CN110644481A - 一种径向变模量复合桩及其施工设备和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种径向变模量复合桩及其施工设备和施工方法，复合桩包括由内至外依次设置的水泥砂浆芯柱、搅拌水泥砂浆土围柱和地基土，所述搅拌水泥砂浆土围柱由水泥砂浆和软土充分搅拌而成。本发明由径向模量变化的多层结构复合而成，各层搅拌均匀完整，可调整桩土应力比至合理范围，使得各组成部分均能充分发挥各自效果，体现了沉降设计理念。

Description

一种径向变模量复合桩及其施工设备和施工方法

技术领域

本发明涉及复合地基技术领域，具体涉及一种径向变模量复合桩及其施工设备和施工方法。

背景技术

复合地基的概念形成于20世纪60年代，指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强、或被置换、或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体(天然地基土体或被改良的天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。其理论是很多处理方法分析和设计的基础，如碎石桩、砂桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、素混凝土桩、CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)等。复合地基具有两个基本特点：一、加固区是由基体和增强体两部分组成的，是非均质的和各向异性的：二、在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。根据地基中增强体的方向有可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。

桩体复合地基技术种类繁多，其中水泥土搅拌桩技术是一种常用且较为经济的软土地基处理技术，其技术原理是通过特制的搅拌机械将水泥(浆液或者粉体)与地基土进行强制搅拌，利用水泥与土体之间产生的一系列物理化学反应，使地基土提高强度，改变土性，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的复合地基。

目前，水泥土搅拌桩已经成为我国应用最为广泛的地基处理技术之一，特别是被广泛应用于软弱地基处理，以增加地基承载力、减小地基沉降和不均匀沉降、提高稳定性。近十几年来，国内外都对泥搅拌桩技术进行了进一步的研究改进和完善，但是从近年来大量的水泥搅拌桩施工资料的统计分析表明，桩体搅拌不均匀和成形不完整是目前软土地基工况下水泥土搅拌桩质量的突出问题，其主要由于桩间土体与水泥浆液搅拌不充分、水泥浆液供给不均匀等因素影响，导致水泥与土体分离成块状或呈千层饼状，均匀性、完整性、强度等质量指标达不到设计要求。水泥土搅拌桩技术存在的搅拌不均匀、桩身不连续和桩体强度偏低以及施工冒浆导致环境污染及资源浪费等诸多问题会直接导致水泥土搅拌桩成桩质量不可靠，桩身模量不可控。

因此，开发一种可控变模量复合桩十分有必要。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题提供一种径向变模量复合桩，该复合桩由径向模量变化的多层结构复合而成，各层搅拌均匀完整，可调整桩土应力比至合理范围，使得各组成部分均能充分发挥各自效果，体现了沉降设计理念。本发明的另一个目的在于提供径向变模量复合桩的施工设备和施工方法。

为了实现上述目的，本发明的复合桩的技术方案是：

一种径向变模量复合桩，包括由内至外依次设置的水泥砂浆芯柱、搅拌水泥砂浆土围柱和地基土，所述搅拌水泥砂浆土围柱由水泥砂浆和软土充分搅拌而成。

与现有技术相比，本发明复合桩的有益效果是：

本发明高模量的水泥砂浆芯柱、中模量的搅拌水泥砂浆土围柱和低模量的地基土形成径向模量渐变的复合地基，各部分均一完整，桩土应力比可调整成合理范围，使得各组成部分均能充分发挥各自的效果，体现了按沉降设计的理念，大大提高了复合桩的质量可靠性。

优选的，所述搅拌水泥砂浆土围柱与所述地基土间还设有喷射水泥砂浆土围柱，所述喷射水泥砂浆土围柱由喷射的水泥砂浆与软土混合而成。

通过采用上述方案，在中模量的搅拌水泥砂浆土围柱和低模量的地基土间增设模量在两者之间的喷射水泥砂浆土，进一步提高了复合桩模量的可控性，同时提高复合桩的强度。

本发明的复合桩施工设备的技术方案是：

一种径向变模量复合桩的施工设备，包括螺旋钻杆、用于驱动螺旋钻杆的驱动设备和水泥砂浆池，所述螺旋钻杆内部设有贯穿的低压通道，所述低压通道上端通过低压泵连接所述水泥砂浆池，下端连通钻头设有低压出口，所述螺旋钻杆下部周面设有若干搅拌叶片组，所述搅拌叶片中空设置，且内部设有高压腔，所述搅拌叶片底面设有于所述高压腔连通的高压出口，所述螺旋钻杆内部设有高压通道，所述高压通道一端通过高压泵连接所述水泥砂浆池，另一端连通所述高压腔。

与现有技术相比，本发明的施工设备的有益效果是：

本发明螺旋钻杆内部设有低压通道和高压通道，下部周面设置中空的搅拌叶片，低压通道在螺旋钻杆提升时向钻孔内注入水泥砂浆用于形成芯柱和围柱；

本发明搅拌叶片在螺旋钻杆钻孔时预搅拌周围地基土，在螺旋钻杆提升时充分搅拌经过预搅拌的地基土与水泥砂浆，形成均匀度高的搅拌水泥砂浆围柱，大大提高围柱均一性，从而保证复合桩强度和质量；

本发明搅拌叶片内部设有与高压通道连通的高压腔，在螺旋钻杆提升时由搅拌叶片底面的高压出口喷出水泥砂浆，在离心力作用下水泥砂浆甩出，与***的地基土混合能够形成喷射水泥砂浆土围柱，从而快速形成复合桩结构。

优选的，所述搅拌叶片组沿所述螺旋钻杆轴向均匀分布，且搅拌叶片组包括相互呈180度的两个搅拌叶片，相邻所述搅拌叶片组相对垂直设置。

通过采用上述方案，提高搅拌叶片的搅拌均匀性，同时保证由高压出口喷射出的水泥砂浆的喷射均匀度。

本发明的复合桩的施工方法的技术方案是：

一种径向变模量复合桩的施工设备的施工方法，包括如下步骤：

S1、通过所述驱动设备控制所述螺旋钻杆钻孔直至设计深度，所述搅拌叶片对周边软土进行预扰动；

S2、通过所述驱动设备控制所述螺旋钻杆提升，同时控制所述低压泵工作，水泥砂浆由低压出口喷出，所述搅拌叶片对周边软土进行二次预搅动；

S3、通过所述驱动设备控制所述螺旋钻杆重新钻入，钻进过程中螺旋钻杆将步骤S2中注入的水泥砂浆挤入周边已经充分搅动的软土层中，经过所述搅拌叶片的搅拌形成搅拌水泥砂浆土围柱；

S4、通过所述驱动设备控制所述螺旋钻杆提升，同时控制所述低压泵工作，水泥砂浆由低压出口喷出形成水泥砂浆芯柱，所述搅拌叶片充分搅拌所述搅拌水泥砂浆土围柱。

与现有技术相比，本施工方法的有益效果是：

本发明通过增加搅拌叶片的螺旋钻杆快速形成复合桩结构，在施工过程中充分对地基土以及水泥砂浆进行搅拌，能够保证各层的均匀度，提高整体强度；

本发明搅拌水泥砂浆土围柱的水泥砂浆是由螺旋钻杆挤入经过预搅板的地基土内，能够保证其充分混合；

本发明施工方法简单，无需其他施工设备，成本低，施工效果好，普及性强。

优选的，所述步骤S2还包括控制所述高压泵工作，水泥砂浆由所述搅拌叶片底面的高压出口喷出，在离心力作用下甩出与***软土混合形成喷射水泥砂浆土围柱。

优选的，所述步骤S4还包括控制所述高压泵工作，水泥砂浆由所述搅拌叶片底面的高压出口喷出，在离心力作用下甩出与***软土混合形成喷射水泥砂浆土围柱。

通过采用上述方案，在螺旋钻杆提升时，通过高压泵控制由高压出口喷出水泥砂浆，在低压注入水泥砂浆的同时，在最***形成喷射水泥砂浆土围柱。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明的实施例的径向变模量复合桩的结构示意图。

图2是本发明的实施例的径向变模量复合桩的施工设备的结构示意图。

图中所示：

1、水泥砂浆芯柱；

2、搅拌水泥砂浆土围柱；

3、喷射水泥砂浆土围柱；

4、地基土；

5、螺旋钻杆；501、低压通道；502、低压出口；503、高压通道；

6、水泥砂浆池；

7、搅拌叶片；701、高压腔；702、高压出口；

8、低压泵；

9、高压泵。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，本实施例提供了一种径向变模量复合桩，包括由内至外依次设置的水泥砂浆芯柱1、搅拌水泥砂浆土围柱2和地基土4，搅拌水泥砂浆土围柱2由水泥砂浆和软土充分搅拌而成。

搅拌水泥砂浆土围柱2与地基土4间还设有喷射水泥砂浆土围柱3，喷射水泥砂浆土围柱3由喷射的水泥砂浆与软土混合而成。

高模量的水泥砂浆芯柱1、中模量的搅拌水泥砂浆土围柱2和低模量的地基土4形成径向模量渐变的复合地基，各部分均一完整，桩土应力比可调整成合理范围，使得各组成部分均能充分发挥各自的效果，体现了按沉降设计的理念，大大提高了复合桩的质量可靠性。

在中模量的搅拌水泥砂浆土围柱2和低模量的地基土4间增设模量在两者之间的喷射水泥砂浆土，进一步提高了复合桩模量的可控性，同时提高复合桩的强度。

如图2所示，本实施例还提供上述径向变模量复合桩的施工设备，包括螺旋钻杆5、用于驱动螺旋钻杆5的驱动设备和水泥砂浆池6，螺旋钻杆5内部设有贯穿的低压通道501，低压通道501上端通过低压泵8连接水泥砂浆池6，下端连通钻头设有低压出口502。其中驱动设备采用常用的地基钻孔机，图中未画出。

螺旋钻杆5下部周面设有若干搅拌叶片7组，搅拌叶片7中空设置，且内部设有高压腔701。

搅拌叶片7底面设有于高压腔701连通的高压出口702，螺旋钻杆5内部设有高压通道503，高压通道503一端通过高压泵9连接水泥砂浆池6，另一端连通高压腔701。

搅拌叶片7组沿螺旋钻杆5轴向均匀分布，且搅拌叶片7组包括相互呈180度的两个搅拌叶片7，相邻搅拌叶片7组相对垂直设置，提高搅拌叶片7的搅拌均匀性，同时保证由高压出口702喷射出的水泥砂浆的喷射均匀度。

螺旋钻杆5内部设有低压通道501和高压通道503，下部周面设置中空的搅拌叶片7，低压通道501在螺旋钻杆5提升时向钻孔内注入水泥砂浆用于形成芯柱和围柱；

搅拌叶片7在螺旋钻杆5钻孔时预搅拌周围地基土4，在螺旋钻杆5提升时充分搅拌经过预搅拌的地基土4与水泥砂浆，形成均匀度高的搅拌水泥砂浆围柱，大大提高围柱均一性，从而保证复合桩强度和质量；

搅拌叶片7内部设有与高压通道503连通的高压腔701，在螺旋钻杆5提升时由搅拌叶片7底面的高压出口702喷出水泥砂浆，在离心力作用下水泥砂浆甩出，与***的地基土4混合能够形成喷射水泥砂浆土围柱3，从而快速形成复合桩结构。

本实施例还提供了上述径向变模量复合桩的施工设备的施工方法，包括如下步骤：

S1、通过地基钻孔机控制螺旋钻杆5钻孔直至设计深度，搅拌叶片7对周边软土进行预扰动；

S2、通过地基钻孔机控制螺旋钻杆5提升，同时控制低压泵8工作，水泥砂浆由低压出口502喷出，搅拌叶片7对周边软土进行二次预搅动；

S3、通过地基钻孔机控制螺旋钻杆5重新钻入，钻进过程中螺旋钻杆5将步骤S2中注入的水泥砂浆挤入周边已经充分搅动的软土层中，经过搅拌叶片7的搅拌形成搅拌水泥砂浆土围柱2；

S4、通过地基钻孔机控制螺旋钻杆5提升，同时控制低压泵8工作，水泥砂浆由低压出口502喷出形成水泥砂浆芯柱1，搅拌叶片7充分搅拌搅拌水泥砂浆土围柱2。

优选的，还能够在上述步骤S2和S4中的一个或多个步骤增加如下操作：控制高压泵9工作，水泥砂浆由搅拌叶片7底面的高压出口702喷出，在离心力作用下甩出与***软土混合形成喷射水泥砂浆土围柱3。

在螺旋钻杆5提升时，通过高压泵9控制由高压出口702喷出水泥砂浆，在低压注入水泥砂浆的同时，在最***形成喷射水泥砂浆土围柱3。

高压泵9的具体工作频率以实际设计需求确定。

本实施例通过增加搅拌叶片7的螺旋钻杆5快速形成复合桩结构，在施工过程中充分对地基土4以及水泥砂浆进行搅拌，能够保证各层的均匀度，提高整体强度；

本实施例搅拌水泥砂浆土围柱2的水泥砂浆是由螺旋钻杆5挤入经过预搅板的地基土4内，能够保证其充分混合；

本实施例施工方法简单，无需其他施工设备，成本低，施工效果好，普及性强。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种径向变模量复合桩，其特征在于，包括由内至外依次设置的水泥砂浆芯柱、搅拌水泥砂浆土围柱和地基土，所述搅拌水泥砂浆土围柱由水泥砂浆和软土充分搅拌而成。

2.根据权利要求1所述的一种径向变模量复合桩，其特征在于，所述搅拌水泥砂浆土围柱与所述地基土间还设有喷射水泥砂浆土围柱，所述喷射水泥砂浆土围柱由喷射的水泥砂浆与软土混合而成。

3.一种如权利要求1或2所述的一种径向变模量复合桩的施工设备，其特征在于，包括螺旋钻杆、用于驱动螺旋钻杆的驱动设备和水泥砂浆池，所述螺旋钻杆内部设有贯穿的低压通道，所述低压通道上端通过低压泵连接所述水泥砂浆池，下端连通钻头设有低压出口，所述螺旋钻杆下部周面设有若干搅拌叶片组，所述搅拌叶片中空设置，且内部设有高压腔，所述搅拌叶片底面设有于所述高压腔连通的高压出口，所述螺旋钻杆内部设有高压通道，所述高压通道一端通过高压泵连接所述水泥砂浆池，另一端连通所述高压腔。

4.根据权利要求3所述的一种径向变模量复合桩的施工设备，其特征在于，所述搅拌叶片组沿所述螺旋钻杆轴向均匀分布，且搅拌叶片组包括相互呈180度的两个搅拌叶片，相邻所述搅拌叶片组相对垂直设置。

5.一种如权利要求3所述的一种径向变模量复合桩的施工设备的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过所述驱动设备控制所述螺旋钻杆钻孔直至设计深度，所述搅拌叶片对周边软土进行预扰动；

S2、通过所述驱动设备控制所述螺旋钻杆提升，同时控制所述低压泵工作，水泥砂浆由低压出口喷出，所述搅拌叶片对周边软土进行二次预搅动；

S3、通过所述驱动设备控制所述螺旋钻杆重新钻入，钻进过程中螺旋钻杆将步骤S2中注入的水泥砂浆挤入周边已经充分搅动的软土层中，经过所述搅拌叶片的搅拌形成搅拌水泥砂浆土围柱；

S4、通过所述驱动设备控制所述螺旋钻杆提升，同时控制所述低压泵工作，水泥砂浆由低压出口喷出形成水泥砂浆芯柱，所述搅拌叶片充分搅拌所述搅拌水泥砂浆土围柱。

6.根据权利要求5所述的一种径向变模量复合桩的施工设备的施工方法，其特征在于，所述步骤S2还包括控制所述高压泵工作，水泥砂浆由所述搅拌叶片底面的高压出口喷出，在离心力作用下甩出与***软土混合形成喷射水泥砂浆土围柱。

7.根据权利要求5所述的一种径向变模量复合桩的施工设备的施工方法，其特征在于，所述步骤S4还包括控制所述高压泵工作，水泥砂浆由所述搅拌叶片底面的高压出口喷出，在离心力作用下甩出与***软土混合形成喷射水泥砂浆土围柱。

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