一种预浸水-挤密处理湿陷性黄土的扩底桩施工方法与流程

1.本发明涉及一种湿陷性黄土地区建筑工程地基处理技术，尤其涉及一种预浸水-挤密处理湿陷性黄土的扩底桩施工方法。


背景技术：

2.黄土在我国的分布非常广泛，遍及甘肃、陕西、宁夏、青海等10多个省区，其面积约为63.5万平方公里，约占国土面积的6.6％，其中湿陷性黄土约占3/4。这样，工业及民用基础设施将越来越多地在广阔地黄土地区兴建。黄土的湿陷性会导致建筑物出现显著沉降、裂缝、甚至倾倒等问题。因此，湿陷性黄土地基的处理一直是岩土工程经常遇到的且比较棘手的问题。
3.目前，国内外最常用的湿陷性黄土地基处理方法包括有强夯法、垫层法、灰土挤密法、化学加固法、预浸水法等。这些技术虽然相对成熟，且得到了广泛的应用，但也存在一些普遍的缺陷，如大多仅能处理浅层的湿陷性黄土地基，深层黄土的湿陷性通常难以消除。此外，这些技术也存在各自的局限，如强夯法的振动噪声大、对周围建筑物存在扰动；化学加固法的施工成本高；预浸水法的施工工期长。
4.对于建筑物沉降要求较高或湿陷性黄土的厚度较深时，通常需要选用桩基础进行基础加固。传统的土桩、灰土桩等对于湿陷性黄土地基的处理厚度一般不超过15m，即使采用冲击法或钻孔夯扩桩挤密法施工，处理厚度也有局限性。天然状态下，黄土的含水率较低、结构性较强、压缩性较低、强度较高。这样，利用沉管桩或预制桩处理湿陷性黄土地基时，由于桩端阻力和桩侧摩阻力太大，导致沉桩困难，施工效率低，而且深层黄土的湿陷性通常无法得到消除。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述大厚度湿陷性黄土地基处理技术的不足，提供一种快速消除黄土湿陷性，且施工便捷、经济性好、承载力高的扩底桩及其施工方法。
6.为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.一种预浸水-挤密处理湿陷性黄土的扩底桩施工方法，包括如下步骤：
8.步骤一、制作扩底桩，扩底桩包括预制混凝土管桩和桩端的锥头；预制混凝土管桩内形成上腔体，锥头内形成有下腔体；预制混凝土管桩侧壁自上向下成形有若干排与上腔体连通的桩侧出水口；锥头上成形有若干与下腔体连通的桩端出水口；上腔体内安装有活塞状结构，活塞状结构穿过有与下腔体连通的第一管道和与上腔体连通的第二管道；上腔体与下腔体互不连通；
9.步骤二、施工准备：勘测施工场地湿陷性黄土的天然孔隙比e、天然含水率wc和比重ds等基本物理力学指标，场地整平，测量放样，按设计方案标注基桩位置；
10.步骤三、桩端静压沉桩及浸水：将扩底桩用打桩机以静压沉桩的方式将圆锥形的锥头全部打入湿陷性黄土地基中，将第一预设压力的水流经第一管道进入下腔体，然后经
过桩端出水口注入到桩底位置的湿陷性黄土中；
11.步骤四、桩身静压沉桩及桩侧浸水：继续利用打桩机将扩底桩以静压沉桩的方式压入地基中，待底部第排桩侧浸水口进入地基中后，将活塞状结构调整到第1和第2排桩侧浸水口中间，再将设定第二预设压力的水流经第二管道进入活塞状结构下方的下腔体，然后经过桩侧浸水口注入到桩侧处的地层中；待底部第排桩侧浸水口进入地基中后，再将侧密封盘调整到第2和第3排桩侧浸水口中间继续注水，如是重复，直至预制混凝土管桩完全沉入地基中；
12.步骤五、湿陷性黄土地基浸水处理：分别得到桩侧和锥头外周的湿陷性黄土的桩侧设计浸水量qc和桩底设计浸水量qb；监测的桩端进水管和桩侧进水管的流速qb和qc，调节第一预设压力和第二预设压力，使得下腔体的出水量达到qb与上腔体的出水量达到qc的时刻相同。
13.步骤六、压力灌浆：以设定的第三预设压力将水泥净浆由第一管道注入到桩底位置的湿陷性黄土中，待注浆量/体积q
cs
达到设定值后，停止注浆，注入桩底的水泥浆硬化后形成水泥浆扩大头。
14.进一步的改进，所述桩侧设计浸水量qc为桩侧外周的黄土达到饱和时的浸水量，桩底设计浸水量qb为锥头外周黄土达到饱和时的进水量。
15.进一步的改进，所述步骤五中，qc和qb计算方法为：
[0016][0017]
式中，de为预制混凝土管桩的渗水半径，与桩的布置形式及桩间距s有关，梅花形布桩时de＝1.05s，正方形布桩时de＝1.13s；l1为预制混凝土管桩的桩身长度；l2为锥头长度；d1为预制混凝土管桩的外径；h0为锥头以下处理厚度；e、wc和ds分别为湿陷性黄土的天然孔隙比、天然含水率和比重。
[0018]
进一步的改进，所述步骤五中，所需的浸水处理时间t可按下式进行估算：
[0019][0020]
进一步的改进，所述步骤六中，
[0021]
水泥浆扩大头所需的注浆量/体积q
cs
按下式进行计算：
[0022][0023]
式中，d
p
为设计的水泥浆扩大头的直径；d1为预制混凝土管桩的外径。
[0024]
进一步的改进，所述锥头顶部安装有可拆卸式下封堵结构；所述活塞状结构包括环形的侧气囊，侧气囊中部滑动连接有与可拆卸式下封堵结构相连的不锈钢管；侧气囊连通有侧进气管；所述侧气囊顶部安装有钢盖盘，底部安装有侧密封盘；钢盖盘顶部固定连接
有连接柱，预制混凝土管桩的顶部安装有加载架；所述侧气囊外侧安装有侧弹簧，侧弹簧外侧安装有第二密封圈，侧气囊内侧安装有第三密封圈；侧弹簧、第二密封圈、第三密封圈均处于钢盖盘和侧密封盘之间；侧弹簧始终处于拉应力状态，侧气囊充气后将侧密封盘顶起；
[0025]
所述可拆卸式下封堵结构包括底气囊，底气囊连通有底进气管；所述底气囊底部安装有底密封盘，顶部安装有进水盘，进水盘与不锈钢管密封连接，不锈钢管与锥形头内的空腔连通；桩端进水管通过底进水阀与不锈钢管连通；底进气管穿过不锈钢管上的底进气阀后与底气囊连通，不锈钢管顶部安装有顶塞；所述底气囊外侧安装有底弹簧，底弹簧外侧安装有第一密封圈；底弹簧和第一密封圈均处于底密封盘和进水盘之间；底弹簧始终处于拉应力状态，底气囊充气后将底密封盘顶起。
[0026]
进一步的改进，还包括：
[0027]
步骤七、密封系统的拆除：拆除加载架；在侧压力囊中灌入压力气流，将侧密封盘顶起，第二密封圈与预制混凝土管桩内壁脱开，第三密封圈与不锈钢管外壁脱开，进一步将钢盖盘、侧密封盘和连接柱拆除；在底压力囊中灌入压力气流，将底密封盘顶起，拆除不锈钢管、进水盘和底密封盘；
[0028]
步骤八、施工结束：利用压力水流清洗不锈钢管、进水盘和底密封盘，注入桩底的水泥浆硬化后形成水泥浆扩大头。
[0029]
本发明的有益效果为：
[0030]
1、本发明预制混凝土管桩在静压沉桩过程中，通过预制桩的挤密作用和预浸水处理，快速地消除了桩周和桩底的黄土的湿陷性，这样，无需再单独对建造场地内的黄土进行其他方式的湿陷性消除处理，显著地缩短了施工工期，大大地节省了工程造价；
[0031]
2、本发明在静压沉桩过程中进行浸水处理，破坏了桩底和桩周土体的结构，从而大大地减小桩端阻力和桩侧摩阻力，可加快沉桩速度，提高了施工效率；
[0032]
3、本发明通过两组浸水密封系统，实现了预浸水处理时桩底和桩侧浸水压力的不同，能够处理大厚度的湿陷性黄土，此外，还加快了水的渗透速率，从而能更加快速地消除地基黄土的湿陷性，进一步提高了施工效率；
[0033]
4、本发明桩底的浸水密封系统还能用来压力注浆，一个系统具备多个功能，从而简化了系统结构，方便操作；
[0034]
5、本发明消除了地基湿陷性黄土的湿陷性，并通过挤密作用提高了土体的强度，在预制混凝土管桩底部施工形成水泥浆扩大头，可大幅提高桩基的承载力。
附图说明
[0035]
图1为本发明的结构原理图。
[0036]
图2为本发明预制混凝土管桩1的结构原理图。
[0037]
图3为本发明桩顶处各部件的连接示意图。
[0038]
图4为本发明桩中部不锈钢管11、侧密封盘16和预制混凝土管桩1的连接示意图。
[0039]
图5为本发明桩底处各部件的连接示意图。
[0040]
图6为本发明桩基的布置与湿陷性黄土处理分区。
[0041]
图7为本发明施工形成水泥浆扩大头24后的桩体。
[0042]
图8为本发明水泥浆扩大头24的局部尺寸图。
[0043]
图9为本发明施工方法流程图；
[0044]
图10为实施例2扩底桩的结构示意图。
[0045]
图中标号名称为：
[0046]
1-预制混凝土管桩；1a-桩侧出水口；1b-桩端出水口；1c-承接台；2-桩侧进水管；3-桩端进水管；4-侧进气管；5-底进气管；6-进水盘；7-底密封盘；8-底弹簧；9-底气囊；10-第一密封圈；11-不锈钢管；12-顶塞；13-底进水阀；14-底进气阀；15-钢盖盘；15a-侧进气阀；16-侧密封盘；16a-侧进水阀；17-侧弹簧；18-侧气囊；19-第二密封圈；20-第三密封圈；21-连接柱；21a-限位孔；22-限位销钉；23-加载架；23a-加载台；23b-限位帽；23c-加载柱；23d-通孔；24-水泥浆扩大头；102-锥头；103-上腔体，104-下腔体；105-活塞状结构；106-第一管道；107-第二管道。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。
[0048]
实施例1
[0049]
一种预浸水-挤密处理湿陷性黄土的扩底桩，主要包括预制混凝土管桩1，本实施例预制混凝土管桩1桩身长l1＝10m、桩端长l2＝0.5m、外径d1＝0.6m、内径d2＝0.45m，材料为c30混凝土。如图1和图2所示，预制混凝土管桩1的桩侧处设置有纵向间距0.3m～1.0m、直径2cm～4cm的桩侧浸水口1a，本实施例桩侧浸水口1a的纵向间距为0.5m、直径为3cm，桩侧浸水口1a沿桩体径向截面处均匀地布置4～8个，本实施例为4个；预制混凝土管桩1的桩端呈圆锥形，沿纵向设置3～5层、直径3cm～6cm的桩端浸水口1b，本实施例桩端浸水口1b沿纵向设置4层，直径为4cm，桩端浸水口1b沿桩体径向截面处均匀地布置4～8个，本实施例底部第1和2层布置4个，第3和4层布置6个；桩端处设置承接台1c，用来限制底密封盘7的位置；预制混凝土管桩1的底部设置底密封盘7，进水盘6与不锈钢管11密封连接，桩端进水管3通过底进水阀13连接到不锈钢管11上，用来对桩端的湿陷性黄土进行浸水处理；底进气管5穿过底进气阀14及不锈钢管11与底气囊9连接；预制混凝土管桩1的桩身处设置有侧密封盘16，钢盖盘15顶面与连接柱21焊接或螺纹连接，本实施例为螺纹连接，桩侧进水管2穿过钢盖盘15与侧密封盘16连接；侧进气管4穿过钢盖盘15与侧气囊18连接。
[0050]
如图3所示，预制混凝土管桩1的顶部安装有加载架23，加载架23设置有加载台23a和加载柱23c，方便打桩机进行静压沉桩，加载架23底部设置有与预制混凝土管桩1配合的限位帽23b，用来限制静压沉桩时加载架23的晃动，加载架23还设置了与连接柱21配合的通孔23d；不锈钢管11顶部安装有顶塞12，并设置有底进水阀13和底进气阀14；连接柱21沿轴向设置有间距0.5m～1.5m的成对限位孔21a，本实施例为1.0m，每对限位孔21a的间距比限位帽23b的厚度大2cm～4cm，本实施例为3cm，连接柱21通过限位销钉22固定在加载架23上。
[0051]
如图4所示，侧密封盘16与钢盖盘15之间安装有侧弹簧17、侧气囊18、第二密封圈19和第三密封圈20；侧弹簧17始终处于拉应力状态，确保第二密封圈19与预制混凝土管桩1内壁贴合、第三密封圈20与不锈钢管11外壁贴合，由此实现桩侧密封；侧气囊18在通过侧进气管4充气后能够将侧密封盘16顶起，确保第二密封圈19与预制混凝土管桩1内壁脱开、第三密封圈20与不锈钢管11外壁脱开，实现基桩施工完成后桩侧密封系统的拆除。
[0052]
如图5所示，底密封盘7与进水盘6之间安装有底弹簧8、底气囊9和第一密封圈10，底弹簧8始终处于拉应力状态，确保第一密封圈10与预制混凝土管桩1内壁贴合，实现桩底密封；底气囊9充气后能够将底密封盘7顶起，确保第一密封圈10与预制混凝土管桩1内壁脱开，实现基桩施工完成后桩底密封系统的拆除。
[0053]
经过预浸水-挤密处理，黄土的湿陷性基本被消除，桩侧负摩阻力也被消除。这样，扩底桩的单桩承载力ra将由桩侧摩阻力和桩端阻力构成，即可由下式计算：
[0054][0055]
式中，d1为预制混凝土管桩1的外径；l1为桩身长度；l2为桩端长度；d
p
为设计的水泥浆扩大头24的直径；τ
cs
为预浸水-挤密处理后的湿陷性黄土的桩侧阻力；q
pa
为预浸水-挤密处理后的湿陷性黄土的桩端阻力；ξc为桩侧阻力修正系数，可根据试桩的现场试验结果确定；根据几何关系，如图8，
[0056]
本实施例，设计扩大头直径d
p
＝0.8m，计算得lb＝0.15m，取ξc＝0.9、τ
cs
＝10kpa、q
pa
＝80kpa，计算得到扩底桩的单桩承载力ra＝229.9kn。
[0057]
一种预浸水-挤密处理湿陷性黄土的扩底的施工方法，如图9，步骤如下：
[0058]
1)施工准备：勘测施工场地湿陷性黄土的天然孔隙比e、天然含水率wc和比重ds等基本物理力学指标，本实施例取e＝0.95、wc＝12％、ds＝2.7，场地整平，测量放样，按设计方案标注基桩位置，组装预制混凝土管桩1；
[0059]
2)打桩机就位：将组装好的预制混凝土管桩1用打桩机以静压沉桩的方式将圆锥形的锥头102全部打入湿陷性黄土地基中；
[0060]
3)桩底浸水：将压力为p1的水流经桩端进水管3、不锈钢管11、进水盘6及桩端浸水口1b注入到桩底位置的湿陷性黄土中，以消除桩端黄土的湿陷性并方便静压沉桩，本实施例水压p1设定为120kpa；
[0061]
4)静压沉桩及桩侧浸水：继续利用打桩机将预制混凝土管桩1以静压沉桩的方式压入地基中，待底部第1排桩侧浸水口1a进入地基中后，将侧密封盘16调整到第1和第2排桩侧浸水口1a中间，再将设定压力p2的水流经桩侧进水管2、侧密封盘16及桩侧浸水口1a注入到桩侧处的地层中，以消除桩侧黄土的湿陷性并方便静压沉桩，本实施例水压p2设定为80kpa；待底部第2排桩侧浸水口1a进入地基中后，利用连接柱21配合限位销钉22将侧密封盘16调整到第2和第3排桩侧浸水口1a中间；重复该步骤，直至预制混凝土管桩1完全沉入地基中；静压沉桩过程中，侧密封盘16和第二密封圈19以下的桩侧浸水口1a在地面以下，以上的桩侧浸水口1a在地面以上，确保桩侧浸水不流出地面；
[0062]
5)地基土浸水处理：加大桩底和桩侧浸水水流的压力p1和p2，监测桩端进水管(3)和桩侧进水管(2)的流速qb和qc，同时观测地层和地表的沉降，待桩侧和桩底的湿陷性黄土同时达到饱和或浸水量达到设计值qc和qb后，其中，qc为桩侧设计浸水量，qb为桩底设计浸水量，停止注水，并将预制混凝土管桩1内的水抽出。
[0063]
具体地，根据土力学原理，预制混凝土管桩1的渗水半径de为：
[0064][0065]
式中，如图6所示，s为桩的中心距。本实施例，s＝2.0m，梅花形布桩，计算de＝2.1m；
[0066]
桩侧的湿陷性黄土由桩侧浸水口1a浸出的水进行处理，而桩底的湿陷性黄土由桩端浸水口1b浸出的水进行处理，则每根桩的桩侧和桩底需要处理的湿陷性黄土的体积vc和vb分别为：
[0067][0068]
式中，如图6所示，l1为桩身长度；h0为桩端以下处理厚度。本实施例，l1＝10m，h0＝3m；
[0069]
沉桩前，桩侧和桩底湿陷性黄土的空气体积v
ca
和v
ba
分别为：
[0070][0071]
沉桩后，桩侧和桩底湿陷性黄土的空气体积v
ca
′
和v
ba
′
即等于桩侧和桩底的设计浸水量qc和qb，分别为：
[0072][0073]
式中，l2为桩端长度。本实施例，l2＝0.5m、qc＝8.3m3、q
p
＝3.3m3。
[0074]
为确保桩侧和桩底的湿陷性黄土能同时饱和，从而避免部分湿陷性黄土过饱和或欠饱和，则桩侧和桩底的设计浸水量qc和qb需同时达到，即：
[0075][0076]
式中，t为所需的浸水时间，qb和qc分别为桩端进水管3和桩侧进水管2的流速。
[0077]
则流速qb和qc需基本满足如下关系：
[0078][0079]
本实施例，加大桩侧浸水压力p2至300kpa，利用流量计监测桩侧进水管2的流速qc＝8.0l/s。由式(6)计算得到桩端进水管3所需流速qb为3.2l/s，调整桩底浸水压力p1，直至qb＝3.2l/s。进一步地，估算出所需的浸水时间t＝17.3min。
[0080]
6)压力灌浆：浸水处理完成后，以设定的压力p3将水泥净浆由桩端进水管3、不锈
钢管11、进水盘6及桩端浸水口1b注入到桩底位置的湿陷性黄土中，本实施例压力p3设置为500kpa、水泥净浆的水灰比为0.45，待注浆量/体积q
cs
达到设定值后，停止注浆。
[0081]
注浆量/体积q
cs
达是根据扩大头直径d
p
等设计参数计算出来的，具体地，如图8所示，根据几何关系，lb和lc可由式(8)计算得到。本实施例，设计扩大头直径d
p
＝0.8m、d1＝0.6m、l2＝0.5m，计算得lb＝0.15m、lc＝0.1m。
[0082][0083]
假设水泥浆扩大头24是以桩端中心为球心的球体，根据几何关系，形成水泥浆扩大头24所需的注浆量/体积q
cs
可按式(9)进行计算。本实施例，计算q
cs
＝0.24m3。
[0084][0085]
7)密封系统的拆除：拆除加载架23；在侧压力囊18中灌入压力气流，将侧密封盘16顶起，第二密封圈19与预制混凝土管桩1内壁脱开，第三密封圈20与不锈钢管11外壁脱开，进一步将钢盖盘15、侧密封盘16和连接柱21拆除；在底压力囊9中灌入压力气流，将底密封盘7顶起，第一密封圈10与预制混凝土管桩1内壁脱开，拆除不锈钢管11、进水盘6和底密封盘7；
[0086]
8)施工结束：利用压力水流清洗不锈钢管11、进水盘6和底密封盘7，确保密封系统能再次使用；如图7和图8所示，经过一定时间的养护，注入桩底的水泥浆硬化后形成水泥浆扩大头24，水泥浆扩大头24与预制混凝土管桩1形成为一个整体，提高了桩基承载力。
[0087]
实施例2
[0088]
扩底桩的结构也可以如图10所示设置：包括预制混凝土管桩1和桩端的锥头102；预制混凝土管桩1内形成上腔体103，锥头102内形成有下腔体104；预制混凝土管桩1侧壁自上向下成形有若干排与上腔体103连通的桩侧出水口1a；锥头102上成形有若干与下腔体104连通的桩端出水口1b；上腔体103内安装有活塞状结构105，活塞状结构105穿过有与下腔体104连通的第一管道106和与上腔体103连通的第二管道107；上腔体103与下腔体104互不连通。