CN118007635A - 一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，先确定需要进行劈裂注浆的目标土层，并选择不同的注浆管布置形式；正常施工桩基，使桩端到达目标土层；通过注浆管首先注入高压空气，劈裂桩端土体；进而通过注浆管注入掺入纤维的固碳浆体；固碳浆体由CO2气体发泡并与轻烧MgO、工业固废(镁渣、钢渣)、工程渣土等混合制备而成；固碳浆体注入后，再次通过注浆管注入CO2气体对浆体进行二次碳化，最终在桩端形成浆脉加固体；施工下一桩基，在各桩桩端形成注浆体，注浆体最终结合形成具有更高承载能力的人工持力层。本发明可显著减少施工桩长，节约成本，提升桩基承载性能，并具有消纳工业固废、工程渣土及协同CO2固定的积极作用。
Description
技术领域
本发明属于桩基工程技术领域，涉及一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法。
背景技术
工程建设中很多地区地层多为深厚软土，浅部土层承载特性往往不能满足建筑物的荷载要求，需要深部较好的持力层，桩基础可向深部土层传递荷载，大幅提高地基承载力，减少沉降，在工程建设中得到广泛应用。
现有的桩基施工技术方法是将桩基打入地层深处满足承载力要求的土层(桩端持力层，如砂土层)，但在沿江滨海临湖地区广泛分布深厚软土，承载特性好的砂质地层往往埋深较大，这就导致设计桩长变长，严重增加桩基建造成本并延长工期；再者，桩长过长，极易出现下部桩体成桩质量难以保证，不利于工程建设。目前大量桥梁、建筑等的在役桩基，大多为群桩基础形式出现，当桩基竖向承载力不足时，或者由于建筑增层改造而使桩基面临更大的建筑荷载时，都需要提升在役桩基的承载性能；再者，在地下工程开挖(基坑、隧道)时，容易弱化邻近在役群桩基础的承载力，也需要提升在役桩基的承载性能。现有的施工技术方法中，群桩持力层多为没有经过处理的天然土层，对天然土层的自身承载能力要求高，因此，为解决上述问题，需要发明一种改进的人工持力层建造方法。
如中国专利CN201710545386.8公开了一种利用高压旋喷技术提高桩的承载力的施工方法，其包括以下步骤：根据地质勘探报告选择持力层土层以及设定预制桩的桩位和标高；在设计桩位处通过锤击或静压的方法将预制桩沉至设计标高处；通过预制桩上的预制桩孔将喷射灌浆管伸入预制桩端；进行高压旋喷作业。该专利技术存在以下缺陷：1)其是一种利用高压旋喷技术提升单个桩基承载力的施工方法，无法有效形成人工持力层；2)高压旋喷技术是利用高压泵将水泥浆液通过喷射钻管端头的特质喷头，以高速水平喷入并切削土体，形成土体与水泥浆固化体，无法形成大范围的人工持力层；3)高压旋喷的喷射钻杆直径较大，对于大直径桩孔的预制单桩较为适用，对于直径较小且预制桩形成群桩基础时不适用，容易出现因预制桩孔较小而引起憋管和埋管现象，且对钻杆的垂直度要求高；4)高压旋喷仅能喷射一定流动性的水泥浆液。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，以解决深厚软土地层中桩基设计过长、深部桩体成桩质量差、桩基承载性能提升等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
在一方面，本发明提供了一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，包括以下步骤：
(1)确定目标区域内需要进行劈裂注浆的目标土层；
(2)施工预制桩，使其桩基达到目标土层，并选择合适的注浆管布置形式；
(3)通过注浆管注入高压空气，劈裂桩端处目标土层的土体，使得土体产生裂缝；
(4)经注浆管注入掺入纤维的固碳浆体，固碳注浆体可以由CO2气体发泡并与轻烧MgO、工业固废(镁渣、钢渣)、工程渣土等混合制备而成；
(5)再次通过注浆管注入CO2气体对固碳浆体进行二次碳化，在桩端形成网状浆脉加固体；
(6)如上重复施工下一预制桩，使得不同预制桩桩端的网状浆脉加固土体联合形成较原始地层具有更高承载能力的人工持力层；
(7)测定人工持力层的承载能力，判断是否符合规范要求，如符合要求，即完成，如不符合要求，则循环上述步骤(3)至步骤(6)，直至人工持力层的承载能力符合规范要求。
进一步的，所述目标土层为位于坚实土层之上的软弱土层，具体为需要进行劈裂注浆加固以提升承载特性的土层。
进一步的，所述注浆管的长度不小于所述预制桩的长度。
进一步的，注浆管的布置形式可以选自沿桩孔中心布置、沿桩孔内侧壁布置、沿桩身环向竖直布置三种形式中的任一种，其用于扩散注浆范围，保证土体加固效果，提高施工效率等。
进一步的，所述注浆管采用预埋方式、或采用桩基打入目标土层后再后插的方式设置。注浆管垂直贯穿桩的两端，下沉一节桩基后，后续接桩过程应确保注浆管的搭接连通性，注浆管用于高压空气和水泥浆液的注入，起到加固桩端土层和形成人工持力层的作用。
进一步的，所述预制桩的桩端嵌入目标土层一定深度，优选的，深度不小于1.5倍桩端直径，这样可以增加浆液扩散范围，使浆液能充分在目标土层中扩散，保证注浆效果。
进一步的，步骤(3)中，注入的高压空气压力应满足下式且取两者大值：
Pf＝2σ3+σt
式中：Pf—高压空气的压力
σ3—土体的小主应力
σt—土体的抗拉强度
—土体的内摩擦角
C—土体粘聚力。
进一步的，所述固碳浆体由CO2气体发泡并与轻烧MgO、工业固废(镁渣、钢渣)、工程渣土等混合形成的浆体；所述纤维可选石棉水泥、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、植物纤维和高弹模合成纤维等。本发明的固碳浆体具有大面积形成人工持力层、消纳工业固废和渣土、固定CO2的协同作用效果等。纤维的掺入量控制在2％(质量比)左右，纤维长度控制在(3-8)mm，纤维对固碳浆体具有加筋作用，增强固碳浆体的抗拉、抗剪能力，对人工持力层的整体承载性能具有强化作用。
进一步的，固碳浆体二次碳化的时间建议不小于15小时。
进一步的，为了确保不同预制桩的桩端的注浆体之间形成人工持力层，所述桩与桩间距不大于6倍的单桩直径。
进一步的，人工持力层为目标土层经过各桩桩端的劈裂注浆加固，各条浆脉交织在一起，通过浆脉挤压土体和浆脉的骨架作用加固土体，形成的具有较高承载能力的水平方向的土层。所述人工持力层可以通过对桩端地层进行精准靶向加固进而改善桩基的承载性能。
在另一方面，本发明还提供了一种提高深厚软土层中桩基承载性能的方法，其采用如上任一所述的方法在软土层中建造符合承载要求的人工持力层，即完成。
与现有技术相比，本发明通过在预制桩的桩端进行劈裂注浆，加固软弱土层形成人工持力层，改变了现有桩基施工方法须打入深处性质较好土层的限制，显著减少桩长，从而保证成桩质量，节省经济成本，提高施工效率，缩短工期，并能提升桩基的承载性能，可在工程建设中推广应用；此外，还具有消纳工业固废、工程渣土及协同CO2固定的积极作用。
附图说明
图1是本发明实施例中人工持力层支撑预制桩的正视图；
图2是本发明实施例中人工持力层支撑预制桩的俯视图；
图3是本发明中预制桩中注浆管沿桩孔中心布置的位置示意图，；
图4是本发明中预制桩中注浆管沿桩孔内侧壁布置的位置示意图；
图5是本发明中预制桩中注浆管沿桩身环向竖直布置的位置示意图；
图6为本发明的施工流程图；
图中：1-承台，2-预制桩，3-桩孔，4-注浆管，5-人工持力层，6-上部结构，7-填土，8-粉质黏土，9-黏土，10-中砂层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施方式或实施例中，如无比特说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
为解决深厚软土地层中桩基设计过长、深部桩体成桩质量差、桩基承载性能提升等问题，本发明提供了一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，施工流程图如图6所示，包括以下步骤：
(1)确定目标区域内需要进行劈裂注浆的目标土层；
(2)施工带注浆管的预制桩，使得其桩基达到目标土层，并根据需要选择不同的注浆管布置形式，例如沿桩孔中心布置、沿桩孔内侧壁布置、沿桩身环向竖直布置等形式；
(3)通过注浆管注入高压空气，劈裂桩端处目标土层的土体，使得土体产生裂缝；
(4)经注浆管注入掺入纤维的固碳浆体，固碳注浆体可以由CO2气体发泡并与轻烧MgO、工业固废(镁渣、钢渣)、工程渣土等混合制备而成；
(5)再次通过注浆管注入CO2气体对浆体进行二次碳化，在桩端形成网状浆脉加固体；
(6)如上重复施工下一预制桩，使得不同预制桩桩端的网状浆脉加固土体联合形成较原始地层具有更高承载能力的人工持力层；
(7)测定人工持力层的承载能力，判断是否符合规范要求，如符合要求，即完成，如不符合要求，则循环上述步骤(3)至步骤(6)，直至人工持力层的承载能力符合规范要求。
在一些具体的实施方式中，所述目标土层为位于坚实土层之上的软弱土层，具体为需要进行劈裂注浆加固以提升承载特性的土层。
在一些具体的实施方式中，所述注浆管的长度不小于所述预制桩的长度。
在一些具体的实施方式中，所述注浆管采用预埋方式、或采用桩基打入目标土层后再后插的方式设置。注浆管垂直贯穿桩的两端，下沉一节桩基后，后续接桩过程应确保注浆管的搭接连通性，注浆管用于高压空气和水泥浆液的注入，起到加固桩端土层和形成人工持力层的作用。这样设置可以扩散注浆范围，保证土体加固效果，提高施工效率。
在一些具体的实施方式中，所述预制桩的桩端嵌入目标土层一定深度，优选的，深度不小于1.5倍桩端直径，从而增加浆液扩散范围，使浆液能充分在目标土层中扩散，保证注浆效果。
在一些具体的实施方式中，步骤(3)中，注入的高压空气压力应满足下式且取两者大值：
Pf＝2σ3+σt
式中：Pf—高压空气的压力
σ3—土体的小主应力
σt—土体的抗拉强度
—土体的内摩擦角
C—土体粘聚力。
在一些具体的实施方式中，所述固碳浆体由CO2气体发泡并与轻烧MgO、工业固废(镁渣、钢渣)、工程渣土等混合形成的浆体，所述纤维可选石棉水泥、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、植物纤维和高弹模合成纤维等。此处的固碳浆体可以采用如CN116063054B中所记载的料浆。
在一些具体的实施方式中，固碳浆体二次碳化的时间建议不小于15小时。
在一些具体的实施方式中，为了确保不同预制桩的桩端的注浆体之间形成人工持力层，所述桩与桩间距不大于6倍的单桩直径。
在一些具体的实施方式中，人工持力层为目标土层经过各桩桩端的劈裂注浆加固，各条浆脉交织在一起，通过浆脉挤压土体和浆脉的骨架作用加固土体，形成的具有较高承载能力的水平方向的土层。所述人工持力层可以通过对桩端地层进行精准靶向加固进而改善桩基的承载性能。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
以某工程现场为例，施工区域的土层自上而下为填土7、粉质黏土8、黏土9和中砂层10，其中，粉质黏土8和黏土9的承载能力较弱，中砂层10为具有一定承载能力的坚实土层。现有技术方法需要将桩打入中砂层10，利用中砂层10作为持力层，本实施例所提供的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，只需将预制桩2打入黏土9，通过桩端劈裂注浆加固黏土9，形成人工持力层5进行承载，显著缩短了桩长，参见图1至图2所示，其具体实施步骤如下：
步骤一：确定需要进行劈裂注浆的目标土层，在本实施例中为黏土9。
步骤二：根据黏土9深度确定预制桩2的桩长，桩长略大于黏土9的埋深，使桩端能嵌入黏土9，桩端嵌入黏土9的深度约为桩基直径的1.5倍；在预制桩2内设置注浆管4，注浆管4位于预制桩2的桩孔3内，可以是沿桩孔3中心布置，如图3，也可以沿桩孔3内侧壁等间隔布置，如图4，或者沿环向分布在预制桩2的桩身中，垂直贯穿桩的两端，参见图5，注浆管4可以预埋或挖除土塞后下放。
步骤三：通过注浆管4注入高压空气，劈裂桩端土体，使土体产生裂缝，增加浆液扩散范围。
步骤四：通过注浆管4注入掺入纤维的固碳浆体，此处的固碳浆体参照CN116063054B中实施例1的料浆制备得到，掺入的纤维为碳纤维，其掺加量为2wt％。
步骤五：再次通过注浆管4注入CO2气体对浆体进行二次碳化，碳化时间不小于15h，在桩端形成网状浆脉加固体。
步骤六：施工下一处的预制桩2的桩基，各桩桩端形成注浆体，使黏土9成为具有较高承载能力的人工持力层5。
步骤七：通过深层平板载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验等原位测试方法测定人工持力层5的承载能力，判断是否符合规范要求，若不符合要求，循环步骤四至步骤七，直至人工持力层5的承载能力符合规范要求。
施工承台1连接各桩的桩顶，形成群桩基础进行承载，然后施工上部结构6。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定目标区域内需要进行劈裂注浆的目标土层；
(2)施工带注浆管的预制桩，使得其桩基达到目标土层；
(3)通过注浆管注入高压空气，劈裂桩端处目标土层的土体，使得土体产生裂缝；
(4)经注浆管注入掺入纤维的固碳浆体；
(5)再次通过注浆管注入CO2气体对所述固碳浆体进行二次碳化，在桩端形成网状浆脉加固体；
(6)如上重复施工下一预制桩，使得不同预制桩桩端的网状浆脉加固体联合形成较原始地层具有更高承载能力的人工持力层；
(7)测定人工持力层的承载能力，判断是否符合规范要求，如符合要求，即完成，如不符合要求，则循环上述步骤(3)至步骤(6)，直至人工持力层的承载能力符合规范要求。
2.根据权利要求1所述的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，所述目标土层为位于坚实土层之上的软弱土层。
3.根据权利要求1所述的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，所述注浆管的长度不小于所述预制桩的长度。
4.根据权利要求1所述的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，所述注浆管在预制桩上的布置形式选自沿桩孔中心布置、沿桩孔内侧壁布置、或沿桩身环向竖直布置三种形式中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，所述预制桩的桩端嵌入目标土层的深度不小于1.5倍桩端直径。
6.根据权利要求1所述的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，步骤(3)中，注入的高压空气压力应满足下式且取两者大值：
Pf＝2σ3+σt
式中：Pf—高压空气的压力；
σ3—土体的小主应力；
σt—土体的抗拉强度；
—土体的内摩擦角；
C—土体粘聚力。
7.根据权利要求1所述的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，所述固碳浆体为由CO2气体发泡并与包含轻烧MgO、工业固废和/或工程渣土在内的成分混合形成的浆体；
所述纤维选自石棉水泥、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、植物纤维和高弹模合成纤维中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求1所述的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，固碳浆体进行二次碳化的时间不小于15小时。
9.根据权利要求1所述的一种预制桩内孔桩端劈裂注浆形成人工持力层的方法，其特征在于，相邻预制桩之间的间距不大于6倍的单桩直径。
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