一种桩基衬材及应用该桩基衬材预制预应力管桩施工方法与流程

技术领域：

本发明属于工业废渣利用及建筑地基基础领域技术领域，具体涉及一种桩基衬材及应用该桩基衬材预制预应力管桩施工方法。

背景技术：
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现有的预应力管桩施工工艺一般采用打入法或静压法两种方法。对于较坚硬的地层打入法或静压法两种方法都存在难以贯穿坚硬地层并使桩尖坐落于适合的桩端持力层的困难；而且由于在现有预应力管桩的施工中，为满足桩施工中贯入地层侵彻力的要求，桩身混凝土及桩的配筋都特别地进行了加强设计，一定程度上造成了材料的浪费。

采用螺旋钻孔工艺是基础桩的通用工艺，具有较广泛的应用环境，可适用粘性土、砂类土、碎石类土及强风化岩层等地层条件。目前，螺旋成孔灌注桩的施工基本采用现浇桩身混凝土、后插入钢筋笼的工艺。成桩混凝土质量易受地层挤压及浇筑混凝土过程影响造成离析、缩颈，严重时会造成断桩。

铁尾砂是伴随铁矿采掘及选矿形成的矿石废渣。一般采一吨铁矿会形成约3～5m³的尾矿，我国每年的采矿活动形成了大量的铁尾矿。尾矿的排放、堆积占用了大量的土地资源，同时形成的粉尘也对环境造成污染。尾矿的综合利用一直以来都受到国家政策重点鼓励和支持。目前在建筑方面较成熟的技术有诸如用于地面铺设的预制砌块、用于部分代替混凝土细集料等。将铁尾砂砂浆用作螺旋钻孔桩的桩基衬材尚属于空白。

桩基础按施工工艺分主要有预制桩及灌注桩两类，其中预制桩有锤击、静压、震动、螺旋四种工艺；灌注桩有机械成孔、人工成孔两种工艺。现有技术中并没有采用螺旋钻孔泵送铁尾砂砂浆后压入预应力管桩的设计和施工。

技术实现要素：
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本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种桩基衬材及应用该桩基衬材预制预应力管桩施工方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种桩基衬材，包括组分及其重量配比为，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水＝(4～5)：(1～1.2)：(0.15)：(1.2～1.4)。

所述的桩基衬材，根据初凝时间，终凝时间以及低温天气防冻等工程需要，在相应水泥配比量的基础上添加掺加剂，所述掺加剂为缓凝剂，早强剂或防冻剂中的一种或几种。

应用所述桩基衬材的预制预应力管桩施工方法，包括以下步骤：

步骤1，桩孔施工：

在相应位置钻桩孔，所述桩孔的直径与深度按设计要求而定；

所述的步骤1中，采用螺旋钻机进行钻桩孔。

所述的步骤1中，所述的桩孔直径为d，孔底深度达到设计桩端持力层。

步骤2，制备桩基衬材：

按配比，分别取，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水＝(4～5)：(1～1.2)：(0.15)：(1.2～1.4)；混合后进行搅拌，形成复合铁尾砂砂浆，作为桩基衬材；

所述的步骤2中，铁尾砂为经过辐射检验合格的铁尾砂，所述的铁尾砂为尾粉细砂、尾中砂与尾粗砂用作砂浆细集料。

所述的步骤2中，所述的桩基衬材在制备过程中，根据初凝时间，终凝时间以及低温天气防冻等工程需要，在相应水泥配比量的基础上添加掺加剂，所述掺加剂为缓凝剂，早强剂或防冻剂中的一种或几种。

步骤3，灌注桩基衬材：

将制备的桩基衬材注入钻机钻杆中，边灌注桩基衬材边提升钻杆，将桩基衬材灌注至设计的灌注标高；

所述的步骤3中，桩基衬材的注入方式为：利用螺旋钻中空导管，采用泵送方式灌注桩基衬材至设计的灌注标高。

步骤4，压桩：

按设计位置，压入预制预应力管桩至设计深度，同时挤密桩基衬材使其与预应力管桩紧密结合并抬升其液面至桩顶0.5～1.0m，对桩基衬材进行养护至设计强度，形成凝固体，完成应用该桩基衬材预制预应力管桩施工过程。

所述的步骤4中，桩基衬材经养护后，抗压强度达到6～12mpa。

所述的步骤4中，预制预应力管桩整体尺寸以能够完整放入桩孔为准，其中，预制预应力管桩外径为d，d＞d。

所述的步骤4中，预制预应力管桩采用混凝土预制制作。

所述的步骤4中，预制预应力管桩采用单节或多节，接桩部位设置供焊接的桩套箍，所述的桩套箍与预制预应力管桩一次浇筑成型。

所述的步骤4中，预制预应力管桩制作时，在各桩节侧表面均做出抗剪棱条，所述的抗剪棱条在制作时与预制预应力管桩一次浇筑成型。

所述的步骤4中，预制预应力管桩的压入方式为采用静压法压入。

所述的步骤4中，预制预应力管桩压入过程为：桩机就位后，将预制预应力管桩吊至桩孔中心，校正桩身垂直度，向下静压至设计深度。

本发明的有益效果：

(1)本发明的桩基衬材采用铁尾砂等工业废渣作为原料，形成复合铁尾砂砂浆作为桩结构桩基衬材，桩基衬材的强度取决于复合铁尾砂砂浆的配合比，采用本发明的配料方式，其强度可以达到6～12mpa，完全可以满足预应力管桩承载力对强度的要求，桩基衬材形成的加固体可以有效地将桩结构的荷载传递至地层，充分发挥地层的承载力；

(2)本发明的预制预应力管桩通过设置抗剪棱条增加了复合铁尾砂砂浆与预制预应力管桩的结合力；

(3)本发明的复合铁尾砂砂浆桩基衬材大量采用铁尾砂等工业废渣作为集料，一方面有利于解决工业废渣造成的环境污染；另一方面还大大节约了桩基混凝土，减少不必要的材料浪费,环保效应非常明显，属于一种绿色环保技术；

(4)本发明的桩基衬材及应用该桩基衬材预制预应力管桩施工方法能很好地解决桩基础的承载力、桩与地层间的荷载传递、桩与上部结构的结合等问题，本发明采用预制工艺，可以进行工业化生产，大大降低生产成本，提高生产效率，本发明压入阻力小，钻孔较容易，适用于粘性土、砂类土、碎石类土及强风化岩层等地层的桩基础设计与施工，应用范围广泛。

附图说明：

图1为本发明预制预应力管桩结构示意图；

图2为本发明预制预应力管桩与桩孔平面图；

图3为本发明预制预应力管桩与桩孔剖面图；其中：

d0为预制预应力管桩桩身内直径；

d为预制预应力管桩桩身外直径；

dz为桩孔直径。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

对建筑桩基技术规范中单桩竖向极限承载力公式进行分析如下：

当hb/d<5时，λp＝16hb/d(2)

当hb/d≥5时，λp＝0.8(3)

式中quk：单桩竖向极限承载力标准值；

u：桩的周长；

qsi：桩周第i层土的极限侧阻力标准值；

li：桩长范围内第i层土的厚度；

qpk：桩端极限端阻力标准值；

aj：空心桩桩端净面积，aj＝(d²-d1²)；

ap1：空心桩敞口面积，

λp：桩端土塞效应系数，对于闭口桩λp＝1，对于敞口桩按公式(2)、(3)取值；

hb：桩端进入持力层深度；

d：空心桩外径；

d1：空心桩内径。

公式(1)表明，单桩承载力主要由桩侧摩阻力及桩端阻力构成。

对建筑桩基技术规范中单桩竖向极限承载力公式进行分析如下：

(1)当桩顶以下5d范围的桩身箍筋不大于100mm，且满足规范规定的构造配筋规定时：

n≤ψcfcaps+0.9fy’as’(4)

(2)当桩身配筋不符合上述条件时：

n≤ψcfcaps(5)

式中：n：桩顶轴向压力设计值；

ψc：基桩成桩工艺系数；

fc：混凝土轴心抗压强度设计值；

aps：桩身截面面积；

fy’：纵向主筋抗压强度设计值；

as’：纵向主筋截面面积。

公式(4)及(5)表明，桩顶轴向压力由桩身混凝土及桩内纵向主筋承担。

根据材料力学原理，在桩的侧阻力发挥作用时，通过凝固后复合砂浆桩基衬材传递至其与桩的侧表面，由凝固后复合砂浆桩基衬材与桩侧表面的粘结力及桩侧所设抗剪棱条将其传递至桩身；在桩的端阻力发挥作用时，通过桩端截面与凝固后砂浆桩基衬材底截面共同承担，其中由凝固后砂浆桩基衬材底截面分担的端阻力再通过砂浆与桩侧表面的粘结力及桩身所设抗剪棱条将其传递至桩身。简单计算时，可将桩侧所设抗剪棱条作为一种措施，只考虑验算凝固后复合砂浆桩基衬材与桩侧表面的粘结力。

基于以上理论基础，本发明提供一种桩基衬材及应用该桩基衬材预制预应力管桩施工方法，通过预先注入桩基衬材与后静压植入的预应力管桩，形成一种新型桩基。根据建筑桩基技术规范结合本发明技术特点，单桩承载力计算公式为：

式中quk：单桩竖向极限承载力标准值；

u：桩的周长；

qsi：桩周第i层土的极限侧阻力标准值；

li：桩长范围内第i层土的厚度；

qpk：桩端极限端阻力标准值；

ap：管桩总的端面积，

d：预制预应力管桩外径。

公式(6)中的qpkap项是由于桩基衬材提供了端阻力，通过本发明可以完全实现闭口桩效应。通过本发明设计的螺旋钻孔泵送桩基衬材复合铁尾砂砂浆的压入预应力管桩可以扩大预应力管桩的应用范围，并降低了原工艺的难度，提高了桩的承载力。

以下实施例1～4中所述预制预应力管桩内按国家建筑标准设计图集10g409《预应力混凝土管桩》配置钢筋，预制预应力管桩采用混凝土经支模、浇筑、养生制作，混凝土标号采用c20-c80；

所述预制预应力管桩结构示意图如图1所示，为多节结构，每节长度为6～12m，接桩部位设有桩套箍，桩体外侧每隔间距1～2m设置一条抗剪棱条，抗剪棱条高度为20～50mm，宽度为10～20mm，抗剪棱条采用与预应力管桩同标号混凝土并一起浇筑，预制预应力管桩外直径d为300～1200mm。

实施例1

一种桩基衬材，包括组分及其重量配比为，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水＝4：1：0.15：1.2。

应用所述桩基衬材的预制预应力管桩施工方法，包括以下步骤：

步骤1，桩孔施工：

采用螺旋钻机在相应位置钻桩孔，所述桩孔的直径d与深度按设计要求而定，孔底深度达到设计桩端持力层；

步骤2，制备桩基衬材：

按配比，分别取，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水＝4：1：0.15：1.2；混合后进行搅拌，形成复合铁尾砂砂浆，作为桩基衬材，其中，铁尾砂为经过辐射检验合格的铁尾砂，所述的铁尾砂为尾粉细砂、尾中砂与尾粗砂用作砂浆细集料。

步骤3，灌注桩基衬材：

利用螺旋钻中空导管，采用泵送方式将制备的桩基衬材注入钻机钻杆中，边灌注桩基衬材边提升钻杆，将桩基衬材灌注至设计的灌注标高；

步骤4，压桩：

桩机就位后，按设计位置，将预制预应力管桩吊至桩孔中心，校正桩身垂直度，向下静压预制预应力管桩至设计深度，同时挤密桩基衬材使其与预应力管桩紧密结合并抬升其液面至桩顶0.7m，对桩基衬材进行养护至抗压强度达到8.5mpa，形成凝固体，完成应用该桩基衬材预制预应力管桩施工过程，预制预应力管桩与桩孔平面图如图2所示，剖面图如图3所示。

实施例2

一种桩基衬材，包括组分及其重量配比为，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水：缓凝剂＝4：1.2：0.15：1.2：0.002。

应用所述桩基衬材的预制预应力管桩施工方法，包括以下步骤：

步骤1，桩孔施工：

采用螺旋钻机在相应位置钻桩孔，所述桩孔的直径d与深度按设计要求而定，孔底深度达到设计桩端持力层；

步骤2，制备桩基衬材：

按配比，分别取，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水：缓凝剂，早强剂或防冻剂＝4：1.2：0.15：1.2：0.002；混合后进行搅拌，形成复合铁尾砂砂浆，作为桩基衬材，其中，铁尾砂为经过辐射检验合格的铁尾砂，所述的铁尾砂为尾粉细砂、尾中砂与尾粗砂用作砂浆细集料。

步骤3，灌注桩基衬材：

利用螺旋钻中空导管，采用泵送方式将制备的桩基衬材注入钻机钻杆中，边灌注桩基衬材边提升钻杆，将桩基衬材灌注至设计的灌注标高；

步骤4，压桩：

桩机就位后，按设计位置，将预制预应力管桩吊至桩孔中心，校正桩身垂直度，向下静压预制预应力管桩至设计深度，同时挤密桩基衬材使其与预应力管桩紧密结合并抬升其液面至桩顶0.5m，对桩基衬材进行养护至抗压强度达到12mpa，形成凝固体，完成应用该桩基衬材预制预应力管桩施工过程，预制预应力管桩与桩孔平面图如图2所示，剖面图如图3所示。

实施例3

一种桩基衬材，包括组分及其重量配比为，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水：早强剂＝5：1：0.15：1.4：0.015。

应用所述桩基衬材的预制预应力管桩施工方法，包括以下步骤：

步骤1，桩孔施工：

采用螺旋钻机在相应位置钻桩孔，所述桩孔的直径d与深度按设计要求而定，孔底深度达到设计桩端持力层；

步骤2，制备桩基衬材：

按配比，分别取，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水：早强剂＝5：1：0.15：1.4：0.015；混合后进行搅拌，形成复合铁尾砂砂浆，作为桩基衬材，其中，铁尾砂为经过辐射检验合格的铁尾砂，所述的铁尾砂为尾粉细砂、尾中砂与尾粗砂用作砂浆细集料。

步骤3，灌注桩基衬材：

利用螺旋钻中空导管，采用泵送方式将制备的桩基衬材注入钻机钻杆中，边灌注桩基衬材边提升钻杆，将桩基衬材灌注至设计的灌注标高；

步骤4，压桩：

桩机就位后，按设计位置，将预制预应力管桩吊至桩孔中心，校正桩身垂直度，向下静压预制预应力管桩至设计深度，同时挤密桩基衬材使其与预应力管桩紧密结合并抬升其液面至桩顶0.8m，对桩基衬材进行养护至抗压强度达到6mpa，形成凝固体，完成应用该桩基衬材预制预应力管桩施工过程，预制预应力管桩与桩孔平面图如图2所示，剖面图如图3所示。

实施例4

一种桩基衬材，包括组分及其重量配比为，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水：防冻剂＝5：1.2：0.15：1.4：0.03。

应用所述桩基衬材的预制预应力管桩施工方法，包括以下步骤：

步骤1，桩孔施工：

采用螺旋钻机在相应位置钻桩孔，所述桩孔的直径d与深度按设计要求而定，孔底深度达到设计桩端持力层；

步骤2，制备桩基衬材：

按配比，分别取，铁尾砂：水泥：粉煤灰：水：防冻剂＝5：1.2：0.15：1.4：0.03；混合后进行搅拌，形成复合铁尾砂砂浆，作为桩基衬材，其中，铁尾砂为经过辐射检验合格的铁尾砂，所述的铁尾砂为尾粉细砂、尾中砂与尾粗砂用作砂浆细集料。

步骤3，灌注桩基衬材：

利用螺旋钻中空导管，采用泵送方式将制备的桩基衬材注入钻机钻杆中，边灌注桩基衬材边提升钻杆，将桩基衬材灌注至设计的灌注标高；

步骤4，压桩：

桩机就位后，按设计位置，将预制预应力管桩吊至桩孔中心，校正桩身垂直度，向下静压预制预应力管桩至设计深度，同时挤密桩基衬材使其与预应力管桩紧密结合并抬升其液面至桩顶1.0m，对桩基衬材进行养护至抗压强度达到10.5mpa，形成凝固体，完成应用该桩基衬材预制预应力管桩施工过程，预制预应力管桩与桩孔平面图如图2所示，剖面图如图3所示。

以上实施例筋用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域专业人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。