适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基及其施工方法
阅读说明：本技术 适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基及其施工方法 (Tubular pile composite foundation suitable for high-fill collapsible loess field and construction method thereof ) 是由 邱明明 黄加昊 王弘起 孙杰龙 杨红霞 李盛斌 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基及其施工方法,管桩复合地基包括多个伞状扩底管桩组件、加筋褥垫层和黄土地基层,伞状扩底管桩组件包括管桩、伞状扩底结构、注浆管和注浆体,伞状扩底结构包括连接套筒、固定环、中心钢管、外扩钢管、三通接头、第一撑杆、固定接头和注浆接头。本发明中伞状扩底结构在竖向压力作用下可张开一定角度,通过高压灌注水泥浆液包裹伞状扩底结构,形成扩大的水泥土桩底增强结构,伞状扩底结构与管桩连接形成组合桩结构,提升了桩体的竖向承载能力,进而增强伞状扩底管桩复合地基竖向承载性能；可适用于高填方的湿陷性黄土地基处理,具有较好的抗沉、抗不均匀沉降和变形协调能力。(The invention discloses a tubular pile composite foundation suitable for a high-fill collapsible loess field and a construction method thereof. The umbrella-shaped bottom expanding structure can be expanded by a certain angle under the action of vertical pressure, the umbrella-shaped bottom expanding structure is wrapped by high-pressure poured cement slurry to form an expanded cement soil pile bottom reinforcing structure, and the umbrella-shaped bottom expanding structure is connected with the tubular pile to form a combined pile structure, so that the vertical bearing capacity of the pile body is improved, and the vertical bearing performance of the umbrella-shaped bottom expanding tubular pile composite foundation is further enhanced; the method is suitable for treating the high-fill collapsible loess foundation, and has good anti-settling, anti-differential-settling and deformation coordination capabilities.)
技术领域
本发明涉及高填方黄土工程地基处理技术领域，特别地，涉及一种适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基及其施工方法。
背景技术
高填方黄土场地工程主要问题为黄土地基工后固结沉降、增湿湿陷等诱发的不均匀变形问题，导致地基失稳、建筑结构开裂、大变形等灾害，严重影响工程结构服役安全。
现有技术中，公开号为CN101649613A的发明专利公开了一种扩大头预应力管桩及其施工方法，管桩包括：管桩本体和扩大头部，其中管桩本体的一端与扩大头部相连接，扩大头部设置有钢筋扩张装置；施工方法包括：1、钻孔；2、扩孔；3、放置带钢筋扩张装置的管桩入孔；4、将钢筋扩张装置扩张；5、将填料输送管从管桩内孔深入成孔底部；6、在孔壁和管桩间灌入填料，这六个步骤。申请号为202020449177.0的实用新型专利公开了一种伞状岩溶抗浮桩，包括桩体、拉杆与桩端伞状自扩结构，桩体采用圆筒状的钢管桩桩体，拉杆采用直径相当于桩体内径的钢管，桩端伞状自扩结构包括自扩杆、支撑杆与桩头，桩头呈圆锥形，定义桩头尖端一侧为前端，桩头固定设置在拉杆的前端，拉杆嵌套于桩体的圆筒状桩身中，自扩杆的前端与拉杆前端通过螺栓铰接，自扩杆的中部与支撑杆前端通过螺栓铰接，支撑杆的后端与桩体前端通过螺栓铰接。虽然上述现有技术的管桩或抗浮桩能在一定程度上增加高承载力或桩基抗浮能力，但仍不适用于高填方湿陷性黄土场地。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基，以改善和解决高填方黄土地基承载力和抗变形问题，提升高填方黄土场地建筑物安全性。
为实现上述目的，本发明提供了一种适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基，包括多个伞状扩底管桩组件、加筋褥垫层和黄土地基层，每个所述伞状扩底管桩组件均包括管桩、伞状扩底结构、注浆管和注浆体，所述管桩设置在所述黄土地基层内，所述伞状扩底结构包括连接套筒、固定环、中心钢管、注浆接头以及多个外扩钢管，所述连接套筒套设在所述管桩的底部外侧，所述固定环设置在所述管桩的底部且其外侧与所述连接套筒固定，所述中心钢管设置在所述管桩内且其下端伸出至所述管桩的下端面外，多个所述外扩钢管以所述中心钢管为中心呈辐射状分布，每个所述外扩钢管的上端均与所述固定环相连，且每个所述外扩钢管均通过一个第一撑杆与所述中心钢管连接，所述注浆接头连接所述注浆管的出浆口，所述注浆管设置在所述管桩内，所述加筋褥垫层铺设在所述黄土地基层上。
进一步的，所述固定环为由钢管制作而成的多边形结构，所述固定环上设有与所述外扩钢管的数量相适配的三通接头；每个所述外扩钢管的上端均通过一个所述三通接头与所述固定环连接。
进一步的，所述固定环内还设置有用于固定所述中心钢管的固定机构，所述固定机构包括套设在所述中心钢管上的固定套和连接所述固定套与所述固定环的多个第二撑杆。
进一步的，所述管桩内设有多个用于固定所述中心钢管的定位法兰，所述定位法兰包括外接钢圆环、内接钢管套筒和多个第三撑杆，所述外接钢圆环与所述管桩的内壁固定连接，所述内接钢管套筒套设在所述中心钢管上，多个所述第三撑杆均匀布置在所述外接钢圆环和所述内接钢管套筒之间。
进一步的，所述中心钢管上还套设有固定接头，多个所述第一支撑的下端均与所述固定接头铰接连接，多个所述第一支撑的下端上端分别与相应的所述外扩钢管铰接连接。
进一步的，所述连接套筒与所述管桩的搭接长度为0.3～0.5m。
进一步的，每个所述外扩钢管均由下端至上端从外向内倾斜设置；所述中心钢管和所述外扩钢管上均开设有多个漏浆孔，所述漏浆孔的孔径为0.8～1.5cm。
进一步的，所述注浆体包括由水泥浆液形成的第一注浆体和由M30注浆砂浆形成的第二注浆体，所述第一注浆体设置在所述伞状扩底结构的位置处，所述第二注浆体填充在所述管桩内；其中，水泥浆液的水灰比为0.5～1：1，注浆压力为0.5～1.0MPa；M30注浆砂浆的注浆压力为0.3～0.5MPa。
本发明还提供一种适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基的施工方法，采用上述的管桩复合地基，所述施工方法包括如下步骤：
S1、预制管桩和伞状扩底结构；
S2、在黄土地基层上施作管桩孔，所述管桩孔的孔径大于所述管桩的桩径；
S3、将所述伞状扩底结构和所述管桩依次放入所述管桩孔内，将所述注浆管与注浆接头连接，并将所述管桩与所述伞状扩底结构固定连接形成整体；
S4、在所述管桩的顶部施加一定压力，使所述伞状扩底结构张开至预定角度；
S5、将注浆管和中心钢管分别与注浆泵输浆管连接，先采用水泥浆液注浆在所述伞状扩底结构位置处形成第一注浆体，所述第一注浆体充分包裹伞状扩底结构，后采用M30注浆砂浆填充所述管桩内部，并形成第二注浆体；由此形成一个伞状扩底管桩组件；
S6、待所有伞状扩底管桩组件施工完成后，在所述黄土地基层上施作加筋褥垫层，最终完成所述管桩复合地基的施工。
进一步的，所述加筋褥垫层的厚度为0.3～1.0m。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的管桩复合地基，伞状扩底结构在竖向压力作用下可张开一定角度，通过高压灌注水泥浆液包裹伞状扩底结构，形成扩大的水泥土桩底增强结构，伞状扩底结构与管桩连接形成组合桩结构，提升了桩体的竖向承载能力，进而增强伞状扩底管桩复合地基竖向承载性能；可适用于高填方的湿陷性黄土地基处理，具有较好的抗沉、抗不均匀沉降和变形协调能力。
(2)、本发明的管桩复合地基，主要由管桩和底部伞状结构等预制构件组装而成，具有制作简便、节省材料、施工快捷、经济可靠等优点。可根据工程需求调整管桩、伞状扩底结构的尺寸大小，灵活布置，改善其强度和刚度性质，以满足不同地质条件下伞状扩底管桩复合地基承载性能的需求。
(3)、本发明的施工方法，通过在黄土地基层中布设多个伞状扩底管桩组件，并在其上施作加筋褥垫层共同组成管桩复合地基，伞状扩底结构预压后可张开一定角度，通过高压注浆后与周围土体形成扩大桩底结构的增强体，有效提升了伞状扩底管桩竖向承载力。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的
具体实施方式
一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1为本发明专利较佳实例的一种管桩复合地基的结构示意图；
图2为本发明中伞状扩底管桩组件的立体图；
图3为本发明中管桩复合地基的基桩平面布置图；
图4为本发明中伞状扩底管桩组件的纵向截面结构示意图；
图5为本发明中固定环与管桩配合的结构示意图；
图6为本发明专利较佳实例的定位法兰结构的平面图；
其中，1-管桩，2-伞状扩底结构，2.1-连接套筒，2.2-固定环，2.21-固定套，2.22-第二撑杆，2.3-中心钢管，2.4-外扩钢管，2.5-三通接头，2.6-第一撑杆；2.7-固定接头，2.8-注浆接头，3-定位法兰，3.1-外接钢圆环，3.2-内接钢管套筒，3.3-第二撑杆，4-注浆管，5-注浆体，6-加筋褥垫层，7-黄土地基层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参见图1至图6，本实施例提供一种适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基，包括多个伞状扩底管桩组件、加筋褥垫层6和黄土地基层7；具体为：在黄土地基层中布设多个伞状扩底管桩组件并在其上施作加筋褥垫层共同组成复合地基。
每个伞状扩底管桩组件均包括管桩1、伞状扩底结构2、注浆管4和注浆体5。管桩优选钢筋混凝土或型钢材料预制而成，以钢管管桩为例，优选管径为10～30cm，壁厚5～10mm。管桩设置在黄土地基层内，管桩间距可取0.5～2.0m，桩长为6～20m，可按等边三角形或正方形布桩。管桩采用钻孔方法施作管桩孔，管桩孔的孔径应大于管桩的桩径；管桩内部亦可布设钢筋笼，以增强其承载性能。
伞状扩底结构由连接套筒2.1、固定环2.2、中心钢管2.3、外扩钢管2.4、三通接头2.5、第一撑杆2.6、固定接头2.7、注浆接头2.8，各组成构件可采用型钢材料进行现场制作。具体地，连接套筒套设在管桩的底部外侧，连接套筒与管桩的搭接长度为0.3～0.5m。固定环设置在管桩的底部且其外侧与连接套筒固定；优选的，固定环为由钢管焊接而成的正六边形结构，优选的固定环外侧与连接套筒焊接连接；固定环上设有与外扩钢管的数量相适配的三通接头2.5，三通接头为紧套在固定环上的T型三通接头，外扩钢管的上端插在T型三通的朝下旁口。固定环还可依据设计需求设置为其他正多边形管环或圆形管环。
中心钢管设置在管桩内且其下端伸出至管桩的下端面外，中心钢管伸出管桩的长度大于外扩钢管在竖直方向上的投影的长度。多个外扩钢管以中心钢管为中心呈辐射状分布，每个外扩钢管的上端均通过一个三通接头与固定环连接，且每个外扩钢管均通过一个第一撑杆2.6与中心钢管连接。注浆接头固定安装在该六边形的固定环上，并与注浆管的出浆口相连接，注浆管设置在管桩内的一侧，加筋褥垫层铺设在黄土地基层上。该结构设置中，外扩钢管的数量可设计为三个或六个，也可依据复合地基设计承载要求和管环的选用适当调整钢管数量。加筋褥垫层的厚度为0.3～1.0m。
在本发明较佳的实施例中，固定环内还设置有用于固定中心钢管的固定机构，固定机构包括套设在中心钢管上的固定套2.21和连接固定套与固定环的多个第二撑杆2.22。中心钢管上还套设有固定接头2.7，多个第一支撑的下端均与固定接头铰接连接，多个第一支撑的下端上端分别与相应的外扩钢管铰接连接。该结构设置方便在对管桩顶部施加一定压力后，伞状扩底结构张开至预定角度。
在本发明较佳的实施例中，管桩内设有多个用于固定中心钢管的定位法兰3，多个定位法兰沿管桩的高度方向间隔布置。定位法兰采用钢管制作而成，定位法兰包括外接钢圆环3.1、内接钢管套筒3.2和多个第三撑杆3.3，外接钢圆环与管桩的内壁固定连接，内接钢管套筒套设在中心钢管上，多个第三撑杆均匀布置在外接钢圆环和内接钢管套筒之间，主要起固定作用，
在本发明较佳的实施例中，每个外扩钢管均由下端至上端从外向内倾斜设置。中心钢管和外扩钢管均采用型钢钢管制作而成，在钢管的管身上每间隔10cm距离钻一个漏浆孔，漏浆孔的孔径为0.8～1.5cm，多个漏浆孔呈梅花形布置，钢管全长可分为不钻孔止浆段、钻孔注浆段和锥头段。中心钢管优选管径为5～10cm；外张钢管优选管径为3～8cm。各构件具体规格可根据工程实际确定调整。
在本发明较佳的实施例中，注浆体包括由水泥浆液形成的第一注浆体和由M30注浆砂浆形成的第二注浆体，第一注浆体设置在伞状扩底结构的位置处，第二注浆体填充在管桩内；优选的，水泥浆液的水灰比(WC)为0.5～1：1，注浆压力为0.5～1.0MPa，也可以根据现场试验确定。M30注浆砂浆的注浆压力为0.3～0.5MPa。
本发明的一种适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基的施工方法，采用上述的管桩复合地基，施工方法包括如下步骤：
S1、首先预制管桩1和伞状扩底结构2；
S2、在预处理黄土地基层7上采用钻孔方法施作管桩孔，管桩孔的孔径大于管桩的桩径；
S3、然后将伞状扩底结构和管桩依次放入管桩孔内，将注浆管4与注浆接头2.8连接，并将管桩与伞状扩底结构连接牢固形成整体；
S4、在管桩的顶部施加一定压力，使伞状扩底结构张开至预定角度；也即预压后伞状扩底结构2可张开；
S5、将注浆管4和中心钢管2.3分别与注浆泵输浆管连接，先采用水泥浆液注浆在伞状扩底结构位置处形成第一注浆体，第一注浆体充分包裹伞状扩底结构，后采用M30注浆砂浆填充管桩内部，并形成第二注浆体；由此形成一个伞状扩底管桩组件；通过高压注浆后与周围土体形成扩大桩底结构增强体，提升伞状扩底管桩竖向承载力；
S6、待所有伞状扩底管桩组件施工完成后，在黄土地基层上施作0.3～1.0m厚加筋褥垫层6，最终完成管桩复合地基的施工。
在本发明较佳的实施例中，管桩1与伞状扩底结构2连接形成整体结构，通过注浆管4向伞状扩底结构2和管桩1注入注浆体与周围黄土地层实现共同承载作用，在管桩的顶部铺设加筋褥垫层6，实现均布承载和协调变形作用。
本发明的一种适于高填方湿陷性黄土场地的管桩复合地基的竖向承载机制为：上部建筑荷载传递至加筋褥垫层6，通过加筋褥垫层的均布荷载作用将荷载传递给伞状扩底管桩组件和黄土地基7，进而通过管桩-伞状扩底结构-桩间土协同作用承担上部荷载。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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