引孔植入外包活性材料预应力管桩施工技术研究

引孔植入外包活性材料预应力管桩施工技术研究

方昀

华锦建设集团股份有限公司宁波市315000

摘要：引孔植入外包活性材料预应力管桩施工技术利用了活性材料水化膨胀效应，配合土工布袋及外包的网格状环向约束体塑形，可提高桩体承载性能，并且预应力管桩外包活性材料和土工布袋后，可减少地下水对桩身混凝土腐蚀。

关键词：引孔植入；活性材料；预应力管桩

Keywords：Holeinsertion；activematerial；prestressedpipepile

1前言

复合地基加固的桩型较多，其中，管桩具有单方混凝土承载力高、侧摩阻力大及抗弯性能好等优点，已被越来越多的软土地基处理工程所选用。然而，管桩因其桩身相对较薄，在地下水具有腐蚀性的地质条件下，桩身混凝土被侵蚀后，桩基承载能力被明显削弱，无法满足设计要求。

现有研究成果在适宜的工程条件下对软土地基加固效果良好，如活性材料桩具有成桩速度快、释放空隙水压力效果好等优点，而预应力管桩强度高、质量易控制、施工工序简单等。但仍存一定不足，主要体现在单一活性材料桩体承载力低、水泥土桩形状不易控制、薄壁管桩在腐蚀性工况下耐久性差等方面。针对上述缺点，研发了“引孔植入外包活性材料预应力管桩施工技术”，填补了国内相关空白。

2工艺原理

本技术施工完成后预应力管桩全桩长外包土工布袋，桩底端设有预制扩大桩尖，土工布袋底部捆绑固定于预制扩大桩尖之上；土工布袋内设置环向加筋体，环向加筋体底部与预制扩大桩尖上连接筋固定连接；土工布袋外紧箍网格状环向约束体[1]，预应力管桩与土工布袋之间填充有活性材料，活性材料吸水膨胀后被网格状环向约束体紧勒形成块状突起。

粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料（如火山灰、浮石、硅藻土、烧粘土、煅烧的煤矸石、煤渣等）、粉煤灰等，单一材料遇水不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。但前述矿物质材料在氢氧化钙溶液中，就会发生显著的水化，而且在饱和氢氧化钙溶液中水化更快。故将矿物质材料粉碎、碾磨后，加入其它胶凝材料（石灰、水泥），拌合均匀，利用地基水使石灰水化形成氢氧化钙，继而使粉状活性材料发生水化，直至固结。特别的，为充分利用活性材料水化膨胀的扩挤效果以及防止过度膨胀引起桩体外轮廓变形，本技术在有纺土工布袋内装填活性材料，并且布袋外套箍了钢塑格栅制成的网格状环向约束体，对水化后的活性材料有约束、挤密作用，促使包裹于预应力管桩外的活性材料按照设计形状膨胀变形。采用本技术施工完成的外包活性材料预应力管桩如图1所示。

图1外包活性材料预应力管桩示意图

3施工工艺流程

引孔植入外包活性材料预应力管桩施工工艺流程具体做法如图2

图2引孔植入外包活性材料预应力管桩施工工艺示意图

4操作要点

4.1施工前准备

在开始施工前，需做如下准备：

1.预制施工用桩尖，数量不小于设计桩体数量的1.1倍，以防制作不合格及搬运等过程中出现破损，用于替换，预制扩大桩尖设计如图3所示。

2.根据设计桩体大小制作环向加筋体、约束体和土工布袋，其中加筋体可采用钢筋网片或钢筋绑扎而成，约束体以扁平状钢塑格栅为宜，制作工艺符合国家及地方相关规范要求。

图3预制扩大桩尖示意图

3.预应力管桩由工厂预制后，集中运送至指定场地，运送和堆放过程中避免碰撞。

4.2桩体组合、附属连接

架起预应力管桩后，将预制扩大桩尖套入其端部，在连接处的管桩内适当灌入自密实混凝土，以加强两者连接强度，使桩底更加封闭。

将预应力管桩与预制扩大桩尖组合后，依次将环向加筋体、土工布袋和网格状环向约束体分别通过焊接或钢绞线绑扎固定在预制扩大桩尖各连接位置处[2]，其中土工布袋前期折叠放置，袋口临时固定于网格状环向约束体的横向格栅上，如图4所示。

4.3钻挖成孔

在桩位复核正确、地坪标高已测定的基础上，钻机才能就位；桩机定位要准确、水平、垂直、稳固，钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线[3]。

4.4桩体下压

桩体组合完成后，可采用振动沉桩（根据当地法令禁止采用振动法沉桩的，可采用静压法施工），通过下压预应力管桩，将整个桩体下压进入土体内，如图5、6所示。一般当振动下沉速度由慢变快，振动可由快变慢，如下沉速度小于5cm/min，或桩头冒水、振动甚大而桩不下沉时，应停振、检查。

图4桩体与各附属构件连接示意图

图5振动法沉桩

图6材料过磅称重

4.5灌入活性材料

当桩体下压至土工布袋袋口高度时，暂停下压，将土工布袋袋口向上提升1~2道网格状环向约束体横向格栅处高度并临时固定[4]，通过给料漏斗或高压泵向土工布袋内灌入活性材料。灌满后即可再次启动沉桩设备，通过机械振动，使活性材料振动密实，再次下沉至土工布袋袋口高度后，同样提升袋口，灌入活性材料。

活性材料可现场拌合，备足充分的石灰、粉煤灰或矿渣，各材料符合相应的技术指标，如《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》（JG/T315-2011）[5]等。每批进场石灰、粉煤灰应抽样送检，材料混合前需严格过磅称重，符合设计配比要求，如图4.5所示。

4.6膨胀成型

活性材料持续吸收桩侧土体内水分（桩体下压过程中，已吸收一部分土体或护壁泥浆内的水分），经充分水化后形成活性材料桩体，外包于预应力管桩。由于活性材料水化膨胀效应和土工布袋与约束体的裹缚，形成块状突起，挤压进入桩侧土体内。

5效益分析

5.1技术效益

本技术在利用活性散体材料可水化膨胀的物理化学性质，配合土工布袋和最外侧的约束体的塑形能力，将其外包于预应力管桩外，形成一种新型刚柔复合桩。通过活性材料桩体和预制扩大桩尖，将预应力管桩完全包裹，避免其直接接触地基土体，可避免腐蚀性地下水侵蚀桩体提高桩体耐久性；利用活性材料中生石灰与水化合的产物可水化其他矿物质材料、并促使其固结的特性，使外包的活性材料形成强度较高的柔性桩体，并且吸收土体内水分后，可加快土体固结；利用预应力管桩外活性材料的膨胀效果，挤密桩周土体，并且由于网格状约束体的紧箍作用，活性材料在桩侧形成块状突起，进一步增加桩侧摩阻力，提高了桩体承载性能，具有较高的技术效益。

5.2经济效益

本技术施工的预应力管桩外包活性材料桩体、桩端设置了预制扩大桩尖，提高了管桩的耐久性，在地下水对混凝土存在腐蚀性的工况下具有更强适用性，外包具有吸水性能的活性材料，吸收成孔时的护壁泥浆及桩侧土体内的水分，可减少废弃泥浆量溢出量；外包活性材料预应力管桩兼具排水固结和复合加固地基的作用，充分利用了活性材料吸收桩侧水分后的水化膨胀效应，承载性能好，桩体形态稳定；技术中采用的预制管桩、土工布袋和钢塑格栅约束体均可提前预制，可加快施工进度。桩体使用耐久性、地基加固等方面成效显著，可节约环境污染治理费用、缩短施工工时等，较之于传统钢筋混凝土劲芯水泥土复合桩施工，综合节省施工成本15%左右，具有较高的经济效益。

5.3社会、环保效益

本技术采用的活性材料具有吸水水化的效果，施工过程中泥浆溢出量少、无废弃水泥浆，不污染环境；桩体下压可选择静力压桩的方式，基本无噪音，不影响周围人群正常生产生活。

6结论

引孔植入外包活性材料预应力管桩施工技术适用于软土地区、欠固结土地区的地基处理工程，尤其适用于采用泥浆护壁引孔植桩施工桩基、存在地下水腐蚀混凝土等工况下的地基处理工程。经过实际工程应用得到如下结论：

1施工的外包活性材料桩体的预应力管桩兼具排水固结和复合加固地基的作用，相较于传统引孔植桩施工技术桩基承载能力损失小，充分利用了活性材料吸收桩侧水分后的水化膨胀效应，桩体形态稳定，不仅提高了桩体强度和桩侧摩阻力，而且减少泥浆污染，具有一定的环保效益。

2采用引孔植桩方式，挤土效应较小，外包的活性材料，可吸收成地基水，可加速桩侧土体的固结，提高桩侧土体的承载性能和侧摩阻力。

3采用外包土工布袋的活性材料，活性材料可吸收成孔时的护壁泥浆水分，减少废弃泥浆量溢出量，土工布袋包裹散体材料，形成整体，减少环境污染。

4活性材料在约束体和土工布袋包裹下膨胀，形成的活性材料桩体更密实，具有较稳定的塑形效果，进一步提高了桩体的竖向、水平及抗震性能。

5预应力管桩外包裹的活性材料水化膨胀后，可扩大活性材料桩体外径，而在外侧网格状环向约束体和土工布袋束缚下，其表面勒出块状突起并挤压入桩侧土体内，避免了传统引孔植入桩的预制桩尖扩孔效应导致的桩侧摩阻力损失。

参考文献：

[1]温新德，王淑会，王友健，等.一种软硬夹层交互地基排水预应力管桩及施工方法：，CN104131556A[P].2014.

[2]马智朋.浅谈桥梁工程钻孔灌注桩施工技术[J].城市建设理论研究：电子版，2013（16）.

[3]李刚.地基处理方法浅析[J].科学之友，2011（12）：76-77.

[4]谢宏云.施工振动对临近桥梁结构影响的研究[D].西南交通大学，2007.

[5]王永海，周永祥，王晶，等.《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》（JG/T315—2011）释义[J].粉煤灰，2012，41（4）：37-40.