专利名称：静压多层径向挤扩灌注桩及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑工程、桥梁桩基工程的灌注桩，还涉及该灌注桩的施工工艺。
背景技术：
在松散沉积的地层内，土层之间具备二元结构特征一上部软弱下部逐渐变硬，且 二元结构内部可以划分数组次二元结构，形成结构内部的地层软硬相间，图1为这类土的 静力触探测试曲线，这种土层结构在冲洪积地貌单元内广泛存在。灌注桩是经济、直观、常 用的桩型。成孔工艺多为钻、挖孔或钻成孔后挤扩，传统挤、扩径灌注桩图1扩底桩(夯扩、 挤扩桩)的结构图，图2和图3是多分枝承力盘桩的结构图和俯示图，图1中分为钻、挖孔 扩底桩和沉管(静压和捶击)夯扩桩，均只对桩端挤扩或夯扩。为了提高单桩承载力和减 少地基的沉降变形量，发展形成了挤、扩灌注桩。传统挤、扩径灌注桩有如下缺点1)图1中的成桩工艺和提高桩承载力的原理分析图1中分为钻、挖孔扩底桩和 沉管(静压和捶击)夯扩桩，均只对桩端挤扩或夯扩。前者经过钻或挖成孔扩底后灌注混 凝土；后者为沉管到设计深度，填入无水混凝土或建筑垃圾，经过内管静力挤压或内夯管冲 击形成扩大端，它们通过端部的简单的扩大提高桩的承载力和减少桩体的变形。桩身和土 体的接触面为直面而非曲面，因此，无论是侧摩阻力和端阻力的提高均是局部的、有限的。2)图2中的成桩工艺和提高桩承载力的原理图2和图3中为钻孔挤扩桩，采用垂直成孔措施成孔，然后吊装液压挤扩设备在桩 孔的设计深度内，对该部位进行局部挤扩，加大局部桩孔直径或形成桩孔分枝孔，然后灌注 混凝土，它们通过桩身不同段的桩径加大或增加分枝提高桩的承载力和减少变形。桩身和 土体的接触面大部分仍为直面而非曲面，因此，侧摩阻力的提高均是有限的，局部土的端阻 力有限提高。3)扩底桩(夯扩、挤扩桩)的力学特点钻、挖孔扩底桩的桩周缺少地基土的挤扩 效应，既没有增加桩周土的围压力，同时造成桩周土回弹变形，形成松弛状态等，后期灌注 混凝土无法改变这种状态，造成桩间土的侧摩阻力没有充分发挥的条件——缺少灌注后围 压力增加措施。桩承载力虽然高于此类单桩，也只是简单地通过桩端面积扩大增加桩端阻 力而已。夯扩、挤扩桩的桩周具备地基土的挤扩效应，成桩后桩周土的围压力增加，桩端经 过动、静等形式的夯、挤扩，形成扩大端，因此，桩体周边均存在围压力增加的条件，桩端阻 力提高幅度相对高。但是，此类桩在变径2d以上的长度范围内，由于桩的整体沉降，造成该 范围内土内形成变形空间，土的侧摩阻力不能发挥作用，抵消了部分桩端阻力提高的效应。4)多分枝承力盘桩的力学特点桩孔系钻孔而成，因此桩周缺少地基土的挤扩效 应，既没有增加桩周土的围压力，同时造成桩周土回弹变形，形成松弛状态等，后期灌注混 凝土无法改变这种桩周应力状态，造成桩间土的侧摩阻力没有充分发挥的条件。多分枝承 力盘桩的承载力虽然高于没有分枝的单桩，也只是单方面地利用桩间土的端阻力而已。综合上述，1、传统灌注桩的桩身虽然经过多层硬土但无法利用其强度。传统桩基选择埋深深、强度高、变形微小的持力层，忽略了桩身段内其它相对强度较高的土层的利 用，本发明通过多次的弱土层内扩径，大大提高了相对硬土层的端阻力的利用。由于对桩身 灌注混凝土施加有垂向挤压力，因此，整个桩身存在比传统此类桩的大的围压力，同时，提 高了各种土层的侧摩阻力，大大减少了软土层中桩土之间的剪切破坏几率。2、传统灌注桩 的施工时，需要大型机械，传统桩基的施工，多采用大型设备和机具——大型钻孔设备、高 吨位静压桩设备、液压挤扩设备等来完成。因此，设备运输和现场施工难度很大，电力或燃 料油用量大；且受到地基土多层、多相、多力学性等组合的影响，导致成孔和沉桩过程工艺 复杂和难度较大，成孔工艺中隐患环节多且不容易控制，管理工作和检测环节多，任何一个 工艺环节出现问题可导致失败或产生隐患。3、传统桩体要求强度高和均强度设计，桩身附 加应力分布曲线和变形测试数据表明桩顶下一定深度内，附加应力集中和变形量是其下 部深度的数十倍，继续向深度方向两项逐渐趋于零。说明桩身不同部位传递应力的效率不 同，承担的荷载不相同。4、传统桩体要求桩端持力层强度高和小变形，传统桩体按照集中应 力的设计思路设计，基础产生的附加应力全部由桩体分担或很少部分由地基土分担。为了 承担高荷载和小变形，桩端的持力层的强度必然很高并且变形小才能满足要求。浅部强度 适中和变形相对较大的持力层不能满足要求，而强度高和变形小的持力层埋藏很深，因此， 传统桩体的桩身长度在厚度巨大的松散沉积层必然很大，造成资源浪费。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述不足提供一种静压多层径向挤扩灌注桩及其施工 方法。本发明的目的可通过以下技术方案来实现一种静压多层径向挤扩灌注桩，它包括灌注桩，在灌注桩身设有环形凸起，环形凸 起与灌注桩身是一体的。上述静压多层径向挤扩灌注桩，所述环形凸起间隔设置在灌注桩身上。上述静压多层径向挤扩灌注桩，在桩底设有底盘，底盘的直径大于灌注桩桩身的 直径，底盘是球状、挤密的混凝土扩大端。上述静压多层径向挤扩灌注桩，所述环形凸起的中心与地基土中二元结构中软土 位置中心相对应。上述静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法，包括以下步骤a)用静压的方式将与桩径相同的外管压入土层内设计标高h处形成桩孔，所述静 压的方式是采用静压桩机；b)外管内灌注混凝土至标高Ii1，标高Ill的高度是从桩孔底端到地基土中第二个二 元结构中硬土位置中心a2与第二个二元结构中软土位置中心Μ之间的任一点的高度，内 管采用静压方式将外管内的混凝土挤压出外管，形成端部扩径，在桩底形成球状、挤密的混 凝土扩大端；c)上拔内管，往外管内灌注混凝土至标高Ii2，标高Ii2的高度是从桩孔底端到地基 土中第三个二元结构中硬土位置中心a3与第三个二元结构中软中位置中心b3之间任一点 的高度，提升外管至第二次扩径高度，外管提升的高度和地基土中第二个二元结构中软土 位置中心相对应，外管提升同时内管下压其中的混凝土，形成微微扩径的桩身，即形成高于桩端的第一次扩径；d)第二次扩径，上拔内管，灌注混凝土至标高ti3，标高Ii3的高度是从桩孔底端到地 基土中第四个二元结构中硬土位置中心a4与第四个二元结构中软中位置中心b4之间任一 点的高度，提升外管至第二次扩径，外管提升的高度和地基土中第三个二元结构中软土位 置中心相对应，外管提升同时下压内管，其中的混凝土形成微微扩径的第二次扩径。e)循环c、d工艺环节，直至桩身范围内所有的软弱土层段均形成根据设计单桩承 载力要求的挤压扩径；f)到达桩顶设计标高后，把外管内的混凝土在不断提升外管的同时用内管按照设 计压力压入桩体内，实现桩顶标高和设计标高等同；上述静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法，根据工程需要在步骤f)后增加步骤 g)将钢筋笼或钢管压入桩身，形成静压多层径向挤扩灌注桩。上述静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法，所述步骤b)端部扩径的大小由工程 设计桩径和机械提供的静压力、扩径处的土层力学强度、挤压密实度来确定；步骤c)外管 提升同时内管下压的压力大小由设计桩身强度确定，步骤f)中内管压混凝土的设计压力 是根据地基土层力学强度静力触探曲线和设计桩身强度来确定的。上述静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法，每次扩径的高度由微机内储存的地基 土层力学强度静力触探曲线和数据来控制，微机与静压桩机连接。由于采用上述技术方案，本发明有以下优点1、理论方面，单桩承载力增加规律表明桩承载力提高与桩周侧摩阻力和端阻力 增加成正比，桩周侧摩阻力与增加桩周面积和围压力成正比，端阻力增加与桩端底面积和 桩端土的密实度成正比。所以，在桩身周围增加围压力和桩土接触面积是提高桩承载力根 本所在，本发明实现了提高单桩承载力的主控参数较以前所有桩类有很大幅度的增加。承 载力设计计算方面，在多层地基土中，把此类桩划分为多个单元扩底桩分别计算，计算方法 简单并符合现在规范的要求。地基中附加应力的分布规律表明单桩静载荷试验测试结果显示桩顶经常发生应 力集中现象，也就是附加应力在桩顶3 5d范围内容易集中，由于桩周软土分布使得应力 扩散速度慢。同时，应力扩散速度与材料的强度和整体刚度成正比，上层单元桩体对附加应 力存在一定量的扩散角，下层单元桩同样，依此类推，增加了桩土之间的应力扩散角，既分 层分级扩大，形成迅速传递附加应力到地基土深部的效应，减少桩顶的应力集中和破坏现 象以及深部沉降变形量。2、利用桩身内硬土层强度减少桩基工程的深度、机械大型化、工艺复杂化倾向静压多层径向挤扩灌注桩可以利用传统桩基不能利用地基土力学能力1)充分 利用和提高表层土中存在多层硬土层的端阻力和软土层侧摩阻力；幻现在，集中高荷载桩 基础的持力层深度大、桩径大、施工工艺复杂、施工设备大型化、能源消耗大、混凝凝土消耗 量多、废桩头成山、环境污染严重等现象随处可见，本发明可减少桩的埋深、缩小桩径、实现 机械设备小型化、施工工艺简单化、材料和能源节约等；幻充分利用我国城市地区地基土 二元结构特点，结合静压多层径向挤扩灌注桩特性，把不均勻的地基处理为均勻变形地基， 经济、安全、快捷地解决其它桩型不能解决不均勻变形地基问题。3、静压多层径向挤扩灌注桩的施工工艺简单
混凝土由本人发明的干法花管灌注桩中的混凝土技术制作，且可以定量工厂化拌 制，施工现场不需要搅拌设备，因此灌注速度快且不受环境条件的制约。成孔采用图5的专用设备实施，满足快速成孔和灌注的要求，且现场所需要配重 少，采用履带式行走方式——比传统的液压步履行走方式快捷且对地基土扰动少。外管上拔和内管挤压扩径可以同时完成，减少其它桩型的多种设备同时工作局 面，因此，工艺环节少。控制混凝土的压力和扩径量根据地基土的勘察结果预先设定，实现 桩身数字化施工(多层扩径桩的数据处理程序)，填补目前桩基施工中桩径、混凝土密实 度、桩顶标高、桩周土挤密效应等不可控或不可操作的空白。对于新近沉积的吹填土和结构 灵敏性土本桩型具有其它桩型不具备的扰动小的作用，且单桩承载力提高幅度高和稳定。4、环保、文明、节约能源没有对环境排放废土、废泥浆(除挤扩桩外，其它桩型均有大量的废土、废泥浆排 放)、无噪音等，而且桩径小于300mm的桩对环境没有明显地挤土产生的破坏效应，可减少 其它夯扩、静压挤扩对环境的挤土破坏效应。目前，所有桩在地基开挖后均有一定长度桩顶截桩量，城市边缘地区大量堆放废 弃桩头；国家规范规定中要求必须预留桩头，其主要原因是成桩过程中，桩顶土压力小，难 于形成密实的桩顶的缘故。本发明在桩顶形成时，添加压力于桩身混凝土上，将外管内混凝 土压密实于桩顶标高下，形成密实的桩顶，所以不需要预留桩头。5、可发展性目前桩机设备均没有和静力触探成果相结合，施工过程和成品桩带有不可避免的 盲目性——挤扩位置的不确定和不适宜。通过和勘察成果的结合，可消除盲目性，形成成桩 过程环节的数字化控制。6、可行性与节约性可行性1)设计计算、检测等可行性采用国家规范中扩底桩的设计计算和检测 方法对其承载力和变形进行计算和检测，折减系数按照此类桩的施工经验确定。2、机械设 备工作数字化采用新型静压程成孔设备，定量控制和记录及施加成桩压力，形成数字化过 程管理。幻工艺简单依据施工场地的静力触探成果编制单桩施工措施方案，针对性解决 地基土的不均勻性，实现均化地基变形的目标。成桩过程和静力触探的容易操作和控制相 同，每个环节均有压力显示和混凝土量控制，达到孔内情况初步数字控制和并根据混凝土 压力数值指导成桩过程。节约性相同的地基承载力和变形的条件下，机械和人工节约20%;建筑材料节约 20% ；能源节约30% ；综合工程造价比相同的桩基节约25%。
图1是传统挤扩灌注桩结构示意图；图2是多分枝承力盘桩的结构示意图；图3是图2的俯示图；图4是本发明的结构示意图；图5是地基土层静力触探曲线图。
具体实施例方式如图5所示的一种静压多层径向挤扩灌注桩，它包括灌注桩，在灌注桩身1设有环 形凸起2，环形凸起2与灌注桩身1是一体的，所述环形凸起2间隔设置在灌注桩身1上，所 述环形凸起的中心与地基土中二元结构中软土位置中心相对应，在桩身底端设有底盘3，底 盘3的直径D大于灌注桩桩身的直径d，底盘3是球状、挤密的混凝土扩大端。上述静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法，包括以下步骤a)用静压的方式将与桩径相同的外管压入土层内设计标高h处形成桩孔，所述静 压的方式是用静压桩机；b)外管内灌注混凝土至标高Ii1，标高Ill的高度是从桩孔底端al到地基土中第二 个二元结构E2中硬土位置中心a2与第二个二元结构中软土位置中心Μ之间的任一点的 高度，内管采用静压方式将外管内的混凝土挤压出外管，形成端部扩径，在桩底形成球状、 挤密的混凝土扩大端；c)上拔内管，往外管内灌注混凝土至标高Ii2，标高Ii2的高度是从桩孔底端al到地 基土中第三个二元结构E3中硬土位置中心a3与第三个二元结构中软中位置中心b3之间 任一点的高度，提升外管至第二次扩径高度，外管提升的高度和地基土中第二个二元结构 中软土位置中心1^2相对应，外管提升同时内管下压其中的混凝土，形成微微扩径的桩身， 即形成高于桩端的第一次扩径，端部扩径的大小由工程设计桩径和机械提供的静压力、扩 径处的土层力学强度、挤压密实度来确定，外管提升同时内管下压的压力大小由设计桩身 强度确定；d)第二次扩径，上拔内管，灌注混凝土至标高Ii3，标高Ii3的高度是从桩孔底端al 到地基土中第四个二元结构E4中硬土位置中心a4与第四个二元结构中软中位置中心b4 之间任一点的高度，提升外管至第二次扩径，外管提升的高度和地基土中第三个二元结构 中软土位置中心b3相对应，外管提升同时下压内管，其中的混凝土形成微微扩径的第二次 扩径。e)循环c、d工艺环节，直至桩身范围内所有的软弱土层段均形成根据设计单桩承 载力要求的挤压扩径；f)到达桩顶设计标高后，把外管内的混凝土在不断提升外管的同时用内管按照设 计压力压入桩体内，实现桩顶标高和设计标高等同，内管下压混凝土的设计压力是根据地 基土层力学强度静力触探曲线和设计桩身强度来确定的；g)将钢筋笼或钢管压入桩身，形成静压多层径向挤扩灌注桩。在上述静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法中，每次扩径的高度由微机内储存的 地基土层力学强度静力触探曲线和数据来控制，微机与静压桩机连接。本发明中外管是空心管，内管是实心管。
权利要求
1.一种静压多层径向挤扩灌注桩，它包括灌注桩，其特征在于在灌注桩身设有环形 凸起，环形凸起与灌注桩身是一体的。
2.根据权利要求1所述的静压多层径向挤扩灌注桩，其特征在于所述环形凸起间隔 设置在灌注桩身上。
3.根据权利要求2所述的静压多层径向挤扩灌注桩，其特征在于在桩底设有底盘，底 盘的直径大于灌注桩桩身的直径，底盘是球状、挤密的混凝土扩大端。
4.根据权利要求3所述的静压多层径向挤扩灌注桩，其特征在于所述环形凸起的中 心与地基土中二元结构中软土位置中心相对应。
5.如权利要求1所述的静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法，其特征在于包括以下 步骤a)用静压的方式将与桩径相同的外管压入土层内设计标高h处形成桩孔；b)外管内灌注混凝土至标高Ii1，标高Ill的高度是从桩孔底端到地基土中第二个二元 结构中硬土位置中心与第二个二元结构中软土位置中心之间的任一点的高度，内管采用静 压方式将外管内的混凝土挤压出外管，形成端部扩径，在桩底形成球状、挤密的混凝土扩大 端；c)上拔内管，往外管内灌注混凝土至标高Ii2，标高Ii2的高度是从桩孔底端到地基土中 第三个二元结构中硬土位置中心与第三个二元结构中软中位置中心之间任一点的高度，提 升外管至第二次扩径高度，外管提升的高度和地基土中第二个二元结构中软土位置中心相 对应，外管提升同时内管下压其中的混凝土，形成微微扩径的桩身，即形成高于桩端的第一 次扩径；d)第二次扩径，上拔内管，灌注混凝土至标高、，标高Ii3的高度是从桩孔底端到地基土 中第四个二元结构中硬土位置中心与第四个二元结构中软中位置中心之间任一点的高度， 提升外管至第二次扩径，外管提升的高度和地基土中第三个二元结构中软土位置中心相对 应，外管提升同时下压内管，其中的混凝土形成微微扩径的第二次扩径。e)循环c、d工艺环节，直至桩身范围内所有的软弱土层段均形成根据设计单桩承载力 要求的挤压扩径；f)到达桩顶设计标高后，把外管内的混凝土在不断提升外管的同时用内管按照设计压 力压入桩体内，实现桩顶标高和设计标高等同，制得静压多层径向挤扩灌注桩。
6.根据权利要求5所述的静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法以，其特征是在步骤 f)后还包括步骤g)将钢筋笼或钢管压入桩身，形成静压多层径向挤扩灌注桩。
7.根据权利要求6所述的静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法，其特征在于所述步 骤b)端部扩径的大小由工程设计桩径和机械提供的静压力、扩径处的土层力学强度、挤压 密实度来确定；步骤c)外管提升同时内管下压的压力大小由设计桩身强度的要求确定。
8.根据权利要求7所述的静压多层径向挤扩灌注桩的施工方法，其特征在于每次扩 径的高度由微机内储存的地基土层力学强度静力触探曲线和数据来控制。
全文摘要
本发明公开了一种静压多层径向挤扩灌注桩及其施工方法，它包括灌注桩，在灌注桩身设有环形凸起，环形凸起与灌注桩身是一体的。还包括该静压多径向挤扩灌注桩的施工方法。由于采用上述技术方案，本发明有以下优点静压多层径向挤扩灌注桩可以利用传统桩基不能利用地基土力学能力，充分利用和提高表层土中存在多层硬土层的端阻力和软土层侧摩阻力，本发明可减少桩的埋深、缩小桩径、实现机械设备小型化、施工工艺简单化、材料和能源节约等；充分利用我国城市地区地基土二元结构特点，结合静压多层径向挤扩灌注桩特性，把不均匀的地基处理为均匀变形地基，经济、安全、快捷地解决其它桩型不能解决不均匀变形地基问题。
文档编号E02D5/44GK102116024SQ200910227798
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者吴保全 申请人:吴保全