一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置及施工方法
2023-04-24 16:34:51
一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置及施工方法
【專利摘要】本發明公開了一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置及施工方法，可廣泛應用於軟基地段高速公路互通區、交叉道路跨線橋等樁基施工，其包括軟土地基內灌注成型的樁基和設置在樁基外的減阻器，該減阻器是由內筒、外筒、中件、蓋板、橡膠密封環、潤滑脂、氣囊、充氣管和吊鉤等構成，整體構造簡單、製作容易、用途廣泛，它在運營階段出現樁基周邊的軟土地基發生工後沉降時，能通過內、外筒之間的無摩阻相對運動而使樁基既不發生向下位移，也不阻止樁基周邊軟土和路面的同步工後沉降，故能消除負摩阻力導致的路面凸出現象，利用這種裝置並結合施工方法解決了道路交通工程中長期存在的難題，還具有節約資源，提升經濟和社會效益、有利於交通運營安全等優點。
【專利說明】一種消除軟土地基粧基負摩阻力的裝置及施工方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用於消除軟土地基樁基摩阻力的裝置及施工方法，具體的說是指 一種涉及消除軟土地基沉降引起的樁基負摩阻力的裝置及施工方法。
【背景技術】
[0002] 軟土地基分布十分廣泛，工程處理費用巨大，軟基沉降很難預測和控制，給工程建 設帶來很大的困難。常見的軟土地基沉降分建設期沉降和運營期工後沉降，建設期沉降時 間長，施工工期長，投資增加；工後沉降多，工程運營維護資金投入大，不利運營安全，還帶 來經濟效益低下、社會影響不良等諸多的嚴重後果。如軟基地段高速公路互通區、交叉道 路跨線橋等，跨線橋下樁基附近常出現路面凸出現象，既影響美觀，還造成行車不舒適、易 出現交通事故。出現這種現象的原因主要是由於橋梁樁基的沉降量很小，軟基沉降大而導 致樁基產生負摩阻力，以致跨線橋下樁基附近的軟土地基產生了向上的摩阻力而出現凸出 現象。處理這種病害，目前通常採用兩種方法處理：方法一是剷除凸出部分路面，接順連接 段路面；方法二是將全部連接段路面加鋪至凸出部分高度，耗資巨大。由於軟基在繼續沉 降，過一段時間後，樁基附近的凸出現象又會反覆出現，又要採取同樣的方法再次處理。又 如碼頭軟基堆場，由於軟基沉降使樁基產生負摩阻力，減少了樁基的承載力，有可能發生工 程事故。因此，為了減少軟土地基樁基摩阻力，目前一般待軟基沉降一定標準後，再施工鑽 孔灌注樁，但工後沉降引起樁基的負摩阻力也不能從根本上解決，而公開的中國專利號為 200910130401. 8的"消除擠土負效應屏障器及施工成樁工法"雖然能解決施工期內樁基的 負摩阻力，但也不能解決運營期工後沉降引起樁基的負摩阻力。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術的缺陷而提供一種能有效消除運 營期工後軟土地基沉降而引起樁基負摩阻力的裝置及施工方法。
[0004] 本發明的技術問題通過以下技術方案實現： 一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，包括軟土地基內灌注成型的樁基和設置在樁 基外的減阻器，所述的減阻器包括套裝在樁基外的內筒和活動套裝在內筒外的外筒；所述 的內筒底部伸出外筒底部與樁基灌注一體，在內筒底部的外圓周面上還設有一圈由氣囊螺 栓固定的半橢圓形圓環氣囊，該氣囊上設有連通至外筒頂部的充氣管；所述的外筒頂部設 有蓋板，該蓋板上設有多個連通內、外筒之間的注脂孔，外筒底部設有底板，該底板的內圓 周端面緊貼在內筒的外壁上，在底板的內底面上設有橡膠密封環，該橡膠密封環的內圈向 上翹起並緊密抱合在內筒外壁上；所述的內、外筒之間設有多個以內筒中心為圓心作圓周 均布的中件，每個中件均包括一根中件鋼絲，該中件鋼絲的頂端設有固定連接在蓋板上的 上螺栓組，中件鋼絲的底端設有同時固定橡膠密封環和底板的下螺栓組，中件鋼絲上設有 多個沿垂直方向作等距固定的圓球。
[0005] 所述的內筒、外筒和氣囊螺栓的強度計算需符合如下公式： 公式一、
【權利要求】
1. 一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，包括軟土地基（1)內灌注成型的樁基（2) 和設置在樁基外的減阻器（3)，其特徵在於： a、 所述的減阻器（3)包括套裝在樁基（2)外的內筒（31)和活動套裝在內筒外的外筒 (32)； b、 所述的內筒（31)底部伸出外筒（32)底部與樁基（2)灌注一體，在內筒（31)底部的 外圓周面上還設有一圈由氣囊螺栓（38)固定的半橢圓形圓環氣囊（37)，該氣囊上設有連 通至外筒（32)頂部的充氣管（39); c、 所述的外筒（32)頂部設有蓋板（34)，該蓋板上設有多個連通內、外筒之間的注脂孔 (35)，外筒（32)底部設有底板（321)，該底板的內圓周端面緊貼在內筒（31)的外壁上，在底 板（321)的內底面上設有橡膠密封環（36)，該橡膠密封環的內圈（361)向上翹起並緊密抱 合在內筒（31)外壁上； d、 所述的內、外筒之間設有多個以內筒中心為圓心作圓周均布的中件（33)，每個中 件均包括一根中件鋼絲（332)，該中件鋼絲的頂端設有固定連接在蓋板（34)上的上螺栓 組（331)，中件鋼絲（332)的底端設有同時固定橡膠密封環（36)和底板（321)的下螺栓組 (336)，中件鋼絲（332)上設有多個沿垂直方向作等距固定的圓球（333)。
2. 根據權利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特徵在於所述的 內筒（31)、外筒（32)和氣囊螺栓（38)的強度計算需符合如下公式： 公式一、
式中： q-內筒（31)圓環截面所受的均布向外壓強); h--樁基（2)施工時護筒頂面至內筒圓環截面底面的高度(a* ); Yc- 一混凝土容重(JfcW- ); Y nj-鑽孔泥漿容重（JW-m4)； N--內筒（31)圓環截面所受的拉力（tor); β-內筒（31)底面圓環截面周邊任一點與水平軸的夾角（n*rf); O' m--內筒（31)底面圓環截面所受的拉應力)，式中1為單位高度（); Srd-內筒（31)圓環截面壁厚（); -內筒（31)圓環截面計算半徑; [θ']--內筒（31)圓環截面材料容許拉應力（MFa );
公式二、 式中： P -混凝土灌注至氣囊（37)堅直中心處氣囊所受的壓強（MA3 ); k--樁基（2)施工時護筒頂面至氣囊（37)堅直中心的高度0? ); γ€ -混凝土容重（jw-w·4); YflJ--鑽孔泥漿容重(MV- ); TIs--固定氣囊（37)的#1個氣囊螺栓（38)所受的剪切應力（Jffla ); T--固定氣囊（37)的《個氣囊螺栓（38)所受的剪切力（iar); η -氣囊螺栓（38)的數量； Sqn--氣囊（37)的半橢圓形圓環水平面有效投影面積; Sk-單個氣囊螺栓（38)的截面積（m2); [r]--氣囊螺栓（38)的容許剪切應力); 公式二、
式中： P---氣囊的充氣壓強X (j .]/為-y j|)為樁基施工時護 筒頂面至氣囊中心的高度各土層的側壓應力（D,氣囊充氣後，氣囊的半橢圓形 圓環端部伸入軟土層（13)中5?10 〇?,氣囊的設置起到阻止混凝土上升的作用， 避免減阻器被混凝土包裹；由於鑽孔護壁泥漿的護壁作用，鑽孔灌注樁不會塌孔，即 (--F Ii1 - f fw 0,可見公式三右邊足夠滿足要求，只需氣囊充氣壓強滿 足公式三左邊即可； h--樁基（2)施工時護筒頂面至氣囊堅直中心的高度; H1--樁基施工時地面至氣囊堅直中心的高度; I -樁基（2)施工時地面至氣囊（37)堅直中心的高度各土層的加權平均側壓力系 數(無量綱）； Yt--樁基（2)施工時地面至氣囊（37)堅直中心的高度各土層的加權平均容重 (JtW nTs); Y tl!--鑽孔泥漿容重
3. 根據權利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特徵在於所述的 內筒（31)內設有3~4個吊鉤（40)，每個吊鉤均為鋼質吊鉤，每個吊鉤的底部均設有與內筒 (31)底部鉤連的"U"型鉤，每個吊鉤（40 )的頂部均設有鋼絲繩。
4. 根據權利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特徵在於所述的 外筒（32)為高強度玻璃鋼材料製成的圓筒，其垂直橫截面呈"[]"型，該外筒底部設有一 段變直徑的錐形段，該錐形段的高度為20~30〇?，所述的注脂孔（35)在外筒（32)頂部的 蓋板（34)上設有3~5個，每個注脂孔（35)均相鄰設置在外筒（32)內直徑的內側。
5. 根據權利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特徵在於所述的 內筒（31)為高強度玻璃鋼材料製成的圓筒，該內筒（31)的內直徑比樁基（2)直徑大1~2 CW ，內筒（31)外直徑與外筒（32)內直徑之間預留2~3 〇?的中件安裝空間（334)，所述的氣囊 (37)在內筒（31)底部外圓周面上的安裝位置距內筒底端為5(Γ60 的高度。
6. 根據權利要求5所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特徵在於所述的 每個中件（33)的中件鋼絲（332)直徑為0. 4~1 ?π ,中件鋼絲上相鄰兩個圓球（333)間距為 5(Γ?〇〇 ση,圓球為玻璃鋼圓球，該圓球直徑為1.9~2. 9 〇?，並比中件安裝空間（334)的距 離小0. 1~0. 2 在圓球（333)的上部和下部分別設有鋼絲結（335)，該鋼絲結固定連接在 中件鋼絲（332)上。
7. 根據權利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特徵在於所述的 橡膠密封環（36 )厚度為1~2 ?η，其向上翹起並緊密抱合在內筒（31)外壁的內圈（361)伸 出內底面的寬度為1~2 ?。
8. 根據權利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特徵在於所述的 氣囊（37)為橡膠氣囊，該氣囊為空心半橢圓形圓環，垂直最大厚度為1(Γ20 〇?，充氣壓力 為0. 2、. 3Mpa，氣囊（37)的半橢圓形圓環外端部伸入軟土層（13)內5?10 cm ,,
9. 根據權利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特徵在於所述的 軟土地基（1)包括上層的軟土層（13)和下層的持力層（14)，該軟土層（13)採用塑料排水 板、粉噴樁、水泥攪拌樁等其中一種或多種組合方法進行處理，在軟土層（13)上填築公路路 基（12)並進行等載或超載預壓，在公路路基上鋪築路面（11);所述的樁基（2)為鑽孔灌注 樁，先在軟土地基（1)內鑽出樁基孔並放置樁基鋼筋籠，再灌注水泥混凝土形成樁基。
10. -種消除軟土地基樁基負摩阻力裝置的施工方法，其特徵該方法包括如下步驟： 步驟一、按設計要求製作減阻器（3)的各個部件； 步驟二、在垂直橫截面呈"[]"型的外筒（32)下部底板的內底面上放置橡膠密封環 (36)； 步驟三、在內筒（31)外直徑與外筒（32)內直徑之間的中件安裝空間（334)內安裝多個 圓周均布的中件（33)，並將中件的上螺栓組（331)與蓋板（34)作旋緊固定、及中件（33)的 下螺栓組（336)同時與橡膠密封環（36)、底板（321)作旋緊固定； 步驟四、在內筒（31)底部安裝氣囊（37)，該氣囊至內筒（31)底端預留50?60 的 高度； 步驟五、將組裝完成的外筒（32)和中件（33)套入內筒（31)外，用夾具臨時夾緊外筒和 內筒，保持橡膠密封環（36)的內圈（361)向上翹起並緊密抱合在內筒（31)外壁上； 步驟六、通過1?2個注脂孔（35)在外筒（32)與內筒（31)之間注滿潤滑脂（4)，檢查其 餘注脂孔（35)是否有潤滑脂（4)溢出，直至其餘注脂孔均有潤滑脂溢出為止，同時檢查外 筒（32)底部是否洩漏潤滑脂，如有潤滑脂洩露，則需檢查橡膠密封環（36)是否安裝準確， 再用橡膠塞封閉注脂孔； 步驟七、在軟土地基（1)上鑽出樁基孔，該樁基孔的直徑需考慮到減阻器（3)的尺寸， 樁基孔成型後檢查尺寸，特別需準確測量氣囊位置的樁基孔尺寸，保證氣囊（37)足夠充氣 後的水平尺寸大於樁基孔的尺寸5?10 cm ,方能保證氣囊（37)密封混凝土的效果，如不 能達到要求須更換氣囊，直至滿足要求為止，在內筒上安裝吊鉤（40)，然後將減阻器（3)通 過樁基護筒（42)吊入樁基孔內； 步驟八、在內筒（31)內部安裝樁基鋼筋籠，將吊鉤（40 )的鋼絲繩固定在樁基護筒（42 ) 上； 步驟九、放入導管灌注混凝土，當混凝土灌注到內筒（31)底部10?20 ο?的高度時， 暫停混凝土灌注； 步驟十、將氣泵連接充氣管（39)向氣囊（37)充氣，充氣壓力0. 2?0. 3 Affla ; 步驟十一、繼續灌注混凝土，測量混凝土的上升高度，當混凝土上升20?30 ?時，此 時內筒（31)底部已埋置在混凝土內；再次灌注混凝土上升20?30 此時內筒與外筒 (32)之間的混凝土也將上升20?30 即灌注的混凝土頂面與氣囊（37)底面接近，觀察 減阻器（3)的外筒（32)與樁基護筒（42)之間有無護壁泥漿溢出，如無護壁泥漿溢出，說明 氣囊（37)達到了密封內筒（31)外壁與樁基孔內壁之間空隙的效果；如有泥漿溢出，再次充 氣加大氣壓以使氣囊（37)達到密封效果，混凝土灌注過程中繼續觀察有無泥漿溢出，直至 混凝土灌注完畢； 步驟十二、待混凝土達到一定強度後，卸去臨時固定外筒（32)、內筒（31)的夾具並拔 出樁基護筒（42)，該樁基（2)與內筒（31)底部灌注一體； 步驟十三、在運營階段出現樁基周邊的軟土地基（1)發生工後沉降，該減阻器（3)的外 筒（32)、中件（33)和潤滑脂（4)也隨著周邊軟土同步下沉，由於減阻器（3)的無摩阻作用， 樁基（2)既不發生向下位移，也不阻止樁基周邊軟土和路面的同步工後沉降，消除了負摩阻 力導致的路面凸出現象。
【文檔編號】E02D5/60GK104372795SQ201410615250
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月5日 優先權日:2014年11月5日
【發明者】林天幹, 薛維梅, 張躍明, 萬鳴華, 張建新, 溫蘭花, 許東風, 林海洋, 賴煥楓, 鄭茜茜, 鄭希湧, 張強, 張繼明, 朱力, 周一勤 申請人:溫州市交通規劃設計研究院