靜壓多層徑向擠擴灌注樁及其施工方法

2023-05-31 04:55:01 2

專利名稱：靜壓多層徑向擠擴灌注樁及其施工方法
技術領域：
本發明涉及一種建築工程、橋梁樁基工程的灌注樁，還涉及該灌注樁的施工工藝。
背景技術：
在鬆散沉積的地層內，土層之間具備二元結構特徵一上部軟弱下部逐漸變硬，且 二元結構內部可以劃分數組次二元結構，形成結構內部的地層軟硬相間，圖1為這類土的 靜力觸探測試曲線，這種土層結構在衝洪積地貌單元內廣泛存在。灌注樁是經濟、直觀、常 用的樁型。成孔工藝多為鑽、挖孔或鑽成孔後擠擴，傳統擠、擴徑灌注樁圖1擴底樁(夯擴、 擠擴樁)的結構圖，圖2和圖3是多分枝承力盤樁的結構圖和俯示圖，圖1中分為鑽、挖孔 擴底樁和沉管(靜壓和捶擊)夯擴樁，均只對樁端擠擴或夯擴。為了提高單樁承載力和減 少地基的沉降變形量，發展形成了擠、擴灌注樁。傳統擠、擴徑灌注樁有如下缺點1)圖1中的成樁工藝和提高樁承載力的原理分析圖1中分為鑽、挖孔擴底樁和 沉管(靜壓和捶擊)夯擴樁，均只對樁端擠擴或夯擴。前者經過鑽或挖成孔擴底後灌注混 凝土；後者為沉管到設計深度，填入無水混凝土或建築垃圾，經過內管靜力擠壓或內夯管衝 擊形成擴大端，它們通過端部的簡單的擴大提高樁的承載力和減少樁體的變形。樁身和土 體的接觸面為直面而非曲面，因此，無論是側摩阻力和端阻力的提高均是局部的、有限的。2)圖2中的成樁工藝和提高樁承載力的原理圖2和圖3中為鑽孔擠擴樁，採用垂直成孔措施成孔，然後吊裝液壓擠擴設備在樁 孔的設計深度內，對該部位進行局部擠擴，加大局部樁孔直徑或形成樁孔分枝孔，然後灌注 混凝土，它們通過樁身不同段的樁徑加大或增加分枝提高樁的承載力和減少變形。樁身和 土體的接觸面大部分仍為直面而非曲面，因此，側摩阻力的提高均是有限的，局部土的端阻 力有限提高。3)擴底樁(夯擴、擠擴樁)的力學特點鑽、挖孔擴底樁的樁周缺少地基土的擠擴 效應，既沒有增加樁周土的圍壓力，同時造成樁周土回彈變形，形成鬆弛狀態等，後期灌注 混凝土無法改變這種狀態，造成樁間土的側摩阻力沒有充分發揮的條件——缺少灌注後圍 壓力增加措施。樁承載力雖然高於此類單樁，也只是簡單地通過樁端面積擴大增加樁端阻 力而已。夯擴、擠擴樁的樁周具備地基土的擠擴效應，成樁後樁周土的圍壓力增加，樁端經 過動、靜等形式的夯、擠擴，形成擴大端，因此，樁體周邊均存在圍壓力增加的條件，樁端阻 力提高幅度相對高。但是，此類樁在變徑2d以上的長度範圍內，由於樁的整體沉降，造成該 範圍內土內形成變形空間，土的側摩阻力不能發揮作用，抵消了部分樁端阻力提高的效應。4)多分枝承力盤樁的力學特點樁孔系鑽孔而成，因此樁周缺少地基土的擠擴效 應，既沒有增加樁周土的圍壓力，同時造成樁周土回彈變形，形成鬆弛狀態等，後期灌注混 凝土無法改變這種樁周應力狀態，造成樁間土的側摩阻力沒有充分發揮的條件。多分枝承 力盤樁的承載力雖然高於沒有分枝的單樁，也只是單方面地利用樁間土的端阻力而已。綜合上述，1、傳統灌注樁的樁身雖然經過多層硬土但無法利用其強度。傳統樁基選擇埋深深、強度高、變形微小的持力層，忽略了樁身段內其它相對強度較高的土層的利 用，本發明通過多次的弱土層內擴徑，大大提高了相對硬土層的端阻力的利用。由於對樁身 灌注混凝土施加有垂向擠壓力，因此，整個樁身存在比傳統此類樁的大的圍壓力，同時，提 高了各種土層的側摩阻力，大大減少了軟土層中樁土之間的剪切破壞機率。2、傳統灌注樁 的施工時，需要大型機械，傳統樁基的施工，多採用大型設備和機具——大型鑽孔設備、高 噸位靜壓樁設備、液壓擠擴設備等來完成。因此，設備運輸和現場施工難度很大，電力或燃 料油用量大；且受到地基土多層、多相、多力學性等組合的影響，導致成孔和沉樁過程工藝 複雜和難度較大，成孔工藝中隱患環節多且不容易控制，管理工作和檢測環節多，任何一個 工藝環節出現問題可導致失敗或產生隱患。3、傳統樁體要求強度高和均強度設計，樁身附 加應力分布曲線和變形測試數據表明樁頂下一定深度內，附加應力集中和變形量是其下 部深度的數十倍，繼續向深度方向兩項逐漸趨於零。說明樁身不同部位傳遞應力的效率不 同，承擔的荷載不相同。4、傳統樁體要求樁端持力層強度高和小變形，傳統樁體按照集中應 力的設計思路設計，基礎產生的附加應力全部由樁體分擔或很少部分由地基土分擔。為了 承擔高荷載和小變形，樁端的持力層的強度必然很高並且變形小才能滿足要求。淺部強度 適中和變形相對較大的持力層不能滿足要求，而強度高和變形小的持力層埋藏很深，因此， 傳統樁體的樁身長度在厚度巨大的鬆散沉積層必然很大，造成資源浪費。

發明內容
本發明的目的就在於克服上述不足提供一種靜壓多層徑向擠擴灌注樁及其施工 方法。本發明的目的可通過以下技術方案來實現一種靜壓多層徑向擠擴灌注樁，它包括灌注樁，在灌注樁身設有環形凸起，環形凸 起與灌注樁身是一體的。上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁，所述環形凸起間隔設置在灌注樁身上。上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁，在樁底設有底盤，底盤的直徑大於灌注樁樁身的 直徑，底盤是球狀、擠密的混凝土擴大端。上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁，所述環形凸起的中心與地基土中二元結構中軟土 位置中心相對應。上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法，包括以下步驟a)用靜壓的方式將與樁徑相同的外管壓入土層內設計標高h處形成樁孔，所述靜 壓的方式是採用靜壓樁機；b)外管內灌注混凝土至標高Ii1，標高Ill的高度是從樁孔底端到地基土中第二個二 元結構中硬土位置中心a2與第二個二元結構中軟土位置中心Μ之間的任一點的高度，內 管採用靜壓方式將外管內的混凝土擠壓出外管，形成端部擴徑，在樁底形成球狀、擠密的混 凝土擴大端；c)上拔內管，往外管內灌注混凝土至標高Ii2，標高Ii2的高度是從樁孔底端到地基 土中第三個二元結構中硬土位置中心a3與第三個二元結構中軟中位置中心b3之間任一點 的高度，提升外管至第二次擴徑高度，外管提升的高度和地基土中第二個二元結構中軟土 位置中心相對應，外管提升同時內管下壓其中的混凝土，形成微微擴徑的樁身，即形成高於樁端的第一次擴徑；d)第二次擴徑，上拔內管，灌注混凝土至標高ti3，標高Ii3的高度是從樁孔底端到地 基土中第四個二元結構中硬土位置中心a4與第四個二元結構中軟中位置中心b4之間任一 點的高度，提升外管至第二次擴徑，外管提升的高度和地基土中第三個二元結構中軟土位 置中心相對應，外管提升同時下壓內管，其中的混凝土形成微微擴徑的第二次擴徑。e)循環c、d工藝環節，直至樁身範圍內所有的軟弱土層段均形成根據設計單樁承 載力要求的擠壓擴徑；f)到達樁頂設計標高后，把外管內的混凝土在不斷提升外管的同時用內管按照設 計壓力壓入樁體內，實現樁頂標高和設計標高等同；上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法，根據工程需要在步驟f)後增加步驟 g)將鋼筋籠或鋼管壓入樁身，形成靜壓多層徑向擠擴灌注樁。上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法，所述步驟b)端部擴徑的大小由工程 設計樁徑和機械提供的靜壓力、擴徑處的土層力學強度、擠壓密實度來確定；步驟c)外管 提升同時內管下壓的壓力大小由設計樁身強度確定，步驟f)中內管壓混凝土的設計壓力 是根據地基土層力學強度靜力觸探曲線和設計樁身強度來確定的。上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法，每次擴徑的高度由微機內儲存的地基 土層力學強度靜力觸探曲線和數據來控制，微機與靜壓樁機連接。由於採用上述技術方案，本發明有以下優點1、理論方面，單樁承載力增加規律表明樁承載力提高與樁周側摩阻力和端阻力 增加成正比，樁周側摩阻力與增加樁周面積和圍壓力成正比，端阻力增加與樁端底面積和 樁端土的密實度成正比。所以，在樁身周圍增加圍壓力和樁土接觸面積是提高樁承載力根 本所在，本發明實現了提高單樁承載力的主控參數較以前所有樁類有很大幅度的增加。承 載力設計計算方面，在多層地基土中，把此類樁劃分為多個單元擴底樁分別計算，計算方法 簡單並符合現在規範的要求。地基中附加應力的分布規律表明單樁靜載荷試驗測試結果顯示樁頂經常發生應 力集中現象，也就是附加應力在樁頂3 5d範圍內容易集中，由於樁周軟土分布使得應力 擴散速度慢。同時，應力擴散速度與材料的強度和整體剛度成正比，上層單元樁體對附加應 力存在一定量的擴散角，下層單元樁同樣，依此類推，增加了樁土之間的應力擴散角，既分 層分級擴大，形成迅速傳遞附加應力到地基土深部的效應，減少樁頂的應力集中和破壞現 象以及深部沉降變形量。2、利用樁身內硬土層強度減少樁基工程的深度、機械大型化、工藝複雜化傾向靜壓多層徑向擠擴灌注樁可以利用傳統樁基不能利用地基土力學能力1)充分 利用和提高表層土中存在多層硬土層的端阻力和軟土層側摩阻力；幻現在，集中高荷載樁 基礎的持力層深度大、樁徑大、施工工藝複雜、施工設備大型化、能源消耗大、混凝凝土消耗 量多、廢樁頭成山、環境汙染嚴重等現象隨處可見，本發明可減少樁的埋深、縮小樁徑、實現 機械設備小型化、施工工藝簡單化、材料和能源節約等；幻充分利用我國城市地區地基土 二元結構特點，結合靜壓多層徑向擠擴灌注樁特性，把不均勻的地基處理為均勻變形地基， 經濟、安全、快捷地解決其它樁型不能解決不均勻變形地基問題。3、靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工工藝簡單
混凝土由本人發明的幹法花管灌注樁中的混凝土技術製作，且可以定量工廠化拌 制，施工現場不需要攪拌設備，因此灌注速度快且不受環境條件的制約。成孔採用圖5的專用設備實施，滿足快速成孔和灌注的要求，且現場所需要配重 少，採用履帶式行走方式——比傳統的液壓步履行走方式快捷且對地基土擾動少。外管上拔和內管擠壓擴徑可以同時完成，減少其它樁型的多種設備同時工作局 面，因此，工藝環節少。控制混凝土的壓力和擴徑量根據地基土的勘察結果預先設定，實現 樁身數位化施工(多層擴徑樁的數據處理程序)，填補目前樁基施工中樁徑、混凝土密實 度、樁頂標高、樁周土擠密效應等不可控或不可操作的空白。對於新近沉積的吹填土和結構 靈敏性土本樁型具有其它樁型不具備的擾動小的作用，且單樁承載力提高幅度高和穩定。4、環保、文明、節約能源沒有對環境排放廢土、廢泥漿(除擠擴樁外，其它樁型均有大量的廢土、廢泥漿排 放)、無噪音等，而且樁徑小於300mm的樁對環境沒有明顯地擠土產生的破壞效應，可減少 其它夯擴、靜壓擠擴對環境的擠土破壞效應。目前，所有樁在地基開挖後均有一定長度樁頂截樁量，城市邊緣地區大量堆放廢 棄樁頭；國家規範規定中要求必須預留樁頭，其主要原因是成樁過程中，樁頂土壓力小，難 於形成密實的樁頂的緣故。本發明在樁頂形成時，添加壓力於樁身混凝土上，將外管內混凝 土壓密實於樁頂標高下，形成密實的樁頂，所以不需要預留樁頭。5、可發展性目前樁機設備均沒有和靜力觸探成果相結合，施工過程和成品樁帶有不可避免的 盲目性——擠擴位置的不確定和不適宜。通過和勘察成果的結合，可消除盲目性，形成成樁 過程環節的數位化控制。6、可行性與節約性可行性1)設計計算、檢測等可行性採用國家規範中擴底樁的設計計算和檢測 方法對其承載力和變形進行計算和檢測，折減係數按照此類樁的施工經驗確定。2、機械設 備工作數位化採用新型靜壓程成孔設備，定量控制和記錄及施加成樁壓力，形成數位化過 程管理。幻工藝簡單依據施工場地的靜力觸探成果編制單樁施工措施方案，針對性解決 地基土的不均勻性，實現均化地基變形的目標。成樁過程和靜力觸探的容易操作和控制相 同，每個環節均有壓力顯示和混凝土量控制，達到孔內情況初步數字控制和並根據混凝土 壓力數值指導成樁過程。節約性相同的地基承載力和變形的條件下，機械和人工節約20%;建築材料節約 20% ；能源節約30% ；綜合工程造價比相同的樁基節約25%。


圖1是傳統擠擴灌注樁結構示意圖；圖2是多分枝承力盤樁的結構示意圖；圖3是圖2的俯示圖；圖4是本發明的結構示意圖；圖5是地基土層靜力觸探曲線圖。
具體實施例方式如圖5所示的一種靜壓多層徑向擠擴灌注樁，它包括灌注樁，在灌注樁身1設有環 形凸起2，環形凸起2與灌注樁身1是一體的，所述環形凸起2間隔設置在灌注樁身1上，所 述環形凸起的中心與地基土中二元結構中軟土位置中心相對應，在樁身底端設有底盤3，底 盤3的直徑D大於灌注樁樁身的直徑d，底盤3是球狀、擠密的混凝土擴大端。上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法，包括以下步驟a)用靜壓的方式將與樁徑相同的外管壓入土層內設計標高h處形成樁孔，所述靜 壓的方式是用靜壓樁機；b)外管內灌注混凝土至標高Ii1，標高Ill的高度是從樁孔底端al到地基土中第二 個二元結構E2中硬土位置中心a2與第二個二元結構中軟土位置中心Μ之間的任一點的 高度，內管採用靜壓方式將外管內的混凝土擠壓出外管，形成端部擴徑，在樁底形成球狀、 擠密的混凝土擴大端；c)上拔內管，往外管內灌注混凝土至標高Ii2，標高Ii2的高度是從樁孔底端al到地 基土中第三個二元結構E3中硬土位置中心a3與第三個二元結構中軟中位置中心b3之間 任一點的高度，提升外管至第二次擴徑高度，外管提升的高度和地基土中第二個二元結構 中軟土位置中心1^2相對應，外管提升同時內管下壓其中的混凝土，形成微微擴徑的樁身， 即形成高於樁端的第一次擴徑，端部擴徑的大小由工程設計樁徑和機械提供的靜壓力、擴 徑處的土層力學強度、擠壓密實度來確定，外管提升同時內管下壓的壓力大小由設計樁身 強度確定；d)第二次擴徑，上拔內管，灌注混凝土至標高Ii3，標高Ii3的高度是從樁孔底端al 到地基土中第四個二元結構E4中硬土位置中心a4與第四個二元結構中軟中位置中心b4 之間任一點的高度，提升外管至第二次擴徑，外管提升的高度和地基土中第三個二元結構 中軟土位置中心b3相對應，外管提升同時下壓內管，其中的混凝土形成微微擴徑的第二次 擴徑。e)循環c、d工藝環節，直至樁身範圍內所有的軟弱土層段均形成根據設計單樁承 載力要求的擠壓擴徑；f)到達樁頂設計標高后，把外管內的混凝土在不斷提升外管的同時用內管按照設 計壓力壓入樁體內，實現樁頂標高和設計標高等同，內管下壓混凝土的設計壓力是根據地 基土層力學強度靜力觸探曲線和設計樁身強度來確定的；g)將鋼筋籠或鋼管壓入樁身，形成靜壓多層徑向擠擴灌注樁。在上述靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法中，每次擴徑的高度由微機內儲存的 地基土層力學強度靜力觸探曲線和數據來控制，微機與靜壓樁機連接。本發明中外管是空心管，內管是實心管。
權利要求
1.一種靜壓多層徑向擠擴灌注樁，它包括灌注樁，其特徵在於在灌注樁身設有環形 凸起，環形凸起與灌注樁身是一體的。
2.根據權利要求1所述的靜壓多層徑向擠擴灌注樁，其特徵在於所述環形凸起間隔 設置在灌注樁身上。
3.根據權利要求2所述的靜壓多層徑向擠擴灌注樁，其特徵在於在樁底設有底盤，底 盤的直徑大於灌注樁樁身的直徑，底盤是球狀、擠密的混凝土擴大端。
4.根據權利要求3所述的靜壓多層徑向擠擴灌注樁，其特徵在於所述環形凸起的中 心與地基土中二元結構中軟土位置中心相對應。
5.如權利要求1所述的靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法，其特徵在於包括以下 步驟a)用靜壓的方式將與樁徑相同的外管壓入土層內設計標高h處形成樁孔；b)外管內灌注混凝土至標高Ii1，標高Ill的高度是從樁孔底端到地基土中第二個二元 結構中硬土位置中心與第二個二元結構中軟土位置中心之間的任一點的高度，內管採用靜 壓方式將外管內的混凝土擠壓出外管，形成端部擴徑，在樁底形成球狀、擠密的混凝土擴大 端；c)上拔內管，往外管內灌注混凝土至標高Ii2，標高Ii2的高度是從樁孔底端到地基土中 第三個二元結構中硬土位置中心與第三個二元結構中軟中位置中心之間任一點的高度，提 升外管至第二次擴徑高度，外管提升的高度和地基土中第二個二元結構中軟土位置中心相 對應，外管提升同時內管下壓其中的混凝土，形成微微擴徑的樁身，即形成高於樁端的第一 次擴徑；d)第二次擴徑，上拔內管，灌注混凝土至標高、，標高Ii3的高度是從樁孔底端到地基土 中第四個二元結構中硬土位置中心與第四個二元結構中軟中位置中心之間任一點的高度， 提升外管至第二次擴徑，外管提升的高度和地基土中第三個二元結構中軟土位置中心相對 應，外管提升同時下壓內管，其中的混凝土形成微微擴徑的第二次擴徑。e)循環c、d工藝環節，直至樁身範圍內所有的軟弱土層段均形成根據設計單樁承載力 要求的擠壓擴徑；f)到達樁頂設計標高后，把外管內的混凝土在不斷提升外管的同時用內管按照設計壓 力壓入樁體內，實現樁頂標高和設計標高等同，製得靜壓多層徑向擠擴灌注樁。
6.根據權利要求5所述的靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法以，其特徵是在步驟 f)後還包括步驟g)將鋼筋籠或鋼管壓入樁身，形成靜壓多層徑向擠擴灌注樁。
7.根據權利要求6所述的靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法，其特徵在於所述步 驟b)端部擴徑的大小由工程設計樁徑和機械提供的靜壓力、擴徑處的土層力學強度、擠壓 密實度來確定；步驟c)外管提升同時內管下壓的壓力大小由設計樁身強度的要求確定。
8.根據權利要求7所述的靜壓多層徑向擠擴灌注樁的施工方法，其特徵在於每次擴 徑的高度由微機內儲存的地基土層力學強度靜力觸探曲線和數據來控制。
全文摘要
本發明公開了一種靜壓多層徑向擠擴灌注樁及其施工方法，它包括灌注樁，在灌注樁身設有環形凸起，環形凸起與灌注樁身是一體的。還包括該靜壓多徑向擠擴灌注樁的施工方法。由於採用上述技術方案，本發明有以下優點靜壓多層徑向擠擴灌注樁可以利用傳統樁基不能利用地基土力學能力，充分利用和提高表層土中存在多層硬土層的端阻力和軟土層側摩阻力，本發明可減少樁的埋深、縮小樁徑、實現機械設備小型化、施工工藝簡單化、材料和能源節約等；充分利用我國城市地區地基土二元結構特點，結合靜壓多層徑向擠擴灌注樁特性，把不均勻的地基處理為均勻變形地基，經濟、安全、快捷地解決其它樁型不能解決不均勻變形地基問題。
文檔編號E02D5/44GK102116024SQ200910227798
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者吳保全 申請人:吳保全