專利名稱:自張式人字形樁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
隨著大型地下室在高水位地區(qū)的頻繁建設(shè)，依靠傳統(tǒng)豎直抗拔樁單純進(jìn)行抗拔設(shè)計(jì)就凸現(xiàn)出造價(jià)高、工期長(zhǎng)、抗拔效果不佳等缺點(diǎn)。
等截面豎直樁上拔時(shí)，拉拔力主要由樁側(cè)摩擦力承擔(dān)，通過(guò)樁身逐漸將荷載傳遞到深部土體。此時(shí)隨著樁頂位移的增加，樁身拉應(yīng)力逐漸向下部擴(kuò)展，直到樁尖為止。當(dāng)樁尖處樁土相對(duì)位移達(dá)到臨界值時(shí)，該處摩阻力已達(dá)到極限，則整個(gè)樁身的摩擦力也已達(dá)到甚至超過(guò)了峰值，而后樁的抗拔力將逐漸下降。
由于生產(chǎn)日益發(fā)展，建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)承受上拔力的情況愈來(lái)愈多。而利用樁基來(lái)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(chǔ)就常用抗拔樁來(lái)滿足工程要求的抗拔力1)高壓輸電線塔；2)電視塔等高聳建筑物；3)承受浮托力為主的地下結(jié)構(gòu)，如深水泵房，地下室或其他工業(yè)建筑中的深坑；4)在水平荷載作用下出現(xiàn)上拔力的建(構(gòu))筑物；CS)膨脹土或凍脹土地基上的建筑物；5)海洋石油的鉆采平臺(tái)及洋面或潛水系泊系統(tǒng)的樁基；6)高層建筑物主樓與裙樓連接處的樁基。
抗拔樁作為抗拔基礎(chǔ)的一種主要形式，相對(duì)于其它抗拔基礎(chǔ)，有著很多突出的優(yōu)點(diǎn)象重力式基礎(chǔ)和深埋式錨板抗拔基礎(chǔ)，其抗拔承載力主要取決于回填土的土料以及壓實(shí)質(zhì)量。首先取決于回填土的抗剪強(qiáng)度；其次是基礎(chǔ)的上拔容許變形量要求嚴(yán)格控制時(shí)，還取決于回填土的壓實(shí)密度和變形模量。由于開(kāi)挖基坑時(shí)對(duì)地基土的擾動(dòng)很大，回填土的均勻度和力學(xué)指標(biāo)不好控制掌握，這些都對(duì)發(fā)揮原狀土的強(qiáng)度和變形特性不利；而對(duì)于抗拔樁，無(wú)論是挖孔、機(jī)擴(kuò)孔或者灌注樁，樁周土相對(duì)地未受擾動(dòng)或者擾動(dòng)較少，其強(qiáng)度和變形特性與原狀土相差不多，有利于發(fā)揮原狀土的強(qiáng)度和變形特性。同時(shí)，抗拔樁還具有不需要開(kāi)挖基坑，埋設(shè)后又要回填土等施工工序，有效縮短工期等優(yōu)點(diǎn)。
進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著高層建筑和基坑工程的大量涌現(xiàn)，抗拔樁使用越來(lái)越多。而現(xiàn)在為止還沒(méi)有成熟的有關(guān)抗拔樁的計(jì)算設(shè)計(jì)理論。相比于抗壓樁，抗拔樁在荷載作用下的荷載傳遞機(jī)理及計(jì)算方法是不太成熟得多。迄今抗拔樁設(shè)計(jì)方法仍處借鑒抗壓樁設(shè)計(jì)一方法階段，即以樁的抗壓側(cè)摩阻力值導(dǎo)入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)后作為抗拔樁側(cè)摩阻力值以估算抗拔承載力。
抗拔樁的抗拔承載力由樁側(cè)抗拔力阻力、樁重和樁底部在受到上拔荷載作用時(shí)形成的真空吸力三部分組成。但是真空吸力在總抗拔力中占的比例較小，并且往往在受荷后期可能會(huì)消失而常常不計(jì)。Tomlinson，M.J.認(rèn)為粘土中樁的短期抗拔側(cè)摩阻力一般與抗壓側(cè)摩阻力相等，但短樁(L/d＝5＞的長(zhǎng)期抗拔側(cè)摩阻力會(huì)小于抗壓側(cè)摩阻力。當(dāng)為圓柱性樁時(shí)，3-4個(gè)月后長(zhǎng)期抗拔承載力可降低0.5左右。其原因可能是由于上拔荷載作用下初期在樁底產(chǎn)生的真空吸力的消失及孔隙水壓力的產(chǎn)生與消散使土層內(nèi)水分向樁轉(zhuǎn)移而使粘土發(fā)生軟化的緣故。對(duì)于稠度指標(biāo)愈小的土(往往是超壓密粘土層)，這種長(zhǎng)期承載力降低的現(xiàn)象愈明顯。
抗壓樁的樁側(cè)摩阻力常被稱為正摩阻力，而抗拔樁側(cè)阻力和前者的作用方向相反，稱之為負(fù)摩阻力。通常認(rèn)為抗拔樁側(cè)摩阻力小于抗壓樁側(cè)摩阻力。但是實(shí)測(cè)結(jié)果往往相互矛盾，抗拔樁側(cè)摩阻力可以小于、等于甚至大于抗壓樁的側(cè)摩阻力，可見(jiàn)其內(nèi)在規(guī)律遠(yuǎn)非象估計(jì)的那樣簡(jiǎn)單。而現(xiàn)行抗拔樁設(shè)計(jì)中，都認(rèn)為抗拔樁側(cè)摩阻力小于抗壓樁側(cè)摩阻力。
我國(guó)對(duì)在砂質(zhì)土層的鉆孔樁進(jìn)行荷載試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)資料分析后，得出抗拔樁側(cè)摩阻力為抗壓樁側(cè)摩阻力的0.16-0.34，入土深度愈淺比值愈小。
江蘇地區(qū)淤泥粉質(zhì)粘土層采用潛水工程電鉆施工的鉆孔灌注樁(樁徑600mm，樁長(zhǎng)20m)得到資料顯示，拔壓側(cè)摩阻力比值為0.6-0.80。從粉沙中的沖吸式等截面鉆孔灌注樁(樁徑450mm，樁長(zhǎng)12m)的抗拔側(cè)摩阻力與抗壓側(cè)摩阻力比值為0.9左右。
我國(guó)港口工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定了一個(gè)從抗壓樁側(cè)阻力確定抗拔樁側(cè)阻力的折減系數(shù)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(cè)摩阻力有的采用實(shí)測(cè)值，有的選用經(jīng)驗(yàn)方法劃分的數(shù)值，(2)灌注樁施工難以控制，計(jì)算樁徑與實(shí)測(cè)樁徑有較大出入，而樁側(cè)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(shù)是多方面的，主要因數(shù)有(1)樁的類型及施工方法；(2)樁的長(zhǎng)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(shí)，首先要區(qū)分各種情況，考慮各種因數(shù)，盲目用一種方法可能是錯(cuò)誤的。而目前某些規(guī)范采用抗壓樁側(cè)摩阻力導(dǎo)入折減系數(shù)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(dǎo)抗拔樁的施工與設(shè)計(jì)。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(kuò)底樁。
劉祖德(1995，1996)比較系統(tǒng)的介紹了抗拔樁基礎(chǔ)，對(duì)抗拔樁基礎(chǔ)受力性狀和應(yīng)用范圍等做了較詳細(xì)的介紹。史鴻林等(1996)在現(xiàn)場(chǎng)大直徑鉆孔灌注樁的原型抗拔試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)樁的抗浮安全度、荷載傳遞機(jī)理和抗拔樁對(duì)其周圍土體的影響等進(jìn)行了研究。杜廣印等(2000)對(duì)抗拔樁的側(cè)阻和抗壓樁的做了對(duì)比研究，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上得到了影響側(cè)阻的預(yù)測(cè)公式，在一定程度上揭示了抗壓樁和抗拔樁側(cè)阻有所差異的原因。
黃鋒等(1999)對(duì)砂土中的抗拔樁位移變形進(jìn)行了分析，采用樁周土變形模式反映樁基荷載傳遞規(guī)律，推導(dǎo)出抗拔樁荷載一位移關(guān)系的理論解，同時(shí)，黃鋒還對(duì)土的剪脹性對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響做了簡(jiǎn)化模型分析，得出了剪脹性對(duì)抗拔樁和承壓樁側(cè)摩阻力的不同影響。何思明(2000)對(duì)抗拔錨板破壞特性及抗拔承載力做了分析，給出了長(zhǎng)方形錨板和圓形錨板在垂直荷載作用下的破裂面參數(shù)方程，并對(duì)破裂面參數(shù)的取值做了分析研究。何思明(2001)在國(guó)內(nèi)外眾多抗拔樁原位及室內(nèi)測(cè)試資料的基礎(chǔ)上，建立了抗拔樁樁周土體的破裂面方程，在此基礎(chǔ)上研究了抗拔樁的極限承載力，并提出一個(gè)極值原理。吳建華(2001)、徐曉波及王龍華(2001)分別對(duì)抗拔樁的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。
Balla(1961年)以及Meyerhof和Adams(1968)研究了抗拔樁的破裂面，并指出，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(jié)果(1992)也表明，在鉛直荷載作用下，抗拔錨板兩側(cè)土中的破裂面呈對(duì)稱的喇叭形，其切線方向在板邊緣近似垂直，在地表處，無(wú)論是砂土還是粘質(zhì)砂土均接近45°。
Khadilkar et al.(1971)研究了擴(kuò)底樁的破裂面和極限抗拔承載力在室內(nèi)模型試驗(yàn)中，為方便觀測(cè)破裂面的幾何形狀采用一面為玻璃的鋼柜；在鋼柜中放置染色的成層砂土，觀察砂土在試驗(yàn)過(guò)程中的變化。跟據(jù)觀察結(jié)果，閉合的破裂面的形狀可用對(duì)數(shù)螺旋線來(lái)表示，，并用Kotter的微分方程表達(dá)沿破裂面的應(yīng)力求得上拔荷載的數(shù)學(xué)表達(dá)式。MugOray and Geddes(1987)指出，Khadilkar et al。的分析中沒(méi)有考慮沿破壞面的摩擦力的方向，因而求得的上拔力結(jié)果是無(wú)效的。
Clemence and Pepe(1984)調(diào)查研究了砂土層中橫向應(yīng)力作用下的多螺旋錨桿的使用和上拔情況。調(diào)查研究結(jié)果表明，如果使用前后、上拔過(guò)程中及破壞時(shí)通過(guò)對(duì)受力的應(yīng)力單元采取有效措施，螺旋錨桿的使用可以增加錨桿周圍的剪應(yīng)力，并且這種剪應(yīng)力在密實(shí)砂土中有極其明顯的增加。根據(jù)錨桿的使用和上拔情況，他們認(rèn)為，應(yīng)力在砂土中會(huì)有極大的增長(zhǎng)，上拔力取決于砂土的密實(shí)度和錨桿的相對(duì)深度比(錨桿的深度和錨桿直徑之比。
Kulhawy(1985)介紹了淺層錨桿的靜態(tài)上拔性狀，討論了螺旋錨桿的使用技術(shù)及其對(duì)破壞面發(fā)展的影響。他評(píng)價(jià)了破壞模式并討論了沿觀察到的破壞面的剪力對(duì)上拔使用過(guò)程的影響。對(duì)單螺旋錨桿，Kulhawy認(rèn)為，沿破壞面的剪力取決于摩擦角和錨桿周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)。Mitsch and Clemence(1985)對(duì)比了砂土中多螺旋錨桿的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，他們認(rèn)為決定極限上拔承載力的因素如下砂土的密實(shí)度，錨桿的安裝和相對(duì)深度比。
Ghaly et al.(1991)研究了不同類型砂土中螺旋錨桿模型室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上做了一定的改進(jìn)，并對(duì)群錨的性狀進(jìn)行了研究。
Ashraf Ghaly，Adel Hanna&Mikhall Hanna(1991)在地表面時(shí)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(zhì)。A.M.Hanna和A.M.Ghaly(1992)進(jìn)行了超固結(jié)比對(duì)上拔承載力的影響研究。AshrafGhalv&AdelHanna＜1994)研究了單錨和群錨的破壞模型，并對(duì)單錨的極限抗拔力和群錨的極限抗拔力計(jì)算做了研究；Ashraf M.Ghaly，Samuel.P.Clemence.(1998)對(duì)斜錨的抗拔也做了研究，并對(duì)斜錨的水平抗拔力的計(jì)算做了推導(dǎo)。
對(duì)抗拔樁承載力的計(jì)算公式探討，首先是從無(wú)粘性上中的抗拔樁開(kāi)始的。1952年，別列贊采夫(Berezancev)從廣義庫(kù)侖破壞條件由通用的平衡方程出發(fā)，假設(shè)樁側(cè)土為軸對(duì)稱變形，采用哈爾一卡門(Haar-Karman，1909)塑性狀態(tài)，求得圓柱形抗拔樁承載力的理論計(jì)算雙曲線公式。
美國(guó)的Kulhawy F.H.教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組曾對(duì)等截面抗拔樁基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行了持續(xù)廣泛的研究。認(rèn)為等截面抗拔樁基礎(chǔ)主要破壞形態(tài)為沿著樁一土側(cè)壁界面上發(fā)生土的圓柱形剪切破壞。在某些條件下也可能發(fā)生倒錐臺(tái)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后提出了確定倒錐形體深度的方法。認(rèn)為這主要和土的抗剪強(qiáng)度和原位土應(yīng)力及L/d有關(guān)。
各國(guó)規(guī)范規(guī)定的抗拔承載力計(jì)算方法差異很大，下面略作介紹丹麥規(guī)范認(rèn)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(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。只有對(duì)規(guī)范中規(guī)定的所謂低等級(jí)和正常等級(jí)工程才允許用一般所謂靜力公式估算。
日本港灣協(xié)會(huì)編的《港口建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于確定打入樁的抗拔承載力有較詳細(xì)的規(guī)定。原則上要通過(guò)抗拔試驗(yàn)以求得單樁的抗拔承載力。不得已才根據(jù)靜力公式估算，對(duì)于軟粘土中摩擦樁，規(guī)范認(rèn)為壓入時(shí)和上拔時(shí)的樁側(cè)摩阻力基本一致，而樁端阻力有很小，也可以根據(jù)抗壓試驗(yàn)結(jié)果確定抗拔承載力。
我國(guó)鐵路、公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范均規(guī)定僅容許樁在組合荷載作用下承受拉力。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)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(cè)承載力的自張式人字形樁。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種自張式人字形樁，包括2根并排的豎直樁，在該2根豎直樁的一端設(shè)有樁帽且樁帽分別與該2根豎直樁的一端轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明樁體預(yù)制保證強(qiáng)度、機(jī)械壓入施工快速、自行張角承載力高。樁端端部預(yù)制成斜面，使樁在機(jī)械壓入過(guò)程中自動(dòng)擴(kuò)角，形成人字形樁；壓樁機(jī)每壓一次成兩根樁，較豎直樁成樁速度快一倍。
在壓樁過(guò)程中，兩樁之間土被強(qiáng)烈的擠密，使抗壓承載力提高；2)而當(dāng)承受上拔荷載時(shí)，它不再象豎直樁一樣單純依靠樁土之間的摩擦力來(lái)抵抗上拔荷載。由于人字形樁是傾斜的，在向上的位移過(guò)程中，人字形樁有帶起上覆土的趨勢(shì)，但人字形樁兩樁之間的三角形擠密土又限制了這種趨勢(shì)，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(yàn)已經(jīng)證明人字形樁在抗拔方面的優(yōu)越性，有限元分析兩種樁型抗拔時(shí)的地基土位移云圖中我們明顯的看出人字形樁較豎直雙樁影響地基土的范圍更大更深。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是豎直雙樁有限元建模圖。
圖3是本發(fā)明人字形樁有限元建模圖。
圖4是豎直雙樁抗壓時(shí)地基土的位移云圖。
圖5是本發(fā)明人字形樁抗壓時(shí)地基土的位移云圖。
圖6是豎直雙樁與本發(fā)明人字形樁抗壓時(shí)Q～S曲線圖。
圖7是豎直雙樁抗拔時(shí)的地基土位移云圖。
圖8是本發(fā)明人字形樁抗拔時(shí)的地基土位移云圖。
圖9是豎直雙樁與本發(fā)明人字形樁抗拔時(shí)的抗拔時(shí)Q～S曲線圖。
圖10是豎直雙樁受水平荷載時(shí)的地基土位移云圖。
圖11是本發(fā)明人字形樁受水平荷載時(shí)的地基土位移云圖。
圖12是豎直雙樁與本發(fā)明人字形樁受水平荷載時(shí)Q～S曲線圖。
圖13是豎直雙樁與本發(fā)明人字形樁(模型試驗(yàn)結(jié)論)抗拔Q～S曲線比較圖。
圖14是用本發(fā)明進(jìn)行施工的施工步驟圖。
具體實(shí)施方式參照?qǐng)D1，一種自張式人字形樁，包括2根并排的豎直樁1、2，在該2根豎直樁1、2的一端設(shè)有樁帽3且樁帽3分別與該2根豎直樁1、2的一端轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)。在本實(shí)施例中，在2根并排的豎直樁1、2的外部設(shè)有用于保持該2根豎直樁1、2呈并攏狀態(tài)的鐵絲圈4。
參照?qǐng)D14，在利用本發(fā)明進(jìn)行施工時(shí)，1)兩樁用鐵絲并攏吊裝就位；2)壓樁機(jī)壓入同時(shí)剪斷鐵絲；3)繼續(xù)壓入，由于斜角兩樁在土自行張開(kāi)；4)壓入到位露出樁頂。
參照?qǐng)D2～12，運(yùn)用巖土工程專業(yè)有限元軟件Plaxis對(duì)本發(fā)明人字形樁的豎向承載性能(抗拔、抗壓)進(jìn)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(jié)論表明1)人字形樁的抗壓極限承載力高于豎直雙樁，極限承載力提高14％；2)人字形樁的抗拔極限承載力高于豎直雙樁，極限承載力提高12％；3)人字形樁的水平抗側(cè)載載力高于豎直雙樁，極限承載力提高20％。
參照?qǐng)D13，對(duì)本發(fā)明所述人字形樁與豎直雙樁的抗拔承載力進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。模型樁身采用有機(jī)玻璃，有機(jī)玻璃彈性模量E＝2.7*103MPa，樁長(zhǎng)0.5m，樁身截面200*150mm矩形。模型槽結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)2m，寬1m，深1.5m，為了使樁側(cè)壁達(dá)到一定的粗糙程度，在有機(jī)玻璃棒表面用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘一層很薄的細(xì)砂。
模型試驗(yàn)也有和有限元分析相似的結(jié)論，夾角30°(即2根樁之間的張開(kāi)角度)人字形樁的抗拔極限承載力比豎直雙樁提高約30％。
權(quán)利要求
1.一種自張式人字形樁，其特征在于包括2根并排的豎直樁(1、2)，在該2根豎直樁(1、2)的一端設(shè)有樁帽(3)且樁帽(3)分別與該2根豎直樁(1、2)的一端轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的自張式人字形樁，其特征在于在2根并排的豎直樁(1、2)的外部設(shè)有用于保持該2根豎直樁(1、2)呈并攏狀態(tài)的鐵絲圈(4)。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種自張式人字形樁，包括2根并排的豎直樁(1、2)，在該2根豎直樁(1、2)的一端設(shè)有樁帽(3)且樁帽(3)分別與該2根豎直樁(1、2)的一端轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)，本發(fā)明樁體預(yù)制保證強(qiáng)度、機(jī)械壓入施工快速、自行張角承載力高。樁端端部預(yù)制成斜面，使樁在機(jī)械壓入過(guò)程中自動(dòng)擴(kuò)角，形成人字形樁；壓樁機(jī)每壓一次成兩根樁，較豎直樁成樁速度快一倍。
文檔編號(hào)E02D5/52GK1995552SQ200610098382
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月14日
發(fā)明者宰金珉, 汪中衛(wèi), 馬鳴 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan