一种变截面劲芯增强活性材料复合桩结构及施工方法

摘要

本发明涉及一种变截面劲芯增强活性材料复合桩结构及施工方法，其特征在于：桩身结构层由外向内依次包括活性材料层、刚性加筋层、劲芯增强体；在桩身顶部设置桩顶增强段，底部设置桩底扩大端头和预制桩尖；沿桩身纵向通长布设刚性加筋层、分段布设桩身截面扩大段；劲芯增强体先采用散体材料填充，后分段压入高聚物浆液，高聚物浆液硬化膨胀，挤压外侧活性材料层和扩大段囊袋，进而形成桩身截面扩大段和劲芯增强体。本发明不但可以弥补传统活性材料桩芯承载能力低、桩芯材料承载性能难以充分发挥的问题，而且可以有效改善活性材料桩的受力性能，还可以增大活性材料桩的有效加固深度。本发明还公布了上述活性材料变截面劲芯复合桩结构的施工方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可有效提高活性材料桩承载能力、充分发挥不同深度处地基土承载能力的变截面劲芯增强活性材料复合桩结构及施工方法，属于地基处理领域，适用于处理饱和粘性土、素填土、杂填土地基。

背景技术

活性材料桩的桩身材料（矿物质材料），经粉磨加水后，本身不硬化或硬化很慢，但与其它胶凝材料（石灰、水泥）搅成胶泥状态后，不但能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化，并且有一定的强度。实际施工过程中，常面临桩身承载能力低、活性材料硬化不充分的问题。

已有一种石灰桩地基，采用洛阳铲或机械成孔，由生石灰与粉煤灰等掺合料拌合均匀，在孔内分层夯实形成竖向增强体，并与桩间土组成复合地基，该桩型施工工艺简单，但桩身强度低、承载能力低，难以充分发挥活性材料的承载性能。

已有一种CFG桩，在土体内打入圆环状的砂井，在砂井的圆环内灌入混凝土形成桩体，以半刚性CFG桩为桩芯，在CFG桩周形成环状砂井，对桩间软土进行排水固结处理，并以褥垫层协调CFG桩和桩间土共同承担荷载。该桩型可兼顾CFG桩复合地基与排水固结法的优点，但CFG桩桩芯部位强度难以保证，易出现断桩、缩颈问题。

已有一种加筋水泥土变截面复合桩，其特征在于在由搅拌旋喷混合形成的水泥土桩的底端设置与大于直径土扩大头体，在水泥土桩向上的部位至少有一个与水泥土桩为一体的水泥土扩大盘，在所说的水泥土桩的中心有钢筋混凝土预制桩。该变截面复合桩依靠在不同深度处采用不同的搅拌旋喷压力形成桩身变截面段，加筋依靠钢筋混凝土预制桩，但扩大段施工工艺复杂、施工组织难度大。

综上所述，已有的活性材料桩和变截面复合桩虽在适宜的工况下取得了良好的加固效果，但尚存在可改善之处，主要体现在：活性材料桩桩身形状不规则、易断桩、桩芯强度低、有效加固深度小；变截面桩施工工艺复杂、施工组织难度大。

鉴于此，为更好的解决活性材料复合桩（软芯、承载能力低、桩身形状欠规则）和变截面桩（施工工艺复杂、施工组织难度大）在实际应用中存在的问题，目前亟待发明一种可有效提高活性材料桩承载能力、改善桩身的受力性能、简化施工工序的一种变截面劲芯增强活性材料复合桩结构及施工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变截面劲芯增强活性材料复合桩结构及施工方法。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

一种变截面劲芯增强活性材料复合桩结构，其特征在于：桩身结构层由外向内依次包括活性材料层、刚性加筋层、劲芯增强体；在桩身顶部设置桩顶增强段，底部设置桩底扩大端头和预制桩尖；沿桩身纵向通长布设刚性加筋层、分段布设桩身截面扩大段，在桩身截面扩大段设置弹性箍筋、扩大段囊袋；劲芯增强体先采用散体材料填充，后分段压入高聚物浆液，高聚物浆液硬化膨胀，挤压外侧活性材料层和扩大段囊袋，进而形成桩身截面扩大段和劲芯增强体。

所述刚性加筋层包括纵向受力钢筋、非弹性箍筋、后注浆钢管，纵向受力钢筋沿桩身纵向通长布设，非弹性箍筋沿桩身纵向分段布设于桩身截面扩大段两侧；后注浆钢管设于非弹性箍筋内侧并代替相应位置的纵向受力钢筋，与非弹性箍筋连接牢固；在后注浆钢管侧壁开设浆液渗出孔，内部插入后注浆软管；后注浆软管采用PVC管或橡胶软管。

所述弹性箍筋设于刚性加筋层的外侧，与纵向受力钢筋、扩大段囊袋之间设弹性连接筋；弹性箍筋由弹性箍筋钢筋与拉簧焊接呈环形；弹性连接筋采用弹性拉簧；扩大段囊袋呈圆柱形，两端与刚性加筋层钢筋连接。

所述预制桩尖采用钢筋混凝土预制呈圆台或圆锥形，其上表面设置纵向受力钢筋连接段、后注浆钢管连接段、内层钢沉管插入凹槽、外层钢沉管插入凹槽；所述后注浆钢管连接段的底面伸出预制桩尖底面，在后注浆钢管连接段底面开口处设封闭盖板和连接转轴；通过后压浆软管向预制桩尖底部压注高聚物材料形成桩底扩大端头。

所述扩大段囊袋采用土工膜缝制呈圆柱形，扩大段囊袋两端与刚性加筋层的纵向受力钢筋绑扎连接。

所述外侧活性材料层横断面呈中空的椭圆柱形或圆柱形；桩身活性材料采用生石灰与粉煤灰或火山灰或中粗砂混合料；在外侧活性材料层的上部预留桩顶增强段设置空间。

所述桩顶增强段混凝土采用高聚物混凝土或普通混凝土，箍筋采用非弹性箍筋。

一种变截面劲芯增强活性材料复合桩结构施工方法，其特征在于主要包括以下施工步骤：

（1）施工准备：根据设计要求进行施工现场清理，施工机械、人员、材料进场，布设桩位，将与预制桩尖连接好的刚性加筋层自内层钢沉管底部插入，随后再在外侧套入外层钢沉管，将内层钢沉管、外层钢沉管与预制桩尖连接牢固；

（2）竖向引孔施工：在设计桩位处采用竖向取土钻机进行钻孔取土，形成圆形或椭圆形桩孔，随后清除孔内杂物；

（3）沉管施工：采用起吊装置将与预制桩尖连接好的内层钢沉管和外层钢沉管一同沉入地基土体中，下沉完成后再借助静压机械下压内层钢沉管和外层钢沉管至设定标准；

（4）松散材料填充：采用装料机械向内层钢沉管内部管腔内填充散体材料，并震动密实；

（5）活性材料填充：松散材料填充完成后，向内层钢沉管和外层钢沉管间的空腔内填充活性材料，并震动密实；

（6）桩顶增强段混凝土浇筑：同步向内层钢沉管和外层钢沉管管腔上部预留的桩顶增强段内浇筑混凝土至桩顶标高；

（7）同步上拔内层钢沉管和外层钢沉管：桩顶增强段混凝土浇筑完成后，立刻通过起吊装置同步上拔内层钢沉管和外层钢沉管，并采用混凝土进行空中补料；

（8）桩底扩大端头施工：先通过后压浆软管向桩底后注浆钢管连接段内压水软化封闭盖板外侧土体，再向桩底压注高聚物材料，通过高聚物自身的膨胀特性在预制桩尖底部形成桩底扩大端头；

（9）桩身扩大段施工：上拔后压浆软管至桩身扩大段部位，向松散材料内压注高聚物浆液，借助高聚物自身的膨胀挤压外侧活性材料层，形成桩身扩大段；

（10）芯部活性材料硬化：借助高聚物浆液硬化过程中多余的水分，使芯部活性材料充分硬化，形成劲芯增强体；

（11）桩身养护、检测：根据桩身性能要求进行桩身养护、检测。

后压浆自预制桩尖部位开始，不断上拔后压浆软管，压浆过程中在桩身截面扩大段加大注浆压力，挤阔扩大段囊袋。

本发明具有以下的特点和有益效果：

（1）本发明借助高聚物浆液硬化多余水分使外侧活性材料层芯部发生水化反应，解决了活性材料层芯部强度难以形成的问题，在一定程度上提高了活性材料的利用率；

（2）本发明借助高聚物浆液硬化膨胀，沿桩身纵向分段形成桩身截面扩大段，不但可以发挥不同深度处地基土体的承载能力，而且可以进一步挤密劲芯增强体外侧的活性材料，还可以简化桩身扩大段施工工艺；

（3）本发明在桩身截面扩大段设置弹性箍筋，实现了对桩身截面扩大段的加筋，改善了桩体的受力性能；

（4）本发明在桩顶采用高聚物混凝土浇筑、桩底压注高聚物浆液，既可增大承载断面，又可改善桩身受力性能。

附图说明

图1是本发明一种变截面劲芯增强活性材料复合桩结构剖面示意图；

图2是图1桩身扩大段囊袋部位横断面示意图；

图3是图1预制桩尖剖面示意图；

图4是本发明变截面劲芯增强活性材料复合桩结构的施工流程示意图。

图中：1-活性材料层，2-刚性加筋层，3-劲芯增强体，4-桩顶增强段，5-桩底扩大端头，6-预制桩尖，7-桩身截面扩大段，8-弹性箍筋，9-扩大段囊袋，10-纵向受力钢筋，11-非弹性箍筋，12-后注浆钢管，13-浆液渗出孔，14-后注浆软管，15-弹性连接筋，16-弹性箍筋钢筋，17-拉簧，18-纵向受力钢筋连接段，19-后注浆钢管连接段，20-内层钢沉管插入凹槽，21-外层钢沉管插入凹槽，22-封闭盖板，23-连接转轴，24-软弱土层，25-硬土层，26-内层钢沉管，27-外层钢沉管。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

沉管制作及施工技术要求、钢筋焊接或绑扎施工技术要求、活性材料填筑施工技术要求等，本实施方式中不再赘述，重点阐述本发明涉及结构的实施方式。

图1是本发明一种变截面劲芯增强活性材料复合桩结构剖面示意图，图2是图1桩身扩大段囊袋部位横断面示意图，图3是图1预制桩尖剖面示意图。参照图1～图3所示的变截面劲芯增强活性材料复合桩的桩身结构层由外向内依次包括活性材料层1、刚性加筋层2、劲芯增强体3；在桩身顶部设置桩顶增强段4，底部设置桩底扩大端头5和预制桩尖6；沿桩身纵向通长布设刚性加筋层2、分段布设桩身截面扩大段7，在桩身截面扩大段7设置弹性箍筋8、扩大段囊袋9；劲芯增强体3先采用散体材料填充，后分段压入高聚物浆液，高聚物浆液硬化膨胀，挤压外侧活性材料层1和扩大段囊袋9，进而形成桩身截面扩大段7和劲芯增强体3。

地基处理区域的地下水位埋深为1.5m；地下第一层为软弱土层24，层厚7m，重度18.1kN/m³；第二层为硬土层25，层厚5m，重度19.3kN/m³。地基处理深度为9m。

活性材料层1外侧横断面呈圆形，设计桩长为9m，间距3.0m，呈梅花形布设；桩身外径为900mm；活性材料采用石灰与粉煤灰混合料。

刚性加筋层2外径为400mm，包括纵向受力钢筋10、非弹性箍筋11、后注浆钢管12；纵向受力钢筋10沿桩身纵向通长布设，沿环向布设6根，采用直径25mm的螺纹钢筋；每两根纵向受力钢筋之间布设一根后注浆钢管12，沿环向共布设3根直径为100mm的后注浆钢管12，在后注浆钢管12的侧壁开设浆液渗出孔13，内部插入后注浆软管；后注浆软管采用PVC管，管径60mm；浆液渗出孔直径为50mm，竖向间隔300mm；非弹性箍筋11沿桩身纵向分段布设于桩身截面扩大段7两侧，采用直径为8mm的光面钢筋。

弹性箍筋8设于刚性加筋层2的外侧，与纵向受力钢筋1、扩大段囊袋9之间设弹性连接筋15；弹性箍筋8由4段弹性箍筋钢筋16和4段拉簧17焊接呈环形，弹性箍筋钢筋16直径为6mm，拉簧17采用外径6mm、长20mm的碳素弹簧钢丝拉簧；弹性连接筋采用外径6mm、长20mm的碳素弹簧钢丝弹性拉簧。

扩大段囊袋9呈圆柱形，外径600mm、高500mm，两端与刚性加筋层2的纵向受力钢筋10绑扎连接；扩大段囊袋9采用不透水的HDPE土工膜，土工膜的拉伸强度(纵横)(MPa)≥25，断裂伸长率(纵横)(%)≥550，直角撕裂强度(纵横)(N/mm)≥110。

预制桩尖6采用钢筋混凝土预制呈圆锥形，其上表面设置纵向受力钢筋连接段和18后注浆钢管连接段19、内层钢沉管插入凹槽20、外层钢沉管插入凹槽21；预制桩尖外径1000mm，高400mm；后注浆钢管连接段19的底面伸出预制桩尖底面，顶面高出预制桩尖6上表面300mm；纵向受力钢筋连接段18顶面高出预制桩尖上表面300mm，在后注浆钢管连接段19底面开口处设封闭盖板22和连接转轴23；封闭盖板22采用厚5mm、直径120mm的圆形钢板；连接转轴23采用1.5寸的重型焊接合页。内层钢沉管插入凹槽20和外层钢沉管插入凹槽21的内径分别为400mm和900mm，凹槽宽度均为20mm，凹槽深度均为30mm。

劲芯增强体3通过后注浆软管14向散体材料内压注高聚物材料，高聚物材料硬化后在桩芯部位形成直径不小于400mm的变截面柱体。

桩底扩大端头5通过后压浆软管14向预制桩尖底部压注高聚物材料形成。

桩顶增强段4外径为900mm、高为1000mm，采用高聚物混凝土浇筑而成，桩顶增强段4的箍筋采用非弹性箍筋11。

内层钢沉管26和外层钢沉管27分别采用内径为400mm和900mm、壁厚为10mm的不锈钢管。

图4是本发明变截面劲芯增强活性材料复合桩结构的施工流程示意图。参照图4所示，变截面劲芯增强活性材料复合桩结构施工方法，包括以下施工步骤：

（1）施工准备：根据设计要求进行施工现场清理，施工机械、人员、材料进场，布设桩位，将与预制桩尖6连接好的刚性加筋层2自内层钢沉管26底部插入，随后再在外侧套入外层钢沉管27，将内层钢沉管26、外层钢沉管27与预制桩尖6连接牢固；

（2）竖向引孔施工：在设计桩位处采用竖向取土钻机进行钻孔取土，形成圆形桩孔，随后清除孔内杂物；

（3）沉管施工：采用起吊装置将与预制桩尖6连接好的内层钢沉管26和外层钢沉管27一同沉入地基土体中，下沉完成后再借助静压机械下压内层钢沉管和外层钢沉管至设定标准；

（4）松散材料填充：采用装料机械向内层钢沉管26内部管腔内填充散体材料，并震动密实；

（5）活性材料填充：松散材料填充完成后，向内层钢沉管26和外层钢沉管27间的空腔内填充活性材料，并震动密实；

（6）桩顶增强段混凝土浇筑：同步向内层钢沉管26和外层钢沉管27管腔上部预留的桩顶增强段4内浇筑高膨胀混凝土至桩顶标高；

（7）同步上拔内层钢沉管26和外层钢沉管27：桩顶增强段4混凝土浇筑完成后，立刻通过起吊装置同步上拔内层钢沉管26和外层钢沉管27，并采用高聚物混凝土进行空中补料；

（8）桩底扩大端头5施工：先通过后压浆软管14向桩底后注浆钢管连接段19内压水软化封闭盖板22外侧土体，再向桩底压注高聚物材料，通过高聚物自身的膨胀特性在预制桩尖底部形成桩底扩大端头5；

（9）桩身扩大段7施工：上拔后压浆软管14至桩身扩大段部位，向松散材料内压注高聚物浆液，借助高聚物自身的膨胀挤压外侧活性材料1层，形成桩身扩大段7；

（10）芯部活性材料硬化：借助高聚物浆液硬化过程中多余的水分，使芯部活性材料充分硬化，形成劲芯增强体3；

（11）桩身养护、检测：根据桩身性能要求进行桩身养护、检测。