一种柔性桩与刚性桩上下同体组合桩及成桩方法

摘要

一种柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，其特征在于包括上下布置、同圆心的柔性桩和刚性桩，刚性桩嵌入柔性桩内，柔性桩直径大于刚性桩，且刚性桩桩顶封闭。施工时，先按照设计桩长采用柔性桩设备不喷浆搅拌钻进，至距柔性桩底0.8m-1.0m时喷浆搅拌钻进，后采用钢沉管将刚性桩压至设计桩底标高，然后向沉管内灌入一定混凝土，振动上拔沉管，形成刚性桩桩顶混凝土加强段；再移机进行柔性桩喷浆搅拌施工，柔性桩施工完毕后，采用加筋水泥土填补柔性桩搅拌下陷部分至设计桩顶标高。本发明克服水泥搅拌桩等柔性桩处理深度有限难于用于深厚软基处理，同时避免刚柔组合桩在柔性桩部分设置刚性桩存在浪费的问题，可大幅节约工程造价。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性桩与刚性桩上下同体组合桩及成桩方法，适用于公路、堤坝、房屋建筑等工程的深厚软基处理，属于地基处理领域。 

背景技术

    我国幅员辽阔，地质条件复杂且各地差别较大，软弱地基类别多、分布广；特别是在沿海地区及内地湖河沉积相地区存在着众多复杂的深厚软土地基，我国“十二五”规划纲要提出推进海洋经济发展，并将其作为转型升级、提高产业核心竞争力的重要内容。随着海洋经济的进一步发展，对临海陆域面积要求必然提升，也使得滩涂围垦工程数量及规模不断扩大，滩涂围垦造地形成的建设用地中也存在众多深厚软土地基。探求技术先进、经济合理、施工方便、质量稳定、承载力高、材料省、环保性强的深厚软基处理方式成为岩土工程界亟待解决的问题。 

水泥搅拌桩是通过特制的深层搅拌机械在地层深部就地将软土和水泥强制拌和，使软土硬结而提高地基强度。水泥搅拌桩按材料喷射状态可分为湿法和干法两种，湿法以水泥浆为主，搅拌均匀，易于复搅，水泥土硬化时间较长；干法以水泥干粉为主，水泥土硬化时间较短，能提高桩间的强度，但搅拌均匀性欠佳，很难全程复搅，在适宜的条件下目前湿法应用更为普及。由于水泥搅拌桩具有施工场地要求较低、施工工艺成熟、造价相对较低等特点，在我国得到了广泛应用。但水泥搅拌桩的处理深度浅，采用普通的施工设备国内一般认为仅适用于处理深度小于10～12m的软基。且其施工质量参差不齐、不易控制，容易出现质量事故。近些年发展起来的双向水泥搅拌桩，通过正反不同速度旋转叶片同时双向搅拌，以及上层叶片的同时更快速的反向搅拌，阻断浆液上冒途径，使水泥浆液就地与土体进行充分的搅拌，保证了成桩质量，特别是深层桩体质量。双向水泥搅拌桩虽较普通水泥搅拌桩，在成桩质量方面有所提高，处理深度有所加大，但从类似工程经验来看，一般仅适用于处理深度小于16m~18m的软基，难于应用于深厚软基处理。 

预应力管桩、预制方桩等刚性桩由于施工速度快、质量便于检测、加固效果好，能有效地控制工后沉降，处理深度深，质量易保证，工期短，综合效益明显等优点，目前在软基处理中也得到了广泛应用，但其缺点在于预制桩由于吊装及运输需要往往配制大量钢筋等，导致造价昂贵。预制桩沉桩方法有多种，在我国国内应用过的方法有：锤击法、静压法、震动法、射水法、预钻孔法等，而以静压法用得最多。由于柴油锤打桩时震动剧烈、噪音大，为减少施工对环境的影响，近几年来我国各地开发了大吨位的静力压桩机施压预制桩的工艺，静力压桩机又可分为顶压式和抱压式，抱压式是桩机的夹板夹紧桩身，依靠持板的磨擦力大于入土阻力的原理工作，静力压桩机最大压桩力可达5000-6000kN，可将直径500、600的预应力管桩压到设计要求的持力层，从而大大推动了预应力管桩的应用和发展。 

目前对稳定变形要求较高的工程，常采用刚性桩、刚柔组合桩、长短桩等处理深厚软基；刚柔组合桩是柔性桩（水泥搅拌桩、高压旋喷桩等）内插刚性桩（预应力管桩、素混凝土桩、CFG桩、Y形桩等）的一种软土地基处理技术。刚柔组合桩的加固机理是打设完柔性桩同心插入长度较大的刚性桩，形成刚柔组合桩。利用打设深度较浅、直径较大的柔性桩加大桩身上部的侧表面积和横截面积来增加桩侧摩阻力和获得较大的置换率来提高单桩及复合地基的承载力。刚性桩将部分荷载传递至下部强度较好的持力层，控制复合地基的沉降和差异沉降，克服了柔性桩处理深度有限、桩体下部质量难于保障的难题，同时有效节约了刚性桩的打设数量，降低了工程造价。但目前采用的刚柔组合桩中，刚性桩在柔性桩体区段也一并设置，在柔性桩体内设置的刚性桩不能发挥较好的经济效益，造成一定程度的浪费。 

总上所述，根据目前的实际情况和技术条件，亟需发明一种在工期、工程投资、工程质量之间能够合理平衡，充分发挥柔性桩与刚性状的特点，将其组合使用加固深厚软基的刚柔组合桩及成桩方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，组合使用柔性桩与刚性桩，充分发挥两者的优点，克服水泥搅拌桩处理深度有限的缺点，同时避免目前常用的刚柔组合桩等在柔性桩部分一并设置刚性桩，而导致的刚柔组合桩性价比低、存在浪费的问题，进而大幅降低工程造价。 

为了实现上述的目的，本发明采用了以下技术方案： 

一种柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，其特征在于包括柔性桩和刚性桩，其中柔性桩在上部，刚性桩在下部，两者同心设置，且柔性桩直径大于刚性桩，刚性桩嵌入柔性桩底部，且刚性桩桩顶封闭。

前述的柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，其特征在，在刚性桩的顶部从下至上依次设置桩顶混凝土封闭段、带孔及槽口钢板、沉管衔接段；带孔及槽口钢板上设有贯通性圆孔，圆孔内穿插桩顶插筋，在沉管衔接段外围设置混凝土加强段。 

前述的柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，其特征在于在柔性桩的顶部设有加筋水泥土回填桩体，在刚性桩的底部设有预制桩尖。 

前述的柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，其特征在于嵌入柔性桩的刚性桩桩顶，嵌入部分桩周开有槽口。 

前述的柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，其特征在于桩顶插筋高于刚性桩桩顶且部分保留在刚性桩内。 

前述的柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，其特征在于带孔及槽口钢板远离圆心的周向设有开口向上的槽口；沉管插口衔接段呈圆台形，采用钢筋混凝土或钢管为材质。 

柔性桩与刚性桩上下同体组合桩的施工方法，其特征在于包括以下步骤： 

1)       桩位放样，桩机就位后，根据柔性桩设计桩长，采用柔性桩设备不喷浆搅拌钻进至距柔性桩桩底0.8m-1.0m，再喷浆搅拌钻进至柔性桩桩底设计标高，该区段形成长度为0.8m-1.0m的水泥土，不喷浆搅拌提升钻杆至地表，将柔性桩设备移出桩位；

2)       将刚性桩压桩设备移动至桩位后，将刚性桩吊起，将沉管插口衔接段插入沉管内，压桩至沉管底至地表附近时，校正沉管对准刚性桩桩顶钢板槽口，将刚性桩压至设计桩底标高，刚性桩顶部高出柔性桩桩底0.5m-1.0m；

3)       向沉管内灌入略大于混凝土加强段体积的混凝土，振动上拔沉管，形成刚性桩桩顶混凝土加强段；

4)       将柔性桩设备移至桩位，进行柔性桩喷浆搅拌施工，柔性桩钻进至其钻杆底至刚性桩桩顶混凝土加强段顶标高时，搅拌喷浆上拔钻杆，并根据柔性桩工艺要求确定搅拌及喷浆次数；

5)       在现场按批次拌合一定量水泥土，柔性桩施工完成后，采用预先拌合好的水泥土，分层填补柔性桩搅拌下陷部分至设计桩顶标高，并根据设计在水泥土中添加纤维或分层填补时铺设土工加筋材料，压实后形成加筋水泥土回填桩体。

本发明具有以下特点： 

（1）对刚性桩桩顶进行处理，并嵌入柔性桩桩底一定深度，实现了刚性桩与柔性桩的有效连接、提高了两桩型的连接强度，保障了柔性桩与刚性桩协同受力；

（2）成桩过程实现了柔性桩与刚性桩紧凑衔接交替施工。先进行柔性桩钻进搅拌施工，在搅拌后地基内压桩，有效降低了刚性桩的压桩力及设备要求；

（3）成桩过程导致的柔性桩搅拌下陷部分，采用加筋水泥土或分层填补时铺设土工布、土工格栅等加筋材料，形成了加筋水泥土回填桩体，有效提高了柔性桩顶部的抗压、抗剪强度，避免桩头因强度不足而发生破坏，也有效提高了柔性桩的承载性能。

总之，本发明的柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，可用于处理深厚软基，克服了柔性桩处理深度有限难于用于深厚软基处理的难题，避免了刚柔组合桩在柔性桩部分设置刚性桩存在浪费的问题，同时有效解决了柔性桩易出现的桩顶强度偏低的问题，可大幅节约工程造价。 

附图说明

图1是本发明柔性桩与刚性桩上下同体组合桩剖面示意图； 

图2是刚性桩桩顶局部放大图；

图3是本发明柔性桩与刚性桩上下同体组合桩施工工艺示意图。

图中：1—加筋水泥土回填桩体、2—柔性桩，3—混凝土加强段，4—桩顶插筋， 5—沉管衔接段，6—带孔及槽口钢板，7—槽口，8—桩顶混凝土封闭段，9—刚性桩槽口（螺纹），10—刚性桩，11—预制桩尖，12—搅拌叶片，13—桩钻杆，14—压桩沉管，15—搅拌喷浆形成的水泥土，16—橡胶垫，17—桩顶回填水泥土。 

具体实施实例 

图1是本发明柔性桩与刚性桩上下同体组合桩剖面示意，图2是刚性桩桩顶局部放大图，参照图1、2所示，一种柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，包括：加筋水泥土回填桩体1、柔性桩2、混凝土加强段3、桩顶插筋4、沉管衔接段5、带孔及槽口钢板6、桩顶混凝土封闭段8、刚性桩10、预制桩尖11。其中柔性桩在上部，刚性桩在下部，两者同心设置，且柔性桩直径大于刚性桩，刚性桩嵌入柔性桩内，嵌入部分的刚性桩桩周开有槽口9；在柔性桩的顶部设有加筋水泥土回填桩体1，在刚性桩的底部设有预制桩尖11；刚性桩桩顶封闭，在刚性桩的顶部从下至上依次设置桩顶混凝土封闭段8（实心桩则不需要）、带孔及槽口钢板6、沉管衔接段5，带孔及槽口钢板6的圆孔内穿插桩顶插筋4，在沉管衔接段5外围设置混凝土加强段3，带孔及槽口钢板6远离圆心的周向设有开口向上的槽口7。

实施例1 

柔性桩与刚性桩上下同体组合桩，柔性桩2和刚性桩10同心设置，可处理厚度达28 m的深厚软基，刚性桩10嵌入柔性桩2桩底0.5m-0.8m。桩身上部的柔性桩2为湿法双向水泥搅拌桩，桩长12m，直径为0.9m，水泥采用32.5号普通硅酸盐水泥，水灰比采用0.55，搅拌桩的水泥掺量为180kg/m，采用两搅两喷工艺；下部的刚性桩10选用预应力管桩，桩长16.5m，直径为400mm，管壁厚为60mm，具体规格和技术指标满足现行“先张法预应力混凝土管桩结构设计通用图集”A型的要求，刚性桩10底部的预制桩尖11采用钢筋混凝土闭口桩尖。 

刚性桩10为空心桩，需在桩顶浇注长度为0.6m的桩顶混凝土封闭段8（如果为实心桩，则不需要浇注封闭段8），然后将带孔及槽口钢板6铺设于预应力管桩10桩顶，安放沉管插口衔接段5的模板，浇注C25混凝土，形成圆台形钢筋混凝土沉管插口衔接段5，高度0.8m。沉管插口衔接段5尺寸与刚性桩10压桩设备中压桩沉管14尺寸相协调，并略小，便于施工时插入压桩沉管14内，压桩沉管14采用直径为299 mm，壁厚为30 mm的无缝钢管。刚性桩10桩底设置钢筋混凝土预制桩尖11，可采用预制钢筋混凝土桩尖、钢板桩尖或橡胶桩尖。 

带孔及槽口钢板6直径为40cm，壁厚1cm，表面均匀设置4个直径为15mm的贯通圆孔，底部均匀焊接多根直径为6.5mm，长度为3.0 cm的钢筋，以增强与桩顶混凝土封闭段8的连接。圆孔内均穿插插筋4，插筋为直径为12mm（与带孔及槽口钢板6的圆孔直径相同）的螺纹钢，长度1.0m。插筋4高于刚性桩10桩顶0.5m。带孔及槽口钢板6上设置便于压桩沉管14压桩的槽口7，槽口7宽度35mm，深度5 mm。 

柔性桩2的设备与刚性桩10的压桩设备设置在同一台桩机上，刚性桩10的设备采用静压辅助振动式，两设备安装在桩机滑杆上，在滑杆上往复移动，实现柔性桩2与刚性桩10的紧凑衔接交替施工，双向水泥搅拌桩钻杆14底部设置橡胶垫16，避免钻杆14在施工过程中对混凝土加强段3的破坏，橡胶垫16厚度为30mm。 

图2是本发明柔性桩与刚性桩上下同体组合桩施工工艺示意图，参照图2所示，柔性桩与刚性桩上下同体组合桩的成桩方法，包括以下步骤： 

1)       桩位放样，桩机就位后，根据双向水泥搅拌桩设计桩长，采用双向水泥搅拌桩设备不喷浆搅拌钻进至距双向水泥搅拌桩桩底0.8m，再喷浆搅拌钻进至双向水泥搅拌桩桩底设计标高，该区段形成长度为0.8m的搅拌喷浆形成的水泥土15，不喷浆搅拌提升钻杆至地表，将双向水泥搅拌桩设备移出桩位；

2)       将预应力管桩压桩设备移动至桩位后，将预应力管桩吊起，将沉管插口衔接段5插入压桩沉管14内，压桩至沉管14底至地表附近时，校正沉管14对准预应力管桩桩顶钢板槽口7，将预应力管桩压至设计桩底标高，预应力管桩顶部高出双向水泥搅拌桩桩底0.5m；

3)       向压桩沉管14内灌入略大于混凝土加强段体积的混凝土，振动上拔沉管14，形成刚性桩桩顶混凝土加强段3；

4)       将双向水泥搅拌桩设备移至桩位，进行双向水泥搅拌桩喷浆搅拌施工，双向水泥搅拌桩钻进直至钻杆13底至刚性桩桩顶混凝土加强段3顶标高时，搅拌喷浆上拔钻杆13，双向水泥搅拌桩采用的是两搅两喷工艺；

在现场按批次拌合一定量纤维水泥土，双向水泥搅拌桩施工完成后，采用预先拌合好的纤维水泥土17，分层填补双向水泥搅拌桩搅拌下陷部分至设计桩顶标高，压实后形成加筋水泥土回填桩体1。水泥土中可添加纤维，形成加筋水泥土，也可分层填补时铺设土工布、土工格栅等加筋材料，分层填补压实整平后形成加筋水泥土回填桩体1。

如表1所示，本实施例，以某地港临海港区疏港公路深厚软基处理工程柔性桩2及刚性桩10的实际施工单价及材料报价进行分析，本发明刚柔组合桩与实际采用的刚柔组合桩相比可节约造价20%左右。 

表1 普通刚柔组合桩与本发明刚柔组合桩经济比较表