超前加固预制桩植入工法研究及应用

第44卷第3期2 0 1 8 年 1 月

SHANXI ARCHITECTURE

山西建筑

Vol. 44 No. 3Jan. 2018

•岩土工程•地基基础.文章编号：1009-6825 (2018) 03-0052-03

超前加固预制桩植入工法研究及应用

郝彦超

1

李建勇

1

孙文怀

1

朱兆宇

2

(1.华北水利水电大学，河南郑州450008 ; 2.中建八局东孚投资发展有限公司，上海200000)

摘要:超前加固预制桩植入工法具有单桩承载力高、无污染和成本低等特点，在很多实际工程中得到了应用。通过改进施工设 备、优化施工流程等手段，解决了植入工法在施工中遇到的一些典型问题，并且通过实际工程验证了其效果,值得在实际工程中进 一步推广应用。

关键词:水泥搅拌桩，植入工法，施工工艺 中图分类号:TU473.1

文献标识码:A

秀丽[5]通过实验对比分析得出，当工程要求初凝时间为6 h~8 h 时，选用标准参量即可;李旭等人[6]通过试验，缓凝剂的掺量不超 过标量的1.5倍就不会对水泥强度造成影响。

在上述研究的基础上，通过对植人工法在实际应用中存在的 典型问题进行研究，并提出相应的优化改进方法，明显地提高了 施工效率。

植入工法优化改进方法

超前加固预制桩植入工法原理

植人工法[7]首先利用深层搅拌桩机施工方法将压人的水泥 浆液与周围土体强制拌和，使之形成水泥加固土体，达到超前加 固效果;之后，在水泥土发生初凝之前，用静压桩机将预制桩压人 水泥土中，在此过程中始终保持预制桩截面与搅拌桩的中心保持 吻合，直至桩顶设计标高。植人法结合了搅拌桩和预制桩两种施 工工法，有效发挥出了水泥搅拌桩的桩周大侧摩阻力和预制桩的 高强度的特性。

植人工法在实践中，在郑州地区取得了良好的效果，将预制 桩的单桩承载力提高了 33%。每个施工工法都不是完美的，植人 工法在施工过程中也遇到了很典型的工程问题，深层搅拌机械遇 见砂层进尺困难，进人砂层1 m~2 m后进尺不明显，几乎不进 尺，并且对桩头的磨损也很大，导致钻头咬合砂层困难;搅拌过 后，植桩施工不能及时跟上,水泥发生初凝，植桩困难，下面对这 些问题进行分析和提出解决工程措施。2.2搅拌机工艺优化

由于砂土层的抗剪强度相对于粉土、黏土比较大，搅拌桩机 在砂层中钻进困难，在进人砂层2 m后进尺几乎为零，无法达到 桩顶设计标高，满足不了设计要求。搅拌桩机在钻进时所受到的阻

1

概述

随着建筑楼层越来越高,在厚砂土层中进行常规方法的桩基

施工时，在持力层不变的情况下，往往造成有效桩长减小，从而导 致承载力无法满足设计要求。超前加固预制桩植人工法结合了 水泥搅拌桩和静压预制桩两种施工工艺，利用预制桩的高强度和 水泥土搅拌桩桩周大侧摩阻力的特性，使得植人桩比非植人桩 (未采用超前注浆对预制桩桩侧土体进行加固处理）的单桩极限

承载力有明显提高，植人桩的单桩承载力提高了 33%，有效解决 了“有效桩长短、承载力小”这一难题，植人工法具有单桩承载力 高、无污染和成本低等特点，得到了广泛的应用。

植人工法在解决“有效桩长短、承载力小”这一难题上效果明 显。但是,在工程实践中，也发现植人工法在应用中存在的一些 问题，如遇砂层搅拌钻进困难、钻头磨损严重、水泥初凝相对于施 工速度太快对植桩施工造成很大的影响，这些问题的存在使得施 工效率降低。

许多学者对桩基础的施工工艺、设备和材料等进行了研究。 许建军[1]通过对钻头受力分析及研究，设计出了麻花钻头，利用 麻花钻头的定心准确，并增加了其二次切削和对打散土体的导流 能力，减少了钻进阻力和对钻头的摩擦，有效提高了钻进效率;刘 丹[2]通过对钻孔驱动部分一液压驱动动力头及其液压系统进 行设计和优化，使得螺旋钻机钻进效率提高;陈南杰[3]通过室内 实验和工程实践，发明了两层四叶片钻头，叶片倾角0° ~ 30°,叶 片厚度10 mm ~30 mm;柳学花[4]通过总结前人研究成果和实验 数据分析，给出了深层搅拌施工参数匹配关系，建议采用两喷四 搅或者两喷六搅，钻头钻进和提升速度宜控制在〇. 8 m/min ~ 1.2 m

/min之间，每点水泥土搅拌次数宜控制在20次

2

2.1

~40次;韩

Li Xiaobing

(Shandong Province Dongying Urban Construction Engineering Quality Inspection Co. , Ltd, Dongying 257000, China)Abstract ： The construction parameters and technical points of integration construction in one vehicle depot are analyzed. High-position seismic isolation design for controlling construction quality is adopted. Analysis result shows that the structure performance and function can meet design object and code requirements.Key words： high-position seismic isolation, vehicle depot, quality control

收稿日期:2017-11-16

作者简介:郝彦超（1992-),男，在读硕士；李建勇（1982-),男，博士,讲师；孙文怀（1961-),男，硕士生导师,教授；

朱兆宇（1991-),男，工程师

High-position seismic isolation design and

quality control of integration construction in one vehicle depot

第44卷第3期2 0 1 8年1月

郝彦超等:超前加固预制桩植入工法研究及应用

• 53 •

力主要来源于钻头。钻头钻进时所受的阻力分为两个部分:1)钻

头切割土体时所需要的剪切力;2)钻头旋转钻进时，机械对钻头施 加轴向压力，叶片对其下面土体产生压力，相反叶片受到土体对它 的摩擦力；叶片上部土体受到剪切后，其原有结构被破坏，土体孔 隙度增大，在钻头旋转时土体无法上排出，反过来对叶片产生挤压 力和摩擦力。钻头叶片所受阻力可由式（1)计算：

⑴

其中，P。为刀刃单位长度的阻力,N/m;^为刀刃单位长度的 切削阻力，N/m;P2为刀刃单位长度上的压力，N/m;/y为刀刃与土 某拟建工程场地位于郑州市惠济区北部，该场地所属地貌单

元为黄河冲洪积平原，基坑深度6.5 m,拟建场地下水埋深8.00 m~9.50 m，地层分布较为均匀，砂层埋深约为15.00 m~ 17.20 m,厚 大约为 13.00 m~ 15.00 m。

在该工程中，粧顶标尚-11.5 m,粧的有效粧长为11 m,在 基坑中人土深度16 m(桩底到基坑地面的长度），桩间距1.8 m, 预制桩桩径为400 mm,搅拌加固桩径600 mm,单桩设计承载力 为1 900 kN。地层分布较为均匀，砂层埋深约为15. 00 m ~ 17.20 m，厚大约为13.00 m~ 15.00 m，具体土层物理力学参数 P〇=P, +fA

层间的摩擦系数。

其中：

⑵

最

(3)

其中，&为切削阻尼比,kPa;F为钻进速度，为钻具轴

向压力，kN;%为钻杆钻速，m/s。

通过工程实验验证表明，将钻头的四个叶片减少两个，使得钻 头旋转受到的阻力大大减小，从而使得钻进顺利；同时，施工工艺 采用两喷四搅或者两喷六搅，钻头钻进和提升速度控制在 0. 8 m/min ~ 1.2 m/min之间，每点水泥土搅拌次数控制在20次~ 40次[7]，可保证搅拌均匀性，从而可提高施工效率。2.3 水泥初凝优化

在施工时，先用深层搅拌桩机对土体与水泥浆进行强制搅 拌，然后再用静压桩机将预制桩压人搅拌的土体中，为避免因植 桩对周围土体挤压导致临桩植人困难，按照桩位依次植桩。一根 桩土体的深层搅拌时间为35 min ~50 min,桩间距1.8 m，静压桩 机作业时的安全距离为10 m,至少需要加固6根桩，从搅拌加固 到植桩时间间隔至少为210 min, —般水泥的初凝时间为60 min ~ 180 min,植桩时水泥已经发生了初凝，使得植桩困难。

为了延缓水泥初凝时间，加人适量的缓凝剂，缓凝剂主要成 分是羟基化合物、羟基羧酸盐及其衍生物、高糖木质素磺酸盐，因 其兼有减水的作用，也称为缓凝减水剂。韩秀丽[3]通过实验研究 得出，可以选用缓凝剂的标准掺量(水泥用量的〇. 1% ~ 1% )的偏 少者，初凝时间为6 h~8 h,实际工程也表明，采用这个标准可满 足工程需要。2.4钻头磨损优化

砂土的颗粒粒径和抗剪强度比黏土、粉土等软弱土层要大, 对钻头的叶片摩擦力也很大，对叶片的磨损很严重，使得直板叶 片对砂土咬合能力变弱，钻头对砂土层的切割力也变弱。在施工 中，为解决这一问题，将刚板直边叶片换成刚板锯齿边叶片，增加 钻头叶片对砂土层的咬合力，切割砂土层变得更加容易，如图1, 图2所示。

图1直板叶片钻头

图2

.冰

锯齿叶片钻头

3

工程实例3.1

工程概况

见表1。

表1各土层物理力学参数

土层名称

平均厚度

黏聚力C/kPa内摩擦角小/(°)

①杂填土0.59

②粉土3.5213.016.0③粉土

3.1810.017.0④粉土夹粉质黏土2.3811.016.5⑤粉质黏土

2.5516.57.0粉土1.8812.017.0⑥粉质黏土夹粉土

2.9417.08.0⑦粉砂1.383.025.0®_1粉质黏土

1.1816.08.0⑧细砂

12.

0

30.0

3.2植入工法优化后施工及效果

在此施工中，深层搅拌土层前，为防止水泥浆发生离析，将水 泥浆池设立在场地旁边，在注浆前进行搅拌均匀，边搅边注浆，这 样既避免了水泥浆发生离析，又不会因运输造成浪费。注浆压力 控制在0. 35 MPa ~ 0.5 MPa之间，缓凝剂取值0.3%根据深层搅拌 桩机进尺深度等情况取大小值;水灰比控制在〇. 45 ~ 0. 5之间;搅 拌钻头将直板型换成锯齿型钻头，钻头叶片长度为31. 5 cm,厚度2.6 cm,叶片倾角25°,叶片宽度9.6 cm,深层搅拌机械设备参数: 主电机45 kW,进给提升力198.8 kN。具体的施工顺序如下：

搅拌桩机对位—搅拌桩机搅拌钻进—搅拌提升—复搅—搅 拌桩机退位—静压桩机或柴油锤植桩。

钻头优化前后，在其他各项参数相同的情况下，深层搅拌土 层的深度及用时如图3所示。

制U«T码LU/丨lBI,s\"*浞蚶

w_fe

6

8 1012 14 16 18

钻进深度/m •9778

79 -10

108 8086

-22113

-11

109

110

-23

24

-12

87

图3钻头优化前后钻进时间、深度对比图

由图3可知，两叶片锯齿型钻头在进尺相同深度时总体用时 比四叶片直板型钻头少，进尺深度也比较深，四叶片直板型钻头 在遇见砂层后进尺非常困难，进尺无法达到桩顶标高。由此可 知,对钻头的优化，进尺效果得到了改善。

在保证其他参数相同情况下，水泥浆发生初凝前后（在此判 断发生初凝的标准是:未添加缓凝剂的搅拌土桩在超过4 h后植 桩的，判定为发生初凝），使用柴油锤机械将预制桩锤至桩顶标高 时锤击数对比图见图4,通过图4可知，没有初凝的搅拌土桩植人 预制时的锤击数比发生初凝的少100击~ 150击，提高了施工效

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山西建筑

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文章编号：1009-6825 (2018) 03-00-03

阿勒锦岛岸坡非饱和土体固结试验研究+

张庆海

摘要

周利军 赵爽 尹凯

(绥化学院农业与水利工程学院，黑龙江绥化152000)

:本试验利用仪器为单杠杆式固结仪(WG-1B),对阿勒锦岛天然岸坡非饱和原状土进行固结试验，研究其变化规律。试验

方法采用标准固结法。通过试验得出试样在每级荷载下的压缩变形量、压缩系数、压缩模量、体积压缩系数及回弹指数，并利用多 元回归线性公式拟合孔隙比与压力的关系曲线，得出=0.749,fi =0.9 7,进而得出阿勒锦岛岸坡土体属于中压缩性土。关键词：非饱和土，固结试验，压缩系数，多元回归线性公式中图分类号:TU411〇

引言

阿勒锦岛位于松花江江心主航道北侧，隶属于哈尔滨城区 段，是典型的河漫滩湿地，是松花江泛洪区自然形成的梭形江心 岛。江心岛东西长约7 km，南北最宽约1.3 km，汊河把江心岛分 为大岛和小岛两个部分[1_3]。江心岛的地理位置十分优越，与哈 尔滨市区隔江相望，松浦大桥、哈佳铁路桥与公路桥跨越岛屿的 东部，西部隔宾洲铁路桥与哈尔滨著名旅游景点太阳岛相望，对 外联系相对便利。2008年国家批准的《哈尔滨市城市防洪规划》 中提到:“近期狗岛可以做无堤利用”，充分利用狗岛资源优势，通率，节约了施工成本。水泥浆中加人缓凝剂后，可以保证6 h~8 h 内不会发生初凝,6 h内有足够的时间将预制桩植人，所以，加人

2 4

文献标识码:A

过科学规划，夏季可以为人们提供休闲度假场所，冬季可开发冰

雪娱乐活动，控制标准为三年一遇，相应水位117.20 m，这样的保 护利用不会给自然环境生态、航运及城市给排水带来不利影响[4]。

随着该的提出，江心岛开发利用被提上了日程，但相关 江心岛岸坡稳定性方面的研究却寥寥无几，而江心岛岸坡土体多 为砂土，其稳定性比较差，岸坡的稳定性受松花江水流的冲刷及 水位变动的影响较大。水流的冲刷作用和水位的高低变化，可以 改变岸坡土体的物理力学特性、渗透性指标、强度指标、岸坡坡体搅拌功率的提高有很大的研究空间。参考文献：[1]

许建军.长螺旋钻机麻花钻头钻进过程模拟及结构优化

缓凝剂后，取得了良好的效果。 6

8

淼咁*铝瑯

00000000

[2[3

---未发生初凝

4

图4植桩锤击数对比图

---发生初凝

[4[5

结语

通过植人工法在施工中遇见的进尺困难、水泥浆初凝过早工

[D].长沙：中南大学机电工程学院,2〇13.

] 刘丹.长螺旋钻机全液压自动钻进系统的研究[D].长 沙：中南大学机电工程学院,2007.

] 陈南杰.喷浆型深层搅拌桩搅拌头[P].中国专利： 20042001442.2,2004-1 •] 柳学花，程海涛.深层水泥土搅拌桩施工参数研究[J].公 路，2012(7) =24-28.

] 韩秀丽.缓凝剂与水泥的适应性研究[J].山西建筑,2009, 35(3) ：182-183.

时间和强度的影响[J].廊坊师范学院学报（自然科学版）， 2012(6) ：67-69,孙文怀,段素贞，牛玥，等.郑州地区超前加固预制桩植入 法技术研究[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），

程问题的分析，制定出相应的解决措施，并通过现场施工试验对 比分析得出：两叶片锯齿型钻头进尺效率比四叶片直板型钻头

高，在水泥浆中加人水泥量的〇. 3%的缓凝剂，延缓搅拌土桩初凝 时间，满足植桩施工的需要,并取得了良好的效果。本文减少了 钻头叶片数量，为保证搅拌均匀性，搅拌次数增加,相应的会降低 施工效率，为进一步提高施工效率，搅拌机械钻进系统优化改进和

[6] 李旭，吴小飞，崔金东，等.减水缓凝剂超掺对混凝土凝结

[7]

2015(6) ：14-15,

Hao Yanchao1 Li Jianyong1 Sun Wenhuai1 Zhu Zhaoyu2

(1. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450008 , China；2. Dongfa Investment and Development Limited Company, China Construction Eighth Bureau, Shanghai 200000, China)Abstract ： The implantation method of the pre-reinforced precast pile has the characteristics of high bearing capacity, less pollution and low cost, and has been widely used in many project application. By improving equipment of the construction machinery, optimization of construction process, the author solve some typical problems existing in the construction, and the effect is verified by practical engineering, and it is worth further popularization and application.Key words： deep mixing cement pile, implant method, construction technology

收稿日期:2017-11-15 ★:绥化学院科学技术研究项目（项目编号:K201702005)

作者简介张庆海（1988-),男，助教；周利军（1977-),男，副教授；赵爽（1983-),女,讲师；尹凯(19-),女，讲师

Research and application of pre-reinforced precast pile implantation method

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