CN115434308A - 减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，根据黄土高填方区域回填土的现状及后续桩基施作的位置，利用高压旋喷桩固化需要桩基成孔区域内的回填土，待水泥浆固化后再进行桩基成孔施工，可有效解决黄土高填方区域桩基成孔时孔壁坍塌的问题，提高桩基施工时桩基的成桩效率及质量。通过施作钻孔灌注桩时，在钢筋笼上预先布置纵向注浆主管、水平注浆支管和注浆头，然后灌注桩身混凝土。钻孔灌注桩成桩后，待桩身混凝土强度达到设计强度的70％时，进行桩侧后注浆作业，可抵消回填土引起的桩侧负摩阻力的影响，提升桩基承载力，有效减小桩基的设计桩长，节约工程造价。

Description

减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法

技术领域

本发明涉及黄土桩基施工领域，具体涉及减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法。

背景技术

近年来，随着国家西部大开发战略的实施，西安等黄土地区的城市建设中施作桩基工程的数量日益增多。钻孔灌注桩因承载力高，稳定性强，在提高承载力，减少基础沉降等各个方面具有显著优点，在工程中得到了广泛的应用。但在黄土高填方区域，钻孔灌注桩在回填土范围内成孔时很容易发生孔壁坍塌的现象。钻孔灌注桩施工完成后，由于周边回填土会产生大于桩体沉降的土体沉降，从而对灌注桩产生负摩阻力。桩的负摩阻力非但不能成为桩承载力的一部分，反而要产生作用于桩身且与荷载方向相同的下拉荷载，可能导致桩的承载力相对降低、沉降加大，给工程结构安全带来了严重隐患。

因此，如何保证黄土高填方区域的钻孔灌注桩施工时能够顺利成孔、提高成桩效率及成桩质量，如何抵消灌注桩施工完成后其在回填土区域内由于土体沉降所产生的桩侧负摩阻力，就显得尤为重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供了减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，有效解决了黄土高填方区域桩基成孔困难、质量稳定性差等问题，大大提高了桩基施工时桩基的成桩效率及成桩质量；抵消了桩基负摩阻力所带来的危害，提升桩基承载力，有效减小桩基的设计桩长，大幅度节约工程造价。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，用于黄土高填方区域，包括以下步骤：

S1)桩基土体加固：选取加固区域，利用水泥浆高压旋喷注浆方式，形成旋喷桩；

S2)桩基范围中注浆组件的设置：于桩基范围内，埋设护筒，结合钻孔要求，设置至少2个方向的注浆组件以及注浆头，且部分注浆组件和注浆头预埋设置；

S3)桩侧后注浆：于加固区域内，沿所述旋喷桩外侧，利用穿过原状土层的注浆组件，对旋喷桩侧部，进行至少两个方向的注浆，以形成桩侧后注浆。

进一步地，所述步骤S1)桩基土体加固具体为：

S11)加固区域的确定：根据黄土高填方区域回填土的现状及后续桩基施作的位置，确定高压旋喷桩进行地基加固的范围；

S12)水泥浆的喷射：利用高压泵产生带有压力的水泥浆，使其喷射至黄土高填方区域的加固范围内；

S13)旋喷桩成型：所述水泥浆的喷射时，钻杆以旋转伴提升的方式，将水泥浆与土体混合，形成旋喷桩。

本方案中，在进行回填土的加固时，选用旋转伴提升的方式，进而使得黄土高填方能够被加固，回填土因为后期的固结沉降和压实度不够等原因，导致土质松软，容易产生孔壁坍塌现象。通过高压旋喷桩，将水泥浆喷入土层与土体混合，在土层中形成具有一定强度的固结体。改善了土层性质，所以解决了桩基成孔时孔壁坍塌的问题。

进一步地，所述步骤S11)加固范围的确定中，所述地基加固的范围具体为：黄土高填方桩基的施工区域以及施工区域上方1-2m区域范围，以及下方1-2m区域范围。本技术方案中，选择施工区域以及该区域上下1-2m内进行加固，若回填土高度为8m，那么高压旋喷桩加固范围为9m(比回填土多1m),然后施作桩基(比如18m),桩侧(指桩基，采用钻孔灌注桩的形式施工形成桩基)后注浆范围为地下7m-15m，即回填土与原状土交界面上1m，下7m。这种目的是使得回填区域以及其附近均能够被加固。

进一步地，所述步骤S12)水泥浆的喷射中，所述带有压力的水泥浆，具体为带有20-40Mpa压力的水泥浆。本技术方案中，选用这一压力，目的是使得黄土地区的回填土能够得到改善，进而避免了后期的土体沉降。具体地，水泥浆从喷嘴以柱状方式喷射至黄土高填方区域的加固范围内。

进一步地，所述步骤S13)旋喷桩成型具体为：利用位于钻杆中间的注浆液，将浆液输送至钻杆靠近钻头处的喷嘴上，进而钻杆以边钻边喷浆液的方式，将浆液与土体搅拌均匀，并形成柱状固结体，完成旋喷桩施工。本技术方案中，将钻杆与浆液以及喷嘴等一体设置，进而能够实现钻孔与喷浆的同时进行，提高整个的工作效率。

进一步地，所述钻杆以先提升后旋转的方式进行旋喷桩施工，所述钻杆的旋转速度和提升速度分别为15-25r/min和15-30cm/min。本方案中，钻杆的旋转速度可以和提升速度一致，也可以提升速度快，边提升边旋转，提升速度慢(与提升速度快相比较)可以在同一土层中注入的浆液多，使浆液充分填充土体。旋转速度慢(与旋转速度快相比较)则可以使得水泥浆搅拌均匀，充分发挥浆液性能。相对而言，在合理的范围内，旋转速度慢提升速度慢，加固效果好。钻杆的旋转速度和提升速度分别为15-25r/min和15-30cm/min，使得后期的强度大。

进一步地，所述步骤S1)桩基土体加固中，所述旋喷桩为若干根，且若干根喷旋桩互相连接，以形成整体的加固区域。本方案中，将若干个喷选桩连接形成一体，进而加固的强度得以增加，相比于单独的加固，整体性强，抗压以及抗其他力的强度更大，进而能够改善土层的特性，解决桩基成孔时孔壁坍塌的问题。

进一步地，所述步骤S3)桩侧后注浆具体为：在所述加固区域内，对原状土进行注浆施工，使得浆液喷入加固区域下方的原状土内，同时加固原状土与旋喷桩的连接处。本方案中，将浆液不仅加入到原状土中，还与其上下的原土进行进一步的加固混合，使得原土本层以及附近，均具有浆液，而浆液带有压力，进而能够使得形成的加固体，强度大。

进一步地，所述步骤S3)桩侧后注浆中，所述注浆组件至少包括竖向注浆主管以及位于竖向注浆主管侧部的水平注浆支管，部分所述水平注浆支管预埋于所述加固区域内。本方案中，增加多个方向的注浆管，进而在进行桩侧后注浆时，对于旋喷桩的侧部以及本体，和外周均进行了注浆加固，而多个方向，能够使得多个旋喷桩的结合更加牢固，

进一步地，所述步骤S3)桩侧后注浆中，所述注浆压力为l.2MPa-4MPa。本方案中，高压旋喷桩是用来加固地基，作用范围大，注浆量大，注浆压力高。桩侧后注浆是在灌注灌注桩基完成后，进行的桩侧补充注浆，注浆范围小，注浆量小，注浆压力小。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

1、本发明所述的适用于减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，通过高压旋喷桩加固回填土区域地基，提高地基的抗剪强度和承载力，减少地基的不均匀沉降。有效解决了黄土高填方区域桩基成孔困难、质量稳定性差等问题，大大提高了桩基施工时桩基的成桩效率及成桩质量。施工方法简单、成本低，处理效率高，地基加固效果好。本发明中，在黄土高填方区域施作桩基时，很容易产生孔壁坍塌的问题。采用高压旋喷桩处理，能非常有效的解决该问题，能够提高桩基施工时桩基的成桩效率及质量。

2、本发明所述的适用于减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，通过钻孔灌注桩施作桩基时在钢筋笼上预埋桩侧后注浆设备，待灌注桩桩身混凝土强度达到设计强度的70％时，利用注浆压力泵控制注浆压力，将浆液均匀注入注浆管，通过注浆头喷射至周围土体。抵消了桩基负摩阻力所带来的危害，提升桩基承载力，有效减小桩基的设计桩长，大幅度节约工程造价。

本发明中，浆液通过桩身预埋注浆装置，充填桩身混凝土与桩周土体的间隙，提高桩侧土的强度及刚度，降低桩基与侧壁土之间的相对沉降，从而抵消负摩阻力。进一步地，后注浆(主要是对原状土)与旋喷桩(主要是对回填土)在回填土与原状土上下1m的范围内重叠，实现加固。

附图说明

图1为本发明提供的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法的流程图；

图2为本发明提供的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的装置结构示意图；

图3为发明提供的桩侧后注浆中注浆组件的结构示意图。

图中：

1、搅拌器；2、储浆筒；3、吸浆管；4、注浆压力泵；5、压浆输送管；6、泄压阀；7、竖向注浆主管；8、水平注浆支管；9、注浆头；10、灌注桩；11、加固后填土；801、变截面水平注浆管；802、单向止回压力阀。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参照附图1-3所示，本发明中的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，施工步骤如下：

(一)通过高压旋喷桩处理黄土高填方区域的施工步骤如下：

(1)根据黄土高填方区域回填土的现状及后续桩基施作的位置，确定高压旋喷桩进行地基加固的范围。

具体为：根据黄土高填方区域回填土的现状及后续桩基施作的位置，确定高压旋喷桩进行地基加固的范围。

(2)场地整平，根据设计要求测量放线，定位出高压旋喷桩的位置并标识。

(3)然后根据标识采用钻机钻入填筑层，钻杆的旋转速度为20r/min，钻杆提升速度15-30cm/min。

(4)旋喷施工时利用钻机将旋喷注浆管下放至土层预定深度，喷嘴直径为0.3-1.0m。此时，预定深度为回填土下方至少1m处的位置。

(5)高压水泥浆的水泥选用强度等级为42.5级以上的普通硅酸盐水泥，水灰比为1，密度为1.35-1.5g/cm3。以高压泵产生20-40Mpa的压力将预先配制好的水泥浆在高压状况下从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体。

本实施例中，高压泵将预先配制好的水泥浆，在高压的情况下从注浆管边的喷嘴中高速喷出，进而能够形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体，此时的注浆液直接进入原状土1m处，覆盖回填土与原状土交界面，使得交界处的强度得以增强。

(6)高压旋喷喷射过程中，钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体。

(7)静置待水泥浆固化，在水泥浆固化的过程中，若发现桩孔口部的水泥浆液面下降，则及时补充水泥浆，待水泥浆固化后，即形成高压旋喷桩。水泥旋喷桩桩径0.8m，桩长为回填土深度下1m，相邻水泥旋喷桩圆心间距1.2m，此时由于前期施工注浆加固的原因，以及加固范围的选择等，使得相邻的水泥旋喷桩之间形成搭接，促使两个水泥旋喷桩之间没有间隙，形成一体化的加固结构。

形成高压旋喷桩时，钻杆的旋转速度为20r/min，钻杆提升速度15-30cm/min，利用这一速度，针对黄土等特殊土壤，能够实现强度较大的旋喷桩。这一工艺步骤中，浆液压力为20-40Mpa，喷嘴直径为0.3-1.0m。

本发明中，还需要充分考虑高压旋喷桩的各种参数，比如通过钻芯取样和现场试验，验证固结体有效直径、桩体无侧限抗压强度、复合地基承载力和渗透系数等参数不小于设计规定。

本发明中，回填土因为后期的固结沉降和压实度不够等原因，导致土质松软，容易产生孔壁坍塌现象。通过高压旋喷桩，将水泥浆喷入土层与土体混合，在土层中形成具有一定强度的固结体；通过上述的操作，改善了土层性质，所以解决了桩基成孔时孔壁坍塌的问题。本发明中，此时的加固，其目的是保证后续打孔时，不易出现孔壁坍塌问题，

本发明中，针对钻杆，其提升速度相对慢，目的在于可以在同一土层中注入的浆液多，使浆液充分填充土体。旋转速度慢(与旋转速度快相比较)则可以使得水泥浆搅拌均匀，充分发挥浆液性能。相对而言，在合理的范围内，旋转速度慢提升速度慢，加固效果好。钻杆的旋转速度和提升速度分别为15-25r/min和15-30cm/min，使得后期的强度大，能够抵抗消除负摩阻力。(二)为抵消桩基负摩阻力进行桩侧后注浆的施工步骤如下：

(1)根据回填土层的厚度及需桩侧后注浆的范围，再结合钻孔灌注桩10的直径和深度制作好竖向注浆主管7、水平注浆支管8和注浆头9；本实施例中，部分的水平注浆支管8位于加固后填土11内。

本实施例中，水平注浆支管的管身为两头大中间小，里边的大头连接竖向注浆主管，外部的大头连接注浆头，完成更大范围的注浆；中间小的区段装置单向止回阀，防止浆液回流。通过两头大中间小的设置，使浆液回流压力由管身和单向止回阀共同承担，防止对止回阀的破坏。

(2)将注浆头9固定在水平注浆支管8的出浆的管口上，并从水平注浆支管8的另一端注入清水，检查单向止回压力阀802的密封性；本实施例中，注浆头9沿单向止回压力阀方向，还设置变截面水平注浆管801，以实现不同大小的喷浆。

(3)将若干竖向注浆主管7均匀对称的安装在桩基钢筋笼内侧，与主筋平行，并将所设开口朝向土体方向，竖向注浆主管7的数量可以根据土质情况、桩径和桩长进行调整。

(4)将若干拼装好的水平注浆支管8和竖向注浆主管7固定连通在一起，并对竖向注浆主管7底部进行封堵，防止浇筑混凝土时混凝土流入纵向注浆主管而造成堵塞。用薄橡胶套将注浆头9临时封闭，防止浇筑混凝土时，混凝土堵塞出浆孔。

(5)在回填土加固区域进行桩基钻孔灌注桩10的施工，桩孔穿过回填土土层进入稳定的原状土土层，在钢筋笼上预埋桩侧后注浆设备。灌注桩10成孔后吊放钢筋笼，将后注浆设备和钢筋笼一起下放到位，然后进行浇筑灌注桩10的桩身混凝土。和钢筋笼一起下放的后注浆设备为7、8、9，注浆管和注浆头。

(6)注浆前进行压水实验，检查设备及系统的密封性与完好率，确定注浆初压力和注浆起始浓度和注浆配合比。从竖向注浆主管7的顶端高压注入清水，利用清水劈裂土体，由于圆锥体带孔注浆头9在桩身以外，清水劈裂不会破坏桩体，可以避免注浆过程中过度破坏桩身混凝土而导致的钢筋腐蚀隐患。

本发明中，注浆前进行压水实验，检查设备及系统的密封性与完好率，确定注浆初压力和注浆起始浓度和注浆配合比。从竖向注浆主管7的顶端高压注入清水，利用清水劈裂土体，由于圆锥体带孔注浆头9在桩身以外，清水劈裂不会破坏桩体，可以避免注浆过程中过度破坏桩身混凝土而导致的钢筋腐蚀隐患。

(7)待浇筑的灌注桩10的桩身混凝土强度达到设计强度的70％时，进行加压注浆，通过注浆压力泵4将泥浆从竖向注浆主管7的顶端注入，经水平注浆支管8和注浆头9注入桩周土体。利用注浆压力泵4控制注浆压力，注浆压力大小和注浆流量通过注浆压力表全程实时监控，注浆压力控制在l.2MPa～4MPa之间。实际后注浆时，以控制设计的注浆量为主，关注注浆压力为辅，当注浆总量和注浆压力达到预定标准后，即停止注浆。

(8)在桩侧后注浆完成28日后，对后注浆工艺效果进行检测。

本发明中，桩侧后注浆的目的是，在桩外周形成加固结构，进而能够抵消回填土引起的桩侧负摩阻力，具体如下：

若回填土高度为8m，那么高压旋喷桩加固范围为9m(比回填土多1m)，然后施作桩基(比如18m)，桩侧(指桩基，采用钻孔灌注桩的形式施工形成桩基)后注浆范围为地下7m-15m，即回填土与原状土交界面上1m，下7m。具体可见后面附图2。

桩侧后注浆，加固桩侧一定范围土体，主要是加固回填土与原状土交界面和原状土区域，回填土区域通过高压旋喷加固，已经形成一个整体，下方的原状土相对加固的回填土而言，土质较弱，且会发生不均匀沉降等，与桩基发生相对向下的位移，产生负摩阻力。通过桩侧后注浆，加固桩侧土体，减小与桩基的相对位移，抵消负摩阻力。

本发明中，桩侧后的注浆设备，是在现有设备上进行了小的改良，通过水平支管(包括变截面管身和单向止回阀)在桩基外侧出浆，直接将浆液注射在土体，减少对桩身混凝土的破坏影响。注浆头在竖向和水平方向都有出浆口，充分填充桩身混凝土与桩周土体的间隙。

本发明中，高压旋喷桩的注浆压力为20MPa-40MPa，取20MPa左右；桩侧后注浆为1.2MPa-4MPa，注浆稳定期一般采取4MPa左右。这是两种不同的加固方式，高压旋喷桩直接加固一个区域，桩侧后注浆加固单桩桩侧的土体。

本发明中，回填土已经进行过高压旋喷注浆，再进行后注浆，一是实际注浆难度大，二是已经形成一整个加固体，后注浆效果小。故无需回填土后注浆。

本发明中的技术方案，已在项目上使用，应用于“西安咸阳国际机场三期扩建工程”桥梁桩基的施工。

社会效益：该工程是连接西安咸阳国际机场T5航站楼与地铁等轨道交通的多元化交通枢纽中心，承担着连接地上、地面和地下各类交通设施的任务。其中落地双层高架桥桥是其核心工程，也是重难点工程。

经济效益：因为解决了桩基成孔时孔壁坍塌的问题，提高桩基施工时桩基的成桩效率；抵消回填土引起的桩侧负摩阻力的影响，提升桩基承载力，有效减小桩基的设计桩长。综合可节约工程造价约25％左右，约500万元。

本发明中，在减小负摩擦阻力方面，主要针对于黄土高填方区域，桩基同时穿越回填土和原状土，使得回填土与原状土能够形成整体，同时利用不同的桩，具有不同的强度，进而及时灌注时，回填土不易坍塌，而且底部的原状土，由于强度大，不易沉降，进而上部的回填土由于桩的存在，不仅不易发生孔壁坍塌，而且不易沉降。

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 (10)

1.减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，用于黄土高填方区域，其特征在于，包括以下步骤：

S1)桩基土体加固：选取加固区域，利用水泥浆高压旋喷注浆方式，形成旋喷桩；

S2)桩基范围中注浆组件的设置：于桩基范围内，埋设护筒，结合钻孔要求，设置至少2个方向的注浆组件以及注浆头，且部分注浆组件和注浆头预埋设置；

S3)桩侧后注浆：于加固区域内，沿所述旋喷桩外侧，利用穿过原状土层的注浆组件，对旋喷桩侧部，进行至少两个方向的注浆，以形成桩侧后注浆。

2.根据权利要求1所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述步骤S1)桩基土体加固具体为：

S11)加固区域的确定：根据黄土高填方区域回填土的现状及后续桩基施作的位置，确定高压旋喷桩进行地基加固的范围；

S12)水泥浆的喷射：利用高压泵产生带有压力的水泥浆，使其喷射至黄土高填方区域的加固范围内；

S13)旋喷桩成型：所述水泥浆的喷射时，钻杆以旋转伴提升的方式，将水泥浆与土体混合，形成旋喷桩。

3.根据权利要求2所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述步骤S11)加固范围的确定中，所述地基加固的范围具体为：黄土高填方桩基的施工区域以及施工区域上方1-2m区域范围，以及下方1-2m区域范围。

4.根据权利要求2所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述步骤S12)水泥浆的喷射中，所述带有压力的水泥浆，具体为带有20-40Mpa压力的水泥浆。

5.根据权利要求2所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述步骤S13)旋喷桩成型具体为：利用位于钻杆中间的注浆液，将浆液输送至钻杆靠近钻头处的喷嘴上，进而钻杆以边钻边喷浆液的方式，将浆液与土体搅拌均匀，并形成柱状固结体，完成旋喷桩施工。

6.根据权利要求5所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述钻杆以先提升后旋转的方式进行旋喷桩施工，所述钻杆的旋转速度和提升速度分别为15-25r/min和15-30cm/min。

7.根据权利要求1所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述步骤S1)桩基土体加固中，所述旋喷桩为若干根，且若干根喷旋桩互相连接，以形成整体的加固区域。

8.根据权利要求1所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述步骤S3)桩侧后注浆具体为：在所述加固区域内，对原状土进行注浆施工，使得浆液喷入加固区域下方的原状土内，同时加固原状土与旋喷桩的连接处。

9.根据权利要求1所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述步骤S3)桩侧后注浆中，所述注浆组件至少包括竖向注浆主管以及位于竖向注浆主管侧部的水平注浆支管，部分所述水平注浆支管预埋于所述加固区域内。

10.根据权利要求1所述的减小钻孔灌注桩回填区域内负摩阻力的方法，其特征在于，所述步骤S3)桩侧后注浆中，所述注浆压力为l.2MPa-4MPa。

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