專利名稱：新型大直徑鉆孔灌注錨固樁的結(jié)構(gòu)特征及其施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地基處理方法及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的創(chuàng)新。本發(fā)明揭示了一種新型樁的制作方法及其獨(dú)特的工程應(yīng)用性質(zhì)。特別適于在深厚土層分布區(qū)和基巖風(fēng)化嚴(yán)重的不宜承力地層分布區(qū)的大型建筑、超高結(jié)構(gòu)、對(duì)基底安定性要求極高的特殊構(gòu)筑物等的設(shè)計(jì)施工之需。
常規(guī)的樁多利用端承性和樁側(cè)面摩擦力來減少沉降，承受上部荷載。本發(fā)明把現(xiàn)在已比較成熟的錨固技術(shù)引入到大直徑高承載性樁基的施工之中，收到一系列的特殊效果，所獲的某些優(yōu)良性能甚至是巖土工程師長(zhǎng)期以來夢(mèng)寐以求的。
背景技術(shù)：
樁，作為一種現(xiàn)代型的建筑結(jié)構(gòu)，在各種工程建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用，路橋、建筑、隧洞、邊坡等各種巖土工程現(xiàn)象中都能看到它的身影。常規(guī)的樁大都是桿狀的，多利用它的摩擦性和端承性來起到支撐上部結(jié)構(gòu)物或外加荷載的作用(雖然在邊坡防滑治理中樁起到抗剪防滑的作用，但不屬本發(fā)明討論的范圍)。特別是在高層建筑的設(shè)計(jì)和施工中，為了將上層荷載有效地傳遞到深層土體中，通常采用大直徑鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)，利用其端承性較好的特點(diǎn)來抵抗巨大的結(jié)構(gòu)荷載，從而減少地基的沉降，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
但是，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況不理想或不符合端承型樁基的施工要求時(shí)，就會(huì)給整個(gè)工程造成極大的干擾，甚至?xí)?dǎo)致原有設(shè)計(jì)方案的流產(chǎn)，這顯然不是我們希望看到的。還有，如果設(shè)計(jì)用地的不宜承力土層覆蓋非常厚，達(dá)數(shù)百米的時(shí)候，我們?cè)撊绾尾拍芡昝赖匕训鼗幚沓蔀榭梢詽M足摩天大樓之類的高層建筑的設(shè)計(jì)需要呢？因?yàn)樵谶@種地層中，上百米的土層限制了端承型樁基的使用可行性，而摩擦樁的承載力又無法滿足摩天大樓巨大的結(jié)構(gòu)荷載。所以我們迫切需要尋求一種新型的地基處理方法來解決常規(guī)方法的不足。
本發(fā)明把現(xiàn)在已較成熟的錨固技術(shù)引入到樁的制作之中，在鉆孔灌注樁孔壁上打入錨固設(shè)施，從而最大限度地發(fā)揮了樁間土的承載能力，既提高了樁的承載力、抗拔力，又大幅減小了施加荷載后樁基的豎向沉降，以滿足工程建設(shè)的設(shè)計(jì)需要；同時(shí)還可以有效縮減樁基的入土長(zhǎng)度，縮小樁徑，收到較好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于大多數(shù)的高層建筑、特種工事、地基安定性要求很高的構(gòu)筑物及軟弱地層、超厚土層分布區(qū)的工程設(shè)施等的設(shè)計(jì)施工來說，本發(fā)明都極具應(yīng)用前景、極有實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了解決上述的工程施工難題，提高單樁承載力，減小工后沉降，同時(shí)為廣大工程設(shè)計(jì)人員提供一種可資采用的新型設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明可謂應(yīng)運(yùn)而生。我們發(fā)明了一種特殊形式的樁，并且給出了它的結(jié)構(gòu)示意圖、工作機(jī)理、施工方法及相關(guān)的注意事項(xiàng)等。
我們注意到，錨桿、錨索、土釘?shù)儒^固技術(shù)的特殊應(yīng)用形式其本質(zhì)就是把荷載比較均勻地分布在周圍的安定土體中，因而達(dá)到加固、提高承載力的目的。根據(jù)這一原理，我們?cè)跇兜脑O(shè)計(jì)中引入了這類錨固裝置，在鉆孔樁中向孔壁上打孔，插入錨桿或錨索、土釘?shù)燃咏钗铮嘧⒊蓸逗髣t使樁身與周圍較大范圍內(nèi)的土體結(jié)成一體，共同作用，因而可在不損失端承型特征的前提下，可以大大提高承載力。由于錨固的作用，沉降也會(huì)被限制在很小范圍內(nèi)，并且可以顯著降低所需的樁數(shù)。極大地提高了樁的工程適用性，同時(shí)收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。
詳細(xì)描述本發(fā)明揭示了一種全新結(jié)構(gòu)形式及工作機(jī)理的樁型，可供高層建筑樁基礎(chǔ)、深厚軟土層或基巖軟弱不宜常規(guī)端承樁設(shè)計(jì)應(yīng)用等工程難題的設(shè)計(jì)、施工者選用，在工程建設(shè)中具有重要的意義。
該新型樁由常規(guī)的鉆孔灌注樁演化而來。結(jié)構(gòu)剖面如圖4所示。我們?cè)跇扼w側(cè)面加上錨固設(shè)施，利用下述工作原理，獲得了極其優(yōu)秀的工程實(shí)用性能。
①樁土共同工作——傳遞—分散效應(yīng)；②錨桿的抗剪作用——支架效應(yīng)；③錨索的張拉作用——根須效應(yīng)。
分述如下傳遞—分散效應(yīng)樁本身是為了把上部荷載分散到深層樁端及樁側(cè)與土的界面上，從而在地表易壓縮層減少壓縮量。本發(fā)明中的錨樁在上述分散作用基礎(chǔ)上，把樁身所受荷載通過錨桿傳遞到樁周較大范圍內(nèi)的土體中。由于錨桿的大量使用，則樁身頂部荷載在傳遞到樁端時(shí)已經(jīng)大部分被周圍土體承擔(dān)，避免了樁端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而可使樁端土免于塑性破壞，提高了承載性能。表觀上，是極大地增大了樁側(cè)阻力。其實(shí)是將樁身截面大小的受力面積擴(kuò)大置換為多層放射狀錨桿所等效的受力面積，因而顯著地降低了單位受力面積上的等效附加荷載。從而極大地減小了端承樁的沉降。
支架效應(yīng)類似于支架的錨桿將樁固定在限定的空間之中。離散體的土具有流塑性，樁在上部巨大荷載作用下將產(chǎn)生顯著的位移變形。但當(dāng)樁體被錨固之后，相當(dāng)于加了約束，被架在土層中，緩沖了沉降的趨勢(shì)，并且具有優(yōu)越的抗拔性。
根須效應(yīng)樁如同樹干，而錨索就似乎是根須了。錨索的牽拉將樁與樁周較遠(yuǎn)范圍的土體聯(lián)系起來，結(jié)成整體，起到加固樁身、減小沉降、分擔(dān)荷載、防止傾覆的作用。
施工工藝如下在樁孔用鉆機(jī)鉆成或人工挖成之后(大直徑樁一般都屬端承型，底部應(yīng)作擴(kuò)孔處理)，利用人工或機(jī)械方式向側(cè)壁土體中預(yù)定的深度預(yù)定位置分層、預(yù)定層分點(diǎn)鉆取錨固孔。錨孔的分布一般都是沿樁身徑向成層狀排列的，豎向可以布置數(shù)量不等的層，根據(jù)設(shè)計(jì)樁身的強(qiáng)度值與所需的承載力并參考相關(guān)規(guī)范來具體確定。每層錨孔在樁孔四壁呈環(huán)狀布置，考慮到受力的均勻性原則，應(yīng)盡量采用對(duì)稱型布置。
各孔的深度可在0-30m范圍內(nèi)靈活選擇，如有錨索，可以鉆取更深一些。一般來講，錨桿的長(zhǎng)度不宜很長(zhǎng)，長(zhǎng)了有些浪費(fèi)；也不能太短，短了錨固效果不夠。而錨索則不同，它靠的就是深層部位、遠(yuǎn)離樁徑的拉伸效應(yīng)來錨固樁體的，所以錨索的長(zhǎng)度相對(duì)地越長(zhǎng)越好。但是考慮到地下鉆孔的施工難度，也應(yīng)控制在某個(gè)范圍之內(nèi)。由于這類涉及到結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)計(jì)參數(shù)的確定一般都需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或是專門的驗(yàn)算之后才得出的，所以這里沒必要給出具體的指標(biāo)。只限定所涉及到的施工方法的專有性。需要指出的是各層錨孔的深度不能全部相等，而要長(zhǎng)短交織，以防豎向塑性滑移面的出現(xiàn)(見圖2)。
錨固孔的直徑可在0-100cm之間選取。由于大直徑深樁都屬于永久結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)做好錨固件的防腐措施。錨孔的直徑一般都要大于錨固件的直徑，然后用水泥、砂漿等膠凝材料封灌，起到保護(hù)錨固件的作用，同時(shí)增大錨固件的受力面積，增強(qiáng)錨固力。
錨固孔的傾斜度也應(yīng)加以控制。該孔與樁的軸向應(yīng)該成一定角度，其范圍在0-180°之間選擇，一般約在45-120°之間，如附圖所示。成孔的過程中要保證孔壁的質(zhì)量，并且孔要是直線型的，不能彎曲或過度彎曲。
錨固孔打好以后，可以按錨固的標(biāo)準(zhǔn)工序來進(jìn)行打錨施工。此過程可以根據(jù)需要靈活調(diào)整。在打錨桿時(shí)，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度小于3m時(shí)，宜先打入砂漿等膠凝材料，再插入錨桿；當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于3m時(shí)，要先插入錨桿，對(duì)中，然后再打膠凝材料。如果設(shè)計(jì)中有錨索的應(yīng)用時(shí)，需要參照相關(guān)的規(guī)范、手冊(cè)來施工。
由于樁孔直徑有限，在孔內(nèi)施工的空間很狹窄，所以剛性錨固件的長(zhǎng)度必須小于樁徑才能打進(jìn)土體中。我們選用精軋螺紋鋼來作為錨桿的標(biāo)準(zhǔn)件。其直徑不作限制，根據(jù)需要來選擇。其長(zhǎng)度可以任意截取，兩根同徑的錨桿可用與之配套的套管式接頭來連接。套管接頭的構(gòu)造參見圖5，其規(guī)格需在強(qiáng)度經(jīng)過校核之后才能確定，在此不作明確規(guī)定。
錨固件的打錨工序是整個(gè)樁基能否滿足設(shè)計(jì)要求的最關(guān)鍵步驟，因而必須嚴(yán)格控制工藝，保證施工質(zhì)量。
為了確保質(zhì)量，我們還可以在錨固件的錨固端用高壓旋噴設(shè)備將膠凝材料制備成樹根狀的結(jié)石體(見圖1)，從而增強(qiáng)錨固件的錨固強(qiáng)度，進(jìn)一步提高根據(jù)本工藝而制作的樁基的安全系數(shù)和所能承受的荷載水平。
上述步驟可在樁孔鉆取之后進(jìn)行，或在鉆取一定深度之后打錨孔、打錨固件，接著再鉆取樁孔，再打錨孔、打錨固件，直至鉆至樁身的設(shè)計(jì)深度為止。這都可以靈活選擇。顯然前者在離樁孔底部較高的位置打錨時(shí)會(huì)比較費(fèi)勁；而后者在步進(jìn)得當(dāng)?shù)那闆r下，工人可以站在樁孔底部進(jìn)行打錨，施工比較方便。但是已裝好的錨固件可能會(huì)對(duì)鉆機(jī)的再次下吊、鉆進(jìn)產(chǎn)生影響。這些都屬于細(xì)節(jié)問題，在此不再詳細(xì)討論。
在錨固件打錨處理完畢之后，樁孔底部要清理，以便樁端能分擔(dān)較大的載荷。然后就是樁體的施工步驟。
先向樁孔中吊放已經(jīng)捆綁好的鋼筋籠。吊放過程中，要注意不能讓側(cè)壁的錨固件出露端勾掛到鋼筋籠，以防止損壞側(cè)壁及錨固件。
然后進(jìn)入工人，把錨固件的出露端用接頭或焊接的方式加長(zhǎng)(見圖3)。加長(zhǎng)段最好與鋼筋籠焊為一體，以確保樁與錨固件的整體性。如果打有錨索，則需采用另一種處理方式。在孔外預(yù)留較長(zhǎng)的錨索的前提下，將彼此關(guān)于樁軸對(duì)稱的同層的錨索在鋼筋籠上纏繞之后再彼此纏絞起來，中間再吊上適當(dāng)重量的重物(比如混凝土塊等)，起到預(yù)加力的作用。然后向樁孔內(nèi)打入設(shè)計(jì)所需的混凝土，硬化成樁即可。
由于上述工藝中，放入鋼筋籠之后，錨桿需進(jìn)一步加長(zhǎng)、焊接，工序比較繁雜。我們可以改進(jìn)如下在錨孔成孔完畢之后，放入鋼筋籠，然后工人乘吊籃進(jìn)入籠內(nèi)向錨孔中打錨固件。由于桿狀錨固件主要承受剪力，故常規(guī)的錨桿施工中孔外預(yù)緊工序在此沒有必要。錨固工序可以大大簡(jiǎn)化，方便了施工。
在挖孔時(shí)，可用鉆機(jī)一次成孔，也可用人工挖孔法步進(jìn)式施工。由于錨固施工可能費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，所以工藝的關(guān)鍵是如何縮短錨固工序所用時(shí)間。當(dāng)采用步進(jìn)式挖孔時(shí)，可以先挖到第一層錨孔的深度，在該層打錨完成之后再向下挖孔?；蛳茹@取錨孔、放錨固件、對(duì)中，再下挖樁孔，到下一層錨孔深度時(shí)停下重復(fù)上述操作，直到預(yù)定深度。然后統(tǒng)一向所有錨孔中灌漿、硬化，固定錨固件。
如有錨索，則需要在放入錨索、在錨固段高壓噴射根狀固結(jié)體之后，在張拉條件下向錨孔中常壓灌漿，以保護(hù)錨索免受腐蝕。這一工序可參照常規(guī)的錨索安裝規(guī)程來操作。此步驟可能比較麻煩，因而錨索的應(yīng)用可根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇。


圖1表示錨固件的結(jié)構(gòu)示意圖。其中①代表錨桿、錨索等錨固件；②代表孔壁；③表示錨孔中灌入的膠凝材料；④代表高壓旋噴所制造的根狀結(jié)石體，起錨固端的作用；⑤表示土體。本工藝與常規(guī)錨桿安裝最大的區(qū)別是錨孔外端不必加約束，不用另加螺帽等附屬設(shè)備，因而工序更簡(jiǎn)潔。
圖2表示大直徑鉆孔灌注錨固樁的樁孔及錨固件示意圖。①代表錨桿、錨索等錨固件；②代表孔壁；⑤表示土體；⑥表示樁底擴(kuò)孔。
圖3表示鋼筋籠與錨固件結(jié)構(gòu)示意圖。①代表錨桿、錨索等錨固件；⑤表示土體；⑥表示樁底擴(kuò)孔；⑦代表鋼筋籠。
圖4大直徑鉆孔灌注錨固樁的結(jié)構(gòu)示意圖。①代表錨桿、錨索等錨固件；⑤表示土體；⑦代表鋼筋籠；⑧代表樁孔中灌注的樁體材料。
圖5表示已連接錨桿的套管式接頭部位剖視圖。⑨表示錨桿套管式接頭；⑩表示精軋螺紋鋼制作的錨桿。這種連接方式可以很方便地將較長(zhǎng)的錨桿截?cái)嗪笤龠M(jìn)行打錨。因而特別適于在空間狹窄的空間進(jìn)行打錨施工。
具體實(shí)施例方式
總結(jié)上述工藝流程，分述如下A①挖/鉆樁孔；②挖/鉆孔壁錨孔；③安裝錨固件；④放鋼筋籠；⑤錨固件后處理；⑥清孔；⑦灌注樁體。
B①挖/鉆樁孔；②挖/鉆孔壁錨孔；③放鋼筋籠；④安裝錨固件；⑤錨固件后處理；⑥清孔；⑦灌注樁體。
B與A相比之下，⑤步驟省卻了錨固件加長(zhǎng)的環(huán)節(jié)。但是工人在鋼筋籠內(nèi)作業(yè)要注意人身安全。且放入鋼筋籠之后，樁孔中空間變得更狹窄，可能會(huì)給打錨帶來不便。
C①挖/鉆樁孔；②挖/鉆孔壁錨孔；③打錨索；④放鋼筋籠；⑤安裝錨桿；⑥錨固件后處理；⑦清孔；⑧灌注樁體。
本工藝與上述相比，多了一步錨索的安裝工序。在錨固件后處理中，錨索需對(duì)稱于樁身中軸線互相纏繞在一起，以便施加初始荷載。
D①挖/鉆樁孔；②放鋼筋籠；③打入自進(jìn)式錨桿，同時(shí)向錨孔中注漿；④錨固件后處理；⑤清孔；⑥灌注樁體。
本工藝中，引入了最新型的自進(jìn)式系列錨桿。由于該系列錨桿可以任意長(zhǎng)度組合使用，非常適于地下樁孔中空間狹窄區(qū)域的打錨。并且工藝簡(jiǎn)單、快捷，節(jié)省時(shí)間。
以上列舉了一系列基于本發(fā)明所揭示的該新型樁的施工工藝。由于這一新生事物的廣闊應(yīng)用前景，故本發(fā)明并不拘泥于上述所示的工藝方法。在實(shí)際工程建設(shè)中必定會(huì)衍生出更多更先進(jìn)的工藝。
至此，本發(fā)明已經(jīng)得以詳細(xì)說明。語言通俗易懂，專業(yè)術(shù)語使用得當(dāng)，非常適于有一定專業(yè)知識(shí)的工程設(shè)計(jì)、施工人員閱讀并加以運(yùn)用。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明揭示了一種新型樁，該樁包括如下特征一種大直徑鉆孔灌注樁；在樁身上向周圍土體打入錨固件；樁底擴(kuò)大等三個(gè)基本特征。
2.權(quán)利要求1中的新型樁適于在下列工程條件下采用存在深厚土層或軟弱土層、基巖軟弱或風(fēng)化嚴(yán)重等不宜端承型樁體應(yīng)用的區(qū)域的樁基施工；或超高建筑物、承受超重荷載基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工；或?qū)A(chǔ)要求沉降極小、安定性極高，或要求抗拔、抗浮、抗震等之類工程設(shè)施、構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)、施工等。
3.權(quán)利要求1中向周圍土體打入的錨固件包括錨桿、錨索、土釘?shù)瘸Ｒ?guī)錨固件。
4.權(quán)利要求1中向周圍土體中打入錨固件包括如下步驟鉆孔、安裝、灌漿等前處理工序及加長(zhǎng)錨固件、與鋼筋籠焊為一體等后處理工序。
5.權(quán)利要求3中的錨桿包括如下特征桿體具有較高強(qiáng)度；桿體可以任意長(zhǎng)度截取；桿體或桿的截?cái)喽丝逃新菁y；桿與桿之間可以很方便地徑向連接；連接體的抗剪、抗拉性能不受損失或損失很少等。
6.權(quán)利要求3中錨索的安裝包括如下步驟放入錨索；在錨固段高壓噴射根狀固結(jié)體；張拉；向錨孔中常壓灌漿；彼此關(guān)于樁軸對(duì)稱的同層的錨索在鋼筋籠上纏繞之后再彼此纏絞起來；中間吊上適當(dāng)重量的重物，起到預(yù)加張力的作用等。
7.權(quán)利要求4中所鉆取的錨固孔包含以下特征錨孔與樁體的軸向成一定角度，在0-180°之間；錨孔不能彎曲或僅存在較小的彎曲；錨孔的深度約在0-30m之間；側(cè)壁的錨孔對(duì)稱型分布；錨孔分層鉆取，不宜密集排布等。
8.權(quán)利要求5中錨桿的連接接頭具有以下特征接頭為套管式；管內(nèi)螺紋與桿體或桿的截?cái)喽寺菁y相嚙合；接頭強(qiáng)度不小于或不致過分地小于桿體的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。
9.本發(fā)明揭示了一套針對(duì)權(quán)利要求1中所述的新型樁的施工工藝，它包括樁孔的鉆/挖??；錨孔的鉆/挖取；安裝錨固設(shè)施；放鋼筋籠；錨固件后處理；灌注樁體材料等。
10.權(quán)利要求9中的工藝并不局限于所示的步驟、順序，其在施工條件允許及技術(shù)進(jìn)步的情況下可以視具體情況加以調(diào)整、組合。
全文摘要
本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地基處理方法及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的創(chuàng)新。這里揭示了一種新型樁的制作方法及其獨(dú)特的工程應(yīng)用性質(zhì)。特別適于在深厚土層分布區(qū)和基巖風(fēng)化嚴(yán)重的不宜承力地層分布區(qū)的大型建筑、超高結(jié)構(gòu)、對(duì)基底安定性要求極高的特殊構(gòu)筑物等的設(shè)計(jì)施工之需。本發(fā)明把錨固技術(shù)引入到大直徑高承載性樁基的施工中，既提高了樁的承載力、抗拔力，又減小了加荷后樁基的豎向沉降；同時(shí)還有效縮減了樁基的入土長(zhǎng)度和樁徑，收到較好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于大多數(shù)的高層建筑、特種工事、地基安定性要求很高的構(gòu)筑物及軟弱地層、超厚土層分布區(qū)的工程設(shè)施等的設(shè)計(jì)施工極具應(yīng)用前景、極有實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)E02D5/34GK1690316SQ200410026079
公開日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2004年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月28日
發(fā)明者李振澤, 郭增玉 申請(qǐng)人:李振澤