一种扩径套管混凝土桩及其施工方法
阅读说明：本技术 一种扩径套管混凝土桩及其施工方法 (Expanded casing concrete pile and construction method thereof ) 是由 章丽莎 应宏伟 李冰河 张金红 刘冠 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种扩径套管混凝土桩及其施工方法,属于软土地基处理及桩基础技术领域,包括自下而上连接的预制锥尖、桩身套筒和预制桩头,桩身套筒由塑料套管和扩径套管交替连接组成,扩径套管的内侧套设有加劲筒,加劲筒由两个刚性环和若干个加劲肋组成,刚性环位于扩径套管的上下两端,加劲肋分布在刚性环的周向上,刚性环与加劲肋固定连接；通过刚性环支撑扩径套管的两端,通过加劲肋支撑扩径套管的主体。在注浆压力下,扩径套管发生膨胀,扩径套管能与桩侧土体紧密接触,从而能快速生成桩侧摩阻力；塑料排水板能及时排出打设混凝土桩所产生的超静孔隙水压力,有效提高软土地基强度,进一步提高扩径套管混凝土桩的承载力。(The invention discloses an expanding sleeve concrete pile and a construction method thereof, belonging to the technical field of soft soil foundation treatment and pile foundation, comprising a prefabricated cone tip, a pile body sleeve and a prefabricated pile head which are connected from bottom to top, wherein the pile body sleeve is formed by alternately connecting plastic sleeves and expanding sleeves; the two ends of the expanding sleeve are supported by the rigid rings, and the main body of the expanding sleeve is supported by the stiffening ribs. Under the grouting pressure, the expanding sleeve expands and can be in close contact with the soil body on the pile side, so that the pile side frictional resistance can be quickly generated; the plastic drainage plate can timely discharge the ultra-static pore water pressure generated by driving the concrete pile, effectively improve the strength of the soft soil foundation and further improve the bearing capacity of the expanded casing concrete pile.)
技术领域
本发明属于软土地基处理及桩基础技术领域，具体涉及一种扩径套管混凝土桩及其施工方法。
背景技术
塑料套管混凝土桩作为一种软基处理技术，主要应用于软土地区高速公路、干线公路以及市政道路等工程中，取得了较好的工程加固效果。
传统塑料套管混凝土桩施工过程中，塑料套管插入打桩机钢筒内，钢筒的前端顶紧预制桩尖后，通过静压或冲振的方式，将预制锥尖和桩身套筒打入地基。这就使得塑料套管混凝土桩的桩身直径势必小于预制锥尖的径向尺寸，导致桩身主体范围内桩土大面积脱空，塑料套管混凝土桩的承载力几乎仅靠桩端阻力提供。随着时间的延长，塑料套管混凝土桩打设区域的超静孔隙水压力缓慢消散，桩土慢慢接触后，桩侧摩阻力逐渐形成并不断增加，桩的承载力也随之增大。由此可见，传统塑料套管混凝土桩的早期承载力强度严重不足，且易受土层渗透特性和打桩施工现场因素的影响，承载力达到设计要求的时间较难确定，存在一定的工程风险。中国专利CN101532290 B公开了一种加固软土地基的塑料套管注浆桩及其成桩加固施工方法，该桩由桩帽、螺纹套管、土工布、接头、桩体及桩尖构成、套管顶部与桩帽连接，底部与桩尖连接，套管侧壁有开孔，外包土工布，每节套管用接头连接，套管内投放粒料并注浆，而形成桩体、桩周为浆液扩散区：成桩加固方法是将套管用接头连接至桩长深度，再连接桩尖，一并置于沉管中，用打设机将套管打入地基中，套管及桩尖留在地基中，向套管内投放粒料并注浆形成浆固散体材料柱体，在注浆压力下浆液扩散在桩周形成扩散区或土工布向外膨胀而形成葫芦桩身，在桩顶浇注桩帽，待桩身及桩帽干固后，铺加筋材料及碎石垫层，形成复合地基，此桩型可增加桩土间的接触，大幅度提高桩体的承载能力。但是此桩型浆液扩散易污染环境，特别是遇到渗透性较好的碎石土或砾石层，水泥消耗量过大，不符合低碳环保的要求；同时，与传统塑料套管混凝土桩一样，采用内径大于桩身直径的桩尖，并通过静压或冲振的方式将桩尖和套管打入地基，会导致桩体早期承载力强度不足。
此外，沉桩后，由于桩身的挤土效应在周围土体中会产生超静孔隙水压力，正常施工过程中桩体周围孔隙水压力消散缓慢，土体固结后可能使桩侧受到向下的负摩阻力作用，从而降低桩的承载力。因此，为了减小施工中沉桩挤土所引起的上述负面影响，必须降低施工过程中由于挤土效应所产生的超静孔隙水压力，并加快其消散；施工过程中地基的排水效果直接关系到沉桩质量的好坏。
因此，为应对现有塑料套管混凝土桩早期承载力不足，确保塑料套管混凝土桩加固软土地基的施工效率和加固效果，发展一种既能增加桩侧摩阻力又能排水的套管混凝土桩及其施工方法显得尤为迫切。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种扩径套管混凝土桩，能够快速生成并利用桩侧摩阻力，有效提高扩径套管混凝土桩的早期承载力。
为达到上述发明目的，具体通过以下技术实现：
一种扩径套管混凝土桩，包括自下而上连接的预制锥尖、桩身套筒和预制桩头，所述桩身套筒由塑料套管和扩径套管交替连接组成，所述扩径套管的内侧套设有加劲筒，所述加劲筒由两个刚性环和若干个加劲肋组成，所述刚性环位于所述扩径套管的上下两端，所述加劲肋分布在所述刚性环的周向上，所述刚性环与所述加劲肋固定连接；通过所述刚性环支撑所述扩径套管的两端，通过所述加劲肋支撑所述扩径套管的主体。
本发明扩径套管混凝土桩的扩径套管在混凝土浇筑过程中，在注浆压力下，扩径套管发生膨胀，其直径能接近或大于预制锥尖的直径；扩径套管能与桩侧土体紧密接触，从而能快速生成桩侧摩阻力，有效提高扩径套管混凝土桩的早期承载力，有利于提高软土地基的加固速度。此外，扩径套管内设置加劲筒，既能达到扩径的效果，又能保证扩径套管混凝土桩的桩身长度。
进一步的，所述预制锥尖上固定连接有套管连接件，所述桩身套筒通过所述套管连接件与所述预制锥尖固定连接。
进一步的，所述桩身套筒的顶端和底端均为塑料套管，所述塑料套管套设在所述扩径套管的外侧。桩身套筒的底端为塑料套管，塑料套管在浇筑混凝土后变形程度小，便于和预制锥尖固定连接；桩身套筒的顶端为塑料套管，便于和预制桩头固定连接。
进一步的，所述扩径套管的材质为橡胶，向所述扩径套管内浇筑混凝土后，在注浆压力下，所述扩径套管发生径向变形膨胀。橡胶的弹性模量和厚度根据扩径套管混凝土桩的扩径设计值确定；扩径套管的设置应避开含尖锐碎石的地层，以防扩径套管被破坏导致漏水漏浆。
进一步的，所述加劲筒的材质为不锈钢，所述加劲肋的数量为四根，所述加劲肋沿所述刚性环的周向均匀分布。便于对扩径套管进行支撑。
本发明还提供所述扩径套管混凝土桩的施工方法，包括以下步骤：
S1.测量放线，确定桩位和桩间塑料排水板的插打位置；插打塑料排水板，并通过排水管将排水系统与所述塑料排水板连接；在特征位置处钻孔，安装若干孔隙水压力传感器后回填，将孔隙水压力传感器导线与采集系统连接；
S2.将所述桩身套筒插入所述预制锥尖的套管连接件中固定连接；
S3.用吊绳将连接好预制锥尖的桩身套筒插入打桩机的钢筒内，钢筒的下端顶住预制锥尖；然后开启打桩机，将带预制锥尖的桩身套筒竖直向下打入地基，启动连接塑料排水板的排水系统持续向外排水；
S4.待预制锥尖达到设计桩深，向桩身套筒内注水，注至1/2桩长水量后上拔钢筒，边拔边注水，保持桩身套筒和预制锥尖留在地基中；
S5.重复步骤S3和S4，直至所有的桩身套筒打设完毕，用抽水泵将桩身套筒内的水抽净，再统一向所述桩身套筒内浇筑混凝土，并振捣密实；
S6.安装预制桩头，将预制桩头的预留钢筋插入桩身套筒内浇筑好的混凝土中；
S7.在预制桩头顶部铺设大面积高强度土工布后，铺设砂石垫层，与所述排水板连接的排水管设置在砂石垫层内。
进一步的，所述步骤S5中还包括向扩径套管混凝土桩的桩身套筒与土体的间隙间注浆。
进一步的，步骤S1中，所述排水系统包括真空泵和泥水分离装置。
进一步的，步骤S7中，所述预制桩头顶部的高强度土工布连成一体。以提高软土地基中扩径套管混凝土桩的整体性，提升软土地基的加固效果。
本发明从传统套管混凝土桩早期承载力不足的根本原因入手，一方面采用扩径套管，解决因使用(内径大于桩身直径的)预制锥尖和桩身套筒引起的桩土脱空问题，使得桩身与桩侧土体紧密接触，从而能快速生成桩侧摩阻力；另一方面，通过塑料排水板，迅速消散因静压或冲振的成桩方式产生的超静孔隙水压力，提高土体有效应力和地基承载力，增加桩土摩擦力，使得扩径套管混凝土桩尽快发挥承载力，有效提高扩径套管混凝土桩的早期承载力；通过扩径套管和塑料排水板两方面共同作用于提高混凝土桩的早期承载力。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)在混凝土浇筑和振捣的过程中，扩径套管将径向膨胀扩大，与桩侧土体紧密接触，从而能快速生成桩侧摩阻力，有效提高扩径套管混凝土桩的早期承载力；此外，还能在扩径套管混凝土桩长期服役的过程中，增加桩体承载力，减小桩体变形。
(2)本发明的塑料排水板通过排水系统能及时排出打设扩径套管混凝土桩所产生的超静孔隙水压力，有效提高软土地基强度；创造性地将其与扩径套管混凝土桩协同作业，进一步地提高扩径套管混凝土桩的桩侧摩阻力和承载力，提高地基加固速度，提升地基加固效果。
(3)在预制桩头顶部铺设并固定大面积连成一体的高强度土工布，能提高软土地基中成片的扩径套管混凝土桩的整体性，提升软土地基的加固效果。
(4)本发明施工方法中，通过向桩身套筒与土体的空隙间注浆，可以改良桩周土，进一步提高桩侧摩阻力，提高软土地基加固速度和加固效果。
(5)本发明中塑料排水板保留在加固土体中，能够在扩径套管混凝土桩加固地基长期服役过程中，及时排出土层中的积水，确保地基的强度和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的扩径套管混凝土桩的结构示意图；
图2为图1的A-A剖面示意图；
图3为图1的B-B剖面示意图；
图4为本发明实施例的扩径套管混凝土桩施工完成后的剖面示意图；
其中：1、塑料套管；2、加劲筒；2-1、刚性环；2-2、加劲肋；3、扩径套管；4、套管连接件；5、预制锥尖；6、混凝土；7、预制桩头。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中部”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，而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。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明的技术方案。
如图1～4所示，本实施例提供了一种扩径套管混凝土桩，包括自下而上连接的预制锥尖5、桩身套筒和预制桩头7，预制锥尖5上固定连接有套管连接件4，通过套管连接件4将桩身套筒和预制锥尖5进行紧密连接；桩身套筒内浇筑有混凝土6，桩身套筒自下而上由塑料套管1和扩径套管3交替连接组成，且桩身套筒的上下两端均为塑料套管1；塑料套管1套设在扩径套管3的外侧，塑料套管1和扩径套管3之间的端头用PVC胶粘剂连接牢固；扩径套管3的材质为橡胶，其弹性模量和厚度根据扩径套管混凝土桩的扩径设计值确定；扩径套管3的内侧套设有加劲筒2，加劲筒2由上下两个刚性环2-1和四根加劲肋2-2组成，两个刚性环2-1分别套设在扩径套管3的上下两端的内侧，四根加劲肋2-2均匀分布在刚性环2-1的周向上，刚性环2-1和加劲肋2-2的材质为不锈钢，通过焊接的方式刚性连接形成加劲筒2；通过刚性环2-1支撑扩径套管3的两端，通过加劲肋2-2支撑扩径套管3的主体。刚性环2-1和扩径套管3之间的端头通过PVC胶粘剂连接。桩身套筒顶部的塑料套管1同轴固定连接预制桩头7，预制桩头7的预留钢筋插入塑料套管1内浇筑完成的混凝土中6。
如图4所示，本发明扩径套管混凝土桩的扩径套管3在混凝土浇筑过程中，在注浆压力下，扩径套管3发生膨胀，其直径能接近或大于预制锥尖5的直径；因此扩径套管3能与桩侧土体紧密接触，从而能快速生成桩侧摩阻力，有效提高扩径套管混凝土桩的早期承载力，有利于提高软土地基的加固速度。此外，扩径套管3内设置加劲筒2，既能达到扩径的效果，又能保证扩径套管混凝土桩的桩身长度。
可根据工程中扩径套管混凝土桩设计的需求调整加劲肋2-2的数量；扩径套管3的设置位置应避开含尖锐碎石的地层，以防扩径套管3被破坏导致漏水漏浆；预制锥尖5和预制桩头7的混凝土强度等级大于C30。
本实施例还提供所述扩径套管混凝土桩的施工方法，包括以下步骤：
S1.测量放线，确定桩位和桩间塑料排水板的插打位置；插打塑料排水板，并通过排水管将塑料排水板与含有泥水分离装置的真空泵连接；在特征位置处钻孔，安装若干孔隙水压力传感器后回填，将孔隙水压力传感器导线与采集系统连接；
S2.将塑料套管1插入预制锥尖5的套管连接件4中固定连接，依次交替连接带有加劲筒2的扩径套管3和塑料套管1，直至达到设计桩长；
S3.用吊绳将连接好预制锥尖5的桩身套筒插入打桩机的钢筒内，钢筒的下端顶住预制锥尖5；然后开启打桩机，通过静压或冲振的方式，将带预制锥尖5的桩身套筒竖直向下打入地基，启动连接塑料排水板的真空泵持续向外排水；
S4.待预制锥尖5达到设计桩深，向桩身套筒内注水，注至1/2桩长水量后上拔钢筒，边拔边注水，保持桩身套筒和预制锥尖5留在地基中；
S5.重复步骤S3和S4，直至所有的桩身套筒打设完毕，用抽水泵将桩身套筒内的水抽净，再统一向桩身套筒内浇筑混凝土，并振捣密实；
S6.安装预制桩头7，将预制桩头7的预留钢筋插入桩身套筒内浇筑好的混凝土6中；
S7.在预制桩头7顶部铺设大面积高强度土工布，然后铺设砂石垫层，将排水管设置在砂石垫层内；待真空泵停止作业后，断开塑料排水板的排水管与真空泵的连接，将排水管与排水沟连接；完成对软土地基的加固。
步骤S1中，塑料排水板的插打位置根据扩径套管混凝土桩的打设深度和间距确定；孔隙水压力传感器安装的特征位置和安装数量，根据加固区域形状、面积、深度和扩径套管混凝土桩的打设位置确定；
步骤S2中，要保证扩径套管混凝土桩各部分密封连接，以保证步骤S4注水不渗漏，步骤S5灌注混凝土不漏浆。
步骤S3～S5中，真空泵的排水速度由孔隙水压力传感器测得的超静孔隙水压力值的变化情况确定，与扩径套管混凝土桩的桩头尺寸和打设速度相关；步骤S3～S7中，真空泵将持续排水作业，直至挤土区域的超静孔隙水压力完全消散，即孔隙水压力传感器测得的超静孔隙水压力值大小等于零，方可停止排水作业。
步骤S5中，若要进一步提高早期桩侧摩阻力，可通过向扩径套管混凝土桩的桩身套筒与土体的间隙间注浆。
步骤S7中，将预制桩头7顶部的土工布连接成一体，以提高软土地基中扩径套管混凝土桩的整体性，提升软土地基的加固效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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