CN110206022B - 一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩及其施工方法，包括依次连接的桩帽、桩柱和桩尖；桩帽端面面积大于桩柱端面面积，桩柱顶部部分伸入至桩帽底部，桩柱为管状，桩柱内部顶部与桩帽一体式连接，下半部外周面设置有若干凹槽，桩尖采用十字型的锥形钢桩尖；当将管桩设置在冻土地基中时，桩柱的凹槽部分位于冻土上限下方，桩柱伸入冻土上限至少3m。能够提高桩与土体之间的粘聚力与桩间土的承载特性，提高地基的承载力。
Description
技术领域
本发明属于工程施工领域，涉及一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩及其施工方法。
背景技术
我国岛状冻土地区位于多年连续冻土退化的边缘，冻土地温一般在0~-1℃之间，大多属于高温不稳定冻土，容易受到外界干扰而迅速发生退化，且已有明显退化趋势。随着岛状冻土地区工程的建设，地基受到扰动后产生融沉现象，进而引发公路工程及房屋建筑等结地基发生不均匀变形，导致地基上部结构的变形破坏。由于岛状冻土的这些特点，其地基处理宜减小其受扰动的程度。
目前，国内岛状冻土地基处治原则主要有预先融化冻土、控制冻土融化速率和保护冻土，其中在岛状冻土地区应用技术主要有热棒技术、换填法、CFG复合桩基及石灰桩预融等。热棒技术可以保护多年冻土，但是公路为线性工程，使用热棒路基技术成本大幅升高。换填法适用范围较小，仅适用于冻土埋设较浅、厚度较小的冻土地区。CFG复合地基对岛状冻土扰动较大，致使多年冻土上限下移且很难恢复，因此在应用时保证混凝土入模温度较为关键。石灰桩预融技术，桩间距过小造成在打桩过程中桩间土体极易破坏，且石灰遇水产生的热量较多，破坏了多年冻土层的稳定状态。
现有混凝土管桩多应用于软土地区，其作用机理主要是通过桩-土协调作用共同承担上部建筑荷载，增大地基承载力。岛状冻土融化后其工程性质与软土类似，混凝土管桩对冻土的扰动也较小，将混凝土管桩应用于岛状冻土地区可以极大的提高地基承载力。由于在岛状冻土地区，混凝土管桩单桩承载力主要由多年冻土层产生的冻结应力提供，加之桩帽的作用使上部荷载更多的由管桩承担，因此在岛状冻土地区对管桩单桩承载力要求较高，为了满足地质特点需求，亟需一种单桩承载力高的混凝土管桩。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩及其施工方法，能够提高桩与土体之间的粘聚力与桩间土的承载特性，提高地基的承载力。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩，包括依次连接的桩帽、桩柱和桩尖；
桩帽端面面积大于桩柱端面面积，桩柱顶部部分伸入至桩帽底部，桩柱为管状，桩柱内部顶部与桩帽一体式连接，下半部外周面设置有若干凹槽，桩尖采用十字型的锥形钢桩尖；
当将管桩设置在冻土地基中时，桩柱的凹槽部分位于冻土上限下方，桩柱伸入冻土上限至少3m。
优选的，桩帽为端面为正方形，边长为3~3.5倍的桩柱外径，桩帽厚度至多等于桩柱外径，桩柱顶部部分伸入桩帽底部至少10cm。
优选的，桩柱内部顶部设置有两根平行的第一配筋伸入桩帽内部，第一配筋与桩柱轴线平行，桩帽内部设置有与轴线垂直的第二配筋。
优选的，桩柱上的凹槽宽度为30~50mm，深度为0.2~0.3倍桩柱的壁厚；相邻凹槽间距不小于20cm。
优选的，桩柱外径为400~600mm，壁厚为100~150mm。
一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，基于上述任意一项所述的混凝土管桩，包括以下步骤；
步骤一，确定混凝土管桩进入钻孔前的温度T；
式中：为混凝土管桩内径，单位为cm；/>为混凝土管桩外径，单位为cm，/>为混凝土管桩间距，单位为cm；/>为冻土干密度，单位g/cm3；/>为桩体混凝土密度，单位为g/cm3；为冻土中的总含水率；/>为冻土中未冻水的含量；/>为混凝土的比热容，单位为J/(g·℃))；/>为冻土地温，单位为℃)；/>为冰融化成水的相变潜热，单位为J/g；
步骤二，进行成孔后，将连接在一起的桩柱和桩尖进行打桩，保证桩柱的凹槽部分位于冻土上限下方，桩柱伸入冻土上限至少3m；
步骤三，沉桩完成后，在桩柱顶部开挖土体，形成与桩帽形状相同的盲孔，采用混凝土浇筑桩帽，浇筑成型后，将土体进行回填，保证地表平整。
优选的，成孔时，采取先钻孔后沉桩的施工顺序，钻孔时采用泥浆进行护壁。
进一步，钻孔直径为桩柱外径的0.7~0.9倍。
优选的，步骤二之前，先进行试桩，在桩孔中设置温度传感器和变形传感器，待桩间冻土融化、变形稳定后，进行复合地基承载力测试与单桩竖向抗压静载试验，确定复合地基承载力特征值及单桩极限承载力与单桩承载力特征值是否符合实际需要。
进一步，温度传感器与变形传感器均由近到远依次设置三个。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩，通过在桩柱下半部外周面上设置有凹槽，将下半部设置在冻土层上限以下，冻土上限退化的厚度一般取3m左右，则持力层在冻土上限3m以下，因此桩柱下半部应进入多年冻土上限以下3m。当桩周土体回冻后，凹槽内土体与桩周土体冻结为一体，当管桩承受竖向荷载时，此部分土体提供的抗剪力可以极大的增大管桩的侧摩阻力，可以增加桩体的抗剪强度，进而提高单桩承载力。
本发明还公开了一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，控制混凝土管桩的入孔温度，极大减小了管桩施工对多年冻土层的扰动，保证多年冻土经过一定时间后可以进行回冻。混凝土管桩桩帽可以协调桩体与土之间的作用，使上部荷载通过管桩向下传递，增大管桩承载占比，减小地基总的沉降量。
进一步，凝土管桩施工采用先钻孔后沉桩的施工顺序，且钻孔直径小于管桩直径，因此，在沉桩过程中管桩挤密桩周土体，提高桩与土体之间的粘聚力与桩间土的承载特性，从而促进地基的整体承载力。
附图说明
图1为本发明的混凝土管桩结构示意图；
图2为本发明的桩尖结构示意图；
图3为本发明的混凝土管桩埋设示意图；
图4为本发明的混凝土管桩排布示意图。
其中：1-桩帽；2-桩柱；3-凹槽；4-桩尖；5-配筋；6-温度传感器；7-变形传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明混凝土管桩包括桩帽1，桩柱2，凹槽3，尖底十字钢桩尖4与配筋5。
桩帽1采用C25混凝土现场浇筑而成，桩帽1尺寸拟定时应满足抗弯、抗冲切和抗剪切要求，形状多为正方形，边长根据桩柱2的外径与桩距确定，一般为3~3.5倍桩柱2的外径；桩帽1厚度一般不大于桩柱2的外径，进入桩柱2顶部不小于10cm，防止桩帽1倾斜、脱落。配筋5按双向均匀通长布置，桩柱内部顶部设置有两根平行的第一配筋伸入桩帽内部，第一配筋与桩柱轴线平行，桩帽内部设置有与轴线垂直的第二配筋，保证桩帽的使用需求。桩帽1不仅可以保护桩头不受破坏，且能协调桩土变形。
桩柱2采用C80混凝土预制而成，桩柱2的外径400~600mm，壁厚100~150mm；长度根据地质条件确定，桩柱为管状，桩柱内部顶部与桩帽一体式连接，下半部外周面设置有若干凹槽，桩柱2的凹槽部分选择取决于多年冻土上限的深度，则凹槽部分在冻土上限以下部位。由于冻土层退化导致冻土上限下降的深度一般取3m左右，因此管桩应进入多年冻土上限以下3m，以多年冻土层作为管桩的持力层。桩柱2分为有凹槽段和无凹槽段，以多年冻土上限为界。无凹槽段的长度为处于地表和多年冻土上限之间，有凹槽段位于多年冻土上限与下限之间，这是因为季节活动层在道路建成后始终属于融化状态，其性质与软土类似，凹槽对单桩承载力并无显著提高；有凹槽段管桩，凹槽内土体与槽外土体呈整体冻结状态，可以增加管桩的抗剪强度，进而提高单桩承载力。凹槽3沿桩身一周开凿，宽度取为30~50mm，深度根据桩壁厚度确定，取为桩柱2壁厚的0.2~0.3倍；凹槽间距根据现场需要确定，不小于20cm，间距太近会降低混凝土管桩强度，不宜过小。
桩尖4采用尖底十字型钢桩尖，顶部与桩柱2焊接为一体，由于多年冻土层处于冻结状态，十字尖底可以更好的进入持力层。
图3为管桩埋设示意图，管桩应进入多年冻土上限以下3m，且以多年冻土层上限为界，桩柱2分为有凹槽段和无凹槽段。无凹槽段的长度为处于地表和多年冻土上限之间，有凹槽段位于多年冻土上限与下限之间，这是因为季节活动层在道路建成后始终属于融化状态，其性质与软土类似，桩柱2的凹槽对单桩承载力并无显著提高；有凹槽段管桩位于多年冻土层，管桩施工完成后，桩周围土体逐渐回冻，凹槽内土体与槽外土体呈整体冻结状态，可以增加桩柱的抗剪强度，进而提高单桩承载力。
本发明提供一种处理岛状冻土地基融沉的混凝土管桩的施工方法，具体按以下步骤进行：
步骤1：现场调研：
结合现场的勘察资料和室内试验，确定工程场地的地质条件、多年冻土上限、冻土地温、混凝土管桩打入前的温度、混凝土桩体的比热容、冻土中总含水量、未冻水含量、冻土的干密度。
步骤2：确定管桩入孔温度：
根据查明的参数确定混凝土管桩进入钻孔前的温度:
式中：为混凝土管桩内径，单位为cm；/>为混凝土管桩外径，单位为cm，/>为混凝土管桩间距，单位为cm；/>为冻土干密度，单位g/cm3；/>为桩体混凝土密度，单位为g/cm3；为冻土中的总含水率；/>为冻土中未冻水的含量；/>为混凝土的比热容，单位为J/(g·℃))；/>为冻土地温，单位为℃)；/>为冰融化成水的相变潜热，单位为J/g。
步骤3：确定管桩打入深度及预制混凝土管桩：
根据现场各地层的性质确定混凝土管桩的桩长，管桩持力层选择取决于冻土层退化导致冻土上限下降的深度，冻土上限退化的厚度一般取3m左右，则持力层在冻土上限3m以下。
混凝土管桩采用C80混凝土预制而成。如图1所示，桩柱分为无凹槽段与有凹槽段，以多年冻土层上限为界，多年冻土上限由步骤1勘察确定；管桩采用尖底十字型钢桩尖，如图2所示，桩尖4与管桩底部焊接为一体，十字尖底可以更好的进入多年冻土层。完成上述工作后运输至现场。
步骤4：搭建保温棚保证管桩入孔温度：
在现场搭建保温棚，将所有管桩放入保温棚中备用，确保沉桩时管桩的温度小于步骤2计算确定的温度。在由于在成孔过程中，孔周部分土体已处于融化状态，如果管桩入孔前温度过高，将会对多年冻土层造成进一步破坏。因此，在管桩入孔前进行控温可以最大程度的减少管桩对多年冻土层的扰动。
步骤5：成孔方式及钻孔布设：
不同与软土地区混凝土管桩的施工特征，由于多年冻土层的存在，本发明混凝土管桩施工时不宜采用直接静压法或锤击法，采取先钻孔后沉桩的施工顺序。成孔方式根据地质条件进行选择，在岛状冻土地区由于地温较高，地基极易受到扰动融化，为防止季节冻融层钻孔过程中孔壁坍塌，可选用回旋法或冲击法。由于岛状冻土含水率较高，冻结状态时强度较高，一旦融化其强度急剧降低，因此钻孔时宜采用泥浆进行护壁，防止钻孔过程中孔壁坍塌。
钻孔直径宜为混凝土管桩直径的0.7~0.9倍，由此沉桩过程对土体有一定的横向挤密作用，使桩柱周围的土体孔隙比减小、密度增大，土体与管桩之间的粘聚力与内摩擦角均有不同程度的提高，达到增强管桩承载力的效果。钻孔直径越小，桩周土体受到的挤密效果越好，加之多年冻土层经过一定时间回冻后，管桩与土体的冻结强度进一步提高管桩的承载力。此施工方法在一定程度上可提高混凝土管桩的承载特性，减弱岛状冻土地基的融沉及不均匀沉降问题。
钻机就位后，从钻机正面与侧面两个方向对钻机进行垂直检查，保证钻具垂直对准桩位中心点，垂直度偏差不超过0.5%。
钻孔呈多排并列设置，如图3所示，同一排中相邻两个钻孔之间的距离相等，相邻两排中的钻孔交错设置，一排钻孔位于相邻排两个钻孔之间，这样，所有管桩呈等边三角形布置。
步骤6：试桩施工及成桩质量检测：
在进行正式打桩施工之前，选取个别钻孔进行试打桩。本发明的沉桩方法不同于一般管桩，沉桩过程分两个阶段进行，并打至设计标高。第一个阶段为地表至多年冻土上限的距离，由于此段距离为季节冻融层，在钻孔过程中周围土体处于融化状态，且此部分土体含水率高性质类似软土，宜一次性沉桩完成，防止孔壁在施工工程中坍塌。第二阶段为多年冻土上限以下距离，此部分土层较坚硬，沉桩时宜增大压桩力，保证管桩顺利打入设计标高。
沉桩过程中需时刻记录桩柱的垂直度及打入速率，若出现贯入度突增、桩头混凝土破碎脱落、桩身突然倾斜等，需立即停止施工，对桩柱进行检测处理。
桩身质量检测：根据国家行业标准《建筑基桩检测技术规范》对桩身完整性使用低应变法进行检测；根据图4所示在桩间埋设温度传感器6与变形传感器7，并实施例优选的由近到远依次设置三个温度传感器6与变形传感器7，对桩周土体温度变化规律与变形特征进行监测，待桩间冻土融化、变形稳定后，进行复合地基承载力测试与单桩竖向抗压静载试验，确定复合地基承载力特征值及单桩极限承载力与单桩承载力特征值是否符合实际需要。
步骤7：打桩顺序及过程：
试桩合格后，方可进行正式打桩。对于公路这种线性工程，打桩顺序可根据线路轴线方向由一侧向另一侧进行，对于建筑地基可由了四周向中心进行打桩或者由中心向四周的施工顺序，具体可根据地基特点进行选择。
吊桩机就位，将经过步骤5降温的管桩起吊分两个阶段打入钻孔，并打至设计标高。
步骤8：桩帽浇筑：
沉桩完成后，在桩柱2顶部开挖一部分土体，在桩柱2顶部绑扎钢筋，固定模版，采用C25混凝土浇筑桩帽。浇筑成型后，将土体进行回填，保证地表平整，建成混凝土管桩。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，管桩包括依次连接的桩帽（1）、桩柱（2）和桩尖（4）；
桩帽（1）端面面积大于桩柱（2）端面面积，桩柱（2）顶部部分伸入至桩帽（1）底部，桩柱（2）为管状，桩柱（2）内部顶部与桩帽（1）一体式连接，下半部外周面设置有若干凹槽（3），桩尖（4）采用十字型的锥形钢桩尖（4）；
当将管桩设置在冻土地基中时，桩柱（2）的凹槽（3）部分位于冻土上限下方，桩柱（2）伸入冻土上限至少3m；
施工方法包括以下步骤；
步骤一，确定混凝土管桩进入钻孔前的温度T；
式中：为混凝土管桩内径，单位为cm；/>为混凝土管桩外径，单位为cm，/>为混凝土管桩间距，单位为cm；/>为冻土干密度，单位g/cm3；/>为桩体混凝土密度，单位为g/cm3；/>为冻土中的总含水率；/>为冻土中未冻水的含量；/>为混凝土的比热容，单位为J/(g·℃)；/>为冻土地温，单位为℃；/>为冰融化成水的相变潜热，单位为J/g；
在现场搭建保温棚，将所有管桩放入保温棚中备用，确保沉桩时管桩的温度小于计算确定的温度；
步骤二，进行成孔后，将连接在一起的桩柱（2）和桩尖（4）进行打桩，保证桩柱（2）的凹槽（3）部分位于冻土上限下方，桩柱（2）伸入冻土上限至少3m；
步骤三，沉桩完成后，在桩柱（2）顶部开挖土体，形成与桩帽（1）形状相同的盲孔，采用混凝土浇筑桩帽（1），浇筑成型后，将土体进行回填，保证地表平整。
2.根据权利要求1所述的一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，桩帽（1）为端面为正方形，边长为3~3.5倍的桩柱（2）外径，桩帽（1）厚度至多等于桩柱（2）外径，桩柱（2）顶部部分伸入桩帽（1）底部至少10cm。
3.根据权利要求1所述的一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，桩柱（2）内部顶部设置有两根平行的第一配筋（5）伸入桩帽（1）内部，第一配筋（5）与桩柱（2）轴线平行，桩帽（1）内部设置有与轴线垂直的第二配筋（5）。
4.根据权利要求1所述的一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，桩柱（2）上的凹槽（3）宽度为30~50mm，深度为0.2~0.3倍桩柱（2）的壁厚；相邻凹槽（3）间距不小于20cm。
5.根据权利要求1所述的一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，桩柱（2）外径为400~600mm，壁厚为100~150mm。
6.根据权利要求1所述的一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，成孔时，采取先钻孔后沉桩的施工顺序，钻孔时采用泥浆进行护壁。
7.根据权利要求6所述的一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，钻孔直径为桩柱（2）外径的0.7~0.9倍。
8.根据权利要求1所述的一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，步骤二之前，先进行试桩，在桩孔中设置温度传感器（6）和变形传感器（7），待桩间冻土融化、变形稳定后，进行复合地基承载力测试与单桩竖向抗压静载试验，确定复合地基承载力特征值及单桩极限承载力与单桩承载力特征值是否符合实际需要。
9.根据权利要求8所述的一种处理岛状冻土地基融沉混凝土管桩的施工方法，其特征在于，温度传感器（6）与变形传感器（7）均由近到远依次设置三个。
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Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JPH09125360A (ja) * | 1995-10-26 | 1997-05-13 | Seiken:Kk | 鋼管埋設と凍土造成による地盤改良工法 |
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