本发明属于地基处理及桩基础技术领域，具体涉及一种消减预制管桩负摩阻力的装置及方法。
背景技术：
桩基处理软土地基时，当桩基穿越高压缩性土层时，在自重固结、地表超载或地下水抽采等作用下，桩周土沉降量超过基桩沉降量后，将在桩侧表面中性点以上部分产生向下的负摩阻力，桩侧负摩阻力非但不能为承担上部荷载做出贡献，反而对桩产生作用于桩侧的下拉力。对于摩擦桩，负摩阻力会引起桩的附加下沉，对于建筑物，建筑物会出现较大的沉降及不均匀沉降，以致使上部结构损坏；对于端承桩，负摩阻力将会导致桩荷载增大，致使桩身强度破坏或桩端持力层破坏。
目前，减小桩基负摩阻力的方法有很多，如：在施工桩基础前，先预压地基，加速地基土固结，降低土体可压缩性，该方法施工难度大，需耗费大量财力物力，工期较长；在中性点以上的桩身外侧，罩上一段直径比桩径稍大的套管，将桩身与周围土体隔离，这种方法需要使用大量的钢材，且施工工序比较复杂；在桩身中性点以上部分涂一薄层沥青涂料，这种方法应用较多，虽然效果不错，但是也存在一些问题，如：对沥青性能要求较高，要求涂抹均匀且厚度要求控制在毫米级，同时沥青涂料也会造成土体污染；在打桩之前先钻孔，其直径比桩径略大，深度达到中性点，而在中性点以下则用打入或其它常规方法施工以保证桩的正摩阻力，中性点以上则用膨润土泥浆填充，从而消减负摩阻力，该方法施工时需要更换钻头，或同时进行钻孔和静压（或振动）沉桩两套施工工序，所需设备较多，工序复杂。
中国专利cn102628269a公布了“一种减小沉管灌注桩负摩阻力的技术装置及使用方法”，通过在沉管灌注桩外侧、中性点以上深度范围内打入筒状双层塑料薄膜，从而降低桩体中性点以上桩-土界面的摩擦系数，有效消除桩基负摩阻力所带来的不利因素，该发明施工过程中，需要用振动锤将双层钢套管振动压入及拔出，施工工序复杂，工期较长；中国专利cn202500134u公布了“一种能减少负摩阻力的预制桩体”，通过在桩身中性点以上表面粘贴薄膜，增加桩身与土体接触面的光滑程度，减小桩-土之间的摩擦力，这种预制桩体虽然简单易行，但是粘有薄膜的预制桩体的进入土体时，可能存在薄膜被破坏及剥离预制桩体的风险；中国专利cn105649075a公布了一种“减小钻孔灌注桩负摩阻力的装置及方法”，通过在桩侧中性点以上设置摩擦系数较小的双层挂布，将有效降低基桩中性点以上桩-土界面的摩擦系数，减小桩基负摩阻力产生的不利影响，通过向双层布袋注浆径向推挤挂布使其底端密贴孔壁，能有效防止后续灌浆时，混凝土进入挂布周围，使双层挂布自下而上贴合于孔壁，形成低摩阻力系数的滑动套筒，同时采用石墨作为双层挂布之间的增滑剂，该方法设置的双层布袋最终会留在桩体内，破坏了桩的完整性，且挂布外表面涂抹沥青，对沥青性能要求较高，要求涂抹均匀且厚度要求控制在毫米级，同时沥青涂料也会造成土体污染。对比包含以上三种专利在内的减小负摩阻力的新方法，基本都是在桩身中性点以上包裹或紧贴比较光滑的材料，均考虑了当周围土体沉降量大于桩体沉降量时，较光滑材料所发挥的积极作用，忽略了周围土体沉降量小于或等于桩体沉降量时（即沿桩身均产生正摩阻力时），较光滑材料所发挥的消极作用。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述缺陷，消除预制管桩负摩阻力所带来的危害，提供一种消减预制管桩负摩阻力的装置及方法。
本发明利用可相对滑动的复合土工膜层包裹含中性点的管桩及其以上所有管桩的混凝土外表面，降低了管桩中性点以上桩-土界面的摩擦系数，消减了管桩负摩阻力，且在土体沉降量小于桩基沉降量时，复合土工膜层能基本降解，桩身沿全长均产生向上的正摩阻力。具体技术方案如下：
一种消减预制管桩负摩阻力的装置，所述预制管桩包括含中性点预制管桩段、含中性点预制管桩段的以上及以下预制管桩段，每根预制管桩段两端设有钢端板，其特征在于：
所述消减预制管桩负摩阻力的装置包括复合土工膜层、桩孔扩径结构、固定结构；所述复合土工膜层包裹于预制管桩的含中性点预制管桩段及其以上预制管桩段的混凝土外壁；所述复合土工膜层主要由双层土工膜和填充并封闭于该双层土工膜之间的润滑剂构成，所述土工膜由为麻地膜或为由pla-sio2复合材料或剑麻纤维增强聚乳酸复合材料制成的膜；所述桩孔扩径结构焊接于预制管桩的含中性点预制管桩段的底端钢端板的外缘；所述固定结构固定于预制管桩的含中性点预制管桩段及其以上各预制管桩段的复合土工膜层外部底端，用于将复合土工膜层底端紧固于预制管桩的混凝土外壁。
作为优选，所述复合土工膜层为带状，其长度与单根管桩段长度匹配，其宽度大于或等于单根管桩段周长；所述复合土工膜层以缠绕方式固定于预制管桩的含中性点预制管桩段及其以上预制管桩段的混凝土外壁。
作为优选，所述复合土工膜层为空心筒状结构，其内径与单根管桩段外径匹配；所述复合土工膜层套在预制管桩的含中性点预制管桩段及其以上预制管桩段的混凝土外壁。
作为优选，所述桩孔扩径结构为环状，其边缘为尖端向外的楔形边缘，且该楔形边缘的下端面由里至外为向上倾斜的斜面，桩孔扩径结构的外径大于管桩外径。
作为优选，所述桩孔扩径结构的内径与钢端板外径相匹配，其外径比管桩外径大3-15cm。
作为优选，所述固定结构主要由钢圈箍和插栓构成，所述钢圈箍为开口式且开口处的两个自由端沿钢圈箍径向平行向外延伸，钢圈箍的两个自由端上具有至少一对配对的栓孔，钢圈箍的箍体部分的内表面均匀分布有凸起；所述插栓为中部横截面小两端横截面大的哑铃状尼龙纤维棒，插栓中部长度等于或小于钢圈箍两自由端之间的距离，插栓的两端在压缩状态下能够穿过栓孔而在自由状态下不能穿过栓孔；所述钢圈箍的箍体用于环抱包裹有复合土工膜层的预制管桩，所述插栓用于插入钢圈箍的两自由端的栓孔通过插栓的两端对钢圈箍进行紧固。
作为优选，所述钢圈箍环形部分的内表面均匀分布有尖锐的凸起。
作为优选，所述钢圈箍厚度为1-3mm，展开长度大于管桩直径4-8cm，宽度为3-20cm。
作为优选，所述插栓由尼龙6制成。
一种消减预制管桩负摩阻力的方法，基于上述任一项所述装置实现，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将管桩中性点以下部分逐段打入地层，具体为：
1.1根据软土层的物理力学性能以及管桩的结构特征，分析确定管桩的中性点位置，平整场地，桩机就位；
1.2将中性点以下部分的管桩按常规施工方法逐段打入地层；
步骤2，在管桩中性点及以上部分逐段包裹复合土工膜层，具体为：
在含中性点的管桩段及其以上所有管桩段的混凝土外表面包裹复合土工膜层；
步骤3，在含中性点管桩段的底端固定桩孔扩径结构，具体为：
3.1将含中性点的管桩段与中性点以下部分管桩段连接；
3.2在含中性点的管桩段底端的钢端板外缘焊接桩孔扩径结构；
步骤4，在管桩中性点及其以上部分安装固定结构，具体为：
4.1在含中性点管桩段的临近桩孔扩径结构的上方安装固定结构，将钢圈箍的箍体环抱包裹有复合土工膜层的含中性点管桩段后，通过插栓插入钢圈箍的两自由端的栓孔对钢圈箍进行紧固；
4.2在中性点以上管桩段的底端安装固定结构，将钢圈箍的箍体环抱包裹有复合土工膜层的中性点以上管桩段后，通过插栓插入钢圈箍的两自由端的栓孔对钢圈箍进行紧固；
步骤5，将管桩中性点及以上部分逐段打入地层，具体为：
将复合土工膜层包裹的含中性点管桩段和其以上管桩段利用锤击或静压法逐段压入地层，压入过程中向桩基边缘注入泥浆，采用泥浆护壁技术，直至完成该部位的管桩施工。
本发明的有益效果：
本发明的复合土工膜层由两层土工膜构成，两层膜之间用润滑剂填充，这样两层膜能够相对滑动且膜与膜之间摩擦系数极低，土工膜采用麻地膜或采用由pla-sio2复合材料或剑麻纤维增强聚乳酸复合材料制成的膜，其中麻地膜降解速率较快，100天后残留质量为10%，pla-sio2复合材料（聚乳酸/二氧化硅复合材料），全降解约为1年；剑麻纤维增强聚乳酸复合材料，其12周失重率达7%左右。
本发明利用可相对滑动的复合土工膜层包裹含中性点的管桩及其以上所有管桩的混凝土外表面，降低了管桩中性点以上桩-土界面的摩擦系数，消减了管桩负摩阻力，且在土体沉降量小于桩基沉降量时，自管桩施工完成后一般再过约1-3年，土体沉降量将小于桩基沉降量，根据工程地质及排水条件等估算土体沉降量小于桩基沉降量的具体年限，从本发明提供的三种土工膜中选择降解速率与该具体年限相适应的土工膜，从而确保土体沉降量将小于桩基沉降时，复合土工膜层能基本降解，桩身沿全长均产生向上的正摩阻力。该方法简单易行、施工方便，能有效消减预制管桩负摩阻力所带来的危害。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明桩孔扩径结构示意图，其中（1）为桩孔扩径结构俯视图，（2）为桩孔扩径结构沿a-a剖面图；
图3为本发明固定结构示意图；
图4为本发明施工步骤示意图，其中（1）为中性点以下部分的管桩施工，（2）为预制管桩包裹复合土工膜层，（3）为正常接桩及焊接桩孔扩径结构，（4）固定结构固定土工膜，（5）泥浆护壁。
图中，1-复合土工膜层；2-桩孔扩径结构；3-固定结构；4-泥浆；5-桩靴；6-预制管桩；7-钢圈箍；8-插栓。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性前提下，所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。
一种消减预制管桩负摩阻力的装置，参见图1，预制管桩6包括含中性点预制管桩段、含中性点预制管桩段的以上及以下预制管桩段，每根预制管桩段两端设有钢端板，消减预制管桩6负摩阻力的装置包括复合土工膜层1、桩孔扩径结构2、固定结构3；
复合土工膜层1包裹于预制管桩6的含中性点预制管桩段及其以上预制管桩段的混凝土外壁；复合土工膜层1主要由双层土工膜和填充并封闭于该双层土工膜之间的润滑剂构成，土工膜为麻地膜或为由pla-sio2复合材料或剑麻纤维增强聚乳酸复合材料制成的膜；
复合土工膜层1为带状，其长度与单根管桩段长度匹配，其宽度大于或等于单根管桩段周长；复合土工膜层1以缠绕方式固定于预制管桩6的含中性点预制管桩段及其以上预制管桩段的混凝土外壁。
润滑剂可以是液体润滑剂或固体润滑剂，液体润滑剂可以选用矿物油、合成油或动植物油，优选矿物油，固体润滑剂选用石墨润滑剂或二硫化钼润滑剂，优选石墨润滑剂，这样两层膜可相对滑动且膜与膜之间摩擦系数极低。
桩孔扩径结构2焊接于预制管桩6的含中性点预制管桩段的底端钢端板的外缘；
桩孔扩径结构2为环状，参见图2-（1）和图2-（2），其边缘为尖端向外的楔形边缘，且该楔形边缘的下端面由里至外为向上倾斜的斜面，桩孔扩径结构2的外径大于管桩外径。桩孔扩径结构2的内径与钢端板外径相匹配，其外径比管桩外径大。本实施例中，桩孔扩径结构2外径比管桩外径大8cm。
固定结构3固定于预制管桩6的含中性点预制管桩段及其以上各预制管桩段的复合土工膜层1外部底端，用于将复合土工膜层1底端紧固于预制管桩6的混凝土外壁。
固定结构3主要由钢圈箍7和插栓8构成，参见图3。钢圈箍7为开口式且开口处的两个自由端沿钢圈箍7径向平行向外延伸，钢圈箍7的两个自由端上具有至少一对配对的栓孔，钢圈箍7的箍体部分的内表面均匀分布有尖锐的凸起。钢圈箍7的箍体用于环抱包裹有复合土工膜层1的预制管桩6，插栓8用于插入钢圈箍7的两自由端的栓孔对钢圈箍7进行紧固。作为优选，钢圈箍7厚度为1-3mm，展开长度大于管桩直径4-8cm，宽度为3-20cm。本实施例中，钢圈箍7厚度为2mm，展开长度大于管桩直径6cm，宽度为5cm。插栓8为由尼龙纤维制成的中部横截面小两端横截面大的哑铃状尼龙纤维棒，插栓8中部为棒状，两端为球状或柱状或块状，插栓8的两端在压缩状态下能够穿过栓孔而在自由状态下不能穿过栓孔。插栓8的材质优选为尼龙6。插栓8棒状部分的长度等于或小于钢圈箍7两自由端之间的距离。
预制管桩最底端带有桩靴5，起到刺破土体的作用。
一种基于上述装置的消减预制管桩负摩阻力的方法，具体包括以下步骤：
（1）将管桩中性点以下部分逐段打入地层，具体为：根据软土层的物理力学性能以及管桩的结构特征，分析确定管桩的中性点位置，平整场地，桩机就位，将中性点以下部分的管桩按常规施工方法逐段打入地层，如图4-（1）所示；各管桩段的顶部和底部均固定有钢端板，上下相邻两管桩段通过上管桩段底部的钢端板与下管桩段顶部的钢端板的固定连接而实现连接；
（2）在管桩中性点及以上部分逐段包裹复合土工膜层，具体为：利用带状的可相对滑动的复合土工膜层1包裹含中性点的管桩段及其以上所有管桩段的混凝土外表面，如图4-（2）所示；
（3）在含中性点管桩段的底端固定桩孔扩径结构，具体为：将含中性点的管桩段按常规的施工方法与中性点以下部分管桩段连接，在含中性点的管桩段底端的钢端板外缘焊接桩孔扩径结构2，如图4-（3）所示；
（4）在含中性点管桩段的临近桩孔扩径结构的上方安装固定结构，在中性点以上管桩段的底端安装固定结构：将钢圈箍7环抱包裹有复合土工膜层的预制管桩段后，通过插栓8插入钢圈箍7的两自由端的栓孔对钢圈箍7进行紧固，利用固定结构3将复合土工膜层1固定在管桩表面，如图4-（4）所示；
（5）将管桩中性点及以上部分逐段打入地层，具体为：将复合土工膜层包裹的含中性点管桩段和其以上管桩段利用锤击或静压法逐段压入地层，压入过程中向桩基边缘注入泥浆，采用泥浆护壁技术，直至完成该部位的管桩施工，如图4-（5）所示。