一种用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法。对于石灰岩地区，基岩面倾角大于或等于60°，基岩上表面上有一层软弱夹层，该地区的非挤土桩施工复合地基，对施工后经检测非挤土桩的承载力不达标的桩体，在非挤土桩上安装静压桩机和送桩器，静压桩机通过送桩器分2～4次对非挤土桩进行复压，每次复压的过程，静压桩机液压装置由零逐渐增加压桩力，直到最大压桩力，在最大压桩力稳定稳压时间，卸载到零，紧接着进行下一次复压。本发明通过复压改变非挤土桩桩端支撑条件，使非挤土桩桩端与基岩充分接触，且周围软弱土被一定程度上压密，从而大大提高基桩承载力。单桩承载力可提高1～3倍，复合地基承载力也相应地增大1～3倍。
【专利说明】一种用于提高非挤土粧复合地基承载力的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非挤土桩复合地基的处理方法，特别是涉及一种提高桩端存在软弱夹层的非挤土桩复合地基承载力的施工方法，该方法尤其适合于石灰岩地区场地复杂地层存在起伏很大的基岩面的非挤土桩复合地基承载力的提高。
【背景技术】
[0002]桩体承载力是决定复合地基承载力的重要因素，尤其是刚性桩、半刚性桩复合地基。非挤土桩桩端持力层的性质很大程度决定了基桩承载力的大小。若桩长较小，桩周土摩阻力有限，且桩底为承载力较低的软弱层，则基桩在设计荷载作用下往往出现过大沉降而无法达到验收标准。若可以改进施工方法，使桩端支承条件得到明显改善，则基桩承载力将会大大提高，从而保证设计要求的复合地基承载力得到满足。
[0003]高层建筑结构竖向荷载大，常需采用桩基础或刚性桩复合地基才能满足承载力和变形要求。石灰岩地区地下隐伏溶洞规模大、范围广，采用半刚性桩、刚性桩复合地基，在保证地基较高承载力的同时，可以有效减小桩端荷载，从而防止溶洞顶板破坏。经大量工程实践证明，这是石灰岩地区一种有效的地基处理方法。岩溶是由于具有流动性的地下水长期侵蚀形成的。基岩表面赋存有一层地下水，具有较大的侵蚀性，造成石灰岩基岩起伏不平，有时岩面倾角达70°?90°。并且,基岩均为微分化岩,强度很大。若使用PHC管桩等挤土桩，采用打入或静压的方法，极易在桩端达到岩面时出现反力陡增，桩体沿斜岩面下滑，导致断桩。若采用长螺旋桩等非挤土桩的形式，则可避免断桩，且经济性好。在长螺旋桩施工时，钻至基岩面时，已很难再继续钻进，否则很容易造成既损坏钻头，又没有钻入基岩的现象，增大成本。而由于基岩倾角很大，桩端与倾斜岩面的接触面积往往很小，桩端实际上大部分是支承在基岩面上的软弱夹层中，导致基桩的承载力严重不足。再进行补桩会大大增加成本，且承载力往往不能根本上得到提高。因此需要控制桩端支承条件，以保证持力层有足够的强度和刚度。
【发明内容】
[0004]为克服复合地基中桩端大部分处于基岩面上软弱夹层中的情况，本发明提供一种复合地基非挤土桩处理方法，用于提高基岩起伏不平、倾角很大条件下，桩端难以完全支承在基岩上，大部分处于软弱夹层中的非挤土桩的承载力，以满足复杂地层条件下半刚性桩、刚性桩复合地基承载力的要求。
[0005]传统灌注桩(长螺旋桩、钻孔灌注桩、冲孔灌注桩等)施工时，为保证桩侧摩阻力及桩端阻力可以得到有效发挥，成孔并灌注好混凝土后，要进行一系列养护措施，并减少对桩体的扰动，以保证实际受荷时桩的侧摩阻与端承力可以得到有效发挥。因此，现有技术施工中忌讳对灌注桩进行复压，认为复压将破坏桩侧摩阻力，并易导致断桩和桩端及桩端持力层的破坏。在现有的施工过程中，尚无任何对灌注桩复压的报道。对于基岩面起伏不平，岩面倾角很大(基岩面倾角大于或等于60° )的场地条件，非挤土桩施工时，绝大部分非挤土桩端仅有很小一部分与基岩接触，大部分面积处于基岩上表面的一层软弱夹层中，从而导致桩端持力层很弱，复合地基承载力达不到设计要求。而进行补桩等其他处理方式则成本巨大，耗时很长。经过大量的试验，本发明创造性发现在现有非挤土桩基础上进行复压，合理控制压粧力，可以大幅度提闻非挤土粧承载力，进而提闻非挤土粧复合地基承载力。
[0006]本发明的目的通过如下技术方案实现:
[0007]—种用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法:对于石灰岩地区，基岩面倾角大于或等于60°，基岩上表面上有一层由炭质页岩组成的软弱夹层，该地区的非挤土桩施工复合地基，对施工后经检测非挤土桩的承载力不达标的桩体进行如下处理:
[0008]在非挤土桩上安装静压桩机和送桩器，静压桩机通过送桩器分2?4次对非挤土桩进行复压，每次复压的过程如下:静压桩机液压装置由零逐渐增加压桩力，直到最大压桩力Pze，在最大压桩力稳定tw时间,称为稳压时间；每次最大压桩力相同，按如下公式确定:
[0009]当6m ≤L ≤ 8m 时 Pze= β Qu= (1.25 ?1.67) Qu
[0010]当8m<L≤15m 时 Pze= β Qu= (1.25 ?1.43) Qu
[0011]当L > 15m 时 Pze= β Qu=L 25QU
[0012]其中，L为桩长，Qu是非挤土桩的竖向承载力极限值，由设计单位根据工程地质条件和建筑任务确定；PZf；是静压非挤土桩时的最大压桩力；β是非挤土桩竖向极限承载力与最大压桩力的相关系数；
[0013]每次复压的稳压时间tw相同，按以下公式计算得到:
[0014]当Pze ( 3000kN 时，tw=5-3XPze/3000 ;单位为 s ；
[0015]Pze > 3000kN 时，tw=3-Pze/3000 ;单位为 s ；
[0016]静压桩机在到达最大压桩力后稳定稳压时间tw结束后，卸载到零，紧接着进行下一次复压，再由零压力升到最大压桩力，稳定稳压时间tw ;复压过程中，非挤土桩在最后一次复压稳压时间内，沉降增量不大于500mm，且沉降速度小于20mm/s，达到处理目的。
[0017]为进一步实现本发明目的，若复压至第4次，非挤土桩沉降还不稳定，在复压稳压时间内，非挤土桩的沉降大于500mm,且沉降速度大于20mm/s,则判断该非挤土桩桩处理不成功，需采取其他措施提高承载力。
[0018]对处理成功但沉降较大的桩，桩顶标高已低于设计标高，使用C25素混凝土将下沉部分浇捣振实到桩顶设计标高；所述桩顶设计标高为设计人员根据建筑使用功能及场地条件确定的桩顶与复合地基褥垫层接触面的标高。
[0019]为防止应力集中导致非挤土桩的桩头被压碎，在非挤土桩的桩头上垫一木板，复压完毕后再将木板取出。所述木板的厚度优选为20mm?30mm。
[0020]所述其他措施包括补桩处理。
[0021]本发明非挤土桩的竖向承载力极限值Qu即为非挤土桩的单桩在竖向荷载作用下达到破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载，由设计单位根据工程地质条件和建筑任务确定，具体是由设计单位根据工程地质条件按照《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)和地基上的建筑任务计算确定；β是非挤土桩竖向极限承载力与最大压桩力的相关系数，取值范围如以上公式所示，可根据桩长插值计算得到β的具体值。
[0022]每次复压，静压桩机液压机械逐渐增加压桩力，直至最大压桩力为止，而后稳压一段时间tw，稳压时间不宜过长，否则会对压桩机以及桩身的损坏。[0023]复压过程由静压桩机通过送桩器将非挤土桩复压至沉降稳定的位置。送桩器的作用是将桩体送入场地现有地面标高以下，只要其刚度、强度均大于被压桩体，且直径不大于被压桩体即可。由于被压非挤土桩下沉距离不确定，故为施工方便，对长螺旋桩可直接采用长度合适的PHC预应力管桩作为送桩器。
[0024]本发明在复压结束后，被压桩桩端较弱混凝土破坏，与基岩面充分接触，其周围软弱土也被压密，承载力较未处理前大幅提高。此时，可再次按规范要求进行单桩静载试验等一系列检测，以判断非挤土桩是否合格。需要说明的是，即使在复压过程中导致桩身开裂等情况，由于是复合地基方案，桩间土的作用也可以保证地基整体的可靠性。
[0025]本发明通过复压，使其桩端较弱的混凝土破坏，同时很大程度上挤密桩端周围的软弱土，增大粧端和基岩的接触面积，从而使得非挤土粧的端承力大大提闻，进而大幅提闻非挤土桩的承载力。
[0026]相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果:
[0027]I)对于基岩面起伏不平，非挤土桩施工时，桩端仅有很小一部分与基岩接触，其余部分处于基岩上表面的一层软弱夹层中，从而导致桩端持力层严重不足，复合地基承载力达不到设计要求，本发明通过复压改变非挤土桩桩端支撑条件，使非挤土桩桩端与基岩充分接触，且周围软弱土被一定程度上压密，从而大大提高非挤土桩承载力。单桩承载力可提高I?3倍，复合地基承载力也相应地增大I?3倍。
[0028]2)经本发明方法处理，由于避免了重新打桩或更改新的桩基方案，处理的地基可节省经济成本1/3?2/3。对一栋30层的高层建筑，基础施工工期可节省10天左右，效益明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明实施例用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法及地基结构示意图。
[0030]图中不出:静压桩机1、送桩器2、桩顶设计标高3、木板4、非挤土桩5、基岩面6和软弱夹层7。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。
[0032]实施例
[0033]如图1所示，在广东省英德市的一块高层住宅场地，地上有3栋24层塔楼、地下I层地下室，场地长约244m，宽约91m。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001) (2009年版)和《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-2004)进行场地地质勘查。勘查共钻孔62个，其中29个钻孔见溶洞，见洞率达46.8%，属岩溶十分发育区。发现的溶洞中，大部分为充填软土及夹少量破碎石块等状态；钻进时大部分充填性溶洞漏水，属稳定性差状态；少部分在钻进时钻具突然自重下落，即洞中无填充物，在地下水活动时仍会继续发展，属于未稳定的洞穴。
[0034]如图1所示，在基岩上部土层中，土洞发育，属极不稳定的不良地质体；还有一层软弱夹层7，该软弱夹层为炭质页岩。场地的基岩面6埋深变化大，造成基岩面起伏不平，倾角很大。如该场地一典型断面，共5个钻孔，揭示基岩面埋深分别为:10.40m、10.30m、26.40m、13.1Om和17.80m，可以判断基岩面的最大倾角大约为60°。设计人员综合各种因素，采用长螺旋桩复合地基-筏板基础方案。具体采用400mm直径的长螺旋桩5，桩距1300mm,桩顶标高3为-3.9m,设计单桩竖向承载力极限值760kN,单桩复合地基竖向承载力极限值760kPa。桩基施工完成后，根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)，《广东省标准建筑地基基础检测规范》(DBJ15-60-2008)进行单桩复合地基静载试验，得出单桩复合地基竖向承载力极限值最高仅为400kPa，多数情况仅为300kPa左右，远无法达到设计要求。经检测发现，施工后的，绝大部分长螺旋桩的底端没有与基岩接触，长螺旋桩底部大部分面积处于基岩上表面的一层软弱夹层中，因而导致长螺旋桩的桩端持力层很弱，复合地基承载力达不到设计要求。
[0035]若按现有常用方法，需在整个场地补桩，提高桩的密度，从而提高地基承载力；或者重新选择桩型，采用单桩承载力更高的钻(冲)孔灌注桩，穿过溶洞，支撑在稳定岩层上。已完成的桩基工程共有桩1258根，造价为170万元左右。采用前一方案，经初步估计，造价需再增加340万左右，总造价变为原先的3倍；另外，整个场地补桩需用时间在50天左右，即工期拖后50天。采用后一方案，由于桩基施工过程要对溶洞进行灌浆、加固处理，工期和造价均很难估计。根据以往工程经验，若地质条件简单，各项投资和工期不会低于第一种处理方案；若地质条件较复杂，则工期可能延误I年以上，多投入造价则以千万计。
[0036]采用本发明用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法，使用静压桩机I对非挤土桩进行复压。首先将送桩器2，即直径400mm的PHC管桩定位置于非挤土桩5上。静压桩机I所用送桩器2为刚性很大的部件，复压时为防止桩头被压坏，在桩头垫一层相对柔软材料，如20mm-30mm厚的木板4。非挤土桩5顶上放置一 20mm-30mm厚的木板4,木板4位于送桩器2下端；对送桩器进行垂直定位，准备就绪。
[0037]本实施例复压分3次进行。由于场地基岩面起伏较大，故桩长变化较大，根据不同桩长，确定相应的静压力值，取3条具有典型桩长的非挤土桩，列举计算如下:
[0038](I) 26-10#桩，桩长L=7.0m，根据公式(I)计算，采用插值方法确定P值，SP:
[0039]P =1.25+ (7.0-6.0) X (1.67-1.25) / (8.0-6.0) =1.46
[0040]因桩长较短，为保证桩端确实达到基岩面，需施加较大的压桩力，故取P =1.50，单桩极限承载力Qu=760kN，得最大压桩力Pze=L 50父760=11401 最终保守取？；11501 。3次复压的最大压桩力均为此值，每次稳压时间tw相同，稳压时间tw=5-3X 1150/3000=3.85s，即静压桩机达到最大压桩力后稳定4s。复压过程中，静压桩机在到达最大压桩力稳定tw时间结束后，卸载到零，紧接着进行下一次复压，再由零压力升到最大压桩力，稳定稳压时间two第一次复压沉降98mm,第二次复压沉降24mm,第三次复压沉降4mm,沉降已稳定,处理成功。
[0041](2)6-11#，桩长L=11.0m，根据公式(I)计算，采用插值方法确定@值，即:
[0042] =1.25+(11.0-8.0) X (1.43-1.25)/(15.0-8.0)=1.33
[0043]取0 =1.33，Qu=760kN，得`最大压桩力Pze=L 33 X 760=1010kN。三次复压均逐渐增加到这一大小，稳压时间tw=5-3 X 1010/3000=3.99s,取tw=4s。第一次复压沉降538mm,第二次复压沉降279mm，第三次复压沉降8mm，沉降已稳定，处理成功。[0044](3)67-14# 桩，桩长 L=16.0m，根据公式(I)计算，β =1.25，Qu=760kN,得最大压桩力Pze=L 25 X 760=950kN。三次复压均逐渐增加到这一大小，稳压时间tw=5-3 X 950/3000=4.05s,取tw=4s。第一次复压沉降68mm,第二次复压沉降15mm,第三次复压沉降2mm,沉降已稳定,处理成功。
[0045]其中6-11#桩复压过程中总沉降为825mm，采用C25素混凝土填充非挤土桩上端至桩顶设计标高3，振捣密实。
[0046]三次复压后，经统计，场地共有1258根桩，其中5.67%可以在1150kN终压值下沉降稳定，其中21.92%可以在终压值950kN?1150kN下沉降稳定，38.63%最终沉降稳定时终压值为800kN?950kN之间，仅有13.12%沉降稳定时终压值在400kN以下，对这部分桩体，在其附近使用素混凝土载体桩进行局部补桩处理。所有处理措施完成后，再次按照规范要求进行单桩和单桩复合地基静载试验，结果如下:
[0047]1、单桩静载试验:
[0048]I)桩号16-11#，入土长度9m，试验最大荷载760kN，加载到单桩承载力特征值(极限值除以2) 380kN时，沉降量16.3mm，最终加载到极限值760kN时，总沉降量53.2mm，符合规范关于极限承载力标准的规定，故单桩承载力极限值为760kN ；
[0049]2)桩号26-10#，入土长度7m，试验最大荷载760kN，加载到单桩承载力特征值380kN时，沉降量18.9mm,最终加载到极限值760kN时，总沉降量55.4mm,符合规范关于极限承载力标准的规定，故单桩承载力极限值为760kN。
[0050]2、单桩复合地基静载试验:
[0051]I)点号5-16#，压板面积1.69m2，最大荷载1318kN，等效压强760kPa，加载到单桩复合地基承载力特征值(极限值除以2) 380kPa时，沉降量19.6mm，最终加载到极限值760kPa时，总沉降量58.6mm,符合规范关于极限承载力标准的规定，故单桩复合极限承载力为 760kPa ；
[0052]2)点号35-10#，压板面积1.69m2，最大荷载1318kN，等效压强760kPa，加载到单桩复合地基承载力特征值380kPa时，沉降量18.4mm，最终加载到极限值760kPa时，总沉降量59.8_，符合规范关于极限承载力标准的规定，单桩复合极限承载力为760kPa ；
[0053]3)点号38-6#，压板面积1.69m2，最大荷载1318kN，等效压强760kPa，加载到单桩复合地基承载力特征值380kPa时，沉降量15.1mm，最终加载到极限值760kPa时，总沉降量61.3_，符合规范关于极限承载力标准的规定，单桩复合极限承载力为760kPa。
[0054]结果表明，单桩及单桩复合地基承载力均达到设计要求。采用本发明方法，复压所有非挤土桩需要20天，部分补桩处理需要20天，总工期较传统方案短。造价方面，采用本发明方法，仅需再增加80万元左右造价，同样远低于传统方案。
【权利要求】
1.一种用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法，其特征在于:对于石灰岩地区，基岩面倾角大于或等于60°，基岩上表面上有一层由炭质页岩组成的软弱夹层，该地区的非挤土桩施工复合地基，对施工后经检测非挤土桩的承载力不达标的桩体进行如下处理: 在非挤土桩上安装静压桩机和送桩器，静压桩机通过送桩器分2-4次对非挤土桩进行复压，每次复压的过程如下:静压桩机液压装置由零逐渐增加压桩力，直到最大压桩力Pze5，在最大压桩力稳定tw时间,称为稳压时间；每次最大压桩力相同，按如下公式确定:
当 6m ≤ L ≤ 8m 时 Pze= @ Qu= (1.25 -1.67) Qu
当 8m<L≤ 15m 时 Pze= @ Qu= (1.25 -1.43) Qu 当 L>15m 时 Pze=Qu=L 25QU 其中，L为桩长，Qu是非挤土桩的竖向承载力极限值，由设计单位根据工程地质条件和建筑任务确定；PZf；是静压非挤土桩时的最大压桩力是非挤土桩竖向极限承载力与最大压桩力的相关系数； 每次复压的稳压时间tw相同，按以下公式计算得到:
当 Pze ≤3000kN 时，tw=5-3XPze/3000 ;单位为 s ；
Pze > 3000kN 时，tw=3-Pze/3000 ;单位为 s ； 静压桩机在到达最大压桩力后稳定稳压时间tw结束后，卸载到零，紧接着进行下一次复压，再由零压力升到最大压桩力，稳定稳压时间tw ;复压过程中，非挤土桩在最后一次复压稳压时间内，沉降增量不大于500mm，且沉降速度小于20mm/s，达到处理目的。
2.根据权利要求1所述的用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法，其特征在于:若复压至第4次，非挤土桩沉降还不稳定，在复压稳压时间内，非挤土桩的沉降大于500mm，且沉降速度大于20mm/s，则判断该非挤土桩桩处理不成功，需采取其他措施提高承载力。
3.根据权利要求1所述的用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法，其特征在于:对处理成功但沉降较大的桩，桩顶标高已低于设计标高，使用C25素混凝土将下沉部分浇捣振实到桩顶设计标高；所述桩顶设计标高为设计人员根据建筑使用功能及场地条件确定的桩顶与复合地基褥垫层接触面的标高。
4.根据权利要求1所述的用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法，其特征在于:为防止应力集中导致非挤土桩的桩头被压碎，在非挤土桩的桩头上垫一木板，复压完毕后再将木板取出。
5.根据权利要求3所述的用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法，其特征在于:所述木板的厚度为20mm-30mm。
6.根据权利要求1所述的用于提高非挤土桩复合地基承载力的方法，其特征在于:所述其他措施包括补桩处理。
【文档编号】E02D7/20GK103437357SQ201310381562
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】韩小雷, 李耀琨, 季静, 赵颖 申请人:华南理工大学