CN112081092A - 一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法。该方法采用分层加固的形式，将水泥土加固范围拓展到整个桩基础，大大降低常规既有桩基加固方法的造价与工作量，提升既有桩基的水平承载与抗震性能及安全性，延长其使用寿命，减少拆除和重建过程对原材料与能源的消耗，为既有桩基础的改造升级再利用提供了新方法，并可根据需要随时改变加固形式，具有工程应用和推广价值。

Description

一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法

技术领域

本发明涉及软土地基中既有桩基础加固领域，具体涉及一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法。

背景技术

静力或地震荷载引起的桩基侧向位移过大和桩身结构强度破坏而导致的上部桥梁或房屋等破坏的工程事故屡见不鲜，为控制水平受荷桩基的侧向变形和保证桩身结构安全，工程实践中通常采用增加桩的数量或采用更大直径桩基的方法，这大大增加了工程造价和工期。

目前国内外经常采用变截面桩、纤维增强桩、加翼桩等方法来改善桩基的水平承载与抗震性能，每种方法都有一定的适用范围，还未形成统一的标准，但这些方法均不能应用于既有桩基础的改造升级。随着基础设施建设升级，大量既有建构物下桩基需要改造提升其性能后再利用。既有桩基础的升级改造不仅增加桩基数量，还需要扩建既有承台或增加联系梁以保证新建桩基和既有桩基的整体刚度，施工致灾风险骤升。只从提高桩体截面抗弯刚度的角度来改善桩基础的水平承载和抗震性能具有一定的局限性，因为静、动力水平荷载下桩的承载与变形特性是桩土共同作用的结果，不仅与桩本身特性有关，还受桩周土体性质等影响。水平荷载下桩的侧向变形和弯矩主要发生在地表下数倍桩径深度内，因此桩的性状主要由该深度内土体抗力决定，桩身弯矩随荷载增加呈非线性增大，最大弯矩点位置也逐渐向深层发展，桩侧最大土抗力位置与桩身最大弯矩位置基本吻合。地震作用下，桩周土体对柔性桩水平支撑作用明显，土体非线性对桩身弯矩影响显著，极易引起地震放大效应的软土场地中桩土运动相互作用是引起桩基破坏。

通过地基处理方法改良桩侧土的性质，提高桩侧土抗力，大幅度降低桩头位移和桩身最大弯值，抑制场地加速度放大效应，有效降低可液化场地和群桩基础的动力响应，将水泥土加固形式从桩周局部拓展到整个桩基础，进而改善桩基础的水平承载和抗震性能。目前未见水泥土加固提升既有桩基础水平承载和抗震性能的施工方法的相关报道。

发明内容

发明目的：针对现有桩基加固方法不能应用于既有桩基础的改造升级，本发明提供一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，该方法采用分层加固的形式，将水泥土加固范围拓展到整个桩基础，大大降低常规既有桩基加固方法的造价与工作量，提升既有桩基的水平承载与抗震性能及安全性，延长其使用寿命，减少拆除和重建过程对原材料与能源的消耗，为既有桩基础的改造升级再利用提供了新方法，且具有广阔的工程应用与推广价值。

为了实现上述技术目的，本发采用如下技术方案：

一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，包括以下步骤：

步骤(1)，探明既有群桩基础下主要拟加固土层的天然含水率，根据拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值，确定水泥掺入量；

步骤(2)，加固方式采用分层加固的形式，所述分层加固方式包括水平向加固与深度方向加固，水平向加固范围包括桩基内部和群桩外侧一定范围；

水平向加固时：

根据建筑物的抗震设防烈度，确定群桩外侧水平向加固范围；

深度方向加固时：

根据基桩长径比值，确定分层的层数和层间距；

根据建筑物的抗震设防烈度，确定水泥土厚度；

步骤(3)，安装搅拌法或旋喷法施工机械，自下而上进行水泥土分层加固。

步骤(1)中根据拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值确定水泥掺入量步骤具体是：

拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值小于0.9时，水泥掺入量取值为10%~15%；

拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值介于0.9~1.1时，水泥掺入量取值为15%~20%；

拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值介于1.1~1.3时，水泥掺入量取值为20%~25%；

拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值大于1.3时，水泥掺入量取值为25%~30%。

步骤（2）中加固方式采用分层加固的形式，所述分层加固方式包括水平向加固与深度方向加固，水平向加固范围包括桩基内部和群桩外侧一定范围：

建筑物的抗震设防烈度≤6度时，桩基外侧加固范围取值为3D~4D；

建筑物的抗震设防烈度为7度，桩基外侧加固范围取值为4D ~5D；

建筑物的抗震设防烈度为8度，桩基外侧加固范围取值为5D ~6D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，桩基外侧加固范围取值为6D~7D；其中，D为既有桩基的直径。

步骤(2)中深度方向加固时，具体是：

当基桩长径比值≤20时，采用单层水泥土加固，水泥土加固层顶端与承台距离为3D；

建筑物的抗震设防烈度≤6度时，水泥土厚度根据具体基桩长径比按比例取3D~4D；

建筑物的抗震设防烈度为7度，水泥土厚度根据具体基桩长径比按比例取4D ~5D；

建筑物的抗震设防烈度为8度，水泥土厚度根据具体基桩长径比按比例取5D ~6D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，水泥土厚度根据具体基桩长径比按比例取6D~8D；

当基桩长径比介于20~35时，采用2层水泥土分层加固，水泥土加固层间距为3D，建筑物的抗震设防烈度≤6度时，水泥土加固层厚度取值为3D；

建筑物的抗震设防烈度为7度时，水泥土厚度取值为4D；

建筑物的抗震设防烈度为8度时，水泥土厚度取值为5D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，水泥土厚度取值为6D；

当基桩长径比介于35~50时，采用3层水泥土分层加固，层间距为3D，建筑物的抗震设防烈度≤6度时，水泥土厚度取值为2.5D；

建筑物的抗震设防烈度为7度时，水泥土厚度取值为3.25D；

建筑物的抗震设防烈度为8度时，水泥土厚度取值为4D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，水泥土厚度取值为4.75D；

当基桩长径比大于50时，采用4层水泥土分层加固，层间距为3D，建筑物的抗震设防烈度≤6度时，水泥土厚度取值为3D；

建筑物的抗震设防烈度为7度时，水泥土厚度取值为3.5D；

建筑物的抗震设防烈度为8度时，水泥土厚度取值为4D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，水泥土厚度取值为4.5D；

水泥土加固层的层间距离结合工地地质实际情况取3D~6D；

其中，D为既有桩基的直径。

有益效果：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1) 水泥土较软土可提供更大的水平土抗力，采用分层水泥固化改良既有桩基桩周土，提高了土体刚度增加土体抗力，改变了桩-土体系的相互作用规律，引起桩-土体系破坏模式和群桩效应的变化，显著提高桩基的水平承载力，有效降低可液化场地和群桩基础的动力响应，提升管桩的抗震效果。

(2) 通过分层加固的形式改良桩周土的思路来提升桩的水平承载与抗震性能，可以实现静、动力荷载作用下控制水平受荷桩基的侧向变形和保证桩身结构安全的目的。

(3)可在已有桩基础下进行分层加固处理，采用搅拌法或高压旋喷法施工工艺对桩间软土层和桩基础外侧软土层进行处理，实现桩周土水泥固化的目的，克服了变截面桩、纤维增强桩、加翼桩、在桩周打设搅拌桩或旋喷桩等传统桩基础水平承载与抗震性能加固方法只能在新建桩基时使用的缺陷。

(4) 采用分层加固改良桩周土提升桩基础的水平承载和抗震性能的方法不仅可用于既有桩基的改造升级，提升既有桩基的水平承载与抗震性能及安全性，延长其使用寿命，减少拆除和重建过程对原材料与能源的消耗，还可应用于新建桩基工程，减少新建桩基础的基桩数量或减少桩径，降低工程造价缩短工期。

附图说明

本发明共有2张附图

图1为软土地基中3×3群桩-土-结构的水泥土2层加固示意图；

图2为软土地基中3×3群桩-土-结构的水泥土4层加固示意图；

图中有：1、承台；2、水泥土加固区；3、既有桩基（直径D）；4、上部结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明是提供一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，主动采用水泥土加固的方法提升软土地基中既有桩基础水平承载和抗震性能，具体包括以下步骤：

首先探明既有群桩基础下主要拟加固土层的天然含水率，确定软弱土的水泥掺入量；

其次根据建（构）筑物的抗震设防烈度、既有桩基的桩径桩长和现场工程地质条件等确定水泥土水平方向加固范围，竖向加固层数、加固层间距及加固层厚度等施工参数，并严格按照拟定的施工顺序保质保量施工。

本发明操作简单方便，为既有桩基础的改造升级再利用开辟新的路径，值得被广泛推广。

本发明原理：水平静动力荷载下桩的承载与变形特性受桩周土体性质的影响，循环荷载作用下水泥土会发生胶结退化和刚度衰减，进而导致水泥土加固桩基础渐进破坏。

通过水泥土改良方法确定最大剪切模量时的配合比，采用地基处理方法改良桩侧土性质，提高桩侧土抗力和改善桩土相互作用，土抗力约束了桩基变形的进一步发展，桩基础外侧的水泥土可大幅度降低桩头位移和桩身最大弯值，显著提高既有桩基的水平承载力；

水泥土加固桩周土将导致桩-土-结构动力相互作用发生显著的变化，改变桩-土体系的自振特性，增加桩-土体系刚度，减小桩-土体系加速度和侧向位移，从而改善桩基础的抗震性能。

实施例1

一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，探明既有群桩基础下主要拟加固土层的天然含水率，确定软弱土的水泥掺入量；

步骤2，根据建（构）筑物的抗震设防烈度、既有桩基的桩径桩长和现场工程地质条件等确定水泥土水平方向加固范围，竖向加固层数、加固层间距及加固层厚度等施工参数；

步骤3，安装搅拌法或旋喷法施工机械，自下而上进行水泥土分层加固，对软土地基中既有3×3群桩-土-结构进行2层水泥土分层加固，水平方向加固范围为17D，加固深度为16D，每层水泥土厚度为5D，净间距3D，如图1所示。

实施例2

一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，探明既有群桩基础下主要拟加固土层的天然含水率，确定软弱土的水泥掺入量；

步骤2，根据建（构）筑物的抗震设防烈度、既有桩基的桩径桩长和现场工程地质条件等确定水泥土水平方向加固范围，竖向加固层数、加固层间距及加固层厚度等施工参数；

步骤3，安装搅拌法或旋喷法施工机械，自下而上进行水泥土分层加固，对软土地基中既有3×3群桩-土-结构进行4层水泥土分层加固，水平方向加固范围为19D，加固深度为26D，每层水泥土厚度为3.5D，净间距3D，如图2所示。

Claims (4)

1.一种提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，探明既有群桩基础下主要拟加固土层的天然含水率，根据拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值，确定水泥掺入量；

步骤(2)，加固方式采用分层加固的形式，所述分层加固方式包括水平向加固与深度方向加固，水平向加固范围包括桩基内部和群桩外侧一定范围；

水平向加固时：

根据建筑物的抗震设防烈度，确定群桩外侧水平向加固范围；

深度方向加固时：

根据基桩长径比值，确定分层的层数和层间距；

根据建筑物的抗震设防烈度，确定水泥土厚度；

步骤(3)，安装搅拌法或旋喷法施工机械，自下而上进行水泥土分层加固。

2.根据权利要求1所述的提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，其特征在于，步骤(1)中根据拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值确定水泥掺入量步骤具体是：

拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值小于0.9时，水泥掺入量取值为10%~15%；

拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值介于0.9~1.1时，水泥掺入量取值为15%~20%；

拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值介于1.1~1.3时，水泥掺入量取值为20%~25%；

拟加固土层的天然含水率与土体液限的比值大于1.3时，水泥掺入量取值为25%~30%。

3.根据权利要求1所述的提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，其特征在于，步骤（2）中水平向加固范围包括桩基内部和群桩外侧一定范围：

建筑物的抗震设防烈度≤6度时，桩基外侧加固范围取值为3D~4D；

建筑物的抗震设防烈度为7度，桩基外侧加固范围取值为4D ~5D；

建筑物的抗震设防烈度为8度，桩基外侧加固范围取值为5D ~6D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，桩基外侧加固范围取值为6D~7D；其中，D为既有桩基的直径。

4.根据权利要求1所述的提升既有桩基水平承载与抗震性能的施工方法，其特征在于，步骤(2)中深度方向加固时，具体是：

当基桩长径比值≤20时，采用单层水泥土加固，水泥土加固层顶端与承台距离为3D；

建筑物的抗震设防烈度≤6度时，水泥土厚度根据具体基桩长径比按比例取3D~4D；

建筑物的抗震设防烈度为7度，水泥土厚度根据具体基桩长径比按比例取4D ~5D；

建筑物的抗震设防烈度为8度，水泥土厚度根据具体基桩长径比按比例取5D ~6D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，水泥土厚度根据具体基桩长径比按比例取6D~8D；

当基桩长径比介于20~35时，采用2层水泥土分层加固，水泥土加固层间距为3D，建筑物的抗震设防烈度≤6度时，水泥土加固层厚度取值为3D；

建筑物的抗震设防烈度为7度时，水泥土厚度取值为4D；

建筑物的抗震设防烈度为8度时，水泥土厚度取值为5D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，水泥土厚度取值为6D；

当基桩长径比介于35~50时，采用3层水泥土分层加固，层间距为3D，建筑物的抗震设防烈度≤6度时，水泥土厚度取值为2.5D；

建筑物的抗震设防烈度为7度时，水泥土厚度取值为3.25D；

建筑物的抗震设防烈度为8度时，水泥土厚度取值为4D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，水泥土厚度取值为4.75D；

当基桩长径比大于50时，采用4层水泥土分层加固，层间距为3D，建筑物的抗震设防烈度≤6度时，水泥土厚度取值为3D；

建筑物的抗震设防烈度为7度时，水泥土厚度取值为3.5D；

建筑物的抗震设防烈度为8度时，水泥土厚度取值为4D；

建筑物的抗震设防烈度在9度及以上时，水泥土厚度取值为4.5D；

水泥土加固层的层间距离结合工地地质实际情况取3D~6D；

其中，D为既有桩基的直径。

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