CN107587513A - 一种基坑支护桩的成桩缺陷处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基坑支护桩成桩缺陷的处理方法。所述基坑支护桩成桩缺陷的处理方法，是以待处理缺陷桩为中心，在缺陷桩的迎土面施工呈抛物线分布的拱形高压旋喷桩群，拱形高压旋喷桩群的两拱脚分别位于与缺陷桩相邻的两根支护桩上，并与两根支护桩在迎土面相接，其拱形高压旋喷桩群中相邻两根高压旋喷桩相互咬合；所述拱形高压旋喷桩群的起拱高度为拱跨长度的8％～10％。本发明能够有效的解决支护桩窜孔、断桩、漏桩等问题带来的安全隐患，保障基坑工程施工的安全性和可靠性，其施工工艺简单，施工方便快捷，缩短工程工期，能够有效解决支护桩缺陷问题，而且可降低工程造价。

Description

一种基坑支护桩的成桩缺陷处理方法

技术领域

本发明涉及一种支护桩的成桩缺陷处理，具体是一种用于深基坑的支护桩成桩缺陷处理方法。

技术背景

进入21世纪，随着国家科技的不断进步，基坑支护桩成桩设备不断向高效率、环保型发展。然而支护桩的质量容易受到场地工程地质条件、周边环境条件、施工工艺等因素影响，容易形成桩身缺陷甚至断桩、漏桩。比如，在成桩过程中遇到难以清除的地下障碍，将会使支护桩形成断桩、漏桩现象；在淤泥、淤泥质土层的施工过程中，常出现窜孔现象，表现为施工一根桩后紧接着施工相邻桩时，在桩孔开挖过程中，前面已施工完的桩体未凝固的混凝土下落，窜孔现象会导致相邻桩体无法正常施工。窜孔和断桩、漏桩现象不仅影响后续支护桩的施工进度，还会使基坑工程出现安全隐患。

国内外专家就这一问题提出来多种解决方案，一般有：①挖除断桩补桩法；②直接原位复打重新灌注法；③原桩两侧补强法。挖除断桩补桩法仅适用于断桩部位离地面较近的浅层处理，若断桩部位较深，则需要挖除大面积的土方进行支挡。直接原位复打重新灌注法，需要对已经施工的支护桩进行拔桩处理，需引进专业的拔桩设备和队伍，造价昂贵。原桩两侧补强法适用于缺陷桩两侧的支护桩未施工的前提。以上方案都属于加固措施，其加固施工过程繁琐，大大提高人工成本，且针对缺陷桩的处理效果并不好。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供一种用于基坑支护桩、简单有效的支护桩成桩缺陷处理方法，该方法采用高压旋喷桩呈抛物线型布置于有缺陷的支护桩相邻两桩间的空隙，可替代有缺陷的支护桩，并利用相邻的支护桩作支撑，进行挡土与止水，能够有效的解决支护桩窜孔、断桩、漏桩等问题带来的安全隐患，保障基坑工程施工的安全性和可靠性。

本发明提供的一种基坑支护桩成桩缺陷的处理方法，其特征在于：以待处理缺陷桩为中心，在缺陷桩的迎土面施工呈抛物线分布的拱形高压旋喷桩群，拱形高压旋喷桩群的两拱脚分别位于与缺陷桩相邻的两根支护桩上，并与两根支护桩在迎土面相接，其拱形高压旋喷桩群中相邻两根高压旋喷桩相互咬合，咬合宽度为高压旋喷桩桩长的1.2％～1.5％；所述拱形高压旋喷桩群的起拱高度为拱跨长度的8％～10％。

本发明较优的技术方案：在施工高压旋喷桩之前，收集基坑施工资料以及支护桩、地层的信息，根据理论分析和现场施工经验，确定高压旋喷桩直径、水泥浆配合比、及起拱高度，其中高压旋喷桩群的每根高压旋喷桩的桩径为600mm～1800mm，水泥浆的水灰比为1.2～1.5。

本发明较优的技术方案：所述高压旋喷桩的起拱高度从缺陷桩靠近迎土面的桩边算起。

本发明较优的技术方案：所述高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定位置后，以高压设备使浆液、水及气成为高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度渐渐提升，使浆液与土粒强制混合，待浆液凝固后，便在土中形成一个固结桩体；所述喷嘴为圆柱形、收敛圆锥形或流线形喷嘴；当喷嘴为收敛圆锥形喷嘴时，是在圆锥形喷嘴的进口端增加一个渐变的喇叭口形圆弧角θ。高压旋喷桩的喷嘴使用钢材等制成，其中以流线形喷嘴射流性最好，但由于极其难以加工，实际中极少采用。实际中常采用易于加工且性能类似于流线形喷嘴的收敛圆锥形喷嘴。

本发明较优的技术方案：在软土地层中、岩溶地区或沙性土质地层中施工高压旋转桩时，在浆液中添加早强剂和减水剂，早强剂添加量为水泥用量的0.05％～0.1％，减水剂的添加量为水泥用量的0.5％～0.8％；在酸性地层中施工高压旋转桩时，在旋喷浆液中添加石膏粉，石膏粉的添加量为水泥用量的2％；使形成的浆液具有一定的抗性，从而能够保证水泥土搅拌体的成型以及后期强度的形成。

本发明在施工高压旋喷桩之前，根据地质勘测资料、基坑施工图纸以及支护桩的施工资料，需要对高压旋喷桩的桩径、高压旋喷桩的分布线型进行设计和论证，并且依据相关经验确定配比和添加剂，确保高压旋喷桩能够起到挡水和挡土的效果。高压旋喷桩的桩径与土质条件、施工方法等密切相关，通常需要通过现场试验后确定桩径，对松散软弱的土层，其桩径大，反之，对坚硬的土层其切割的范围小，桩径也较小。

本发明中的高压旋喷桩的一般采用单管法高压旋喷桩，其施工工艺如下：准备工作→钻机就位→(高压清水)钻孔→制浆并进行一级过滤和二级过滤→高压泵对浆液施压试喷→高压喷射注浆作业→泥浆排放处理→喷射结束→机具清理→钻机移位。

本发明中高压旋喷桩的分布线形可以是抛物线型，也可以是椭圆型或圆型，只要求高压旋喷桩呈拱形受压状态即可。在不同的工程现场，可以根据现场实际情况进行设计和计算，并且只需要对本发明中的一些参数进行稍加改动即可。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用高压旋喷桩呈抛物线型布置于有缺陷的支护桩相邻两桩间的空隙，可替代有缺陷的支护桩，并利用相邻的支护桩作支撑，将高压旋喷桩与支护桩的桩群连成一个整体，从而有效地挡土和止水；

(2)本发明中采用的高压旋喷桩通常用于基坑防渗、改善地基土的水流性质和稳定边坡等工程，其全套设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少，能在狭窄和低矮的现场条件下施工，而且施工速度快，施工过程简单，对桩间土体加固效果好；

(3)本发明中的高压旋喷桩成抛物线型分布，能发挥“拱体效应”，将相邻支护桩前土体的土压力传递至两端的支护桩上，抛物线型高压旋喷桩桩体始终处于受压状态；既可以实现挡土与止水的功能，使原有支护桩设计不发生变更，又不会使靠近缺陷桩的支护桩发生较大位移和扰动，比较安全。

本发明施工工艺简单，施工方便快捷，缩短工程工期，在确保基坑安全的前提下，合理利用施工现场的机械设备，避开繁琐的缺陷桩的桩身加固和补强措施，采用施工速度快、对桩间土体加固效果好的高压旋喷桩，围绕缺陷桩施工呈抛物线型分布的高压旋喷桩，从而能够保证缺陷桩处理措施的可行性、安全性和经济性，能够有效的解决支护桩窜孔、断桩、漏桩等问题带来的安全隐患，保障基坑工程施工的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的抛物线型分布高压旋喷桩支护俯视图；

图2是本发明的任一深度处x-y截面无铰拱结构力学模型；

图3是本发明的任一深度处x-y截面无铰拱结构等效体系；

图4是本发明的任一深度处x-y截面无铰拱等效结构力法基本体系；

图5是本发明的高压旋喷桩单管法施工的一种工艺布置图；

图6-1至图6-3依次是圆柱形喷嘴、收敛圆锥形喷嘴和流线形喷嘴的示意图；

图7是本发明的新方法工艺流程；

图8是本发明的基坑支护平面图；

图9是本发明的采用新方法处理后支护桩的桩体位移、弯矩、剪力曲线；

图10是本发明的不采用新方法时支护桩的桩体位移、弯矩、剪力曲线；

图中，1—缺陷支护桩，2—基坑支护桩，3—高压旋喷桩，4—支护桩迎土面土体，5—某深度处每延米土压力值，6—起拱高度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在基坑支护桩施工时，发现易发生支护桩桩身缺陷的土层区域且重点关注，以便于及时发现和确认存在缺陷支护桩，保证基坑安全。

在出现支护桩的桩身缺陷问题时，按照给出的新方法的工艺流程，需要对缺陷桩进行处理，其处理完成的支护桩示意图如图1所示，其处理步骤具体如下：

(1)首先确认支护桩2中缺陷支护桩1的位置；

(1)根据基坑支护设计施工图，确定需要的参数土压力、抛物线线形、起拱高度和拱脚支护桩支护点，然后设计拱型(一般是抛物线型)分布高压旋喷桩3的尺寸，抛物线的起点和终点，以及依照现场试验和相关经验确定的高压旋喷桩水泥浆配合比、桩径和搭接长度；

(2)根据理论分析和现场施工经验，确定需要的起拱高度，在缺陷支护桩2的迎土面土体4用白灰等标记高压旋喷桩的桩位；

(3)现场调度高压旋喷桩机就位，并依次进行高压旋喷桩的施工，保证每根高压旋喷桩的质量，以及相互之间的咬合，咬合宽度为高压旋喷桩桩长的1.2％～1.5％；所述拱形高压旋喷桩群的起拱高度为拱跨长度的8％～10％，并与两根支护桩在迎土面相接。

本发明中的高压旋喷桩的采用单管法高压旋喷桩，其施工工艺如下：准备工作→钻机就位→(高压清水)钻孔→制浆并进行一级过滤和二级过滤→高压泵对浆液施压试喷→高压喷射注浆作业→泥浆排放处理→喷射结束→机具清理→钻机移位。其工艺布置图如图5所示，该工艺中使用特殊的喷嘴进行喷浆，其喷嘴可以是圆柱形喷嘴(如图6-1所示)、收敛圆锥形喷嘴(如图6-2所示)和流线形喷嘴(如图6-3所示)，喷嘴采用钢材制成。

针对上述技术方案，本发明提供一种论证方法，并可通过此方法证明该技术方案的可行性和有效性，其具体如下：

选择一个有缺陷的基坑支护桩，采用呈抛物线型分布的高压旋喷桩进行处理，其处理后的俯视图如图1所示。在每个垂直于桩的平面上，由于支护桩的桩间距不是很大，所以支护桩所承受的荷载可以认为是连续均匀分布的，所以可以取垂直于支护桩的任一深度处截面进行分析和计算。以支护桩作为Z轴，向上为正，则有图2的任一深度处x-y截面结构力学模型。模型中，高压旋喷桩搭接长度不小于30mm，所有桩体可以整体均匀受力，因此可以将所有高压旋喷桩看作图2中的抛物线进行整体受力分析。因此就可以确定以下参数：分布荷载集度q，拱高为f，拱跨度为l，拱轴线质量与刚度分布均匀，抗弯刚度为EI。这里考虑无铰拱结构的内力分析，包括无铰拱的弯矩分布和轴力分布特征，所采用的方法为力法。图3为无铰拱结构等效体系，图4为无铰拱等效结构力法基本体系。

对于图3的等效体系需要进行说明，图中刚臂是为了简化计算而引进的一项措施，刚臂是绝对刚性的，不产生任何变形，而OO₁之间是刚接的，没有任何相对位移，所以图3带刚臂的无铰拱与图1的无铰拱结构是等效体系，可以相互替代，这个方法称为弹性中心法。在图4的基本体系中，建立了两个笛卡尔坐标系，分别是以刚臂的两端点连线的中心点O为零点的x-y坐标系和以无铰拱跨中点为零点的x’-y’坐标系，两个坐标系之间有如下转化关系：

在x’-y’坐标系下，拱轴线方程为其中f拱高，l为跨长。对于无铰拱结构的力法基本体系，有如下力法基本方程：

(2)式中，δ_·和Δ_·均为待求系数。X₁为弯矩；X₂为轴力；X₃为剪力；δ_ij为X_j方向单位力的作用在X_i方向引起的内力值；为分布荷载q的作用在X_i方向引起的内力值。

由于对称性，图4中弯矩X₁、轴力X₂是对称未知量，是反对称未知量，则有式(3)结论：

将式(3)带入式(2)便可将式(2)简化为：

引入刚臂的目的在于对力法方程的形式进一步简化。对于式(4)的简化，可以考虑进一步使系数δ₁₂和δ₂₁也等于零。这里只需要确定刚臂端点中心点O的位置，就能够达到δ₁₂＝δ₂₁＝0的目的。实现的思路是通过系数为零这个条件进行反算，确定O的位置。首先系数δ₁₂的计算式为：

式中，分别为X₁＝1时的拱结构弯矩、剪力和轴力； 分别为X₂＝1时的拱结构弯矩、剪力和轴力。

下面分别计算X₁＝1和X₂＝1时结构内力。在x’-y’坐标系下，当单位力X₁＝1时，结构的内力为：

当单位力X₂＝1时，结构的内力为：

式中，θ为拱结构上某一点的切线倾角，其值由式确定，d(y')表示对y'求导。

将式(6)和(7)代入式(5)中，可以得到：

将式(1)代入式(8)可得：

由δ₁₂＝0得

至此，弹性中心的位置O即可以被确定。

那么可以得到最终简化的力法方程：

式(11)中系数的求解公式为：

这里的结构分析采用两个假设：(1)忽略拱结构的轴向变形，只考虑弯曲变形；(2)因为拱轴线比较平(拱跨比达到8％～10％，远小于1/5)，可以近似取ds＝dx，即近似去微分弧长等于横坐标。由于荷载与结构均关于y轴对称，所以有X₃＝0。

单位力X₂＝1作用下的结构弯矩为：

基本体系在荷载q作用下的弯矩方程为：

将式(7)代入式(12)，可得到力法方程系数的值如下：

因此有基本体系未知力的值：

可以得到无铰拱的水平推力和剪切力如下：

将剪切力与拱脚支护桩自身受力进行叠加作为一组、水平推力作为一组，利用现行深基坑设计有限元软件分析(理正深基坑、天汉等计算软件)，可以计算得到拱脚处支护桩的内力和桩顶最大位移值。将拱脚处支护桩的桩顶位移计算值与监测值进行对比，便可知该方法的可行性和有效性。

实施例：本实施例为云南绿地云都会10#地块深基坑支护工程，该基坑面积约为35095m²，总延长米约为881.5m。设两层地下室，基坑的开挖深度约为10.45～12.50m，属于深基坑。采用的支护方案为：桩锚支护，基坑支护结构体系为：φ800长螺旋钻孔灌注桩+3～4排压力分散型可回收预应力锚索。基坑支护平面图见图8所示，各土层参数见表1。

发现有桩身缺陷的支护桩：该基坑南侧在支护桩成桩过程中窜孔现象严重，成桩质量存在缺陷。后经补勘，发现基坑南侧原本系一冲沟，其下为淤泥质土，地层条件较差，容易发生窜孔现象，窜孔导致相邻桩无法正常施工，严重影响工期，需要进行处理。对发生窜孔的桩进行低应变或高应变检测，检测桩身完整性和单桩承载力，确认该区域内存在质量缺陷支护桩的编号为105#。

缺陷桩处理措施：在垂直于缺陷桩的迎土面进行测量，测量出起拱高度240mm，以缺陷桩两侧最相邻的支护桩为拱脚，按照抛物线型定位一排高压旋喷桩，然后采用钻机就位施工直径为500mm的高压旋喷桩，所述高压旋喷桩采用单管法施工，其施工的工艺布置图如图5所示；施工完成的高压旋喷桩如图1所示，呈抛物线分布，两端分别并与两根支护桩在迎土面相接，其拱形高压旋喷桩群中相邻两根高压旋喷桩相互咬合，咬合宽度为高压旋喷桩桩长的1.2％～1.5％，使高压旋喷桩与缺陷桩两侧的支护桩形成一个整体，进行挡土与止水，抛物线型高压旋喷桩将桩体所受推力传递至两端的支护桩上。

本申请的发明人按照上述论证方法计算分析处抛物线线型高压旋喷桩传递到拱脚支护桩的剪切力、水平推力和拱脚支护桩自身受力，采用天汉深基坑计算软件计算分析，可以得到高压旋喷桩施工后的桩顶位移值。在荷载设计部分，将高压旋喷桩传递到拱脚支护桩的水平分力和剪切分力换算为每延米的土压力，然后与支护桩所承受的荷载叠加，即为采用高压旋喷桩后的计算荷载值。图9是采用新方法后支护桩的桩体位移曲线，图10是不采用新方法支护桩的桩体位移曲线。

从图9和图10位移曲线可以看到，支护桩的最大位移值分别为：27.00mm、34.00mm。从该项目的支护桩位移监测数据中可以发现，施工高压旋喷桩后，该支护桩的最大位移值为25.71mm。可以发现，相对于不采用新方法，采用新方法后支护桩的最大位移值会减小7mm；采用新方法后，支护桩的最大位移值与监测值的相对误差约为5％。

可行性、安全性和经济性分析：由计算结果可知，抛物线型高压旋喷桩既可以实现挡土与止水的功能，使原有支护桩设计不发生变更，又不会使靠近缺陷桩的支护桩发生较大位移和扰动，比较安全。并且施工抛物线型高压旋喷桩的施工工艺简单，施工方便快捷，能够有效解决支护桩缺陷问题，缩短工程工期，降低工程造价。总之该新方法在可行性、安全性和经济性方面都具有良好的表现。

Claims (5)

1.一种基坑支护桩的成桩缺陷处理方法，其特征在于：以待处理缺陷桩为中心，在缺陷桩的迎土面施工呈抛物线分布的拱形高压旋喷桩群，拱形高压旋喷桩群的两拱脚分别位于与缺陷桩相邻的两根支护桩上，并与两根支护桩在迎土面相接，其拱形高压旋喷桩群中相邻两根高压旋喷桩相互咬合，咬合宽度为高压旋喷桩桩长的1.2％～1.5％；所述拱形高压旋喷桩群的起拱高度为拱跨长度的8％～10％。

2.根据权利要求1所述的一种基坑支护桩的成桩缺陷处理方法，其特征在于：在施工高压旋喷桩之前，收集基坑施工资料以及支护桩、地层的信息，根据理论分析和现场施工经验，确定高压旋喷桩直径、水泥浆配合比、及起拱高度，其高压旋喷桩的桩径为600mm～1800mm，水泥浆的水灰比为1.2～1.5。

3.根据权利要求1所述的一种基坑支护桩的成桩缺陷处理方法，其特征在于：所述高压旋喷桩的起拱高度从缺陷桩靠近迎土面的桩边算起。

4.按权利要求1或2所述的一种基坑支护桩的成桩缺陷处理方法，其特征在于：所述高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定位置后，以高压设备使浆液、水及气成为高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度渐渐提升，使浆液与土粒强制混合，待浆液凝固后，便在土中形成一个固结桩体；所述喷嘴为圆柱形、收敛圆锥形或流线形喷嘴；当喷嘴为收敛圆锥形喷嘴时，是在圆锥形喷嘴的进口端增加一个渐变的喇叭口形圆弧角θ。

5.根据权利要求4所述的一种基坑支护桩的成桩缺陷处理方法，其特征在于：在软土地层中、岩溶地区或沙性土质地层中施工高压旋转桩时，在浆液中添加早强剂和减水剂，早强剂添加量为水泥用量的0.05％～0.1％，减水剂的添加量为水泥用量的0.5％～0.8％；在酸性地层中施工高压旋转桩时，在旋喷浆液中添加石膏粉，石膏粉的添加量为水泥用量的2％。