预制空心管桩的加固方法和组合桩基与流程

本发明涉及桩基施工技术领域，尤其是涉及一种预制空心管桩的加固方法和组合桩基。

背景技术：

桩基础是通过承台把若干根桩的顶部联结成整体，共同承受动静荷载的一种深基础形式，承载能力高、适用范围广，在高层建筑、港口和桥梁等工程中有着大量应用。预制空心管桩是桩基础的一种常见形式。

预制空心管桩沉桩方式有锤击式、振动沉桩式、螺旋钻入式和静压式。在利用锤击式、振动法和静压方式时，经常会因为下部局部土体包裹较大孤石或土层存在较薄岩层等原因，预制空心管桩无法达到设计深度，桩基承载力无法达到设计要求。解决方法通常会采用换位置重新沉桩或采用高压射水配合锤击法或振动法沉桩。

在桩基检测时也经常会遇到iii类(桩身有明显缺陷，影响桩身结构承载力)或iv类桩(桩身存在严重缺陷)等缺陷桩。对缺陷在上部的桩基常采取开挖处理，即先切除上部缺陷部分然后重新接钢筋支模浇筑混凝土进行加固处理。当缺陷较深时，通常采用在桩空心管中放入钢筋笼，灌注微膨胀混凝土进行加固，或重新确定桩位补加基桩。

但上述加固方法还存在以下不足：

若采用补桩法时，位置发生变化，会影响桩承台制作尺寸，不仅费用高，桩受力也不均匀。若采用高压射水法，应用范围较小，而且操作环境较差，如孤石过大、薄岩层硬度较大等状况下无法解决。

开挖方式处理缺陷桩工作量较大，在桩中放入钢筋笼，灌注微膨胀混凝土进行加固方法，对桩承载能力提高有限，甚至起不到加固作用。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种预制空心管桩的加固方法，能缓解上述技术问题中的至少一个。

本发明的目的之二在于提供一种组合桩基，该组合桩基的承载能力高。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，提供了一种预制空心管桩的加固方法，包括以下步骤：

(a)在孔内垂直沉入钢管、重力注浆管和至少两根压力注浆管，所述钢管沿所述孔的轴线布置，所述重力注浆管置于所述钢管内，至少两根所述压力注浆管沿所述钢管外周布置；

所述孔是在所述预制空心管桩内沿着桩身轴线钻孔得到的，所述孔的深度大于所述预制空心管桩的深度；所述钢管伸出所述预制空心管桩的部分的管壁上开设有孔洞；

(b)通过所述重力注浆管在所述钢管内注入浆料，直至浆料到达桩顶，并取出所述重力注浆管，待浆料初凝后，所述预制空心管桩内浆料和所述钢管形成封闭的整体；

(c)通过所述压力注浆管进行压力注浆，使注入的浆料冲破已初凝的浆料，挤压周围土体形成扩大头；

(d)压力注浆结束后进行压力保持，待压力注浆凝固后，切除桩顶多余的压力注浆管，将桩基础用混凝土浇筑形成承台。

进一步的，利用钻孔设备在所述预制空心管桩内沿着桩身轴线钻孔，并采用机械垂直清土，得到所述孔。

进一步的，所述孔的深度与所述预制空心管桩的深度之差不小于所述预制空心管桩外径的3倍；和/或，

所述孔的底部沉渣厚度不大于30mm。

进一步的，所述钢管采用多个钢管段通过焊接或套筒连接而成，所述钢管底部开放；

优选地，每个所述钢管段的长度为6-12m。

进一步的，所述钢管的中轴线与所述孔的中轴线重合。

进一步的，至少两根所述压力注浆管沿所述钢管外周均匀布置。

进一步的，所述浆料初凝过程包括：浆料静止4-6小时，优选静止5小时。

进一步的，所述压力注浆管采用多个注浆管段通过焊接或套筒连接而成，所述压力注浆管伸出所述预制空心管桩的注浆管段采用袖阀管。

第二方面，提供了一种组合桩基，包括预制空心管桩、钢管和注浆料；所述预制空心管桩内沿桩身轴向开设有孔，所述孔的深度大于所述预制空心管桩的深度；所述钢管沿所述孔的轴线布置，所述钢管伸出所述预制空心管桩的部分的管壁上开设有孔洞；所述钢管外周布置有至少两根注浆管；

所述钢管内、所述钢管外与所述孔之间的空间均充满所述注浆料，位于所述预制空心管桩下方的所述注浆料向周围土体延伸形成扩大头；

所述组合桩基的顶部浇筑有混凝土承台。

进一步的，所述孔的深度与所述预制空心管桩的深度之差不小于所述预制空心管桩外径的3倍；和/或，

所述孔的底部沉渣厚度不大于30mm；

优选地，所述钢管采用多个钢管段通过焊接或套筒连接而成，所述钢管底部开放；每个所述钢管段的长度为6-12m；

优选地，所述钢管的中轴线与所述孔的中轴线重合；

优选地，所述钢管外周均匀布置有至少两根注浆管；

优选地，所述注浆管采用多个注浆管段通过焊接或套筒连接而成，所述注浆管伸出所述预制空心管桩的注浆管段采用袖阀管。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的预制空心管桩的加固方法通过在预制空心管桩深度以下钢管壁上开孔，使重力注浆时浆液填充到钢管外的空隙，待浆料初凝后再利用压力注浆冲破已初凝的浆料，挤压周围土体形成扩大头，提高桩基底部的稳固性。同时压力注浆管设置至少两根，压力注浆后可以在多处形成扩大截面，受力性能好。注浆完成后预制空心管桩、钢管、压力注浆管及注浆料形成一个组合桩基，该组合桩基的承载力高，综合效益显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为预制空心管桩内钻孔后的状态图；

图2为钢管和注浆管入孔状态图；

图3为钢管桩外重力注浆完成状态图；

图4为压力注浆完成状态图；

图5为桩基承台浇筑完成状态图。

图标：1-预制空心管桩；2-孔；3-重力注浆管；4-钢管；5-压力注浆管；6-钢管内注浆料；7-钢管外注浆料；8-扩大头；9-承台。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

根据本发明的第一个方面，提供了一种预制空心管桩的加固方法，包括以下步骤：

(a)在预制空心管桩内沿着桩身轴线钻孔，钻孔后的结构如图1所示，使孔2的深度大于预制空心管桩1的深度；

(b)在孔2内垂直沉入钢管、重力注浆管和至少两根压力注浆管，如图2所示，钢管4沿孔2的轴线布置，重力注浆管3置于钢管4内，至少两根压力注浆管5沿钢管4外周布置；钢管4伸出预制空心管桩1的部分的管壁上开设有孔洞；

(c)通过重力注浆管3在钢管4内注入浆料，直至浆料到达桩顶，并取出重力注浆管3，待浆料初凝后，预制空心管桩1内浆料和钢管4形成封闭的整体，如图3所示，注浆料充满钢管内外的所有缝隙，即注浆料包括钢管内注浆料6和钢管外注浆料7；

(d)通过压力注浆管5进行压力注浆，如图4所示，使注入的浆料冲破已初凝的浆料，挤压周围土体形成扩大头8；

(e)压力注浆结束后进行压力保持，待压力注浆凝固后，切除桩顶多余的压力注浆管，将桩基础用混凝土浇筑形成承台，如图5所示，组合桩基的顶部浇筑有混凝土承台9。

步骤(d)中的冲破是指重力注浆结束后会在底部桩周(钢管外与孔壁间)形成较薄的浆料，浆料会凝固，压力注浆管也在这层浆料里面，压力注浆时的浆料需突破初凝的浆料，完成压力注浆，形成扩大头。

本发明通过在预制空心管桩深度以下钢管壁上开孔，使重力注浆时浆液填充到钢管外的空隙，待浆料初凝后再利用压力注浆冲破已初凝的浆料，挤压周围土体形成扩大头，提高桩基底部的稳固性。本发明加固桩基的方法能够缓解预制空心管桩沉桩深度不足等引起的承载力不足的缺陷，加固后原预制空心管桩、钢管及注浆料形成一个组合桩基，该组合桩基的承载力高，至少能够达到原设计桩基承载力，甚至提高更多，综合效益显著。

本发明钢管内外重力注浆完成后，钢管内、预制空心管桩与钢管间间隙均被浆料填充，浆料初凝硬化后能形成封闭整体，压力注浆时不会翻浆外溢，注浆效率高；此外，由于浆料包裹钢管，起到保护作用，钢管不易锈蚀，具有较好的耐久性。

在一些优选的实施方案中，步骤(a)，利用钻孔设备在预制空心管桩内沿着桩身轴线钻孔，并采用机械垂直清土，得到孔。

在预制空心管桩的孔内采用机械垂直清土，清土后桩孔的垂直度容易控制，后期成桩效果好。

在一些优选的实施方案中，孔的深度与预制空心管桩的深度之差不小于预制空心管桩外径的3倍；和/或，孔的底部沉渣厚度不大于30mm。

例如，预制空心管桩外径为600mm，孔的深度与预制空心管桩的深度之差不小于1800mm。例如，1900mm、2000mm、2100mm、2200mm、2300mm、2400mm或2500mm。

钻孔达到设计深度，孔底与预制空心管桩最底端的最小距离不宜小于3倍的空心预制管桩外径，同时孔底沉渣厚度不应超过30mm，加固效果更好。

在一些优选的实施方案中，钢管采用多个钢管段通过焊接或套筒连接而成，钢管底部开放；

优选地，每个钢管段的长度为6-12m，例如6m、7m、8m、9m、10m、11m或12m。

钢管优选采用长度为6-12m的钢管段之间通过焊接或套筒连接，且底部不封底，使利用的钢管使桩基达到很好的加固效果。

在一些优选的实施方案中，钢管的中轴线与孔的中轴线重合。

钢管在空心预制管内垂直居中放置，使钢管的加固作用更好。

在一些优选的实施方案中，至少两根压力注浆管沿钢管外周均匀布置。

压力注浆管沿钢管均匀分布，容易形成均匀的扩大头，与周围土体的固定效果更好。

在一些优选的实施方案中，浆料初凝过程包括：浆料静止4-6小时，优选静止5小时。

保证一定的初凝静止时间，有利于浆料的凝固。

在一些优选的实施方案中，压力注浆管采用多个注浆管段通过焊接或套筒连接而成，压力注浆管伸出预制空心管桩的注浆管段采用袖阀管。

压力注浆管在预制空心管桩底端以下部分采用袖阀管，袖阀管是一种只能向管外出浆，不能向管内返浆的单向闭合装置(带有单向阀门，只出不进)，使用袖阀管能避免重力注浆浆料进入压力注浆管内，能保证管内清洁，便于压力注浆施工。

在一些优选的实施方案中，钢管外壁距离孔内壁的距离在50-70mm，例如60mm。

假设预制管桩外径为600mm，壁厚为110mm，内径为380mm，钢管外壁至孔内壁为60mm，钢管最大直径为380-2×60＝260mm。假定注浆管直径为50mm，重力注浆后，由于注浆管在60厚的浆料中，最外侧出浆孔距离孔壁最大尺寸为60-50＝10mm，最小为0；极限情况，假设注浆孔与钢管紧贴，最内侧出浆孔冲破的壁厚即为钢管外浆料厚度为60mm。

预制空心管桩下部的浆料壁厚较小(钢管外的浆料厚度)，压力注浆时浆料容易冲破钢管外已初凝的重力注浆层，压力注浆易于完成。

一种典型但非限制性的预制空心管桩的加固方法，包括以下步骤：

(a)钻孔清土：利用钻孔设备在预制空心管桩内沿着桩身轴线钻孔清土，钻孔深度应超出预制空心管桩最底端，并要达到设计深度，孔底与预制空心管桩最底端的距离不小于3倍的空心预制管桩外径，同时孔底沉渣厚度不应超过30mm；

(b)制作钢管：钢管外径选用上，要求钢管外径与2-3倍注浆管直径之和小于预制空心管桩的内径，以便于注浆管和钢管能够同时沉入步骤(a)预先钻出的孔内；钢管每段长度6-12m，每段钢管之间通过焊接或套筒连接，且底部不封底；在预制空心管桩深度以下钢管壁上开孔，以便于后期重力注浆时浆液填充到钢管外的空隙；

(c)沉入钢管和注浆管：在预先钻出的孔内垂直沉入钢管、重力注浆管和压力注浆管，钢管在空心预制管内垂直居中放置，压力注浆管根数不少于2根，沿钢管桩周边均匀布置；

(d)重力注浆：通过重力注浆管，在钢管内注入浆料，直至浆料到达桩顶位置，并取出重力注浆管，钢管外的压力注浆管留在其中(因靠近底部钢管壁上开孔，浆体会充满钢管内外的所有缝隙)；

(e)浆料凝固：注浆后静止4-6小时，待浆料初凝，使预制空心管桩内浆料和钢管形成一个封闭的整体；

(f)压力注浆：通过压力注浆管进行压力注浆，因空心预制管桩下钢管外已初凝的浆料层厚度较小，在压力作用下，压力注浆料冲破已初凝的浆料，并挤压周围土体形成扩大头；

(g)压力保持：注浆结束后应进行压力保持，防止注浆管回浆；

(h)切割清理：待压力注浆凝固后，切除桩顶部多余的注浆管，清理桩周围杂物；

(i)浇筑混凝土承台：将桩基础用现浇混凝土整浇形成承台。

根据本发明的第二个方面，提供了一种组合桩基，如图5所示，包括预制空心管桩1、钢管4和注浆料；预制空心管桩1内沿桩身轴向开设有孔2，孔2的深度大于预制空心管桩1的深度；钢管4沿孔2的轴线布置，钢管4伸出预制空心管桩1的部分的管壁上开设有孔洞；钢管4外周布置有至少两根注浆管；钢管4内、钢管4外与孔2之间的空间均充满注浆料，位于预制空心管桩1下方的注浆料向周围土体延伸形成扩大头8；组合桩基的顶部浇筑有混凝土承台9。

本发明的组合桩基包括预制空心管桩、钢管和注浆料，同时位于预制空心管桩下方的注浆料向周围土体延伸形成了扩大头，因此桩基稳定性好，该组合桩基的承载力高，综合效益显著。

在一些优选的实施方案中，孔的深度与预制空心管桩的深度之差不小于预制空心管桩外径的3倍；和/或，孔的底部沉渣厚度不大于30mm；

在一些优选的实施方案中，钢管采用多个钢管段通过焊接或套筒连接而成，钢管底部开放；每个钢管段的长度为6-12m；

在一些优选的实施方案中，钢管的中轴线与所述孔的中轴线重合；

在一些优选的实施方案中，钢管外周均匀布置有至少两根注浆管；

在一些优选的实施方案中，注浆管采用多个注浆管段通过焊接或套筒连接而成，注浆管伸出预制空心管桩的注浆管段采用袖阀管。

对这些特征的描述与本发明第一方面中所对应的特征的描述相同。

实施例1

一种预制空心管桩的加固方法，其中预制空心管桩的型号规格为：phc600a110-7～15(phc代表管桩代号、600代表管桩外径、a代表管桩型号、110代表管桩壁厚、7～15代表管桩长度)，包括以下步骤：

(1)钻孔清土：利用钻孔设备在预制空心管桩内沿着桩身轴线钻孔清土，钻孔深度为(孔底与预制空心管桩最底端的距离不小于3倍的空心预制管桩外径)，孔底沉渣厚度为25mm；

(2)制作钢管：钢管规格为：钢管外径260mm，壁厚为3mm(要求钢管外径与2倍注浆管直径之和小于预制空心管桩的内径)，是由2段每段长度7.5m的钢管段通过焊接而成，底部不封底；预制空心管桩深度以下钢管壁上开孔，以便于后期重力注浆时浆液填充到钢管外的空隙；

(3)沉入钢管和注浆管：在预先钻出的孔内垂直沉入钢管、重力注浆管(规格：直径×壁厚：50×1.0)和压力注浆管(规格：直径×壁厚：50×1.0)，钢管在空心预制管内垂直居中放置，压力注浆管根数为2根，沿钢管桩周边均匀对称布置，压力注浆管伸出预制空心管桩的注浆管段采用袖阀管；

(4)重力注浆：通过重力注浆管，在钢管内注入浆料，直至浆料到达桩顶位置，并取出重力注浆管，钢管外的压力注浆管留在其中(因靠近底部钢管壁上开孔，浆体会充满钢管内外的所有缝隙)；

(5)浆料凝固：注浆后静止5小时，待浆料初凝，使预制空心管桩内浆料和钢管形成一个封闭的整体；

(6)压力注浆：通过压力注浆管进行压力注浆，在压力作用下，压力注浆料冲破已初凝的浆料，并挤压周围土体形成扩大头；

(7)压力保持：注浆结束后应进行压力保持，防止注浆管回浆；

(8)切割清理：待压力注浆凝固后，切除桩顶部多余的注浆管，清理桩周围杂物；

(9)浇筑混凝土承台：将桩基础用现浇混凝土整浇形成承台。

注浆完成后形成组合桩基包括预制空心管桩、钢管和注浆料，钢管外周布置有两根注浆管；钢管内、钢管外与孔之间的空间均充满注浆料，位于预制空心管桩下方的注浆料向周围土体延伸形成扩大头；组合桩基的顶部浇筑有混凝土承台。

对浇注后的组合桩基进行承载力测试，具体试验方法如下：

试验步骤：

1、安装加载设备，主要包括加荷稳压部分、提供反力部分以及沉降观测部分。采用安装在桩顶的油压千斤顶提供压力；

2、进行预加载，检测仪器设备是否工作正常；

3、分级等量加载，每级荷载按照预估极限承载能力的10％，取用100kn，每级荷载加载后维持1h，按5、10、15、30、45、60min测读桩顶沉降量，即可施加下一级荷载；对于最后一级荷载，加载后沉降测读方法及稳定标准按慢速荷载法执行；

4、分级卸载，卸载时每级荷载维持15min，测读时间为第5、15min，即可卸下一级荷载。卸载至零后应测读稳定的残余沉降量，维持时间为2h，测读时间为5、15、30min，以后每隔30min测读一次。

5、仪器设备拆除，恢复桩头。

测试方法：单桩静荷试验法

结果：加固后单桩竖向承载能力标准值是同型号、同长度ⅰ类、ⅱ类桩单桩竖向承载能力标准值的1.3倍左右，比上部开挖增加截面加固法的单桩竖向承载能力标准值的1.6倍左右。

比较例

以在桩内安放钢筋笼浇筑混凝土的方法进行比较，因此方法只增强了桩身的强度和刚度，其极限承载能力与ⅰ类、ⅱ类桩(无明显缺陷桩)相同。

假设，选用phc600a110，设计桩长为15m，打入9m后遇到孤石等无法锤入，采用本加固方法对下部6米桩长进行加固；同批ⅰ类桩，桩长同样为15米，进入持力层深度为3米。桩端头闭口形式。桩地质条件均相同，土层分布如表1所示：

表1

备注：第三列括弧内数据为桩深入土层的深度。

根据《建筑桩基技术规范》jgj94-2008规定：

1、同批ⅰ类桩，不需要加固桩：

quk＝qsk+qpk＝u∑liqsik+apqpk

其中，qsk、qpk—分别为总极限侧阻力标准值、极限端阻力标准值(kn)；

u、ap—桩的横断面周长(m)、桩端面积(m²)；

li—桩周各土层的厚度(m)；

qsik—桩周第i土层的单位极限侧阻力标准值(kpa)；

qpk—桩底土的单位极限端阻力标准值(kpa)；

quk—竖向极限承载力标准值(kn)。

quk＝qsk+qpk＝u∑liqsik+apqpk＝π×0.6(1.2×15+4.3×36+4×45+2.5×42+3.0×48)+900×π0.6²/4＝1133.79+254.34＝1388.13kn。

2、打入深度为9米预制管桩，在上部3米开挖并采用增加截面加固，上部增加截面直径同为0.78m：

quk＝qsk+qpk＝u∑liqsik+apqpk＝π×0.78(1.2×15+1.8×36)+π×0.6(2.5×36+3.5×45)+600×π(0.78²-0.6²)/4(本项次为上部加固部分增加截面)+900×π0.6²/4＝264.51+466.26+117.00+254.34＝1102.11kn。

3、当采用本法加固时：

由于底部6米位置形成扩大头，假定扩孔的直径比原有直径提高30％(由于加固后的表面积不平整，实际增加接触面积高于本设定尺寸)，即为d1＝600×130％＝780mm＝0.78m，加固后并形成闭口桩。quk＝qsk+qpk＝u∑liqsik+apqpk＝π×0.6(1.2×15+4.3×36+3.5×45)+π×0.78(0.5×45+2.5×42+3×48)+900×π0.78²/4＝622.29+664.96+429.83＝1717.08kn。

通过上述计算，本加固方法比同批不需要加固的桩极限承载能力提高(1717.08-1388.13)/1388.13＝28.3％；

本加固方法比在上部加固的桩极限承载能力提高(1717.08-1102.11)/1102.113＝55.8％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。