CN109898506A - 搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构及施工方法，属于地基基础领域。本发明基于封闭空间土体的压缩性小、承载性能好的原理，利用三轴搅拌桩机等搅拌机械在软土地基中搅拌，从而使地基土体松软，最后插入预制混凝土组合构件形成封闭的桶(箱)式基础。这种基础型式能极大发挥闭合范围土体的承载作用，从而减少地基沉降，提高地基承载力，同时相对于单桩基础有较好的抗震性能。施工方法简单可靠，技术成熟，适用工况广泛，受现场施工条件影响小，相同条件下能大大节省混凝土用量。

Description

搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构及施工方法

技术领域

本发明属于地基基础领域，具体涉及一种预制混凝土组合式新型基础的设计及施工方法。

背景技术

目前在建筑行业中应用最为广泛的基础为桩基础，桩基础按施工方式主要分为钻孔灌注桩、预制桩，其中钻孔灌注桩一般承载力较大，可达到1000-2000kN，但施工方法复杂，所需工期较长，施工费用高，且对施工质量的要求高，一般作为承载力要求高的大型建筑的基础。预制桩，特别是预制管桩的应用更为广泛，但承载力一般较小，一般在400-500kN范围内，且按打设方式可分为静压施工和打桩机施工。打桩机施工产生巨大噪音，在城市施工中带来不便，而静压桩施工设备昂贵，场地要求较高，两者在坚硬地层常常出现无法压桩，或断桩等问题。由此可见，虽然两种桩基均具有各自的优势，但也各自存在缺陷。

为此，结合已有桩基的特点，设计出一种新型基础和配套施工方法，能够弥补钻孔灌注桩施工复杂、预制桩承载力小的缺陷，可以从以下两方面考虑：

第一，传统桩基的承载力由两部分组成，即桩侧摩阻力和桩端阻力，在不增加混凝土用量的情况下，可以通过改变基础形状来增加基础与土的接触面积，从而增加地基承载力。

第二，地基承载力一般由基础和土体两部分组成，传统桩基础的承载力基本由桩基承担，桩间土发挥的作用很小。提高土体本身发挥的作用，可以在不增加混凝土用量的情况下提高地基整体承载力。由于封闭空间的土体压缩性小，固结慢，其承载作用相对于开放土体大大提高，可通过利用封闭空间土体的作用来提高地基整体承载能力。

发明内容

考虑到地基土的承载作用发挥得不够，可以通过封闭土体来提高地基整体承载力，需要设计一种可以使土体被封闭的基础形式；同时，考虑到新型基础异形界面不易打入土体，因此需要设计一种对应于新型基础的施工方法。本发明的目的就在于解决现有的地基基础承载力不足、施工不便的缺陷，并提供一种搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构。

本发明解决具体技术问题采用的技术方案是：

一种搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构，其包括若干个嵌入地基中的搅拌桩，所有的搅拌桩在地平面上沿矩形周向排列，且相邻的搅拌桩相互咬合衔接，形成首尾相接的地下连续槽结构；所述的地下连续槽结构中垂直地面插有预制混凝土整体结构，所述预制混凝土整体结构由预制母件和预制公件组成，预制公件与预制母件扣合装配，呈无底无盖的箱型；所述预制混凝土整体结构的侧壁和搅拌桩边界的地基土之间均填充有水泥土作为过渡层，预制混凝土整体结构顶部浇筑有承台。

作为优选，所述的预制母件和预制公件的横截面均呈半方形，预制母件末端有两条相同的矩形槽，预制公件末端有两条相同的矩形卡齿；预制母件和预制公件装配状态下，所述的矩形卡齿沿垂直地面方形扣入所述矩形槽中，且预制公件和预制母件的水平方向相对位移被限制。

作为优选，所述的预制混凝土整体结构的横截面呈方形。

作为优选，所述的承台呈方形。

作为优选，所述的承台尺寸大于预制混凝土整体结构的横截面。

作为优选，所述预制混凝土整体结构为钢筋混凝土预制结构。

本发明的另一目的在于提供一种上述任一方案所述基础结构的施工方法，其步骤如下：

步骤1、通过搅拌机械对目标区域内的地基土进行自上而下进行螺旋喷浆搅拌，使搅拌区域内的地基土与混凝土砂浆混合，钻至指定深度后得到填充有水泥土的搅拌桩；

步骤2、然后在施工区域范围内，以矩形的水平布局形式依次对每个桩位重复步骤1，且保证相邻的搅拌桩相互咬合衔接，形成首尾相接的地下连续槽结构；

步骤3、将在工厂预制好的预制母件和预制公件，先后插入地下连续槽结构的水泥土中，以相互扣合装配的形式组装成无底无盖箱型的预制混凝土整体结构；

步骤4、将预制混凝土整体结构压入预定的土体深度后，在地基表面浇筑混凝土承台，使预制混凝土整体结构顶部与承台连接成整体，固化后形成预制组合箱基础结构。

作为优选，所述的搅拌机械采用三轴搅拌桩机。

作为优选，所述的预制母件和预制公件均在工厂预制完成后，运输至施工现在进行装配。

作为优选，所述的预制母件和预制公件通过自身重力沉入地下连续槽结构的水泥土中，或者通过外力施压压入地下连续槽结构的水泥土中。

本发明的有益效果如下：

1.本发明可以形成一个截面积更大的基础，相对于单桩基础，具有更大的横向刚度，因此可以提高基础的水平承载力；相对于群桩基础，本发明提高了基础的整体稳定性和抗震性能。

2.本发明的施工方式简单，混凝土构件可在工厂预制，制作方便；主要施工设备三轴搅拌桩机应用也较为普及，水泥土搅拌成槽的技术成熟，施工难度较小。

3.本发明可以充分发挥地基中封闭土体的承载作用，从而减少混凝土用量，提高基础承载力，减少地基沉降。

4.本发明与混凝土实体管桩相比，在混凝土用量相同的条件下，基础与土体接触面积大大增加，同时水泥对基础-土接触界面具有加固作用，并考虑封闭土体的承载作用，基础竖向承载力将极大提高。因此，在相同承载力要求的情况下，本发明所需的混凝土用量大大减少，更为节能环保。

附图说明

图1为预制混凝土箱基础的组成示意图；

图2为预制母件和预制公件的组装示意图；

图3为预制混凝土整体结构与承台的安装示意图(左图俯视，右图侧视)；

图4为预制混凝土组合箱基础施工示意图

图中：预制母件1、预制公件2、矩形槽3、矩形卡齿4、承台5、预制混凝土整体结构6、搅拌桩7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，为本实施例中的一种搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构，其主体结构包含若干个嵌入地基中的搅拌桩7。搅拌桩7可由三轴搅拌桩机等搅拌设备对地基旋喷搅拌而成的，每个搅拌桩1均呈圆桩型，搅拌桩垂直打入地基中。所有的搅拌桩7在地平面上沿着正方形的四边排列，且相邻的搅拌桩1相互咬合衔接，形成首尾相接的地下连续槽结构。搅拌设备对地基土体进行搅拌的同时，可利用三轴搅拌设备在土中喷射水泥，使水泥和原地基土混合均匀形成抗渗性更好、粘聚力更强的水泥土。在该地下连续槽结构中，其槽体内部填充有水泥土，而槽体外侧壁和内侧壁均是地基土，相当于形成了一圈方形的、易插入混凝土构件的封闭边界，该边界的松软地基土由水泥土封闭。但是本发明的基础中，并非仅仅通过要和的搅拌桩7对上方构筑物进行承重，而是将搅拌桩7与混凝土预制结构进行耦合。其具体做法为：在地下连续槽结构的水泥土中，以垂直地面的方向插入预制混凝土整体结构6，形成如图1所示状态。而预制混凝土整体结构6如图2所示，由预制母件1和预制公件2组成，本实施例中预制混凝土整体结构6的横截面呈方形。预制公件2与预制母件1的端部可以设置榫卯结构，使得两者能够以扣合方式装配，形成一个无底无盖的长方体箱型。在本实施例中，预制母件1和预制公件2的横截面均呈半个正方形，预制母件1末端有两条相同的矩形槽3，预制公件2末端有两条相同的矩形卡齿4，矩形槽3和矩形卡齿4均沿深度方向设置。这种设计时为了方便两者的现场施工装配，预制母件1和预制公件2在装配状态时，可将预制母件1先沉入地下连续槽结构中，然后再沉入预制公件2，预制公件2沉入过程中，矩形卡齿4沿垂直地面方形扣入预制母件1的矩形槽3中，当两者底部平齐时装配结束，此时预制公件2和预制母件1的水平方向相对位移被矩形卡齿和矩形槽完全限制，两者组合成为一个整体。预制母件1和预制公件2可通过制作特定尺寸的模具浇筑混凝土形成，必要时可加入钢筋提高混凝土构件的抗裂能力。在工厂可批量生产预制尺寸相同的构件，运送至施工现场利用吊机设备起吊并先后插入土中，扣合形成封闭整体结构。在本实施例中，设计预制混凝土整体结构6尺寸为2×2m方形，可结合实际工程需要预制相应尺寸的构件。

另外，由于地下连续槽结构中具有大量的水泥土，而预制混凝土整体结构6的尺寸小于地下连续槽结构，因此预制混凝土整体结构6的内、外侧壁和搅拌桩7边界的地基土之间，都会填充有一层水泥土，水泥土层可以作为过渡层，改善地基土与混凝土整体结构之间的接触关系。如图3所示，预制混凝土整体结构6顶部可以浇筑承台5。本实施例中，承台5形状为方形，承台5尺寸应大于预制混凝土整体结构6的横截面。

在该预制混凝土组合箱基础结构中，通过将土体封闭在预制混凝土整体结构内，极大地发挥出土体的承载作用；同时，利用封闭土体增大基础横截面积，从而扩大了基础侧面与土体的接触面积，进而也增加基础的承载能力。此外，为增加基础-土体界面的摩擦力，在设备搅拌土体的过程中同时喷射水泥，在基础-土体接触界面范围内形成承载效果更好的水泥土界面，最后浇筑混凝土承台，形成预制混凝土构件、封闭土体、水泥土共同承载上部建筑结构的复合基础。

下面对本发明的该新型组合基础结构与桩基础的竖向承载能力的理论分析与对比：

在本发明中，预制混凝土整体结构6的外围尺寸为2×2m，厚度为30cm，那么基础单位纵向长度的混凝土用量为2*0.3*4-0.3*0.3*4＝2.04m²，基础单位纵向长度与土体的接触面积，即预制混凝土整体结构6的外围周长L₁＝8m。

那么，在混凝土用量相同的条件下，实体管桩基础的半径为0.806m，则桩基础外围周长L₂＝5.06m。

因此，仅考虑基础与土体接触面积增加，本发明的组合基础竖向承载能力相对于预制管桩基础将提高至L₁/L₂＝1.58倍。若再考虑水泥对基础-土接触界面的加固作用，基础端阻系数的提高、以及封闭土体的承载作用的发挥，则本发明的组合基础竖向承载能力预计将至少提高2-3倍左右。

下面进一步阐述上述基础结构的施工方法，其步骤如下：

步骤1、按照图3左图所示的点位图，设计并预先制作合适尺寸的预制母件1和预制公件2，构件通过制作特定尺寸的模具浇筑混凝土形成，可加入钢筋提高混凝土构件的抗裂能力。

步骤2、通过由三轴搅拌桩机等搅拌机械对目标区域内的地基土进行自上而下进行螺旋喷浆搅拌，在搅拌的同时通过螺旋钻杆底部的喷浆头不断向地基土中喷射水泥砂浆，直至钻进至指定深度，而后将螺旋钻杆提起，形成搅拌桩7，内部填充有水泥土。每个搅拌桩的深度可根据实际进行调整，需要时可钻入持力层中，提高整体桩端承载力。

步骤2、然后在施工区域范围内，以矩形的水平布局形式依次对每个桩位重复步骤2，且保证相邻的搅拌桩7相互咬合衔接，形成首尾相接的地下连续槽结构，如图3的中图所示。此时，地下连续槽结构在地基中形成一圈特定尺寸的方形封闭松软土边界，便于插入预制混凝土构件。

步骤3、将在工厂预制好的预制母件1和预制公件2运输至施工现场，运送至施工现场利用吊机设备起吊，先后插入地下连续槽结构的水泥土中，在土体内扣合装配，组装成无底无盖箱型的预制混凝土整体结构6，如图3的右图所示。插入方式：若土层松软，可利用将预制混凝土整体结构6的自重插入，若土层相对坚硬，则可施加外力压入。

步骤4、将预制混凝土整体结构6压入预定的土体深度，且水泥土水化凝固基本完成后，在地基表面浇筑混凝土承台5，使预制混凝土整体结构6顶部与承台5连接成整体，固化后形成预制组合箱基础结构。为使下部结构(预制混凝土整体结构6和封闭土体)充分发挥承载作用，承台尺寸应稍大于预制混凝土整体结构6的尺寸。

本发明通过上述技术方案，设计出一种能够有效利用封闭土体承载能力的预制组合式基础，能够极大提高基础与地基的竖向和水平向承载能力，减少混凝土用量，并提高基础与上部建筑结构的整体抗震性能。原理简单可靠，施工方法简便，适用工况广泛，受现场施工条件影响较小；能够提高建筑结构的安全稳定，并具有一定的节能环保效果。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，预制混凝土整体结构6的形状、尺寸、扣合方式等可以根据实际工程要求进行改变。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构，其特征在于，包括若干个嵌入地基中的搅拌桩(7)，所有的搅拌桩(7)在地平面上沿矩形周向排列，且相邻的搅拌桩(7)相互咬合衔接，形成首尾相接的地下连续槽结构；所述的地下连续槽结构中垂直地面插有预制混凝土整体结构(6)，所述预制混凝土整体结构(6)由预制母件(1)和预制公件(2)组成，预制公件(2)与预制母件(1)扣合装配，呈无底无盖的箱型；所述预制混凝土整体结构(6)的侧壁和搅拌桩(7)边界的地基土之间均填充有水泥土作为过渡层，预制混凝土整体结构(6)顶部浇筑有承台(5)。

2.如权利要求1所述的搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构，其特征在于，所述的预制母件(1)和预制公件(2)的横截面均呈半方形，预制母件(1)末端有两条相同的矩形槽(3)，预制公件(2)末端有两条相同的矩形卡齿(4)；预制母件(1)和预制公件(2)装配状态下，所述的矩形卡齿(4)沿垂直地面方形扣入所述矩形槽(3)中，且预制公件(2)和预制母件(1)的水平方向相对位移被限制。

3.如权利要求1所述的搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构，其特征在于，所述的预制混凝土整体结构(6)的横截面呈方形。

4.如权利要求1所述的搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构，其特征在于，所述的承台(5)呈方形。

5.如权利要求1所述的搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构，其特征在于，所述的承台(5)尺寸大于预制混凝土整体结构(6)的横截面。

6.如权利要求1所述的搅拌成槽插入式预制组合箱基础结构，其特征在于，所述预制混凝土整体结构(6)为钢筋混凝土预制结构。

7.一种如权利要求1～6任一所述基础结构的施工方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、通过搅拌机械对目标区域内的地基土进行自上而下进行螺旋喷浆搅拌，使搅拌区域内的地基土与混凝土砂浆混合，钻至指定深度后得到填充有水泥土的搅拌桩(7)；

步骤2、然后在施工区域范围内，以矩形的水平布局形式依次对每个桩位重复步骤1，且保证相邻的搅拌桩(7)相互咬合衔接，形成首尾相接的地下连续槽结构；

步骤3、将在工厂预制好的预制母件(1)和预制公件(2)，先后插入地下连续槽结构的水泥土中，以相互扣合装配的形式组装成无底无盖箱型的预制混凝土整体结构(6)；

步骤4、将预制混凝土整体结构(6)压入预定的土体深度后，在地基表面浇筑混凝土承台(5)，使预制混凝土整体结构(6)顶部与承台(5)连接成整体，固化后形成预制组合箱基础结构。

8.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述的搅拌机械采用三轴搅拌桩机。

9.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述的预制母件(1)和预制公件(2)均在工厂预制完成后，运输至施工现在进行装配。

10.如权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述的预制母件(1)和预制公件(2)通过自身重力沉入地下连续槽结构的水泥土中，或者通过外力施压压入地下连续槽结构的水泥土中。