自張式人字形樁的製作方法

2023-05-08 20:22:21

專利名稱:自張式人字形樁的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種承載樁，尤其涉及一種自張式人字形樁。
背景技術：
隨著大型地下室在高水位地區的頻繁建設，依靠傳統豎直抗拔樁單純進行抗拔設計就凸現出造價高、工期長、抗拔效果不佳等缺點。
等截面豎直樁上拔時，拉拔力主要由樁側摩擦力承擔，通過樁身逐漸將荷載傳遞到深部土體。此時隨著樁頂位移的增加，樁身拉應力逐漸向下部擴展，直到樁尖為止。當樁尖處樁土相對位移達到臨界值時，該處摩阻力已達到極限，則整個樁身的摩擦力也已達到甚至超過了峰值，而後樁的抗拔力將逐漸下降。
由於生產日益發展，建(構)築物的基礎承受上拔力的情況愈來愈多。而利用樁基來提供抗拔力是較為常用形式，這種受拔力的樁稱為抗拔樁。以下基礎就常用抗拔樁來滿足工程要求的抗拔力1)高壓輸電線塔；2)電視塔等高聳建築物；3)承受浮託力為主的地下結構，如深水泵房，地下室或其他工業建築中的深坑；4)在水平荷載作用下出現上拔力的建(構)築物；CS)膨脹土或凍脹土地基上的建築物；5)海洋石油的鑽採平臺及洋面或潛水系泊系統的樁基；6)高層建築物主樓與裙樓連接處的樁基。
抗拔樁作為抗拔基礎的一種主要形式，相對於其它抗拔基礎，有著很多突出的優點象重力式基礎和深埋式錨板抗拔基礎，其抗拔承載力主要取決於回填土的土料以及壓實質量。首先取決於回填土的抗剪強度；其次是基礎的上拔容許變形量要求嚴格控制時，還取決於回填土的壓實密度和變形模量。由於開挖基坑時對地基土的擾動很大，回填土的均勻度和力學指標不好控制掌握，這些都對發揮原狀土的強度和變形特性不利；而對於抗拔樁，無論是挖孔、機擴孔或者灌注樁，樁周土相對地未受擾動或者擾動較少，其強度和變形特性與原狀土相差不多，有利於發揮原狀土的強度和變形特性。同時，抗拔樁還具有不需要開挖基坑，埋設後又要回填土等施工工序，有效縮短工期等優點。
進入21世紀後，隨著高層建築和基坑工程的大量湧現，抗拔樁使用越來越多。而現在為止還沒有成熟的有關抗拔樁的計算設計理論。相比於抗壓樁，抗拔樁在荷載作用下的荷載傳遞機理及計算方法是不太成熟得多。迄今抗拔樁設計方法仍處借鑑抗壓樁設計一方法階段，即以樁的抗壓側摩阻力值導入一個經驗折減係數後作為抗拔樁側摩阻力值以估算抗拔承載力。
抗拔樁的抗拔承載力由樁側抗拔力阻力、樁重和樁底部在受到上拔荷載作用時形成的真空吸力三部分組成。但是真空吸力在總抗拔力中佔的比例較小，並且往往在受荷後期可能會消失而常常不計。Tomlinson，M.J.認為粘土中樁的短期抗拔側摩阻力一般與抗壓側摩阻力相等，但短樁(L/d＝5＞的長期抗拔側摩阻力會小於抗壓側摩阻力。當為圓柱性樁時，3-4個月後長期抗拔承載力可降低0.5左右。其原因可能是由於上拔荷載作用下初期在樁底產生的真空吸力的消失及孔隙水壓力的產生與消散使土層內水分向樁轉移而使粘土發生軟化的緣故。對於稠度指標愈小的土(往往是超壓密粘土層)，這種長期承載力降低的現象愈明顯。
抗壓樁的樁側摩阻力常被稱為正摩阻力，而抗拔樁側阻力和前者的作用方向相反，稱之為負摩阻力。通常認為抗拔樁側摩阻力小於抗壓樁側摩阻力。但是實測結果往往相互矛盾，抗拔樁側摩阻力可以小於、等於甚至大於抗壓樁的側摩阻力，可見其內在規律遠非象估計的那樣簡單。而現行抗拔樁設計中，都認為抗拔樁側摩阻力小於抗壓樁側摩阻力。
我國對在砂質土層的鑽孔樁進行荷載試驗得到的實測資料分析後，得出抗拔樁側摩阻力為抗壓樁側摩阻力的0.16-0.34，入土深度愈淺比值愈小。
江蘇地區淤泥粉質粘土層採用潛水工程電鑽施工的鑽孔灌注樁(樁徑600mm，樁長20m)得到資料顯示，拔壓側摩阻力比值為0.6-0.80。從粉沙中的衝吸式等截面鑽孔灌注樁(樁徑450mm，樁長12m)的抗拔側摩阻力與抗壓側摩阻力比值為0.9左右。
我國港口工程技術規範規定了一個從抗壓樁側阻力確定抗拔樁側阻力的折減係數0.8。
上述比值有較大離散性，原因是多方面的(1)抗壓樁的樁側摩阻力有的採用實測值，有的選用經驗方法劃分的數值，(2)灌注樁施工難以控制，計算樁徑與實測樁徑有較大出入，而樁側即使只有不大的突出部分也能使抗拔承載力有明顯提高，(3)土層的多樣性等。影響單樁抗拔承載力的因數是多方面的，主要因數有(1)樁的類型及施工方法；(2)樁的長度；(3)地基的類別；(4)土層的形成歷史；(5)樁的加載歷史；(6)荷載的特性；因此在確定抗拔樁承載力時，首先要區分各種情況，考慮各種因數，盲目用一種方法可能是錯誤的。而目前某些規範採用抗壓樁側摩阻力導入折減係數以確定抗拔樁承載力的做法顯然不夠妥善。深入研究抗拔樁的受力性狀，能更好的指導抗拔樁的施工與設計。這是本研究課題的意義所在。
抗拔樁按照其所處的土層，可以分為兩種一是砂土地基中的抗拔樁二是軟土地基中的抗拔樁。按樁的形狀大致可以分為等截面抗拔樁和非等截面抗拔樁，其中非等截面抗拔樁主要是擴底樁。
劉祖德(1995，1996)比較系統的介紹了抗拔樁基礎，對抗拔樁基礎受力性狀和應用範圍等做了較詳細的介紹。史鴻林等(1996)在現場大直徑鑽孔灌注樁的原型抗拔試驗基礎上，對樁的抗浮安全度、荷載傳遞機理和抗拔樁對其周圍土體的影響等進行了研究。杜廣印等(2000)對抗拔樁的側阻和抗壓樁的做了對比研究，在一定假設的基礎上得到了影響側阻的預測公式，在一定程度上揭示了抗壓樁和抗拔樁側阻有所差異的原因。
黃鋒等(1999)對砂土中的抗拔樁位移變形進行了分析，採用樁周土變形模式反映樁基荷載傳遞規律，推導出抗拔樁荷載一位移關係的理論解，同時，黃鋒還對土的剪脹性對樁側摩阻力的影響做了簡化模型分析，得出了剪脹性對抗拔樁和承壓樁側摩阻力的不同影響。何思明(2000)對抗拔錨板破壞特性及抗拔承載力做了分析，給出了長方形錨板和圓形錨板在垂直荷載作用下的破裂面參數方程，並對破裂面參數的取值做了分析研究。何思明(2001)在國內外眾多抗拔樁原位及室內測試資料的基礎上，建立了抗拔樁樁周土體的破裂面方程，在此基礎上研究了抗拔樁的極限承載力，並提出一個極值原理。吳建華(2001)、徐曉波及王龍華(2001)分別對抗拔樁的設計進行了討論。
Balla(1961年)以及Meyerhof和Adams(1968)研究了抗拔樁的破裂面，並指出，在極限抗拔荷載作用下，抗拔樁破裂面在樁端處與樁表面相切，而在地表面，破裂面與水平面成45°的夾角。茜平一等的研究結果(1992)也表明，在鉛直荷載作用下，抗拔錨板兩側土中的破裂面呈對稱的喇叭形，其切線方向在板邊緣近似垂直，在地表處，無論是砂土還是粘質砂土均接近45°。
Khadilkar et al.(1971)研究了擴底樁的破裂面和極限抗拔承載力在室內模型試驗中，為方便觀測破裂面的幾何形狀採用一面為玻璃的鋼櫃；在鋼櫃中放置染色的成層砂土，觀察砂土在試驗過程中的變化。跟據觀察結果，閉合的破裂面的形狀可用對數螺旋線來表示，，並用Kotter的微分方程表達沿破裂面的應力求得上拔荷載的數學表達式。MugOray and Geddes(1987)指出，Khadilkar et al。的分析中沒有考慮沿破壞面的摩擦力的方向，因而求得的上拔力結果是無效的。
Clemence and Pepe(1984)調查研究了砂土層中橫向應力作用下的多螺旋錨杆的使用和上拔情況。調查研究結果表明，如果使用前後、上拔過程中及破壞時通過對受力的應力單元採取有效措施，螺旋錨杆的使用可以增加錨杆周圍的剪應力，並且這種剪應力在密實砂土中有極其明顯的增加。根據錨杆的使用和上拔情況，他們認為，應力在砂土中會有極大的增長，上拔力取決於砂土的密實度和錨杆的相對深度比(錨杆的深度和錨杆直徑之比。
Kulhawy(1985)介紹了淺層錨杆的靜態上拔性狀，討論了螺旋錨杆的使用技術及其對破壞面發展的影響。他評價了破壞模式並討論了沿觀察到的破壞面的剪力對上拔使用過程的影響。對單螺旋錨杆，Kulhawy認為，沿破壞面的剪力取決於摩擦角和錨杆周圍土體的應力狀態。Mitsch and Clemence(1985)對比了砂土中多螺旋錨杆的室內和現場試驗結果；根據試驗結果，他們認為決定極限上拔承載力的因素如下砂土的密實度，錨杆的安裝和相對深度比。
Ghaly et al.(1991)研究了不同類型砂土中螺旋錨杆模型室內試驗結果，試驗在前人研究的基礎上做了一定的改進，並對群錨的性狀進行了研究。
Ashraf Ghaly，Adel HannaMikhall Hanna(1991)在地表面時破裂面與水平面夾角為45°的條件下，研究了錨板在砂土中的抗拔性質。A.M.Hanna和A.M.Ghaly(1992)進行了超固結比對上拔承載力的影響研究。AshrafGhalvAdelHanna＜1994)研究了單錨和群錨的破壞模型，並對單錨的極限抗拔力和群錨的極限抗拔力計算做了研究；Ashraf M.Ghaly，Samuel.P.Clemence.(1998)對斜錨的抗拔也做了研究，並對斜錨的水平抗拔力的計算做了推導。
對抗拔樁承載力的計算公式探討，首先是從無粘性上中的抗拔樁開始的。1952年，別列贊採夫(Berezancev)從廣義庫侖破壞條件由通用的平衡方程出發，假設樁側土為軸對稱變形，採用哈爾一卡門(Haar-Karman，1909)塑性狀態，求得圓柱形抗拔樁承載力的理論計算雙曲線公式。
美國的Kulhawy F.H.教授所領導的研究小組曾對等截面抗拔樁基礎問題進行了持續廣泛的研究。認為等截面抗拔樁基礎主要破壞形態為沿著樁一土側壁界面上發生土的圓柱形剪切破壞。在某些條件下也可能發生倒錐臺剪破，或者混合剪切面破壞。
Stewart.J.P.和Kulhawy F.H.匯集了多人的研究成果後提出了確定倒錐形體深度的方法。認為這主要和土的抗剪強度和原位土應力及L/d有關。
各國規範規定的抗拔承載力計算方法差異很大，下面略作介紹丹麥規範認為粘性土中打入樁用靜力公式估算其抗拔承載力出入太大，一般應通過試驗確定。只有對規範中規定的所謂低等級和正常等級工程才允許用一般所謂靜力公式估算。
日本港灣協會編的《港口建築物設計標準》對於確定打入樁的抗拔承載力有較詳細的規定。原則上要通過抗拔試驗以求得單樁的抗拔承載力。不得已才根據靜力公式估算，對於軟粘土中摩擦樁，規範認為壓入時和上拔時的樁側摩阻力基本一致，而樁端阻力有很小，也可以根據抗壓試驗結果確定抗拔承載力。
我國鐵路、公路橋涵設計規範均規定僅容許樁在組合荷載作用下承受拉力。

發明內容本發明提供一種施工速度快且能提高抗壓承載力、抗拔承載力和水平抗側承載力的自張式人字形樁。
本發明採用如下技術方案一種自張式人字形樁，包括2根並排的豎直樁，在該2根豎直樁的一端設有樁帽且樁帽分別與該2根豎直樁的一端轉動連接，2根豎直樁的另一端端部為斜面且該2根豎直樁的端部斜面相面對。
與現有技術相比，本發明具有如下優點本發明樁體預製保證強度、機械壓入施工快速、自行張角承載力高。樁端端部預製成斜面，使樁在機械壓入過程中自動擴角，形成人字形樁；壓樁機每壓一次成兩根樁，較豎直樁成樁速度快一倍。
在壓樁過程中，兩樁之間土被強烈的擠密，使抗壓承載力提高；2)而當承受上拔荷載時，它不再象豎直樁一樣單純依靠樁土之間的摩擦力來抵抗上拔荷載。由於人字形樁是傾斜的，在向上的位移過程中，人字形樁有帶起上覆土的趨勢，但人字形樁兩樁之間的三角形擠密土又限制了這種趨勢，造成人字形樁就像雞爪一樣深深的扎在地基土中難以拔出。在有限元分析的模型試驗已經證明人字形樁在抗拔方面的優越性，有限元分析兩種樁型抗拔時的地基土位移雲圖中我們明顯的看出人字形樁較豎直雙樁影響地基土的範圍更大更深。
圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是豎直雙樁有限元建模圖。
圖3是本發明人字形樁有限元建模圖。
圖4是豎直雙樁抗壓時地基土的位移雲圖。
圖5是本發明人字形樁抗壓時地基土的位移雲圖。
圖6是豎直雙樁與本發明人字形樁抗壓時Q～S曲線圖。
圖7是豎直雙樁抗拔時的地基土位移雲圖。
圖8是本發明人字形樁抗拔時的地基土位移雲圖。
圖9是豎直雙樁與本發明人字形樁抗拔時的抗拔時Q～S曲線圖。
圖10是豎直雙樁受水平荷載時的地基土位移雲圖。
圖11是本發明人字形樁受水平荷載時的地基土位移雲圖。
圖12是豎直雙樁與本發明人字形樁受水平荷載時Q～S曲線圖。
圖13是豎直雙樁與本發明人字形樁(模型試驗結論)抗拔Q～S曲線比較圖。
圖14是用本發明進行施工的施工步驟圖。
具體實施方式參照圖1，一種自張式人字形樁，包括2根並排的豎直樁1、2，在該2根豎直樁1、2的一端設有樁帽3且樁帽3分別與該2根豎直樁1、2的一端轉動連接，2根豎直樁1、2的另一端端部為斜面且該2根豎直樁1、2的端部斜面相面對。在本實施例中，在2根並排的豎直樁1、2的外部設有用於保持該2根豎直樁1、2呈併攏狀態的鐵絲圈4。
參照圖14，在利用本發明進行施工時，1)兩樁用鐵絲併攏吊裝就位；2)壓樁機壓入同時剪斷鐵絲；3)繼續壓入，由於斜角兩樁在土自行張開；4)壓入到位露出樁頂。
參照圖2～12，運用巖土工程專業有限元軟體Plaxis對本發明人字形樁的豎向承載性能(抗拔、抗壓)進行了分析人字形樁夾角30°，豎直雙樁間距5d，樁土剛度比Kps＝1000樁L＝6m，截面0.2*0.3m，Ep＝3*107kN/m2，EA＝1.71*107kN/m，EI＝1.283*105kNm2/m，d＝0.3m.
粘土c＝10kN/m2，＝20°，υ＝0.35，Es＝30000kN/m2，分析的結論表明1)人字形樁的抗壓極限承載力高於豎直雙樁，極限承載力提高14％；2)人字形樁的抗拔極限承載力高於豎直雙樁，極限承載力提高12％；3)人字形樁的水平抗側載載力高於豎直雙樁，極限承載力提高20％。
參照圖13，對本發明所述人字形樁與豎直雙樁的抗拔承載力進行了模型試驗研究。模型樁身採用有機玻璃，有機玻璃彈性模量E＝2.7*103MPa，樁長0.5m，樁身截面200*150mm矩形。模型槽結構尺寸長2m，寬1m，深1.5m，為了使樁側壁達到一定的粗糙程度，在有機玻璃棒表面用環氧樹脂膠粘一層很薄的細砂。
模型試驗也有和有限元分析相似的結論，夾角30°(即2根樁之間的張開角度)人字形樁的抗拔極限承載力比豎直雙樁提高約30％。
權利要求
1.一種自張式人字形樁，其特徵在於包括2根並排的豎直樁(1、2)，在該2根豎直樁(1、2)的一端設有樁帽(3)且樁帽(3)分別與該2根豎直樁(1、2)的一端轉動連接，2根豎直樁(1、2)的另一端端部為斜面且該2根豎直樁(1、2)的端部斜面相面對。
2.根據權利要求
1所述的自張式人字形樁，其特徵在於在2根並排的豎直樁(1、2)的外部設有用於保持該2根豎直樁(1、2)呈併攏狀態的鐵絲圈(4)。
專利摘要
本發明公開了一種自張式人字形樁，包括2根並排的豎直樁(1、2)，在該2根豎直樁(1、2)的一端設有樁帽(3)且樁帽(3)分別與該2根豎直樁(1、2)的一端轉動連接，2根豎直樁(1、2)的另一端端部為斜面且該2根豎直樁(1、2)的端部斜面相面對，本發明樁體預製保證強度、機械壓入施工快速、自行張角承載力高。樁端端部預製成斜面，使樁在機械壓入過程中自動擴角，形成人字形樁；壓樁機每壓一次成兩根樁，較豎直樁成樁速度快一倍。
文檔編號E02D5/52GK1995552SQ200610098382
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月14日
發明者宰金珉, 汪中衛, 馬鳴 申請人:南京工業大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan