CN104005404B - 一种外包活性材料桩体的预应力管桩及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外包活性材料桩体的预应力管桩，其特征在于预应力管桩全桩长外包土工布袋，桩底端设有预制扩大桩尖，土工布袋底部捆绑固定于预制扩大桩尖之上；土工布袋内设置环向加筋体，环向加筋体底部与预制扩大桩尖上连接筋固定连接；土工布袋外紧箍网格状环向约束体，预应力管桩与土工布袋之间填充有活性材料，活性材料吸水膨胀后被网格状环向约束体紧勒形成块状突起。本发明利用了活性材料水化膨胀效应，配合土工布袋及外包的网格状环向约束体塑形，可提高桩体性能，并且预应力管桩外包活性材料桩体后，可避免地下水腐蚀桩身混凝土，具有较高的技术经济效益。本发明还公开了上述桩体的施工方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种外包活性材料桩体的预应力管桩及施工方法，特别涉及一种活性材料水化后约束成形、外包于预应力管桩的高强管桩，属于地基处理领域，适用于软土地区、欠固结土地区的地基处理工程，尤其适用于采用泥浆护壁引孔植桩施工桩基、存在地下水腐蚀混凝土等工况下的地基处理工程。
背景技术
软土一般呈软塑到流塑状态的细土粒，如淤泥和淤泥质土、泥炭土和沼泽土，以及其他高压缩性饱和黏性土、粉土等，其中淤泥和淤泥质土是软土的主要类型。软土地基处理就是对建筑物或设备的基础下的受力层进行提高其强度和稳定性的强化处理，以改善或加固地基的天然状态，使之符合工程要求的技术措施。
目前，在软土地区的地基处理时，往往考虑采用排水固结法、摩擦型桩法等处理方法。其中，排水固结法是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，然后利用上部荷载对场地进行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。摩擦型桩是主要依靠桩侧土的摩阻力支撑垂直荷载的地基加固方式，在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载完全由桩侧阻力承受，桩端阻力小到可忽略不计。
除了上述常见软土地基处理方法外，已有一种新型软土地基处理方法——土工布轻质活性材料桩处理软土地基的方法（CN102168420B），该技术利用活性材料的吸水性能，使土体固结，并且水化膨胀，在土工布袋的包裹下，桩体更加密实。相对传统排水固结法，在地基内植入活性材料桩体，可适当提高地基承载力。但是活性材料桩由于材料限制，自身承载力相较于钢筋混凝土桩体承载力，不能很好的满足一些大型建筑物地基承载力要求，具有一定的局限性。而且，由于外部仅包裹土工布袋（钢套管在布袋活性材料水化前已拔出），桩体膨胀后，土工布袋易破裂，抑或由于周边土质不均，最终导致活性材料桩体成桩不规则，使其传力性能有所减弱。
复合地基具有加固效果好、工期短、工后沉降小等优点，在软土地基加固工程中也被广泛应用。可用于复合地基加固的桩型较多，其中，管桩具有单方混凝土承载力高、侧摩阻力大及抗弯性能好等优点，已被越来越多的软土地基处理工程所选用。然而，管桩因其桩身相对较薄，在地下水具有腐蚀性的地质条件下，桩身混凝土被侵蚀后，桩基承载能力被明显削弱，无法满足设计要求。
另外，针对管桩腐蚀及桩侧摩阻力不足等问题，已有水泥土插芯桩和桩侧注浆静钻植桩等技术，以一种植入注浆组合桩（CN203213101U）为例，该技术采用前期引孔，提高预制管桩下桩速度，并成功解决了预制管桩下压产生挤土效应影响周边建筑物问题；通过桩侧注浆增大了桩体侧摩阻力和桩侧土体强度，不仅提高了桩基承载力，还利用水泥土包裹避免管桩直接接触外部环境，使管桩具有较好的耐久性。但是，由于地基深处土体的不均一性，通过人为控制注浆压力冲切桩周土体，形成的桩周水泥土与设计存在较大的偏差，且为了保证水泥土的充盈性，注浆量偏大，部分水泥浆液上泛溢出，以及前期引孔亦可能采用泥浆护壁，若不能有效引导疏通，易导致施工场地泥泞，甚至污染环境。
综上所述，现有研究成果在适宜的工程条件下对软土地基加固效果良好，如活性材料桩具有成桩速度快、释放空隙水压力效果好等优点，而预应力管桩强度高、质量易控制、施工工序简单等。但仍存一定不足，主要体现在单一活性材料桩体承载力低、薄壁管桩在腐蚀性工况下耐久性差、桩侧注浆形成水泥土形状不易控制等方面。鉴于此，基于当前工程的实际需要，目前亟待发明一种以预制管为主、活性材料外包保护管桩的新型桩体及施工方法，该桩型可对桩基承载力产生良性影响，且具有较好耐久性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桩体承载能力高、桩身耐久性能好、可吸收桩侧土体或泥浆内水分的外包活性材料桩体预应力管桩及施工方法。
为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：
一种外包活性材料桩体的预应力管桩，其特征在于预应力管桩全桩长外包土工布袋，桩底端设有预制扩大桩尖，土工布袋底部捆绑固定于预制扩大桩尖之上；土工布袋内设置环向加筋体，环向加筋体底部与预制扩大桩尖上连接筋固定连接；土工布袋外紧箍网格状环向约束体，预应力管桩与土工布袋之间填充有活性材料，活性材料吸水膨胀后被网格状环向约束体紧勒形成块状突起。
所述的土工布袋由反滤土工布缝合而成，整体呈圆筒状，直径为预应力管桩外径的1.10~1.25倍，且不小于预制扩大桩尖最大外径。土工布袋制作材料需具有反滤功能和较高的抗拉性能，
所述的环向加筋体采用钢筋或钢塑材料制成，也可采用其它自立性较好的硬质材料，设置于预应力管桩与土工布袋围合而成的空间内，与土工布距离保持在30~50mm之间。
所述网格状环向约束体应采用扁平状高强弹性材料，自身不具有耐腐性的需做适当的防腐处理，优选采用钢塑格栅制成，为圆筒状，直径与扩大桩尖最大外径相同，一圈可分为6~10个网格，网格竖向高度适于在500~1200mm之间。
活性材料由石灰、粉煤灰和矿渣按设计配比组合而成的散体材料，活性材料吸收桩侧水分，浆固成外包活性材料桩体，同时由于膨胀效应，扩充外包的土工布袋。
所述的块状突起最大外径大于预制扩大桩尖最大外径，利用散体材料水化膨胀挤压至桩侧土体内。
外包活性材料桩体预应力管桩的预制扩大桩尖，由扩大头和连接台组成，采用钢筋和混凝土整体浇筑而成，整体为封闭桩尖；扩大头最大处外径为预应力管桩的1.05~1.20倍，下部直径逐渐缩小；连接台为圆筒状，高度300~500mm，上表面预植连接筋，侧面设有嵌入槽，内部预留孔腔为管桩插入孔，其内可预留钢筋并灌注混凝土，提高管桩与预制扩大桩尖连接强度。
外包活性材料桩体预应力管桩的施工方法，主要包括以下步骤：
1）施工准备：根据设计要求制作所需预制扩大桩尖、环向加筋体和网格状环向约束体，缝合土工布袋，并场地清平，机械进场；
2）桩体组合：预应力管桩底端部连接预制扩大桩尖，并在管桩插入孔内部灌注混凝土加强连接；
3）附属连接：在预应力管桩外侧依次套接环向加筋体，环向加筋体与预制扩大桩尖上的连接筋焊接，土工布袋折叠后与网格状环向约束体绑扎固定于预制桩尖上的嵌入槽内；
4）钻挖成孔：利用机械形成植桩孔腔，进行泥浆护壁，必要时埋设护筒，孔腔直径根据预应力管桩外径而定，确保预制扩大桩尖下压可扩孔；
5）桩体下压：将组合后的桩体压入孔内中，下压时应保持桩身竖直向下，下压一定深度后，在孔口埋设护筒，防止孔口变形；
6）灌入活性材料：桩体逐段下压，同时逐步展开、提升土工布袋，并分次向土工布袋内灌入颗粒状活性材料；
7）初步成桩：待预应力管桩下压至设计底面标高，土工布袋同步提升至顶并灌注满活性材料，适当压实；
8）桩体膨胀：活性材料充分吸收桩侧土体或泥浆内水分后水化并膨胀，在土工布袋和网格状环向约束体约束下形成块状突起。
本发明具有以下的特点和有益效果：
（1）本发明具有引孔植入桩优点的同时，因其外包具有吸水性能的活性材料，吸收成孔时的护壁泥浆及桩侧土体内的水分，促使桩侧土体提供更大的承载力和侧摩阻力，并且可减少废弃泥浆量溢出量。
（2）本发明外包的活性材料水化膨胀后，可扩大活性材料桩体外径，而在外侧网格状环向约束体和土工布袋束缚下，其表面勒出块状突起并挤压入桩侧土体内，避免了传统引孔植入桩的预制桩尖扩孔效应导致的桩侧摩阻力损失。
（3）活性材料在约束体和土工布袋包裹下膨胀，形成的活性材料桩体更密实，具有较稳定的塑形效果，进一步提高了桩体的竖向、水平及抗震性能。
（4）本发明所述桩体成桩后，预应力管桩外包活性材料桩体和土工布袋，而在桩端设置了预制扩大桩尖，管桩主体不直接接触外部环境，提高了管桩的耐久性，在地下水对混凝土存在腐蚀性的工况下具有更强适用性。
总之，本发明兼具排水固结和复合加固地基的作用，相较于传统引孔植桩施工技术桩基承载能力损失小，充分利用了活性材料吸收桩侧水分后的水化膨胀效应，桩体形态稳定，不仅提高了桩体强度和桩侧摩阻力，而且减少泥浆污染，具有一定的环保效益。
附图说明
图1是本发明一种外包活性材料桩体预应力管桩的示意图；
图2是本发明所述预制扩大桩尖细部结构示意图；
图3是本发明一种外包活性材料桩体预应力管桩成桩前组合过程示意图；
图4是本发明一种外包活性材料桩体预应力管桩的施工流程示意图；
其中：1-预应力管桩；2-环向加筋体；3-活性材料桩体；4-土工布袋；5-网格状环向约束体；6-块状突起；7-预制扩大桩尖；8-钢绞线；9-连接筋；10-管桩插入孔；11-连接台；12-嵌入槽；13-扩大头；14-活性材料；15-桩侧土体。
具体实施例
本实施方式中土工布袋缝合、加筋体和约束体制作要求，预制扩大桩尖制作技术要求，预应力管桩预制和沉桩施工技术要求，活性材料配合比设计要求等不再累述，重点阐述本发明的实施方式。
图1是本发明一种外包活性材料桩体预应力管桩的示意图；图2是本发明所述预制扩大桩尖细部结构示意图；图3是本发明一种外包活性材料桩体预应力管桩成桩前组合过程示意图。参照图1~3所示，一种外包活性材料桩体预应力管桩主要包括：预应力管桩1、活性材料桩体3和预制扩大桩尖7。其中活性材料桩体由环向加筋体2、水化的活性材料14、土工布袋4、网格状环向约束体5以及块状突起6组成；而预制扩大桩尖包含连接筋9、管桩插入孔10、连接台11、嵌入槽12和扩大头13等几部分。
本实施例以外径600mm、壁厚110mm的预应力管桩作为主桩体。
环向加筋体2采用直径780mm，主筋直径12mm的钢筋笼。土工布袋4在无应力作用情况下，直径一般为活性材料桩体3设计外径的0.9~1.0倍，本实施例取1100mm，选择具有反滤效果的有纺土工布，该材料具有较好的反滤效果和耐腐蚀性能，在干湿状态下都能保持充分的强力和伸长。网格状环向约束体5直径950mm（周长约3000mm），采用钢塑格栅，该材料在低应变能力下产生极高的抗拉模量，且具有较高的耐腐蚀性能，根据本发明设计需要，格栅网格规格采用600mm×375mm，即一圈网格状环向约束体5可分为8格，活性材料14吸水膨胀后挤扩土工布袋4后从网格处向外扩张时不受较大阻力，保证了块状突起6的形成质量。活性材料桩体3不水化膨胀前外径与网格状环向约束体5直径相等，充分吸水膨胀后，根据设计一般可膨胀1.2倍左右，即在本实施例条件下，可使活性材料桩体直径达1100mm以上，保证其外包于预应力管桩1厚度不小于200mm。环向加筋体2、活性材料桩体3、土工布袋4、网格状环向约束体5等的长度与预应力管桩1常规规格基本相同，可略短。
根据预应力管桩1规格及上述各材料尺寸，预制扩大桩尖7为墩台式实心钢筋混凝土桩尖，预先制模浇筑而成，各部位尺寸如下：连接筋9植入深度不小于100mm，预留连接长度150mm左右，采用直径12mm以上螺纹钢筋；管桩插入孔10内径600mm，深度为200mm；连接台11内径为600mm，外径900mm，高度200mm，其外侧预留1~2圈向内凹陷20mm的嵌入槽12；扩大头13外径为1000mm段高度为500mm，下部200mm高度段外径逐步缩小至600mm。
本发明所述桩体施工方法如下：
预先制作施工需要的环向加筋体2、土工布袋4、网格状环向约束体5和预制扩大桩尖7，配比活性材料14，并将预应力管桩1运输至施工场地。
采用引孔装置（如旋挖钻孔机），在设计桩位处钻设600~800mm孔腔，为防止孔壁坍塌，可辅以泥浆护壁，钻孔深度略小于设计桩长。
将预应力管桩1与预制扩大桩尖7组合后，依次将环向加筋体2、土工布袋4和网格状环向约束体5通过焊接或钢绞线8绑扎固定在预制扩大桩尖7各连接位置处，其中土工布袋4前期折叠放置，袋口临时固定于网格状环向约束体5的横向格栅上。
桩体组合完成后，可采用振动沉桩设备，通过下压预应力管桩1，将整个桩体下压进入土体内，下压2000mm后，在孔口设置钢护筒，防止孔口变形，保证活性材料桩体14成形。下压至土工布袋4袋口高度时，暂停下压，将土工布袋4袋口向上提升1~2道网格状环向约束体5横向格栅处高度并临时固定，通过给料漏斗或高压泵向土工布袋4内灌入活性材料14。灌满后即可再次启动沉桩设备，通过机械振动，使活性材料14振动密实，再次下沉至土工布袋4袋口高度后，同样提升袋口，灌入活性材料14。以此类推，直至沉桩至设计底面标高，最后补料并压实。
最后，活性材料14持续吸收桩侧土体15内水分（桩体下压过程中，已吸收一部分土体或护壁泥浆内的水分），经充分水化后形成活性材料桩体2，外包于预应力管桩1，并由于水化膨胀效应和土工布袋4与约束体5的裹缚，形成块状突起6，挤压进入桩侧土体15内。通过上述施工方法实施本发明所述桩体，不仅提高了桩体竖向、水平及抗震性能及耐久性能，而且可加快土体固结、提高侧摩阻力，实现本发明目的。
图4是本发明外包活性材料桩体预应力管桩的施工流程示意图，如图4所示，其施工方法主要包括以下步骤：
1）施工准备：根据设计要求制作所需预制扩大桩尖7、环向加筋体2和网格状环向约束体5，缝合土工布袋4，并场地清平，机械进场；
2）桩体组合：预应力管桩1端部接上预制扩大桩尖7，在管桩外侧依此套接环向加筋体2、土工布袋4（折叠）和网格状环向约束体5，并分别固定于预制桩尖7上；
3）钻挖成孔：利用机械形成植桩孔腔，可进行泥浆护壁，必要时埋设护筒，孔腔直径根据预应力管桩1外径而定，确保预制扩大桩尖7下压可扩孔；
4）桩体下压：将组合后的桩体压入孔内中，下压时应保持桩身竖直向下；
5）灌入活性材料：桩体逐段下压，同时逐步展开、提升土工布袋4，并分次向土工布袋4内灌入颗粒状活性材料14；
6）初步成桩：待预应力管桩1下压至设计底面标高，土工布袋4同步提升置顶并灌注满活性材料14；
7）桩体膨胀：活性材料14充分吸收桩侧土体15或泥浆内水分后水化并膨胀，在土工布袋4和网格状环向约束体5约束下形成块状突起6。
Claims (6)
1.一种外包活性材料桩体的预应力管桩的施工方法，其特征在于，预应力管桩全桩长外包土工布袋，桩底端设有预制扩大桩尖，土工布袋底部捆绑固定于预制扩大桩尖之上；土工布袋内设置环向加筋体，环向加筋体底部与预制扩大桩尖上连接筋焊接；土工布袋外紧箍网格状环向约束体，预应力管桩与土工布袋之间填充有活性材料，活性材料吸水膨胀后被网格状环向约束体紧勒形成块状突起；所述预制扩大桩尖由扩大头和连接台组成，采用钢筋和混凝土整体浇筑而成，整体为封闭桩尖；扩大头最大处外径为预应力管桩的1.05~1.20倍，下部直径逐渐缩小；连接台为圆筒状，高度300~500mm，上表面预植连接筋，侧面设有嵌入槽，内部预留孔腔为预应力管桩插入孔；
所述施工方法主要包括以下步骤：
1）施工准备：根据设计要求制作所需预制扩大桩尖、环向加筋体和网格状环向约束体，缝合土工布袋，并场地清平，机械进场；
2）桩体组合：预应力管桩底端部连接预制扩大桩尖，并在预应力管桩插入孔内部灌注混凝土加强连接；
3）附属连接：在预应力管桩外侧依次套接环向加筋体，环向加筋体底部与预制扩大桩尖上的连接筋焊接，土工布袋折叠后与网格状环向约束体绑扎固定于预制扩大桩尖上的嵌入槽内；
4）钻挖成孔：利用机械形成植桩孔腔，进行泥浆护壁，孔腔直径根据预应力管桩外径而定，确保预制扩大桩尖下压可扩孔；
5）桩体下压：将组合后的桩体压入孔内中，下压时应保持桩身竖直向下，下压一定深度后，在孔口埋设护筒，防止孔口变形；
6）灌入活性材料：桩体逐段下压，同时逐步展开、提升土工布袋，并分次向土工布袋内灌入颗粒状活性材料；
7）初步成桩：待预应力管桩下压至设计底面标高，土工布袋同步提升至顶并灌注满活性材料，适当压实；
8）桩体膨胀：活性材料充分吸收桩侧土体或泥浆内水分后水化并膨胀，在土工布袋和网格状环向约束体约束下形成块状突起。
2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的土工布袋由反滤土工布缝合而成，整体呈圆筒状，直径为预应力管桩外径的1.10~1.25倍，且不小于预制扩大桩尖最大外径。
3.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的环向加筋体采用钢筋或钢塑材料制成，设置于预应力管桩与土工布袋围合而成的空间内。
4.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的网格状环向约束体采用扁平状钢塑格栅制成，为圆筒状，直径与扩大桩尖最大外径相同。
5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于所述的活性材料是由石灰、粉煤灰和矿渣按设计配比组合而成的散体材料，活性材料吸收桩侧水分，浆固成外包活性材料桩体。
6.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于所述的块状突起最大外径大于预制扩大桩尖最大外径，利用散体材料水化膨胀挤压至桩侧土体内。
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