CN113235578A - 一种规则扩底尺寸囊注包及囊注成型方法 - Google Patents

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CN113235578A CN202110547965.2A CN202110547965A CN113235578A CN 113235578 A CN113235578 A CN 113235578A CN 202110547965 A CN202110547965 A CN 202110547965A CN 113235578 A CN113235578 A CN 113235578A
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Abstract

本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种规则扩底尺寸囊注包，包括浆囊包、上隔板、注浆管、排水网络、排水管和限位条，浆囊包的上端设置上隔板，上隔板中部设置孔盖，上隔板在孔盖的外围可拆卸设置有输送杆，孔盖上设置有注浆管，注浆管与浆囊包内部连通，浆囊包外侧设置有排水网络，排水网络通过上隔板和孔盖连通至排水管，排水管设置在孔盖上，浆囊包的下端设置有底隔板或桩靴，限位条位于浆囊包外侧、铰接设置在上隔板上。还涉及一种规则扩底尺寸囊注成型方法。本发明能够有效控制囊注包的展开形状，可实现桩端扩大头形状的规则化和优化，能够加快土体压密、扩大压密土体范围和增加压密空间，提高了桩端和桩整体的承载能力。

Description

一种规则扩底尺寸囊注包及囊注成型方法
技术领域
本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种规则扩底尺寸囊注包及囊注成型方法。
背景技术
扩底桩承载力高，因此人们不仅充分利用地质条件，而且尽量创造条件采用扩底桩。研究表明，扩底桩的扩大头空间的大小及其施工方法不同，其承载力的提高程度差别很大。
扩大头空间的施工方法有取土法和挤密法。从提高承载力来看，挤密法会使扩大头空间侧向土体挤密，而侧向的挤密又相当于给扩大头下部土体增加约束。因此，挤密法优于取土法。近些年的研究表明，桩端土质硬，桩侧尤其是桩端附近的侧摩阻力有一定的提高，从而使桩的承载力有大幅提高。如何实现桩端和此处桩侧土体压密成扩大头空间，以实现桩承载力最大化，是业内技术人员的追求。
中国专利“预承力桩的预承包装置”(ZL92202624.6)就是一种扩大头空间挤土压密成形技术。但是，由于土体的压缩性的限制，完全依靠这种挤密法所形成的扩大头空间有限。而且，这种方法所形成的空间形状不是最佳的，也较难控制好，给设计带来一定的不确定性。因此，此技术虽然使桩承载力有一定的提高，但未得到很好的推广应用。
为了解决这种技术的不足，提出一种规则扩底尺寸囊注成型方法。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种规则扩底尺寸囊注包及囊注成型方法，能够有效控制囊注包的展开形状，可实现桩端扩大头形状的规则化和优化，能够加快土体压密、扩大压密土体范围和增加压密空间，提高了桩端和桩整体的承载能力。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种规则扩底尺寸囊注包，包括浆囊包、上隔板、注浆管、排水网络、排水管和限位条，所述浆囊包的上端设置所述上隔板，上隔板中部设置孔盖，上隔板在孔盖的外围可拆卸设置有输送杆，所述孔盖上设置有所述注浆管，注浆管与浆囊包内部连通，浆囊包外侧设置有所述排水网络，排水网络通过上隔板和孔盖连通至排水管，所述排水管设置在孔盖上，浆囊包的下端设置有底隔板或桩靴，多个所述限位条位于浆囊包外侧、铰接设置在上隔板上，上隔板上设置有围筒。
在进一步地优选方案中，所述上隔板在对应限位条的铰接处设置有限位挡块，所述限位挡块朝向限位条的一侧为倾斜面。
在进一步地优选方案中，所述上隔板上设置有辐射状排布的多条通水孔，所述通水孔一端连接排水网络，所述孔盖对应通水孔另一端的位置设置有环形槽，所述环形槽与排水管相连通。
在进一步地优选方案中，所述排水网络包括环向和纵向设置的若干条排水条带，纵向设置的排水条带的上端连接上隔板的通水孔。
在进一步地优选方案中，所述底隔板中部设置有卸压阀；桩靴的两侧对称设置有卸压阀。
一种基于所述的囊注包的规则扩底尺寸囊注成型方法，包括以下步骤：
步骤1：确定扩大头尺寸和囊注包尺寸：扩大头尺寸应根据基桩承载力要求进行设计，同时要考虑桩端土体压密效应来确定；依据扩大头上圆台尺寸确定限位条长度，依据扩大头的形状与尺寸确定囊注包完全展开后的形状与尺寸；根据桩直径，确定上隔板尺寸和底隔板或桩靴尺寸；
步骤2：确定囊注包沉入时的预留空间：根据土体固结理论及工程经验，估算桩端土体在拟定囊注包挤压下可形成的最大空间大小，以设计扩大头体积与该挤出空间之差作为囊注包沉入孔底后拟预占据的空间大小——即预留空间，预留空间的设置是因为按设计注浆压力无法通过囊注包扩展挤密土体达到扩大头体积，但为了实现扩底端的尺寸必须预先留出不通过挤土得到的空间体积，这个体积通过囊注包预留空间来实现；
囊注包预留空间的形状为圆柱体，直径D取限位条自然垂下所围成圆圈的内接圆直径，高度h通过下式计算得出：
Figure BDA0003074225720000021
式中V0为扩大头体积设计值，cm3；
V为囊注挤压下土体压密所形成的空间体积，cm3，取半无限空间宽度为h0的条形荷载(荷载值为囊注包中浆液压力)作用下土体竖向压缩量乘以
Figure BDA0003074225720000022
或
Figure BDA0003074225720000023
之值；
D0为扩大头圆柱段直径；
h0为扩大头总高度，即两圆台段高度与圆柱段高度之和；
D为囊注包预留空间的直径，取值为限位条自然垂下所围成圆圈的内接圆直径；
步骤3：组装囊注包，将囊注包限定在限位条自然垂下所围范围之内，在预留空间高度方向上的限位条上对称设置尼龙搭扣拉绳，托住收拢的囊注包；取下孔盖向浆囊包内填满卵石，然后再装上孔盖，以保证预留空间的高度和径向宽度；连接排水管和注浆管；连接输送杆；
步骤4：钻桩身孔；
步骤5：超钻：当囊注挤压土体所能产生的空间小于桩扩底部分体积时，需要额外钻出其不足部分的空间，即超钻。超钻深度h超可通过下式估算：
Figure BDA0003074225720000031
式中D孔为钻孔直径；
D为囊注包预留空间的直径；
h为囊注包预留空间的高度；
步骤6：下放囊注包：通过输送杆将囊注包缓缓下放至孔底，并保持输送杆居中；
步骤7：浇灌桩身混凝土，卸除输送杆，7～28天后实施囊注扩底：
(a)配制浆液，水泥∶水∶添加剂＝1∶(0.5～0.7)∶0.08，水泥采用P.O.52.5普通硅酸盐水泥，添加剂采用UEA膨胀剂；
(b)将注浆管连接注浆泵；
(c)通过注浆管向浆囊包内先间歇式注浆，排除浆囊包中的空气；之后连续注浆，浆囊包在张开过程中将尼龙搭扣绳撑开，浆囊包向底部和侧边挤压土体，土体中的超静孔隙水压力产生；随着土体中的水和/或气体通过浆囊包外表面的排水网络，进入上隔板、再沿排水管排出地面；
步骤8：待步骤7中的浆液固化后，向排水管中填充浆液；
步骤9：截断桩顶处的排水管和注浆管，顺桩头切掉排水管和注浆管。
在进一步地优选方案中，在步骤7中，当限位条完全打开，注浆量基本达到囊注包最大设计容量时，注浆压力会出现陡升现象，此时停止注浆并维持该注浆压力2～6小时，或至排水管无水排出时，继续并逐渐加大压力注入浆液，当浆囊包中的浆液超过某高压值时，浆液将从卸压阀处喷出，并将对桩端土和囊注包外周进行密实、劈裂；如此多实施几次，可进一步强化桩端土体；最后一次注入时，关闭排水管，并可注入能使水泥浆在短时间凝固的浆液，当浆液输入量基本为0时，关闭注浆管。
在进一步地优选方案中，如果注浆压力达到设计值但注浆量远未达到囊注包最大设计容量时，关闭注浆管，待2～6小时后囊注包周边土体中超高的超静孔隙水压力大幅消散，甚至基本消散时进行补注，最终使注浆量达到囊注包最大设计容量。
在进一步地优选方案中，对于钢筋混凝土基桩，在步骤7浇灌桩身混凝土之前，下放钢筋笼。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.本发明提供的囊注包展开形状可控，能够达到预先设计的形状。浆囊包的上端设置上隔板、下端设置底隔板或桩靴，上隔板上设置有限位条，在浆囊包被撑开时，上隔板和限位条对浆囊包的上侧形状进行限位，底隔板或桩靴对浆囊包的下侧形状进行限制，使撑开的浆囊包形成上部的圆台段、中部的圆柱段、下部的圆台段，以达到设计的形状，实现桩端扩大头形状的规则化和优化。
2.本发明提供的囊注包包括设置在浆囊包外表的排水网络，排水网络通过上隔板和孔盖连通至排水管，在浆囊包展开也即囊注包展开时，通过排水网络将土体中的水和/或气体集聚，并将其通过排水管排出，降低囊注包展开时在周围土体中形成的超静孔隙水压力并使其逐渐消散，从而使土体快速被压密。
3.本发明提供的囊注包的浆囊包下端设置有底隔板或桩靴，底隔板上设置有卸压阀，桩靴上设置有卸压阀，当浆囊包中的浆液超过某高压值时，浆液将从卸压阀处喷出，对桩端土和囊注包外周进行密实、劈裂，可进一步强化桩端土体。
4.本发明提供的囊注成型方法，能够适于钻孔和扩孔稳定性差的土层，尤其是软土，消除或削减桩端沉渣与土层扰动的不利影响，提高桩端承载能力，充分发挥桩端桩侧承载耦合作用，提高桩整体承载能力，对扩大头形状规则化和优化，扩大头尺寸的超大化。
附图说明
图1是本发明一种规则扩底尺寸囊注包展开后的剖视结构示意图；
图2是本发明带桩靴的囊注包展开后的剖视结构示意图；
图3是上隔板、浆囊包和限位条的剖视结构示意图；
图4是上隔板的俯视结构示意图；
图5是带桩靴的囊注包的剖视结构示意图；
图6是带底隔板的囊注包的剖视结构示意图；
图7是囊注成型在囊注扩底钢筋混凝土基桩成桩过程图，其中，图(a)为钻进成孔，图(b)为超钻搅动，图(c)为下放囊注包和钢筋笼，图(d)为灌混凝土；图(e)为囊注扩底；
图8是囊注成型在囊注扩底素混凝土桩成桩过程图，其中，图(a)为钻进成孔，图(b)为超钻搅动，图(c)为下放囊注包，图(d)为灌混凝土；图(e)为囊注扩底。
附图中标号为：1为浆囊包，2为上隔板，201为限位挡块，202为通水孔，3为注浆管，4为排水管，5为限位条，601为底隔板，602为桩靴，7为孔盖，701为环形槽，8为输送杆，9为围筒，10为扩大头，11为钢筋笼，12为接口，13为卸压阀，14为连接件，15为排水条带。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“横向”“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1～图8所示，本实施例提供一种规则扩底尺寸囊注包，包括浆囊包1、上隔板2、注浆管3、排水网络、排水管4和限位条5。
所述浆囊包1采用内侧刷胶的帆布制作而成，浆囊包1的上端设置所述上隔板2、与上隔板2连接牢固，浆囊包1的下端设置有底隔板601或桩靴602。
所述上隔板2选用加筋的混凝土面板，厚度50～100mm，上隔板2直径略小于钻孔直径5～10cm；上隔板2的中部预留有圆孔，圆孔内设置有预埋钢管型接口12，接口12的上端伸出上隔板2并设置有外螺纹，接口12的下端设置有内螺纹，上隔板2通过接口的内螺纹设置有孔盖7、通过接口的外螺纹设置有输送杆8，所述输送杆8为中空环形管；上隔板2周边设置有围筒9，围筒9高200～300mm，围筒9为采用矩形的薄铁皮卷成的圆筒状，矩形铁皮在卷制时，铁皮的两端存在相互重叠的部分，铁皮的下端与上隔板2连接，在孔内混凝土浇注时，围筒9的上端会张开成喇叭状，切断混凝土与囊注包在钻孔孔壁附近的联系，防止底部土体挤入到上隔板2之上。
所述孔盖7由混凝土材料制作而成，孔盖7上设置有所述注浆管3，注浆管3与浆囊包1内部连通，浆囊包1外侧设置有所述排水网络，排水网络通过上隔板2和孔盖7连通至排水管4，所述排水管4设置在孔盖7上。
所述注浆管3为PVC管，下放本囊注包后注浆管3应向上延伸至地表；注浆管3的地表段设有开关装置，控制浆液的进入与空气的排出。
所述排水管4采用PVC管，下放本囊注包后排水管4应向上延伸至地面，排水管4的地表段连接真空泵，通过真空泵加速桩扩孔区域地下水的排出，即加速其固结，使土体得到进一步的强化。
所述限位条5位于浆囊包1外侧、铰接设置在上隔板2上，限位条5采用钢条，限位条5的条数以6～12条为宜(条数的多少与扩大头尺寸有关)，沿上隔板2外缘均匀分布。关于限位条5与上隔板2的铰接结构：在上隔板2预埋连接件14，连接件14采用钢筋制作，并与上隔板2中的钢筋相连，限位条5可通过该连接件14与上隔板2铰接。
上述的，所述上隔板2在对应限位条5的铰接处设置有限位挡块201，所述限位挡块201朝向限位条5的一侧为倾斜面，通过该倾斜面对限位条5的张开范围进行限制。在浆囊包1展开状态下，限位条5对浆囊包1上部形成限位，限制浆囊包1上端的形状，使浆囊包上端形成圆台段，浆囊包1的中部形成大头的圆柱段，浆囊包1的下端由底隔板601或桩靴602的限制形成圆台段。浆囊包的上圆台、中圆柱、下圆台的复合形状是可以根据扩底桩扩大头的形状进行预先设定的，并且展开后形成的就是预先设定好的形状，也即是扩底桩扩大头形状，如图1和图2所示。
具体的，所述上隔板2上设置有辐射状排布的多条通水孔202，所述通水孔202位于上隔板2的内部，通水孔202下端连接排水网络，所述孔盖7对应通水孔202上端的位置设置有环形槽701，所述环形槽701与排水管4相连通，排水网络通过通水孔202和环形槽701连通至排水管4。
进一步地，所述排水网络包括环向和纵向设置的若干条排水条带15，排水条带15采用常规的窄土工排水带，排水条带可用胶粘贴在浆囊包1上，由于浆囊包1的下端设置有底隔板601或桩靴602，故在底隔板601的底面或桩靴602的侧面也粘贴有排水条带。纵向排水条带可设2～4条，环向排水条带可在浆囊包1的扩大头的圆柱段和上圆台段各设1～2条。纵向排水条带上端插入上隔板中2的通水孔202中，孔口采用胶封闭连接。
若在浆囊包1的下端设置的是底隔板601，底隔板601的中心设置一个浆液卸压阀13，当浆囊包中的浆液超过某高压值时，浆液将从卸压阀13处喷出。在浆囊包1的下端可采用桩靴602替代底隔板601，若设置的是桩靴602，则：桩靴为普通砼桩靴，如果桩靴的尺寸导致桩靴质量过重，则可将桩靴602制成中空的，在桩靴的侧面设置浆液卸压阀13。当浆囊包中的浆液超过某高压值时，浆液将从卸压阀13处喷出，将对桩端土和囊注包外周进行密实。桩靴是桩基工程中的常见构件，在此不再赘述。
关于囊注包的收拢和张开：
当囊注包下放钻孔、沉入孔底时，首先需将囊注包收拢，在预留空间高度方向上的限位条5上设置尼龙搭扣拉绳，托住收拢的囊注包。拧开孔盖7往浆囊包1内填满卵石，然后再拧紧孔盖7，这样可保证预留空间的高度和径向宽度；
当囊注包注入浆液时，预留空间首先充填浆液，随着注浆增多，收拢的囊注包趋向于展开，尼龙搭扣将脱开，限位条5松绑。继续注浆，囊注包受展开的压力作用将进一步展开，如此循环，直至完全充分展开。展开后囊注包上部形成圆台段、中部形成大头的圆柱段、下端形成圆台段。
一种规则扩底尺寸囊注成型方法，包括以下步骤：
步骤1：确定扩大头尺寸和囊注包尺寸：扩大头尺寸即上圆台高度、中圆柱直径和高度，应根据基桩承载力要求进行设计，同时要考虑桩端土体压密效应来确定；依据扩大头上圆台尺寸确定限位条5长度，依据扩大头的形状与尺寸确定囊注包完全展开后的形状与尺寸；根据桩直径，确定上隔板2尺寸和底隔板601或桩靴602尺寸。
步骤2：确定囊注包沉入时的预留空间：根据土体固结理论及工程经验，估算桩端土体在拟定囊注包挤压下可形成的最大空间大小，以设计扩大头体积与该挤出空间之差作为囊注包沉入孔底后拟预占据的空间大小——即预留空间，进一步地说，预留空间的设置是因为按设计注浆压力无法通过囊注包扩展挤密土体达到扩大头体积，但为了实现扩底端的尺寸必须预先留出不通过挤土得到的空间体积，这个体积通过囊注包预留空间来实现；
囊注包预留空间的形状为圆柱体，直径D取限位条自然垂下所围成圆圈的内接圆直径，高度h通过下式计算得出：
Figure BDA0003074225720000071
式中V0为扩大头体积设计值，cm3；
V为囊注挤压下土体压密所形成的空间体积，cm3，取半无限空间宽度为h0的条形荷载(荷载值为囊注包中浆液压力)作用下土体竖向压缩量乘以
Figure BDA0003074225720000081
或
Figure BDA0003074225720000082
之值；
D0为扩大头圆柱段直径；
h0为扩大头总高度，即两圆台段高度与圆柱段高度之和；
D为囊注包预留空间的直径，取值为限位条5自然垂下所围成圆圈的内接圆直径。
步骤3：组装囊注包。具体的：
(a)加工准备好囊注包各零部件；
(b)将浆囊包1与上隔板2和底隔板601或桩靴602牢固连接；
(c)将环向的排水条带闭合粘贴在浆囊包1外侧，纵向的排水条带粘贴在浆囊包1外侧、底隔板601下侧或桩靴602侧面，纵向的排水条带上端插上隔板的通水孔中，并用胶封堵严实；环向的排水条带和纵向的排水条带相交部位打通，形成排水网络；
(d)连接限位条5，设置围筒9；
(e)囊注包收拢。将囊注包限定在限位钢条自然垂下所围范围之内，在预留空间高度方向上的限位条5上对称设置尼龙搭扣拉绳，托住收拢的囊注包。拧开孔盖7往浆囊包内填满卵石，然后再拧紧孔盖7，以保证预留空间的高度和径向宽度；
(f)连接排水管4和注浆管3；
(g)连接输送杆8。
步骤4：钻桩身孔；如图7(a)或图8(a)所示。
步骤5：超钻：当囊注挤压土体所能产生的空间小于桩扩底部分体积时，需要额外钻出其不足部分的空间，即超钻。超钻深度h超可通过下式估算：
Figure BDA0003074225720000083
式中D孔为钻孔直径；
D为囊注包预留空间的直径；
h为囊注包预留空间的高度。
步骤6：下放囊注包：通过输送杆8将囊注包缓缓下放至孔底，并保持输送杆8居中。
步骤7：浇灌桩身混凝土，卸除输送杆8，7～28天后实施囊注扩底：
(a)配制浆液，以水泥浆为主，初凝时间大于12小时，浆液包括水泥、水和添加剂，水泥∶水∶添加剂＝1∶(0.5～0.7)∶0.08，水泥采用P.O.52.5普通硅酸盐水泥，添加剂采用具有微膨胀和增加流动性的UEA膨胀剂。
(b)将注浆管3连接注浆泵；
(c)通过注浆管3向浆囊包1内先间歇式注浆，排除浆囊包1中的空气；之后连续注浆，浆囊包1在张开过程中将尼龙搭扣绳撑开，囊注包向底部和侧边挤压土体，土体中的超静孔隙水压力产生。随着土体中的水和/或气体通过浆囊包1外表面的排水网络，进入上隔板2中的通水孔、再沿排水管4排出地面，超静孔隙水压力逐渐消散，土体逐渐被压密。为了加速土体的固结压密和扩孔空间的形成，可以将排水管连接真空泵，在桩端形成一定的真空度，加速扩孔区域土体水分的排出；
(d)随着注浆量和注浆压力的不断增大，囊注包进一步展开，囊注包不断向外侧挤压土体，新的超静孔隙水压力不断产生，并叠加在未消散的超静孔隙水压力上，同时排水网络的排水又会使土体中的超静孔隙水压力逐渐消散，周边土体也不断地被压密，扩大头空间不断地发展。因此，注浆期间，是囊注包区域的土体的超静孔隙水压力产生与消散这对矛盾相互作用的过程，也是扩大头空间不断地发展的过程。这个过程表现为先快后慢；
(e)随着注浆的进一步进行，浆囊包1不断展开并逐渐先后触及到限位挡块201，使得限位条5提供反力，约束囊注包的上圆台侧面的发展。当限位挡块201得到充分发挥，注浆量基本达到囊注包最大设计容量时，注浆压力会出现陡升现象。此时停止注浆并维持该注浆压力2～6小时或更长，或至排水管4无水排出时，继续并逐渐加大压力注入水泥浆，当浆囊包1中的浆液超过某高压值时，浆液将从卸压阀13处喷出，并将对桩端土和囊注包外周进行密实、劈裂。如此多实施几次，可进一步强化桩端土体。最后一次注入时，关闭排水管4，并可注入能使水泥浆在短时间凝固的浆液，如水玻璃，当浆液输入量基本为0时，关闭注浆管。至此，囊注包已丰满成型；
(f)如果注浆压力达到设计值但注浆量远未达到囊注包最大设计容量时，关闭注浆管，待2～6小时后囊注包周边土体中超高的超静孔隙水压力大幅消散，甚至基本消散时进行补注，最终使注浆量达到囊注包最大设计容量。
步骤8：待步骤7中的浆液固化后，打开排水管4，往排水管4中插入小管至排水管4的最下部，边注入水泥浆液边拔小管，使浆液填充排水管4内空间。
步骤9：截断桩顶处的排水管4和注浆管3，顺桩头切掉排水管4和注浆管3。
对于钢筋混凝土基桩，在步骤7浇灌桩身混凝土之前，下放钢筋笼11，如图7(c)所示。
本囊注成型方法在扩底桩施工中如下优势点：
1.适于钻孔(扩孔)稳定性差的土层，尤其是软土。很多地质条件下，如软土、水下等，现有技术实现孔底扩孔困难，因此通常无法施工扩底桩。然而，本囊注包和囊注成型方法，不仅能实现扩底桩的施工，而且还可以满足尺寸上和形状上的要求。“预承力桩的预承包装置”(ZL92202624.6)虽然可以实现软土和水下扩底桩，但扩底形状和尺寸上都受限。原因如下：
(1)预承包注浆扩展理想条件下是一个半球形；
(2)预承包中浆液凝固过快。“预承力桩的预承包装置”所述的技术是先后注入水玻璃与水泥浆，在地下深处的预承包(相当于本技术的囊注包)中自由混合，由于两种浆液相遇后会迅速凝固，其混合的均匀性得不到保障。即使调制使之相遇后不会很快凝固，但后注入浆液冲入到先入浆液，没有充分搅拌的条件，两者自由混合也难保障其混合的均匀性，从而影响其形状和尺寸的实现；
(3)土体压密需要时间。预承包因注入浆液而扩展，对周围土体产生挤压力，而首先承受这个挤压力的是土中地下水，并转化为超静孔隙水压力。根据太沙基固结理论，如果超静孔隙水压力不消散，土体就不会被压密，预承包无法充分展开。超静孔隙水压力的消散需要时间，水玻璃与水泥浆先后注入，快速凝固，超静孔隙水压力的消散时间得不到保证，预承包得不到充分展开，其形状和尺寸受到限制；
(4)土体压密空间有限。土体的压密是土中水排出，孔隙比缩小的结果。然而，桩端土体孔隙比一般为0.6～0.8，软土约1.0～1.2，孔底沉渣约0.8～1.0。单纯依靠土体压密所获得的扩底尺寸是有限的。
本技术通过增设限位挡块201和限位条5控制扩底形状，利用排水网络加快土体压密、扩大压密土体范围和增加压密空间，依靠预留空间的设置扩大扩底空间，相对很长的单浆液凝固时间能让囊注包充分调整与展开。因此，本方法明显优于“预承力桩的预承包装置”技术。
2.消除或削减桩端沉渣与土层扰动的不利影响。孔底沉渣与土层扰动对桩承载力影响很大，这是众所周知的专业常识。常规钻孔灌注桩通常无法完全消除孔底沉渣与土层扰动的影响，是因为混凝土浇灌时，切断或大大削弱了孔底沉渣与土层扰动的排水途径，所以孔底沉渣与土层扰动的再固结完成所需时间很长。另一方面，孔底沉渣与土层扰动的再固结压力主要是其上部混凝土的重力，固结压力不大。而且，混凝土凝固相对很快。这些因素很难使孔底沉渣与土层扰动再固结如初。“预承力桩的预承包装置”技术和本技术是在桩身混凝土有一定的凝固条件下，通过注入浆液形成远大于其上部混凝土重力的固结压力，因此孔底沉渣与土层扰动再固结效果好。而本方法良好的排水条件，以及可提供比“预承力桩的预承包装置”技术更大的有效固结压力、有效固结时间，效果要比“预承力桩的预承包装置”技术更佳。
3.提高桩端承载能力。桩端承载力既取决于桩端底面积，也取决于桩端下部和侧边土体的坚硬密实程度。本技术对桩端下部和侧边土体有较大范围的压密和较大程度的压密，加上扩大头尺寸大，桩端承载能力显著提高。由于在桩端下部和侧边土体的改良方面，本方法优于同类技术的同因素作用效果，仅此因素所提高的桩端承载能力在同类技术如“预承力桩的预承包装置”技术中占有更大的优势，
4.充分发挥桩端桩侧承载耦合作用，提高桩整体承载能力。常规桩的传力机理是：当上部荷载传给桩顶，首先是桩侧摩阻力先发挥，随着上部荷载的增大，侧摩阻力逐渐增大并向桩深部扩展，桩端阻力仍然很小，当桩在垂直荷载下产生桩的位移量超过8～10mm时，侧摩阻力逐渐减少，位移量增加而桩端阻力逐渐增大，即使达到极限状态，并不是最大桩端阻力和降低后的桩侧摩阻力的叠加，因为土体压缩变形到20～30mm时，桩端土阻力才能达到最大，而达到这样的位移时桩侧摩阻力即明显下降。本技术正是提高了桩端土体强度，减少桩端达到最大阻力所需要的压缩变形，使桩端达到最大阻力时，侧摩阻力也处于整体高位值。
5.增强桩侧摩阻力强化效应。近些年来的研究表明，桩端土的加强可以产生桩侧摩阻力强化效应，尤其是桩端区域的侧摩阻力强化效应。本技术对桩端土的加强具有明显的作用，因此桩侧摩阻力强化效应会更明显。从而提高桩整体承载能力。
6.对扩大头形状规则化和优化，扩大头尺寸的超大化。本技术通过增设限位装置控制扩底端形状，利用排水网络加快土体压密、扩大压密土体范围和增加压密空间，依靠预留空间的设置扩大扩底空间，通过采用相对很长的单浆液凝固时间让囊注包充分调整与展开。因此，本技术可以方便实现扩大头形状的规则化和优化，以及扩大头尺寸的超大化。这一优势是“预承力桩的预承包装置”技术所不具备的。
7.桩靴的存在，以及通过预留空间的设置，可以实现外周微上翘的扩大头形状。这种形状避免了平底扩大头的问题：边部土体因首先进入塑性状态而使桩端阻力降低。根据基础工程理论，平底基础地基土的反力为不均匀而呈凹弧形，周边边缘的地基土反力最大，中间的地基土反力最小，即扩大头底部边缘地基土反力最大处的土层容易产生应力集中而出现的塑性铰，随着荷载的增大，边缘的塑性铰随之向桩底中间扩展，从而使桩端土的端阻值降低。外周微上翘的扩大头形状正好能改变其底部边缘地基土反力分布，使其更均匀，从而缓解了塑性铰这一现象的出现，提高了桩的承载能力。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (9)

1.一种规则扩底尺寸囊注包，其特征在于，包括浆囊包(1)、上隔板(2)、注浆管(3)、排水网络、排水管(4)和限位条(5)，所述浆囊包(1)的上端设置所述上隔板(2)，上隔板(2)中部设置孔盖(7)，上隔板(2)在孔盖(7)的外围可拆卸设置有输送杆(8)，所述孔盖(7)上设置有所述注浆管(3)，注浆管(3)与浆囊包(1)内部连通，浆囊包(1)外侧设置有所述排水网络，排水网络通过上隔板(2)和孔盖(7)连通至排水管(4)，所述排水管(4)设置在孔盖(7)上，浆囊包(1)的下端设置有底隔板(601)或桩靴(602)，多个所述限位条(5)位于浆囊包(1)外侧、铰接设置在上隔板(2)上，上隔板(2)上设置有围筒(9)。
2.根据权利要求1所述的一种规则扩底尺寸囊注包，其特征在于，所述上隔板(2)在对应限位条(5)的铰接处设置有限位挡块(201)，所述限位挡块(201)朝向限位条(5)的一侧为倾斜面。
3.根据权利要求1所述的一种规则扩底尺寸囊注包，其特征在于，所述上隔板(2)上设置有辐射状排布的多条通水孔(202)，所述通水孔(202)一端连接排水网络，所述孔盖(7)对应通水孔(202)另一端的位置设置有环形槽(701)，所述环形槽(701)与排水管(4)相连通。
4.根据权利要求3所述的一种规则扩底尺寸囊注包，其特征在于，所述排水网络包括环向和纵向设置的若干条排水条带，纵向设置的排水条带的上端连接上隔板(2)的通水孔(202)。
5.根据权利要求1所述的一种规则扩底尺寸囊注包，其特征在于，所述底隔板(601)中部设置有卸压阀；桩靴(602)的两侧对称设置有卸压阀。
6.一种基于权利要求1～5中任一所述的囊注包的规则扩底尺寸囊注成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定扩大头尺寸和囊注包尺寸：扩大头尺寸应根据基桩承载力要求进行设计，同时要考虑桩端土体压密效应来确定；依据扩大头上圆台尺寸确定限位条(5)长度，依据扩大头的形状与尺寸确定囊注包完全展开后的形状与尺寸；根据桩直径，确定上隔板尺寸和底隔板或桩靴尺寸；
步骤2：确定囊注包沉入时的预留空间：根据土体固结理论及工程经验，估算桩端土体在拟定囊注包挤压下可形成的最大空间大小，以设计扩大头体积与该挤出空间之差作为囊注包沉入孔底后拟预占据的空间大小——即预留空间；
囊注包预留空间的形状为圆柱体，直径D取限位条自然垂下所围成圆圈的内接圆直径，高度h通过下式计算得出：
Figure FDA0003074225710000021
式中V0为扩大头体积设计值，cm3；
V为囊注挤压下土体压密所形成的空间体积，cm3，取半无限空间宽度为h0的条形荷载(荷载值为囊注包中浆液压力)作用下土体竖向压缩量乘以
Figure FDA0003074225710000022
或
Figure FDA0003074225710000023
之值；
D0为扩大头圆柱段直径；
h0为扩大头总高度，即两圆台段高度与圆柱段高度之和；
D为囊注包预留空间的直径，取值为限位条(5)自然垂下所围成圆圈的内接圆直径；
步骤3：组装囊注包，将囊注包限定在限位条(5)自然垂下所围范围之内，在预留空间高度方向上的限位条(5)上对称设置尼龙搭扣拉绳，托住收拢的囊注包；取下孔盖(7)向浆囊包(1)内填满卵石，然后再装上孔盖，以保证预留空间的高度和径向宽度；连接排水管和注浆管；连接输送杆；
步骤4：钻桩身孔；
步骤5：超钻：当囊注挤压土体所能产生的空间小于桩扩底部分体积时，需要额外钻出其不足部分的空间，即超钻。超钻深度h超可通过下式估算：
Figure FDA0003074225710000024
式中D孔为钻孔直径；
D为囊注包预留空间的直径；
h为囊注包预留空间的高度；
步骤6：下放囊注包：通过输送杆(8)将囊注包缓缓下放至孔底，并保持输送杆(8)居中；
步骤7：浇灌桩身混凝土，卸除输送杆(8)，7～28天后实施囊注扩底：
(a)配制浆液，水泥∶水∶添加剂＝1∶(0.5～0.7)∶0.08，水泥采用P.O.52.5普通硅酸盐水泥，添加剂采用UEA膨胀剂；
(b)将注浆管(3)连接注浆泵；
(c)通过注浆管(3)向浆囊包(1)内先间歇式注浆，排除浆囊包(1)中的空气；之后连续注浆，浆囊包(1)在张开过程中将尼龙搭扣绳撑开，浆囊包(1)向底部和侧边挤压土体，土体中的超静孔隙水压力产生；随着土体中的水和/或气体通过浆囊包(1)外表面的排水网络，进入上隔板(2)、再沿排水管(4)排出地面；
步骤8：待步骤7中的浆液固化后，向排水管(4)中填充浆液；
步骤9：截断桩顶处的排水管(4)和注浆管(3)，顺桩头切掉排水管(4)和注浆管(3)。
7.根据权利要求6所述的一种规则扩底尺寸囊注成型方法，其特征在于，在步骤7中，当限位条(5)完全打开，注浆量基本达到囊注包最大设计容量时，注浆压力会出现陡升现象，此时停止注浆并维持该注浆压力2～6小时，或至排水管(4)无水排出时，继续并逐渐加大压力注入浆液，当浆囊包(1)中的浆液超过某高压值时，浆液将从卸压阀处喷出，并将对桩端土和囊注包外周进行密实、劈裂；如此多实施几次，可进一步强化桩端土体；最后一次注入时，关闭排水管，并可注入能使水泥浆在短时间凝固的浆液，当浆液输入量基本为0时，关闭注浆管。
8.根据权利要求7所述的一种规则扩底尺寸囊注成型方法，其特征在于，如果注浆压力达到设计值但注浆量远未达到囊注包最大设计容量时，关闭注浆管，待2～6小时后囊注包周边土体中超高的超静孔隙水压力大幅消散，甚至基本消散时进行补注，最终使注浆量达到囊注包最大设计容量。
9.根据权利要求6所述的一种规则扩底尺寸囊注成型方法，其特征在于，对于钢筋混凝土基桩，在步骤7浇灌桩身混凝土之前，下放钢筋笼。
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