CN104234045B - 一种振动沉管干料灌注异形布袋桩的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动沉管干料灌注异形布袋桩及施工方法，具有反拱曲面的干料浆固桩身，如X形、Y形或十字形，在桩顶设置同形状或圆形的盖板，干料浆固桩外侧设土工布袋，土工布袋底部与桩身形状相同的预制桩尖连接，土工布袋内均匀间隔设置若干与桩身同形状的钢筋骨架，钢筋骨架用几根钢丝绳串联在一起，在桩身外侧设置用于排水的与桩身同形状砂层，砂层外侧沿径向均匀设置若干砂墙翼板。本发明采用异形截面具有更大侧摩阻力的同时，可加速干料的吸水固结，有效避免了干料桩芯固结不充分；同时外设的砂层可避免泥土颗粒进入干料，影响干料的浆固强度，同时砂层可一直发挥排水作用，加速桩间土固结的效果，具有较好的技术经济效益。

Description

一种振动沉管干料灌注异形布袋桩的施工方法

技术领域

本发明涉及一种振动沉管干料灌注异形布袋桩及施工方法，属于地基工程领域，适用于地基承载力不足的软土地区、欠固结土地区的地基处理工程，尤其在软土层较厚的桥头、涵洞、通道等对沉降要求较高的道路工程地基处理中具有较大的优势。

背景技术

我国软土地基种类繁多、分布广泛，普遍具有含水率高、压缩性大、强度低、透水性差等特点。建造在软土地基上的建筑物常出现总沉降量过大、差异沉降明显、后期沉降量超标、承载能力不足等工程问题，影响建筑物的正常使用性能和安全性能。为了适应不同的软基处理要求，软基处理新型桩技术层出不穷。

目前，对于软土地基的处理，往往考虑排水固结法和复合地基法；复合地基加固方法起源于20世纪60年代，由于能显著改善地基的承载力，减小地基沉降，并有效抑制地基土体侧向变形这一特点而成为一种比较理想的软土地基处理方式，在世界范围内都得到广泛应用。而排水固结法是先在地基中设置竖向排水通道(砂井或塑料排水板)，然后利用上部荷载对场地进行堆载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，土体强度提高。

近年来异形桩如X、Y形桩在软土地基工程中被逐渐推广，与传统的圆桩和方桩相比具有向里凹的反拱曲面，具有较大的比表面积。如中国专利(CN2510540Y)公开了一种Y形砼灌注桩，其表面积是同截面面积的圆形桩1.35～2倍，意味着可减少1/4～1/2的桩长，节省了材料，并且增加了侧摩阻力，提高了桩身的承载能力。而异形桩常采用沉管灌注的施工工艺，施工速度快、成本低、对周围环境污染小，在实际工程中应用中取得了较高的经济效益和社会效益。

虽然Y形桩具有良好的力学性能但是在软土深厚覆盖区单纯使用反拱曲面桩进行地基处理，并没有进行排水的工序，所以仍可能会产生较大的沉降。对于对沉降要求较高的公路桥头、涵洞、通道等地方或许难以满足设计要求。

鉴于此，目前亟需对异形桩进行创新，使之既有反拱曲面桩有效改善桩体受力性能，具有较高的承载力而且并能节省材料，提高材料利用效率的特点，又能具有加速排水固结功能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种兼顾排水固结法与复合地基法两者之长，能有效提高承载力不足的软土地基、欠固结地区的地基承载能力的振动沉管干料灌注异形布袋桩及施工方法。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

一种振动沉管干料灌注异形布袋桩，具有反拱曲面的干料浆固桩桩身，在桩顶设置同形状或圆形的盖板，干料浆固桩外侧设土工布袋，土工布袋底部与桩身形状相同的混凝土预制桩尖连接，土工布袋内均匀间隔设置若干与桩身同形状的异形钢筋骨架，异形钢筋骨架用钢丝绳串联在一起，在桩身外侧设置用于排水的与桩身同形状砂层，砂层外侧沿径向均匀设置若干砂墙翼板。

作为优选：所述振动沉管干料灌注异形布袋桩的干料固浆桩桩身截面可以是具有反拱曲面的Y形、X形或十字形。

作为优选：异形钢筋骨架之间通过3～4根钢丝绳串联。

作为优选：所述钢丝绳具有柔性，异形钢筋骨架可以叠放在一起，拉紧钢丝绳时，异形钢筋骨架张开。

这种振动沉管干料灌注异形布袋桩的固浆桩干料：由粉煤灰、石灰、硫酸盐水泥、石膏按设计配合比石灰1份，石膏0.05～0.5份，粉煤灰1～2份，硫酸盐水泥1～2份均匀搅拌混合组成。

这种振动沉管干料灌注异形布袋桩的混凝土预制桩尖，截面形状和外截面尺寸与砂层相同，在反拱曲面的中点处设置长条形砂墙翼板封闭端，桩端顶部设置内沉管凹槽与外沉管凹槽及与干料浆固桩连接的桩尖连接钢筋。

作为优选：所述混凝土预制桩尖为尖头桩尖或平头桩尖。

这种振动沉管干料灌注异形布袋桩的施工钢沉管：由内沉管和外沉管组成双层异形钢沉管，所述内沉管为异形钢沉管，截面形状与干料浆固桩截面形状一致；所述外沉管为带砂墙翼板砂层钢沉管，外形大致与内沉管一致，尺寸大于内沉管，并且增设了三个为了形成砂墙翼板的长条形空腔。

一种振动沉管干料灌注异形布袋桩的施工方法，包括以下施工步骤：

1)施工准备：施工场地清理完成后，先将异形钢筋骨架均匀间隔固定在土工布袋内侧，钢骨架用3～4根钢丝绳串联在一起，钢丝绳长度长于土工布袋；再将土工布袋与混凝土预制桩尖连接；

2)双层异形沉管打设：将双层异形沉管底部卡入混凝土预制桩尖顶面的外沉管凹槽和内沉管凹槽而连接并固定，便将土工布袋置于内沉管内侧，随后将双层异形沉管连同混凝土预制桩尖一起，竖直、均匀打至设计桩底标高；

3)桩体干料与砂料填充：当沉管打到设计位置后通过拉绳将异形钢筋骨架及土工布袋拉直，根据试桩的充盈系数及管内干料及砂量，计算填料量，然后用给料漏斗分别向内沉管和外沉管内填充干料和中粗砂；

4)桩体成型：采用轻振拔管方式上拔，沉管拔管前先停留振动30s之后再开始拔管，拔管速度1.5～2m/min，根据试桩充盈系数及管内干料及砂量，需要时进行空中加料；

5)桩顶打设注水管进行注水：在轻振拔管施工步骤完成后，立即在干料浆固桩顶部中心进行注水管打设；根据场地的具体地质条件情况确定注水管的打设深度，之后通过注水管进行注水；

6)盖板施工：桩施工完成后立即进行盖板的施工，对盖板进行适宜的配筋，根据需要还可以另外在桩顶设置连接钢筋；如果盖板采用混凝土材料需要在砂层及砂墙翼板顶部设置防渗层。

本发明的有益效果是：

(1)桩身采用Y形、X形或者十字形，较传统的圆桩和方桩具有更大的比表面积，有效扩大了桩身的侧摩阻力，增加了桩体的承载能力，同时还能加速干料的吸水固结，避免了干料浆固桩桩芯固结不充分。

(2)集排水固结法与复合地基法两者之长，可吸收地基中的水分发生硬化反应，形成有一定强度的干料浆固桩体，干料浆固桩固结硬化的过程中不断的从地基中吸水，可加速土体固结。

(3)干料浆固桩外部设置的与干料浆固桩同形的砂层和沿砂层径向分部的砂墙翼板，可一直发挥排水作用，且扩大了排水范围，实现了地基土的排水固结，降低了土体的后期沉降变形量。

(4)在干料浆固桩外部设置了土工布袋，对干料浆固桩体起到约束作用，辅助干料的挤密，增强桩体强度，同时土工布袋配合外侧砂层避免土体中的泥土颗粒进入干料中影响干料吸水固化的强度。

(5)土工布袋内侧均匀等间隔缝合上与桩体同形状的异形钢筋骨架，钢骨架之间通过3-4根钢丝绳串联，异形钢筋骨架起到对于干料浆固桩配筋的作用，增大了桩身强度，解决了异形桩身不易配筋的问题。

(6)采用沉管灌注的工艺，施工工艺简单，将本发明应用到软基的处理工程中，无需进行堆载预压排水，节约了工期，降低了施工组织的难度和工程造价。

(7)桩身采用的干料为粉煤灰、石灰、硫酸盐水泥、石膏等按设计配合比混合而成的活性材料，吸水固化而成，材料来源广，节约成本。

附图说明

图1是本发明振动沉管干料灌注异形布袋桩的立体图(无盖板)

图2是本发明振动沉管干料灌注异形布袋桩的立体图(异形盖板)；

图3是本发明振动沉管干料灌注异形布袋桩的立体图(圆形盖板)；

图4是图2沿A-A线局部剖开的振动沉管干料灌注异形布袋桩立体示意图；

图5是振动沉管干料灌注异形布袋桩沿钢骨架截断的横断面图；

图6是尖头混凝土预制桩尖立体图；

图7是平底混凝土预制桩尖立体图；

图8是异形钢筋骨架结构立体示意图；

图9是双层钢沉管立体图；

图10是振动沉管干料灌注异形布袋桩施工流程图；

附图标记说明：盖板1、干料浆固桩2、砂层3、砂墙翼板4、土工布袋5、异形钢筋骨架6、钢丝绳7、混凝土预制桩尖8、桩尖连接钢筋9、外沉管凹槽10、内沉管凹槽11、砂墙翼板封闭端12、双层异形沉管13、外沉管14、内沉管15。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。

沉管的焊接技术要求、沉管打设及提升技术要求、盖板配筋设计参数及施工要求等本实施方案中不再累述，具体阐述本发明涉及结构的实施方式。

本实施例的振动沉管干料灌注异形布袋桩，具有反拱曲面的干料浆固桩身，如X形、Y形或十字形，在桩顶设置同形状或圆形的盖板1，干料浆固桩2外侧设土工布袋5，土工布袋5底部与桩身形状相同的混凝土预制桩尖8连接，土工布袋5内均匀间隔设置若干与桩身同形状的异形钢筋骨架6，异形钢筋骨架6用钢丝绳7串联在一起，在桩身外侧设置用于排水的与桩身同形状砂层3，砂层3外侧沿径向设置若干砂墙翼板4。

利用施工专用异形双层沉管，使干料浆固桩2桩体为具有反拱曲面的异形桩身，与传统的圆形桩、方形桩相比具有更大的比表面积，不仅具有更大的侧摩阻力加强了桩身的承载力还加强了桩体的吸水能力；同时具有被反拱曲面的异形干料浆固桩2桩身表面距中心的距离较圆形和方形较近，有效避免了圆形或方形干料桩芯体部分固结不充分，影响吸水浆固的强度。

将粉煤灰加入其它胶凝材料(石灰、水泥)，拌合均匀，形成活性材料，这些活性材料会吸收地基里的水水使石灰水化形成氢氧化钙，继而使粉状活性材料发生水化反应，直至固结硬化。同时在活性材料的外侧设置土工布袋5，可约束、挤密活性材料吸水硬化形成的桩体。

在土工布袋5内侧均匀等间隔缝合上与桩体同形状的异形钢筋骨架6，钢骨架之间通过3-4根钢丝绳7串联，异形钢筋骨架6起到对干料浆固桩2配筋的作用，增强桩体强度。

在干料浆固硬化形成的桩体外设置与桩身同形状的砂层和沿砂层径向分布的砂墙翼板(砂翼墙外侧伸出盖板的外边缘)，异形的砂层设计增强了其排水能力，而砂墙翼板则扩大了结构的排水范围，同时砂层不但可以发挥排水固结的作用，同时还可以配合土工布袋5起到阻挡泥土颗粒进入干料的作用，避免影响干料固结硬化的强度。

进一步，采用的桩尖即可以是平底桩尖也可以采用尖头桩尖。桩尖的制作需要预制场严格按照设计要求进行集中制作。进行脱模工序时，尖头桩尖需要翻转使尖头向上脱模养护，平底桩尖不需要翻转。施工时，根据具体的场地条件和施工要求选择尖头桩尖或者平头桩尖。所述混凝土预制桩尖8的截面形状和外截面尺寸与砂层3相同，桩端顶部设置两道沉管凹槽：外沉管凹槽10和内沉管凹槽11，凹槽的外形尺寸与双层钢沉管的内、外沉管完全一致；混凝土预制桩尖8上部还设置与干料浆固桩2连接的桩尖连接钢筋9。

本发明还提供了一种专用于上述干料灌注异形布袋桩的沉管，其特征在于，施工采用的钢沉管为双层异形钢沉管13，内沉管15为异形钢沉管，截面形状与干料浆固桩截面形状一致；外沉管14为带砂墙翼板砂层钢沉管，外形大致与内沉管15一致，尺寸大于内沉管15，并且增设了3个为了形成砂墙翼板4的长条形空腔。

图1～5是本发明振动沉管干料灌注异形布袋桩结构示意图。参照图1～5所示，振动沉管干料灌注异形布袋桩主要包括混凝土预制桩尖8，异形干料浆固桩2、桩身外包异形土工布袋5、桩身外设砂层3和砂墙翼板4、与桩身同形状异形或圆形盖板1组成。

如图9所示，双层异形钢沉管13的内沉管15，壁厚为12mm，截面形状为Y形，其外接圆直径为400mm；外沉管截面形状为Y形的基础上在反拱曲面中点设置为了形成砂墙翼板的长条形矩形空腔，Y形外接圆直径为500mm，矩形空腔的长度为500mm，宽度为50mm，钢板的强度等级均为Q345，板厚均为12mm。

如图6、7所示，混凝土预制桩尖8外形与外沉管14外形一致，反拱曲面中点处设置砂墙翼板封闭端12，其Y形部分外包圆直径为550mm，砂墙桩尖部分厚度为70mm，宽度为550mm；桩尖水泥采用42.5^#普通硅酸盐水泥，混凝土强度等级为C30，混凝土预制桩尖8上部设置外沉管凹槽10和内沉管凹槽11，外形尺寸与内、外沉管一致，凹槽深度为20mm，为了桩尖与桩身有效连接桩尖上部预设了连接钢筋，钢筋直径为10mm，伸出桩尖表面400mm。

振动沉管干料灌注异形布袋桩的采用的干料为粉煤灰、石灰、硫酸盐水泥、石膏等按设计配合比混合而成。粉煤灰的技术指标应满足Ⅲ级指标但须控制其含水量≤1％，工业矿渣的最大颗粒直径不大于3cm；生石灰应达到建筑生石灰合格品的技术指标，氧化钙含量要达到97％以上，生过烧率小于10％；采用的砂层和砂墙翼板的砂料采用天然级配的中砂，含泥量小于3％。

采用的土工布袋5材料采用无纺土工布，其技术指标单位面积质量≥200g/m²，撕破强力≥100N。

如图10所示，振动沉管干料灌注异形布袋桩的主要施工过程如下：

1)施工准备：施工场地清理完成后，先将异形钢筋骨架6均匀间隔固定在土工布袋5内侧，钢骨架6用3-4根钢丝绳7串联在一起，钢丝绳7长度长于土工布袋5；采用胶粘或者绑扎方式将土工布袋5与混凝土预制桩尖8连接。

2)双层异形沉管打设：将双层异形沉管13底部卡入混凝土预制桩尖8顶面的外沉管凹槽10和内沉管凹槽11而连接并固定，便将土工布袋5置于内沉管15内侧，随后将双层异形沉管13连同混凝土预制桩尖8一起，之后开始沉管的打设施工，先将桩管振动穿透表沉硬土后改为静压沉管，静压沉管开始时应缓慢加压，使之稳固后方可加荷，沉管应保持均速稳定，在桩架抬起后再振动沉管至设计高程，打设过程保持桩架垂直，同时沉管下压速度保持在0.6～1.2m/min；

3)桩体干料与砂料填充：当沉管打到设计位置后通过拉绳将异形钢筋骨架6及土工布袋5拉直，根据试桩的充盈系数及管内干料及砂量，计算填料量，然后用给料漏斗分别向内沉管15和外沉管14内填充干料和中粗砂；

4)桩体成型：采用轻振拔管方式上拔，沉管拔管前先停留振动30s之后再开始拔管，拔管速度1.5～2m/min，根据试桩充盈系数及管内干料及砂量，需要时进行空中加料；

5)桩顶打设注水管进行注水：在轻振拔管施工步骤完成后，立即在干料浆固桩2顶部中心进行注水管打设。根据场地的具体地质条件情况确定注水管的打设深度，之后通过注水管进行注水。

6)盖板施工：桩施工完成后立即进行盖板1的施工，对盖板1进行适宜的配筋，根据需要还可以另外在桩顶设置连接钢筋。如果盖板1采用混凝土材料需要在砂层3及砂墙翼板4顶部设置防渗层。

为保证适宜充盈及避免过度充盈，和不过度的扰动土体，沉管下压和上拔的过程中遵循“静压辅助振动贯入、轻振拔出”的原则。采取先将桩管振动穿透表沉硬土后改为静压沉管，静压沉管开始时应缓慢加压，使之稳固后方可加荷，沉管应保持均速稳定，在桩架抬起后再振动沉管至设计高程。

Claims (1)

1.一种振动沉管干料灌注异形布袋桩的施工方法，其特征在于，具有反拱曲面的干料浆固桩(2)桩身，在桩顶设置同形状或圆形的盖板(1)，干料浆固桩(2)外侧设土工布袋(5)，土工布袋(5)底部与桩身形状相同的混凝土预制桩尖(8)连接，土工布袋(5)内均匀间隔设置若干与桩身同形状的异形钢筋骨架(6)，异形钢筋骨架(6)用钢丝绳(7)串联在一起，在桩身外侧设置用于排水的与桩身同形状砂层(3)，砂层(3)外侧沿径向均匀设置若干砂墙翼板(4)；包括以下施工步骤：

1)施工准备：施工场地清理完成后，先将异形钢筋骨架(6)均匀间隔固定在土工布袋(5)内侧，异形钢筋骨架((6)用3～4根钢丝绳(7)串联在一起，钢丝绳(7)长度长于土工布袋(5)；再将土工布袋(5)与混凝土预制桩尖(8)连接；

2)双层异形沉管打设：将双层异形沉管(13)底部卡入混凝土预制桩尖(8)顶面的外沉管凹槽(10)和内沉管凹槽(11)而连接并固定，便将土工布袋(5)置于内沉管(15)内侧，随后将双层异形沉管(13)连同混凝土预制桩尖(8)一起，竖直、均匀打至设计桩底标高；

3)桩体干料与砂料填充：当沉管打到设计位置后通过拉绳将异形钢筋骨架(6)及土工布袋(5)拉直，根据试桩的充盈系数及管内干料及砂量，计算填料量，然后用给料漏斗分别向内沉管(15)和外沉管(14)内填充干料和中粗砂；

4)桩体成型：采用轻振拔管方式上拔，沉管拔管前先停留振动30s之后再开始拔管，拔管速度1.5～2m/min，根据试桩充盈系数及管内干料及砂量，需要时进行空中加料；

5)桩顶打设注水管进行注水：在轻振拔管施工步骤完成后，立即在干料浆固桩(2)顶部中心进行注水管打设；根据场地的具体地质条件情况确定注水管的打设深度，之后通过注水管进行注水；

6)盖板施工：桩施工完成后立即进行盖板(1)的施工，对盖板(1)进行适宜的配筋，根据需要在桩顶设置连接钢筋；如果盖板(1)采用混凝土材料需要在砂层(3)及砂墙翼板(4)顶部设置防渗层。