处理下部为软弱土层、上部为液化土层地基的桩机和方法与流程

本发明涉及一种处理下部为软弱土层、上部为液化土层地基的桩机和方法，属于岩土工程技术领域，适用于处理下部为软弱土层、上部为液化土层的地基。

背景技术：

随着我国城市化的不断发展，工程建设中遇到不良地基的情况越来越多，如软弱地基、液化地基等，对于这类不良地基，必须进行处理以满足工程建设的要求。对于软弱地基，主要采用桩基法、排水固结法、加筋法等进行处理，每种方法均有各自的优缺点和使用范围。

液化地基是指砂土或粉土等具有液化势的地基：在饱和状态下，砂土或粉土地基受到振动时，土体中的孔隙水压力上升，土体间的有效应力减小，导致土体的抗剪强度降低；振动到一定程度时，土体颗粒处于悬浮状态，土体的抗剪强度减小为零，土体变为可流动的水土混合物，呈液化状态。对于液化地基，主要处理方法包括强夯法、碎石桩法、砂桩法等。

受历史沉积环境的影响，不同年代沉积的土层是不同的，即地基由多层不同类型的岩土组成。在工程建设中，可能会遇到建筑的有效作用深度范围内有两种不良土层的情况，如下部为软弱土层、上部为液化土层的地基。对于单类型的不良地基，使用现有的方法即可有效处理，但是对于下部为软弱土层、上部为液化土层的复合类型不良地基，目前还没有有效、实用的方法。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种有效、快速、经济地处理下部为软弱土层、上部为液化土层地基的桩机，同时提供一种处理下部为软弱土层、上部为液化土层地基的方法。

技术方案：本发明的处理下部为软弱土层、上部为液化土层地基的桩机，包括支架、与所述支架连接并保持其稳定的支撑杆、设置在支架顶端的滑轮组、通过钢丝绳和滑轮组安装在支架上的振动锤和吊斗、安装在所述振动锤下侧带有灌料口的桩管、通过钢丝绳控制桩管和吊斗升降的卷扬机。

进一步的，本发明的桩机中，桩管底端设置有活瓣桩尖，所述活瓣桩尖在桩管打入地基的过程中闭合，在拔管过程中开启。

本发明的处理下部为软弱土层、上部为液化土层地基的方法，包括以下步骤：

a.架设好桩机，启动振动锤使桩管下沉，直到桩的设计深度；

b.从灌料口向桩管中灌入水泥粉煤灰碎石混合物，启动振动锤和卷扬机并缓慢上拔桩管，直到桩头到达软弱土层与液化土层的交界面；

c.从灌料口向桩管中投放碎石料，启动振动锤和卷扬机并缓慢上拔桩管，直到碎石填满液化土层的桩身；

d.在设有桩的范围的地基表面铺设总厚50-100cm的级配碎石褥垫层，每层厚度25cm，并使用振动+静力碾压法压实。

进一步的，本发明方法中，步骤b、步骤c中应连续从灌料口向桩管中灌入桩体材料，保证桩管中始终有桩体材料。

进一步的，本发明方法中，步骤b、步骤c中上拔桩管的速度应控制在小于1m/min。

进一步的，本发明方法中，步骤d中采用分层铺设法来铺设级配碎石褥垫层。

本发明中，通过改变桩身材料来改变桩身模量，由多个不同模量的桩身段组成变模量桩。针对下部为软弱土层、上部为液化土层的地基，变模量桩由传统的水泥粉煤灰碎石桩和碎石桩组成：下部为水泥粉煤灰碎石桩，处理软弱土层，桩身材料为水泥+粉煤灰+碎石和水的混合物；上部为碎石桩，处理液化土层，桩身材料为碎石。在桩与基础之间铺设50-100cm厚的褥垫层，材料为级配碎石，采用分层铺设法，每层厚度25cm，并使用振动+静力碾压法压实。变模量桩、褥垫层和桩间土一起组成变模量桩复合地基。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)传统的水泥粉煤灰碎石桩、碎石桩只能够分别单独处理软弱地基和液化地基，而不能一次性有效地处理下部为软弱土层、上部为液化土层的不良地基。本发明的变模量桩可以在不同的桩身位置采用不同的材料，对于软弱土层位置的桩身采用水泥粉煤灰碎石桩，对于液化土层位置的桩身采用碎石桩，这样就充分结合了水泥粉煤灰碎石桩和碎石桩的优点，可以一次性有效地处理下部为软土层、上部为液化土层的地基，满足工程建设的技术要求。

(2)由于可以通过改变桩身材料来改变桩身模量，因此可以针对不同类型的不良地基，采用对其处理最为有效的材料种类、配比，因此具有非常广泛的应用范围，同时可以通过桩土模量比的改变，使复合地基达到最佳的承载能力，提高地基处理的科学性、经济性。

(3)由于使用本发明可以一次性处理下部为软土层、上部为液化土层的地基，因此可以减少施工时间、降低施工费用。

(4)环境友好，在变模量桩钻孔过程中，表层土的结构没有被破坏，没有多余的开挖土体，因此不需要专门外运废土。

附图说明

图1为变模量桩复合地基示意图。

图2为变模量桩施工设备示意图。

图3(a)为振动沉管，图3(b)为灌注下部桩身材料，图3(c)为灌注上部桩身材料，图3(d)为单根桩施工完成，图3(e)为场地桩施工完成，图3(f)为褥垫层施工完成，形成复合地基。

图中有：支撑杆1、卷扬机2、钢丝绳3、支架4、滑轮组5、振动锤6、灌料口7、桩管8、吊斗9、活瓣桩尖10。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

本发明所使用设备由支撑杆1、卷扬机2、钢丝绳3、支架4、滑轮组5、振动锤6、灌料口7、桩管8、吊斗9、活瓣桩尖10组成。其中支撑杆1保证支架4的稳定，卷扬机2通过钢丝绳3控制桩管8和吊斗9的升降，通过振动锤6的振动作用将桩管8打入地基中，吊斗9中的材料可以通过灌料口7灌入桩管8中，活瓣桩尖10在桩管打入地基的过程中闭合，在拔管过程中开启。

(1)工程概况

1)场地岩土条件

某一工程建设场地的岩土条件为典型的上部为液化土层、下部为软弱土层的情况，该场地的土层分布情况为：

0～4.0m为黄色低液限粉土，标贯击数的平均值N＝4击，最大值为5击，最小值为2击，为中等～严重液化；

4.0～8.0m为灰色低液限粉土，局部夹淤泥质低液限粘土，标贯击数的平均值N＝5击，最大值为8击，最小值为3击，为中等～严重液化；

8.0～14.0m为灰色低液限粘土，标贯击数的平均值N＝6击，最大值为10击，最小值为3击；

14.0～16.0m为灰色、深灰色低液限粘土，标贯击数的平均值N＝10击，最大值为18击，最小值为5击；

16.0m以下(未穿透)为红褐色低液限粘土，标贯击数的平均值N大于14击。

从以上场地的地质条件可以看出，0～8.0m为液化土层，在地震作用下具有液化的风险，8.0～14.0m的粘土层标贯击数小，承载力低，属于不良的软弱地基情况，需要对14.0m深度范围内的土体进行处理以满足工程建设对地基的技术要求。

2)地基处理的技术要求

经加固后地基应满足下表中的技术指标。

表1地基加固后的技术指标要求

(2)地基处理设计参数

设计使用变模量桩对该不良地基进行处理，桩径500mm，桩间距1.8m，正三角形布置，不同的土层中采用不同的桩身材料：粉土层采用碎石桩，桩长8m；粘土层采用水泥粉煤灰碎石桩，桩长6m。

(3)施工

1)准备工作

a、场地平整、清除杂物，回填土应夯打密实。

b、保证桩位点的偏差符合要求。测量放样用全站式经纬仪，极坐标计算数据。

c、桩架就位。机架要平直，机座垫稳，不能软硬不均，桩机下垫枕木。

2)沉管

a、沉管过程中注意调整桩机的稳定，严禁倾斜和错位。

b、沉管过程中做好记录。激振电流每沉1m记录一次，对土层变化处应特别说明，直到沉管至设计标高。

3)投下部桩身料

a、沉管至设计标高后尽快投料，投料数量应按桩身体积进行计算。

b、如上料量不够，须在拔管过程中补充投料，以保证成桩桩顶标高满足设计要求。

c、混合料配比应严格执行设计规定，碎石和石屑含杂质不大于5％，并且不含有粒径大于50mm颗粒。

d、按设计配比配置混合料，投入搅拌机加水拌和，加水量由混合料坍落度控制，一般坍落度为30～50mm，成桩后桩顶浮浆厚度一般不超过200mm。

e、混合料的搅拌须均匀，搅拌时间不得少于2min。

4)拔管

a、当投料完成后，开动马达，沉管原地留振10s左右，然后边振动边拔管。

b、拔管应尽量保持匀速，一般控制在1.2～1.5m/min左右，如遇淤泥土或淤泥质土，拔管速率可适当放慢。

c、直到桩头达到软弱土层和液化土层交界面处，即完成软弱土层部分的桩身。

5)投上部桩身料

a、当水泥粉煤灰碎石混合料灌注软弱土层桩身段完成后，向桩管中投放碎石。

b、为了保证碎石的振动密实效果，控制每次投放的碎石料数量，保证每次投放碎石料深度不超过1m。

6)振动拔管

振动1min，然后边振动边拔管，每提升0.5-1m，桩管反插40cm，留振30-60秒，如此反复直至全管拔出，拔管速度为1.2～1.5m/min。

7)铺设褥垫层

a、将搅拌合格级配碎石用自卸汽车运至现场卸料，填料松铺厚度约30cm，

b、推土机进行填料初平，人工配合平地机精平，

c、先用振动压路机静压两遍，然后弱振压实两遍，最后静压两遍，压实厚度为25cm。

d、接着进行下一层级配砂石碾压，施工方法相同，直到完成褥垫层的铺设。

(4)加固效果检测

加固后对地基进行检测，项目包括复合地基的承载力、桩身质量、桩间土力学性质等，检测结果如下表所示。

表2地基加固检测结果

从上表可以看到，经过处理后的地基满足工程建设的技术要求，说明了本发明方法的有效性。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。