碳纤维布钢筋混凝土多孔螺旋管桩的基坑降水及围护方法
阅读说明：本技术 碳纤维布钢筋混凝土多孔螺旋管桩的基坑降水及围护方法 (Foundation pit dewatering and enclosure method for carbon fiber cloth reinforced concrete porous spiral pipe pile ) 是由 康宝 沈建海 包华 孙晓龙 章旬立 郑凌逶 徐亦采 谢新宇 胡庆红 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种碳纤维布钢筋混凝土多孔螺旋管桩的基坑降水及围护方法。本发明采用预制碳纤维布钢筋混凝土多孔螺旋管桩,施工方便、具有较好的抗压与抗拔能力,并且在外部包裹碳纤维布时能够顺利钻入地下。碳纤维布包裹管桩后承载力、稳定性相对提高,从而可以降低砼标号、节约材料成本,同时碳纤维布作为电渗电极材料能够充分发挥电渗法在软土基坑降水中的优势,相较于金属电极不易受腐蚀影响、耐久性强,且由于螺旋钻入的方式与土体接触紧密从而提供良好的电接触工作性能。施工过程中先由钻机将预制管桩钻入土中,再接通电源进行电渗排水,并由排水系统将水抽出,降水完成后管桩继续作为围护桩使用,并在后续服役过程中能够及时调控地下水位。(The invention discloses a foundation pit dewatering and enclosing method for a carbon fiber cloth reinforced concrete porous spiral pipe pile. The prefabricated carbon fiber cloth reinforced concrete porous spiral pipe pile is convenient to construct, has better compression resistance and pull-out resistance, and can smoothly drill into the ground when being wrapped with the carbon fiber cloth. The bearing capacity and the stability of the carbon fiber cloth wrapped on the tubular pile are relatively improved, so that the concrete grade can be reduced, the material cost is saved, meanwhile, the carbon fiber cloth can be used as an electroosmosis electrode material to fully play the advantages of an electroosmosis method in soft soil foundation pit dewatering, compared with a metal electrode, the carbon fiber cloth is not easily affected by corrosion and has strong durability, and a spiral drilling mode is tightly contacted with a soil body, so that good electric contact working performance is provided. During construction, the prefabricated pipe pile is drilled into the soil by a drilling machine, then a power supply is connected for electroosmotic drainage, water is pumped out by a drainage system, the pipe pile continues to be used as a fender pile after precipitation is finished, and underground water level can be timely regulated and controlled in the subsequent service process.)
技术领域
本发明属于基坑工程领域，具体涉及一种碳纤维布钢筋混凝土多孔螺旋管桩的基坑降水及围护方法。
背景技术
随着我国城市的快速建设与人口数量的不断增加，城市用地资源短缺、交通压力剧增，而当前时代正是地下空间开发利用的黄金时代，合理开发利用城市地下空间并将之建设为高效的地下交通工程是目前解决城市道路交通问题的有效方法之一。随着各城市地下通道的建设与发展，明挖法施工面临的基坑规模和开挖难度逐渐增大，这对基坑围护体系的要求也不断增加，其中降水方法以及围护桩的设计与施工是基坑建设过程中极为重要的部分。
对于在滨海地区广泛分布的软土，由于其具有高含水率、高压缩性、低渗透性、低抗剪强度等特点，诸多排水固结方法中的电渗法能够使其进行高效排水，但也存在后期能耗较高、电极材料腐蚀严重、电极与土体接触性降低等因素限制其在工程中的发展与应用。碳纤维布由于其良好的导电性、较高的强度、与土体接触的柔韧性以及不具有传统金属材料存在的易受腐蚀特性，在电渗领域具有比较广阔的应用前景。然而碳纤维布无法像其他刚性材料一样被轻松打入至地下，因此其在基坑工程中难以得到应用。考虑到让螺旋桩携带碳纤维布进入地下的可行性，并且螺旋桩相较于打入式桩，其抗压与抗拔能力均较高。采用混凝土螺旋桩能够将外包在其表面的碳纤维布一同带入地下，为碳纤维布在围护桩上的应用创造可能性。
目前滨海地区基坑降水通常采用井点降水法，基坑围护通常采用大量灌注桩排桩，而针对软土土层尚缺少一种能够利用电渗优势对其进行土体排水与加固，同时结合井点降水与基坑围护的集降水与围护为一体的方法。
发明内容
为了更有效地扩大电渗法在软土地区基坑降水中的优势，解决传统电极电渗方法的一系列缺陷，并在基坑施工过程中将降水与围护紧密结合、服役过程中方便地下水位控制，本发明提出了一种碳纤维布钢筋混凝土多孔螺旋管桩的基坑降水及围护方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种碳纤维布钢筋混凝土多孔螺旋管桩的基坑降水及围护方法，该方法包括以下步骤：
(1)根据基坑尺寸与基坑位置处地下水位分布，确定管桩点位、型号，预制相应的钢筋混凝土多孔螺旋管桩；预制管桩的结构为：管桩壁沿桩长方向布设多排圆孔，管桩壁中下部设置螺纹凹槽，碳纤维布紧密包裹固定在管桩外壁，螺纹凹槽处的碳纤维布外侧嵌固外螺纹；
(2)钻机就位并将预制管桩按顺序钻入布设好的点位；
(3)布置供电系统以及抽水系统，将阳极管桩与电源正极相连，阴极管桩与电极负极相连，在各管桩内安设潜水泵并布设抽水管道，确定供电系统的安全以及抽水系统的通畅；
(4)接通电源进行电渗排水，随后启动不同的潜水泵对各管桩抽水；
(5)电渗排水一段时间后，断电并反转电极，然后再次接通电源进行电渗排水，该过程反复多次使基坑地下水位分布均匀；
(6)电渗排水断电后以及抽水停止后，该管桩能够对桩周土体起到加强作用，对基坑开挖起到更好的围护作用，并在后续服役过程中能够及时调控地下水位。
进一步地，所述步骤(2)中，所述管桩的钻入速率针对不同土质条件时应在1～4r/min。
进一步地，所述步骤(4)中，针对电渗作用下水位更高的阴极管桩，采用更高的潜水泵功率、更长的抽水时间。
进一步地，所述管桩的上半部无螺纹区域，管桩壁沿桩长方向均匀设置多排圆孔，相邻两排距离为5～10倍圆孔直径，每排均匀布置4个圆孔。
进一步地，所述管桩的下半部螺纹区域，管桩壁沿与螺纹角相同方向每隔四分之一圆周设置一个圆孔，圆孔位于相邻两层螺纹中间，不与螺纹重叠。
进一步地，所述管桩的多孔结构使周围地层赋存孔隙水、电渗阴极排水能够汇集并进入管桩，随后被抽水泵抽取。
进一步地，所述螺旋凹槽及外螺纹构成管桩的螺旋结构，分布在管桩从尖端至向上40％长度的范围内，螺纹角设置为30°～45°；所述外螺纹相对于管壁的突出部分宜为桩体直径的9％～11％、螺距应与多排圆孔相邻两排距离一致且不遮挡圆孔。
进一步地，所述管桩的螺旋结构需综合考虑碳纤维布-管桩、碳纤维布-土体的紧密接触以及管桩旋入土体过程中不至受过大阻力而破坏碳纤维布原有结构。
进一步地，阴阳极管桩的布置不应使电渗排水水流方向相斥、阻碍排水通畅，可阴阳极交错布置；围护结构边角管桩应采用阴极，以汇聚并抽取更多的电渗排水。
进一步地，一次阶段性电渗排水后反转电极，阴阳极位置互换后继续电渗，使得管桩对周围土体的加固效果趋于均匀、基坑地下水位分布趋于均匀，有助于高效排出更多水分。
本发明的有益效果是：本发明采用预制的外部包裹有碳纤维布的钢筋混凝土多孔螺旋管桩，对基坑施工进行降水及围护。预制的多孔螺旋管桩施工方便、具有较好的抗压与抗拔能力，并且在外部包裹碳纤维布时能够顺利钻入地下。碳纤维布包裹管桩后承载力、稳定性相对提高，从而可以降低砼标号、节约材料成本，同时碳纤维布作为电渗电极材料能够充分发挥电渗法在软土基坑降水中的优势，相较于金属电极不易受腐蚀影响、耐久性强，且由于螺旋钻入的方式与土体接触紧密从而提供良好的电接触工作性能。施工过程中先由钻机将预制管桩钻入土中，再接通电源进行电渗排水，并由排水系统将水抽出，降水完成后管桩继续作为围护桩使用，并在后续服役过程中能够及时调控地下水位。
附图说明
图1是本发明实施例提供的浇筑螺纹前的桩示意图；
图2是本发明实施例提供的浇筑螺纹后的桩与1-1断面的放大图；
图3是本发明实施例提供的碳纤维布在桩上的覆盖范围示意图；
图4是本发明实施例提供的桩的电极布置形式示意图；
图中，管桩1、圆孔2、螺纹凹槽3、外螺纹4、碳纤维布5。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明实施例提供的一种碳纤维布钢筋混凝土多孔螺旋管桩的基坑降水及围护方法，主要步骤如下：
(1)根据基坑尺寸与基坑位置处地下水位分布，确定管桩点位、型号，预制相应的钢筋混凝土多孔螺旋管桩；
(2)钻机就位并将预制管桩按顺序钻入布设好的点位，管桩的钻入速率针对不同土质条件时应在1～4r/min，例如在砂土层应在1～2r/min、在黏土层应在2～4r/min；
(3)布置供电系统以及抽水系统，将阳极管桩与电源正极相连，阴极管桩与电极负极相连，在各管桩内安设潜水泵并布设抽水管道，确定供电系统的安全以及抽水系统的通畅；
(4)接通电源进行电渗排水，随后启动不同的潜水泵对各管桩抽水，尤其是电渗作用下水位更高的阴极管桩，采用更高的潜水泵功率、更长的抽水时间；
(5)电渗排水一段时间后，断电并反转电极，然后再次接通电源进行电渗排水，该过程反复多次可使基坑地下水位分布均匀；
(6)电渗排水断电后以及抽水停止后，该管桩能够对桩周土体起到加强作用，对基坑开挖起到更好的围护作用，并在后续服役过程中能够及时调控地下水位。
预制的钢筋混凝土多孔螺旋管桩的结构，参见图1-图3，具体为：
管桩壁沿桩长方向布设多排圆孔，管桩壁中下部设置螺纹凹槽，将碳纤维布紧密包裹固定在管桩外壁，在螺纹凹槽处的碳纤维布外侧嵌固外螺纹。
具体地，管桩的多孔结构如下：
管桩的多孔结构使周围地层赋存孔隙水、电渗阴极排水能够汇集并进入管桩，随后被抽水泵抽取。在管桩上半部无螺纹区域，管桩壁沿桩长方向均匀设置多排圆孔，相邻两排距离为5～10倍圆孔直径，每排均匀布置4个圆孔；在管桩下半部螺纹区域，管桩壁沿与螺纹角相同方向每隔四分之一圆周设置一个圆孔，圆孔位于相邻两层螺纹中间，不与螺纹重叠。
具体地，管桩的螺旋结构如下：
钢筋混凝土多孔螺旋管桩形似螺钉，施工时需要将其旋入地下，相较于打入式桩基，其施工过程对四周的干扰较小且工期较短，此外其抗压与抗拔能力均高于相同尺寸的打入式桩基，故能够在一定程度上节省混凝土材料、降低混凝土标号。螺纹结构包括设置在桩壁上的凹槽以及能够嵌入凹槽的外螺纹，分布在管桩从尖端至向上40％长度的范围内，螺纹角设置为30°～45°；外螺纹相对于管壁的突出部分宜为桩体直径的9％～11％、螺距应与多排圆孔相邻两排距离一致且不遮挡圆孔。螺旋结构需综合考虑碳纤维布-管桩、碳纤维布-土体的紧密接触以及管桩旋入土体过程中不至受过大阻力而破坏碳纤维布原有结构。
电渗作用下碳纤维布对桩及桩周土、抽水系统的共同效果：
碳纤维布具有较高的强度和柔韧性，外包裹碳纤维布的桩体与桩周土体的接触面积显著增加，因此抗压和抗拔能力进一步提升；此外碳纤维布对桩体的约束作用使得桩在抗横向变形能力上明显提升，并且该约束作用使桩体在个别部位即便发生断裂、破碎后仍然保持较好的整体形状与承载能力；碳纤维布包裹在桩体外部还起到导电与滤土排水作用，使电渗法得以应用，流入管桩内的水不再含有大颗粒物质，从而确保管桩孔洞、管桩内壁和底部不会发生严重淤堵；在轻微淤堵情况下也可通过向管桩内通入反向水流从而达到清除淤堵效果，最终保证排水系统的正常运行。
碳纤维布具有良好的导电性、较高的强度、电渗过程中能够与土体保持较紧密的接触并且不像传统金属电极材料所存在的易受腐蚀特性，因此其在电渗中的耐久性与经济性较为优越。外包裹碳纤维布的管桩通过抽水降水方法，对管桩内水位的下降能够促进阴极电渗排水效果与阳极周围土体加固效果，同时电渗也能够加快阴极管桩内水的流动汇集、提高抽水效率，两者之间相辅相成、互相促进。
具体地，管桩的布置形式如下：
阴阳极管桩布置不应使电渗排水水流方向相斥、阻碍排水通畅，可阴阳极交错布置；围护结构边角管桩应采用阴极，以汇聚并抽取更多的电渗排水，如图4所示。一次阶段性电渗排水后反转电极，阴阳极位置互换后继续电渗，这使得管桩对周围土体的加固效果趋于均匀、基坑地下水位分布趋于均匀，同时这对排水通道的疏通较为有利，有助于高效排出更多水分。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
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