石灰、粉煤灰预制桩和成桩工艺及形成复合地基的方法

专利名称：：石灰、粉煤灰预制桩和成桩工艺及形成复合地基的方法
技术领域：
：本发明涉及一种应用在淤泥质粘性土的桩体和成桩工艺及用该桩形成复合地基的方法，尤其是涉及一种用于处理软弱地基(饱和粘性土、淤泥、淤泥质土)的石灰、粉煤灰双灰桩和成桩工艺及用该桩形成复合地基的方法。
背景技术：
：我国于20世纪50年代开始对石灰桩的基本性质、加固机理、设计和施工等方面进行了研究，由天津市建筑科学研究院、天津大学、北京铁路局勘察设计所和同济大学等单位进行了石灰桩与其它加固方法的对比试验研究，其研究表明在地下水位较高的条件下，石灰桩处理沿海地区路基效果较好。1981年后，江苏省建筑设计院对东南沿海地区的软土地基采用生石灰与粉煤灰混合进行加固，20世纪80年代本专利申请人也进一步进行过石灰桩加固地基等相关方面的研究，该研究表明石灰桩虽然适用于饱和粘性土、淤泥、淤泥质土地基的加固处理，但是石灰桩的施工质量不易控制以及由于环境条件和施工噪声问题的影响，使石灰桩在沿海地区的应用遇到一定的难题。经济全球化和区域经济飞速发展，给各地区带来了发展机遇，也给基本建设领域开拓了广泛的空间。环渤海地区属于经济发展的主干地区，随着经济建设重点战略东移，其环渤海地区的基本建设规模将进一步扩大，而且具有很大的发展空间，但由于环渤海地区属于沿海滩涂，土质软弱，呈强盐碱性。该地区地基承载力低(2050kPa)，给工程建设带来不利条件，因而对具有上述地基特点的软弱地基的加固处理成了至关重要的问题。
发明内容为了克服上述现有技术中所存在的弊端，本发明提供一种用于处理软弱地基的石灰、粉煤灰预制桩和成桩工艺，本发明石灰、粉煤灰预制桩具有取材方便、造价低、质量易控制，施工工艺简单等特点。利用本发明用于处理软弱地基的石灰、粉煤灰预制桩和成桩工艺可以扩展石灰桩的使用范围，利用该预制桩形成复合地基的方法，可以保证沉桩质量，解决了现有技术中石灰桩施工时对环境造成的飞尘和噪声影响，与此同时，也解决了石灰桩在软基、超软基这种特殊的工程情况下出现的诸如施工质量不易控制以及环境条件和施工噪声的应用问题。利用本发明中的预制桩所形成的复合地基，其承载力可达50100kPa，在较大程度上节省了工程建设投资。为了解决上述技术问题，本发明石灰、粉煤灰预制桩予以实现的技术方案是，该预制桩包括设置在预制外围护中的密实状态的双灰料；所述双灰料由石灰和粉煤灰构成；所述石灰与粉煤灰之间的体积百分比为7:3、6:4或5:5;所述预制外围护的上下端为封装扎口。本发明的石灰、粉煤灰预制桩，其中，所述石灰采用等级为in级以上的石灰，所述粉煤灰为经过烘干处理的粉煤灰，所述粉煤灰的含水量为2535%;所述预制外围护的材料为透水性强的无纺织物。本发明石灰、粉煤灰预制桩的成桩工艺，包括以下步骤将破碎后的石灰和干式粉煤灰按体积比7:3、6:4或5:5进行混合搅拌；将上述混合后的双灰料装入预制外围护中，振动密实；封装外围护材料后形成由预制外围护和其中密实状态的双灰料构成的预制桩。利用上述石灰、粉煤灰预制桩形成复合地基的方法包括布桩和沉桩，最终形成符合设计要求的复合地基，即(1)清理平整场地，按照设计要求布置桩位；(2)选择沉桩顺序采用在空间和时间上的间隔跳打；其时间间隔为24小时，其空间上的间隔跳打顺序有以下三种情形之一先外排后内侧，先周边后中间；或单排桩布桩时，先两端后中间；或用于饱和粘性土、淤泥、淤泥质土环境时，采用的空间间隔至少是两孔口；(3)进行沉桩施工机具就位，在桩位处放置好桩头；用击入式桩机施工机具，将导管静压入土中，静压导管过程中控制导管标高高于设计标高；静压导管压入土中之后，调整导管标高至设计标高处；将石灰、粉煤灰预制桩植入已达设计标高的导管中；用施工机械将导管迅速拔起，完成该预制桩的沉桩过程；(4)按照上述选择的沉桩顺序，完成整个场地上全部桩的沉桩过程，最终形成复合地基。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是(1)本发明中所形成的复合地基，与现有技术相比，其承载力特征值增加近2倍，可以应用在吹填土上的道路建设，可以有效地防止不均匀沉降的产生，同时还可以应用于堆场的地基处理。采用本发明的复合地基，其地基处理方式简便、快捷、经济、效果好，在实际施工中能够得到推广应用。(2)现有技术中的石灰桩法适用于处理饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、素填土和杂填土等地基。而本发明石灰、粉煤灰预制桩的适用范围较一般的石灰桩有所不同，石灰、粉煤灰预制桩主要适用于超软基的淤泥质粘土，特别适用于围海造田的地基处理或超软路基的加固。依据现场试验(现场试验中主要涉及到的设备包括击入式桩机施工机具，管静和桩头，采用的施工方法为间隔跳打施工)，可以得出石灰、粉煤灰预制桩可由原来天然地基承载力20kPa左右增加到复合地基承载力为50100kPa。(3)通过静载试验，石灰、粉煤灰预制桩能够在道路、露天堆场、厂房和仓库房心填土的地基处理中应用，当原土的承载力有较大程度的提高时，本发明桩型可以应用于工业与民用建筑的地基处理当中。(4)针对软基地质情况，本发明中利用石灰、粉煤灰预制桩形成复合地基的方法改进了现有技术石灰桩加固地基的传统施工工艺，开发研究以围护材料为外壳制成的预制双灰桩体，采用本发明中的沉桩工艺，将生产预制好的石灰、粉煤灰预制桩体沉入土层中，形成复合地基，以期达到预期的加固效果。本发明形成复合地基的方法中所采用的沉桩方法可提高沿海地区软基及超软基的加固效果和沉桩桩体质量，减小施工现场环境灰污染问题。图1-1是本发明石灰、粉煤灰预制桩结构的剖视图；图1-2是图1-1所示预制桩的外形示意图；图2是生产图1-1所示石灰、粉煤灰预制桩的设备结构示意图；图3是图1-1所示石灰、粉煤灰预制桩成桩工艺流程图；图4是石灰、粉煤灰预制桩成桩工艺的一种实施例；图5是利用图1-1所示石灰、粉煤灰预制桩形成复合地基的方法流程图；图6是桩间距为2.5d，桩长为3.0m的复合地基桩土荷载分担比曲线图；图7是桩间距为2.0d，桩长为2.0m的复合地基桩土荷载分担比曲线图；图8是桩间距为2.5d，桩长为2.0m的复合地基桩土荷载分担比曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。附图中相关部件及细节的说明。图1-1和图1-2中1双灰料，2预制桩外壳，3封装扎口；图2中21第一料筒，22第二料筒，23，送料管，24混合搅拌槽，25送料泵，26固定振动平台，27振动台，28预制成桩架，29转动轴。如图1-1和图1-2所示，本发明石灰、粉煤灰预制桩的结构包括设置在预制外围护即预制桩外壳2中的密实状态的双灰料1;所述双灰料1由石灰和粉煤灰构成；所述石灰与粉煤灰之间的体积百分比为7:3、6:4或5:5;在作为预制外壳2的预制外围护的上下端形成封装扎口3。所述石灰最好采用等级为III级以上的石灰，所述粉煤灰为经过烘干处理的粉煤灰，一般要求施工时的粉煤灰含水量控制在30%左右，预制外围护的形状与预制桩体的外形设计一致。外围护材料应选用具有强透水效果、可任意弯曲、长短可随意选取、连接简单、安装方便的围护材料，最好选用无纺织物，所选围护材料的参数如表1所示。表1材料参数表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>0.2<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>如图3所示，本发明石灰、粉煤灰预制桩的成桩工艺是一种预制成型的工业化生产工艺。结合原有的工程经验，采用水泥搅拌装置，完成石灰和粉煤灰的破碎和搅拌工作；将破碎后的石灰和干式粉煤灰按体积比7:3、6:4或5:5进行混合搅拌；将上述混合后的双灰料装入预制外围护中，振动密实；封装外围护材料后形成由预制外围护和其中密实状态的双灰料构成的预制桩。下面结合图2和图4以一实施例说明本发明石灰、粉煤灰预制桩的成桩设备及其利用该设备生产预制桩的方法，其中，成桩设备包括第一料筒21、第二料筒22、混合搅拌槽24和预制成桩结构；所述第一料筒21、第二料筒22和混合搅拌槽24的出料口处分别依次连接有送料泵25和送料管23，所述第一料筒21和第二料筒22的送料管23与混合搅拌槽24的入口相通；所述预制成桩结构包括一振动台27、位于该振动台27上的预制成桩架28，所述预制成桩架28上设置有转动轴29，所述转动轴29固定固定振动平台26上；所述混合搅拌槽24的送料管23通向预制成桩架28的上端，另外，为了保证混合后的双料灰从混合搅拌槽的送料管中顺利地进入预制成桩架中的作为预制桩外壳的外围护中，最好在混合搅拌槽送料管的出料口处设置一个布袋，这样可以进一步保证混合后的双料灰出口位置与下方的预制外围护垂直，以保证混合料顺利的进入预制外围护中。关于转动轴29的应用，主要是解决对于长桩的竖向和水平向振动问题，同时，转动轴29还可以使预制成桩架28放置为水平，这样有利于将预制外围护放入预制成桩架28中和便于预制完成后的预制桩整体从预制成桩架28中抽出，即保证了预制成型的速度和成桩质量。利用上述成桩设备进行成桩的过程如图4所示，转动转动轴29将预制成桩架28放平后，将预制外围护放入预制成桩架28中，再将预制成桩架28转回竖直方向；将破碎的石灰(其粒径不大于70mm，含粉量不超过15%为宜)和干式粉煤灰(如可用风干后的粉煤灰，为了防止施工中出现扬尘所造成的空气污染，其含水量最好控制在30%左右)分别装入第一料筒21和第二料筒22中；调整各料筒出料口处的送料泵25的转速来控制石灰与粉煤灰的配比；通过分别与第一料筒21和第二料筒22连接的传料管23将石灰与粉煤灰按照体积比为7:3、6:4或5:5的比例送入混合搅拌槽24中进行充分搅拌；混合搅拌槽24的送料管23将上述混合后的石灰、粉煤灰双灰料送入预制成桩架28中的预制外围护中，与此同时，由混合搅拌槽24出料口处的送料泵25控制出料量和送料速度；旋转转动轴29在水平和竖直面上转动，并开启振动台27，将预制外围护中的双灰料密实；用通常采用的质量监控手段(如计算体积的预制双灰桩的实测质量)进行质量控制，当预制外围护中的双灰料达到设计要求后，封装外围护材(如图l-l和图l-2中所示，将外围护材上、下扎口后在桩体的上下端形成封装扎口3)后形成由预制外围护和其中密实状态的双灰料构成的预制桩；最后，旋转转动轴29放平预制成桩架28，将上述预制桩整体从预制成桩架28中抽出，至此完成一石灰、粉煤灰预制桩。利用上述石灰、粉煤灰预制桩通过现场的布桩和沉桩施工即可形成复合地基，如图5所示。即(1)清理平整场地，按照设计要求布置桩位；(2)选择并确定沉桩顺序采用在空间和时间上的间隔跳打；其时间间隔为24小时，其空间上的间隔跳打顺序有以下三种情形之一先外排后内侧，先周边后中间；或单排桩布桩时，先两端后中间；或用于饱和粘性土、淤泥、淤泥质土环境时，其采用的空间间隔至少是两孔口的隔打顺序，不宜由一边向另一边推进沉桩；(3)进行沉桩施工机具就位，在桩位处放置好桩头；用击入式桩机施工机具，将导管静压入土中，静压导管过程中控制导管标高高于设计标高；静压导管压入土中之后，调整导管标高至设计标高处；将石灰、粉煤灰预制桩植入已达设计标高的导管中；用施工机械将导管迅速拔起，完成该预制桩的沉桩过程；(4)形成复合地基按照上述选择的沉桩顺序，完成整个场地上全部桩的沉桩过程，最终形成复合地基。值得注意的是本发明中用石灰、粉煤灰预制桩形成复合地基的过程中，由现场沉桩效果来看，沉桩顺序宜采用间隔跳打，并且沉桩应在时间上有间隔，这样是针对超软的淤泥质土而言的。由于静压沉桩对桩周土扰动严重，第一次成桩间距控制较大，这样对桩间土扰动相对较小，而且成桩结束后，由于预制双灰桩的吸水挤密作用，吸收桩间土的水份，使桩间土的地下水位降低，淤泥在自重的影响下固结，再次沉桩时桩间土已经比第一次沉桩的效果好很多。至于沉桩间隔，一般取24小时为宜，由于石灰桩吸水涨发反应一般在24小时即可完成大部分，这样即加固了桩间土，又使桩间土具有一定的围护(第一次成桩的围护)，再次成桩效果可以达到理想状态。下面是本发明石灰、粉煤灰预制桩所形成的复合地基用于吹填土道路建设中的工程实例。1.吹填土的物理性质，如表2所示。表2原土的物理性能测试结果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表2可知，原土随深度的增加，土的含水量、液限孔隙比均减小，压縮模量有所增加，这证明吹填土的上部土质较软，下部土质有一定程度的改善，而上部表层土的压縮性无法测定，在试验过程中出现土被挤出的现象，证明其土质太软。2.用本发明石灰、粉煤灰预制桩加固后的复合地基的承载力研究，如表3所示。表3复合地基承载力对比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>(kPa)表3承载力测试结果表明单桩复合地基承载力高于群桩复合地基承载力，这主要是由于承载板的尺寸不同。对于单桩复合地基承载力，可以看出，桩长对承载力的影响最大，桩间距对于超软地基的承载力影响不是很大。而且桩间距为2.0d的复合地基承载力较桩间距为2.5d的复合地基承载力小，这主要是因为地基土质太软，桩间距过小对地基土的扰动过大，桩间土承载力恢复较慢。总结以上数据可以看出，对于复合地基承载力的提高，桩长的影响更大。在实际工程中增加桩长是提高复合地基承载力可行的措施之一。单桩承载力的测试结果与计算结果对比，由表2中的数据可以看出，单桩复合地基承载力计算值低于单桩复合地基承载力实测值，高于群桩复合地基承载力实测值。3.桩土作用研究，如图6所示是桩间距为2.5d，桩长为3.0m的复合地基桩土荷载分担比曲线图；图7所示是桩间距为2.0d，桩长为2.0m的复合地基桩土荷载分担比曲线图；图8所示是桩间距为2.5d，桩长为2.0m的复合地基桩土荷载分担比曲线图。通过上述复合地基桩土荷载分担曲线可以明显的看出，桩间土的承载力远远小于桩的承载力，桩间土承载力增长较原土有一定程度的增加，但是增加量较小。复合地基承载力较原土高很多，证明复合地基承载力主要是由桩提供的。如果在实际工程中通过增加预制双灰桩的桩长，采用褥垫层技术措施，该复合地基的桩土共同作用会取得进一步增强。综上所述，在地基加固施工时将本发明预制桩植入地下，封盖桩顶，经地下水与石灰、粉煤灰预制桩体材料以及围护材料的作用，使被加固的地基土承载力提高，本发明中的复合地基涉及的是一种新型、环保的地基加固方法。本发明中的石灰、粉煤灰预制桩改变了原有的投料方式。原有的投料方式通常是成孔后填料时必须分段压(夯)实，管外投料或人工成孔填料时应减小地下水渗入孔内，成孔后、填料前应排除孔底积水。本发明形成复合地基的方法中是一次投料，无需排除孔内积水，施工简单，而且可以保证桩身质量。本发明成桩工艺中釆用机械拌合并预压成型的工厂化预制工艺，可以控制材料配合比，调整工艺参数，石灰、粉煤灰预制桩密实，达到了地基土加固的效果，减小了施工的污染，改善施工操作人员的劳动环境；本发明中的预制双石灰、粉煤灰主要应用于地基处理或超软地基的加固处理中，实验表明，用本发明中的石灰、粉煤灰预制桩形成的复合地基可以将原状土地基的承载力提高1~2倍。依据现场试验分析，当原土的承载力为5060kPa时，复合地基承载力将可提高到80100kPa。因此石灰、粉煤灰预制桩能够在道路、露天堆场、厂房和仓库房心填土、建筑的地基处理中广泛应用。尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。权利要求1.一种石灰、粉煤灰预制桩，其特征在于，包括设置在预制外围护中的密实状态的双灰料；所述双灰料由石灰和粉煤灰构成；所述石灰与粉煤灰之间的体积比为7∶3、6∶4或5∶5；所述预制外围护的上下端为封装扎口。2.根据权利要求i所述的石灰、粉煤灰预制桩，其特征在于，所述石灰采用等级为ni级以上的石灰，所述粉煤灰为经过烘干处理的粉煤灰，所述粉煤灰的含水量为25~35%。3.根据权利要求1或2所述的石灰、粉煤灰预制桩，其特征在于，所述预制外围护的材料为透水性强的无纺织物。4.一种如权利要求1所述的石灰、粉煤灰预制桩的成桩工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤将破碎后的石灰和干式粉煤灰按体积比7:3、6:4或5:5进行混合搅拌；将上述混合后的双灰料装入预制外围护中，振动密实；封装外围护材料后形成由预制外围护和其中密实状态的双灰料构成的预制桩。5.—种利用如权利要求1所述的石灰、粉煤灰预制桩形成复合地基的方法，其特征在于，包括以下步骤布桩清理平整场地，并根据设计要求布置桩位；沉桩——选择沉桩顺序采用在空间和时间上的间隔跳打；其时间间隔为24小时，其空间上的间隔跳打顺序有以下三种情形之一先外排后内侧，先周边后中间；或单排桩布桩时，先两端后中间；用于饱和粘性土、淤泥或淤泥质土环境时，其空间间隔至少是两孔口；——沉桩过程施工机具就位，在桩位处放置好桩头；用击入式桩机施工机具，将导管静压入土中，静压导管过程中控制导管标高高于设计标高；静压导管压入土中之后，调整导管标高至设计标高处；将石灰、粉煤灰预制桩植入已达设计标高的导管中；用施工机械将导管迅速拔起，完成该预制桩的沉桩过程；形成复合地基按照上述选择的沉桩顺序，完成整个场地上全部桩的沉桩过程，至此形成复合地基。全文摘要本发明公开了一种用于加固软基的石灰、粉煤灰预制桩，该预制桩包括设置在预制外围护中的密实状态的双灰料；所述双灰料由石灰和粉煤灰构成；所述石灰与粉煤灰之间的体积比为7∶3、6∶4或5∶5；所述石灰采用等级为III级以上的石灰，所述粉煤灰的含水量为25～35％；所述预制外围护的上下端为封装扎口；所述预制外围护的材料为透水性强的无纺织物。本发明预制桩主要适用于超软基的淤泥质粘土，适用于围海造田的地基处理或超软路基的加固。本发明中还同时公开了上述预制桩的成桩工艺及用该桩形成复合地基的方法。文档编号C04B14/28GK101239791SQ20081005241公开日2008年8月13日申请日期2008年3月11日优先权日2008年3月11日发明者崔广田,昆戚,超李,冰杜,毅王,郑秀娟申请人:天津市建筑科学研究院