一种提高复杂地层地基承载力的施工方法与流程

1.本发明涉及提高复杂地层地基承载力的施工技术领域。更具体地说，本发明涉及一种提高复杂地层地基承载力的施工方法。


背景技术：

2.中国地大物博，地质构造和地质条件千奇百态，在高铁的建造中遇到了一系列的技术难题，尤其是保证后期运营过程中地基沉降可控，对地基处理技术要求越来越严格，一般的加固技术已经满足不了相关质量要求。
3.一般的加固技术例如采用钢管桩、水泥砂浆桩，现有还有采用现浇螺杆桩的新型加固技术，现浇螺杆桩是在施工过程中采用桩机钻具旋转挤压土体泵压砼成桩，与打入式预制桩相比，施工噪音低、无振动，对已施工的桩无影响；与全螺旋钻，普通泥浆护壁成孔的灌注桩相比，无泥浆污染和弃土问题。螺杆桩是一种具有很高实用价值的新型桩，将常识中“螺丝钉比钉子牢固”的道理运用在桩与桩的施工中，使其更牢固的特点得以实现。但是螺杆桩用于复杂地层地基例如软硬土层交错分布的地基加固时也会遇到各种质量问题，一是钻杆进尺受阻降速，成孔速率低；二是钻头受阻，电驱动力头过载，跳闸停机；三是钻头及钻杆长时间研磨、穿越地层，致杆芯高温无法满足混凝土泵送，需停机降温。
4.因此，针对在软硬交错分布的地层桩基施工中遇到的技术难点，亟需一种新的施工技术方法来提高软硬交错分布地层的地基承载力，该方法不仅要能克服地表土层软硬交错分布成桩困难的技术难题，而且还要能提高成桩效率，满足安全、经济、环保、适用性等要求。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是提供一种提高复杂地层地基承载力的施工方法，解决了地表土层软硬交错分布这一复杂地层中成桩困难的技术难题，且能够提高成桩效率即提高施工工效，满足安全、经济、环保、适用性等要求。
6.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种提高复杂地层地基承载力的施工方法，采用螺杆桩结合灰土挤密桩共同对软硬土层交错分布的地基进行加固处理，具体为：多根灰土挤密桩以一根螺杆桩为中心围设于螺杆桩外，多根灰土挤密桩通过螺杆桩桩帽与螺杆桩连接在一起共同组合成复合地基，多根灰土挤密桩、中心的螺杆桩以及螺杆桩桩帽共同组成为一个地基单元，多个地基单元呈矩阵分布，多个地基单元上方施作双层垫层形成为地基，以承受上部荷载。
7.优选的是，多根灰土挤密桩以其对应的螺杆桩为中心形成为正三角形、正方形或矩形。
8.优选的是，所述灰土挤密桩与螺杆桩的桩径相同，所述灰土挤密桩的挤密处理深度小于12m时，成桩直径为350-450mm；挤密处理深度超过12m时，采用预钻孔，孔径为250-350mm，成孔直径为500-600mm。
9.优选的是，灰土挤密桩的桩间距为桩孔直径的2.0-2.5倍，或桩间距根据经验按下式计算：
[0010][0011]
α-系数，灰土挤密桩按正三角形布桩，取α为0.95，灰土挤密桩按正方形布桩，取α为0.89；
[0012]
s-桩孔之间的中心距离(m)；
[0013]
d-挤密填料孔直径(m)；
[0014]
d-预钻孔直径(m)，无预钻孔的挤密法中d＝0；
[0015]
ρ
dmax-轻型击试验确定桩间土最大干密度(kn/m3)；
[0016]
ρ
do-地基挤密前压缩层范围内各层土的平均干密度(kn/m3)；
[0017]
η
c-桩间土经成孔挤密，达到挤密填料孔直径d后，多个灰土挤密桩孔之间的平均挤密系数，为0.90-0.93。
[0018]
优选的是，所述螺杆桩在土层设定硬度范围内采用螺杆钻机正常钻进，所述螺杆桩在土层硬度超过设定硬度范围后，增大螺杆钻机的钻杆螺牙之间的间距，以减小钻杆与土层之间的极限摩阻力。
[0019]
优选的是，所述螺杆桩在土层硬度超过设定硬度范围后，在钻杆杆芯内设置多个高压射水孔，其在杆芯端头呈梅花型布设，通过高压射水孔射出高压水对对应的土层进行射水软化，以减小钻杆与土层之间的极限摩阻力。
[0020]
优选的是，螺杆桩成桩7天内，采用低应变检查桩身完整性，检查数量为施工总桩数的10％；28天后进行单桩或复合地基荷载试验，数量为总桩数的1％，且每个单体工程的复合地基静载试验的试验数量不少于3点。
[0021]
优选的是，地基单元上方施作双层垫层由下层掺6％的水泥土碎石垫层、双向经编涤纶土工格栅、上层掺6％的水泥土的碎石垫层组成，下层水泥土碎石垫层厚0.5m，上层水泥土碎石垫层厚0.3m。
[0022]
优选的是，具体包括如下步骤：
[0023]
步骤一、对施工场地地面进行处理并对各桩位进行测量放样标记，桩位偏差控制在50mm以内；
[0024]
步骤二、根据上述标记的桩位施工灰土挤密桩以及对应的螺杆桩，对于土层硬度超过设定硬度范围外的螺杆桩施工时，将螺杆桩对应的钻杆更换为钻杆螺牙之间的间距增大且钻杆的杆芯内设置有高压射水孔的钻杆，然后再进行钻进，同时通过高压射水孔射水辅助下沉；
[0025]
步骤三、螺杆桩混凝土强度达到龄期后采用截桩机三面环切截桩，将桩顶从四周向中间修平至设计标高，桩顶标高偏差控制在0
±
20mm，并检验成桩的完整性及荷载；
[0026]
步骤四、将同一地基单元中对应的多根灰土挤密桩以及螺杆桩通过桩帽连接为一体形成一个地基单元，施工完所有的地基单元；
[0027]
步骤五、施工垫层，桩帽之间用掺6％的水泥土碎石施工形成下垫层，下垫层厚0.5m，下垫层施工完成后在上面铺设双向经编涤纶土工格栅，最后在格栅上铺设6％的水泥
土碎石形成上垫层，上垫层厚0.3m。
[0028]
本发明至少包括以下有益效果：
[0029]
1)环保性：螺杆桩是在施工过程中采用桩机钻具旋转挤压土体泵压砼成桩，不仅施工噪音低、无振动，对已施工的桩无影响，而且无泥浆污染和弃土问题。
[0030]
2)工效高：0-22m采用普通的螺杆钻机钻进成孔，进入硬质粘土层22m以后采用改进之后的螺纹钻机辅助射水软化成孔，单桩长33m，成桩不到1h。
[0031]
3)可行性：对jzu120型螺纹钻杆进行改进，注入高压水，由钻头射出高压水对干燥、坚硬的粉质黏土层进行一定的软化，降低钻头进尺(切入)阻力，保障成孔顺畅。
[0032]
4)前沿性：采用螺杆桩结合灰土挤密桩对本技术复杂地层段进行加固处理，解决了地表土层软硬交错分布这一复杂地层中成桩困难的技术难题，对本行业的技术推进具有借鉴意义。
[0033]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0034]
图1为本发明“灰土挤密桩+螺杆桩”横断面示意图；
[0035]
图2为本发明“灰土挤密桩+螺杆桩”平面布置示意图；
[0036]
图3为本发明jzu120型螺纹钻杆细节示意图。
[0037]
附图标记说明：
[0038]
1、左侧排水沟，2、右侧排水沟，3、加固层，4、灰土挤密桩，5、螺杆桩，6、桩帽，7、下层6％的水泥土碎石垫层，8、双向经编涤纶土工格栅，9、上层6％的水泥土碎石垫层，10、左侧坡脚线，11、左侧土工格栅外边缘线，12、左侧加固边缘线，13、左侧路肩线，14、右侧路肩线，15、右侧土工格栅外边缘线，16右侧坡脚线，17右侧加固边缘线，18、钻杆，19、螺牙，20、动力头。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0040]
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0041]
本技术对应的施工实例为：
[0042]
某高速铁路地基dk045+978-dk46+200段地表由上至下分布粉土、粉质黏土(黄)、细圆砾土、粉砂、粉质黏土(褐色)、中砂，其中22m-27m范围为粉质黏土(褐色)层，无水，黏土呈坚硬状态，采用螺杆桩加固，本技术地基设计范围长221m，宽8m，桩径0.4m，桩深12-33m，正方形2m布置。
[0043]
如图1和图2所示，本发明提供一种提高软硬交错分布地层地基承载力的施工方法，采用螺杆桩结合灰土挤密桩对该复杂地层段进行加固处理，主要包括原地面处理、测量放样、灰土挤密桩施作、螺杆桩施作、桩间土体开挖、桩头处理、成桩检测、桩帽施工、垫层施工等；其中采用螺杆桩结合灰土挤密桩对复杂地层段地基进行加固，螺杆桩在穿越硬质粉质黏土(黄)层时采用“高压射水”的辅助手段对其进行软化。
[0044]
1、原地面处理
[0045]
地基加固前，在施工场地周围做好临时排水设施。清除地表耕植土，清除障碍物，标记处理场地范围内地下构造物及管线，在左右侧坡脚线10和16外侧设置左右侧排水沟1和2，其中左侧排水沟1下垫层采用三七灰土进行回填加固形成加固层3，地表处理采用人工配合挖掘机或推土机按不同的要求分段作业，处理后的基底要求平整。
[0046]
2、测量放样
[0047]
根据设计图纸将施工区域进行划分，并将各桩进行编号，定机定人进行管理。并将加固边缘线12和17、坡脚线10和16、土工格栅外边线11和15、路肩线13和14用石灰标识出来，灰土挤密桩4和螺杆桩5用彩旗标识出来。桩位放点根据桩位平面布置图及设计图纸施工放样，用钢钎在桩位处打孔并填满石灰做出标记。桩位偏差控制在50mm以内。
[0048]
3、灰土挤密桩4施作
[0049]
利用锤击将钢管打入土中，使之侧向挤密成孔，将钢管拔出后，在桩孔中分层回填3:7灰土夯实而成。一种具体实施方式中，灰土桩桩径为0.4m，桩间距为1m，呈正方形布置，采用灰土挤密桩对周边地基进行加固处理，锤击钢管挤压周边土体成桩，灰土挤密桩4通过螺杆桩桩帽6与螺杆桩5连接在一起共同组成复合地基，以承受上部荷载，螺杆桩桩径与灰土挤密桩桩径相同。
[0050]
参考铁路工程地基处理技术规程，可得到如下结论：
[0051]
(1)根据地基整体受力效果，灰土挤密桩宜采用正三角形、正方形、矩形布置。
[0052]
(2)灰土挤密桩桩孔直径可根据所选用的成孔设备、成孔方法和地基处理深度综合确定。挤密处理深度小于12m时，成桩直径宜为350-450mm；挤密处理深度超过12m时，可采用预钻孔，孔径宜为250-350mm，成孔直径宜为500-600mm。
[0053]
(3)灰土挤密桩处理地基的深度，应根据地基的土质情况、工程要求和成孔及夯实设备等因素综合确定。湿陷性黄土地基，应符合现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》(gb50025)的有关规定。灰土挤密桩主要是为了消除地基湿陷性，螺杆桩主要是提高地基土的承载力，增强其水稳性，降低压缩性和控制地基沉降变形为主要目的，因此螺杆桩相较于灰土挤密桩深度浅，最终满足地基承载力即可。
[0054]
(4)桩间距宜为桩孔直径的2.0-2.5倍，也可根据经验按下式计算：
[0055][0056]
α-系数，灰土挤密桩按正三角形布桩，取α为0.95，灰土挤密桩按正方形布桩，取α为0.89；
[0057]
s-桩孔之间的中心距离(m)；
[0058]
d-挤密填料孔直径(m)；
[0059]
d-预钻孔直径(m)，无预钻孔的挤密法中d＝0；
[0060]
ρ
dmax-轻型击试验确定桩间土最大干密度(kn/m3)；
[0061]
ρ
do-地基挤密前压缩层范围内各层土的平均干密度(kn/m3)；
[0062]
η
c-桩间土经成孔挤密，达到挤密填料孔直径d后，多个灰土挤密桩孔之间的平均挤密系数，为0.90-0.93。
[0063]
4、螺杆桩5施作
[0064]
(1)螺杆桩穿越层为粉土、粉质黏土(黄)、细圆砾土、粉砂、粉质黏土(褐色)、中砂，其中地表以下0-22m主要穿越地层为粉土、粉质黏土(黄)、细圆砾土、粉砂、粉质黏土(褐色)，地表以下22m-33m主要穿越地层为粉质黏土(褐色)、中砂，地层分布软硬交错。
[0065]
(2)地表以下0-22m穿越地层部分主要采用jzu120螺杆钻机钻进，在钻进过程中动力头20提供扭矩m＝300kn.m和加压力f＝400kn。
[0066]
(3)如图3所示，地表以下22m后穿越强度较硬的粉质黏土(褐色)时对jzu120型螺纹钻杆18进行部分改进，增大钻杆螺牙19之间的距离，同时在其钻杆杆芯注入高压水，由钻头射出高压水，采用“高压注水软化”的辅助手段对干燥、坚硬的粉质黏土层进行一定的软化，降低钻头进尺(切入)阻力，保障成孔顺畅。
[0067]
在杆芯端头5m范围内采用冲孔机施作射水孔，射水孔按照梅花型布置，孔径孔间距15cm，钻杆在硬质粘土层施工时通过连接水箱里面的单级离心增压泵，增压泵型号为isg20-160，扬程30m，输送水箱里面的水至粘土层起到软化效果，降低穿越过程中动能的损耗。
[0068]
钻杆钻进土层过程中，底部钻头掘削，身部螺牙挤压土体，螺牙与土体之间的极限摩阻力tf可分解垂直分力和水平分力，垂直分力抵抗加压力f，水平分力抵抗扭矩m，增加螺牙之间的距离可减小极限摩阻力，综合螺牙挤压土体效果和控制极限摩阻力的大小，将原来螺牙的间距s调整为2s(其中s＝1m)。
[0069]
5、桩间土体开挖
[0070]
螺杆桩应施工到地面以下0.5m，桩体强度达到设计强度的70％以后方可进行土层开挖，清土采纳小型机械设备及人工挖土、运输；小型机械挖土时应离开桩边20cm，余土用人工清除，以免对桩体造成破坏；坑底预留20cm土层人工清除，找平。
[0071]
6、桩头处理
[0072]
螺杆桩的混凝土强度到达龄期后采用截桩机三面环切截桩，禁止用重锤或重物横向打击桩体，以免造成桩顶标高以下的桩体横向断裂，桩头截断后，用钢钎、手锤将桩顶从四周向中间修平至桩顶设计标高(桩顶标高偏差控制在0
±
20mm)。
[0073]
7、成桩检测
[0074]
螺杆桩成桩7天内，采用低应变检查桩深完整性，检查数量为施工总桩数的10％；28天后，进行单桩或复合地基荷载试验，数量为总桩数的1％，且每个单体工程的复合地基静载试验的试验数量不少于3点。
[0075]
8、桩帽6施工
[0076]
桩帽在螺杆桩桩头处理检验合格后按照桩基点位进行施工，钢筋由钢筋加工场提供，平板车运至现场，人工绑扎；模板采用定型钢模板，运至现场中人工拼装；c35混凝土罐车运至现场，臂架泵入模，人工振捣，土工布覆盖洒水养护。
[0077]
9、垫层施工
[0078]
垫层由下层6％的水泥土碎石垫层7、双向经编涤纶土工格栅8、上层6％的水泥土的碎石垫层9组成。模板拆除后进行垫层施工，桩帽之间用掺6％水泥土的碎石填充，水泥土碎石厚度为0.5m，待桩帽之间碎石填充完之后在上面铺筑双向经编涤纶土工格栅，土工格栅铺筑完成后再在上面铺筑水泥土碎石为0.3m厚的掺6％水泥土的碎石填充。
[0079]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，采用螺杆桩结合灰土挤密桩共同对软硬土层交错分布的地基进行加固处理，具体为：多根灰土挤密桩以一根螺杆桩为中心围设于螺杆桩外，多根灰土挤密桩通过螺杆桩桩帽与螺杆桩连接在一起共同组合成复合地基，多根灰土挤密桩、中心的螺杆桩以及螺杆桩桩帽共同组成为一个地基单元，多个地基单元呈矩阵分布，多个地基单元上方施作双层垫层形成为地基，以承受上部荷载。2.如权利要求1所述的提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，多根灰土挤密桩以其对应的螺杆桩为中心形成为正三角形、正方形或矩形。3.如权利要求2所述的提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，所述灰土挤密桩与螺杆桩的桩径相同，所述灰土挤密桩的挤密处理深度小于12m时，成桩直径为350-450mm；挤密处理深度超过12m时，采用预钻孔，孔径为250-350mm，成孔直径为500-600mm。4.如权利要求3所述的提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，灰土挤密桩的桩间距为桩孔直径的2.0-2.5倍，或桩间距根据经验按下式计算：α-系数，灰土挤密桩按正三角形布桩，取α为0.95，灰土挤密桩按正方形布桩，取α为0.89；s-桩孔之间的中心距离(m)；d-挤密填料孔直径(m)；d-预钻孔直径(m)，无预钻孔的挤密法中d＝0；ρ
dmax-轻型击试验确定桩间土最大干密度(kn/m3)；ρ
do-地基挤密前压缩层范围内各层土的平均干密度(kn/m3)；η
c-桩间土经成孔挤密，达到挤密填料孔直径d后，多个灰土挤密桩孔之间的平均挤密系数，为0.90-0.93。5.如权利要求1所述的提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，所述螺杆桩在土层设定硬度范围内采用螺杆钻机正常钻进，所述螺杆桩在土层硬度超过设定硬度范围后，增大螺杆钻机的钻杆螺牙之间的间距，以减小钻杆与土层之间的极限摩阻力。6.如权利要求5所述的提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，所述螺杆桩在土层硬度超过设定硬度范围后，在钻杆杆芯内设置多个高压射水孔，其在杆芯端头呈梅花型布设，通过高压射水孔射出高压水对对应的土层进行射水软化，以减小钻杆与土层之间的极限摩阻力。7.如权利要求1所述的提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，螺杆桩成桩7天内，采用低应变检查桩身完整性，检查数量为施工总桩数的10％；28天后进行单桩或复合地基荷载试验，数量为总桩数的1％，且每个单体工程的复合地基静载试验的试验数量不少于3点。8.如权利要求1所述的提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，地基单元上方施作双层垫层由下层掺6％的水泥土碎石垫层、双向经编涤纶土工格栅、上层掺6％的水泥土的碎石垫层组成，下层水泥土碎石垫层厚0.5m，上层水泥土碎石垫层厚0.3m。9.如权利要求1所述的提高复杂地层地基承载力的施工方法，其特征在于，具体包括如
下步骤：步骤一、对施工场地地面进行处理并对各桩位进行测量放样标记，桩位偏差控制在50mm以内；步骤二、根据上述标记的桩位施工灰土挤密桩以及对应的螺杆桩，对于土层硬度超过设定硬度范围外的螺杆桩施工时，将螺杆桩对应的钻杆更换为钻杆螺牙之间的间距增大且钻杆的杆芯内设置有高压射水孔的钻杆，然后再进行钻进，同时通过高压射水孔射水辅助下沉；步骤三、螺杆桩混凝土强度达到龄期后采用截桩机三面环切截桩，将桩顶从四周向中间修平至设计标高，桩顶标高偏差控制在0
±
20mm，并检验成桩的完整性及荷载；步骤四、将同一地基单元中对应的多根灰土挤密桩以及螺杆桩通过桩帽连接为一体形成一个地基单元，施工完所有的地基单元；步骤五、施工垫层，桩帽之间用掺6％的水泥土碎石施工形成下垫层，下垫层厚0.5m，下垫层施工完成后在上面铺设双向经编涤纶土工格栅，最后在格栅上铺设6％的水泥土碎石形成上垫层，上垫层厚0.3m。

技术总结
本发明公开了一种提高复杂地层地基承载力的施工方法，采用螺杆桩结合灰土挤密桩共同对软硬土层交错分布的地基进行加固处理，具体为：多根灰土挤密桩以一根螺杆桩为中心围设于螺杆桩外，多根灰土挤密桩通过螺杆桩桩帽与螺杆桩连接在一起共同组合成复合地基，多根灰土挤密桩、中心的螺杆桩以及螺杆桩桩帽共同组成为一个地基单元，多个地基单元呈矩阵分布，多个地基单元上方施作双层垫层形成为地基，以承受上部荷载。本发明解决了地表土层软硬交错分布这一复杂地层中成桩困难的技术难题，且能够提高成桩效率即提高施工工效，满足安全、经济、环保、适用性等要求。适用性等要求。适用性等要求。


技术研发人员：史健 王哲峰 曹辉 徐庭 程道财 高俊 刘亮 蒋鑫 张伟刚 范占权 许岩磊 肖文钦 刘康
受保护的技术使用者：中交第二航务工程局有限公司
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/1