专利名称：内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩及施工方法
技术领域：
本发明涉及一种内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩及施工方法，可加速软土排水固结、减弱邻桩打设时桩间挤土效应、防止现浇混凝土桩出现断桩病害。属于地基工程领域，适宜于软土地区公路、市政、机场及堤坝等工程的地基处理。
背景技术：
我国软土地基种类繁多、分布广泛，普遍具有含水率高、压缩性大、强度低、透水性差等特点。建造在软土地基上的建筑物常出现总沉降量过大、差异沉降明显、后期沉降量超标、承载能力不足等问题，影响建筑物的正常使用性能和安全性能。对此，为提高软土地基的承载能力，国内外涌现出了大量的软基处理技术，如排水固结法、复合地基加固方法、换填等。排水固结法是先在地基中设置纵向排水体(砂井、袋装砂井、塑料排水板等)和横向排水体(碎石盲沟、排水垫层等)，然后施加预压荷载，使土体中的孔隙水通过纵横向排水体系排出，土体逐渐固结，地基强度逐步提高。排水固结法的地基处理费用较低，目前已被广泛应用于大面积软土地基处理中。复合地基加固方法起源于20世纪60年代，由于能显著改善地基的承载力，减小地基沉降，并有效抑制地基土体侧向变形这一特点而成为一种比较理想的软土地基处理方式，在世界范围内都得到广泛应用。现浇混凝土薄壁管桩是一种吸收了预应力管桩、振动沉管桩和振动沉模薄壁防渗墙等技术的优点的复合地基加固方法。与其他桩型相比具有能明显提闻路基承载力；粧表面积大，单方混凝土承载力闻，可大量节省混凝土，减低造价；施工速度较快，成桩质量稳定；施工工艺简单，质量控制容易，检测方便等。目前，该技术也已成功应用于高速公路、高速铁路等大面积软基处理工程中。尽管排水固结法及现浇混凝土薄壁管桩均具有较强的应用价值，但在实际工程中，这些处理方法均表现出了一些不足排水固结法的施工时间较长，加固完成后地基的整体强度提升幅度有限，后期变形量较大；现浇混凝土薄壁管桩的基桩打设过程中的挤土效应十分明显，容易导致邻桩结构的破坏，同时，桩体施工会破坏桩间土体的结构性，影响土体的承载作用等。目前已有组合应用排水固结法与复合地基法的方法，如混凝土芯砂石桩，即在预制管桩外侧填充碎石后形成的一种组合桩型，在适宜的工程背景和地质条件下也取得了相对较好的工程效果。但这些组合桩型在预压期结束未考虑封堵排水通道，致使竖向排水体在工程完工后仍具有排水、诱使软土固结、软基沉降的作用，易导致建构筑产生过大的工后沉降；有些桩型两侧的竖向排水体不连续，排水效果欠佳。综上所述，目前用于软土地基的处理措施主要有排水固结法和复合地基方法。在考虑造价因素的影响时，通常采用排水预压方法为主、复合地基方法为辅的软基处理思路，但这两类方法均存在不足及局限。现有的组合应用排水固结与复合地基组合的方法，虽可在一定程度上兼顾排水固结法与复合地基法的优点，但在解决排水体竖向连续、工后沉降有效控制等技术问题方面不够完善。鉴于此，目前尚需发明一种既能兼顾排水固结法与复合地基法两者之长，又能有效控制工后变形的新型地基处理方法。
发明内容
本发明的目的在于综合利用砂井排水固结法与管桩复合地基法两者之长，发明一种既可加速桩间土体的固结速率，提高地基土承载能力，又可避免邻桩打设时由于挤土效应导致桩体结构破坏的复合桩型及其施工方法。为了实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案
一种内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩，其特征在于组合桩由桩身内侧环形排水体、现浇混凝土薄壁管桩桩身、桩身外侧环形排水体、预制桩尖、预制钢筋混凝土盖板组成；预制桩尖设置于组合桩的底部，桩尖顶面设有四道用于限制沉管位置的环形凹槽；预制钢筋混凝土盖板设置于组合桩的顶部，盖板内部设有排水支管。桩底预制桩尖为钢筋混凝土桩尖，并预埋有限位钢管，用于限定沉管位置，防止沉管产生位移。桩身内侧环形排水体和外侧环形排水体为砂砾、碎石或瓜子片。本发明还提供了一种专用于上述组合桩的沉管，其特征在于，所述组合桩沉管由四层环形钢管组成，由内至外分别为第一内沉管、第二内沉管、第三内沉管和外沉管；在第一内沉管与第二内沉管之间，以及第三内沉管与外沉管之间，沿纵向均匀焊接有钢板内支撑，各沉管分别可以插入所述预制桩尖顶面的四道环形凹槽内；给料漏斗内设3个高度不同的给料口，漏斗底部分别插入所述各层沉管之间围成的环形空间内。钢板内支撑在每一横断面内沿环形布设:T4块，并应预先焊接于形成中粗砂灌入空间的两钢管中内侧钢管的外侧壁上。沉管打设完成后，通过给料漏斗向第二内沉管和第三内沉管之间形成的环形空间内灌注混凝土，并振动密实，形成现浇混凝土薄壁管桩桩身；待混凝土浇筑完成后，同时向第一内沉管与第二内沉管之间，以及第三内沉管与外沉管之间所形成的环形空间内填充排水材料，形成桩身内侧环形排水体和桩身外侧环形排水体。桩顶盖板为预制钢筋混凝土盖板，盖板内沿环形预设两排与下部排水体联通的排水支管，排水支管与路堤排水主管连接，在预压期将路基内水分引至路堤坡脚处，起排水通道的作用，预压期过后，注浆封堵排水管，以减少后期固结沉降量。本发明最后提供了一种内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩的施工方法，包括以下施工步骤
步骤一、桩机就位施工场地清理，桩打设机就位；
步骤二、沉管打设根据设计要求将沉管安装就位，将第一内沉管、第二内沉管、第三内沉管和外沉管分别与预制桩尖顶面的四道环形凹槽相紧密连接，沉管上端部插入给料漏斗，采用桩打设机将沉管竖直、均匀打入地基中；
步骤三、灌注混凝土 通过给料漏斗向第二内沉管和第三内沉管之间形成的环形空间内灌注混凝土，并振动密实，形成现浇混凝土薄壁管桩桩身；
步骤四、排水体填充待混凝土浇筑完毕后，同时向第一内沉管与第二内沉管之间，以及第三内沉管与外沉管之间所形成的环形空间内填充排水材料，形成桩身内侧环形排水体和外侧环形排水体；
步骤五、桩机移位排水体填充完毕后振动上拔所有沉管，并进行空中补料，移动桩打设机至下一桩点，重复步骤一 步骤四；
步骤六、设置盖板待场地沉管施工完成后，对桩头进行处理并进行沉降补方，然后在桩顶设置预制钢筋混凝土盖板；
步骤七、排水管网连接将盖板上预留的排水支管与路堤排水主管连接，形成路基土排水固结期间的横向排水网络，以便于路基水的排除；
步骤八、上部结构施工在加固区域内铺设一定厚度的砂垫层，在桩顶铺设土工格栅加筋层，随后按设计要求进行路堤、路面结构施工；
步骤九、封闭排水管待路面结构施工完成后，将排水管封闭。桩体施工完成后，排水支管与路堤排水主管连接，在预压期将路基内水分引至路堤坡脚处，起排水通道的作用，预压期过后，注浆封堵排水管。本发明具有以下优点及有益效果
(I)在第一内沉管与第二内沉管之间，以及第三内沉管与外沉管之间所形成的环形空间内灌入中粗砂，形成厚度均匀的内侧竖向排水体和外侧竖向排水体，既可减小邻桩打设时桩间土对桩体的挤压效应，又可形成竖向排水通道，加速桩间土体的固结。(2)在第二内沉管和第三内沉管之间形成的环形空间内灌入混凝土，形成混凝土劲芯粧身，有助于提闻粧体的承载能力。(3)预制钢筋混凝土盖板上预设的排水支管与路堤排水主管连接，在预压期可将路基内水分引至路堤坡脚处，起排水通道的作用；预压期过后注浆封堵排水管，可减少工后沉降量。(4)预制混凝土桩尖的顶面设有四条与上部沉管连接的凹槽，可有效约束沉管间的相对距离。总之，本发明的特点在于集排水固结法与复合地基法两者之长，在降低现浇混凝土管桩间挤土效应的同时，加速了桩间土体的排水固结，实现了快速提高地基承载力、改善成桩质量的目的。
图1是本发明内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩纵向剖面 图2是图1沿A-A线的横断面剖视 图3是图1沿B-B线的桩尖顶面剖视 图4是内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩沉管横断面剖视 图5是内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩给料漏斗剖视 图6是内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩主要施工流程图。图中1 一桩身内侧环形排水体；2—现浇混凝土薄壁管桩桩身；3—桩身外侧环形排水体；4一预制钢筋混凝土盖板；5—预制桩尖；6—限位钢管；7—环形限位凹槽；8—第一内沉管；9一第二内沉管；10—第三内沉管；11 一外沉管；12—钢板内支撑；13—排水支管；14一内侧环形排水体给料口 ；15—现浇混凝土薄壁管桩给料口 ； 16—外侧环形排水体给料口 ； 17—给料漏斗；18—软弱土层；19一较硬下卧层。具体实施例桩体混凝土的设计及施工要求，钢筋焊接施工技术要求，路堤排水主管铺设施工技术等，本实施方式中不再累述，重点阐述本发明涉及结构的实施方式。图1是本发明内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩纵向剖面图，图2是图1沿A-A线的横断面剖视图，图3是图1沿B-B线的桩尖顶面剖视图，如图广3所示的内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩，主要由桩身内侧环形排水体1、现浇混凝土薄壁管桩桩身2、桩身外侧环形排水体3、预制钢筋混凝土盖板4、预制桩尖5组成。混凝土预制桩尖5设置于组合桩的底部，桩尖顶面设有四条用于限制沉管位置的环形限位凹槽7，桩尖水泥采用42. 5#普通硅酸盐水泥，混凝土强度等级为C30 ;同时在预制桩尖上埋设有限位钢管6，用于限定沉管位置，防止沉管产生位移。预制钢筋混凝土盖板4,直径为1500mm,高为250mm ;预制钢筋混凝土盖板4内沿环形预设两道与下部排水体联通的排水支管13，每一道的排水支管数量为4个，呈环形均勻布设。内沿环形预设PVC排水支管13,排水管的直径为50mm,管厚4. 5mm,质量及尺寸要求满足现行标准之规定；该排水支管13与路堤PVC排水主管连接，在预压期将路基内水分引至路堤坡脚处，预压期结束后将PVC排水支管13注浆封堵，控制后期沉降速率。图4是内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩沉管横断面剖视图，如图4所示的桩体沉管，由四层环形钢管组成，由内至外分别为第一内沉管8、第二内沉管9、第三内沉管10和外沉管11。各沉管壁均为无缝钢管，钢材的强度等级为Q235，厚度为20mm，钢管尺寸规格应满足现行相应规范之要求。第一内沉管8与第二内沉管9间距离为100mm，第二内沉管9与第三内沉管10间距离为200mm,第三内沉管10与外沉管11间距离为100mm,第三内沉管10的外径为1000mm。在第一内沉管8与第二内沉管9之间、第三内沉管10与外沉管11之间沿纵向每隔1，OOOmm间距设置一道钢板内支撑12，钢板内支撑12在同一水平面内布设四块，环向均匀布设；内支撑12的长度为80mm，宽度120mm，厚度为10mm，钢材的强度等级为Q235 ;钢板内支撑12应预先焊接于第一内沉管8和第三内沉管10的外侧壁上。图5是内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩给料漏斗17剖视图，如图5所示，给料漏斗17的内部设有3个高度不同的给料口，各给料口的上部开口宽度均为500mm ；给料漏斗17的底部分别插入所述各层沉管之间围成的环形空间内，给料漏斗17所用钢板的厚度为8mm，钢材的强度等级为Q235。沉管打设完成后，向第二内沉管9和第三内沉管10形成的环形空腔内浇筑混凝土，形成现浇混凝土薄壁管桩桩身2，水泥采用42. 5#普通硅酸盐水泥，混凝土强度等级为C30。待中间层混凝土浇筑完成后，同时向第一内沉管8与第二内沉管9、第三内沉管10与外沉管11围成的环形空间内填入粒径较均匀的中粗砂，形成桩身内侧环形排水体I和桩身外侧环形排水体3。沉管振动上拔过程中，对内侧环形排水体I和桩身外侧环形排水体3进行空中补料。沉管拔出后在桩顶设预制钢筋混凝土盖板4，盖板水泥采用42. 5#普通硅酸盐水泥，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为Q235，直径为16_。图6是内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩主要施工流程图，如图6所示，上述内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩的施工方法，包括以下施工步骤
步骤一、桩机就位施工场地清理，桩打设机就位；
步骤二、沉管打设根据设计要求将沉管安装就位，将第一内沉管8、第二内沉管9、第三内沉管10和外沉管11分别与预制桩尖5顶面的四道环形限位凹槽7相紧密连接，沉管的上端部插入给料漏斗17，随后利用桩打设机将沉管竖直、均匀打入地基中；
步骤三、灌注混凝土 通过给料漏斗17的现浇混凝土薄壁管桩给料口 15向第二内沉管9和第三内沉管10形成的环形空间内灌注混凝土，并振动密实，形成现浇混凝土薄壁管桩桩身2 ；
步骤四、排水体填充待混凝土浇筑完毕后，通过给料漏斗17的侧环形排水体给料口14和外侧环形排水体给料口 16，同时向第一内沉管8与第二内沉管9之间，以及第三内沉管10与外沉管11之间所形成的环形空间内填充排水材料，形成桩身内侧环形排水体14和外侧环形排水体16 ；
步骤五、桩机移位排水体充完毕后振动上拔所有沉管，并进行空中补料，移动桩打设机至下一桩点，重复步骤一 步骤四；
步骤六、设置盖板待场地沉管施工完成后，对桩头进行处理并进行沉降补方，然后在桩顶设置预制钢筋混凝土盖板4 ；
步骤七、排水管网连接将预制钢筋混凝土盖板4上预设的排水支管13与路堤排水主管连接，形成路基土排水固结期间的横向排水网络；
步骤八、上部结构施工在加固区域内铺设一定厚度的砂垫层，在桩顶铺设土工格栅加筋层，随后按设计要求进行路堤、路面结构施工；
步骤九、封闭排水管待路面结构施工完成后，根据沉降情况，适时封闭排水支管13。
权利要求
1.一种内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩，其特征在于组合桩由桩身内侧环形排水体、现浇混凝土薄壁管桩桩身、桩身外侧环形排水体、预制桩尖、预制钢筋混凝土盖板组成；预制桩尖设置于组合桩的底部，桩尖顶面设有四道用于限制沉管位置的环形凹槽；预制钢筋混凝土盖板设置于组合桩的顶部，盖板内部设有排水支管。
2.根据权利要求1所述的内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩，其特征在于，所述预制桩尖为钢筋混凝土桩尖，并预埋有限位钢管。
3.根据权利要求1所述的内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩，其特征在于，所述桩身内侧环形排水体和外侧环形排水体为砂砾、碎石或瓜子片。
4.专用于权利要求1-3任一权利要求所述组合桩的沉管，其特征在于，所述组合桩沉管由四层环形钢管组成，由内至外分别为第一内沉管、第二内沉管、第三内沉管和外沉管；在第一内沉管与第二内沉管之间，以及第三内沉管与外沉管之间，沿纵向均匀焊接有钢板内支撑；各沉管分别可以插入所述预制桩尖顶面的四道环形凹槽内；给料漏斗内设3个高度不同的给料口，漏斗底部分别插入所述各层沉管之间围成的环形空间内。
5.一种内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩的施工方法，其特征在于包括以下步骤 步骤一、桩机就位施工场地清理，桩打设机就位； 步骤二、沉管打设根据设计要求将沉管安装就位，将第一内沉管、第二内沉管、第三内沉管和外沉管分别与预制桩尖顶面的四道环形凹槽相紧密连接，沉管上端部插入给料漏斗，采用桩打设机将沉管竖直、均匀打入地基中； 步骤三、灌注混凝土 通过给料漏斗向第二内沉管和第三内沉管之间形成的环形空间内灌注混凝土，并振动密实，形成现浇混凝土薄壁管桩桩身； 步骤四、排水体填充待混凝土浇筑完毕后，同时向第一内沉管与第二内沉管之间，以及第三内沉管与外沉管之间所形成的环形空间内填充排水材料，形成桩身内侧环形排水体和外侧环形排水体； 步骤五、桩机移位排水体填充完毕后振动上拔所有沉管，并进行空中补料，移动桩打设机至下一桩点，重复步骤一 步骤四； 步骤六、设置盖板待场地沉管施工完成后，对桩头进行处理并进行沉降补方，然后在桩顶设置预制钢筋混凝土盖板； 步骤七、排水管网连接将盖板上预留的排水支管与路堤排水主管连接，形成路基土排水固结期间的横向排水网络，以便于路基水的排除； 步骤八、上部结构施工在加固区域内铺设一定厚度的砂垫层，在桩顶铺设土工格栅加筋层，随后按设计要求进行路堤、路面结构施工； 步骤九、封闭排水管待路面结构施工完成后，将排水管封闭。
6.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于桩体施工完成后，排水支管与路堤排水主管连接，在预压期将路基内水分引至路堤坡脚处，起排水通道的作用，预压期过后，注浆封堵排水管。
全文摘要
本发明涉及一种内置外包双层排水体与中间混凝土组合桩，由桩身内侧环形排水体、现浇混凝土薄壁管桩桩身、桩身外侧环形排水体、预制桩尖、预制钢筋混凝土盖板组成；预制桩尖设置于组合桩的底部，桩尖顶面设有四道用于限制沉管位置的环形凹槽；预制钢筋混凝土盖板设置于组合桩的顶部，盖板内部设有排水支管。本发明在混凝土管桩的内侧和外侧设置厚度均匀的排水体，既可加速桩间土体的固结速率，提高地基土承载能力，还可防止邻桩打设时由挤土效应导致的断桩等病害，具有较好的技术经济效益。本发明还提供了组合桩的施工方法。
文档编号E02D5/72GK103061332SQ20131003651
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者朱永光, 李博, 金金柱, 谢忠巢, 席青善, 吴温昊, 付连发, 潘飞朋, 赵成艳, 林静顺, 李凯, 潘飞敏, 潘永策, 黄胜芬, 黄建光, 程千文, 杨洁, 林祖客, 朱雷, 麻建勇, 沈金樑, 林田夫, 王纯 申请人:新宇建设有限公司, 方泰建设集团有限公司