CN112627162A - 一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩及其施工方法，包括中间芯桩和外围桩，外围桩包裹中间芯桩，中间芯桩为地聚合物材料浆固碎石桩，外围桩为可排水的砂桩，地聚合物材料浆固碎石桩与砂桩咬合接触以组成排水劲芯复合桩。本发明将复合桩技术与地聚合物材料技术结合起来，利用地聚合物材料的固化效应和砂桩的排水效应，实现地基加固与排水的双重作用，大幅度提高了软土地基的承载力；本发明施工工艺简单，可操作性强，施工得到的排水劲芯复合桩不仅整体性好、承载力高、排水速度快，加固软土地基效果显著，而且利用工业废渣制备地聚合物浆液，绿色低碳、经济效益高。

Description

一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩及其施工方法
技术领域
本发明属于软土地基加固及桩基础技术领域，尤其涉及一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩及其施工方法，主要适用于沿海地区高速公路、铁路等软土地基的加固处理。
背景技术
在我国东部沿海地区，广泛分布着含水率高、压缩性大、承载力低、渗透性差、灵敏度高的深厚软黏土层，在这些地区进行高速公路、铁路等工程建设时，往往需要对软土地基进行加固处理。复合桩基是一种可靠性较高、工程效益较好的加固方法，已在各类工程建设中得到广泛应用。该方法在软土地层中设置强度和模量较高的桩体，如水泥土桩、钻孔灌注桩、预制混凝土桩等，将大部分荷载直接由桩体传递到下卧层，从而提高软基承载力，减小其工后沉降。
为进一步提升桩基础的承载性能，专利号为200420024553.2的专利公开了一种粉喷复合桩，专利号为200910063340.8的专利公开了一种水泥浆喷射多向加芯搅拌桩成桩方法，这两个专利分别公开了由预制混凝土桩和水泥土桩组合构成的劲芯复合桩的技术方案，即先在现场施打水泥土桩，然后在其中心插入预制混凝土桩。这些工法结合了预制混凝土桩和水泥土桩的技术优势，利用价格较低、体积较大的水泥土桩加固预制混凝土桩的桩周土体，可显著提高预制混凝土桩的承载性能。
但这些技术方案中均采用水泥土桩作为劲芯复合桩的外围桩，存在如下缺点：1）水泥土桩桩身强度及桩侧摩阻力发挥程度受土质、地下水等因素影响很大，尤其是遇到淤泥质土、泥炭土等，施工质量难以保证；2）预制混凝土桩在压入过程中，很难保证其位于水泥土桩的中心位置，且在压入时易发生偏斜，难以达到预期效果；3）在水泥土中施打劲芯桩，不仅需要消耗较大的能量，而且振动本身对周围环境影响也较大，同时振动挤压作用导致桩周软黏土中产生较大的超孔隙水压力，且不易消散。
专利号为200610037621.2的中国专利《加固深厚软基的砼芯砂石桩复合地基法》和专利号为201320462136.5的中国专利《一种砼芯砂石桩复合地基》分别公开了由砂石桩和预制混凝土桩或现浇混凝土桩组合构成的复合桩技术方案，混凝土桩外围的砂石桩克服了水泥土桩的某些缺陷，且砂石桩的排水效应可加速桩周软黏土的固结速率，但这些技术方案实施时仍难以保证混凝土桩位于砂石桩的中心位置，且复合桩的整体性较差。此外，以上技术方案均采用高强度的混凝土桩作为复合桩的芯桩，其成本较高，而且水泥在生产过程中需要消耗大量资源和能源，并排放大量的粉尘以及CO2、CO、NO、SO2等有害废气，其存在的高能耗、高污染排放等缺陷势必会对生态环境造成严重威胁。
因此，本领域技术人员亟需提供一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩及其施工方法，实现地基加固与排水的双重作用，并解决现有技术中存在的复合桩整体性差、施工成本高、环境污染严重等问题。
发明内容
本发明目的是提供一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩及其施工方法，实现地基加固与排水的双重作用，并解决现有技术中存在的复合桩整体性差、施工成本高、环境污染严重等问题。
为了实现上述，本发明提供了一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩，包括中间芯桩和外围桩，所述外围桩包裹所述中间芯桩，所述中间芯桩为地聚合物材料浆固碎石桩，所述外围桩为可排水的砂桩，所述地聚合物材料浆固碎石桩与所述砂桩咬合接触，以组成排水劲芯复合桩。
优选的，所述地聚合物材料浆固碎石桩内设有钢筋笼。
本发明还提供一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，包括以下步骤：
步骤S01、清表回填，施工放样，根据预设的桩径和桩长采用螺旋钻机或旋挖钻机在软弱地层中钻设桩孔至预设的深度；
步骤S02、起吊双层钢套管，对准桩孔并调整垂直度，启动振动设备将所述双层钢套管压入桩孔至设计标高，并保证所述双层钢套管上端高出地面1.0 m以上；
步骤S03、移开振动设备，在所述双层钢套管的内套管的空腔内下放注浆钢管并填充碎石料，同时在所述双层钢套管的内、外钢套管之间形成的环形空腔内灌注砂料直至填满；
步骤S04、启动注浆系统，通过步骤S03中预埋的注浆钢管向碎石料中灌注地聚合物浆液，并与碎石料胶结形成聚合物材料浆固碎石桩，注浆时采用边注浆边拔所述注浆钢管；
步骤S05、注浆完成后，启动振动设备，边振动边拔出所述双层钢套管，在此过程中，每上拔3～5 m向所述双层钢套管内补填砂料、碎石料以及所述地聚合物浆液，以使部分地聚合物浆液渗透进入外围砂料中，并与所述聚合物材料浆固碎石桩之间形成咬合接触；
步骤S06、振动拔管完成后，清除桩顶及其附近多余的砂料、碎石料和浆液，即完成一根排水劲芯复合桩的施工。
优选的，所述步骤S04中，所述地聚合物浆液由高活性复合微粉、碱激发剂、缓凝剂和水按照预设的比例混合制备而成；其中，地聚合物浆液的原料质量百分比为：高活性复合微粉为50%～60%、碱激发剂为10%～15%、缓凝剂为1.0%～2.0%、水为30%～40%，水与高活性复合微粉之比控制在0.6～0.8。
优选的，所述高活性复合微粉的原料包括煤系偏高岭土微粉、高炉矿渣微粉以及稻壳灰，所述高活性复合微粉的细度控制在600～1000 m2/kg。
优选的，所述高活性复合微粉的质量百分比为：所述煤系偏高岭土微粉为30%～50%、所述高炉矿渣微粉为30%～40%、所述稻壳灰为20%～30%。
优选的，所述碱激发剂为NaOH或NaOH与水玻璃的混合溶液。
优选的，所述步骤S04中，上拔所述注浆钢管的速度控制在0.8～1.5 m/min。
优选的，所述步骤S02中的双层钢套管包括内套管、外套管和连接肋板，所述内套管和外套管之间通过连接肋板连接固定。
优选的，所述内套管和外套管的上下端均敞口，所述外套管的直径为1000～1200mm，所述内套管的直径为400～600 mm，所述外套管的直径略大于所述桩孔的直径。
本发明提供的一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩及其施工方法，具有以下优点：
（1）本发明将复合桩技术与地聚合物材料技术结合起来，利用地聚合物材料的固化效应和砂桩的排水效应，实现地基加固与排水的双重作用，大幅度提高了软土地基的承载力；
（2）与常规复合桩技术相比，本发明的地聚合物浆液采用价格低廉的工业废渣复合微粉与碱激发剂等混合制备而成，通过胶结碎石料获得承载性能与耐久性能均较高的浆固碎石桩相结合，同时一部分地聚合物浆液渗透进入外围砂桩中，使得砂桩与浆固碎石桩之间形成咬合接触，有效改善了砂桩与浆固碎石桩的界面特性；
（3）本发明施工工艺简单，可操作性强，施工得到的排水劲芯复合桩不仅整体性好、承载力高、排水速度快，加固软土地基效果显著，而且利用工业废渣制备地聚合物浆液，绿色低碳、经济效益高。
附图说明
图1为本发明中基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的结构图；
图2为图1中排水劲芯复合桩的剖面图；
图3为本发明中双层钢套管的结构示意图；
图4为图3中双层钢套管的剖面图；
图5为本发明中基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工图。
图中，1、地聚合物材料浆固碎石桩；2、砂桩；3. 双层钢套管；301. 内套管；302.外套管；303. 连接肋板；4、注浆钢管。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
如图1、2所示，本发明提供了一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩，包括中间芯桩和外围桩，外围桩包裹中间芯桩，中间芯桩为地聚合物材料浆固碎石桩1，外围桩为可排水的砂桩2，地聚合物材料浆固碎石桩1与砂桩2咬合接触，以组成排水劲芯复合桩。
为了进一步提高的提高地聚合物材料浆固碎石桩1的强度，可在聚合物材料浆固碎石桩1内设置钢筋笼。
本发明将复合桩技术与地聚合物材料技术结合起来，利用地聚合物材料的固化效应和砂桩的排水效应，实现地基加固与排水的双重作用，大幅度提高了软土地基的承载力。
如图5所示，本发明还提供一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，包括以下步骤：
步骤S01、清表回填，施工放样，根据预设的桩径和桩长采用螺旋钻机或旋挖钻机在软弱地层中钻设桩孔至预设的深度；
步骤S02、起吊双层钢套管3，对准桩孔并调整垂直度，启动振动设备将双层钢套管3压入桩孔至设计标高，并保证所述双层钢套管3上端高出地面1.0 m以上；
请参阅图3-4，步骤S02中的双层钢套管3包括内套管301、外套管302和连接肋板303，内套管301和外套管302之间通过连接肋板303连接固定。内套管301和外套管302的上下端均敞口，外套管302的直径为1000～1200 mm，内套管301的直径为400～600 mm，外套管302的直径略大于桩孔的直径。
步骤S03、移开振动设备，在双层钢套管的内套管301的空腔内下放注浆钢管4并填充碎石料，同时在双层钢套管的内、外钢套管之间形成的环形空腔内灌注砂料直至填满；
步骤S04、启动注浆系统，通过步骤S03中预埋的注浆钢管4向碎石料中灌注地聚合物浆液，并与碎石料胶结形成聚合物材料浆固碎石桩，注浆时采用边注浆边拔所述注浆钢管，上拔注浆钢管4的速度控制在0.8～1.5 m/min；
步骤S05、注浆完成后，启动振动设备，边振动边拔出双层钢套管3，在此过程中，每上拔3～5 m向双层钢套管3内补填砂料、碎石料以及地聚合物浆液，以使部分地聚合物浆液渗透进入外围砂料中，并与聚合物材料浆固碎石桩1之间形成咬合接触；
步骤S06、振动拔管完成后，清除桩顶及其附近多余的砂料、碎石料和浆液，即完成一根排水劲芯复合桩的施工。
本实施例中地聚合物浆液由高活性复合微粉、碱激发剂、缓凝剂和水按照预设的比例混合制备而成；其中，地聚合物浆液的原料质量百分比为：高活性复合微粉为50%～60%、碱激发剂为10%～15%、缓凝剂为1.0%～2.0%、水为30%～40%，水与高活性复合微粉之比控制在0.6～0.8。
地聚合物浆液采用价格低廉的工业废渣复合微粉与碱激发剂等混合制备而成，通过胶结碎石料获得承载性能与耐久性能均较高的浆固碎石桩相结合，同时一部分地聚合物浆液渗透进入外围砂桩中，使得砂桩与浆固碎石桩之间形成咬合接触，有效改善了砂桩与浆固碎石桩的界面特性。
其中，高活性复合微粉的原料包括煤系偏高岭土微粉、高炉矿渣微粉以及稻壳灰，高活性复合微粉的细度控制在600～1000 m2/kg；高活性复合微粉的质量百分比为：煤系偏高岭土微粉为30%～50%、所述高炉矿渣微粉为30%～40%、所述稻壳灰为20%～30%。
此外，碱激发剂为NaOH或NaOH与水玻璃的混合溶液。
本发明施工工艺简单，可操作性强，施工得到的排水劲芯复合桩不仅整体性好、承载力高、排水速度快，加固软土地基效果显著，而且利用工业废渣制备地聚合物浆液，绿色低碳、经济效益高。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩，其特征在于，包括中间芯桩和外围桩，所述外围桩包裹所述中间芯桩，所述中间芯桩为地聚合物材料浆固碎石桩，所述外围桩为可排水的砂桩，所述地聚合物材料浆固碎石桩与所述砂桩咬合接触，以组成排水劲芯复合桩。
2.根据权利要求1所述的基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩，其特征在于，所述地聚合物材料浆固碎石桩内设有钢筋笼。
3.一种基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01、清表回填，施工放样，根据预设的桩径和桩长采用螺旋钻机或旋挖钻机在软弱地层中钻设桩孔至预设的深度；
步骤S02、起吊双层钢套管，对准桩孔并调整垂直度，启动振动设备将所述双层钢套管压入桩孔至设计标高，并保证所述双层钢套管上端高出地面1.0 m以上；
步骤S03、移开振动设备，在所述双层钢套管的内套管的空腔内下放注浆钢管并填充碎石料，同时在所述双层钢套管的内、外钢套管之间形成的环形空腔内灌注砂料直至填满；
步骤S04、启动注浆系统，通过步骤S03中预埋的注浆钢管向碎石料中灌注地聚合物浆液，并与碎石料胶结形成聚合物材料浆固碎石桩，注浆时采用边注浆边拔所述注浆钢管；
步骤S05、注浆完成后，启动振动设备，边振动边拔出所述双层钢套管，在此过程中，每上拔3～5 m向所述双层钢套管内补填砂料、碎石料以及所述地聚合物浆液，以使部分地聚合物浆液渗透进入外围砂料中，并与所述聚合物材料浆固碎石桩之间形成咬合接触；
步骤S06、振动拔管完成后，清除桩顶及其附近多余的砂料、碎石料和浆液，即完成一根排水劲芯复合桩的施工。
4.根据权利要求3所述的基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，其特征在于，所述步骤S04中，所述地聚合物浆液由高活性复合微粉、碱激发剂、缓凝剂和水按照预设的比例混合制备而成；其中，地聚合物浆液的原料质量百分比为：高活性复合微粉为50%～60%、碱激发剂为10%～15%、缓凝剂为1.0%～2.0%、水为30%～40%，水与高活性复合微粉之比控制在0.6～0.8。
5.根据权利要求4所述的基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，其特征在于，所述高活性复合微粉的原料包括煤系偏高岭土微粉、高炉矿渣微粉以及稻壳灰，所述高活性复合微粉的细度控制在600～1000 m2/kg。
6.根据权利要求5所述的基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，其特征在于，所述高活性复合微粉的质量百分比为：所述煤系偏高岭土微粉为30%～50%、所述高炉矿渣微粉为30%～40%、所述稻壳灰为20%～30%。
7.根据权利要求4所述的基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，其特征在于，所述碱激发剂为NaOH或NaOH与水玻璃的混合溶液。
8.根据权利要求3所述的基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，其特征在于，所述步骤S04中，上拔所述注浆钢管的速度控制在0.8～1.5 m/min。
9.根据权利要求3所述的基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，其特征在于，所述步骤S02中的双层钢套管包括内套管、外套管和连接肋板，所述内套管和外套管之间通过连接肋板连接固定。
10.根据权利要求9所述的基于地聚合物注浆的排水劲芯复合桩的施工方法，其特征在于，所述内套管和外套管的上下端均敞口，所述外套管的直径为1000～1200 mm，所述内套管的直径为400～600 mm，所述外套管的直径略大于所述桩孔的直径。
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