CN117947769A - 一种深度改性泥渣柱组合桩复合地基及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木建筑工程技术领域，尤其涉及一种深度改性泥渣柱组合桩复合地基及其施工方法，桩体主要由深度改性泥渣柱组成，中心为浆固砂石；砂石可溢出桩体，提供排水通道具有加固周边欠固结软土的功能，可有效降低工后沉降提高复合地基承载力；注入浆液可填充砂石孔隙并通过砂石通道进入周边孔隙，使砂石与深度改性泥渣柱及附近土体凝固成整体；深度改性泥渣柱由废弃泥渣改性预制而成，具有自嵌合特性，节能环保，便于施工，预制空心泥柱外径在50‑70cm范围，内径在14‑20cm范围，可多段连接。

Description

一种深度改性泥渣柱组合桩复合地基及其施工方法

技术领域

本发明属于土木建筑工程技术领域，尤其涉及一种深度改性泥渣柱组合桩复合地基及其施工方法。

背景技术

随着工程建设规模的扩大，在滨海道路桥涵、工业管道综合管廊及地铁线路工程建设过程中，数量众多的群桩基础、地下连续墙等工程施工过程中会产生大量的流态废弃泥渣，处理十分困难。与此同时，滨海地区广泛分布的深厚欠固结软土会导致桩基使用过程中产生较大的桩侧摩阻力，导致复合地基整体承载力下降；并且，成桩需要的建筑材料用量较大，目前砂石料的限制开采导致成桩材料短缺问题突出。若能将改性废弃泥渣用作桩体材料，则能一举两得，同时解决废弃泥渣处置和建材短缺两大难题。

将废弃泥渣改性用作建筑材料是近年来逐渐发展起来的一个高效再利用思路。为了实现该目的，中国实用新型专利CN215367205U公开了一种适用于欠固结软土地基的浆固碎石-土桩加固方法，该方法中利用絮凝调理、化学固化及充气加压对废弃泥浆进行改性制备空心泥柱，又针对欠固结软土地基的工后沉降问题，结合散体材料桩的技术思路，提出在欠固结软土地基上预先打好的孔中心插入注浆管再投入碎石成桩，接着放入一段空心泥柱，接着投入碎石填满空心泥柱桩段的内孔，重复放入泥柱和填充碎石形成碎石-土组合桩，待周边土体排水固结至指定程度后，通过中心注浆管进行注浆，形成浆固碎石-土组合桩。

尽管上述专利能够将改性处理废弃泥渣再利用形成浆固碎石-土组合桩复合地基，但该工艺在利用空心泥柱形成组合桩的施工过程较为复杂，存在几个的问题，例如碎石与空心泥柱需要逐层放置填入，施工步骤较为复杂，且上段与下端泥柱中心对准存在一定难度，易导致整体施工质量控制难度大，整体加固效果下降。因此，其工艺有待进一步优化。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的碎石与空心泥柱需要逐层放置填入，施工步骤较为复杂，且上段与下端泥柱中心对准存在一定难度，易导致整体施工质量控制难度大，整体加固效果下降。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种深度改性泥渣柱组合桩复合地基及其施工方法。

本发明是这样实现的，一种深度改性泥渣柱组合桩复合地基，桩体主要由深度改性泥渣柱组成，中心为浆固砂石；注浆前砂石可溢出桩体，提供排水通道具有加固周边欠固结软土的功能，可有效降低工后沉降提高复合地基承载力；注入浆液可填充砂石孔隙并通过砂石通道进入周边孔隙，使砂石与深度改性泥渣柱及附近土体凝固成整体；深度改性泥渣柱由废弃泥渣改性预制而成，具有自嵌合特性，节能环保，便于施工，预制空心泥柱外径在50-70cm范围，内径在14-20cm范围，可多段连接。

深度改性空心泥渣柱上端有突出圆台，下端具有内切圆台，且上下角度一致，深度一致，可嵌合；且下部管壁有凹口，便于砂石及泥浆渗出。

散体材料砂石不仅分布在泥渣柱中心，在节段连接处大量分布并溢出桩范围，使桩体具有更大的面积。

桩段可嵌合，桩体安装简便，桩段吊装难度低，具有加固周边欠固结土及成桩的两段加固过程。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述深度改性泥渣柱组合桩复合地基的深度改性泥渣柱组合桩复合地基施工方法，包括：

S1，对空心泥渣柱进行切削，形成嵌合面及凹口；

S2，采用双套管法在欠固结土中成孔，并拔出内管；

S3，按设计长度依次垂直地面放入多段预制深度改性空心泥渣柱，确保其嵌合完好，并在泥渣柱中心插入注浆管；

S4，向空心泥渣柱中空位置填入砂石等散体材料至地面高度；

S5，拔出外套管，等待周边欠固结土完成排水；

S6，经注浆管向砂石中注入水泥浆液，使散体材料与空心泥渣柱及周边软土形成整体。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，高强度空心泥柱经由深度改性废弃泥渣制备，可从一定程度上解决施工过程中废弃泥渣的处理难题，在经过絮凝固化等作用处理之后，可具有较高强度为成桩所用；空心泥柱作为预制构件，具有灵活方便的优势，可节约现场施工的时间成本；由于空心泥柱上下端的坡面卡口设计，在成桩过程当中节段之间具有自嵌合能力，可保证节段之间的准确连接，同时节段长度较为灵活，施工便捷；空心泥柱节段端口的凹口设计可以保证泥柱中的散体材料溢出，从而使得散体材料与周边土体混合，便于周边土体中的孔隙水排出以及注浆液体进入周边土体中，对周边土体进行加固；注浆之前进行的周边土体排水操作，可大大减小周边土体的工后沉降，从而减小注浆加固后的桩周摩阻力，提高复合地基的整体承载力。

第二，当前行业内废弃泥渣处理主要有三种途径：泥罐车外运、就地堆填干化外运及旋流筛分后直接压滤。然而随着纳泥塘资源日渐减少、运距日益增大，外运成本愈发高昂，堆场则面临周转慢、场地有限等问题，机械压滤方法虽然可以减小体积，但压滤后泥饼的附加利用价值不高。本技术所涉深度改性泥渣柱的原材料为废弃泥渣，通过对其进行改性再利用，可以解决泥渣含水量高体量大、运输困难、费用高昂的问题，解决工程废弃泥渣的处理问题，同时实现其高附加值再利用。

本发明提供了一种高性能建材的替代材料：由于河砂开采的严格限制，目前砂石料短缺问题突出，由于深度改性泥渣柱具有较高强度，在该技术中可以替代高性能建材使用，从而节约材料成本。

本发明提供了一种应用于软弱地层的高效复合地基技术：本技术在形成复合地基时具有先散后刚特性，既能促进桩间土中水的排出又使得成桩整体性增强，形成的复合地基桩土应力比更加合理，整体工后沉降较小，有利于工程耐久性和防灾能力提升。

本发明具有显著的整体经济效益和社会效益：通过废弃泥渣的深度改性利用，可以降低泥渣处置成本和高性能建材购买量，具有显著的经济价值。同时，使用该方法可以降低泥渣处置中的环境风险，减少水泥的使用，降低碳排放，社会效益突出。

第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明所提出的技术方案是一种双赢的技术方案，既能极大程度地消纳废弃泥渣，又能替代高性能建材。如果综合考虑泥渣处置所需要的运输及占地费用以及高性能建材费用，该技术具有显著的整体经济效益。

本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：该技术是一个全新的技术工艺，能同时破解废弃泥渣处理、软土地基处理的生产力水平缺陷，成为这两个技术领域工程实践的新选项。

第四，本发明提供的深度改性泥渣柱组合桩复合地基方面取得的显著技术进步包括：

1)深度改性泥渣柱主体桩体的创新：

采用特殊处理的深度改性泥渣柱，提高了桩体的强度和稳定性，使其在软土层中具有更好的支撑能力，同时通过中心填充的浆固砂石增强了桩体的整体刚性。

2)浆液填充与土体结合的优化：

注入的浆液能充分填充砂石孔隙并扩散至周围土体，形成更密实的地基结构，增强了复合地基的整体稳定性和承载能力。

3)环保节能材料的应用：

使用废弃泥渣进行改性处理，不仅提升了环保节能效果，还确保了材料在施工中的高效对接和适应性，满足了不同深度地基加固需求。

4)深度改性空心泥渣柱的结构优化：

优化的设计(突出圆台和内切圆台)确保了桩体的精准嵌合和施工稳定性，同时考虑了易于施工和结构稳定性的要求。

5)散体材料砂石的灵活运用：

散体材料砂石的使用不限于泥渣柱中心部位，而是在节段连接处大量分布，增强了桩体与周边土体的结合效果，提高了地基的整体稳定性。

6)模块化可嵌合结构的应用：

通过模块化设计，简化了现场安装过程，降低了吊装难度，同时提高了桩体的稳定性和承载能力，对于软土地基加固具有显著的技术进步。

本发明提供的技术进步体现在提升复合地基的结构稳定性、施工便利性和环境适应性上，显著改善了软土地基加固的效果和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的砂石-深度改性泥渣柱处理欠固结软土地基示意图；其中，(a)主视图，(b)，A-A图，(c)B-B图；

图2是本发明实施例提供的自嵌合浆固砂石-深度改性泥渣柱组合桩复合地基示意图；其中，(a)主视图，(b)，A-A图，(c)B-B图；

图3是本发明实施例提供的自嵌合浆固砂石-深度改性泥渣柱组合桩成型步骤示意图；图中，(a)，深度改性泥渣段，(b)，自嵌合端口切割成型，(c)，连续节段置入嵌合及注浆管置入，(d)，砂石材料投入，(e)，周边欠固结土排水，(f)，注浆加固成桩；

图4是本发明实施例提供的深度改性泥渣柱节段节点自嵌合示意图；

图5是本发明实施例提供的深度改性泥渣柱组合桩复合地基施工方法流程图；

图6示出了深度改性废弃泥渣的理化复合法的前期试验结果；(a)泥饼的快速压滤脱水性能；(b)改性后泥饼的强度；

图7示出了先散后刚”桩复合地基和一般刚性桩复合地基的受力与变形对比结果。(a)孔隙水压力消散对比图；(b)桩身轴力分布图；(c)工后沉降对比图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种深度改性泥渣柱组合桩复合地基及其施工方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的两个具体的实施例以及它们的实现方案，用于深度改性泥渣柱组合桩复合地基：

实施例1:城市软土地基加固

1)桩体制备:

使用废弃泥渣，经过特殊改性处理，制成直径60cm、内径16cm的深度改性泥渣柱。每根柱子上端带有突出圆台，下端带有内切圆台，便于现场嵌合。

2)桩体安装:

在城市软土地基预定位置，按需将改性泥渣柱垂直插入地面，通过柱体的自嵌合特性实现快速连接。

3)中心填充与注浆:

在柱体中心填充浆固砂石，然后通过注浆管向砂石中注入特殊浆液，使浆液充分填充砂石孔隙并向周围土体扩散。

4)桩体与土体结合:

浆液与砂石以及泥渣柱一起形成刚性桩，同时与周围土体密实结合，从而加固软土地基。

实施例2:河岸边坡稳定化处理

1)桩体制备:

制作直径50cm、内径14cm的深度改性泥渣柱，上下端均设有适配的圆台形结构以实现精准嵌合。

2)桩体施工:

在河岸边坡预定加固区域，顺序插入改性泥渣柱，利用其自嵌合特性实现柱体的连续性。

3)浆固砂石填充与注浆:

在泥渣柱中心和节段连接处填充大量砂石，然后通过注浆管注入浆液，实现与砂石和周边土体的紧密结合。

4)边坡稳定化:

形成的复合地基大大提升了边坡的稳定性，有效防止了土壤侵蚀和滑坡现象。

这两个实施例展示了深度改性泥渣柱组合桩复合地基在不同应用环境下的适用性和高效性，其中包括城市软土地基加固和河岸边坡稳定化处理，体现了该技术在实际工程应用中的广泛适用性和显著效果。

本发明对施工方法和工艺进行了改进，在利用废弃泥渣制备组合桩所需高强度空心泥柱时，对组合桩的下端进行改造，使其节段之间可以直接嵌合同时又能使得内部填充砂石可以通过接触位置孔隙泥柱管壁流出，增大浆固碎石的影响范围及外部欠固结土中孔隙水的排水路径。本发明实施的技术方案是：将深度改性泥浆的预制空心泥柱上端由平齐口切削为同时具有凹凸齿及外部斜面的端口，将空心泥柱下端改造为具有与下方节段上端嵌合内部斜面的端口，施工过程中将空心泥柱逐节放入，使其中心对准；泥柱中心插有注浆管，组合桩泥柱内部为散体材料砂石，桩段接口处，分布有部分砂石；注浆前，周围欠固结土中孔隙水顺接口处排水通道流出，注浆后，在注浆压力作用下，浆液顺端口砂石流至周边土中，形成加固整体；所述预制空心泥柱外径为50-70cm，内径14-20cm，节段高度为1-1.8m，单个凹凸齿的尺寸为60度，所述桩体源自施工过程产生的泥渣经新型理化复合法深度改性制成，具体方法与专利CN 102505684 A中所述方法相同，所述组合桩中间充填的散体材料可为砂、碎石或废弃钢渣；桩段链接方式为嵌合式，所述注浆管壁分布有孔洞。

本发明涉及的自嵌合浆固砂石-土组合桩复合地基的施工方法采用以下技术步骤实现：

(1)采用双套管法打入地基中至标高后，无振动状态上拔内管连同内管中的土一起拔出；

(2)将具有嵌合端口的预制空心泥柱放入桩孔中，当桩长较长，需要空心泥柱段数较多时，将其逐段放入桩孔中并对准嵌合；

(3)在空心泥柱中央插入注浆管，通过软管与注浆泵相连；

(4)向空心泥柱内投入砂石等散体材料；

(5)拔出双套管的外管，继续向空心泥柱内部投入散体材料，使之能从泥柱节段的端口凹槽中溢出；

(6)挤土作用下，桩周边欠固结软土中的孔隙水沿着泥柱中间的碎石排出；

(7)排水结束后，通过注浆泵沿注浆管向散体材料当中注入浆液；

(8)浆液与散体骨料固结并通过桩段之间的开孔及通过开孔溢出的散体材料渗入到桩周土体中，同时充满整个空心泥柱内部空腔。

如图1所示，本发明实施例提供的自嵌合浆固砂石-深度改性泥渣柱组合桩复合地基，由深度改性空心泥渣柱、浆固砂石散体材料和浆固散体材料扩散区及周边加固软土地基组成。本发明空心泥渣柱内径在14-20cm，外径在50-70cm，节段长度为1-1.8m。

施工步骤具体为：

(1)泥渣柱切削成型。将经过絮凝-固化-内部挤压形成的空心泥渣柱，按照图1所示的方式对其顶部进行斜面切削成型，斜面与水平夹角在60度左右。对泥渣柱的底部首先向内切削，成内凹斜面，角度与上部外突斜面嵌合。随后，在内部按照直径40cm切削成管状，深度20cm，按照按照斜面与竖向夹60度角切出部分泥柱管壁，留出底部缺口。

(2)双套管法成孔。由于该工艺主要针对欠固结软土地区，故采用双套管法成孔。在平整场地之后，使用双套管法打入施工，到达目标深度后，拔出内管及内管内土。

(3)空心泥渣柱组合成型。将预制好的深度改性泥渣柱节段按照图1所示方向放入桩孔中至设计长度。组装完成后，在空心圆柱中间插入一根钢制注浆管3至底部，注浆管上布置有若干开孔。

(4)砂石散体材料填入。将泥渣前期分选出的砂石等粗颗粒填入泥渣柱中部空腔中，确保砂石从上到下填满空腔，并从节段连接处开口溢出填布在空心泥渣柱周边。

(5)周边欠固结土排水。砂石等散体材料装填完成后，将外管拔出，待周边欠固结土中的孔隙水在挤土压力作用下通过散体材料排水固结。

(6)注浆加固。待周边土固结基本完成后，通过中心注浆管向砂石散体材料及周边土中注浆。浆液凝固后，形成如图2所示的浆固砂石-深度改性泥渣柱组合桩复合地基。通过水灰比及配合比控制浆液参数，浆液的量既要保证充满空心圆柱内砂石空腔，同时也要有部分充满周边土体及溢出砂石中。

如图5所示，本发明实施例提供的深度改性泥渣柱组合桩复合地基施工方法，包括：

S1，对空心泥渣柱进行切削，形成嵌合面及凹口；

S2，采用双套管法在欠固结土中成孔，并拔出内管；

S3，按设计长度依次垂直地面放入多段预制深度改性空心泥渣柱，确保其嵌合完好，并在泥渣柱中心插入注浆管；

S4，向空心泥渣柱中空位置填入砂石等散体材料至地面高度；

S5，拔出外套管，等待周边欠固结土完成排水；

S6，经注浆管向砂石中注入水泥浆液，使散体材料与空心泥渣柱及周边软土形成整体。

本发明提供的技术包括两个主要方面，一方面是深度改性泥渣技术，另一方面是砂桩、浆固碎石桩和CFG桩原理结合的复合地基加固方法。深度改性方法是该技术的必要步骤，复合地基形成是该技术实用的关键。深度改性泥渣柱方面目前已开展大量室内絮凝-固化-压滤试验，对泥渣改性的效果进行了检验。而CFG桩复合地基加固技术和砂桩软基加固技术已有较多实际应用，例如莘县特大桥项目地基处理中选用了CFG桩复合地基处理技术，并通过抽样表明，总桩数2‰的抽样检验中，CFG桩处理后的复合地基承载力均在800kN以上。此外，CFG桩应用于某新建高速公路软土地基处理，现场沉降监测和静载试验检验得CFG桩复合地基特征值达到了224kPa，卸载后地基沉降最大值为7.7mm，表明处置后地基承载力得到了明显提升。某地区某道路工程中运用砂桩加固滨海相软土，在滨海东大道工程中应用砂桩堆载预压路基处理技术，标贯试验结果表明处理后路基土体的密实度呈密实状态与中密状态。由此可见，本发明技术具有广泛的应用基础。

本技术所涉核心内容包括两个方面：一是深度改性废弃泥渣柱本身，二是深度改性泥渣柱组合桩在注浆前后的工作性能。下面将从这两方面分别说明其相关效果。

(1)深度改性废弃泥渣的理化复合法的效果

国网江苏省电力有限公司建设分公司与武汉大学近期尝试研发了絮凝调理-固化-机械压滤脱水-土工泥袋化的一体式处理工艺(简称C-F/S/MD/GB工艺)，该工艺可以快速(20～30mins)将土工泥袋的含水率降低到很低的水平(≤50％，即让改性泥渣变得非常密实)，在此条件下，改性泥渣的后期强度提升显著(在较低固化剂掺量的条件下无侧限抗压强度也很容易达到1.5MPa以上)，如图6所示。因而该技术与传统固化技术与传统预压方法相比，技术优势突出。本技术中涉及的深度改性泥渣柱构建原理与之类似，因此深度改性泥渣柱本身强度足够。图6深度改性废弃泥渣的理化复合法的前期试验结果；(a)泥饼的快速压滤脱水性能；(b)改性后泥饼的强度。

(2)砂石-深度改性泥渣柱组合桩的实施效果

尽管深度改性泥柱组合桩与先散后刚桩的部分技术原理相似。具体而言，深度改性泥柱组合桩和先散后刚桩的工作原理都是在早期利用桩体的强透水性来加速桩间土的排水固结而在晚期通过注浆胶结形成承载能力强、沉降控制效果佳的刚性桩。因此，先散后刚桩方面的研究成果可为深度改性泥柱组合桩提供扎实的理论或实践依据。

首先，在先散后刚桩方面：章荣军和黄悦等全面对比了“先散后刚”桩复合地基和一般刚性桩复合地基的受力与变形特点，研究结果表明：相比常用刚性桩处理方法，“先散后刚”桩复合地基能在兼顾排水能力和竖向刚度的情况下大幅减少工后沉降并有效提升软土场地地基承载力，具体如图7所示。这些关于“先散后刚”桩的实验结果也能够很好地说明本项目所研发的深度改性泥柱组合桩的工作原理——“早期利用桩体的强透水性来加速桩间土的排水固结而在晚期通过注浆胶结形成承载能力强、沉降控制效果佳的刚性桩”具有技术优势。图7示出了先散后刚”桩复合地基和一般刚性桩复合地基的受力与变形对比结果。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种深度改性泥渣柱组合桩复合地基，其特征在于，主体桩体由经过特殊处理的深度改性泥渣柱构成，中心填充具有可通过固化作用联结强化的浆固砂石；在注浆前通过泥渣柱中砂石的排水通道功能加固周边欠固结的软土层，降低施工后沉降，并随后通过注浆管向砂石中注浆与深度改性泥渣柱一起形成刚性桩。

2.根据权利要求1所述的复合地基，其特征在于，注入的浆液能够充分填充砂石孔隙，并通过砂石构成的通道扩散至周围土体。

3.根据权利要求1或2所述的复合地基，其特征在于，所用的深度改性泥渣柱由废弃泥渣经过改性处理和预制工艺制成；环保节能的材料选择和优化的预制尺寸，外径50-70cm，内径14-20cm，允许多段灵活连接，适应不同深度的地基加固需求。

4.根据权利要求3所述的复合地基，其特征在于，深度改性空心泥渣柱设计上考虑了易于施工和结构稳定性的因素，每根柱子的上端配置有突出圆台，下端具备内切圆台。

5.根据权利要求4所述的复合地基，其特征在于，使用的散体材料砂石不仅局限于泥渣柱中心部位，而是在节段连接处大量分布并溢出桩体范围。

6.根据权利要求5所述的复合地基，其特征在于，桩段设计为模块化可嵌合结构。

7.一种应用如权利要求1～4任意一项所述地基的深度改性泥渣柱组合桩复合地基施工方法，其特征在于，包括：

S1，对空心泥渣柱进行切削，形成嵌合面及凹口；

S2，采用双套管法在欠固结土中成孔，并拔出内管；

S3，按设计长度依次垂直地面放入多段预制深度改性空心泥渣柱，确保其嵌合完好，并在泥渣柱中心插入注浆管；

S4，向空心泥渣柱中空位置填入砂石等散体材料至地面高度；

S5，拔出外套管，等待周边欠固结土完成排水；

S6，经注浆管向砂石中注入水泥浆液，使散体材料与空心泥渣柱及周边软土形成整体。