚至劈裂渗透作用，所以所述的桩不会出现缩径现象，桩侧阻力大，承载力较高。此外，可适当提高浇注压力，劈裂周围岩土，使所述的桩与周围岩土充分结合，提高桩侧阻力。

4、所述的桩耐久性好。聚氨酯泡沫为惰性材料，耐化学腐蚀，在地底下老化时间长，能长期保持稳定的性能。

5、绿色环保无污染。聚氨酯泡沫性能稳定，无污染，长期埋置于地下不会对地下水造成污染。聚氨酯原料生产过程安全可控，造成的环境污染比水泥等传统粘结材料低很多。

附图说明

图1是所述的桩的纵截面结构示意图。图中，10是砂石骨料，20是聚氨酯泡沫，70是地基，80是桩孔，AA’处有横截面。

图2是图1所示的所述的桩的横截面结构示意图。图中，A-A’是图1所示的所述的桩在AA’处的横截面。

图3是所述的桩的纵截面结构示意图。图中，30是竖向增强体，BB’处有横截面。

图4是图3所示的所述的桩的横截面结构示意图。图中，B-B’是图3所示的所述的桩在BB’处的横截面。

图5是建造所述的桩的施工工艺步骤示意图。图中，图5（a）、图5（b）、图5（c）和图5（d）分别是建造所述的桩的施工工艺步骤的步骤一、步骤二、步骤三和步骤四，40是浇注管，50是双液气动注浆泵，60是储存聚氨酯反应原料浆单元。

具体实施方式

现结合实施例和附图，进一步说明本发明的技术方案。

某石化仓储用地为大面积填土场地，填土层以下分布有10m～15m厚度不等的淤泥或淤泥质粘土层。淤泥类软土层属于欠固结土层，场地的地基支承力小，工后沉降大，估计会高达1m～2m，固结度达到90%以上需要20年～30年的固结期，远远无法满足工程建设的需要。必需对该场地采用有效的地基处理措施，该场地方可作为建设用地。建设方要求不采用桩基础形式，以节省开支，并要求在两个月内完成场地的地基处理。

实施例1一种聚氨酯砂石桩

为对上述的填土场地进行地基处理，需用一种聚氨酯砂石桩，该桩的结构与上文中“发明内容”所述的桩的结构完全相同，这里就不重复了，以下仅罗列该桩的关键技术数据：

平均直径为150cm；

长度15m；

密度1400kg/m³；

聚氨酯泡沫20的密度100kg/m³；

聚氨酯泡沫20的抗压强度20MPa；

砂石骨料10是级配碎石；

竖向增强体30为土工格栅。

实施例2一种建造实施例1所述的桩的施工工艺。该工艺的施工步骤完全按照上文中“发明内容”所述的工艺的施工步骤施行，这里就不重复了，以下仅罗列该工艺的施工步骤中的关键操作和技术数据：

步骤一中，桩孔80的直径为1.5m，桩孔80的深度为15m，成孔采用螺旋钻机取土成孔工艺施行；步骤三中，分层厚度2.5m，分层填筑到比桩顶标高高出50cm；步骤二～步骤四中，所述的砂石骨料10是级配碎石，所述的级配碎石掺入的竖向增强体30，竖向增强体30为土工格栅。

实施例3一种用实施例1所述的桩提高上述的填土场地的地基承载力的地基处理方法，完全按照上文中“发明内容”所述的地基处理方法的说明施行，这里就不重复了，以下仅罗列该方法的关键操作和技术数据：

实施例1所述的桩的布置形式正三角形；

相邻的实施例1所述的桩的间距3.0m；

在上述的填土场地上的正三角形的每个顶点处，按照实施例1-2所述的施工工艺，建造实施例1所述的桩，将多根所述的桩逐一布置在上述的场地的地基70中；

在多根所述的桩上部铺设一层砂石垫层，压实，厚度为300mm。

本实施例采用聚氨酯砂石桩进行地基处理，与背景技术相比，本实施例节省工期120%，成桩质量好，承载力高。

Claims

1.一种聚氨酯砂石桩，垂直布置于建筑场地的地基（70）中，含砂石骨料（10）和胶结剂，砂石骨料（10）是级配碎石、块石、卵石、角砾、圆砾、中砂、粗砂、建筑垃圾或由它们组成的混合料之一，在地基（70）中所成的桩孔（80）中填筑砂石骨料（10），构成桩体，所述的胶结剂镶嵌在所述的桩体的砂石骨料（10）的孔隙中，其特征在于，所述的胶结剂是聚氨酯泡沫（20），聚氨酯泡沫（20）是主链上含有重复的—HNCO—O—基团的高聚物树脂，聚氨酯泡沫（20）的密度和抗压强度分别为100kg/m³～500kg/m³和0.1MPa～50MPa，聚氨酯泡沫（20）与所述的桩体中的砂石骨料（10）胶结形成腰鼓状的所述的桩，所述的桩的平均直径、长度、密度、抗压强度和弹性模量分别为20cm～200cm、2m～25m、500kg/m³～2500kg/m³、1.0MPa～100.0MPa和10MPa～1000MPa。

2.根据权利要求1所述的聚氨酯砂石桩，其特征在于，所述的桩还含竖向增强体（30），竖向增强体（30）是土工格栅、土工网格、土工条带、铁管、铜管、铁架、钢架、不锈钢架和钢筋中的一种，竖向增强体（30）匀混在砂石骨料（10）中。

3.一种建造权利要求1所述的桩的施工工艺，其特征在于，包括以下施工步骤：

步骤一地基（70）中成桩孔（80）

在地基（70）中成垂直于地面的桩孔（80），桩孔（80）的直径和深度分别为20cm～200cm和2m～25m，成孔采用人工挖土成孔工艺、螺旋钻机取土成孔工艺或旋挖钻取土成孔工艺施行；

步骤二填料并预埋浇注管（40）

在桩孔（80）中填充砂石骨料（10），预留浇注管（40）的位置，直到将浇注管（40）能直立于桩孔（80）的中心线，浇注管（40）的出浆口在桩孔（80）的底部；

步骤三分层填筑压实砂石骨料（10）

分层填筑砂石骨料（10），振动密实，分层厚度介于2m～3m，分层填筑到比桩顶标高高出40cm～60cm；

步骤四浇注聚氨酯反应原料浆

使用连接到储存聚氨酯反应原料浆单元（60）的气动双液注浆泵（50），进行聚氨酯反应原料浆浇注，可采用①边提浇注管（40）边浇注，注射枪通过步骤二中预埋的浇注管（40）将聚氨酯反应原料浆注入浇注管（40）下端口处的砂石骨料（10），并匀速提拉浇注管（40），浇注量通过控制聚氨酯反应原料浆注射速率控制，每浇注一段，停留一段时间，分段长度为50cm～100cm，聚氨酯反应原料浆发生反应，形成聚氨酯泡沫（20），膨胀填充在砂石骨料（10）的孔隙中，固化后与砂石骨料（10）胶结为一体，重复以上浇注过程，直到砂石骨料（10）与聚氨酯泡沫（20）胶结形成所述的桩，停止注聚氨酯反应原料浆，清洗气动双液注浆泵（50），或者②袖阀式浇注管（40）浇注，浇注管（40）是袖阀式浇注管，注射枪下到浇注管（30）下端口处的浇注位置，自下而上分段注射聚氨酯反应原料浆，通过袖阀式的浇注管的管体上分段的阀门进入砂石骨料（10）中，每浇注一段，停留一段时间，分段长度为50cm～100cm，聚氨酯反应原料浆发生反应，形成聚氨酯泡沫（20），膨胀填充在砂石骨料（10）的孔隙中，固化后与砂石骨料（10）胶结为一体，重复以上浇注过程，直到砂石骨料（10）与聚氨酯泡沫（20）胶结形成所述的桩，停止注聚氨酯反应原料浆，清洗气动双液注浆泵（50），所述的聚氨酯反应原料浆由A组分和B组分按照重量比1:0.1～1:10通过双液气动注浆泵（50）注射混合，其中，A组分包括一种或多种氰酸酯a，氰酸酯a可由通式R(NCO)_n表示，其中R表示含2～18个碳原子的脂肪族烃基、含6～15个碳原子的芳烃基、含8～15个碳原子芳脂族烃基，n=2～4，所述的B组分包括多元醇b、扩链剂c、发泡剂d和催化剂e，多元醇b是一种多元醇或多种多元醇的混合物，平均分子量为100～10000，官能度为2～10，扩链剂c为一种或多种扩链剂的混合物，是分子量小于800的含活泼氢原子化合物，发泡剂d选用水、卤代烃、烃类化合物或气体，用量为b和c重量的0.3%～15.0%，催化剂e为胺类催化剂、有机金属催化剂、或它们的混合物，用量为b和c的重量0.001%～10.0%，在-10℃～100℃下，所述的A组分和B组分混合发生化学反应，生成物固化成聚氨酯泡沫（20），聚氨酯泡沫（20）是主链上含有重复的—HNCO—O—基团的高聚物树脂。

4.根据权利要求3所述的施工工艺，其特征在于，砂石骨料（10）是级配碎石，所述的级配碎石掺入竖向增强体（30），竖向增强体（30）为土工格栅。

5.一种用所述的桩提高建筑场地的地基承载力的地基处理方法，其特征在于，将多根所述的桩按一定间距以正方形或者三角形形式布置在所述的场地的地基（70）中，相邻的所述的桩的间距介于2.5m～3.5m，在多根所述的桩上部铺设一层砂石垫层，压实，厚度为200mm～500mm。