专利名称：静压置换地基处理法及其多用途压管的制作方法
技术领域：
本发明属于建设工程领域地基处理的一种方法，特别涉及一种利用静压力挤密或排开土体后填充置换适当的填充材料并压实的地基处理方法及其多用途压管，其特征在于所采用的多用途压管综合了成孔、填料、压实、排水、接管、定向等一种或多种功能，以静压力或拔力为动力，将压管挤密或排开预定深度的地基土后填充置换适当的填充材料并压实，在施工时，首先，压入压管至预定深度，接着，适当提升压管并打开压管底部的送料口使填充料进入压管下方，然后，关闭压管底部的送料口，在该预定深度一定范围内反复进行压挤、提升、填料的操作，直至达到要求的静压载荷、沉降速率或填料数量后，再提升压管至下一位置，重复上述操作直至拔出压管。本发明的地基处理方法可大幅度地提高软弱下卧土层和特定位置土层的密实度，改善散体材料及其复合地基的受力性能，提高地基承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降，并可根据不同要求设计成浅基础、复合地基或桩基，以及用于道路路基、基坑支护、地基加固、结构纠偏等。
背景技术：
由于地质条件的复杂性、地基处理要求的针对性、以及场地所属地域自然条件的多样性和社会条件的特定性，近半个世纪以来，在技术进步和社会需求的推动下，地基处理的方法不断推陈出新，百花齐放，争奇斗艳。
总的来说，在现有的地基处理方法所采用的各种夯(包括强夯、强夯置换、夯扩桩等)、打(包括各种锤击、重锤夯实等)、振(包括振动水冲、干振、振冲、平板振动等)、搅(包括各种切割地基土的钻孔、强制搅拌、喷射搅拌等)、喷(包括高压喷射注浆、树根桩等)等施工工艺中，机具或材料都是以一定的速度或加速度作用于地基土或其他对象上的，这些“动”的方法各有特色，也各有其特定的应用条件和范围，相对这些“动”的方法，还有一些“静”的方法，包括大面积压实的换土垫层、机械碾压、各种排水固结预压法等，以及各种低压灌浆法、土工合成材料法、热加固法、冻结法等等，上述这些“动”和“静”的方法大多数与本发明的地基处理方法有很大的差异，甚至所使用的施工机具都与本发明的方法截然不同，恕不一一讨论，下面，仅与以下一些有共同点的技术作些比较1、与静压桩的比较。本发明可使用与静压桩相同的静力压拔桩机、锚杆静压千斤顶或类似设备，但压入的不是预制混凝土桩或钢管桩，而是一种综合了成孔、填料、压实、排水、接管、定向等一种或多种功能的多用途压管，关键是该压管是作为一个施工机具要反复使用。
2、与挤扩多分支承力盘桩、以及各种挤扩机、扩展器所形成的扩底桩的比较。用本发明的地基处理方法设计制作刚性、半刚性或柔性基桩，可以形成桩底和桩身各部位的扩大头，但不是使用挤扩成型器，而是用压管反复压挤、提升、填料的作用形成的，压管本身不配备压挤动力装置，其对土体、填料的静压力来自静力压桩机等外力。
3、与各种沉管灌注桩的比较。通过大量的资料查询和文献检索，包括《建筑施工手册》(中国建筑工业出版社)第四版缩印本第435-436页介绍的套管夯扩灌注桩(又称夯压成型灌注桩、夯扩桩)、中国专利“静压沉管扩头灌注桩的成型方法和设备”(申请号为88107179.X)、中国专利“静压沉管投料注浆桩的施工工艺”(申请号为98101379.1)等等，可以看出区别之一是各种沉管灌注桩都只是在桩底部形成一个类球形扩大头，增加桩体的端承力，仅对桩底部地基土进行了挤压密实就灌注混凝土，没有对地基土另外置换适当的散体材料，对软弱土层的改造能力有限，本发明则通过在预定深度一定范围内反复进行的压挤、提升、填料等操作，将原地基土置换为适当的散体材料，不仅增大了桩端支撑面积，更重要的是有目的、有针对性地打造出由地基土和散体材料共同作用的复合地基，改善了原持力层地基的性能，提高了持力层的承载能力；区别之二是各种沉管灌注桩在外套管内灌注混凝土，即使采用复打或复压工艺，对桩身地基土的压挤作用也很小，而本发明的方法及其多用途压管却可以有选择地对桩身部位的地基土进行压扩，形成多分支承力的扩大头，即不仅在桩端有扩大头，在桩身的适当部位也可以有扩大头；区别之三是对于地下水，各种沉管灌注桩都是用桩靴、干硬性混凝土等方法来堵，而本发明的方法是主动疏导排水；区别之四是受到工艺条件的制约，各种沉管灌注桩技术迄今未见任何文献资料上有沉管接管的相关报道，限制了沉管灌注桩的桩长，而本发明的方法及其多用途压管却可以使其采用适当的工艺进行接管，由此增大了桩长和地基处理的深度，可获得更大的单桩承载力。
4、与复合载体夯扩桩的区别。国家行业标准《复合载体夯扩桩设计规程》(JGJ/T 135-2001)中的复合载体夯扩桩用包括砖块、建筑硬垃圾在内的夯实填充料对地基土进行了置换，但其采用了重锤夯实施工工艺，存在着夯实能量小则挤密作用小、而夯实能量大则振动噪声环境污染大的矛盾，而本发明所采用的静压工艺则避免了振动和噪声环境污染。
5、与申请号为97114230.0的中国专利“静压扩底桩的施工方法”的比较。两者在静力压土、管内填料、置换散体材料、形成底部扩大头、改造持力层等方面均有相似之处，不同之处在于第一，“静压扩底桩的施工方法”采用的压土设备为成孔推进器，成孔油缸位于推进器内部，而本发明的方法压管本身不配备压挤动力装置，其对土体、填料的静压力来自静力压桩机等外力；第二，“静压扩底桩的施工方法”靠成孔推进器内部的液压冲头压土，提升液压冲头时从外部投料至液压冲头下部，冲压一次就需要从外部再投料一次，而本发明的方法是将一定数量的散体材料放置在压管内，压管底部有可控制开闭的送料口，根据需要随时打开投料，压管内储存的填料不足时才需要从外部补充；第三，“静压扩底桩的施工方法”中用于置换地基土的散体材料仅限于花尾石，而本发明的方法从理论上不仅适用于所有目前复合地基中所使用的散体材料，而且适用于垃圾焚烧处理后的废渣；第四，“静压扩底桩的施工方法”对下部持力层的改造能力受到了施工机具所能提供静压能力的限制，没有考虑对压土时产生的孔隙水和原有地下水向外排水加速固结，而且在工艺上还需要使用粘土来隔水、堵漏更加劣化了排水的边界条件，而本发明的方法从设备能力、处理深度等方面均有较大突破，其多用途压管还具有排水功能。
通过上述比较，清楚地表明静压置换地基处理法及其多用途压管以其独特的工具和全新的工艺为社会和广大工程技术人员进行地基处理又增加了一种选择。
发明内容
本发明的最大创新在于发明中的一种多用途压管，压管综合了成孔、填料、压实、排水、接管、定向等一种或多种功能，其特征功能是1、成孔。压管采用钢材制造，具有很大的硬度、强度和刚度，压管底部还可针对不同地质状况或特殊用途增设不同类型的桩靴，可直接利用静力压拔桩机或类似设备提供的静压力将地基土排开、挤密、成孔。
2、填料。压管下部设置可控制开闭的送料口，在需要送料时和需要闭合时都能迅速、确切地完成，提高了工作效率，并且保证了工程质量。
3、压实。通常的活瓣送料口往往是送料管的薄弱部位，强度、刚度低，特别是在采用复打、反插工艺时容易损坏，而本发明的方法要将下部土体和填料排开、挤密、压实，压管底部包括上料口都能够承受足够的压力。
4、排水。土体在瞬间承受过大压力时，若排水条件不好，则超孔隙水压力不能迅速消散，也就达不到固结密实的效果，另外，若地基土含水量过大，或有地下水也会对施工造成不利影响，本发明在压管侧面设置了排水口和排水带，上部连接抽水排气设备，可以改善压挤部位排水的边界条件，加速了地基土及填料的固结过程。
5、接管。本发明因其采用的工艺特点及其多用途压管的简洁构造可以使其选择适当的方式对压管进行方便地接管，由此增大了桩长和地基处理的深度，可获得更大的单桩承载力。
6、定向。挤土是一把双刃剑，一方面提高土体的密实度，另一方面又会造成土体扰动，甚至出现地基土隆起，影响周围建筑和环境，为了趋利避害，在挤密、压实需要密实的地基土的同时又能避免不需要密实的地基土少受影响，本发明的方法及其多用途压管考虑这一因素，可根据需要在压管下部连接一段截面开口管，则可由截面开口的方向来调节土体或填料受压后在水平方向挤土移动的方向。
本发明的方法是所采用的多用途压管综合了成孔、填料、压实、排水、接管、定向等一种或多种功能，以静压力或拔力为动力，将压管挤密或排开预定深度的地基土后填充置换适当的填充材料并压实，在施工时，首先，压入压管至预定深度，接着，适当提升压管并打开压管底部的送料口使填充料进入压管下方，然后，关闭压管底部的送料口，在该预定深度一定范围内反复进行压挤、提升、填料的操作，直至达到要求的静压载荷、沉降速率或填料数量后，再提升压管至下一位置，重复上述操作直至拔出压管。
本发明的典型施工工艺见图1，说明如下1、压管(1)及静压拔设备就位。
2、压入压管至预定深度。
3、适当提升压管并打开压管底部的送料口使填充料(2)进入压管下方。
4、关闭压管底部的送料口，重新压入压管至预定深度。
5、再次提升压管送料。
6、在该预定深度一定范围内反复进行压挤、提升、填料的操作，直至达到要求的静压载荷、沉降速率或填料数量，并形成端部扩大头(3)。
7、提升压管至下一位置，重复上述操作，压扩置换桩侧地基土，在该预定深度一定范围内反复进行压挤、提升、填料的操作，直至达到要求的静压载荷、沉降速率或填料数量，并形成桩侧扩大头(4)。
8、提升压管至下一位置，重复上述操作，直至拔出压管。
压管的截面构造见图2，说明如下压管以空心钢管为主体，作为中心管(16)，可加肋增加刚度；压管下部侧面为排水外套管(15)，管壁有排水孔，并填充透水材料，中心管与排水外套管之间填充排水芯板或其他透水、滤水材料，通过抽水、抽气管连接抽水设备进行排水；送料控制装置安装在压管下部保护套管内，由保护套管上、下盖板将保护套管固定；送料控制装置包括电机、减速器、控制器(25)等，带动旋转开关板(18)，工作时每次旋转一定角度，完成送料口的开、闭操作。
送料口开闭示意见图3，说明如下压管底部自下而上依次为承压板(27)、旋转开关板(18)和保护套管下盖板(26)，开有以圆心为中心对称、等角度且保持一定距离的孔洞，本例中三块板上分别开有三个圆孔，其中承压板和保护套管下盖板固定并保持开口圆孔上下贯通、重合，当旋转开关板在电机的带动下转动到与承压板和保护套管下盖板的开口圆孔上下贯通、重合位置时，送料口打开；继续转动60度或60度的整数倍数角度时，送料口关闭。
压管连接示意见图4，说明如下可首先将连接内管(34)和连接外管(35)由下连接螺栓(33)固定在中心管上，接着插入续接中心管(31)，然后转动续接中心管校正角度使其与连接内、外管三管预留的螺栓孔重合，最后固定上连接螺栓(32)，螺栓的位置、数量、直径等需满足强度、刚度和密闭要求。此外，还可以采用焊接等其他连接方式。
定向开口套管见图5，说明如下特殊需要时安装，定向开口套管(41)焊接在承压板(27)上，设置加劲肋(42)增加其刚度，地基土或填料受压后优先向开口方向移动。
附图编号说明如下1、压管2、填充料3、端部扩大头4、桩侧扩大头11、接抽水、抽气设备12、抽水、抽气管13、排水套管盖板14、排水芯板
15、排水外套管16、中心管17、送料控制装置保护套管18、旋转开关板21、接电源、控制器22、电源、信号线套管23、加劲肋24、保护套管上盖板25、电机、减速器、控制器等26、保护套管下盖板27、承压板31、续接中心管32、上连接螺栓33、下连接螺栓34、连接内管35、连接外管41、定向开口套管42、加劲肋具体实施方式
实施例1(浅基础)某建筑地基设计采用浅基础，原有地基承载力与沉降均不满足要求，经分析场地密实度均较低的杂填土和欠固结软粘土是引起本工程承载力和沉降不满足要求的主要原因，于是采用本发明的方法进行加固处理，将表层土压入下部土层，通过预压增加密实度，加速土体固结，施工机械采用静力压桩机，施工从场地一侧开始，边压土边退场，为了减轻挤土效应，避免周围土体的隆起，压挤场地边缘的地基土时采用带有定向开口套管的压管，定向开口套管的开口方向朝向场地，最终经勘察场地满足设计要求，并且由于表层地基土一部分被压入下层地基土，减少了挖土和弃土外运。
实施例2(复合地基)某建筑地基设计采用复合地基，可采用本发明的方法进行加固处理，荷载部分由土体承担，部分由柔性、半刚性或刚性的桩来承担。方案一是首先选用垃圾焚烧处理后的废渣对深处某一淤泥质软弱下卧层地基土进行静压置换，并形成一个压实填充料端部扩大头(因为复合地基加固区的存在使地基中附加应力影响范围下移，深层地基土中附加应力增大，所以将软弱下卧层改造成一个较好的持力层，可以减少复合地基的沉降)，接着不断提升压管并反复填料、压实，形成一个个桩侧扩大头，这些桩侧扩大头相当于柔性桩承受垂直荷载后产生的压胀区(由于垃圾桩本身粘结强度较低，同碎石桩类似都属于柔性桩，其破坏形式一般不会发生刺入破坏或剪切破坏，而是倾向于发生鼓出破坏，现有的设计理论也都是以上部发生鼓出破坏形式为基础的，此外，在软弱土层部位也会发生鼓出破坏，从某种程度上来说，这些柔性、半刚性的散体材料桩的破坏取决于桩周围土体的约束，如果桩长较长，荷载传不到桩的下部而复合地基就已由于沉降过大而失效)，应用本发明的方法制作的柔性、半刚性桩对桩侧软弱土体的挤密以及提前形成压胀区，则可以将荷载向桩的下部更深处传递，从而获得更好的加固效果。方案二是采用本发明的方法以水泥土为静压置换的填充材料，较其他的成桩方法，可获得更大的桩体刚度和单桩承载力。方案三是水泥、粉煤灰、碎石(CFG)为静压置换的填充材料，较其他的成桩方法，使CFG桩破天荒地具有了桩端和桩侧扩大头。方案四是多种填充料的综合应用。例如，改造软弱、疏松、欠固结土层用垃圾废渣，桩端扩大头用水泥土，桩身用CFG等等。
实施例3(桩基础)某工程采用桩基，可采用本发明的方法，首先对软弱土层进行改造，接着可用建筑垃圾或其他填充料形成压实填充料桩端扩大头，然后将填料换成混凝土，形成混凝土桩端扩大头，进而提升压管，浇灌混凝土，并可在较好的持力层处反复进行填料、压挤、提升的操作形成桩侧扩大头，最后拔出压管，插入钢筋笼。
实施例4(定点定向压实)某一供水管道埋深5米，管道基础为600毫米厚三七灰土垫层兼做防水层，其下部为10米厚自重湿陷性黄土，由于表层碾压不能消除地基湿陷性，存在安全隐患，且工程完工一年后发现管道有漏水、沉降的迹象。可采用本发明的方法进行加固处理在管道两侧或单侧，首先压入带有定向开口套管的压管至6米深，定向开口套管的开口方向与管道方向相反，接着将定向开口套管的开口方向转动180度，使其定向开口套管的开口方向朝向管道方向，再压入压管至湿陷性土层底部(大约14米深)，然后在该深度范围反复进行提升、填料、压挤，达到设计要求的填料数量(或压挤载荷、沉降速率)后，适当提升压管，重复上述操作至压管提升至6米深，将定向开口套管的开口方向转动180度，使其定向开口套管的开口方向与管道方向相反，继续填入并压实填充料，直至拔出压管，最终通过挤密增加土体密实度消除湿陷性。所选静压置换填充的材料可以是建筑垃圾、碎石、沙、土、粉煤灰、水泥等。
实施例5(道路路基)铁路、公路和线路管线基础的施工中，常用的方法中，碾压的缺点是压实小而且经表层迅速扩散，仅限于浅层处理，夯实的缺点是存在着夯实能量小则挤密作用小、而夯实能量大则振动噪声环境污染大的矛盾，采用本发明的方法既可用于处理深层土，置换形成复合地基；又可用于处理表层土，具有压实能量集中、影响深度大、机械化程度高、可同时进行排水置换等优点。
实施例6(基坑支护)采用本发明的方法用于基坑支护有以下实施思路一是置换密实地基土，开挖中提高边坡的稳定性；二是制作水泥土桩，作为止水帷幕或重力式围护结构；三是制作混凝土或其他高强度桩，作为悬臂式围护结构。无论是重力式围护结构还是悬臂式围护结构，其底部扩大头都提高了桩体的抗拔能力。
实施例7(建筑物纠偏)某一建筑物地基发生不均匀沉降，可采用本发明静压置换地基处理法及其多用途压管，方案一是在建筑物沉降较大一侧的外侧，利用静力压拔桩机；方案二是在建筑物沉降较大一侧的室内，利用锚杆静压千斤顶，将填充料反复挤入原地基土中，从而提高沉降较大一测土体的承载能力，达到地基加固、结构纠偏的目的。
权利要求
1.一种静压沉管挤密置换的地基处理方法及其多用途压管，其特征在于所采用的多用途压管综合了成孔、填料、压实、排水、接管、定向等一种或多种功能，以静压力或拔力为动力，将压管挤密或排开预定深度的地基土后填充置换适当的填充材料并压实，在施工时，首先，压入压管至预定深度，接着，适当提升压管并打开压管底部的送料口使填充料进入压管下方，然后，关闭压管底部的送料口，在该预定深度一定范围内反复进行压挤、提升、填料的操作，直至达到要求的静压载荷、沉降速率或填料数量后，再提升压管至下一位置，重复上述操作直至拔出压管。
2.如权利要求1所述的一种静压沉管挤密置换的地基处理方法及其多用途压管，其特征在于压管底部设有可开闭的送料口，打开时填料，闭合时承压。
3.如权利要求1所述的一种静压沉管挤密置换的地基处理方法及其多用途压管，其特征在于压管设有排水带，连接抽水、抽气设备，可根据需要在压挤、填料操作的同时及时将地下水或土中孔隙水排出，加速地基土固结。
4.如权利要求1所述的一种静压沉管挤密置换的地基处理方法及其多用途压管，其特征在于可以采用适当的方式对压管进行接管，由此可使地基处理的深度进一步增大。
5.如权利要求1所述的一种静压沉管挤密置换的地基处理方法及其多用途压管，其特征在于可根据需要在压管下部连接一段截面开口管，则可由截面开口的方向来调节土体或填料受压后在水平方向挤土移动的方向。
全文摘要
本发明公开了一种建设工程领域地基处理的方法，特别涉及一种利用静压力挤密或排开土体后填充置换适当的填充材料并压实的地基处理方法及其多用途压管，其特征在于所采用的多用途压管综合了成孔、填料、压实、排水、接管、定向等一种或多种功能，以静压力或拔力为动力，将压管挤密或排开预定深度的地基土后填充置换适当的填充材料并压实，在施工时，首先，压入压管至预定深度，接着，适当提升压管并打开压管底部的送料口使填充料进入压管下方，然后，关闭压管底部的送料口，在该预定深度一定范围内反复进行压挤、提升、填料的操作，直至达到要求的静压载荷、沉降速率或填料数量后，再提升压管至下一位置，重复上述操作直至拔出压管。本发明的地基处理方法可大幅度地提高软弱下卧土层和特定位置土层的密实度，改善散体材料及其复合地基的受力性能，提高地基承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降，并可根据不同要求设计成浅基础、复合地基或桩基，以及用于道路路基、基坑支护、地基加固、结构纠偏等。
文档编号E02D5/46GK1827924SQ20061000914
公开日2006年9月6日 申请日期2006年2月14日 优先权日2006年2月14日
发明者薛江炜 申请人:薛江炜