CN114922172B - 可消除湿陷性黄土负摩阻力的锚杆桩装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可消除湿陷性黄土负摩阻力的锚杆桩装置及施工方法，包括压桩设备和钢管桩，压桩设备底部设置有用于压桩的千斤顶，所述压桩设备通过锚杆设置在承台或筏板基础上，在钢管桩中性点处沿着钢管桩的侧壁外周设置有设定高度的钢套管，钢管桩的侧壁外周设置有润滑剂注浆管，所述润滑剂注浆管的底部设置有润滑剂注浆口且润滑剂注浆口位于钢套管的上方，钢管桩的内腔设置有排气管和水泥浆注浆管。在对既有建筑物地基基础加固后，能够完全抵消负摩阻力，避免了大幅度增大桩径。进一步的，提升单桩承载力的同时提高了钢管桩的耐久性。

Description

可消除湿陷性黄土负摩阻力的锚杆桩装置及施工方法

技术领域

本发明涉及可消除湿陷性黄土负摩阻力的锚杆桩装置及施工方法。

背景技术

湿陷性黄土一直是黄土地区的典型工程地质问题，湿陷性黄土遇水会强烈湿陷，土体强度显著降低，在附加压力与土的自重压力下引起湿陷变形，使桩周土体发生沉降，对桩基产生向下的负摩阻力，降低桩基承载力，致使地基基础不均匀沉降，导致建筑物发生开裂、倾斜甚至倒塌。

目前，锚杆桩加固技术常用于湿陷性黄土地区既有建筑物地基基础加固，其原理是利用既有建筑物的自重提供反力，锚杆桩设备固定于基础或筏板基础顶部，采用液压方法或锤击法将桩段压（或打）入地基中，对地基基础起到加固补强作用。此种施工方法，钢管桩需穿透湿陷性黄土层到达中性点以下持力层，桩身侧阻力较大，导致桩顶应力集中，钢管材料用量加大，施工难度增加等现象。而且，采用常规锚杆桩加固既有建筑物地基基础后，湿陷性黄土发生湿陷时仍会对锚杆桩产生负摩阻力，导致锚杆桩发生沉降，引起建筑物再次产生开裂、倾斜等现象。

发明内容

针对上述问题，本发明提供可消除湿陷性黄土负摩阻力的锚杆桩装置及施工方法，在对既有建筑物地基基础加固后，在中性点以上桩身与土体之间的间隙内注有润滑剂，能够完全抵消负摩阻力，避免了大幅度增大桩径；在中性点以下通过注浆形成桩身扩大段和桩端扩大头，进一步的，提升单桩承载力的同时提高了钢管桩的耐久性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

可消除湿陷性黄土负摩阻力的锚杆桩装置，包括压桩设备和钢管桩，压桩设备底部设置有用于压桩的千斤顶，所述压桩设备通过锚杆设置在承台或筏板基础上，中性点处沿着钢管桩的侧壁外周设置有设定高度的钢套管，钢管桩的侧壁外周设置有润滑剂注浆管，所述润滑剂注浆管的底部设置有润滑剂注浆口且润滑剂注浆口位于钢套管的上方，钢管桩的内腔设置有排气管和水泥浆注浆管。

优选，最底部的钢管桩底部设置有十字型桩尖，所述十字型桩尖上设置有预留注浆孔，位于中性点下方的钢管桩桩身预留有注浆孔。

优选，钢管桩的侧壁外周对称设置有两个润滑剂注浆管，润滑剂注浆管的顶部设置有润滑剂注浆阀门，所述润滑剂注浆阀门控制润滑剂注浆口打开或者关闭。

优选，水泥浆注浆管的底部设置有水泥浆出浆口且水泥浆出浆口间距十字型桩尖设定的距离，水泥浆注浆管的顶部设置有水泥浆注浆阀门，所述水泥浆注浆阀门控制水泥浆注浆口打开或者关闭。

优选，排气管的底部设置有注浆排气孔，所述注浆排气孔位于中性点下部设定的距离，排气管的顶部设置有排气阀门，所述排气阀门控制注浆排气孔打开或者关闭。

优选，中性点下部的钢管桩内腔中填充碎石，中性点上部的钢管桩内腔中浇筑混凝土。

可消除湿陷性黄土负摩阻力的施工方法，包括如下步骤：

步骤1）确定中性点位置；

步骤2）切割压桩孔，切割完成后的压桩孔底部比顶部宽；

步骤3）确定承台或筏板基础顶部锚杆的孔位，开设锚杆孔，开孔结束后，锚杆孔内填充锚剂，将锚杆插入锚杆孔内；

步骤4）利用锚杆将压桩设备安装就位，压桩设备底部安装千斤顶；

步骤5）焊接十字型桩尖和最底部的钢管桩，使得十字型桩尖与钢管桩的轴线重合；

步骤6）钢管桩吊装就位，使得千斤顶与钢管桩的轴线重合，确保轴心受压进行压桩施工；

步骤7）钢管桩需要进行接桩时，重复步骤6）直至桩身长度达到中性点位置，将钢管桩外侧焊接钢套管，在钢套管上部的钢管桩上焊接润滑剂注浆管；

步骤8）继续重复步骤6）进行接桩，同时还配合焊接润滑剂注浆管，其中，润滑剂注浆管位于钢管桩的侧壁外周；

步骤9）每压完一节钢管桩，利用配有阀门的润滑剂注浆管将润滑剂注入桩身与湿陷性土层间的空隙中，直至将钢套压至中性点位置（地质分界线）处，压桩完毕；

步骤10）压桩完成后，在钢管桩内腔放入水泥浆注浆管和排气管，中性点以下位置回填碎石，中性点以上位置灌注混凝土；

步骤11）当钢管桩内腔混凝土的抗压强度不小于10Mpa时，利用配有阀门的水泥浆注浆管对钢管桩中性点以下位置的桩身注浆；注浆时，水泥浆注浆管的水泥浆注浆阀门和排气管的排气阀门处于开启状态；

步骤12）水泥浆初凝后，利用水泥浆注浆管进行二次注浆，此时，排气阀门保持关闭，注浆压力再次达到设计值时关闭水泥浆注浆阀门，注浆完毕，以确保中性点以下位置的桩身与桩端注浆密实形成桩身扩大段和桩端扩大头；

步骤13）待水泥浆终凝后，钢管桩顶部采用预应力封桩。

优选：

步骤2）中，采用水钻开孔切割压桩孔，切割时通过调整水钻钻头角度，使切割完成后的压桩孔底部比顶部宽90-110mm；

步骤8）中，润滑剂注浆管包括至少2根，对称设置在钢管桩的侧壁外周。

优选，步骤11）中，水泥浆注浆压力为0.5~2MPa，注浆时采用注浆量和注浆压力双控；当排气管的排气阀门溢出水泥浆时关闭排气阀门并继续注浆；当注浆量达到设计值且注浆压力达到设计要求时，稳压十分钟后关闭水泥浆注浆阀门，首次注浆完毕。

优选，润滑剂注浆管的直径为20mm，排气管的直径为30mm，水泥浆注浆管的直径为30mm，混凝土为C30混凝土，位于中性点下方的钢管桩桩身预留有注浆孔，注浆孔采用楔形堵头临时封堵，注浆孔外侧设置有角铁倒刺。

本发明的有益效果是：

第一、本发明采用钢管套及润滑剂，降低了压桩时的侧阻力，避免了常规锚杆静压桩桩顶应力集中的问题，节省了钢管材料，降低了压桩难度，施工效率得到显著提升，有利于缩短工期。

第二、采用本发明的锚杆桩装置及施工方法对湿陷性黄土地区的既有建筑物地基基础加固后，压桩完成后，由于对中性点以上桩侧空隙注入润滑剂，当湿陷性黄土发生湿陷时负摩阻力能够完全抵消，避免了大幅度增大桩径，有效缩短桩长节约工程成本。

第三、通过注入水泥浆在中性点以下形成桩侧扩大段和桩端扩大头，大幅提升单桩承载力及桩身耐腐蚀性，提高钢管桩的耐久性。

第四、本发明彻底解决了既有建筑物在湿陷性黄土地区采用锚杆桩加固的技术难题，大幅提升了工作效率，工程造价低、施工过程中安全性高，工程质量易于保证，具有巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明可消除湿陷性黄土负摩阻力的锚杆桩装置的结构示意图；

图2是本发明的十字型桩尖结构示意图；

图3是本发明1-1截面示意图；

图4是本发明2-2截面示意图；

图5是本发明钢套管区域的放大示意图；

图6是本发明3-3截面示意图；

图7是本发明钢管桩注浆段的放大示意图；

图8是本发明4-4截面示意图；

附图的标记含义如下：

1、压桩设备，2、千斤顶，3、排气阀门，4、锚杆，5、水泥浆注浆阀门，6、润滑剂注浆阀门，7、承台或筏板基础，8、压桩孔，9、空隙，10、润滑剂注浆管，11、钢管桩，12、排气管，13、润滑剂注浆口，14 、钢套管，15、 注浆排气孔，16、水泥浆注浆管，17、混凝土，18、中性点，19、桩身扩大段，20、碎石，21、水泥浆出浆口，22、十字型桩尖，23、桩端扩大头，24、预留注浆孔，25、楔形堵头，26、角铁倒刺。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1-8所示，可消除湿陷性黄土负摩阻力的锚杆桩装置，可广泛适用于湿陷性黄土地区既有建筑物地基基础加固工程，包括压桩设备1和钢管桩11，压桩存在多段钢管桩11，则压桩完成后，多段钢管桩11竖直同轴排列。压桩设备1底部设置有用于压桩的千斤顶2，通过千斤顶2向下施加压力。所述压桩设备1通过锚杆4设置在承台或筏板基础7上，利用固定于承台或筏板基础7顶部的压桩设备进行压桩。

中性点18（地质分界线）处沿着钢管桩11的侧壁外周设置有设定高度的钢套管14，钢管桩11的侧壁外周设置有润滑剂注浆管10，所述润滑剂注浆管10的底部设置有润滑剂注浆口13且润滑剂注浆口13位于钢套管14的上方，钢管桩11的内腔设置有排气管12和水泥浆注浆管16。

优选的，位于最底部的钢管桩11底部设置有十字型桩尖22，所述十字型桩尖22上设置有预留注浆孔24，位于中性点18下方的钢管桩11桩身预留有注浆孔。压桩前可以先焊接十字型桩尖22和钢套管14，其中，钢套管14底部位于中性点处。

钢管桩11的侧壁外周对称设置有两个润滑剂注浆管10，润滑剂注浆管10的顶部设置有润滑剂注浆阀门6，所述润滑剂注浆阀门6控制润滑剂注浆口13打开或者关闭，图1中，钢管桩11的左右两侧各设置一个润滑剂注浆管10，压桩过程中，对中性点以上桩侧空隙注入润滑剂，减小压桩时的侧阻力，成桩后消除湿陷性黄土对钢管桩的负摩阻力。

水泥浆注浆管16的底部设置有水泥浆出浆口21且水泥浆出浆口21间距十字型桩尖22设定的距离，水泥浆注浆管16的顶部设置有水泥浆注浆阀门5，所述水泥浆注浆阀门5控制水泥浆注浆口21打开或者关闭。压桩完成后，利用水泥浆注浆管16对中性点以下桩身进行注浆，在桩侧形成扩大段和桩端扩大头，大幅度提高单桩承载力。

排气管12的底部设置有注浆排气孔15，所述注浆排气孔15位于中性点18下部设定的距离，排气管12的顶部设置有排气阀门3，所述排气阀门3控制注浆排气孔15打开或者关闭。

中性点18下部的钢管桩11内腔中填充碎石20，中性点18上部的钢管桩11内腔中浇筑混凝土17。

对应的，可消除湿陷性黄土负摩阻力的施工方法，具体包括如下步骤：

步骤1）确定中性点18位置：施工前，查阅地勘报告确定现场土层地质情况，明确中性点18位置，做好设备的检查工作，保证使用可靠；另外，还可以确定需要施工的钢管桩11并在现场对其测量定位。

步骤2）切割压桩孔8，切割完成后的压桩孔8底部比顶部宽：比如，采用水钻开孔切割压桩孔8，切割时通过调整水钻钻头角度，使切割完成后的压桩孔8底部比顶部宽90-110mm，一般的，压桩孔8底部比顶部宽约100mm。

步骤3）根据压装设备1确定承台或筏板基础7顶部锚杆4的孔位，开设锚杆4孔，比如，采用水钻成孔，并用毛刷和清水将孔内清理干净，开孔规格应满足锚杆4锚固要求。开孔结束后，锚杆4孔内填充锚剂，可以用KL-80高强锚剂材料填充锚杆孔，将锚杆4插入灌有锚剂的孔内，并确保锚剂凝固前锚杆4的垂直度不受扰动。

步骤4）利用锚杆4将压桩设备1安装就位，锚杆可以选用PSB1080高强精轧螺纹钢，压桩设备1应保持垂直且位置应满足压桩要求，压桩设备1底部安装千斤顶2。

步骤5）焊接十字型桩尖22和最底部的钢管桩11，焊接质量应符合规范要求，使得十字型桩尖22与钢管桩11的轴线重合。优选，十字型桩尖22包括一块承压钢板和两块呈十字交叉的钢板焊接构成，优选的，承压钢板厚度20mm，直径同钢管桩；十字型钢板厚20mm，高度120mm,长度同承压钢板，承压钢板上预留4个直径Φ10mm的预留注浆孔24。

步骤6）钢管桩11吊装就位，桩位再次复核无误后进行压桩，压桩施工过程中，使得千斤顶2与钢管桩11的轴线重合，确保轴心受压进行压桩施工，若有偏移要及时调整。

步骤7）当钢管桩11需要进行接桩时，重复步骤6直至已压入桩身长度到达钢管桩11的中性点18位置，将钢管桩11外侧焊接钢套管14，在钢套管14上部的钢管桩11上焊接润滑剂注浆管10；其中，钢管桩11接桩时，尽可能地缩短接桩时间，确保上、下节桩的轴线一致，保证接头接触面受力均匀。比如，钢套管14长度500mm，管径比钢管桩11大50mm，钢套管14的下端位于中性点处。位于中性点18下方的钢管桩11桩身预留有注浆孔，注浆孔采用楔形堵头25临时封堵，注浆孔外侧设置有角铁倒刺26予以保护。

步骤8）继续重复步骤6进行接桩，同时还配合焊接润滑剂注浆管10，其中，润滑剂注浆管10位于钢管桩11的侧壁外周，优选，润滑剂注浆管10包括至少2根，直径Φ20mm，对称设置在钢管桩11的侧壁外周，其中，润滑剂注浆管10上端超出桩顶不应小于200mm,润滑剂注浆管底部距离钢套管顶部不应大于100mm。

步骤9）每压完一节钢管桩11，利用配有阀门的润滑剂注浆管10将润滑剂注入桩身与湿陷性土层间的空隙9中，直至将钢套14压至中性点18位置（地质分界线）处，压桩完毕。

步骤10）压桩完成后，钢管桩11内腔放入水泥浆注浆管16和排气管12，进行回填和浇筑，回填高度以中性点18所处截面为分界线，中性点18以下位置回填碎石20，中性点18以上位置灌注混凝土17，比如，灌注C30混凝土17。优选，配有阀门的水泥浆注浆管16和排气管12对称布置于钢管桩11的内腔，直径均为Φ30mm，水泥浆注浆管16超出桩顶不应小于200mm,水泥浆注浆管16下端位于十字型桩尖上侧；排气管12上端超出桩顶不应小于200mm,排气管12下端位于中性点以下100mm处。

步骤11）当钢管桩11内腔混凝土的抗压强度不小于10Mpa时，利用配有阀门的水泥浆注浆管16对钢管桩11中性点18以下位置的桩身注浆；注浆时，水泥浆注浆管16的水泥浆注浆阀门5和排气管12的排气阀门3处于开启状态，以确保注浆时碎石20内部的空气或渗水排出。

注浆液可以由水泥浆及特种外加剂混合而成，水泥应用42.5级普通硅酸盐水泥，特种外加剂配合比视具体情况可采用为3%-5%。水泥浆注浆压力为0.5~2MPa，注浆时采用注浆量和注浆压力双控，以确保桩端持力层灌注密实并形成桩侧扩大段和桩端扩大头，能够大幅提高单桩承载力；当排气管12的排气阀门3溢出水泥浆时关闭排气阀门3并继续注浆；当注浆量达到设计值且注浆压力达到设计要求时，稳压十分钟后关闭水泥浆注浆阀门5，首次注浆完毕。

步骤12）水泥浆初凝后，利用水泥浆注浆管16进行二次注浆，此时，排气阀门3保持关闭，注浆压力再次达到设计值时关闭水泥浆注浆阀门5，注浆完毕，以确保中性点18以下位置的桩身与桩端注浆密实形成桩身扩大段19和桩端扩大头23。

步骤13）待水泥浆终凝后，钢管桩11顶部采用预应力封桩。

本发明的有益效果是：

第一、本发明采用钢管套及润滑剂，降低了压桩时的侧阻力，避免了常规锚杆静压桩桩顶应力集中的问题，节省了钢管材料，降低了压桩难度，施工效率得到显著提升，有利于缩短工期。

第二、采用本发明的锚杆桩装置及施工方法对湿陷性黄土地区的既有建筑物地基基础加固后，压桩完成后，由于对中性点以上桩侧空隙注入润滑剂，当湿陷性黄土发生湿陷时负摩阻力能够完全抵消，避免了大幅度增大桩径，有效缩短桩长节约工程成本。

第三、通过注入水泥浆在中性点以下形成桩侧扩大段和桩端扩大头，大幅提升单桩承载力及桩身耐腐蚀性，提高钢管桩的耐久性。

第四、本发明彻底解决了既有建筑物在湿陷性黄土地区采用锚杆桩加固的技术难题，大幅提升了工作效率，工程造价低、施工过程中安全性高，工程质量易于保证，具有巨大的经济效益和社会效益。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.可消除湿陷性黄土负摩阻力的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1）确定中性点（18）位置；

步骤2）切割压桩孔（8），切割完成后的压桩孔（8）底部比顶部宽；

步骤3）确定承台或筏板基础（7）顶部锚杆（4）的孔位，开设锚杆（4）孔，开孔结束后，锚杆（4）孔内填充锚剂，将锚杆（4）插入锚杆（4）孔内；

步骤4）利用锚杆（4）将压桩设备（1）安装就位，压桩设备（1）底部安装千斤顶（2）；

步骤5）焊接十字型桩尖（22）和最底部的钢管桩（11），使得十字型桩尖（22）与钢管桩（11）的轴线重合；

步骤6）钢管桩（11）吊装就位，使得千斤顶（2）与钢管桩（11）的轴线重合，确保轴心受压进行压桩施工；

步骤7）钢管桩（11）需要进行接桩时，重复步骤6）直至桩身长度达到中性点（18）位置，将钢管桩（11）外侧焊接钢套管（14），在钢套管（14）上部的钢管桩（11）上焊接润滑剂注浆管（10）；

步骤8）继续重复步骤6）进行接桩，同时还配合焊接润滑剂注浆管（10），其中，润滑剂注浆管（10）位于钢管桩（11）的侧壁外周；

步骤9）每压完一节钢管桩（11），利用配有阀门的润滑剂注浆管（10）将润滑剂注入桩身与湿陷性土层间的空隙（9）中，直至将钢套管（14）压至中性点（18）位置处，压桩完毕；

步骤10）压桩完成后，在钢管桩（11）内腔放入水泥浆注浆管（16）和排气管（12），中性点（18）以下位置回填碎石（20），中性点（18）以上位置灌注混凝土（17）；

步骤11）当钢管桩（11）内腔混凝土（17）的抗压强度不小于10Mpa时，利用配有阀门的水泥浆注浆管（16）对钢管桩（11）中性点（18）以下位置的桩身注浆；注浆时，水泥浆注浆管（16）的水泥浆注浆阀门（5）和排气管（12）的排气阀门（3）处于开启状态；

步骤12）水泥浆初凝后，利用水泥浆注浆管（16）进行二次注浆，此时，排气阀门（3）保持关闭，注浆压力再次达到设计值时关闭水泥浆注浆阀门（5），注浆完毕，以确保中性点（18）以下位置的桩身与桩端注浆密实形成桩身扩大段（19）和桩端扩大头（23）；

步骤13）待水泥浆终凝后，钢管桩（11）顶部采用预应力封桩。

2.根据权利要求1所述的可消除湿陷性黄土负摩阻力的施工方法，其特征在于：

步骤2）中，采用水钻开孔切割压桩孔（8），切割时通过调整水钻钻头角度，使切割完成后的压桩孔（8）底部比顶部宽90-110mm；

步骤8）中，润滑剂注浆管（10）包括至少2根，对称设置在钢管桩（11）的侧壁外周。

3.根据权利要求1所述的可消除湿陷性黄土负摩阻力的施工方法，其特征在于，步骤11）中，水泥浆注浆压力为0.5~2MPa，注浆时采用注浆量和注浆压力双控；当排气管（12）的排气阀门（3）溢出水泥浆时关闭排气阀门（3）并继续注浆；当注浆量达到设计值且注浆压力达到设计要求时，稳压十分钟后关闭水泥浆注浆阀门（5），首次注浆完毕。

4.根据权利要求1所述的可消除湿陷性黄土负摩阻力的施工方法，其特征在于，润滑剂注浆管（10）的直径为20mm，排气管（12）的直径为30mm，水泥浆注浆管（16）的直径为30mm，混凝土（17）为C30混凝土（17），位于中性点（18）下方的钢管桩（11）桩身预留有注浆孔，注浆孔采用楔形堵头（25）临时封堵，注浆孔外侧设置有角铁倒刺（26）。