CN117488776A - 预制硬化土劲性复合桩及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供预制硬化土劲性复合桩及其施工方法，从桩孔底部压灌预制流态硬化土，置换出孔内的地基水土或泥浆；然后插入刚性桩，刚性桩与流态硬化土形成同心圆柱体，固化后形成预制硬化土劲性复合桩。刚性桩插入过程中桩孔内流态硬化土引桩孔内壁与刚性桩外侧之间的间隙向上流动，对桩孔外侧的土体微挤压，对刚性桩的沉入阻力较小，就不会发生刚性桩爆桩及桩体损伤的现象。预制成流态硬化土具有均质且流动性较好等特点，终凝后的无侧限抗压强度最高能达到15MPa，这完全达到对高强硬化土的设计需要。

Description

预制硬化土劲性复合桩及其施工方法

技术领域

本发明涉及地基基础工程领域，具体的来说涉及一种固化土与预制桩或钢桩组合的劲性复合桩及其施工的方法。

背景技术

在桩基工程中，需要根据地基土的特性和周边建筑物或构筑物的分布情况来选择桩基的型式和施工方法，桩基型式主要有：现浇混凝土桩、预制桩和复合桩。施工方法有：钻孔水下灌注桩、静力压桩、锤击桩和原位搅拌桩或旋喷桩内插入预制桩等。

由于钻孔现浇混凝土桩存在有大量泥浆排放、孔底沉渣、水下浇筑混凝土质量和泥皮减阻等问题，工程师们一直在不断改进的创新，采用后注浆等方法来克服，但仍有一些难题无法解决。在城镇软土区域，设计师们优先选择静力压桩，用预制桩基来代替钻孔灌注桩基，但静力压桩产生的挤土效应对周边建筑物和地下隧道的影响一直难以克服，虽然也采用了各种防挤土措施，不仅成本高而且不能从根本上来解决挤土造成的破坏。此外，克服地基土高阻力沉桩还会造成爆桩及桩体的施工式损伤。

为此，复合桩基应远而生，目前是通过搅拌桩内插入预制桩形成复合桩，这种施工方法由于搅拌桩是原位地基土搅拌，制成的水泥土严重不均匀且无法形成真正的流态水泥土；在搅拌桩体中无法取芯或取出连续完整的芯样，水泥土强度较低并均质性极差并伴有大量泥块，难以形成高强的水泥土桩体，从而为复合桩的承载力及耐久性埋下严重安全隐患；在预制桩的插入过程中，仍有较严重的挤土效应产生，导致在环境保护要求较高区域及多层地下室超深送桩工程项目中无法采用。

另外，传统的压灌混凝土桩施工过程中常出现缩径、塌孔及断桩等问题，严重影响压灌桩的质量。

因此，工程界迫切希望能在施工技术和方法上创新，提出一种无挤土植桩技术及相应的施工方法和配套设备，并能在灌注量控制方面实现自动控制，使压灌桩的质量达到保证，以满足地基基础工程高质量转型的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中存在的问题，提供预制硬化土劲性复合桩及其施工方法。

所述的预制硬化土劲性复合桩是由预制硬化土包裹着刚性桩形成的，其沉桩垂直度偏差不大于1/125，小于规范规定的1/100的垂直度偏差要求。

所述的刚性桩插入时桩孔内的流态硬化土沿桩孔孔壁和刚性桩外侧之间的间隙向上流动，对桩孔周边的地层微挤压；使用嵌套式送桩杆将刚性桩同心送入到设计要求的位置；桩顶从地面向下的送入深度达到20m以上；成桩长度最大达58m。从而使硬化土劲性复合桩可以应用于超深地下室的工程桩基础。

采用流量计精准控制流态硬化土的输入量和返回量，从而可精确控制硬化土桩的直径和灌注质量。

所述的预制流态硬化土使用高压泵和输送管从桩孔底部压入，输送压力不小于2MPa，且能变化压力形成变径，置换出桩孔内的原状土或泥浆，形成流态硬化土圆柱状等直径或变径的桩体。

所述的预制流态硬化土终凝后的无侧限抗压强度完全达到和超过当前规范要求值，且最大达到15MPa。

所述的预制硬化土劲性复合桩施工方法，包括以下步骤：

1)预制流态硬化土制备

预制流态硬化土是由非粘性地基土加入土体硬化剂或水泥、外加剂与水等材料经搅拌混合而成。

根据原料土的性能和对硬化土性能的设计要求，全自动搅拌站将自动控制各类原料配比，使预制流态硬化土的流动度和终凝后的无侧限抗压强度完全达到设计值。

预制流态硬化土的沉入度大于50mm，终凝后的无侧限抗压强度最大能达到15MPa；

2)钻孔取土压灌流态硬化土

采用自动定位和垂直度监测装置控制长螺旋钻机成孔一边取土一边压灌流态硬化土；或采用旋挖钻机成孔，从桩底压灌流态硬化土置换出桩孔内的泥浆，形成流态硬化土等直径圆柱体或变直径的圆柱体；

3)植入刚性桩

在流态硬化土初凝前，将刚性桩植入到流态硬化土形成的圆柱体中，由孔口导向架控制刚性桩与流态硬化圆柱体的同心度，植桩深度可达58m，由硬化土包裹着刚性桩，形成预制硬化土劲性复合桩。

植入刚性桩的装备是振动锤或压桩机，通过对刚性桩施加轴向力克服流态硬化土的浮力，将刚性桩植入到流态硬化土形成的圆柱体中；刚性桩主要为预制钢筋混凝土、预制钢管混凝土桩和钢板桩。

利用嵌套式送桩杆将刚性桩送入到流态硬化土形成的圆柱体的不同位置，形成下潜式复合桩、悬挂式复合桩和等长式复合桩；复合桩能承受竖向载荷的作用和水平载荷的作用，能分别用作工程桩基、复合地基、边坡抗滑桩基及基坑围护排桩。

所述的预制硬化土劲性复合桩的钻孔，使用长螺旋钻机钻孔时，先钻入到桩底标高，然后一边提钻，一边采用高压泵和长螺旋钻机钻杆中间的输送管从钻孔底部开始压灌流态硬化土置换出桩孔内的原状土，形成流态硬化土圆柱体。利用流量计控制流态硬化土的灌注量，并自动控制钻杆的提升速度，使孔内地基土的置换量与压灌的硬化土量相对应，消除缩径、塌孔及断桩等问题。

所述的预制硬化土劲性复合桩的钻孔，使用旋挖钻机钻孔时，利用旋挖钻头钻孔和泥浆护壁，至设计深度后，采用高压泥浆泵和流态硬化土输送管从钻孔底部开始灌入流态硬化土置换出桩孔内的护壁泥浆，形成流态硬化土圆柱体。利用流量计控制流态硬化土的灌注量，并自动控制输送管的提升速度，使孔内地基土的置换量与压灌的硬化土量相对应，消除缩径、塌孔及断桩等问题。

有益效果：本方案无挤土刚性桩插入过程中桩孔内流态硬化土向桩孔内壁与刚性桩外侧之间的间隙向上流动，对桩孔外侧的土体无挤压，不会发生爆桩及桩体损伤的现象。预制成流态硬化土的性能是均质且流动阻力较小，终凝后的无侧限抗压强度能达到1-15MPa；完全达到对高强硬化土的设计需要。通过钻孔灌注预制流态硬化土，解决了原位搅拌、注浆及旋喷形成硬化土带来的原位岩土颗粒破碎效率低、颗粒大小不均、与水泥浆等硬化剂之间的混合不匀、水泥浆大量流失，硬化土强度严重依赖地基土的强度、流动性差异很大、施工时间长和硬化土强度变异大且强度低等难题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1、旋挖钻机桩位成孔过程示意图。

图2、压灌流态硬化土置换护壁泥浆过程示意图。

图3、长螺旋钻机桩位成孔压灌流态硬化土成等径桩过程示意图。

图4、长螺旋钻机桩位成孔压灌流态硬化土成扩径桩过程示意图。

图5、刚性桩插入到流态硬化土体内的无挤土排浆过程示意图。

图6、刚性桩插入到扩底的流态硬化土体内的无挤土排浆示意图。

图7、无损植入的等长式高强复合桩剖面图示意图。

图8、无损植入的等长式高强扩底复合桩剖面图示意图。

图9、无损植入的悬挂式高强复合桩剖面图示意图。

图10、无损植入的悬挂式高强扩底复合桩剖面图示意图。

图11、无损植入的潜入式高强复合桩剖面图示意图。

图12、无损植入的潜入式高强扩底复合桩剖面图示意图。

图13、无损植入的潜挂式高强复合桩剖面图示意图。

图14、无损植入的潜挂式高强扩底复合桩剖面图示意图。

图中所示：1—流态硬化土，2—高压泵，3—流态硬化土搅拌站，4—桩孔，5—输送管，6—刚性桩(预制混凝土桩或钢桩)，7—高强硬化土圆柱形桩，8—桩孔外侧向土体，9—回收管，10—护壁泥浆，11—筒式钻头，12—螺旋式钻具，13—泥浆池。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

图1所示为旋挖钻机桩位成孔过程，从图中可以看出，旋挖钻机的筒式钻头11在桩位中挖土成桩孔4，同时用护壁泥浆10保护已挖出的桩孔4；直至达到设计的深度。

图2所示为压灌流态硬化土置换护壁泥浆过程，从图中可以看出，将输送管5插入到桩孔4的底部，开动高压泵2将流态硬化土1压灌到桩孔4中，同时置换出桩孔4内护壁泥浆10，此时置换出的泥浆10再返回到贮浆池13中可以重复使用，以节省成本和资源，同时也消除了刚性桩植入过程对地层的挤胀引起邻近建筑物、管线和道路的损坏。从而制成高强硬化土圆柱形桩体7。

图3和图4所示为长螺旋钻机桩位成孔压灌流态硬化土过程，从图中可以看出，螺旋式钻具12在桩位中引孔成桩孔4，利用螺旋式钻具的中空钻杆作为输送管5的一部分，开动高压泵2将流态硬化土1压灌到桩孔4中，同时置换出桩孔4内地基原状土，从而制成高强等直径硬化土桩体7，如图3。当在底部压灌流态硬化土1时增大压力，即可在底部形成一个扩底的高强硬化土桩体，如图4。利用高压泵2上的流量计控制流态硬化土的灌注量，并自动控制钻杆的提升速度，使孔内地基土的置换量与压灌的硬化土量相对应，从而消除缩径、塌孔及断桩等问题。

图5和图6所示为刚性桩插入到流态硬化土体内的无挤土排浆过程，从图中可以看出，在流态硬化土1的初凝前，将刚性桩6沉入到硬化土圆柱桩体7内。为克服流态硬化土1产生的浮力需要借助振动锤或压桩机的作用力，将刚性桩6送入到位。由图可知，当刚性桩6植入时，流态硬化土1将沿桩孔4的孔壁与刚性桩6外壁之间的间隙向上流动，对桩孔4外侧的土体8不产生附加挤压力，同时刚性桩6植入过程所克服的外力很小，不再会发生爆桩及桩体损伤的现象。图5与图6的区别在于流态硬化土在底部的是否有扩径。

利用嵌套式送桩杆将刚性桩6送入到流态硬化土形成的圆柱桩体7的不同位置中。

从以上6个示意图可以清晰说明，在桩位钻挖成桩孔4后，通过高压泵2和输送管5能将桩孔内的不均匀地基土及泥浆用流动性较高的流态硬化土1来置换，从而形成了质量可靠且均质的高强硬化土桩体7，无侧限抗压强度可达到15MPa，也从根本上保证了硬化土桩7对刚性桩6粘结后形成的复合桩质量。

预制流态硬化土1是以现场采集的地基土为主要原料，根据硬化土设计强度的要求，选择加入部分粉碎的建筑垃圾材料或粉细砂，掺入水泥或土体硬化剂，由现场专用搅拌站3内加水强制混合搅拌形成流态的硬化土1。经对不同地区的现场地基土混合形成的硬化土终凝后的无侧限强度检测，完全能达到对高强硬化土的设计需要。

下面从刚性桩6与高强硬化土桩7复合形式来说明高强复合桩的结构型式及用途：

1)等长式高强复合桩和扩底复合桩

从图7和8可看出，刚性桩6与高强等径硬化土桩7及扩底硬化土桩7的长度相同，全长复合，形成等长式高强复合桩，有效地增大了软土地基的承载力和抗沉降能力。

2)悬挂式高强复合桩和扩底复合桩

从图9和10可看出，刚性桩6的底部高于高强等径硬化土桩7及扩底硬化土桩7的底部标高，在刚性桩6下部的高强硬化土桩7相当于刚性桩6的人造持力层，从而既能有效控制桩基的沉降量、改良地基的性能，同时大大缩短了刚性桩6的长度，节省了工程造价。

3)潜入式高强复合桩和扩底复合桩

从图11和12可看出，刚性桩6的顶部标高比高强等径硬化土桩7及扩底硬化土桩7的顶部低很多，该种型式的复合桩常用于由地面施工的深层地下结构桩基中。由于流态硬化土1的低阻力并采用嵌套式送桩杆，使得从地面植入的刚性桩6能超深沉入到地下结构的底板位置(可达地下20m以上深度)，消除了开挖基坑后需凿除底板以上刚性桩6的麻烦，减少了刚性桩6的使用量，降低了工程造价。

4)潜挂式高强复合桩和扩底复合桩

从图13和14可看出，刚性桩6的顶底标高与高强等径硬化土桩7及扩底硬化土桩的均不同，相当于悬停在高强硬化土桩7中，该种型式的复合桩常用于由地面施工的深层地下结构桩基且桩基持力层埋深较大的项目中。这种型式桩基既能有效控制桩基的沉降量、改良地基的性能，同时又能大大缩短刚性桩6的长度，节省了工程造价。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.预制硬化土劲性复合桩，其特征是，预制硬化土包裹着刚性桩形成预制硬化土劲性复合桩，其沉桩垂直度偏差不大于1/125；预制流态硬化土是由桩孔底部压力灌注的，灌注量由流量计控制并与孔内地基土的置换量相匹配；全自动搅拌站制备的预制流态硬化土的沉入度大于50mm，凝固后无侧限强度达到1MPa～15MPa；刚性桩插入时桩孔内的流态硬化土沿桩孔孔壁和刚性桩外侧之间的间隙向上流动，对桩孔周边的地层微挤压；使用嵌套式送桩杆将刚性桩同心送入到设计要求的位置，桩顶从地面向下的送入深度能达到20m以上；预制硬化土劲性复合桩的成桩长度最大达58m。

2.根据权利要求1所述的预制硬化土劲性复合桩，其特征是，预制流态硬化土使用高压泵和输送管从桩孔底部压入，输送压力不小于2MPa，且能变化压力形成变径，形成流态硬化土圆柱状等直径或变径的桩体。

3.预制硬化土劲性复合桩施工方法，其特征是，包括以下步骤：

1)预制流态硬化土制备

预制流态硬化土是由非粘性地基土加入土体硬化剂或水泥、外加剂与水等材料经搅拌混合而成。

根据原料土的性能和对硬化土性能的设计要求，全自动搅拌站将自动控制各类原料配比，使预制流态硬化土的流动度和终凝后的无侧限抗压强度完全达到设计值。

预制流态硬化土的沉入度大于50mm，终凝后的无侧限抗压强度最大能达到15MPa；

2)钻孔取土压灌流态硬化土

采用自动定位和垂直度监测装置控制长螺旋钻机成孔一边取土一边压灌流态硬化土；或采用旋挖钻机成孔，从桩底压灌流态硬化土置换出桩孔内的泥浆，形成流态硬化土等直径圆柱体或变直径的圆柱体；

3)植入刚性桩

在流态硬化土初凝前，将刚性桩植入到流态硬化土形成的圆柱体中，由孔口导向架控制刚性桩与流态硬化圆柱体的同心度，植桩深度可达58m，由硬化土包裹着刚性桩，形成预制硬化土劲性复合桩。

4.根据权利要求3所述的预制硬化土劲性复合桩的施工方法，其特征是，预制流态硬化土的原料可以是非粘性地基土、建筑渣土、建筑垃圾及工业固废等材料。

5.根据权利要求3所述的预制硬化土劲性复合桩的施工方法，其特征是，使用长螺旋钻机钻孔时，当需在岩层中钻孔，将配制大扭矩球齿钻头，能快速钻入到桩底标高，然后一边提钻，一边采用高压泵和长螺旋钻机钻杆中间的输送管从钻孔底部开始压灌流态硬化土置换出桩孔内的原状土，形成流态硬化土圆柱体。利用流量计控制流态硬化土的灌注量，并自动控制钻杆的提升速度，使孔内地基土的置换量与压灌的硬化土量相对应，消除硬化土桩的缩径、塌孔及断桩等问题。

6.根据权利要求3所述的预制硬化土劲性复合桩的施工方法，其特征是，使用旋挖钻机钻孔时，利用旋挖钻筒式钻头成孔和泥浆护壁，至设计深度后，采用高压泥浆泵和流态硬化土输送管从钻孔底部开始灌入流态硬化土置换出桩孔内的护壁泥浆，形成流态硬化土圆柱体。利用流量计控制流态硬化土的灌注量，并自动控制输送管的提升速度，使孔内地基土的置换量与压灌的硬化土量相对应，消除缩径、塌孔及断桩等问题。

7.根据权利要求3所述的预制硬化土劲性复合桩的施工方法，其特征是，步骤3)中，植入刚性桩的装备是振动锤或压桩机，通过对刚性桩施加轴向力克服流态硬化土的浮力，将刚性桩植入到流态硬化土形成的圆柱体中；刚性桩主要为预制钢筋混凝土、预制钢管混凝土桩和钢板桩。

8.根据权利要求3所述的预制硬化土劲性复合桩的施工方法，其特征是，步骤3)中，利用嵌套式送桩杆将刚性桩送入到流态硬化土形成的圆柱体的不同位置，形成下潜式复合桩、悬挂式复合桩和等长式复合桩；复合桩能承受竖向载荷的作用和水平载荷的作用，能分别用作工程桩基、复合地基、边坡抗滑桩基及基坑围护排桩。

9.根据权利要求3所述的预制硬化土劲性复合桩的施工方法，其特征是，步骤3)中，同心对中的装备是桩孔孔口处导向装置和振动锤支架的垂直度自动对中装置，使植入的刚性桩与流态硬化土圆柱体保持同心。