一种提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备及方法

摘要

本发明属于基础工程领域，涉及一种提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备及方法，该设备包括水泥浆泵送装置、喷射注浆管位置控制装置、喷射注浆管以及可旋转三向喷头；喷射注浆管设置在喷射注浆管位置控制装置上并通过喷射注浆管位置控制装置调整喷射注浆管在灌注桩桩孔中的位置；水泥浆泵送装置通过喷射注浆管与可旋转三向喷头相连；可旋转三向喷头在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域进行喷浆作业。本发明提供了一种结构简易、便于控制实施的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备及方法，通过采用喷射注浆的方法对桩身周围软土进行加固，提升土体强度，从而达到保证软土地基条件下灌注桩的成桩质量，提升桩基侧摩阻力和总体承载力的目的。

说明书

技术领域

本发明属于基础工程领域，涉及一种可提升灌注桩承载力的设备及方法,尤其涉及一种提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备及方法。

背景技术

灌注桩是一种直接在现场桩位上就地成孔，然后在孔内浇筑混凝土或安放钢筋笼再浇筑混凝土而成的桩。由于具有施工时无振动、无挤土、噪音小，且成型直径大等优点，灌注桩在建筑、交通等行业的基础工程领域中得到较为广泛的应用。但灌注桩施工质量对桩基承载力有直接影响，特别是在软土地基工程条件下施工较为困难，经常出现缩径、塌孔、断桩等质量问题，同时由于软土地基土体力学强度较低，桩身侧摩阻力难以发挥，而随着施工过程中软土地基的固结沉降，反而会对桩身产生一定的负摩阻力，显著降低灌注桩承载力。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种结构简易、便于控制实施的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备及方法，通过采用喷射注浆的方法对桩身周围软土进行加固，提升土体强度，从而达到保证软土地基条件下灌注桩的成桩质量，提升桩基侧摩阻力和总体承载力的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备，其特征在于：所述提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备包括水泥浆泵送装置、喷射注浆管位置控制装置、喷射注浆管以及可旋转三向喷头；所述喷射注浆管设置在喷射注浆管位置控制装置上并通过喷射注浆管位置控制装置调整喷射注浆管在灌注桩桩孔中的位置；所述水泥浆泵送装置通过喷射注浆管与可旋转三向喷头相连；所述可旋转三向喷头在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域进行喷浆作业。

作为优选，本发明所采用的可旋转三向喷头包括旋转电机以及钻头；所述钻头的端部和四周上均开设浆液喷射孔；所述旋转电机与钻头相连并驱动钻头转动；所述喷射注浆管是无缝钢管；所述旋转电机设置在喷射注浆管的底部；所述水泥浆泵送装置通过喷射注浆管与浆液喷射孔相贯通；所述浆液喷射孔在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域进行喷浆作业。

作为优选，本发明所采用的可旋转三向喷头还包括输浆管；所述水泥浆泵送装置依次通过喷射注浆管以及输浆管与浆液喷射孔相贯通。

作为优选，本发明所采用的可旋转三向喷头还包括与旋转电机相连的电缆线。

作为优选，本发明所采用的喷射注浆管位置控制装置包括圆形旋转轨道、旋转梁以及注浆管固定套环；所述旋转梁设置在圆形旋转轨道上并绕圆形旋转轨道的圆心旋转；所述注浆管固定套环设置在旋转梁上并可沿旋转梁的轴向自如滑动。

作为优选，本发明所采用的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备还包括护筒；所述护筒包括外套筒以及设置在外套筒上的外套筒预留注浆通道；所述喷射注浆管以及可旋转三向喷头置于外套筒中；所述可旋转三向喷头通过外套筒预留注浆通道在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域进行喷浆作业；所述外套筒预留注浆通道是在外套筒上不同深度上设置的开孔或开槽；在同等深度条件下，所述开孔或开槽是成对设置在外套筒上。

作为优选，本发明所采用的外套筒的底部设置有护筒刃角。

作为优选，本发明所采用的护筒还包括置于外套筒内部的且与外套筒同轴的可旋转衬筒；所述可旋转衬筒的侧壁上至少开设两层相互错位的衬筒预留注浆通道；所述衬筒预留注浆通道与外套筒侧壁上开设的外套筒预留注浆通道相贯通；所述喷射注浆管以及可旋转三向喷头置于可旋转衬筒中；所述可旋转三向喷头依次通过衬筒预留注浆通道以及外套筒预留注浆通道在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域进行喷浆作业；所述衬筒预留注浆通道是在可旋转衬筒侧壁的不同深度上设置的开孔或开槽；在同等深度条件下，所述开孔或开槽是成对设置在可旋转衬筒上。

作为优选，本发明所采用的护筒还包括设置在可旋转衬筒底部的可旋转衬筒滑槽；所述可旋转衬筒在可旋转衬筒滑槽自然旋转。

一种基于如前所述的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备的提升软土地基条件下灌注桩承载力的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)根据设计要求确定桩位，开挖桩孔，若桩孔孔壁土体自立性良好，可开挖到桩底标高再下放护筒；若孔壁土体自立性较差，可在不影响桩孔开挖的前提下边开挖桩孔边下放护筒；

2)检查压水和压缩气的流量、压力是否满足工程设计要求，提前拌制水泥浆液，保证高压喷射注浆的连续供浆需求量；

3)在桩孔处架设喷射注浆管位置控制装置，用水平尺测量旋转梁水平，将喷射灌浆管穿过注浆管固定套环下放到护筒预留注浆孔标高处；

4)旋转护筒的可旋转衬筒打开衬筒预留注浆通道，操作喷射注浆管位置控制装置将可旋转三向喷头伸入衬筒预留注浆通道内可向周围土层喷射高压水泥浆液；

5)对土质情况较差的土层，采用复喷来增加喷射强度；

6)重复步骤4)以及步骤5)从下至上依次完成护筒全部注浆孔的注浆工作，再将护筒从桩孔中提出，进行灌注桩施工。

本发明的优点是：

本发明提供了一种提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备，该提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备包括水泥浆泵送装置、喷射注浆管位置控制装置、喷射注浆管以及可旋转三向喷头；喷射注浆管设置在喷射注浆管位置控制装置上并通过喷射注浆管位置控制装置调整喷射注浆管在灌注桩桩孔中的位置；水泥浆泵送装置通过喷射注浆管与可旋转三向喷头相连；可旋转三向喷头在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域进行喷浆作业。本发明通过对桩周软弱土层的喷射注浆加固，可以大幅提升土体强度，保证基桩在混凝土灌注过程中桩周软弱土层不发生明显收缩和孔壁塌落，避免混凝土灌注桩出现缩颈、夹泥甚至断桩等缺陷；通过提升桩周软弱土层的土体强度，可以改善软弱土层的荷载传递性能和桩身的受力状态，从而进一步提高混凝土灌注桩在软弱土地层中的极限承载力；本发明通过采用喷射注浆的方法对桩身周围软土进行加固，提升土体强度，从而达到保证软土地基条件下灌注桩的成桩质量，提升桩基侧摩阻力和总体承载力的目的。本发明可应用于软弱土地层条件下的混凝土灌注桩工程，可以保证基桩施工过程中的成桩质量，提升其承载能力。

附图说明

图1为本发明所提供的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备的施工顺序示意图；

图2为本发明所采用的护筒的俯视结构示意图；

图3为本发明所采用的护筒的侧视结构示意图；

图4为本发明所采用的可旋转三向喷头的结构示意图；

图5为本发明所采用的喷射注浆管位置控制装置的结构示意图；

图6为本发明所提供的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备的工作状态示意图；

图7为混凝土灌注桩受力状态图；

其中：

1-水泥浆泵送装置；2-喷射注浆管位置控制装置；3-护筒；4-喷射注浆管；5-可旋转三向喷头；6-喷射注浆加固区域；7-混凝土灌注桩桩身；8-外套筒；9-可旋转衬筒；10-外套筒预留注浆通道；11-衬筒预留注浆通道；12-可旋转衬筒滑槽；13-护筒刃角；14-电缆线；15-输浆管；16-浆液喷射孔；17-钻头；18-旋转电机；19-圆形旋转轨道；20-旋转梁；21-注浆管固定套环。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备，该提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备包括水泥浆泵送装置1、喷射注浆管位置控制装置2、喷射注浆管4以及可旋转三向喷头5；喷射注浆管4设置在喷射注浆管位置控制装置2上并通过喷射注浆管位置控制装置2调整喷射注浆管4在灌注桩桩孔中的位置；水泥浆泵送装置1通过喷射注浆管4与可旋转三向喷头5相连；可旋转三向喷头5在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域6进行喷浆作业。

参见图4，本发明所采用的可旋转三向喷头5包括旋转电机18以及钻头17；钻头17的端部和四周上均开设浆液喷射孔16；旋转电机18与钻头17相连并驱动钻头17转动；喷射注浆管4是无缝钢管；旋转电机18设置在喷射注浆管4的底部；水泥浆泵送装置1通过喷射注浆管4与浆液喷射孔16相贯通；浆液喷射孔16在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域6进行喷浆作业。可旋转三向喷头5还包括输浆管15；水泥浆泵送装置1依次通过喷射注浆管4以及输浆管15与浆液喷射孔16相贯通。可旋转三向喷头5还包括与旋转电机18相连的电缆线14。

参见图5，本发明所采用的喷射注浆管位置控制装置2包括圆形旋转轨道19、旋转梁20以及注浆管固定套环21；旋转梁20设置在圆形旋转轨道19上并绕圆形旋转轨道19的圆心旋转；注浆管固定套环21设置在旋转梁20上并可沿旋转梁20的轴向自如滑动。

参见图2以及图3，本发明所采用的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备还包括护筒3；护筒3包括外套筒8以及设置在外套筒8上的外套筒预留注浆通道10；喷射注浆管4以及可旋转三向喷头5置于外套筒8中；可旋转三向喷头5通过外套筒预留注浆通道10在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域6进行喷浆作业；外套筒预留注浆通道10是在外套筒8上不同深度上设置的开孔或开槽；在同等深度条件下，开孔或开槽是成对设置在外套筒8上。外套筒8的底部设置有护筒刃角13。

由于软土含水率相对较大，强度较低，一般都处于软塑或者流塑状态，在下放外套筒8过程中软土可能会堵塞设置在外套筒8上的外套筒预留注浆通道10，为此，本发明所提供的护筒3还包括置于外套筒8内部的且与外套筒8同轴的可旋转衬筒9；可旋转衬筒9的侧壁上至少开设两层相互错位的衬筒预留注浆通道11；衬筒预留注浆通道11与外套筒8侧壁上开设的外套筒预留注浆通道10相贯通；喷射注浆管4以及可旋转三向喷头5置于可旋转衬筒9中；可旋转三向喷头5依次通过衬筒预留注浆通道11以及外套筒预留注浆通道10在灌注桩桩孔中的喷射注浆加固区域6进行喷浆作业；衬筒预留注浆通道11是在可旋转衬筒9侧壁的不同深度上设置的开孔或开槽；在同等深度条件下，开孔或开槽是成对设置在可旋转衬筒9上。请继续参见图2，为了使桩周土体都得到有效的加固，可沿桩基轴线方向在可旋转衬筒9上多设置几层衬筒预留注浆通道11，在可旋转衬筒9的位置都呈一定角度错开，当旋转可旋转衬筒9时，设置在旋转可旋转衬筒9上的某层的衬筒预留注浆通道11与设置在外套筒8上的外套筒预留注浆通道10正对，形成注浆通道，而除该层外的其他注浆通道由于可旋转衬筒9上的衬筒预留注浆通道11与其他的设置在外套筒8上的外套筒预留注浆通道10位置不对应，没有形成注浆通道，处于关闭状态。如最下面一层可旋转衬筒9的衬筒预留注浆通道11与外套筒预留注浆通道10的位置相差15°，第二层相差30°，这时只需先旋转15°打开最下面一层注浆通道(即衬筒预留注浆通道11与外套筒预留注浆通道10相连通形成注浆通道)，待该层注浆通道注浆完毕后再旋转15°，封闭该层注浆通道的同时可打开第二层注浆通道，余此类推。

护筒3还包括设置在可旋转衬筒9底部的可旋转衬筒滑槽12；可旋转衬筒9在可旋转衬筒滑槽12自然旋转。

参见图6，本发明在提供提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备的同时，还提供了一种提升软土地基条件下灌注桩承载力的方法，该方法包括以下步骤：

1)根据设计要求确定桩位，开挖桩孔，若桩孔孔壁土体自立性良好，可开挖到桩底标高再下放护筒3；若孔壁土体自立性较差，可在不影响桩孔开挖的前提下边开挖桩孔边下放护筒3；

2)检查压水和压缩气的流量、压力是否满足工程设计要求，提前拌制水泥浆液，保证高压喷射注浆的连续供浆需求量；

3)在桩孔处架设喷射注浆管位置控制装置2，用水平尺测量旋转梁20水平，将喷射灌浆管4穿过注浆管固定套环21下放到护筒3预留注浆孔标高处；

4)旋转护筒3的可旋转衬筒9打开衬筒预留注浆通道11，操作喷射注浆管位置控制装置2将可旋转三向喷头5伸入衬筒预留注浆通道11内可向周围土层喷射高压水泥浆液；

5)对土质情况较差的土层，采用复喷来增加喷射强度；

6)重复步骤4)以及步骤5)从下至上依次完成护筒3全部注浆孔的注浆工作，再将护筒3从桩孔中提出，进行灌注桩施工。

参见图7，在对桩孔内浇筑混凝土后形成混凝土灌注桩桩身7，加大了与桩孔侧壁加固的喷射注浆加固区域6之间的摩擦，避免混凝土灌注桩出现缩颈、夹泥甚至断桩等缺陷，从而达到保证软土地基条件下灌注桩的成桩质量，提升桩基侧摩阻力和总体承载力的目的。

本发明提供了一种结构简易、便于控制实施的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备及方法，通过采用喷射注浆的方法对桩身周围软土进行加固，提升土体强度，从而达到保证软土地基条件下灌注桩的成桩质量，提升桩基侧摩阻力和总体承载力的目的，下面以一个具体实施例对本发明所提出的装置进行详细的说明：

实施例1：

某滨海地段修建一高等级公路，所经路段由浅海吹填而成，该场地上覆一层厚度为15m的淤泥质黏土层，其物理力学指标及主要工程参数如下表所示：

若采用常规软弱地基处理方法不仅需要耗费大量工程经费，而且工期较长，因此决定采用桥梁方案跨越该段软弱地基，桥梁基础形式设计为端承摩擦钻孔灌注桩，并进行试桩静载试验，设计试桩直径800mm，有效桩长33m，单桩极限承载力5300kN。但在试桩成桩后，经静载试验发现桩基极限承载力只达到3600kN，无法满足设计要求，通过检测后发现在距桩顶深度7.0m附近处桩身存在严重缺陷，究其原因，可能是由于淤泥质黏土层土体强度较低，在灌注混凝土过程中土体向桩孔内塌缩导致桩孔缩颈所致，同时桩周软弱土层土体强度较低还不利于桩身侧摩阻力作用的发挥，最终导致桩基极限承载力大幅降低。

根据现场情况，采用本发明所提供的提升软土地基条件下灌注桩承载力的设备及方法，参见图1～图5，该装置由水泥浆泵送及喷头控制装置、护筒、喷射灌浆管、可旋转三向喷头组成。护筒由外套筒和可旋转衬筒组成，筒壁从桩孔口位置每隔3m十字对称预留4个注浆孔，内衬筒底部装有滑槽可自由旋转，分别旋转不同角度可对应打开不同层高上的注浆孔，为方便护筒下放，在护筒底部加焊刃脚；喷射注浆管由无缝钢管制成，喷射注浆管底部安装一台旋转电机，喷射注浆管内分别安装一根能与喷射注浆管一起上升或下降的输浆管和电缆线，电缆线为旋转电机提供电源，输浆管伸入可旋转三向喷头内部为其输送高压水泥浆液；可旋转三向喷头为空心结构，安装在旋转电机上，旋转三向喷头端部是一合金钻头，钻头端部和四周分别留有高压喷浆孔；水泥浆泵送可向喷射注浆管泵送拌合好的水泥浆液，泵送压力由与之相连接的空压机提供；喷射注浆管位置控制装置内部设有圆形导轨，旋转梁可在导轨上任意旋转，旋转梁上安装有可沿梁身滑动的注浆管固定套环，喷射注浆管穿过注浆管固定套环内，通过旋转梁的旋转和注浆管固定套环的滑行，实现安装在喷射注浆管穿底部可旋转三向喷头在桩孔内部任意方向的调整和进退。所述方法包括以下步骤：

A)根据设计要求确定桩位，开挖桩孔，并在桩孔开挖过程中下放护筒，维持孔壁直立性。

B)开挖桩孔到桩底设计标高后，检查压水和压缩气的流量、压力是否满足工程设计要求，提前拌制水泥浆液，浆液水灰比定为0.7，并进行试喷以检验是否满足压力为5MPa的喷射要求。

C)在桩孔处架设喷射注浆管位置控制装置，用水平尺测量旋转梁水平，将喷射灌浆管穿过注浆管固定套环下放到护筒预留注浆孔标高处。

D)旋转护筒的衬筒打开注浆孔，操作喷射注浆管位置控制装置将可旋转三向喷头伸入注浆孔内即可向周围土层喷射高压水泥浆液。

E)一层注浆孔依次注浆结束后可提升喷射灌浆管，重复D、E步骤直至完成护筒全部注浆孔的注浆工作，再将护筒从桩孔中提出，进行灌注桩施工。

实施效果：采用上述方法完成试桩施工后进行桩基静载试验，单桩极限承载力达到5700kN，满足桩基设计承载力要求，同时，采用低应变检测显示桩身完整性良好，钻芯法所取芯样连续性较好，端口吻合，芯样试验强度满足强度设计要求。