CN105507227A - 一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，它适用于“各种复杂地质条件下的尤其在缺乏持力层或持力夹层”的深厚软弱地基加固，它先对待施工区域的地基条件进行分析，确定该区域的软弱土层的层组划分和各层物理力学性质；随后随后进行针对性的施工方案设计，然后在待施工区域打设由内层桩体、中层网筒和外层透水土工膜构成的加固桩，加固桩底端伸入到软弱地基中不少于10m，加固桩施工完毕后，在加固桩顶端浇筑桩帽，铺设复合垫层并进行路基填筑，最后进行上部结构层施工。本施工方法适合于解决各种复杂困难条件下尤其是严重缺乏持力层的深厚软土地基的加固难题，而且可使桩体根数更少，固结周期更短，施工进度更快，造价更低。

Description

一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法

技术领域

本发明涉及软土地基加固技术领域，具体地指一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法。

背景技术

目前，对软土地基进行加固包括对新建及改建客运货运铁路、市域铁路、城际铁路、高速铁路、对城市轨道交通等轨道交通、公路、高速公路、市政道路等公路交通以及对机场、港口码头、物流基地、电站、综合交通枢纽、地下深基坑工程、湿地景观改造等大型场地工程的软土地基进行加固。

传统的软土地基加固处理技术手段或功能相对单一，从途径和方式上大体可分为两大类：一类是排水固结方式，如袋装砂井、塑料排水板等被动排水固结方式及真空预压等主动排水固结方式，这类技术手段最终提高地基承载能力和控制沉降的能力都十分有限，只适合较浅层的、对复合地基承载能力要求不高的、尤其对沉降控制要求不高的软土地基加固；另一类是利用桩体加固手段，与桩间土体共同形成一种复合地基来提高地基综合承载能力和沉降控制能力，加固桩体大致可分为：⑴低强度的散体桩或粒料桩，如挤密碎石垫层、挤密碎石桩、灰(水泥)土挤密桩等；⑵中等强度和整体性较好的柔性桩，如水泥土搅拌桩、旋喷桩、CFG桩等；⑶强度和整体性更好的半刚性、刚性桩，如素混凝土桩、钢筋混凝土桩等，这类加固桩手段，见效快，但需要依赖附加应力影响深度范围内一层或多层较好天然地基持力层。还有，已知的非排水桩加固手段均存在一较为突出的弱点：桩间土体不能随时间推移继续得到改善，后期还会出现加固效果衰减的可能。

随着市场需求的不断增强，工程实践也日益丰富，相关工程领域的新技术新手段也日新月异，这些新技术手段大体呈三种趋势或归类，分别为单一式、组合式、复合式等三种型式，单一式即对既有的成熟的某一地基加固手段进行加强；组合式即采用两种或以上既有地基加固手段进行组合形成一种新型加固技术，又可分为上下组合、并列组合等两种；复合式即围绕某一种既有地基加固手段，借助某些辅助手段对其进行结构或性能上的改进复合，使之成为一种完全不同的新方法或新手段，又分为分层复合物理化学复合、增强复合等三种形式，其中复合式是复合地基技术创新的主流。

经统计，复合式桩技术中采用的主体形式有刚性桩、素混桩、透水混凝土桩、CFG桩、碎石桩、钻孔桩等6种；所采用的辅助形式或手段有散体桩、搅拌桩、旋喷桩、排水板、筏板等5种；芯材主要形式有劲芯(通常指钢混)、砼芯、碎石、轻混等4种；围护或侧限主要形式有土工袋、轮胎、PVC管等3种形式；桩体增强手段主要形式有注浆、插筋、电渗、高聚物、水平加筋等5种。

对于软土地基处理的问题无论是传统技术手段还是新型技术手段都是紧紧围绕以下几方面关键技术进行不断改进、发展和创新：

(1)如何能进一步提高复合地基综合承载能力和沉降控制能力：

对策措施：①对粒料桩来讲，需要增强桩体周边围护能力，有效控制桩体鼓胀变形，防止侧胀破坏，降低桩体应力消散，有效改善桩体受力状态、提升受力能力；②给桩体增设强大排水能力，加速桩间土体超孔隙水压力消散，提高软土体自身固结度，提升软土地基综合物理力学性能；

(2)如何在确保地基稳定性的前提下，提高填土允许高度、加快填土速度、有效缩短工期：

对策措施：通过增设加筋措施，使散体桩转化为整体性好的柔性桩，同时设法增强桩体抗剪能力，增强桩体排水能力，提高软土地基前期固结度，从根本上改善桩间土体性能，从而显著提升桩间土体竖向和侧向土拱效应；

(3)如何保持后期长久加固效果，甚至还能使工程性能长期得到持续性改善：

对策措施：加强桩体排水能力，并且使桩间软土能够得到长期持续的排水固结，从根本上改善软土地基工程性能；

(4)深厚软土地基大致可简化为三种模式：最好一种模式是在桩体能够确保发挥自身性能的深度范围内遇到足够稳定和厚度的良好桩端持力层；稍差一点的模式是在桩体能够确保发挥自身性能的深度范围内没有遇到足够稳定和厚度的良好桩端持力层，但存在多层强度和稳定性好的持力夹层；最差一种模式是在桩体在深度范围内即遇不到足够稳定和强度的良好桩端持力层，也遇不到多层甚至一层稳定且足够强度的透镜体持力层，桩体基本上以悬浮状态全部处在软弱地基层中。

对策措施：准确分析深厚软土地基的性质特征，找出并充分利用软土地基中的一切可利用的有利条件，选择使用能够很好利用这些条件的复合地基结构形式和加固方法。通常具有两种思路，一种是尽可能放大地基条件所能够产生的端承力或侧阻力，加粗桩体直径、提高桩体竖向承受或传递能力是最直接有效的途径；另一种是尽量减少甚至完全摆脱对地基中所遇到持力层的依赖，尽力提高对软弱土层排水固结能力，从而直接提高土体自身的承载能力、抗压缩能力。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，针对各种复杂地质条件下的尤其是缺乏良好持力层或持力夹层的深厚软土地基加固，提供一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法。

本发明的技术方案为：一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)对待施工区域的地基条件进行分析，确定该区域的软弱地基地层组合特征和各种物理力学参数条件。

2)在待施工区域打设加固桩，加固桩底端伸入到软弱土层中不少于10m，加固桩顶端伸出软弱土层至地表外,所述加固桩沿径向分三层布置，分别包括内层桩体、中层网筒和外层透水土工膜；所述网筒为改性聚乙烯材料或改性聚丙烯材料制成的网片围成；

3)加固桩施工完毕后，在加固桩顶端浇筑桩帽，随后铺设复合垫层，复合垫层包括碎石下垫层、钢塑土工格栅及碎石上垫层；

4)在复合垫层施工完毕后，按不同工程性质和技术要求，在复合垫层上方进行路基填筑；

5)待路基填筑完成后，进入沉降稳定期，在给定周期期内进行沉降观测和稳定性分析判断，待填筑层的沉降稳定观测分析结果满足结构层铺设条件后，进行上部结构层施工。

优选地，步骤2)中，所述网片包裹在所述桩体径向外壁，所述网片径向一侧边叠压在所述网片径向另一侧边上。

优选地，步骤2)中，所述网片包裹在所述桩体径向外壁，所述网片径向一侧边与径向另一侧边通过扎带拼接。

优选地，步骤2)中，所述网片沿轴向设置有多节段，相邻节段的网片通过扎带进行拼接。

进一步地，所述扎带包括扎条和锁口，所述扎条的一侧面设有多个并排设置的倒齿，所述锁口设置在所述扎条一端，所述锁口可在所述扎条上进行单向移动，并锁紧。

进一步地，步骤2)中，所述透水土工膜包设在所述网筒径向外壁，所述透水土工膜的接缝搭接宽度不小于5cm。

优选地，步骤2)中，所述内层桩体为粒料桩。

优选地，所述加固桩外径为0.8～1.5m，加固桩长度10～30m，加固桩按三角形或矩形布置，桩间距为2.5～5.0m。

进一步地，所述加固桩顶端的桩帽位于所述碎石下垫层底面，所述钢塑土工格栅位于所述碎石下垫层顶面和碎石上垫层底面之间，所述路基填筑在所述碎石上垫层顶面，所述路基截面呈等腰梯形。

本发明是一种针对“各种复杂地质条件下的尤其在缺乏持力层或持力夹层”的深厚软弱地基加固的施工工法，这种工法主要通过充分发挥新型加固桩体强大持久的排水固结作用，并辅以发挥更多的置换作用，与桩顶桩帽、垫层、特定地层组合一起形成一种新型复合加固地基，而构成群桩复合地基的单体——加固桩，是在传统粒料桩体外增设由中层网筒和外层透水土工膜组成的强力网筒结构层，可显著增强桩体的围护能力，并具有持久的排水固结能力。

本施工方法的创新理念是加大桩径使该新型结构桩所具有的排水固结能力、竖向传力能力和置换改良能力等各种综合性能得到大幅提高，对于各种复杂条件的深厚软土地基适应性更强，尤其在缺乏持力层或持力夹层的深厚软土地基中使用更具优势。本施工方法的最大价值在于能更有效地解决各种复杂困难条件下尤其是缺乏持力层的深厚软土地基的加固难题，可使桩体根数更少，固结周期更短，施工进度更快，造价更低。

附图说明

图1为本发明施工后的复合地基结构示意图；

图2为本发明中的加固桩结构示意图；

图3为本发明中扎带结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本专利是针对在“各种复杂条件下的尤其在缺乏持力层或持力夹层”的深厚软弱地基加固的，参考图1，该施工方法所形成的新型复合加固地基包括多个沿竖向插入软弱土层7中加固桩1，加固桩1顶端伸出软弱土层7至地面外，加固桩1顶部设置有桩帽8，桩帽8帽顶及周边铺设有复合垫层，路基5填筑在复合垫层顶面上。

该新型大直径复合结构桩加固地基的施工方法包括以下步骤：

1)对待施工区域的地基条件进行分析，确定该区域的软弱土层层组划分和各层物理力学性质；

先进行地质勘探，通过划分地层，取样试验获取容重、抗剪、抗压等重要物理力学参数，勘探深度建议不小于30m，且满足0.1附加应力和自重应力比要求；根据勘测数据，对20m深度范围内对各层土层进行物理力学参数进行稳定性、承载能力、沉降控制能力分析，以晰划分地层、获取各层的各种物理力学参数条件；

2)在待施工区域打设加固桩1：

在进行施工加固桩1前，先对符合上述条件的地层组合进行单桩极限承载力和复合地基承载力现场试验，并同步进行6～12个月的多组预压固结沉降对比试验，试验以一个加固单元(三角形布置时取3根，矩形布置时取4根)，初始试验桩径采用1.0m，初始试验桩长采用10m，初始试验桩间距采用为3.0m，预压荷载按设计附加应力的2倍考虑，观测预压固结沉降数据曲线，分析沉降稳定趋势，找出满足沉降控制要求的曲线拐点，对应的时间点即为工前最少固结沉降时间，通过几组桩长和桩间距不同的对比试验，比选确定在允许的施工期内能够满足结构层铺设条件的加固桩1长度和最终桩间距等的设计参数；

根据试桩方案对比检测效果，比选确定最终加固实施方案中的桩径、桩长及桩间距，之后开始对加固桩1进行施工；加固桩1底部伸入软弱土层7，若软弱土层7中具有稳定持力层，加固桩1底部最好插入到该稳定持力层中；若软弱土层7中缺乏持力层甚至持力夹层，则允许加固桩1处于一种“悬浮”状态，加固桩1顶端伸出软弱地基7至地表外；

该加固桩1使用方法设计方案中的桩径、桩长、桩间距与上述试桩试验相同。具体为：加固桩1外径为0.8～1.5m，其长度10～30m，按三角形或矩形布置，桩间距为2.5～5.0m，疏密的程度取决于加固桩1的排水固结作用、置换作用发挥后所能提供给复合地基的承载能力和沉降控制能力。

本实施例的加固桩1沿径向分三层布置，分别包括内层桩体11、中层网筒12和外层透水土工膜13；网筒12为改性聚乙烯材料或改性聚丙烯材料制成的网片围成(参考图2)；

加固桩施工完成后，分段抽取1～3个加固单元首先进行预压固结沉降试验效果检测，满足沉降控制要求之后，再进行复合地基承载力试验效果检测，1个加固单元分别指由3根或4根桩组成的三角形或矩形等基本布桩单元，上述试验效果检测的荷载最大值按2倍设计荷载考虑；

3)加固桩施工完毕后，在加固桩1顶端浇筑桩帽8，可以使加固桩1所能够提供的集中应力均匀分布，随后铺设复合垫层，复合垫层包括碎石下垫层2、钢塑土工格栅3及碎石上垫层4，复合垫层对应厚度参考值“30cm+1层+30cm”；

4)在复合垫层施工完毕后，按场坪、市政道路、公路、铁路等不同工程性质和技术要求，在复合垫层上方进行路基5填筑，不同工程有不同的填筑技术标准和质量验收标准，具体按相关规范规程执行；

5)路基5填筑完成后，需给出一段沉降稳定期，在给定周期期内进行沉降观测和稳定性分析判断，待填筑层的沉降稳定观测分析结果满足结构层铺设条件后，进行上部结构层施工。

本实施例中，加固桩1的内层桩体11为粒料桩，其粒料提倡采用强度较好的建筑废料垃圾——混凝土块，混凝土块采用碎石机械破碎制成，筛除细粒成份，形成粒径级配良好的人工碎石料。这样可充分利用建筑弃渣或建筑垃圾，实现废物的循环利用，是一种切合可持续发展的经济模式。

而加固桩1的中层网筒12为一层厚度为2～4cm的改性聚乙烯材料或改性聚丙烯丝条粘结而成的强力网片材料制成，网片包裹在桩体径向外壁的方式有两种，一种为：网片径向一侧边设置在网片径向另一侧边之上，即网片的拼接面局部重叠，重叠宽度不小于5cm；另一种方式为：网片径向一侧面与径向另一侧面通过扎带6拼接，参考图3，该扎带6包括扎条61和锁口62，扎条61的一侧面设有多个并排设置的倒齿，锁口62设置在扎条61一端上并可沿扎条61进行单向移动，网片的拼接面拼接时，不带锁扣62的扎条61一端依次穿过网片的两个拼接面，随后扎条61穿进位于扎条61另一端的锁口62，拉紧扎条61，使扎条61单向锁紧，即可完成网片的两个拼接面的相互拼接。当网片沿长度方向不足时，可沿轴向设置有多节段网片，相邻节段的网片通过扎带进行拼接，以和桩体长度相匹配。采用节段式网片可沿在厂家进行预制呈网筒结构，现场采用扎带拼接，且此种拼接式网筒具有更好的竖向抗拔和横向抗剪能力。

位于加固桩1最外层的透水土工膜13包设在网筒12径向外壁，透水土工膜13的接缝搭接宽度不小于5cm，该透水土工膜13具有抗拉、抗刺破性能好的特点，能为桩体11提供良好的围压；且外层透水土工膜13还具有良好的透水阻泥功能，其孔隙大小可根据黏粒粒径级数选择，这就确保了复合网筒结构的强大排水能力更加持久。

本专利是针对“各种复杂条件下的尤其在缺乏良好持力层或持力夹层”的深厚软土地基的一种创新加固方法，并侧重以下主要技术问题的解决：

首先，复合地基承载能力不足问题：这一问题是由加固桩体承载能力不足和桩间土承载能力不足等两方面引起，其中提高加固桩体的承载能力是解决这一问题的关键，传统碎石桩、砂石桩等粒料桩其复合地基承载能力偏弱是由于桩体缺乏有效侧向围压或约束，在竖向集中荷载通过桩体向深层传递时，会产生“侧胀变形”而使桩体破坏，进而应力消散，本专利桩体结构形式采用一种强力网筒对粒料等桩体增设围护措施，来提供有力侧向约束，从而使其承载能力显著提高；

其次，复合地基沉降控制能力不强问题：这一问题同样是由加固桩体自身压缩变形过大和桩间土、桩端土固结度不高抗压缩能力不足等两方面引起，而传统粒料桩体采用的是散体材料，较之整体性好的柔性桩、半刚性桩甚至刚性桩等其抗压缩变形能力尤显不足，在对桩体增设强力网筒结构后能使“侧胀变形”现象得到显著改善，抗压缩变形能力得到显著提高，另外一方面的措施是在给加固桩体增设强力围护措施的同时也增设了功能强大的排水结构，使桩体同时具备了强大而持久的排水固结作用，能显著提高桩间及桩底土层的固结程度和抗压缩变形能力，这样就能从上述两个方面实现复合地基沉降控制能力的大幅提高；

再次，复合地基稳定性差问题：这取决于桩体的抗滑移能力，即桩体抗剪切能力，而在粒料桩等散体桩增设加筋措施可实现这种效果，本专利桩体外表增设了一种改性聚乙烯或改性聚丙烯材料形成的网筒结构，这种材料的显著优势就是抗剪能力强；

另外，沉降稳定周期过长，施工进度过慢问题：这取决于在附加应力施加后沉降收敛速度，分两种状况，一是取决于加固桩自身抗压变形能力和填筑土的压密程度；二是取决于加固桩是否具有排水固结能力和持续作用能力；本专利对于排水固结能力不强的碎石桩等粒料桩增设了强力排水固结措施，是通过中层网筒12和外层透水土工膜13形成的极其通畅的排水通道和长久保持能力实现的，其在200～250KPa(20～25T/m2)的常规径向或竖向压力下，断面空隙率仍保持在60％左右，而实际应用的应力环境中远低于上述压力，其断面空隙率更高，排水固结能力更强；而且，在桩体外围增设中层网筒12和外层透水土工膜13后，其表面积更大，通道孔隙更大，因此综合透排水能力更强，由于其抗变形能力更强，因此这种强大排水能力更加持久，是现有碎石桩等粒料桩所不具备的，也是水泥土搅拌桩、旋喷桩、CFG桩、素混凝土、钢筋混凝土桩等传统加固技术以及布袋(注浆)桩、土工(膜)袋装桩等新型加固技术所不具备的独特功能，即使与袋装砂井和塑料排水板等专门传统排水手段相比，其排水能力也更加突出，从而能快速发挥且长久保持桩间土体的排水固结作用，既能发挥直接置换作用、快速固结作用，加快施工进度，又能在工后长期持续保持固结作用，提高复合地基加固效果；

还有其它方面：复合地基加固桩与桩间土的共同受力效果、复合地基结构及其加固效果的耐久性等也都是提高加固效果的重要影响因素，本复合地基桩体结构的突出凹凸粗糙表面特征更有利于桩、土共同受力，桩体所采用的透水土工膜、网片的高强抗老化能力确保了复合地基结构和加固效果的耐久性，其外表面透水土工膜的有效阻泥功能保证了排水固结作用的长久持续性。

本发明是针对“各种复杂条件下的尤其在缺乏良好持力层或持力夹层”的深厚软土地基加固的施工工法，通过充分发挥新型加固桩体强大持久的排水固结作用，并同时发挥更多的置换作用，形成一种足够强度和稳定性复合地基来解决这一类深厚软土地基的加固难题，这种工法在加大了新型复合结构桩桩径之后，使上述各个方面的问题得以更好地有效解决，是一种地基加固工法的创新，可称之为“新型大直径复合结构桩地基加固施工方法”。

本实施例的加固桩1顶端的桩帽8伸入到碎石下垫层2底面，钢塑土工格栅3位于碎石下垫层2顶面和碎石上垫层4底面之间，路基5填筑在碎石上垫层4顶面，路基5截面呈等腰梯形。钢塑土工格栅3和网筒结构都具有很好的抗剪、抗拉性能，可形成一个完整的三维抗剪体系，并与桩间土一起形成立体土拱效应。

本施工方法的创新理念是“加大桩径来强化该新型结构桩所具有的排水固结能力、竖向传力能力和置换改良能力等各方面的综合性能，去解决各种复杂困难条件下尤其在缺乏持力层或持力夹层的深厚软土地基的加固难题”。

本施工方法的最大价值在于“通过进一步的加大桩径来大幅提高该新型复合结构桩的各种性能，来更有效地解决各种复杂困难条件下尤其是严重缺乏持力层的深厚软土地基的加固难题”，可使桩体根数更少，固结周期更短，施工进度更快，造价更低。

以上所述，仅是本发明的较佳实施案例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)对待施工区域的地基条件进行分析，确定对该区域的深厚软弱土地基的层组划分和各层物理力学性质；

2)在待施工区域打设加固桩(1)，加固桩(1)底端伸入到软弱土层中，加固桩(1)顶端伸出软弱土层(7)，所述加固桩(1)沿径向分三层布置，分别包括内层桩体(11)、中层网筒(12)和外层透水土工膜(13)；所述网筒(12)为改性聚乙烯材料或改性聚丙烯材料制成的网片围成；

3)加固桩施工完毕后，在加固桩(1)顶端浇筑桩帽(8)，随后铺设复合垫层，复合垫层包括碎石下垫层(2)、钢塑土工格栅(3)及碎石上垫层(4)；

4)在复合垫层施工完毕后，按不同工程性质和技术要求，在复合垫层上方进行路基(5)填筑；

5)路基(5)进入沉降稳定期，在给定周期期内进行沉降观测和稳定性分析判断，待填筑层的沉降稳定观测分析结果满足结构层铺设条件后，进行上部结构层施工。

2.根据权利要求1所述的一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于：步骤2)中，所述网片包裹在所述桩体(11)径向外壁，所述网片径向一侧边叠压在所述网片径向另一侧边上。

3.根据权利要求1所述的一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于：步骤2)中，所述网片包裹在所述桩体(11)径向外壁，所述网片径向一侧边与径向另一侧边通过扎带(6)拼接。

4.根据权利要求1所述的一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于：步骤2)中，所述透水土工膜(13)包设在所述网筒(12)径向外壁，所述透水土工膜(13)的接缝搭接宽度不小于5cm。

5.根据权利要求1所述的一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于：步骤2)中，所述加固桩的的另一种结构形式中，所述网片沿轴向设置有多节段，相邻节段的网片通过扎带(6)进行拼接。

6.根据权利要求3或4所述的一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于：所述扎带(6)包括扎条(61)和锁口(62)，所述扎条(61)的一侧面设有多个并排设置的倒齿，所述锁口(62)设置在所述扎条(61)一端，所述锁口(62)可在所述扎条(61)上进行单向移动，并锁紧。

7.根据权利要求1所述的一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于：步骤2)中，所述桩体(11)为粒料桩。

8.根据权利要求1所述的一种新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于：所述加固桩外径为0.8～1.5m，加固桩长度10～30m，加固桩按三角形或矩形布置，桩间距为2.5～5.0m。

9.根据权利要求1所述的一种新新型大直径复合结构桩加固地基施工方法，其特征在于：所述加固桩(1)顶端伸入到所述碎石下垫层(2)底面，所述钢塑土工格栅(3)位于所述碎石下垫层(2)顶面和碎石上垫层(4)底面之间，所述路基(5)填筑在所述碎石上垫层(4)顶面，所述路基(5)截面呈等腰梯形。