一种带有排水功能的半柔性桩及其施工方法与流程

本发明属于岩土工程的软基处理技术，特别涉及一种带有排水功能的半柔性桩，还涉及该带排水功能的半柔性桩的施工方法，尤其适用于深厚软土、超软弱土的软基的填筑工程、路基工程等复合地基处理，既可发挥桩体的复合地基作用，又可通过排水固结改良软土，实现快速填土施工。

背景技术：

在沿海地区，广泛分布着软土、超软弱土，其埋深、厚度均较大。随着经济的迅速发展，沿海区域陆续开发利用，建设用地对填土的要求越来越高，然而，所面临的超软弱土物理力学性质越来越差，因此，软土、超软弱土的处治成为项目开发的重点和难点。

目前，软基的处理措施主要分为刚性桩复合地基、柔性桩或排水固结法处理两大类。刚性桩复合地基由于能较好地控制软土的沉降，并提供较高的承载力，而越来越得到广泛应用。近年来，国内外学者在提高桩的承载力方面作了越来越多的研究，如刚度较大的管桩、桩径较大的薄壁筒桩等应用到软基处理，使刚性桩发挥的承载力越来越大，应用的单桩承载力已不低于800kn，甚至高达2000kn，桩土应力比达30～50。但是，由于刚性桩复合地基对沉降的严格控制，一般不超过10cm，在超软弱土地区，桩间软土难改良，不易发挥桩间土的承载力，而且各类桩在特定的地质条件下均存在局限性，如管桩若遇下卧层为较软弱岩土层，易发生桩尖的穿刺破坏，沉降过大；若遇基岩风化较浅，易发生倾覆滑移，这类工程事故时有发生。素混凝土桩、薄壁筒桩等现浇混凝土桩则桩型难以成型或扩大系数过大。水泥搅拌桩、高压旋喷桩等拌合桩则由于软土含水量过大，严重影响了水泥与软土的凝结。

采用砂桩、碎石桩等柔性桩或塑料排水板、袋装砂井等排水固结法处理软基，虽可消散超孔隙水压力，改良软土，提高其承载力，但是在超软弱土地区，软土受压后剪切变形易造成断桩或竖向排水体弯折变形，受竖向涂抹效应的影响较大，削弱了其竖向排水功能。软土的强度增长有限，柔性桩的桩土应力比小，仅为1～2，处理后地基承载力难适应越来越高的填土要求，易造成过大的工后沉降。

针对上述两类软基处理的特点，部分学者提出了刚性桩联合排水板进行软基处理，用排水板消散桩施工过程引起的超静孔隙水压力，使软土得到部分固结，但软基沉降亦不超过28cm，且桩、土的刚度差别大，软土的强度增长依然有限。在超软弱土地区，若能既有效利用桩的较高承载力、较强的抗剪强度，又能充分发挥桩间软土的强度增长，就可以有效快速完成高填方的填筑，加快软土沉降固结及缩短工期。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种带有排水功能的半柔性桩，既能有效利用桩的较高承载力、较强的抗剪强度，又可通过改良桩间软土，充分利用软土的强度增长，提高复合地基的承载力和抗剪强度，从而快速高效完成高填土的填筑工程，并进一步加快软土沉降固结及缩短工期。

本发明的上述目的通过以下的技术措施来实现：一种带有排水功能的半柔性桩，包括桩体，其特征在于：所述桩体主要由内部为密闭空间的无纺土工布袋和充填于该密闭空间中的水泥砂浆液组成，水泥砂浆液凝固之前，所述无纺土工布袋起到桩体成型作用，水泥砂浆液凝固之后形成圆柱状的胶结体，无纺土工布袋作为水泥砂浆液凝固过程泌水和周边软土排水的竖向排水通道，胶结体在桩中心以砂浆胶结体为主、桩周以水泥胶结体为主，形成桩周抗压强度高于桩中心抗压强度的桩体。

本发明无纺土工布袋具有良好的透水性能和隔离固体颗粒的特性，在水泥砂浆液凝固前，其起到桩体成型的作用，同时，水泥砂浆的泌水会由土工布袋透水排出，桩周软土中的水也会沿着土工布袋排出，使得桩周软土发生沉降固结，因此，土工布袋可作为软土排水固结的竖向排水通道，桩周土工布的纵向通水面积大，与软土接触的周长大，桩间软土的横向排水距离短；由于土工布附着于凝固的桩体桩周上，不易断裂和失效，受竖向涂抹效应的影响较小。土工布可明显使桩周软土发生排水固结，强度显著增长，且距桩中心越近强度增长越快，不仅提高了桩间土的承载力，而且增加了桩周的摩阻力，土工布隔离了桩体及桩间软土，可有效减少软土沉降引起的桩体负摩阻力，综合发挥复合地基的承载力。经按配合比配制的水泥砂浆，在泌水凝固过程中，水泥与砂在径向上分选，使大量分离出的水泥浆在土工布内侧汇集、胶结，该过程使得胶结体从桩中心到桩周存在渐变段，因此，桩中心以砂浆胶结体为主、而桩周以厚2～5cm的环状水泥胶结体为主，桩周抗压强度远高于桩中心抗压强度的桩体，使水泥砂浆液在凝固后形成类似管桩的特征，桩体不易断桩、缩径，确保成桩的质量。

本发明所采用的土工布袋，制作布袋所采用的无纺土工布为岩土工程常用的土工布，材料来源方便。无纺土工布的规格可根据软土性质选用，软土的性质越差、含水量越大选用的土工布规格越高；布袋的直径、长度根据设计桩径、桩长确定，在工厂成批加工、缝制，制作布袋的效率高。

作为本发明的一种优选实施方式，所述水泥砂浆液由工程用水、普通硅酸盐水泥和砂配制而成，所述砂为不同粒径的粉砂至粗砂，水泥砂浆液的比重为1.6±0.2，水泥砂浆液的比重接近软土的比重。采用接近软土比重的水泥砂浆液进行施工，可使桩体易于成型，确保桩体的成桩质量。水泥砂浆主要由工程用水、普通硅酸盐水泥、粉砂至粗砂等不同粒径的砂(可掺适量粉煤灰)等配制而成，材料来源广泛，成本低。

作为本发明的一种优选实施方式，所述无纺土工布袋的单位面积质量大于或等于200g/cm²。

作为本发明的一种优选实施方式，桩的长度和直径需要根据不同项目经设计确定，所述无纺土工布袋的直径和长度分别等于设计的桩径和桩长，袋口绑扎使无纺土工布袋的内部成为密闭空间，在无纺土工布袋的底端设置有桩尖重力块。

本发明的另一个目的在于提供一种上述带有排水功能的半柔性桩的施工方法。

本发明的上述目的通过以下的技术措施来实现：一种上述带有排水功能的半柔性桩的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴根据设计的桩长及桩径制作无纺土工布袋，即无纺土工布袋的直径和长度分别等于设计的桩径和桩长，置桩尖重力块于无纺土工布袋的底端；

⑵配制水泥砂浆液：水泥砂浆液的配比需满足桩体强度需要，水泥砂浆液由工程用水、普通硅酸盐水泥和砂组成，砂为不同粒径的粉砂至粗砂，水泥砂浆液的比重为1.6±0.2，水泥砂浆液的比重接近软土的比重。

⑶采用cfg桩机振动沉管至设计的桩底标高；

⑷将无纺土工布袋投入沉管中直至管底；

⑸采用砂浆注浆泵向无纺土工布袋中注满水泥砂浆液，无纺土工布袋在水泥砂浆液的重力作用及注浆压力作用下逐渐展开，直至充盈饱满，绑扎无纺土工布袋的袋口；

⑹边振动边拔管，直至沉管拔出至地面，成桩完毕。

作为本发明的一种优选实施方式，在所述步骤⑶和⑷中，

①根据设计图纸测量放桩位，并根据设计桩长、沉管入土深度确定cfg桩机的机架高度和沉管长度，将cfg桩机移至桩位上；

②cfg桩机振动沉管穿过软土层达到设计的桩底标高，将无纺土工布袋投入沉管中直至管底，从而完成投放无纺土工布袋。

本发明施工采用的主要施工机械是传统的cfg桩机及普通的砂浆注浆泵，由于其施工工艺类似于传统的cfg桩，桩体材料采用泵送注浆，无需增加新的设备，技术工人操作熟练，工效较快。采用cfg桩机沉管至桩底后，由于沉管内部为空的，容易投入缝制好的土工布袋，工作效率高；水泥砂浆液按配合比经搅拌完成后，通过砂浆泵泵送入土工布袋内，其工作效率又比传统的cfg桩灌注混凝土的效率高，工作效率快而且施工更加安全、可靠。

传统的cfg桩、素混凝土桩由于其桩体材料呈半固体状态，容重大(约23kn/m³)远大于软土的容重(约16kn/m³)，施工时，沉管对桩周软土的扰动，严重破坏了软土的结构，使桩体难成型或扩径过大，或在振动拔管过程中易造成缩径、断桩等事故，在软土尤其超软弱土中，成桩质量难保证或浪费材料，材料成本大。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明的无纺土工布袋由于具有良好的透水性能和隔离固体颗粒的特性，在水泥砂浆液凝固前，其起到桩体成型的作用，同时，水泥砂浆液的泌水会由土工布袋透水排出，桩周软土中的水也会沿着土工布袋排出，使得桩周软土发生沉降固结，因此，土工布袋可作为软土排水固结的竖向排水通道，桩周土工布的纵向通水面积大，与软土接触的周长大，桩间软土的横向排水距离短；由于土工布附着于凝固的桩体桩周上，不易断裂和失效，受竖向涂抹效应的影响较小。土工布可明显使桩周软土发生排水固结，强度显著增长，且距桩中心越近强度增长越快，不仅提高了桩间土的承载力，而且增加了桩周的摩阻力，土工布隔离了桩体及桩间软土，可有效减少软土沉降引起的桩体负摩阻力，综合发挥复合地基的承载力。

⑵本发明经按配合比配制的水泥砂浆液，在泌水凝固过程中，水泥与砂在径向上分选，使大量分离出的水泥浆在土工布内侧汇集、胶结，该过程使得胶结体从桩中心到桩周存在渐变段，因此，桩中心以砂浆胶结体为主、而桩周以厚2～5cm的环状水泥胶结体为主，桩周抗压强度远高于桩中心抗压强度的桩体，使水泥砂浆桩在凝固后形成类似管桩的特征，桩体不易断桩、缩径，确保成桩的质量。

⑶本发明所采用的土工布袋，制作布袋所采用的无纺土工布为岩土工程常用的土工布，材料来源方便。无纺土工布的规格可根据软土性质选用，软土的性质越差、含水量越大选用的土工布规格越高；布袋的直径、长度根据设计桩径、桩长确定，在工厂成批加工、缝制，制作布袋的效率高。

⑷本发明采用接近软土比重的水泥砂浆液进行施工，可使桩体易于成型，确保桩体的成桩质量。

⑸本发明施工采用的主要施工机械是传统的cfg桩机及普通的砂浆注浆泵，由于其施工工艺类似于传统的cfg桩，桩体材料采用泵送注浆，无需增加新的设备，技术工人操作熟练，工效较快。采用cfg桩机沉管至桩底后，由于沉管内部为空的，容易投入缝制好的土工布袋，工作效率高；水泥砂浆液按配合比经搅拌完成后，通过砂浆泵泵送入土工布袋内，其工作效率又比传统的cfg桩灌注混凝土的效率高，工作效率快而且施工更加安全、可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的纵向剖面示意图；

图2是本发明无纺土工布袋的纵向剖面示意图；

图3是沿图1中a-a线剖面图；

图4是本发明施工流程图之一；

图5是本发明施工流程图之二；

图6是本发明施工流程图之三；

图7是本发明施工流程图之四；

图8是本发明施工流程图之五；

图9是本发明施工流程图之六；

图10是本发明施工流程图之七。

具体实施方式

如图1～3所示，是本发明一种带有排水功能的半柔性桩，包括桩体4，桩体4主要由内部为密闭空间的无纺土工布袋1和充填于该密封空间中的水泥砂浆液组成，无纺土工布袋1的单位面积质量大于或等于200g/cm²，水泥砂浆液由工程用水、普通硅酸盐水泥和砂配制而成，砂为海砂，海砂为不同粒径的粉砂至粗砂，普通硅酸盐水泥、海砂和工程用水的质量比是1.00：1.00：1.20，水泥砂浆液的比重为1.6±0.2，水泥砂浆液的比重接近软土的比重。无纺土工布袋1的直径和长度分别等于设计的桩径和桩长，袋口5绑扎使无纺土工布袋1的内部成为密闭空间，无纺土工布袋1的底端设置有桩尖重力块。水泥砂浆液凝固之前，无纺土工布袋1起到桩体4成型作用，水泥砂浆液凝固后形成圆柱状的胶结体，无纺土工布袋1的作为水泥砂浆液凝固过程泌水和周边软土排水的竖向排水通道，胶结体在桩中心以砂浆胶结体3为主，在桩周以水泥胶结体2为主，形成桩周抗压强度高于桩中心抗压强度的桩体。

如图4～10所示，是本发明一种上述带有排水功能的半柔性桩的施工方法，包括以下步骤：

⑴根据设计的桩长及桩径制作无纺土工布袋，即无纺土工布袋的直径和长度分别等于设计的桩径和桩长，置桩尖重力块于无纺土工布袋1的底端；

⑵配制水泥砂浆液：

在配制水泥砂浆液时，为了确保水泥砂浆在凝固后达到龄期后的室内抗压强度大于7.5mpa，最大的掺砂率可达50％；同时，确保水泥砂浆在凝固前的桩体成型质量，配制的浆液容重按接近周边软土容重进行配制。根据试验结果确定的配合比约为普通硅酸盐水泥：海砂：水＝1.00：1.00：1.20(质量比)，配制好的水泥砂浆液比重即可控制在1.6±0.2，配制出的水泥砂浆液的容重基本接近软土的容重。由于桩体材料可掺入50％的海砂，因此能够大幅度降低水泥的用量，并且海砂在沿海地区来源更广、成本更低。

⑶钻机就位：场地平整，施工现场必须清除地上和地下一切障碍物后再予以平整。根据设计图纸测量放桩位。采用cfg桩机6，根据设计桩长、沉管7入土深度确定机架高度和沉管长度，将cfg桩机6移至桩位上，参见图4。开机前应检查导向架的垂直度，施工中应随时观察和保持桩机底盘的水平和导向架的竖直，桩体垂直度偏差不得超过1.5％，桩位偏差不大于50mm，成桩直径不得小于设计值。

⑷将无纺土工布袋投入沉管中直至管底：cfg桩机6振动沉管7成孔，沉管7朝向b方向运动，参见图5；按设计图纸沉管7穿过软土层，达到设计的桩底标高，由于沉管7内部为空的，可从桩管上端的投料漏斗将缝制好的无纺土工布袋1投入沉管7中，参见图6，直至到管底；

⑸按一定配合比配制好的水泥砂浆液c，边搅拌边泵送，注浆压力约0.1～0.3mpa，从桩管上端的投料漏斗将砂浆注入土工布袋，参见图7；土工布袋在砂浆重力及注浆压力作用下逐渐展开，直至充盈饱满，并绑扎袋口，参见图8；

⑹绑扎袋口后，沉管7边振边拔管，朝向d方向拔管，参见图9。待沉管完全拔出至地面后，布袋桩体留在土层中，成桩完毕，参见图10。

本发明进行复合地基设计，不能按复合地基的单桩承载力作为设计的主控因素，设计只需考虑复合地基的抗剪强度及软基的稳定性、最终的沉降量。由于无论桩周摩阻力的增长、负摩力的减小，还是桩周软土的承载力增加，均随软土的强度增长而变化，在设计时，通过现行的复合地基设计理论及岩土测试技术，较难考虑复合地基的承载力和单桩承载力。因此，无需对复合地基的承载力进行检测。

成桩后进行如下检测：

⑴采用本发明施工完毕桩基后，在桩体材料凝固达到28天龄期后进行单桩承载力检测，检测的单桩极限承载力范围为220～260kn，平均约230kn。说明桩体在填土前已具有一定的承载能力，加上桩体复合地基的置换作用，复合地基抗剪强度指标得到较大的提高，因此，在桩基完成并达到一定龄期后，可快速加填土，从而进一步加快软土的排水固结。因此，同步快速提高复合地基的综合承载能力和抗剪能力。

⑵采用本发明完成的软基复合地基处理，其桩土应力比介于柔性桩与刚性桩之间。通过填土前埋设的土压力并进行监测，其桩土应力比范围值为1.8～2.5，平均约2.0。并结合填土前对单桩承载力的检测，检测的单桩极限承载力范围为220～260kn，平均约230kn，平均单桩承载力特征值ra＝115kn。并根据填土的厚度h＝6.1m，填土容重为19.5kn/m3(按试验值)，按现行的复合地基承载力计算理论，桩最终所承担的荷载推算单桩承载力ra′＝117kn，不满足单桩承载力特征值；桩间土最终所承担的荷载推算桩间土承载力fsk′＝55kpa，说明随填土荷载的增加，桩间土的强度持续增长，提高了桩间土的承载力。

⑶采用本发明进行软基处理完毕后，由于桩身被土工布隔离、包裹，桩体凝固后，通过小应变无损检测技术较易检测桩体的完整性，易于质量控制。试验及实践表明，桩身凝固后，小应变检测反射波波速约为2300～2500m/s，桩的检测波形均在底部有较明显的反射波。

⑷通过对填土过程的沉降监测，监测到的累计沉降量为1225～2405mm，平均沉降1882mm，沉降量的不同主要受软土的厚度分布不同的影响，说明桩周土工布发挥了明显的纵向排水作用，使桩周软土发生了较大的固结沉降；通过在填土前、后，对软土进行现场的十字板剪切试验，软土处理前，软土的抗剪强度为3.00～15.70kpa，平均为9.50kpa，填土完成后，在距桩中心75cm处测得软土的抗剪强度为23.56～38.25kpa，平均约29.72kpa，在距桩中心35cm处测得软土的抗剪强度为39.06～51.65kpa，平均约44.50kpa，可见路基填土完成后，软土的抗剪强度比处理前提高约3～5倍，抗剪强度已显著增长，且距桩中心越近强度增长越快，说明桩周土工布对软土的强度增长发挥了明显的作用。软土的强度显著增长，不仅提高了桩间土的承载力而且增加了桩周的摩阻力，土工布隔离了桩体及桩间软土，可有效减少软土沉降引起的桩体负摩阻力的不利影响，综合发挥复合地基的承载力。

⑸为了验证桩体的抗折弯性能，在地面采用土工布袋成桩，经桩体凝固28天后，将桩体弯曲至曲率半径达20m时，考察桩身材料的变化情况，揭示土工布与水泥砂浆有一定程度的胶结，水泥与砂颗粒有明显的分选性，桩身未出现明显裂缝，说明桩具有良好的抗弯折性能。通过桩周埋设深层位移监测的测斜管，从测斜管的变形分析，说明桩体发生相类似的变形，桩体上部约6m随软土沉降而向内微弯，桩体中部在软土变形作用下略向外凸，桩体下部深入下卧层，因此，桩体发生了轻微的纵向弯曲，大致呈微弓形，监测表明其纵向弯曲量不超过140mm，对于桩长约23m桩体，其弯曲的曲率半径超过300m，远大于地面桩体弯折试验的曲率半径20m，说明桩体的轻微弯曲对桩体的完整性影响不大，其小应变及承载力检测亦表明桩体的完整性仍保持良好，说明桩体较好地适应软土的大沉降变形，表现出半柔性桩的特点。

⑹如300g/m²规格的无纺土工布与b型塑料排水板两者的等效孔径及渗透系数相当。而φ350mm的桩周长为1099mm，土工布厚度≥2.4mm，则一根桩桩周土工布的纵向通水面积≥2638mm²，是一根b型塑料排水板(≥400mm²)的7倍；与软土接触的周长为1099mm，是b型塑料排水板(＝208mm)的5倍；当桩距和排水板距相同时，桩间软土的横向排水距离可有效缩小一倍桩直径，一根桩的桩周土工布发挥的排水作用远大于一根b型塑料排水板。并且附着于凝固的桩体桩周上的土工布，不易断裂和失效，受竖向涂抹效应的影响远比塑料排水板小，通过现场的孔隙水压力监测表明，沿竖向上软土的超孔隙水压力基本同时消散，说明桩周无纺土工布的排水基本同时起作用。

⑺本发明能较好适应软土的大沉降变形，软土的沉降量大于2m，检测到桩体的完整性仍较好，说明桩体抗弯折能力强，表现出类似柔性桩的特征。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。