CN115595962B - 一种桩底扩张加固装置及加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩底扩张加固装置及加固方法，其将弹性囊体设计为多层结构，其中，最内一层的内部形成容积可控的第一腔室，内外相邻的两层之间形成容积可控的第二腔室；另外，将输油管与第一腔室通连、将注浆管与第二腔室通连。施工时，采用先注油扩张并稳定后，再注浆的方式，利用油液的良好流动性以及不易凝固的特点，能更好地扩展桩底弹性囊体的体积，减少后续注浆的阻力和时间，从而提高注浆效率并能更好地保证桩底大头的大小，提高相应的加固效果。

Description

一种桩底扩张加固装置及加固方法

技术领域

本发明涉及桩基础技术领域，特别涉及一种桩底扩张加固装置及加固方法。

背景技术

沿海深厚软土区域，软土变形大，桩基础容易发生倾斜、沉降等问题。特别是特大桥、深大基坑的桩基础，在长期运营荷载和施工扰动情况下，桩基础下沉问题严重，当下沉量超出或者即将超出安全数值范围时，则急需对桩基础进行扩底加固。传统的扩底加固方式主要是采用劈裂注浆及桩底压浆等技术。但是，传统的依靠劈裂注浆及桩底压浆的技术面临着一系列技术问题，例如：跑浆、冒浆严重，注浆质量不佳，注浆效果无法检验等，特别在在富水地层、含沙地层及淤泥地层，这些问题更加严重。

为此，现有技术出现了基于球形扩张理论的桩底球形扩张注浆加固方法（如专利公布号为CN 110896645 A的发明专利申请所公开的桩底注浆腔及使用方法以及灌注桩体和灌注桩体的施工方法），其将下端安装有桩底注浆腔的钢筋笼下沉至钻孔的底部，往钻孔灌注混凝土并凝固形成桩体后，通过注浆管往桩底注浆腔的注浆胶囊内注浆，以形成球形或类形的桩底大头并加固桩底。现有的桩底球形扩张注浆加固方法虽能有效加固桩底并避免或大幅降低跑浆、冒浆、注浆质量不佳等问题，但仍有不足之处，例如，其注浆胶囊为单层结构，施工时，直接往注浆胶囊内部注浆，而混凝土浆液流动性相对较差且相对容易出现凝固，浆液填充注浆胶囊的过程中，驱使注浆胶囊挤压周围土体以扩展桩底大小的阻力大，导致注浆过程较为缓慢，效率低且注浆过程中容易出因浆液凝固而影响注浆效果，较难保证桩底大头的大小，相应的加固效果较弱。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种桩底扩张加固装置及加固方法，旨在提高提高注浆效率和加固效果。

为实现上述目的，本发明提出一种桩底扩张加固装置，包括：

挡板，所述挡板固设于钢筋笼下端，并与钻孔相适；

弹性囊体，所述弹性囊体设于挡板底端，包括至少内外依次分布的两层，最内层的内部形成容积可控的第一腔室，内外相邻的两层之间形成容积可控的第二腔室；

输油管，所述输油管设于钢筋笼，下端与第一腔室通连，上端用于通连外部的油泵；以及

注浆管，所述注浆管设于钢筋笼，下端与第二腔室通连，上端用于通连外部的注浆设备。

为实现上述目的，本发明还提出一种桩底扩张加固方法，包括如下步骤：

S1、将装有桩底扩张加固装置的钢筋笼下沉至钻孔的底部，并往钻孔灌注混凝土，以凝固形成桩体；

S2、通过液泵将油液经输油管注入第一腔室，使油液驱使最内层带动整个弹性囊体膨胀并挤压土体，直至第一腔室内的液压稳定大于设计值后，停止注油并保压预定时间；

S3、控制油压稳定在预定值的情况下，通过注浆设备将浆液经注浆管注入第二腔室中，并逐渐将油液挤压出第一腔室，直至第二腔室内的浆液量达到预定值；

S4、停止注浆并保压预定时间，直至浆液凝固形成桩底大头。

本发明将弹性囊体设计为多层结构，其中，最内层的内部形成容积可控的第一腔室，内外相邻的两层之间形成容积可控的第二腔室；另外，将输油管与第一腔室通连、将注浆管与第二腔室通连。施工时，先将装有本发明桩底扩张加固装置的钢筋笼下沉至钻孔的底部，并往钻孔灌注混凝土并凝固形成桩体；接着，通过液泵经输油管往第一腔室注入油液以驱使最内层带动整个弹性囊体膨胀并挤压土体，直至第一腔室内的液压稳定大于设计值后，停止注油并保压预定时间，使土体趋于稳定，并确保桩基在施工或者运营过程中处于稳定状态，不易发生沉降或者倾斜变形；然后，控制油压稳定在预定值的情况下，通过注浆设备将浆液经注浆管注入第二腔室中，并由逐渐进入第二腔室的浆液将油液逐渐挤压出第一腔室，并经输油管和液泵回流至外部的油液回收区域（如油箱）中，直至第二腔室内的浆液量达到预定值，即完成弹性囊的注浆操作，待浆液凝固后形成球形或类形的桩底大头即完成桩底的球形扩张加固操作。由于本发明采用先注油扩张并稳定后，再注浆的方式，利用油液的良好流动性以及不易凝固的特点，能更好地扩展桩底弹性囊体的体积，减少后续注浆的阻力和时间，从而提高注浆效率并能更好地保证桩底大头的大小，提高相应的加固效果。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明一实施例往第一腔室注入油液后的示意图；

图3为本发明一实施例往第二腔室注入浆液时的示意图；

图4为本发明一实施例往第二腔室注入浆液后的示意图；

图5为本发明另一实施例的结构示意图；

图6为本发明另一实施例往第二腔室注入浆液后的示意图；

图7为防护罩未展开时的示意图；

图8为防护罩展开后的示意图；

图9为护片的结构示意图；

图10为本发明再一种实施例往位于外侧位置的第二腔室注入浆液后的示意图。

实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种桩底扩张加固装置。

在本发明实施例中，该桩底扩张加固装置包括挡板1、弹性囊体2、输油管3和注浆管4。挡板1固设于钢筋笼（未图示）下端，挡板1的直径与钻孔（未图示）的孔径相适配，主要用于安装弹性囊体2，以及将弹性囊体2与其上方空间分隔并在后续阻挡混凝土进入弹性囊体2所在区域。所述弹性囊体2设于挡板1底端，弹性囊体2包括至少内外依次分布的两层，最内层的内部形成容积可控的第一腔室21，内外相邻的两层之间形成容积可控的第二腔室22，第一腔室21和第二腔室22之间密封隔绝，保证油液或者浆液不会在第一腔室21和第二腔室22之间流动。输油管3设于钢筋笼，输油管3的下端与第一腔室21通连，上端用于通连外部的油泵200。注浆管4设于钢筋笼，注浆管4的下端与第二腔室22通连，上端用于通连外部的注浆设备300。施工时，先将装有本发明桩底扩张加固装置的钢筋笼下沉至钻孔的底部，并往钻孔灌注混凝土并凝固形成桩体100；接着，通过液泵经输油管3往第一腔室21注入油液210以驱使最内层带动整个弹性囊体2膨胀并挤压土体（未图示），直至第一腔室21内的液压稳定大于设计值后，停止注油并保压预定时间，使土体趋于稳定，并确保桩基础在施工或者运营过程中处于稳定状态，不易发生沉降或者倾斜变形，实现初步扩张桩底；然后，控制油压稳定在预定值的情况下，通过注浆设备300将浆液220经注浆管4注入第二腔室22中，并由逐渐进入第二腔室22的浆液220将油液210逐渐挤压出第一腔室21，并经输油管3和液泵回流至外部的油液回收区域（如油箱）中，直至第二腔室22内的浆液量达到预定值，即完成弹性囊体2的注浆操作，待浆液220凝固后形成球形或类球形的桩底大头即完成桩底的球形扩张加固操作。由于本发明采用先注油扩张并稳定后，再注浆的方式，利用油液210的良好流动性以及不易凝固的特点，能更好地扩展桩底弹性囊体2的体积，减少后续注浆的阻力和时间，从而提高注浆效率并能更好地保证桩底大头的大小，提高相应的加固效果。

可以理解地，所述钢筋笼为现有技术，这里不对其具体结构进行赘述。注浆管4和输油管3可以预先采用扎带或者钢线捆扎的方式又或者焊接（为金属材质时）的方式垂向固定于钢筋笼，注浆管4和输油管3的数量均可以为一根或者多根。挡板1成型有分别与注浆管4和输油管3相适的过孔（未图示），注浆管4穿过相应的过孔后伸入第二腔室22，且注浆管4与第二腔室22的结合处密封，以防止浆液220外漏。输油管3穿过相应的过孔后伸入第一腔室21，且输油管3和第一腔室21的结合处密封，以防止油液210外漏。

在本发明实施例中，所述弹性囊体2包括内外依次分布的两层、三层或者更多层。优选两层，为两层时，内层（也即最内层）的内部形成容积可控的所述第一腔室21，外层（也即最外层）和内层（也即最内层）之间形成容积可控的所述第二腔室22。

考虑到偶然荷载或者临近施工开挖扰动，弹性囊体2可采用三层或者更多层结构，以使后续可在既有桩底大头的外围，继续扩张，扩大桩底大头的大小，以进一步加固桩底。示例性地，如图10所示，以弹性囊体2包括内外依次分布的三层为例，最内层的内部形成容积可控的所述第一腔室21，次外层与最内层以及最外层与次外层之间分别形成内外分隔的所述第二腔室22，每个第二腔室22分别通连注浆管4，上述既有桩底大头是在位于中间位置的第二腔室22内注浆所形成，而位于最外位置的第二腔室22处于空置状态，在后续需要扩大桩底大头时，可通过注浆设备300将浆液经注浆管4注入位于最外位置的第二腔室22，以驱使弹性囊体2的最外层挤压土体并进一步扩大桩底大头的体积，从而进一步加固桩底。

进一步地，考虑到地基土体的不均匀性，可在挡板1底部设置向下延伸的水平分隔部11，以将挡板1的底部水平分隔成多个区域（优选水平分隔成四个区域），相应地，所述弹性囊体2有多个，并分别安装于挡板1底部由水平分隔部11所分隔形成的每个区域中。从而可根据挡板1底部各区域的所对应的地基土体承载力的强弱进行注浆量的判断，以进一步预防桩基础的不均匀沉降；在排桩、群桩基础中可以采用间隔分布模式进行加固桩基础的布置，对整个桩群地基起到良好的加固效果。

可以理解地，所述弹性囊体2的材料可采用现有技术，例如采用现有的软性橡胶或者其他相对柔软且弹性较好的材料制成。注浆管4和输油管3可以采用金属、塑料或者树脂材料制成，优选具有良好的密封性以及一定强度的树脂材料制成，以保证注浆管4和输油管3不易被挤压变形甚至堵塞。

挡板1的材质选取最好能够兼顾结构强度以及耐腐蚀性，优选合金材料制成。液油则优选具有耐高温、不易挥发、不易凝固且化学性质稳定的液体，例如选用现有的HL型液压油或者HM型液压油等。

进一步地，如图1、2、7、8所示，所述挡板1还装有可径向伸缩的环状防护罩5，所述防护罩5将弹性囊体2围护于其内，当弹性囊体2扩展时，可推动防护罩5同步伸展，以并通过防护罩5挤压土体，减少或避免土体直接与弹性囊体2之间的直接摩擦并保护弹性囊体2不受土体破坏。

在本实施例中，如图7、8所示，环状防护罩5包括刚性圆环51以及多片弧形的刚性护片52，护片52绕圆环51的中心线分布，上端与圆环51铰接并可相对圆环51上下摆动，且相邻的两片护片52在环向方向上局部重叠，当弹性囊体2扩展并推动护片52相对圆环51向上摆动时，防护罩5径向伸展。而若护片52相对圆环51向下摆动时，防护罩5则径向收缩。具体地，所述圆环51以及护片52可采用强度较大且耐腐蚀性较好的工程塑料或者金属制成，优选金属，效果较佳。

进一步地，如图9所示，所述护片52的外壁设有角板状或者三棱锥状的挤压件521，所述挤压件521有一棱径向或者大致径向朝外，以在弹性囊体2扩展的过程中，提高对土体的破坏能力，从而降低弹性囊体2的扩展阻力。具体地，当挤压件521呈角板状时，挤压件521的两侧板接近防护罩5中心的一端分别与护片52的外表面相贴合并相固紧。当挤压件521为三棱锥状时，所述挤压件521的一个侧面与护片52的外表面贴合并相固紧，当然，所述挤压件521与护片52也可以为一体成型的整体结构。在本实施例中，设于每片护片52的挤压件521的数量可以为一个、两个或者更多个。

在介绍了本发明桩底扩张加固装置的实施方式之后，接下来将对本发明桩底扩张加固方法的实施方式进行介绍。桩底扩张加固装置的具体结构见上述实施例，重复之处可不作赘述。

在本发明实施例中，该桩底扩张加固方法，包括如下步骤：

S1、将装有桩底扩张加固装置的钢筋笼下沉至钻孔的底部，并往钻孔灌注混凝土，以凝固形成桩体100。

应当说明的是，钻孔的钻设、钢筋笼的下沉以及混凝土的灌注均采用现有技术，并为本领域的技术人员所熟知，这里不不对钻孔的钻设、钢筋笼的下沉过程以及混凝土的灌注过程进行赘述。

S2、通过液泵将油液经输油管3注入第一腔室21，使油液驱使内层带动整个弹性囊体2膨胀并挤压土体，直至第一腔室21内的液压稳定大于设计值后，停止注油并保压预定时间。以使土体趋于稳定，并确保桩基础在施工或者运营过程中处于稳定状态，不易发生沉降或者倾斜变形。

具体地，步骤S2中，停止注油并保压的预定时间主要根据土体的软硬程度、含水量以及桩基础的承重量等因素而定，一般可以为1至5个月，优选3个月，能较好地保证土体趋于稳定，并确保桩基础在施工或者运营过程中处于稳定状态，不易发生沉降或者倾斜变形。必要时，还可在保压预定时间后，可对周围土体的进行计算和检验，以确保桩底周围土体处于预期的稳定状态。

可以理解地，在步骤S2中，所述设计值可根据工程经验或者现场预先试桩等方式确定，试桩为本领域常用的手段，试桩一般是先通过现有技术钻孔并成桩（试验桩）后，往桩体底部注浆，当下部浆液压力将下沉过大的桩基础顶推至原设计安全范围内，并能维持桩基础地基稳定不再发生沉降（具体可通过30天连续位移监测，若无下沉现象，即视为稳定），则此时注浆压力满足工程需求，对应的压力值可确定为设计值。而针对桩基础位移过大，无法顶推至原设计安全范围内的情况，能以够保持桩基础地基稳定，不再发生下沉时，视为满足工程需求，对应压力值即可确定为设计值。

S3、控制油压稳定在预定值的情况下，通过注浆设备300将浆液经注浆管4注入第二腔室22中，使第二腔室22内的体积逐渐增大，并逐渐将油液210挤压出第一腔室21，直至第二腔室22内的浆液220量达到预定值。

具体地，在步骤S3中，注浆设备300的注浆压力不宜过大，也不宜过小，以能保证逐渐充填第二腔室22的同时将第一腔室21的液油逐渐挤出第一腔室21为准，一般略大于油液210所保持的预定值即可，例如注浆压力可按高于油压的预定值5%进行选取，能较好地兼顾注浆的顺畅性和施工的安全性。

可选地，步骤S3中，所述预定值可以等于或者略小于步骤S2中所述的设计值，以保证注浆的顺利进行。

S4、停止注浆并保压预定时间，直至浆液220凝固形成桩底大头，显著提高桩基础的承载能力，保证桩基础后续不再或不易发生严重的沉降或者倾斜。由于本发明采用先注油扩张并稳定后，再注浆的方式，利用油液的良好流动性以及不易凝固的特点，能更好地扩展桩底弹性囊体2的体积，减少后续注浆的阻力和时间，从而提高注浆效率并能更好地保证桩底大头的大小，提高相应的加固效果。

在本发明实施例中，所述弹性囊体2包括内外依次分布的两层、三层或者更多层。优选两层，为两层时，内层（也即最内层）的内部形成容积可控的所述第一腔室21，外层（也即最外层）和内层（也即最内层）之间形成容积可控的所述第二腔室22。

考虑到偶然荷载或者临近施工开挖扰动，弹性囊体2可采用三层或者更多层结构，以使后续可在既有桩底大头的外围，继续扩张，扩大桩底大头的大小，以进一步加固桩底。示例性地，如图10所示，以弹性囊体2包括内外依次分布的三层为例，最内层的内部形成容积可控的所述第一腔室21，次外层与最内层以及最外层与次外层之间分别形成内外分隔的所述第二腔室22，每个第二腔室22分别通连注浆管4，上述既有桩底大头是在位于中间位置的第二腔室22内注浆所形成，而位于最外位置的第二腔室22处于空置状态，在后续需要扩大桩底大头时，还包括通过注浆设备300将浆液经注浆管4注入位于最外位置的第二腔室22，以驱使弹性囊体2的最外层挤压土体并进一步扩大桩底大头的体积的过程，从而进一步加固桩底。

以上所述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，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种桩底扩张加固装置，其特征在于，包括：

挡板，所述挡板固设于钢筋笼下端，并与钻孔相适；

弹性囊体，所述弹性囊体设于挡板底端，包括至少内外依次分布的两层，最内层的内部形成容积可控的第一腔室，内外相邻的两层之间形成容积可控的第二腔室；

输油管，所述输油管设于钢筋笼，下端与第一腔室通连，上端用于通连外部的油泵；以及

注浆管，所述注浆管设于钢筋笼，下端与第二腔室通连，上端用于通连外部的注浆设备。

2.如权利要求1所述的桩底扩张加固装置，其特征在于：弹性囊体包括内外依次分布的两层或者三层，为三层时，最内层的内部形成容积可控的所述第一腔室，次外层与最内层以及最外层与次外层之间分别形成内外分隔的所述第二腔室，每个第二腔室分别通连注浆管。

3.如权利要求1所述的桩底扩张加固装置，其特征在于：挡板底部设置向下延伸的水平分隔部，以将挡板的底部水平分隔成多个区域，所述弹性囊体有多个，并分别安装于挡板底部由水平分隔部所分隔形成的每个区域中。

4.如权利要求1所述的桩底扩张加固装置，其特征在于：挡板还装有可径向伸缩的环状防护罩，所述防护罩将弹性囊体围护于其内，当弹性囊体扩展时，可推动防护罩同步伸展。

5.如权利要求4所述的桩底扩张加固装置，其特征在于：环状防护罩包括刚性圆环以及多片弧形的刚性护片，护片绕圆环的中心线分布，上端与圆环铰接并可相对圆环上下摆动，且相邻的两片护片在环向方向上局部重叠，当弹性囊体扩展并推动护片相对圆环向上摆动时，防护罩径向伸展。

6.如权利要求5所述的桩底扩张加固装置，其特征在于：所述护片的外壁设有角板状或者三棱锥状的挤压件，所述挤压件有一棱径向朝外。

7.如权利要求6所述的桩底扩张加固装置，其特征在于：当挤压件呈角板状时，挤压件的两侧板接近防护罩中心的一端分别与护片的外表面相贴合并相固紧；当挤压件为三棱锥状时，所述挤压件的一个侧面与护片的外表面贴合并相固紧；或者所述挤压件与护片为一体成型的整体结构。

8.采用如权利要求1至7中任意一项所述桩底扩张加固装置的加固方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将装有桩底扩张加固装置的钢筋笼下沉至钻孔的底部，并往钻孔灌注混凝土，以凝固形成桩体；

S2、通过液泵将油液经输油管注入第一腔室，使油液驱使最内层带动整个弹性囊体膨胀并挤压土体，直至第一腔室内的液压稳定大于设计值后，停止注油并保压预定时间；

S3、控制油压稳定在预定值的情况下，通过注浆设备将浆液经注浆管注入第二腔室中，并逐渐将油液挤压出第一腔室，直至第二腔室内的浆液量达到预定值；

S4、停止注浆并保压预定时间，直至浆液凝固形成桩底大头。

9.如权利要求8所述的桩底扩张加固装置的加固方法，其特征在于：弹性囊体包括内外依次分布的三层时，最内层的内部形成容积可控的所述第一腔室，次外层与最内层以及最外层与次外层之间分别形成内外分隔的所述第二腔室，每个第二腔室分别通连注浆管，在后续需要扩大桩底大头时，还包括通过注浆设备将浆液经注浆管注入位于最外位置的第二腔室，以驱使弹性囊体的最外层挤压土体并进一步扩大桩底大头的体积的过程。

10.如权利要求8所述的桩底扩张加固装置的加固方法，其特征在于：步骤S2中，停止注油并保压的预定时间为1~5个月。