专利名称：低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基的制作方法
技术领域：
本实用新型提出了一种低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型复合地基，属于土木工程领域。
背景技术：
近二十年来，地基处理技术得到很大发展，其中复合地基技术应用最为广泛。复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换。复合地基中的竖向增强体一般可分为散体材料桩、柔性桩(或称半刚性桩)和低强度刚性桩。近年来，低强度刚性桩在建筑和道路工程中应用非常广泛，CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)和低强度素混凝土桩等 都属于低强度刚性桩。低强度刚性桩因为桩体材料刚度大，强度高，复合地基的承载力较易满足工程要求。但因为刚性桩材料的透水性差，导致地基固结速度慢，而且不能有效消除液化层的可液化性。为此人们提出了用碎石桩等高透水性桩与刚性桩联合加固地基的方法，但因为碎石桩材料强度低，在高附加应力作用下易发生破坏，影响复合地基的承载力。
发明内容本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种低强度刚性桩_透水性混凝土桩新型复合地基，实现一种既具有高的承载能力、又具有强的透水能力、不仅可以有效减小工后沉降、还能提闻地基的抗液化能力的复合地基。为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案一种低强度刚性桩_透水性混凝土桩新型二元复合地基，包括低强度刚性桩和透水性混凝土桩，所述低强度刚性桩和透水性混凝土桩隔排布置，在低强度刚性桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设有碎石垫层。隔排布置的排列方式可以为低强度刚性桩和透水性混凝土桩每一排前后对正，整体成正方形布置。该排列方式也可以为每个透水性混凝土桩位于相邻排中两个相邻低强度刚性桩连线的中心线上，每个透水性混凝土桩与所述相邻的两个低强度刚性桩形成三角形布置。所述碎石垫层厚度为15_30cm。所述低强度刚性桩和透水性混凝土桩桩径均为350-600mm ;相邻两个桩的桩距均为3-5倍透水性混凝土桩的桩径。所述桩长为8-30m。上述的低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基的处理方法，步骤如下I)先施工透水性混凝土桩透水性混凝土抗压强度不低于20MPa，渗透系数不低于2mm/s ;将符合上述强度和渗透系数要求的透水性混凝土用长螺旋钻孔灌注成桩、长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩或振动沉管灌注成桩方法施工；存在持力层时，桩需打到持力层以下I. 0-1. 5m；[0013]2)然后再施工透水性混凝土桩存在持力层时，桩需打到持力层以下L 0-1. 5m ；两种桩施工间隔时间不少于7天；3)在地基表面铺设碎石垫层，厚度为15-30cm。所述透水性混凝土抗压强度20_25MPa,渗透系数2_5mm/s。所述两种桩施工间隔时间为7-15天。具体而言，低强度刚性桩_透水性混凝土桩新型二元复合地基的处理方法的步骤如下·[0018]I)先施工透水性混凝土桩透水性混凝土抗压强度20_25MPa，渗透系数2_5mm/s ；透水性混凝土桩桩径宜取350-600mm ;桩距宜取3_5倍透水性混凝土桩桩径，需满足地基沉降和承载力要求；桩长一般取8-30m，存在持力层时，桩需打到持力层以下I. 0-1. 5m ;透水性混凝土桩的施工，应根据现场条件选用下列施工工艺①长螺旋钻孔灌注成桩，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土，其工艺流程为施工准备一定位放线一钻机成孔一制备桩料一压灌成桩一转移钻机一桩体养护一桩身质量检验一铺设垫层。②长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土以及对噪声或泥浆污染要求严格的场地，其工艺流程为施工准备一桩位放线一钻机就位一调整桩机垂直度一确定钻进深度标识一湿润泵管一钻孔一成孔至设计标高一泵送CFG桩混合料至设计标高一清理桩间土一凿桩头一桩身质量检验一铺设垫层。③振动沉管灌注成桩，适用于粉土、粘性土及素填土地基，其工艺流程为施工准备一定位放线一桩机就位一沉管成孔一压灌、拔管一成桩一桩体养护一桩身质量检验一铺
设垫层。长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩施工和振动沉管灌注成桩施工除应执行国家现行有关规定外，尚应符合下列要求①施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时按配合比配制透水性混凝土。长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160 200_，振动沉管灌注成桩施工的坍落度宜为30 50mm，振动沉管灌注成桩后桩顶浮浆厚度不宜超过200mm。②长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩施工在钻至设计深度后，应准确掌握提拔钻杆时间，透水性混凝土泵送量应与拔管速度相配合，遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵侍料；沉管灌注成桩施工拔管速度应按匀速控制，拔管速度应控制在I. 2 I. 5m/min左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速度应适当放慢。③对振动沉管灌注成桩法，当逐排打设时，打桩的推进方向应逐排改变，以免土体朝一个方向挤压，并且对同一排桩而言，必要时宜采用间隔跳打的方式进行。自边缘向中央打法将使中间部分土体挤压较密实，不仅使桩难以打入，而且打中间桩时，还有可能使外侧各桩被挤压而浮起，所以一般以自中央向边缘打法和分段打法为宜。尽量避免土体因挤压而密实，使沉管困难和桩位偏移，或产生水平力和拉力，使已打好的桩身造成断裂。有时遇到地表土层较坚硬，下面为软弱土层，桩成型后，还未达到初凝强度，当邻桩施工时，在软硬不同的两层土中振动下沉套管，由于振动对于两层土的波速不一样，产生了剪应力，把先施工的桩剪断。遇此情况，应采用跳打法加大桩的施工间距。并且对于群桩基础，或桩的中心距离小于3. 5倍桩径时，也应采用跳打法，中间空出的桩应待混凝土达到设计强度等级的50 %以后，方可施打，以减轻对邻桩的挤压力，防止断裂事故发生。④施工粧顶标闻宜闻出设计粧顶标闻不少于0. 5m。⑤成桩过程中，抽样做透水性混凝土试块，每台机械一天应做一组(3块)试块(边长为150mm的立方体)，标准养护，测定其立方体抗压强度。⑥透水性混凝土入孔温度不得低于5°C，冬季施工时对桩头和桩间土应采取保温措施。⑦清土和截桩时，不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。⑧透水性混凝土施工垂直度偏差不应大于I %。⑨透水性混凝土桩地基检验应在桩身强度满足试验荷载条件时，并宜在施工结束28d后进行。试验数量宜为总桩数的0.5% I %，且每个单体工程的试验数量不应少于3点。应抽取不少于总桩数10%的桩进行低应变动力试验，检测桩身完整性。2)然后再施工低强度刚性桩低强度刚性桩桩径宜取350-600mm ;桩距宜取3_5倍透水性混凝土桩桩径，需满足地基沉降和承载力要求；桩长一般取8-30m，存在持力层时，桩需打到持力层以下I. 0-1. 5m;低强度刚性桩与透水性混凝土桩的施工间隔时间为7-15天；低强度刚性桩的施工方法和注意事项与透水性混凝土桩相同。3)在地基表面铺设碎石垫层，厚度为15-30cm。垫层铺设宜采用静力压实法，当基础底面下桩间土的含水量较小时，也可采用动力夯实法，夯填度(夯实后的褥垫层厚度与虚铺厚度的比值)不得大于0.9。本实用新型中的透水性混凝土是由特定级配的集料、水泥、增强材料、外加剂和水等按特定比例经特殊成型工艺制成的，集料骨架间含有大量贯通性孔隙(通常在5% 30%之间并多为直径超过Imm的大孔)的蜂窝状结构的混凝土，在保证一定透水性情况下其抗压强度一般在3. 5MPa 28MPa，挠曲强度一般在IMPa 3. 8MPa。透水混凝土的渗透系数一般介于2. Omm/s 5. 4mm/s,有的甚至达到I. 2cm/s。透水混凝土的配比特点是采用单粒级粗骨料作为骨架，水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面，作为骨料颗粒之间的胶结层，形成骨架-空隙结构的多孔混凝土材料。试验研究表明，透水性混凝土的强度和透水性是一对矛盾体，此消彼长，如图I所示。透水性混凝土桩指的是将透水性混凝土经长螺旋钻孔灌注成桩方法、长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩方法或振动沉管灌注成桩方法等常规方法制得的桩，成桩方法为现有技术，不再赘述。透水性混凝土桩不仅透水性强，而且强度高，兼具了散体桩和刚性桩的优点，这使得上覆荷载在桩体中力的传递和地基的排水固结过程耦合在一起，相互促进，既加快了地基固结速度，减小了工后沉降，又提高了地基承载力。图2(a)、2(b)示为路基填筑和运营期间不同复合地基(低强度素混凝土桩复合地基和低强度素混凝土桩-透水性混凝土桩复合地基，实施例I制备)土体内的超静孔隙水压力随时间变化的有限元计算曲线。可见，与刚性桩相比，刚性桩_透水性混凝土桩周围超静孔隙水压力消散更快，一直处于很低的水平。图3所示为路基工后沉降随时间的变化曲线。可见，与刚性桩复合地基相比，刚性桩-透水性混凝土桩复合地基(实施例I制备)对应的路基工后沉降明显减小。另外，根据有效应力原理，土体内超静孔隙水压力消散越快，土体的强度提高越快，地基土将承担更多的附加应力，从而在复合地基设计时可以适当降低桩体的置换率。由透水性混凝土桩渗出的水将由复合地基上铺设的碎石垫层排走，碎石垫层还可以调整桩土应力比。低强度刚性桩施工时地基内会产生超静孔隙水压力，导致地面隆起(黏性土层)和桩体沉降(砂性土层)。但是，若在刚性桩施工前，在地基内先设置透水性混凝土桩，则刚性桩施工时产生的超静孔隙水压力将通过透水性混凝土桩快速消散，从而防止地面隆起与沉桩等工程病害的发生。 地震时，土体内将产生很高的超静孔隙水压力，会导致可液化地基发生液化。刚性桩_透水性混凝土桩复合地基中因为透水性混凝土桩具有很强的透水性，将使得超静孔隙水压力快速消散，抑制液化的发生。图4所示为地震作用下不同类型复合地基内超孔压比随时间的变化曲线。可见，地震期间素混凝土桩-透水性混凝土桩复合地基(实施例I制备)内的超静孔隙水压比单纯素混凝土桩复合地基内的超静孔隙水压力明显降低。这说明刚性桩_透水性混凝土桩二元复合地基比刚性桩一元复合地基更能有效抑制地基液化的发生。本实用新型提出的低强度刚性桩_透水性混凝土桩复合地基，透水性混凝土桩刚度和强度高，具有刚性桩的优点，同时透水性强，具有碎石桩等的优点。刚性桩_透水性混凝土桩复合地基是一种集高承载性能和高排水性能于一体的二元地基处理形式，不仅能减小地基工后沉降，而且能有效提高地基的抗液化能力。另外，低强度刚性桩施工时地基内会产生超静孔隙水压力，导致地面隆起(黏性土层)和桩体沉降(砂性土层)，而透水性混凝土桩的设置可以通过消散施工期间的超静孔隙水压力而防止这些工程危害的发生。
图I透水性混凝土抗压强度与渗透系数的关系曲线；图2 (a)低强度素混凝土桩复合地基桩周土体超静孔压随时间的变化曲线；图2 (b)低强度素混凝土桩_透水性混凝土桩复合地基桩周土体超静孔压随时间的变化曲线；图3工后沉降随时间的变化曲线；图4地震作用下不同类型复合地基内超孔压比随时间的变化曲线；图5(a)是正方形布桩图；图5 (b)是二角形布桩图。其中图5(a)、图5(b)中的实心圆圈表示透水性混凝土桩，空心圆圈表示搅拌桩。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。实例I :某高速公路设计要求地基承载力特征值大于300kPa。但由于地基持力层经修正后的地基承载力特征值为133kPa，下卧层地基承载力特征值为120kPa，所以不能满足设计要求。此外，该地区地震基本烈度为8度，粉土顶覆盖厚度仅为I. 5-20m,标准贯入试验锤击数小于液化判别标准贯入锤击数临界值，局部液化指数达19. 3，属于严重液化场地，最大液化深度为8. 5m。该工程可采用CFG桩-透水性混凝土桩复合地基方法进行处理。如图5(a)所示，CFG桩-透水性混凝土桩复合地基，低强度刚性桩采用CFG桩。桩体采用正方形布置，CFG桩和透水性混凝土桩隔排布置且前后对正。均采用长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩法施工。所有桩的桩径均为400mm，桩间距为1600mm，桩长为10m。CFG桩体材料强度等级为C15 ;透水性混凝土抗压强度为21MPa，渗透系数为2. 2mm/s。在地基表面铺设碎石垫层，厚度为30cm。施工时，先施工透水性混凝土管桩，然后再施工CFG桩，两种桩型施工时间间隔8天。所有桩体垂直度误差不大于I. 0%。长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩法施工流程为施工准备一桩位放线一钻机就位—调整桩机垂直度一确定钻进深度标识一湿润泵管一钻孔一成孔至设计标高一泵送CFG桩混合料至设计标高一清理桩间土一 凿桩头一桩身质量检验一铺设垫层(该工艺与现有工艺相同，不再赘述)。计算发现CFG桩-透水性混凝土桩复合地基的承载力特征值大于300kPa，满足设计要求。实例2 某地下一层、地上16层的办公大楼。工程勘察表明，在0. 3 I. 6m范围内为杂填土，不均匀且密实程度差，其下I. 6 11. Om范围内的土层属于易液化土层，须进行地基处理，以达到工程地基承载力的需要。根据土层的实际情况，可采用CFG桩-透水性混凝土桩复合地基方法来消除不良地基的影响。如图5 (b)所示，CFG桩-透水性混凝土桩复合地基桩体可采用三角形布置，CFG桩和透水性混凝土桩隔排布置。均采用振动沉管灌注成桩法施工。所有桩的桩径均为400_，桩间距为1600mm，桩长为16m。CFG桩体材料强度等级为C15 ;透水性混凝土抗压强度为20MPa，渗透系数为2. Ws0在地基表面铺设碎石垫层，厚度为30cm。施工时，先施工透水性混凝土管桩，然后再施工CFG桩，间隔时间为10天。所有桩体垂直度误差不大于1.0%。振动沉管灌注成桩工艺流程为施工准备一定位放线一桩机就位一沉管成孔一压灌、拔管一成桩一桩体养护一桩身质量检验一铺设垫层。计算发现，CFG桩-透水性混凝土桩复合地基的承载力满足设计要求。上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
权利要求1.一种低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，包括低强度刚性桩和透水性混凝土桩，所述低强度刚性桩和透水性混凝土桩隔排布置，在低强度刚性桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设有碎石垫层。
2.如权利要求I所述的低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，所述低强度刚性桩和透水性混凝土桩每一排前后对正，整体成正方形布置。
3.如权利要求I所述的低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，每个透水性混凝土桩位于相邻排中两个相邻低强度刚性桩连线的中心线上，每个透水性混凝土桩与所述相邻的两个低强度刚性桩形成三角形布置。
4.如权利要求I所述的低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，所述碎石垫层厚度为15-30cm。
5.如权利要求I所述的低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，所述低强度刚性桩和透水性混凝土桩的桩径均为350-600mm ;相邻两个桩的桩距均为3_5倍透水性混凝土桩桩径。
6.如权利要求5所述的低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，其特征是，所述桩长为8-30m。
专利摘要本实用新型公开了一种低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，包括低强度刚性桩和透水性混凝土桩，所述低强度刚性桩和透水性混凝土桩隔排布置，在低强度刚性桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设有碎石垫层。本实用新型还公开了该复合地基的处理方法。该复合地基是一种集高承载性能和高排水性能于一体的二元地基处理形式，不仅能减小地基工后沉降，而且能有效提高地基的抗液化能力。另外，低强度刚性桩施工时地基内会产生超静孔隙水压力，导致地面隆起(黏性土层)和桩体沉降(砂性土层)，而透水性混凝土桩的设置可以通过消散施工期间的超静孔隙水压力而防止这些工程危害的发生。
文档编号E02D3/02GK202787211SQ20122048000
公开日2013年3月13日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者崔新壮, 金青, 高智珺, 张娜 申请人:山东大学