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摘要：桩周水泥土加强型现浇混凝土劲芯桩一体化技术对施工机械自重、动力要求小，在下压过程中形成桩周水泥土，并可控制喷浆压力和装置下压速度形成桩周及桩底加强体，内沉管现浇劲芯桩质量易控制，实现桩周水泥土加强型现浇混凝土劲芯桩一体施工、结合紧密。
关键词：桩周水泥土；现浇混凝土；劲芯桩
1 前言：
目前，水泥土劲芯组合桩的常规施工方法是在水泥土搅拌桩成桩之后、水泥土初凝之前，植入预制芯桩，待水泥土凝固后，芯桩与水泥土共同作用，承受上部荷载；也有采用沉管在水泥搅拌桩中心成孔，现浇混凝土形成复合桩；以及采用沉管内加夯锤，在水泥搅拌桩中心成孔灌注混凝土，并在指定位置进行夯扩，进而形成夯扩式的复合桩。上述几种方法都是将桩周水泥土（柔性体）与芯桩（刚性体）分时段施工，会出现水泥土搅拌桩超过初凝时间后受到芯桩强行插入造成桩身受到破坏、芯桩施工扩孔的挤土效应使邻近成品桩受损、在超过初凝时间完成施工的劲芯桩与水泥土结合不紧密导致荷载不能有效传递等情况。另外，采用常见的应用深层搅拌法形成桩周水泥土也存在着一定的不稳定性，主要体现在：搅拌机的钻进速度与供水泥浆系统输入浆液速度难协调，造成水泥掺量不足或不均匀，水泥入土体情况不明确，造成断桩或短缺；搅拌叶片的磨损使桩径不足，搅拌不充分，造成掺入不均匀、掺入量降低，加固土体的作用下降；受机械搅拌杆长度限制，水泥土包裹芯桩长度较短，荷载传递效果下降。对此研发了“桩周水泥土加强型现浇混凝土劲芯桩一体化技术”。
2 工艺原理
2.1 冲切扬升原理
通过喷浆管高压冲切施工装置底部斜下方土体，使土体与浆液拌合、近似流体，并随着后续浆液压入，向上翻涌，便于装置下压，并初步形成桩周水泥土。其原理是借助于高压射流冲击，切削破坏地层结构，将经射流冲击切削后的土石颗粒由于升扬作用带离原位置，由浆液替代并混合，形成桩周水泥土。随着装置下压深度增加，喷浆压力和混合浆液自重作用下，浆液对周围土体产生渗透效果，小幅度的加固了边缘土体，还可以促使水泥土与边缘土体结合更加密实。
2.2 双沉管原理
相对传统水泥土现浇劲芯桩施工采用单沉管内浇筑劲芯桩，本技术采用可来回旋转的内沉管（使旋喷管可全方位喷浆冲切土体，并且装置更易下压）外套一隔离用外沉管的双沉管施工装置。本技术施工装置中内沉管外壁带有支挡板及加劲板，以保证内沉管来回旋转时可带动桩尖旋转下压，并且沉管自身不会因较大的扭矩而变形破坏；外沉管同步内沉管下压但自身不主动旋转，隔离了内沉管与外部土体或浓稠浆液的接触[1]，可减少内沉管旋转时侧摩阻力，从而减小对施工机械动力要求；在外沉管和预制桩尖围合下，可减少带肋内沉管及高压喷浆管磨损，并方便回收。另外，钢制同心双沉管自重较大，结合装置底部预先形成水泥土，可减小机械下压力度，相对较小机械自重，相应的也可减小对地基前期处理时地基承载力要求。
2.3 水泥土与芯桩共同凝固原理
在沉管装置下沉过程中形成类流态的桩周水泥土，由于下部高压喷浆持续进行，上部早期水泥土也处于一定的流动状态，不会过早凝固；采用本技术施工时，装置下沉速度较快，形成扩大端头后即可向内沉管内灌注混凝土；在沉管上拔过程中，喷浆管仍然保持低压出浆，同步更换并加强混凝土芯桩临近水泥土强度。结合上述3点保障措施，可有效的促使水泥土与芯桩一体化施工，共同凝固。
3 施工工艺流程
桩周水泥土加强型现浇混凝土劲芯桩一体化工艺流程如图1所示:
4.2 桩位处挖孔
在设计桩位处采用机械及人工相结合掏土挖孔，孔洞挖深为500~1000mm，直径不小于桩周水泥土设计直径，孔底压平，可水平放置预制桩尖。孔侧预留浆液溢出通道，通至浆液回收井，6~8根桩体合用一个浆液回收井。
4.3 装置组合就位
将预制桩尖放入预挖孔内，其中外沉管限位槽内涂抹润滑油（减小内沉管带动桩尖旋转时，外沉管的被迫旋转的旋转幅度，可相对减小装置侧摩阻力），采用吊机将预制桩尖与双沉管组合，喷浆管临时定位于内沉管外侧壁，成对的支挡板内，穿过预制桩尖的预留孔。用多能桩架定位施工装置，顶部夹持双沉管并连接至钻机，并通过经纬仪矫正垂直度，连通喷浆管与注浆泵。
4.4 浆液配制及泵送
施工时回收再利用的浆液在注入注浆泵之前需通过湿磨机细化处理并过滤（回收浆液中可能有大颗粒腐蚀质、早期填埋垃圾等，可能导致喷浆口堵塞），细化处理后的浆液中颗粒的大小在1mm以下，并掺入适量水泥，是水灰比控制在1.0左右。开启注浆泵，在压力作用下，注浆泵将浆液通过喷浆管，经喷浆口向桩端斜下方喷浆，冲切土体，当注浆压力达到10MPa时，需停止泵浆。
4.5 装置旋转下压
通过桩架上钻机夹持内沉管并带动预制桩尖旋转，促使喷浆口的单向喷浆转化为旋转喷浆，使桩体周围土体被冲切，与稀水泥浆混合，形成流体状。钻机通过人为控制或计算机设定，正反向45°~90°来回旋转，正常旋转速率控制在6~10r/min，形成局部加强体时，旋转速率可加至15r/min。装置下压速度根据地质条件控制在0.5~2.0m/min。在相对松散土体内，为使周围土体与水泥浆充分拌合，即便可快速下压装置，仍保持低速下压[3]。
4.6 加强体施工
桩身加强体和桩底加强体都是通过降低装置下压速度，并增加浆液注入压力及装置旋转速率，促使水泥浆喷射范围增加而成。其中桩底加强体沉至设计底面标高500mm处，开始加压喷浆。
4.7 芯桩灌注
在内沉管内放置钢筋笼，为使钢筋笼保护层厚度达到规范要求，制作钢筋笼时，在笼身焊接角钢充当垫块，确保钢筋笼在内沉管的中心位置，保护层满足设计要求。
在地下水较丰富地区，即便有双沉管隔离，但内沉管中依旧会有积水或稀泥浆，混凝土灌注采用垂直导管灌筑法水下施工，灌注完成后充盈系数不低于1.2。
4.8 装置回拔
芯桩初步灌注完成后，将双沉管连同喷浆管一起拔起，上拔速度控制在1.0~2.0m/min，上拔过程中保持来回旋转，并及时进行空中补料；在装置上拔的同时，喷浆管内泵入浓水泥浆，并随着装置转动低压注浆，确保不破坏混凝土芯桩。直至双沉管拔出地面，立即拆除注浆连接管，清洗沉管身，移机至下一处桩位[4]。
4.9 桩顶水泥土处理
装置拔出后，根据桩顶的翻浆质量，可掺入水泥及细石、中粗砂，适当振捣搅拌，对顶部水泥土进行固化补强；也可考虑截桩等因素，暂时不做处理，仅铲去上部杂质、浮泥等[5]。
5 效益分析
5.1 技术效益
本技术利用新型施工装置进行桩周水泥土加强型现浇混凝土劲芯桩一体化施工，水泥土通长包裹劲芯桩身，并与现浇劲芯桩共同凝固，水泥土的有效范围和提供的传力效果更可靠；采用高压喷浆配合装置来回旋转，高压浆液冲切预制桩尖斜下方土体，不仅可减小桩端摩阻力，使装置下沉更加容易、快速，而且在装置下沉过程中将桩周土体改性为水泥土，相对加快整体施工进度；采用双层同心沉管，沉管旋转下压至桩底设计标高，再向内沉管内灌注混凝土，实现芯桩现浇，既能保证桩芯质量，也可避免出现传统预制劲芯桩插芯施工对已施工水泥土桩损问题，相对提高单桩承载力20%以上。
5.2 经济效益
本技术应用的施工装置除预制桩尖外，均可回收，装置下沉过程中均有水泥土包裹于外侧，最易磨损的外沉管在水泥土中也损伤较小，装置重复使用率较高；采用桩周水泥土加强型现浇混凝土劲芯桩一体化施工，相对传统施工方法使用机械班次及工作量相对减少，工序也相应简化，不仅减少设备人员投入，还可以提高施工效率；利用喷浆使装置下方土体流体化，使装置下沉对动力要求减小，并且对溢出浆液也进行回收利用。预制劲芯桩为防止运输过程中出现断桩常加配钢筋，而通过内沉管中现浇劲芯桩除了质量可保证外也可减少配筋率。具体分析如下：本技术每次施工桩体仅需预制钢筋混凝土桩尖，钢沉管几乎无损耗，施工后进行防锈蚀处理即可，与传统水泥土搅拌桩插芯施工搅拌叶磨损更换相比可节省部分设备损耗费；采用双沉管装置，装置自重较大，且采用外沉管围护、内沉管旋转方式，侧摩阻力较小，可有效降低桩架机械动力要求，降低能耗；采用本技术施工水泥土劲芯组合桩，施工耗时与水泥土预制劲芯组合桩相近，相对传统水泥土内沉管灌注劲芯桩提高施工效率25%以上，单桩施工可综合节省施工成本10%左右。
6 结论
桩周水泥土加强型现浇混凝土劲芯桩一体化技术适用于冲积平原区、粉土、细砂、淤泥质土等软弱地基中的水泥土劲芯桩施工，特别适用于桩周水泥土呈支盘状现浇芯桩的水泥土劲芯桩施工。经过实际工程应用得到如下结论：
1 内外沉管壁之间留有供喷浆管穿过空腔，劲芯桩灌注完成后，装置回收的同时继续低压喷浆，保证水泥土与劲芯桩共同凝固，且水泥土经加浆后临近劲芯桩侧质量提升，使荷载传递效果得到提升。
2 本技术通过预制桩尖和内沉管同时来回旋转下压，桩尖底部喷浆冲切土体，装置下沉过程中基本形成桩周水泥土，不仅使装置下沉容易、快速，且旋转喷浆范围可控制，对桩周土体固化质量有保障。
3 与传统施工方法采用机械搅拌相比，本技术对桩周土固化深度受机械限制较小，且水泥土可通长包裹劲芯桩身，水泥土的有效范围和提供的传力效果更可靠。
4 采用双层同心沉管，沉管旋转下压至桩底设计标高，再向内沉管内灌注混凝土，实现芯桩现浇，既能保证桩芯质量，也可避免出现传统预制劲芯桩插芯施工对已施工水泥土桩损问题。
参考文献：
[1] 徐立, 杨鸿亮. SMW技术在深基坑围护施工中的质量控制[J]. 建筑施工, 2004, 26(5):387-388.
[2] 刘成永. 基于水泥搅拌桩加固软土地基应用技术的研究[J]. 中国科技纵横, 2015(19):88-88.
[3] 陈睿. 基于ABAQUS对高速公路软土地基拓宽变形性状的应用研究[D]. 河北工业大学, 2014.
[4] 李宝英. 浅谈夯实水泥土桩地基的质量控制[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2013(20).
[5] 郭家驹. 已运营地铁车站盾构接收施工技术研究[J]. 建设科技, 2014(23):102-103.
论文作者:吴景春,周健
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/11
标签：水泥论文; 装置论文; 浆液论文; 混凝土论文; 现浇论文; 技术论文; 组合论文; 《防护工程》2018年第26期论文;