一种岩溶地基变刚度子母桩及其施工方法与流程

本发明属于桩基技术领域，特别涉及一种岩溶地基变刚度子母桩及其施工方法。

背景技术：

岩溶又称喀斯特，是指可溶性岩石在地表径流和地下水流的溶蚀和机械破坏作用下形成的一种地貌。岩溶在我国各省均有分布，按含可溶岩的地层分布面积计算，可达3.444×10⁶平方公里，占国土面积的1/3，岩溶形态各异，岩面起伏，顶板稳定性差，岩溶水的动态变化等特点是影响岩溶地区桩基稳定、工程质量及安全使用的重要因素。桩基施工时溶洞处理方案的不合理容易导致施工困难、成桩质量的缺陷，从而引起桩基失效、桩位移位垮塌等事故，因此，在岩溶地区桩基穿越溶洞时，充分了解溶洞对桩基的影响，并针对具体工程溶洞处理提出合理方案往往是施工的难点与重点。

岩溶地区溶洞对桩基的影响主要体现在如下几个方面：

1.塌孔

造成塌孔的原因主要有：泥浆护壁失效和孔内水位负压。当溶洞的连通性比较强或覆盖层呈流塑性时，孔内浆液易流失，造成孔内液面高度降低，孔内外出现压力差，泥浆护壁失效，导致塌孔。以及当地下水位高于孔内水位，孔内水位产生负压，孔壁剥落，引起塌孔。

2.钻孔偏斜

造成钻孔偏斜的原因主要有：岩层风化程度不均和溶洞壁两侧软硬不均、岩溶地区岩层条件复杂，风化程度不同，造成其软硬不均，当冲锤冲到此处时，两边进尺速度不一造成钻孔偏斜。此外，钻孔过程中，遇到充满填充物的溶洞，孔内泥浆不发生流失，施工人员很难发现溶洞的存在，而桩孔通过溶洞壁时，由于溶洞壁两侧软硬不均，导致钻孔偏斜。

3.漏浆

造成漏浆的原因主要有：裂隙透水和溶洞不完全填充。岩溶地区地质条件复杂，地下水较丰富，当桩孔遇到有地下水流动的地层时，容易发生裂隙透水而导致漏浆。施工时，当钻孔打破溶洞顶板与溶洞相连，溶洞内无填充或半填充时，会产生大量漏浆。

4.卡钻

造成卡钻的原因主要有：冲程选择不合理、石块坠落及孔壁不规则。若在钻进到离溶洞顶板很近时仍采用高冲程冲击，钻头在冲破溶洞顶板岩石之后，容易卡在溶洞顶板岩石的不同部位、或者在钻孔过程中遇到松动石块坠落于孔壁之间；以及钻进过程中将孔壁冲破时，由于钻头的抖动导致钻孔形状不规则，也会发生卡钻。

5.桩基失效

造成桩基失效的原因主要有：溶洞岩面起伏和岩溶水动态变化。当桩基下存在溶洞或溶洞处理不完全时，由于溶洞岩面起伏，其上覆土层压缩性不均，导致桩基不均匀沉降，严重者导致桩基失效。同时，岩溶水的动态变化会对溶洞岩体以及桩身发生侵蚀，影响桩基使用效果。

对于上述问题，目前主要的处理方法有压力注浆法、回填法和钢护筒跟进法。

注浆法：当溶洞岩体破碎、裂隙发育，且溶洞内有流塑状填充物，可采用注浆法。

回填法：当溶洞壁较完整，连通性较差，地下水流较小，且溶洞内无填充或者半填充，以及要求工期较短，可采用回填法。

钢护筒跟进法：当溶洞易发生漏浆，与周边溶洞连通，顶板覆盖层性质较差，或者为防止钻孔偏斜等，均可采用钢护筒跟进法。

尽管有上述应对措施，岩溶地基桩基施工仍然是事故频发，混凝土灌注量严重超过预算的事情还是经常发生。此外钢护筒跟进深度过大，常导致钢护筒无法拔出。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种施工简单、无需泥浆护壁、原岩土强度可利用、成本低的岩溶地基变刚度子母桩及其施工方法。

本发明采用的技术方案是：

一种岩溶地基变刚度子母桩，包括若干树根桩、土工格栅笼及固化土母桩；所述树根桩和土工格栅笼设置在固化土母桩内，固化土母桩置于岩溶地基的上覆软土层中，树根桩的上部位于土工格栅笼内，树根桩的轴线平行于土工格栅笼的轴线。

上述的岩溶地基变刚度子母桩中，所述的树根桩底部穿出固化土母桩，嵌入到岩溶地基的基岩持力层中；固化土母桩位于土工格栅笼外的部分为固化土；固化土母桩位于土工格栅笼内的部分的上部为素混凝土，下部为固化土，素混凝土厚1.0m。

上述的岩溶地基变刚度子母桩中，所述的固化土母桩为圆柱形，直径大于1.0m；固化土母桩为潜孔冲击高压旋喷桩、高压旋喷桩或水泥土搅拌桩。

上述的岩溶地基变刚度子母桩中，土工格栅笼为圆筒结构，土工格栅笼的直径大于0.8m，长度介于2.0m~岩溶地基上覆软土层厚度之间；土工格栅笼采用土工格栅卷成一层或多层圆筒状格栅笼，然后用镀锌铁丝绑扎固定而成。

上述的岩溶地基变刚度子母桩中，树根桩为圆柱形，树根桩的直径为150-400mm。

一种上述的岩溶地基变刚度子母桩的施工方法，包括如下步骤：

1）挖土至设计标高；

2）采用高压旋喷桩或水泥土搅拌桩对岩溶地基上覆软土层进行加固处理；形成固化土母桩；

3）在固化土母桩初凝固化前，通过压入或振动沉入土工格栅笼；

4）采用钻机在土工格栅笼内树根桩的设计位置钻孔，钻孔穿越岩溶地基的岩体或岩体溶洞进入桩基持力层；

5）在钻孔内下放安装有注浆管的钢筋笼，然后将钻孔内填满碎石后开始注浆，直至桩顶出现冒浆后停止注浆；

6）重复步骤2）-5），直至所有桩基施工完毕；

7）挖除所有土工格栅笼内上部1m厚度固化土，填入素混凝土，振捣密实并抹平。

上述的岩溶地基变刚度子母桩的施工方法中，步骤4）中，在钻进过程中遇到溶洞时，停止钻进，在钻孔内填入塌落度小于30mm的干硬性混凝土，用小于钻孔孔径的柱锤在孔内夯击，将混凝土挤入周围溶洞中，所填入的混凝土量需足够，以保证钻孔不再与溶洞相连通；然后继续钻进至设计标高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明先对基岩上覆软弱地基进行加固处理，以提高原有土体强度，使得后续钻进难度降低，可干钻，无需泥浆护壁，减少了泥浆外运及后续处理的麻烦。

2、本发明固化土母桩位于土工格栅笼内的部分的上部1m采用混凝土结构，如同厚度达1m的混凝土桌板，树根桩的作用如同桌脚，桌面受到的荷载通过桌脚和桌脚之间的固化土向下传递给基岩持力层，树根桩与固化土母桩组成复合桩，复合桩的桩身的抗压强度较高；土工格栅笼内部充填物主要为固化土，与全部采用商品混凝土相比，降低了本发明的造价。

3、本发明的树根桩直径小，使用小型钻机即可施工，施工简单方便。在遇到溶洞且面对同样问题时，处理难度大大降低，降低了本发明的成本。

4、本发明在施工时不破坏原有岩层结构，充分利用了原有基岩强度，施工产生的渣土很少，减少了渣土外运处理费用，降低了本发明的成本。

5、本发明施工的桩体刚度自上而下依次减小，这与桩身受力时的轴向应力分布规律一致，受力合理，桩身结构的材料强度得以充分发挥和利用。

6、本发明母桩桩径、树根桩的数量、直径和平面布置位置可根据荷载情况任意变化，无论上部结构传递荷载多大，均可实行一柱一桩，降低了桩基承台的费用，进而降低了本发明的成本。

7、本发明中母桩的土工格栅笼和树根桩的钢筋笼重量轻，下放时无需专门吊装设备；采用先填石后注浆模式，施工简单。

8、当钻孔遇到的溶洞高度较大时，在钻孔中填入足量干硬性混凝土再用柱锤夯击成孔后不会产生塌孔现象；

9、本发明单桩承载力高，设计时可按复合桩的承载力计算结果加以考虑，并采用载荷试验成果进行校核。

10、本发明母桩中的树根桩刚度大，承受荷载后固化土与树根桩产生协同变形产生的压缩量较小，故引起的侧向位移不大，土工格栅笼受力有限，不会发生拉断的情况。

11、作为复合桩，树根桩的强度得以充分发挥，故设计时树根桩承受的荷载可按其极限承载力的80-90%加以考虑，而固化土承受的荷载可按其极限抗压强度的一半加以考虑。

总之，与现有技术相比，本发明具有设计施工简单，用材少，费用低等特点，完全可替代目前常用的嵌岩灌注桩。

附图说明

图1是本发明的岩溶地基变刚度子母桩的剖视图。

图2是本发明的岩溶地基变刚度子母桩俯视图。

图中：1—树根桩；2—土工格栅笼；3—上覆软土层；4—素混凝土；5—固化土母桩；6—基岩岩层；7—溶洞；8—纺锤形突出体；9—干硬性混凝土。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1-2所示，本发明的岩溶地基变刚度子母桩，包括五个树根桩1、土工格栅笼2及固化土母桩5；所述树根桩1和土工格栅笼2设置在固化土母桩5内，固化土母桩5置于岩溶地基的上覆软土层3中，五个树根桩1位于土工格栅笼2内，树根桩1的轴线平行于土工格栅笼2的轴线。

所述的树根桩1底部穿出固化土母桩5。树根桩1为圆柱形，树根桩1为钻孔后下放带有注浆管的钢筋笼，填入碎石再注浆而成，树根桩1的直径为150-400mm，注浆选择水泥浆或水泥砂浆，注浆后在溶洞中形成纺锤形突出体8。

所述的固化土母桩5为圆柱形，直径大于1.0m；固化土母桩采用的是高压旋喷桩或水泥土搅拌桩。固化土母桩5位于土工格栅笼外的部分为固化土；固化土母桩5位于土工格栅笼2内的部分的上部为素混凝土4，下部为固化土，素混凝土4厚1.0m。

所述的土工格栅笼2的圆筒结构，土工格栅笼2的直径大于0.8m，土工格栅笼2采用土工格栅卷成一层或多层圆筒状格栅笼，然后用镀锌铁丝绑扎固定而成。

本发明的岩溶地基变刚度子母桩的施工方法，包括如下步骤：

1）挖土至设计标高，平整场地，当场地土层较软时，采用预拌固化土对场地表面做硬化处理。

2）根据设备条件，采用高压旋喷桩或水泥土搅拌桩对岩溶地基上覆软土层3进行加固处理，形成固化土母桩5。

3）在固化土母桩5初凝固化前，通过压入或振动沉入圆形土工格栅笼2至基岩层6顶面以上某一深度。

4）采用小型钻机在土工格栅笼内树根桩1的设计位置钻孔，使得钻孔穿越岩体或岩体溶洞进入桩基持力层；在钻进过程中如遇到溶洞7时，停止钻进，在钻孔内填入塌落度小于30mm的干硬性混凝土，用略小于钻孔孔径的柱锤在孔内夯击，将混凝土9挤入周围溶洞7；所填入的混凝土量需足够，以保证钻孔不再与溶洞相连通；继续钻进至设计标高。

5）在钻孔内下放安装有注浆管的钢筋笼，然后将钻孔内填满碎石后开始注浆，直至桩顶出现冒浆后停止注浆；

6）重复步骤2）-5），直至所有桩基施工完毕。

7）挖除所有土工格栅笼内上端1m厚度固化土5，填入素混凝土4振捣密实并抹平，树根桩1的钢筋露出素混凝土4上端面，用于与上部结构柱或承台中的主筋相连接。