一种扩底碎石桩成桩钢管及施工方法
【专利摘要】本发明公布了一种扩底碎石桩成桩钢管及施工方法，其中扩底碎石桩成桩钢管，包括桩管上部的直管投料部分和下部的扩底部分，其中扩底部分包括扩大头型活瓣桩尖、扩底液压推进装置、桩管侧壁固定链接的固定轴以及推压钢板，所述的推压钢板为偶数个，且对称布置在桩管的外侧，所述的扩底液压推进装置设置在所述的固定轴内并与所述的推压钢板连接。通过本发明的成桩钢管施工可以解决碎石桩由于下部土体自重应力过大，形成下小上大的倒梯形状，提高的了桩体自身的承载性能的同时加强了对下部土体的挤密作用，使得复合地基固结沉降减小，并较大程度的提高了承载力。
【专利说明】一种扩底碎石粧成粧钢管及施工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土工程中特殊地基处理领域，涉及一种扩底碎石桩及其施工方法，具体是一种用于碎石桩扩底成桩的扩底桩管，及扩底碎石桩的施工方法。
【背景技术】
[0002]碎石桩加固软弱地基起于1935年，开始用来加固砂土地基，后来才用来加固粘性土。据Hughes和Withers的资料介绍,在法国Bayonne地区建造兵工厂时使用过,兵工厂坐落在海湾沉积的软土上，当时的设计桩径为0.2m,桩长2m，每根桩承担的荷载为10kN。加固后的实际沉降量只有未加固前的四份之一。此后直至1936年，由德国S.Steuerman提出用振动水冲法(简称振冲法)挤密砂土地基。50年代初，振冲法开始用于加固粘性土地基，并成为碎石桩。从此，一般认为以振冲法在粘性土中形成的密实碎石柱为碎石桩。
[0003]随着时间的推移，各种不同的施工工艺相应产生，如沉管法、振动气冲法、袋装碎石桩法、强夯置换法等。它们虽然施工工艺不同于振冲法，但同样可形成密实的碎石桩，因此碎石桩的内涵扩大了，Juran认为“碎石桩代表施工过程的最后结果”。1937年德国凯勒公司(Keller)按斯图门(Steyerman)设计制造出具有现代振冲器雏形的机具,并用于柏林市郊的一栋建筑物地基，处理深度7.5m,处理后砂基相对密度由原来的45%提高到80%，承载力提高1.0倍。斯图门到美国后，1944年成功地加固了安德斯坝基，并得出振冲法可以有效地提高砂基相对密度的结论。1950年后，该法在美国得到了普遍推广，振冲法加密砂基的有效性和经济性越来越为人们所承认。
[0004]50年代末和60年代初，德国和英国相继把振冲法用来加固粘性土地基，如在德国纽伦堡有个工程，地基中有一层软粘土，施工时先在地基中利用振冲器造2.0m深的孔，填入碎石再用振冲器将碎石振捣密实。1957年，振冲法被引入英国。英国的工程师把电动振冲器改为水力驱动，并用它加固垃圾、碎砖瓦和粉煤灰。软粘土地基经过这样处理后承载力显著提高。目前国内外已广泛采用振冲后碎石加固软粘土，并取得良好效果。
[0005]日本是多地震国家，1957年引入振冲法，用它来加固油罐的松砂地基，目的是提高砂基的抗液化能力。日本十胜冲地区于1968年发生7.8级强震，震害调查结果表明，经振冲法加固的砂基液化现象大为减弱，建筑物基本保持完好，而未经处理的砂基的上建筑物则受到严重破坏。从此振冲法作为砂基抗震防止液化的有效处理措施被广泛选用。目前国外许多大型地基工程，如美国箱峡水电站、斯本索火电厂、卡尔隆原子能电站，埃及的阿斯旺大坝体水下吹填砂的加密，尼日利亚杰巴电站坝基，加拿大依斯曼坝坝体水下砾石加密，额麦隆共和国拉格都水电站回填砂砾加密等均采用了振冲法处理。振冲碎石桩处理的软粘土地基，如英国底斯港料罐、汉敦港料罐(直径16-66m)、美国庞德雷湖公路以及大批工业与民用建筑。
[0006]我国于上世纪70年代引进振冲法加固技术，目前除个别省外，该法在全国范围内已全面推广使用。当前我国振冲设备也在不断改进。75KW大功率振冲器已经问世。二十多年来中国在大坝、道路、桥涵、大型厂房及工业与民用建筑地基上广泛采用振冲法加固。如在十字板强度低于20kPa的软粘土地基，在含水量达206%的淤泥、泥炭地基采用振冲法加固都有成功的实例。为了克服振冲法加固地基时要排出大量泥浆的弊病，河北省建筑科学研究院采用干振法加固地基，在石家庄和承德等地区取得了效果。
[0007]上述的多种施工工艺使得碎石桩得到了长足的发展，并使碎石桩法的使用范围更加广泛。但是由于土体自重应力的作用使得碎石桩桩体经常成倒梯形成桩，可能会引起桩体侧向膨胀破坏，目前尚未出现较好的处理方法和成桩工艺。
【发明内容】
[0008]技术问题:我国采用碎石桩复合地基处理场地时，由于下部土体的自重应力较大，使得碎石桩成桩时形成下部小上部大的倒梯形，当上部施加载荷时，容易引起桩体产生膨胀破坏。但处理和解决的方法单一落后，尚未有很好的解决倒梯形成桩的方法出现，本发明针对这一现象提供了一种扩底碎石桩扩底桩管及扩底碎石桩施工方法，通过扩底桩管对下部土体进行扩底，可以很好地解决碎石桩倒梯形成桩问题，同时加大对土体的挤压、挤密作用提高土体的侧向约束力防止桩体侧向膨胀破坏。并且经过扩底处理后可以一定程度提高复合地基的承载能力，减小固结沉降。
[0009]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种扩底碎石桩成桩，包括桩管上部的直管投料部分和下部的扩底部分，其中扩底部分包括扩大头型活瓣桩尖、扩底液压推进装置、桩管侧壁固定链接的固定轴以及推压钢板，所述的推压钢板为偶数个，且对称布置在桩管的外侧，所述的扩底液压推进装置设置在所述的固定轴内并与所述的推压钢板连接。
[0010]所述的扩底部分还包括一桩尖扩展段，该桩尖扩展段位于所述扩大头型活瓣桩尖上端且扩大头型活瓣桩尖的外径大于直管投料部分桩管的外径，所述的推压钢板设置在桩尖扩展段的上端且不突出于所述桩尖扩展段的外表面。
[0011]所述的液压推进装置包括缸体以及设置在缸体内的活塞杆，所述的推压钢板连接在活塞杆的输出端。
[0012]所述的推压钢板为半圆柱环，推压钢板共有两块，每块内角180°，形成一圈圆环形钢板围在桩管外侧。
[0013]本发明提供的扩底碎石桩施工方法的具体步骤如下:
I)移动装机及向导架，把桩管和桩尖垂直对准桩位后启动振动桩锤，将桩管振动沉入土中，当桩尖进入设计扩底区标高时，停止振动，启动扩底液压推进装置将半圆柱环推压钢板向土体挤压，形成扩大的底部桩径；
①桩机按设计桩位就为，保证桩位的水平偏差不大于0.5倍套管外径，套管垂直度偏差不大于1% ；
②下部扩底区桩径为上部成桩桩径的1.5-2倍；
③扩地区高度应为碎石桩有效桩长的1/3-1/4。
[0014]2)扩展到达预定桩径时收回半圆柱环推压钢板，继续向下振动沉管，通过液压推进装置不断地进行扩底，直至加固区深度；
①在一次液压扩底之后，应将扩底钢管旋转90°后再次进行液压推进装置推动半圆柱环推压钢板进行扩底； ②在一次推进扩底完成后，应将半圆柱环推压钢板保持挤压状态10-20S。
[0015]3)收回半圆柱环推压钢板，从桩管上端的投料漏斗中加入配置好的碎石料后，边振动边拔出桩管，每拔管1-1.5m后即停止拔管，振动20-30S后继续拔管，直到钢管提升到桩顶设计标高为止；
①从桩管上端的投料漏斗中加入配置好的碎石料，碎石料的配置应保证级配良好，其碎石和块石的直径应为20-40mm,并且加水至饱和状态以利于投料；
②保证碎石桩桩体充盈系数在1.3-1.5之间；
③在接近地表l-2m处由于土的自重压力小，桩周土对桩的径向约束力小，易造成桩体密实度差，应进行碾压、夯实或挖出等处理。
[0016]4)碎石桩成桩后应静置7-28天再进行碎石桩成桩检验和其他现场试验。
[0017]①对于饱和粘性土地基，碎石桩施工后的静置时间不应少于28天；
②对于砂土、粉土和杂填土地基，施工后的静置时间为7-14天；
③在非饱和土地基中，静置时间不少于7天。
[0018]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
本发明的扩底碎石桩成桩钢管采用扩大头型活瓣桩尖，下部在经过扩底液压推进装置扩大，使得整体成孔较大，利于投料时活瓣桩尖的打开，石料的投放顺畅方便，减少了钢管的反复振动和插填投料次数，保障了桩体自身的均匀性和充盈系数。扩大的桩径使得在相通的激振力下，土体收到的振密、挤密效果更好，进一步降低土体内的天然含水率、孔隙比、液性指数和压缩系数，并提高了桩周土的压缩模量和承载力。通过扩底碎石桩成桩钢管下部的扩底部分可以有效的解决碎石桩应桩周土体自重应力过大引起的下部缩孔情况，是的桩身密实度和均匀性得到了进一步提高，可以有效的将上部载荷传递到下卧持力层当中。扩底后的碎石桩比普通碎石桩单桩承载力提高30%-40%，复合地基承载力提高15%-20%。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的碎石桩扩底桩管剖面图；
图2是本发明的扩底碎石桩施工示意图。
[0020]图中有:1_直管投料部分、2-桩管侧壁固定链接的固定轴、3-推压钢板、4-桩尖扩展段、5-扩大头型活瓣桩尖、6-扩底液压推进装置、7-振动沉管阶段、8-扩底阶段、9-收回扩底装置并投料阶段、10-振动拔出钢管成桩阶段。
【具体实施方式】
[0021]本发明的扩底碎石桩成桩钢管及其施工方法如图1、2所示。扩底碎石桩在碎石桩的基础上强化了碎石桩的挤密能力，提高了桩体自身的承载能力，施工工艺较碎石桩相比仅略微复杂。
[0022]本发明的扩底碎石桩成桩钢管，包括:桩管上部的直管投料部分(I)和下部的扩底部分，其中扩底部分包括扩大头型活瓣桩尖(5)、扩底液压推进装置(6)、桩管侧壁固定链接的固定轴(2)以及推压钢板(3)，其中推压钢板(3)可以为半圆柱环形或其他形状，当为半圆环形时，推压钢板用两块即可，每块内角180°，形成一圈圆环形钢板围在直桩管外侦牝也可以采用平板形状的推压钢板挤压成方形的大孔。[0023]扩底液压推进装置安放在桩管侧壁固定链接的固定轴内，通过在桩管上开孔连接至桩管外侧的半圆柱环推压钢板。使用扩大头型活瓣桩尖，桩尖扩展段对上部的半圆柱环推压钢板起到保护作用，避免振动挤压受损。
[0024]本发明提供的扩底碎石桩施工方法的具体步骤如下:
1)移动装机及向导架，把桩管和桩尖垂直对准桩位后启动振动桩锤，将桩管振动沉入土中，当桩尖进入设计扩底区标高时，停止振动，启动扩底液压推进装置将半圆柱环推压钢板向土体挤压，形成扩大的底部桩径；下部扩底区桩径为上部成桩桩径的1.5-2倍；扩地区高度应为碎石桩有效桩长的1/3-1/4 ；
2)扩展到达预定桩径时收回半圆柱环推压钢板，继续向下振动沉管，通过液压推进装置不断地进行扩底，直至加固区深度；在一次液压扩底之后，应将扩底钢管旋转90°后再次进行液压推进装置推动半圆柱环推压钢板进行扩底；在一次推进扩底完成后，应将半圆柱环推压钢板保持挤压状态10-20s ；
3)收回半圆柱环推压钢板，从桩管上端的投料漏斗中加入配置好的碎石料后，边振动边拔出桩管，每拔管1-1.5m后即停止拔管，振动20-30S后继续拔管，直到钢管提升到桩顶设计标高为止；从桩管上端的投料漏斗中加入配置好的碎石料，碎石料的配置应保证级配良好；保证碎石桩桩体充盈系数在1.3-1.5之间；
4)碎石桩成桩后应静置7-28天再进行碎石桩成桩检验和其他现场试验。
【权利要求】
1.一种扩底碎石桩成桩钢管，其特征在于，包括桩管上部的直管投料部分(I)和下部的扩底部分，其中扩底部分包括扩大头型活瓣桩尖(5)、扩底液压推进装置(6)、桩管侧壁固定链接的固定轴(2)以及推压钢板(3)，所述的推压钢板(3)为偶数个，且对称布置在桩管的外侧，所述的扩底液压推进装置(6)设置在所述的固定轴(2)内并与所述的推压钢板(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种扩底碎石桩成桩钢管，其特征在于，所述的扩底部分还包括一桩尖扩展段(4 )，该桩尖扩展段(4 )位于所述扩大头型活瓣桩尖(5 )上端且扩大头型活瓣桩尖(5)的外径大于直管投料部分桩管的外径，所述的推压钢板(3)设置在桩尖扩展段(4)的上端且不突出于所述桩尖扩展段(4)的外表面。
3.根据权利要求1所述的一种扩底碎石桩成桩钢管，其特征在于，所述的液压推进装置(6)包括缸体以及设置在缸体内的活塞杆，所述的推压钢板(3)连接在活塞杆的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种扩底碎石桩成桩钢管，其特征在于，所述的推压钢板为半圆柱环，推压钢板(3)共有两块，每块内角180°，形成一圈圆环形钢板围在桩管外侧。
5.一种基于权利要求1所述扩底碎石桩成桩钢管的施工方法，其特征在于，方法是: 1)移动桩机及向导架，把桩管和桩尖垂直对准桩位后启动振动桩锤，将桩管振动沉入土中，当桩尖进入设计扩底区标高时，停止振动，启动扩底液压推进装置(6)将半圆柱环推压钢板(3)向土体挤压，形成扩大的底部桩径； 2)扩展到达预定桩径时收回半圆柱环推压钢板(3)，继续向下振动沉管，通过液压推进装置(6)不断地进行扩底，直至加固区深度； 3)收回半圆柱环推压钢板(3)，从桩管上端的投料漏斗中加入配置好的碎石料后，边振动边拔出桩管，每拔管50-80cm后即停止拔管，振动20-30S后继续拔管，直到钢管提升到桩顶设计标闻为止； 4)碎石桩成桩后应静置7-28天成型。
6.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，下部扩底区桩径为上部成桩桩径的1.5-2倍；下部扩底区高度为碎石桩有效桩长的1/3-1/4。
7.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，在一次液压扩底之后，应将扩底钢管旋转90°后再次进行液压推进装置推动半圆柱环推压钢板进行扩底；在一次推进扩底完成后，应将半圆柱环推压钢板保持挤压状态10-20S。
【文档编号】E02D5/48GK103615002SQ201310655372
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】储亚, 蔡国军 申请人:东南大学