CN1710215A - 侧向孔中挤土地基处理方法及水平挤扩装置 - Google Patents

Abstract

侧向孔中挤土地基处理方法及水平挤扩装置属于岩土工程的地基处理方法及其相关施工设备技术领域，此方法与设备可用于土木工程的地基处理中。本方法的特征在于，是利用水平挤扩装置将孔壁横向挤压，以增大孔的横截面积和挤密土体的方法。水平挤扩装置的特征在于，含有两块或两块以上在土孔的横截面上均匀分布的挤土钢板，以及用于推动挤土钢板横向挤压的推动装置。推动装置有水平同层活塞推动装置、水平异层活塞推动装置、竖直活塞推动装置、竖直双向活塞推动装置四种。本方法所形成的复合地基可较大幅度提高地基承载力，碱小地基沉降量；水平挤扩装置能够将土体挤密，增大土孔横截面积。本发明还具有施工快速、简便、机械化程度高、噪音小等优点。

Description

侧向孔中挤土地基处理方法及水平挤扩装置

技术领域

本发明提供了一种岩土工程的地基处理方法及其相关施工设备，此方法与设备可用于土木工程的地基处理中。

背景技术

现有的地基处理方法主要有深层挤密法和置换法等。其中深层挤密法的施工方法的主要步骤是：先借助于振动、锤击、静压等方法把下端带有可自动打开的活瓣式管嘴的空心管沉入要加固的土层中直至设计深度，再在管中灌入填充料(可为碎石、灰土等)，然后边拔管边振动，此时管嘴的活瓣打开，填充料灌入孔中从而形成碎石桩、灰土桩等。此方法可用于处理湿陷性黄土以及承载力较小的素填土、松散砂土等软弱地基。置换法所用空心管的下端是开口的，在空心管下沉到设计深度后，挖出管内的土，再回填入密实的砂石、灰土等形成桩体，起到置换部分原位土体的作用(牛志荣主编，地基处理技术及工程应用，中国建材工业出版社，2004年)。

这些方法存在以下的问题：

采用以往的深层挤密法，因为没有水平挤扩的过程，不能在成孔后再次扩大孔径，但又要获得足够大的面积置换率，往往需要沉入直径较大的空心管，这就难免带来以下一些问题：

1、采用锤击、振动法成孔，因孔径较大，必须使用较大的锤击、振动能量，施工产生的噪音污染较为严重，限制了其使用范围，而且设备需频繁维护、施工工效较低。

2、采用静压法成孔，因孔径较大，土的端阻力与侧摩阻力较大，故沉管时所需的静荷载较大，导致设备过于笨重，移动困难，降低工效。

3、因空心管的直径较大，直接沉入土中需要较大的能量，在湿陷性黄土等较硬的土层中沉入难度大，甚至不适用，处理深度也比较小。

采用以往的深层置换法，则不能对桩孔周围的土体产生挤密效果。对于湿陷性黄土，无法消除桩周土的湿陷性；对于其他软弱土，因为没有挤密周围土体，降低了地基处理的效果。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能在已成好的竖直孔中向外侧挤压土体，提高周围土体的密实度，并增大孔的横截面积的方法。

本发明的另一目的在于提供与上面所述的地基处理方法相适应的专用设备，此设备可对已成好的孔的周围土体进行水平挤压以挤密周围的土体，并扩大孔的横截面积。

本发明所述的孔中侧向挤土地基处理方法，是利用水平挤扩装置将孔壁横向挤压，以增大孔的横截面积和挤密土体的方法。所述孔的横截面为花瓣形，花瓣数为两瓣或两瓣以上。

本发明所提出的水平挤扩装置，其特征在于，含有两块或两块以上在土孔的横截面上均匀分布的挤土钢板，以及用于推动所述挤土钢板横向挤压的推动装置。

所述推动装置是水平同层活塞推动装置，所述挤土钢板共用两个或两个以上分别位于挤土钢板的不同高度的推动装置，每一个推动装置含有一个油缸，以及与所述挤土钢板数目一致的水平向活塞，活塞的一端连接所述挤土钢板，活塞的另一端通向所述油缸，在油压的作用下，活塞推动挤土钢板横向挤压土体。

所述推动装置是水平异层活塞推动装置，所述每一块挤土钢板分别用两个或两个以上位于挤土钢板的不同高度的推动装置，每一个推动装置含有一个油缸和一个水平向的活塞，活塞的一端连接所述挤土钢板，活塞的另一端通向所述油缸，在油压的作用下，活塞通过挤土钢板横向挤压土体。

所述推动装置是竖直活塞推动装置，所述挤土钢板共用一个推动装置，所述推动装置含有一个油缸，以及与油缸相通的两个活塞，该两个活塞在油压作用下在竖直方向上反向运动，在所述两个活塞上分别铰接有与挤土钢板数目一致的推动杆，各推动杆的另一端分别与相应的挤土钢板铰接，在油压作用下，活塞在竖直方向上运动，带动推动杆通过挤土钢板横向挤压土体。

所述推动装置是竖直活塞推动装置，所述挤土钢板共用两个推动装置，所述每一个推动装置含有一个油缸，以及与油缸相通的一个活塞，所述两个推动装置的两个活塞在油压作用下在竖直方向上相向或反向运动，在所述两个活塞上分别铰接有与挤土钢板数目一致的推动杆，各推动杆的另一端分别与相应的挤土钢板铰接，在油压作用下，活塞在竖直方向上运动，带动推动杆通过挤土钢板横向挤压土体。

所述推动装置是竖直双向活塞推动装置，所述挤土钢板共用两个推动装置，所述每一个推动装置含有一个油缸和两个套在一起的活塞，该两个活塞在油压作用下在竖直方向上反向运动，在所述两个活塞的末端均铰接有与挤土钢板数目一致的推动杆，各推动杆的另一端分别与相应的挤土钢板铰接，在油压作用下，活塞在竖直方向上运动，带动推动杆横向挤压土体。

所述水平挤扩装置可串接使用。所述挤土钢板是圆弧形、流线形或尖嘴形。

实验证明，本发明所述的方法能够通过侧向挤扩作用，增大孔的横截面积，使孔周围土体的密实度提高。所形成的复合地基可较大幅度地提高地基承载力，减小地基沉降量。本发明所提出的水平挤扩装置能够将土体挤密，增大土孔的横截面积。本发明还具有施工快速、简便、机械化程度高、噪音小、节省能源等优点，可较大幅度地减小地基处理的费用。

附图说明

图1为本发明的工艺示意图，包括侧视图与俯视图。图1a为预先成好的孔。本发明中施工的主要步骤为水平挤扩(见图1b)，在图中表示时，只以4瓣为例。图1c为水平挤扩完毕后在孔中填入填充料。

图2为本发明最终所成孔的横断面形状示意图，其中图2a从左至右依次表示2瓣、4瓣、3瓣、6瓣和8瓣等各种形状，图2b表示不同高度处扩孔面积相等与不等的两种情况。

图3为水平挤扩装置的示意图，其每节水平挤扩装置挤土钢板4的数目为2块及2块以上，图中只以3块为例。图3a为一节水平挤扩装置挤扩前挤土钢板的位置，图3b为一节水平挤扩装置挤扩后挤土钢板的位置，图3c表示多个水平挤扩装置串联使用的情况。

图4为水平同层活塞推动装置的示意图，只画出一节水平挤扩装置，并以4瓣为例，图4a为挤扩装置的剖面示意图，图4b为挤扩前的截面示意图，图4c为挤扩后的截面示意图。

图5为水平异层活塞推动装置的示意图，只画出一节水平挤扩装置，并以4瓣为例，图5a为挤扩装置的剖面示意图，图5b为挤扩前的截面示意图，图5c为挤扩后的截面示意图。

图6a为竖直活塞推动装置的示意图。每节水平挤扩装置的活塞数目可为2个或2个以上，图中只以二种常见的双活塞组合方式为例。图6b是共用一个油缸的方式，图6c是分别用两个油缸的方式，图6d、6e是竖直活塞推动装置的力系示意图，也是其设计的力学原理图。

图7为竖直双向活塞推动装置的示意图，每节水平挤扩装置的油缸数目是2个或以上。图7a是挤扩前的情况，图7b是挤扩后的情况。

图8为几种常见的挤土钢板的示意图，从左至右依次为圆弧形、流线形、尖嘴形。

具体实施方式：

本发明方法是对所成的竖直孔的孔周围土体进行水平挤压，提高孔周土体的密实度，并形成横截面为花瓣形的竖直孔，增大孔横截面积(图1b)。在水平挤扩过程中，可以采用分层多次挤扩法，也可以采用不分层的一次挤扩法。分层多次挤扩法指将待处理地层分成几层，从下至上或从上至下逐层挤扩；一次挤扩法是指将整个待处理地层看成一层，一次完成水平挤扩。水平挤扩的方法适用于以各种不同的成孔方法(如沉管法、螺旋钻孔法等)所成的孔中挤扩。在水平挤扩后，可以在竖直孔内填入填充料。

本发明所形成的孔的横截面成花瓣状，其瓣数为大于等于2瓣(图2a从左至右依次为2、4、3、6、8瓣的例子)，并且不同高度处的孔径大小可以相等，也可以不相等(图2b)。

图3c给出了在预先成好的竖直孔1内数个水平挤扩装置互相串联的示意图，利用串联的挤扩装置可以对土孔进行一次挤压，而无需多次挤压。

本发明的水平挤扩装置主要技术特征在于，是由一些挤土钢板4与数个推动装置3组成(图3a、3b)。挤土钢板4在推动装置3的作用下，可以在水平方向上移动，从而挤压孔1周边的土体。在水平挤扩前，各块挤土钢板4互相紧靠，形成一个圆形或其它闭合图形，而在水平挤扩时，各挤土钢板4分别沿不同水平方向移动。最后，竖直孔在各挤土钢板4往外移动一段距离之后，形成了一个呈花瓣形的孔。水平挤扩装置的挤土钢板4的数目决定最后所形成的花瓣形孔的瓣数，一般可为2至8瓣。每块挤土钢板4可以与数个推动装置3相连，由这些推动装置来提供水平推力。而每个推动装置3也可以为数块挤土钢板4提供水平推力，推动这些钢板沿不同的径向向外移动。

本发明的水平挤扩结构的推动装置3有四种设计方案：水平同层活塞推动装置、水平异层活塞推动装置、竖直活塞推动装置、竖直双向活塞推动装置。

水平同层活塞推动装置的主要技术特征在于，由处于同一水平面的数个液压千斤顶组成(图4)。各液压千斤的油缸6可以相互连接，也可相互独立。液压千斤顶主要由油缸6、活塞杆5、油缸外壁7组成。在水平面上，各液压千斤顶互成与挤土钢板在水平面上所分布的角度一致的角度，以保证能提供不同水平方向的推力。活塞杆5在油压作用下能水平移动，从而推动挤土钢板4挤密孔周边的土体。其优点在于设计简单，各液压千斤顶的作用力在其所处的水平面内成一个内平衡力系。

水平异层活塞推动装置的主要技术特征在于，由各自处于不同高度的数个液压千斤顶组成(图5)，各液压千斤顶使用各自独立的油缸6。液压千斤顶主要由油缸6、活塞杆5、油缸外壁7组成。各液压千斤顶虽处于不同高度，但其在水平投影面内还是互成角度，以保证能提供不同水平方向的推力。活塞杆5在油压作用下能水平移动，从而推动挤土钢板4挤密孔周围土体。此方案的优点在于液压千斤顶的行程相对于水平同层活塞推动装置的行程更大，而从整个水平异层活塞推动装置来看，其力系也是内平衡的。

竖直活塞推动装置的主要技术特征在于，由竖直运动的活塞杆5在油缸6的油压作用下带动推杆9给予挤土钢板4以水平推力，使之运动，如图6a。活塞杆5竖直向下运动，带动推杆9运动进而将挤土钢板4水平推出。如将图6a上下翻转，则活塞杆5也可以竖直向上运动，带动推杆9运动进而将挤土钢板4水平推出。活塞杆5的动力为千斤顶的油压力。多个竖直活塞推动装置可以通过联结筒8联结，互相组合，与挤土钢板4配合可形成不同组合形式的水平挤扩装置(图6b和图6c)。竖向活塞推动装置的优点在于油压作用下的活塞杆推力2F₁与孔周围土体对弧形钢板4的阻力2F2之间的相互关系能够很好地适应孔周被挤扩时土体应力应变关系的特点。参见图6d，在孔壁水平挤扩的初始阶段，孔周土体的密实度还没有增到很大，阻力相对较小，而推杆9与水平方向夹角较大，虽然2F₂＜2F₁，但此时土的阻力相对较小，并不需要很大的推力F₁，而活塞杆可以较小的竖向位移推动弧形钢板发生较大的水平位移，提高挤扩工效。参见图6e，在挤扩的结尾阶段，土的密实度已较大，阻力相对较大，而推杆9与水平方向夹角较小，2F₂＞2F₁，F₂甚至远远大于F₁，活塞杆可以相对较小的竖向力推动弧形钢板产生很大的水平向推力挤扩土体，克服土的较大的阻力，顺利完成挤扩工作。也就是说，利用竖向活塞推动装置，可以实现水平推动“位移先快后慢，推力先小后大”的目标，以提高挤扩工效、顺利实现挤扩目标。

竖直双向活塞推动装置的主要技术特征在于，套在一起的内外两个活塞杆5a、5b在同一个油缸6内的油压作用下，分别竖直向上和向下移动，从而带动推杆9运动，水平挤扩土体(图7)。以下部的油缸6为例，内活塞杆5b在油压作用下，竖直向上运动，从而带动下面的连接板10a向上运动，而外活塞杆5a在油压作用下，竖直向下运动，从而带动上面的连接板10b向下运动。在两块相向运动的连接板10a和10b的带动下，两侧的推杆9水平向外运动，从而推动挤土钢板4水平挤压周边土体，以完成水平挤扩的过程。一块挤土钢板4通常连接2个或2个以上的竖直双向活塞推动装置，从而保证其在水平挤扩时能够保持稳定。这种装置的优点在于一个油缸6能同时推动内外两个活塞杆5a、5b运动，从而提高了油压的利用效率。此外，这种方案还具有竖直活塞推动装置的相应的优点，水平推力是逐渐增加的。

挤土钢板4的外形可以有多种形式(图8)。常见的挤土钢板4的外形可以是圆弧形，也可以是带尖角的弧形状，还可以呈流线形。挤土钢板4取哪一种形式，应根据实际要处理的土层的性质来决定。

数个水平挤扩装置也可以通过连接杆2串联起来，形成一个长度较大的分成几节的水平挤扩装置，以满足待处理地层较厚而又需一次挤密的需要(图3c)。

本发明具有以下优点：

相对以往的沉管方法，本发明因在较小的竖直孔内对土体进行水平向挤扩增大孔的横截面以获得较大的桩横断面积，故其所用的沉管的管径可以较小，从而减少了沉管时所受的阻力，提高了工效，并可在较硬的湿陷性黄土等土层中使用，处理的深度也较大，从而扩大了其应用范围；由于对孔周边土体水平挤密，能有效地提高桩周土体的密实度，改善其力学性质。

本发明所成的孔的形状是花瓣形，其周长比同样面积的圆要大，能有效增加桩体与原有土层的侧摩擦力，增强桩与土的共同作用，改善复合地基的承载性能；桩周土体受到孔内挤扩装置的挤密作用，其对桩的侧摩擦力将有较大幅度的提高，从而进一步提高了复合地基承载性能。

在设备方面，所采用的孔中侧向挤扩装置的作用力在孔内达到自平衡，因而施工设备十分轻便，可提高工效，且有利于文明施工。水平挤扩时可以通过调节油缸内的油压大小，控制水平推力的大小及挤土钢板的位移，从而保证无论是在较硬的湿陷性黄土中还是在较软弱的软土地基中都可以使用此方法和设备。

发明设备可适用于CFG桩、水泥夯实土桩、灰土桩、碎石桩等多种刚性和柔性复合地基的施工。

本发明对土体的挤密效果明显，施工机具轻便，现场作业机械化程度高，能有效地减少成本，缩短工期，且施工环境较安静，有利于环保。

本发明的施工方法根据所用设备及方法的不同而有所不同，下面以二种地基处理工程中经常需要用到的施工方法为例进行说明。

1)采用分层多次挤扩的施工方法

在待处理地层中预先成好的孔内，按照设计所划分的土层高度，将水平挤扩装置下放在所成孔的最下面的土层处。参见图3和图4，向水平挤扩装置中的油缸6供油，从而推动挤土钢板4向外挤压孔周围土体。孔周土体在挤土钢板4的推动下，产生局部剪切破坏，并发生较大的变形，密实度提高，孔隙比变小，并使孔的横截面积变大。当挤土钢板4达到设计所需的位移之后，停止向水平挤扩装置供油，并回油使挤土钢板4与孔周土体脱离接触。待挤土钢板4与周围土体脱离接触后，将水平挤扩装置向上升起至上一层土，并对该土层进行水平挤扩。这样逐步将所有待处理土层逐层地从下至上地进行孔中水平挤扩。或者，按照从上至下的顺序将所有待处理土层进行水平挤扩。而在水平挤扩时，可以通过控制挤土钢板4的位移，使在不同土层中最后所成的孔的孔径不同，从而形成在不同高度孔径不等的竖直孔。在全部挤扩之后，将水平挤扩装置升出地面。在水平挤扩装置升出地面之后，在孔内填入填充料，并分层击实，而形成一根桩。填充料可为素填土、砂土、灰土、黄土、水泥土等或其混合物。

2)采用不分层的一次挤扩施工方法

先在待处理地层中成孔，然后将水平挤扩装置(见图3)下放到所成孔的设计深度。参见图3和图4，向水平挤扩装置中的油缸6供油，从而推动挤土钢板4向外挤压孔壁土体。孔周土体在挤土钢板4的推动下，产生局部剪切破坏，并发生较大的变形，密实度提高，孔隙比变小，并使孔的横截面积变大。当挤土钢板4达到设计所需的位移之后，停止向水平挤扩装置供油，并回油使挤土钢板4与土体脱离接触。在水平挤扩时，还可以通过控制每节水平挤扩装置的油缸6的油压，从而控制挤土钢板4的位移，并最终形成在不同的高度孔径不相等的竖直孔。待挤土钢板4与周围土体脱离接触后，将水平挤扩装置向上升出地面。在水平挤扩装置升出地面之后，在孔内填入填充料而形成一根桩。

Claims (10)

1、侧向孔中挤土地基处理方法，其特征在于，是利用水平挤扩装置将孔壁横向挤压，以增大孔的横截面积和挤密土体的方法。

2、如权利要求1所述的侧向孔中挤土地基处理方法，其特征在于，所述孔的横截面为花瓣形，花瓣数为两瓣或两瓣以上。

3、一种水平挤扩装置，其特征在于，含有两块或两块以上在土孔的横截面上均匀分布的挤土钢板，以及用于推动所述挤土钢板横向挤压的推动装置。

4、如权利要求3所述的水平挤扩装置，其特征在于，所述推动装置是水平同层活塞推动装置，所述挤土钢板共用两个或两个以上分别位于挤土钢板的不同高度的推动装置，每一个推动装置含有一个油缸，以及与所述挤土钢板数目一致的水平向活塞，活塞的一端连接所述挤土钢板，活塞的另一端通向所述油缸，在油压的作用下，活塞推动挤土钢板横向挤压土体。

5、如权利要求3所述的水平挤扩装置，其特征在于，所述推动装置是水平异层活塞推动装置，所述每一块挤土钢板分别用两个或两个以上位于挤土钢板的不同高度的推动装置，每一个推动装置含有一个油缸和一个水平向的活塞，活塞的一端连接所述挤土钢板，活塞的另一端通向所述油缸，在油压的作用下，活塞通过挤土钢板横向挤压土体。

6、如权利要求3所述的水平挤扩装置，其特征在于，所述推动装置是竖直活塞推动装置，所述挤土钢板共用一个推动装置，所述推动装置含有一个油缸，以及与油缸相通的两个活塞，该两个活塞在油压作用下在竖直方向上反向运动，在所述两个活塞上分别铰接有与挤土钢板数目一致的推动杆，各推动杆的另一端分别与相应的挤土钢板铰接，在油压作用下，活塞在竖直方向上运动，带动推动杆通过挤土钢板横向挤压土体。

7、如权利要求3所述的水平挤扩装置，其特征在于，所述推动装置是竖直活塞推动装置，所述挤土钢板共用两个推动装置，所述每一个推动装置含有一个油缸，以及与油缸相通的一个活塞，所述两个推动装置的两个活塞在油压作用下在竖直方向上相向或反向运动，在所述两个活塞上分别铰接有与挤土钢板数目一致的推动杆，各推动杆的另一端分别与相应的挤土钢板铰接，在油压作用下，活塞在竖直方向上运动，带动推动杆通过挤土钢板横向挤压土体。

8、如权利要求3所述的水平挤扩装置，其特征在于，所述推动装置是竖直双向活塞推动装置，所述挤土钢板共用两个推动装置，所述每一个推动装置含有一个油缸和两个套在一起的活塞，该两个活塞在油压作用下在竖直方向上反向运动，在所述两个活塞的末端均铰接有与挤土钢板数目一致的推动杆，各推动杆的另一端分别与相应的挤土钢板铰接，在油压作用下，活塞在竖直方向上运动，带动推动杆横向挤压土体。

9、如权利要求3所述的水平挤扩装置，其特征在于，所述水平挤扩装置可串接使用。

10、如权利要求3所述的水平挤扩装置，其特征在于，所述挤土钢板是圆弧形、流线形或尖嘴形。

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