本发明主要应用于软土地基条件下加固地基，特别涉及一种用于软土地基的高吸水树脂吸水桩及其施工方法。
背景技术：
软土地基的主要组成成分有淤泥质粘性土、淤泥质粉土、泥炭、富含大量颗粒的松软土、较为松散的砂质土以及孔隙较大的有机质土，这些土质富含水分、土质疏松，具有低强度、低透水、高压缩、沉降快、不均匀等特点，难以承受工程的压力。
使用排水桩对软土地基进行处理是目前工程普遍使用的措施之一，但是现有的排水桩具有能耗高，抽水成本较高，的缺点。如真空排水预制管桩，在桩体上开设多个排水孔并设置过滤塞，在桩顶设有抽真空口和排水管出口，通过抽真空设备和抽水泵进行真空排水。
目前高吸水树脂主要应用于农业土壤改良，起到保水作用。本发明将高吸水树脂与桩基相结合，通过不同直径圆柱桩体预留高吸水树脂吸水体积膨胀空间，通过预制件装配式施工简化现场施工方式。
技术实现要素：
本发明提出了一种新型的高吸水树脂吸水桩，降低了传统排水桩需要采用泵抽水的成本，提高了环保性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提出的一种用于软土地基的高吸水树脂吸水桩，其特征在于，包括若干依次交替设置的第一桩体和第二桩体，相邻的所述第一桩体和第二桩体之间通过连接件连接；所述第一桩体的直径较第二桩体的直径大，且在第一桩体和第二桩体的连接处设有吸水件；所述吸水件包括高吸水树脂和将所述高吸水树脂包裹在内的透水约束层，所述吸水件吸收软土地基中的水体后在所述第一桩体和第二桩体形成的空间内膨胀。
进一步地，所述吸水件为环状结构，放置在所述第一桩体上与第二桩体形成的平台处。
进一步地，所述连接件包括预埋在所述第一桩体端部内的第一螺帽，位于所述第一螺帽内的垫片、卡片和内螺纹段，与所述第一螺帽固接并向第一桩体内部延伸的第一钢棒，以及预埋在所述第二桩体端部的第二螺帽、与所述第二螺帽固接并凸出于第二桩体端部的插杆和与所述第二螺帽固接并向第二桩体内部延伸的第二钢棒；所述垫片与第一螺帽的内侧壁固接；所述卡片具有若干卡爪，各卡爪的一端为固定端均与所述垫片固接，各卡爪的另一端为自由端，且各卡爪的自由端相较固定端均向第一螺帽的中心轴回缩，在卡爪面向第一螺帽内侧壁的一侧通过弹簧与第一螺帽的内侧壁连接；所述插杆具有相连接的球形端和外螺纹段，且在所述球形端和外螺纹段的连接处形成凸台，用于限制当各卡爪的自由端在弹簧作用力下的最大回缩位置，所述插杆的外螺纹段与第一螺帽内的内螺纹段相配合。
本发明第二方面提出的上述高吸水树脂吸水桩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)场地平整：清除地表杂物，并填平场地中的坑洼处，必要时用压路机压实表土；
(2)测量定位：明确现场控制点具体位置，根据控制点，施放轴线和桩位，每个桩点分别插短钢筋，并做成与所述第一桩体和第二桩体对应的等径模具；
(3)探桩：根据测量定位点，利用同直径的钢管用压桩机压穿土层，探明表层土的障碍物；
(4)吊桩插桩：用夹具持桩对准测量定位点插桩入孔内，必须保证第一节桩插入地下时位置及方向正确；
(5)压桩：利用桩机的重量由液压系统持桩将桩体垂直压入土中，并随时用两台经纬仪双向控制管桩的垂直度；
(6)接桩：桩下段沉离地面0.5-1.0m时开始接桩，首先将上节桩吊起，将上节桩与下节桩进行对准，利用连接件将上节桩和下节桩进行连接，然后清除上节桩和下节桩端板坡口内的浮锈、污物及杂物；用成90°方向的经纬仪调整上节桩的垂直度，符合要求后，对连接处进行涂抹环氧树脂；
(7)安装吸水件：当下节桩为第一桩体时，在第一桩体上与第二桩体形成的平台处放置吸水件，并将吸水件与下降桩固定。
相比于传统的排水桩，本发明的主要改进内容如下：
1、采用高吸水树脂。本发明将普通桩基与高吸水树脂结合。1)高吸水树脂为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。从化学结构看，它的主链或接枝侧链上含有羧基、羟基等强亲水性官能团，这些亲水性官能团与水的亲合作用是其具吸水性的最主要内因；从物理结构看，树脂是一个低交联度的三维网络，网络的骨架可以是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂。2)高吸水树脂具有很强的吸水性，能够吸收自身重量超过数百倍的水。吸水前，高分子网络是固态网束，未电离成离子对。当高分子遇水时，亲水性官能团与水分子的水合作用使高分子网束张展，产生网内外离子浓度差。如高分子网结构中有一定数量的亲水离子，从而造成网结构内外产生渗透压，水分子以渗透压作用向网结构内渗透，形成水凝胶。3)高吸水树脂具有高保水性。通过差热分析表明，高吸水树脂吸收的水在150℃以上仍有50％封闭在凝胶网络中。常温下即使施加压力，水也不会从高吸水树脂中逸出，这是由高吸水树脂的热力学性质决定的。在本发明中，将高吸水树脂随着桩基一起夯入软土地基中，高吸水树脂吸软土地基中的水分，从而达到加固软土地基的作用。
2、桩身设计。本发明的桩身由直径高度较大的第一桩体和直径高度较小的第二桩体组合构成，在第一桩体和第二桩体之间形成预留的供高吸水树脂体积膨胀的空间，减小体积膨胀对桩体的挤压，并借助第一桩体与第二桩体因大小不同而构成的平台放置高吸水树脂预制件。
3、施工方式。本发明的施工方法为装配式施工。主要的方式为：1)压桩：利用桩机的重量由液压系统持桩将预制桩垂直压入土中；2)接桩：将上节桩吊起，安装小螺帽、弹簧、插杆等连接插件，对连接处进行涂抹环氧树脂，连接插件对准下节桩的大螺帽，进行接桩；3)高吸水树脂：当下节桩为大圆柱桩时，将装有高吸水树脂环状预制件上的小螺帽与下节桩的大螺帽相连接。本发明施工方法工艺较简单、适用范围广。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1)无需采用泵抽水，降低成本，环保性好；2)吸水效率高且可通过增添高吸水树脂的量来控制吸水速率，软土固结速率快并且可控制；3)吸水效率不受桩基夯入深浅影响，可应用广泛；4)施工方式简单，适用范围广。
附图说明
图1、2分别是本发明实施例的一种高吸水树脂吸水桩的剖视图和俯视图。
图3是图1所示高吸水树脂吸水桩中第一桩体上设置的与第二桩体和吸水件的连接接口示意图。
图4a、4b分别是图1所示高吸水树脂吸水桩采用的连接件在连接前和连接后的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种用于软土地基的高吸水树脂吸水桩及其施工方法的应用实例。
参见图1、图2，本发明实施例的一种用于软土地基的高吸水树脂吸水桩包括若干依次交替设置的第一桩体1和第二桩体2，相邻的第一桩体1和第二桩体2之间通过连接件3连接；第一桩体1的直径较第二桩体2的直径大，在第一桩体1和第二桩体2的连接处还设有由高吸水树脂构成的吸水件4，该吸水件4吸收软土地基中的水体后在第一桩体1和第二桩体2形成的空间内膨胀，以减小吸水件4体积膨胀对桩体的挤压。
具体地，本发明实施例中，第一桩体1的外径为600mm、长度为6m，第二桩体2的外径为300mm、高度为4m，借助第一桩体1与第二桩体因大小不同而构成的平台放置吸水件4。由第一桩体1和第二桩体2构成本实施例高吸水树脂吸水桩的桩身，第一桩体1与第二桩体2的直径不同，用于预留高吸水树脂吸水体积膨胀的空间，减小体积膨胀对桩基的挤压，并形成放置吸水件4的平台。第一桩体1和第二桩体2为混凝土桩，可以是通过现场施工得到或者采用预制件。
第一桩体1的上、下表面的连接零件口如图3所示。本实施例中，第一桩体1和第二桩体2的接桩采用装配式机械连接，在第一桩体1的端部与第二桩体2正对的区域内设有若干均匀分布的第一连接接口11；吸水件4与第一桩体1的连接采用机械连接，在第一桩体1端部设有第一连接接口11的外圈区域内设有若干均匀分布的第二连接接口12。
本实施例中接桩的连接方式采用装配式机械连接，参见图4a、4b所示。连接件3包括预埋在第一桩体1端部内的第一螺帽31，位于第一螺帽31内的垫片32、卡片33和内螺纹段35，与第一螺帽31固接并向第一桩体1内部延伸的第一钢棒34，以及预埋在第二桩体2端部的第二螺帽21、与第二螺帽21固接并凸出于第二桩体2端部的插杆22和与第二螺帽21固接并向第二桩体2内部延伸的第二钢棒23。垫片32与第一螺帽31的内侧壁固接，卡片33具有若干卡爪，各卡爪的一端为固定端均与垫片32固接，各卡爪的另一端为自由端，且各卡爪的自由端相较固定端均向第一螺帽31的中心轴回缩，在卡爪面向第一螺帽31内侧壁的一侧通过弹簧(该弹簧在图中未示意出)与第一螺帽31的内侧壁连接。插杆22具有相连接的球形端和外螺纹段25，且在球形端和外螺纹段25的连接处形成凸台24。弹簧和垫片32用于保证卡片33平整到位；由于卡片33的各卡爪具有一定弧度，配合在球形端和外螺纹段25的连接处形成的凸台24，可以使得当插杆22的球头端与卡片33之间存在拉力时，拉力越大，卡片33对插杆22球头端的约束越大；插杆22上的外螺纹段与第一螺帽31中的内螺纹段旋紧配合，进一步防止插杆22从第一螺帽31中拔出；第一钢棒34和第二钢棒23分别用于向各自所在桩体传递荷载。通过连接件3实现第一桩体1和第二桩体2之间的连接，具体地，连接件3内各零件的装配过程为：插杆22伸入第一螺帽31的内螺纹段35并与各卡爪接触后，插杆22的球形端先将各卡爪向靠近第一螺帽31内侧壁的的方向挤压，此时各弹簧处于压缩状态，然后插杆22继续向第一螺帽31伸入，各卡爪在弹簧的反作用下使得卡爪的自由端向第一螺帽31的中心轴回缩，最终被球形端与外螺纹段25连接处的凸台进行限位，此时，插杆22的外螺纹端25与第一螺帽中的内螺纹端相配合，实现了第一桩体1和第二桩体2之间的连接。待连接件3安装到位后，在连接处涂抹环氧树脂，以避免软土地基中的水体进入连接件3中而腐蚀连接件，从而实现上节桩(图中所示为第二桩体2)与下节桩(图中所示为第一桩体1)的相接。
吸水件4由高吸水树脂和将该高吸水树脂包裹在内的透水约束层构成，透水层与相应的第一桩体1的上表面固定连接。高吸水树脂在吸水前为颗粒状，透水约束层可以采用透水膜或者透水网，通过透水约束层将高吸水树脂约束在透水层形成的空腔内，但软土中的水体可自由通过，即方便放置吸水件，同时又能保证回填土体后高吸水树脂不会被土体挤压到远离第一桩体1和第二状图2的区域内。在本发明中，将高吸水树脂随着桩身一起夯入软土地基中，具体地，待第一桩体1安装到位后，将吸水件4通过机械连接方式固定在第一桩体2端部除与第二桩体2相对的其他区域，高吸水树脂吸收软土地基中的水分且该水分又能保持在高吸水树脂中而不外流，从而达到加固软土地基的作用。高吸水树脂具有以下特质：1)高吸水树脂为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质，从化学结构看，它的主链或接枝侧链上含有羧基、羟基等强亲水性官能团，这些亲水性官能团与水的亲合作用是其具吸水性的最主要内因；从物理结构看，高吸水树脂是一个低交联度的三维网络，网络的骨架可以是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂。2)高吸水树脂具有很强的吸水性，能够吸收自身重量超过数百倍的水；吸水前，高分子网络是固态网束，未电离成离子对；当高分子遇水时，亲水性官能团与水分子的水合作用使高分子网束张展，产生网内外离子浓度差；如高分子网结构中有一定数量的亲水离子，从而造成网结构内外产生渗透压，水分子以渗透压作用向网结构内渗透，形成水凝胶。3)高吸水树脂具有高保水性，通过差热分析表明，高吸水树脂吸收的水在150℃以上仍有50％封闭在凝胶网络中；常温下即使施加压力，水也不会从高吸水树脂中逸出，这是由高吸水树脂的热力学性质决定的。
本发明实施例吸水桩的施工方法，包括如下步骤：
(1)场地平整：清除地表杂物，并填平场地中的坑洼处，必要时用压路机压实表土。
(2)测量定位：明确现场控制点具体位置，根据控制点，施放轴线和桩位，每个桩点分别插短钢筋，并做成与第一桩体和第二桩体对应的等径模具。
(3)探桩：根据测量定位点，利用同直径的钢管用静力压桩机压穿土层，探明表层土的障碍物。防止桩尖堵塞块石，以便顺利穿过土层。如果场地土层状况良好，为了提高工效，可以不用探桩，直接压桩即可。
(4)吊桩插桩：用夹具持桩对准测量定位点插桩入孔内，必须保证第一节桩插入地下时位置及方向正确，开始要轻压。
(5)压桩：利用桩机的重量由液压系统持桩将预制桩垂直压入土中，并随时用两台经纬仪双向控制管桩的垂直度。
(6)接桩：桩下段沉离地面0.5-1.0m时开始接桩，首先将上节桩吊起，安装小螺帽连接插件，对准下节桩大螺帽，然后用钢丝刷清除端板坡口内的浮锈、污物及杂物。用成90°方向经纬仪调整上节桩的垂直度，符合要求后，对连接处进行涂抹环氧树脂，连接插件对准下节桩的孔洞。
(7)安装吸水件：当下节桩为大圆柱桩时，将装有高吸水树脂环状预制件上的小螺帽与下节桩的大螺帽相连接。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
1.一种用于软土地基的高吸水树脂吸水桩，其特征在于，包括若干依次交替设置的第一桩体和第二桩体，相邻的所述第一桩体和第二桩体之间通过连接件连接；所述第一桩体的直径较第二桩体的直径大，且在第一桩体和第二桩体的连接处设有吸水件；所述吸水件包括高吸水树脂和将所述高吸水树脂包裹在内的透水约束层，所述吸水件吸收软土地基中的水体后在所述第一桩体和第二桩体形成的空间内膨胀。
2.根据权利要求1所述的高吸水树脂吸水桩，其特征在于，所述高吸水树脂在吸收软土地基中的水体前为颗粒状。
3.根据权利要求1所述的高吸水树脂吸水桩，其特征在于，所述透水约束层采用透水膜或者透水网。
4.根据权利要求1所述的高吸水树脂吸水桩，其特征在于，所述吸水件为环状结构，放置在所述第一桩体上与第二桩体形成的平台处。
5.根据权利要求1所述的高吸水树脂吸水桩，其特征在于，所述吸水件为预制件。
6.根据权利要求1所述的高吸水树脂吸水桩，其特征在于，所述连接件为预制件。
7.根据权利要求6所述的高吸水树脂吸水桩，其特征在于，所述连接件包括预埋在所述第一桩体端部内的第一螺帽，位于所述第一螺帽内的垫片、卡片和内螺纹段，与所述第一螺帽固接并向第一桩体内部延伸的第一钢棒，以及预埋在所述第二桩体端部的第二螺帽、与所述第二螺帽固接并凸出于第二桩体端部的插杆和与所述第二螺帽固接并向第二桩体内部延伸的第二钢棒；所述垫片与第一螺帽的内侧壁固接；所述卡片具有若干卡爪，各卡爪的一端为固定端均与所述垫片固接，各卡爪的另一端为自由端，且各卡爪的自由端相较固定端均向第一螺帽的中心轴回缩，在卡爪面向第一螺帽内侧壁的一侧通过弹簧与第一螺帽的内侧壁连接；所述插杆具有相连接的球形端和外螺纹段，且在所述球形端和外螺纹段的连接处形成凸台，用于限制当各卡爪的自由端在弹簧作用力下的最大回缩位置，所述插杆的外螺纹段与第一螺帽内的内螺纹段相配合。
8.根据权利要求1～7中任一项所述高吸水树脂吸水桩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)场地平整：清除地表杂物，并填平场地中的坑洼处，必要时用压路机压实表土；
(2)测量定位：明确现场控制点具体位置，根据控制点，施放轴线和桩位，每个桩点分别插短钢筋，并做成与所述第一桩体和第二桩体对应的等径模具；
(3)探桩：根据测量定位点，利用同直径的钢管用压桩机压穿土层，探明表层土的障碍物；
(4)吊桩插桩：用夹具持桩对准测量定位点插桩入孔内，必须保证第一节桩插入地下时位置及方向正确；
(5)压桩：利用桩机的重量由液压系统持桩将桩体垂直压入土中，并随时用两台经纬仪双向控制管桩的垂直度；
(6)接桩：桩下段沉离地面0.5-1.0m时开始接桩，首先将上节桩吊起，将上节桩与下节桩进行对准，利用连接件将上节桩和下节桩进行连接，然后清除上节桩和下节桩端板坡口内的浮锈、污物及杂物；用成90°方向的经纬仪调整上节桩的垂直度，符合要求后，对连接处进行涂抹环氧树脂；
(7)安装吸水件：当下节桩为第一桩体时，在第一桩体上与第二桩体形成的平台处放置吸水件，并将吸水件与下降桩固定。
技术总结