專利名稱：一種雙向壓旋抗拔樁設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及樁基礎(chǔ)的外形構(gòu)造，通過該構(gòu)造實(shí)現(xiàn)壓入旋進(jìn)、抗拔的功能。該樁通過施加靜壓力使其旋轉(zhuǎn)壓入地基土中，加大了樁身與地基土的接觸面積，具有明顯的綜合承載能力，節(jié)省機(jī)械工消耗和避免施工機(jī)械噪聲。該樁適用于獨(dú)立結(jié)構(gòu)物的抗拔樁基礎(chǔ)。
背景技術(shù)：
軟土地基條件下的基礎(chǔ)可采用樁基礎(chǔ)，包括預(yù)制樁和現(xiàn)澆樁兩種。普通鋼筋混凝土預(yù)制樁一般為方形，可設(shè)計(jì)成端承樁和摩擦樁，以承擔(dān)結(jié)構(gòu)上部的荷載作用；打拔管樁與預(yù)制樁的施工方法相同，打樁需要用到大型打樁機(jī)械，噪聲大，如果采用靜力壓樁機(jī)械，機(jī)械工耗費(fèi)較高，樁入土困難，對土體的擠密作用較大，地基應(yīng)力分布不均勻。人工挖孔樁工作量大，且與土體的摩擦作用小。螺絲樁抗拔承載力較高，但施工十分復(fù)雜，需要成孔和擰入等大型特殊設(shè)備。目前，制作混凝土樁的混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C60以上，不再是技術(shù)難題，規(guī)范已經(jīng)允許在工程中使用C80等級的混凝土?；炷翉?qiáng)度等級的提高，為混凝土預(yù)制樁的生產(chǎn)提供了更為可靠的保障。如果采用高強(qiáng)混凝土制作預(yù)制混凝土樁，可以開發(fā)出更多的使用功倉泛?？拱螛对絹碓蕉嗟谋贿x為如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備基礎(chǔ)、大型單體高聳結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)等。螺絲樁具有比較好的抗拔性能，但由于螺絲構(gòu)造上的缺陷，絲與桿之間剛度變化較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致破壞，其它樁的抗拔性能均不理想。鉆孔樁耗費(fèi)工時(shí)和設(shè)備較多，打樁機(jī)噪聲大，機(jī)械能損耗大，靜力壓樁設(shè)備能力要求較高等。針對上述樁基設(shè)計(jì)與施工方面的不足，總結(jié)各種樁基的工程實(shí)際情況，在應(yīng)用高強(qiáng)混凝土材料的基礎(chǔ)上提出了一種采用壓樁設(shè)備，相對降低設(shè)備能力要求，抗拔能力較高，施工方便，功能優(yōu)異的一種雙向壓旋抗拔樁設(shè)計(jì)方法。按照目前的模板技術(shù)和混凝土技術(shù)，在工廠內(nèi)通過曲線模板制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時(shí)結(jié)合高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的應(yīng)用是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種雙向壓旋抗拔樁，首先以提高樁的抗拔能力為前提，設(shè)計(jì)一種新型的鋼筋混凝土預(yù)制樁，具有新的功能和作用。使用靜力壓樁設(shè)備，最大限度地降低機(jī)械能的消耗，避免施工機(jī)械噪聲。在壓樁入土的過程中，樁體按照設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)方向，通過螺旋曲線邊韌角的作用，切削土壁的同時(shí)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入土體，通過樁承臺固定。該樁在一定程度上具備了螺絲樁抗拔能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又減少了大型機(jī)械能耗，可適當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)土體的擠密效應(yīng)。不僅可以用于端承樁、也可以用于摩擦樁的設(shè)計(jì)與工程施工。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種新型鋼筋混凝土樁，設(shè)原方樁的邊長為b，在離開角部0.08b的位置，截面中部凹進(jìn)取0.lb，按照圓弧曲線連接這三個(gè)點(diǎn)，形成實(shí)線表示的斷面(如附圖2所示)。如圖3所示，把上截面沿縱軸旋轉(zhuǎn)，一個(gè)角點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)的新位置為相鄰下一個(gè)角點(diǎn)原位置。控制上下相鄰截面的高度為1.732b，也就是韌角曲線切線的角度為60°，這個(gè)角度對切削土體作用效果較好。由于高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度比較高，對于軟弱地基土來說，旋進(jìn)作用效果比較強(qiáng)。扭轉(zhuǎn)后的樁單元如附圖4所示。樁尖正面圖如附圖5所示，樁尖透視圖如附圖6所示。在本發(fā)明中，制作靜力壓旋的鋼筋混凝土樁，且切土角度設(shè)定為60°左右，采用靜力壓樁的施工工藝，與邊長為b的方樁相比，當(dāng)樁的實(shí)體長度為L時(shí)，增加的端承面積為
0.33 L ,同時(shí)減少混 凝土體積為0.2848 2Ι,減少I/4左右。本發(fā)明所提供的一種新型雙向壓旋抗拔樁的設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法包括如下步驟:
1)將方形截面樁改成扭曲截面樁，并根據(jù)土力學(xué)原理，形成60°切土韌角；
2)利用邊部韌角切土作用，通過強(qiáng)力壓樁，將樁壓入軟土地基中；
3)具有一定的抗拔能力和增大了樁的摩擦承載力和端面承載力；
4 )承載過程中的內(nèi)扭矩，通過樁的對稱布置，在樁承臺內(nèi)取得自平衡；
5)當(dāng)土體較硬時(shí)，可鉆略小于樁外徑的孔，然后再行壓入，以均勻分布土體的擠密作
用；
6)減小了靜力壓樁機(jī)械的能量消耗，避免了一般預(yù)制樁打樁機(jī)械的噪聲；
7)其樁有效截面積可以按照內(nèi)接圓的面積計(jì)算，并核其相應(yīng)的承載力；
8)樁尖部分按照附圖5、附圖6的方式制作，并與樁身形成一體；
9)壓樁時(shí)采用帶有平面鉸的壓樁加載頭，在旋壓過程中由土體的抵抗力推動(dòng)樁旋轉(zhuǎn)入土。10)即可作為端承樁設(shè)計(jì)、也可作為摩擦樁設(shè)計(jì)，其樁頭、樁尖、樁身的配筋，根據(jù)內(nèi)接圓的截面核算，并按照現(xiàn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)(如附圖2所示)。本發(fā)明雙向壓旋抗拔樁，與傳統(tǒng)的預(yù)制鋼筋混凝土樁不同，該樁呈空間螺旋曲面外形，有四條螺旋曲線韌角，同時(shí)具有端承樁和摩擦樁的功能，也具有螺絲樁的抗拔能力，雙向?qū)ΨQ的群樁布置，加載時(shí)地基土反力形成的旋轉(zhuǎn)扭矩，可以通過承臺上的約束實(shí)現(xiàn)自平衡。在比較小的靜壓力作用下，加載頭裝置平面鉸，可以使樁體旋轉(zhuǎn)下切，達(dá)到指定的標(biāo)高位置，相對減小了機(jī)械功率消耗。由于旋轉(zhuǎn)曲面的承壓作用相同，因此具有一定的抗拔能力，樁體的制作采用高強(qiáng)自密實(shí)混凝土，同時(shí)需要制作復(fù)雜的模具，根據(jù)目前的技術(shù)能力，工廠化生產(chǎn)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的鋼筋混凝土樁，施工時(shí)采用靜力壓樁旋轉(zhuǎn)鉆入地基土、具有較完善的承載功能和較低的機(jī)械消耗、端承面積較大的特點(diǎn)，利于綜合承載能力的發(fā)揮，樁承臺將樁牢牢地錨固在地基土中，由于承臺的約束作用，承載時(shí)樁體不能旋轉(zhuǎn)，因此保證了樁的抗拔能力。簡化了施工方法、降低了機(jī)械能耗、消除了打樁噪聲、相對減少了混凝土的用量。


圖1是樁與承臺的對稱布置方式，樁體旋轉(zhuǎn)方向相反；
圖2是樁的水平剖面圖；圖3是樁體旋轉(zhuǎn)單元正面圖,表示單元體高度，圖中表示正反旋轉(zhuǎn)方向的正面 圖4是樁單元形狀透視 圖5是樁尖正面 圖6是樁尖透視圖。圖中①表示承臺，②表示順時(shí)針旋進(jìn)的樁體,@表示逆時(shí)針方向旋進(jìn)的粧體，@樁尖部分， 表示曲線韌角;
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的雙向靜力壓旋抗拔樁。圖1所示為本發(fā)明的雙向旋轉(zhuǎn)·樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖，在承臺上對稱布置，加載時(shí)由于地基土的反力作用，樁體產(chǎn)生的力矩在承臺的約束下取得自平衡。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)樁@和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)樁@對稱布置，其上端與樁承臺 固定連接。
樁尖@與樁體 、 在樁的下端連接。 是 、 樁體旋轉(zhuǎn)后外部的曲線韌角。圖2是樁的水平剖面圖，根據(jù)樁的實(shí)長L，外接圓在一個(gè)單元長度內(nèi)，形成空間斜曲面，一個(gè)單元高度水平投影的外接圓的面積減去正方形的面積為0.33 L，b表示方樁的邊長。圖3表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的樁單元體、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的樁單元體和單元體的控制高度為
1.732b, b表不方樁的邊長；
圖4是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的樁單元體透視 圖5表示樁尖的正面圖，樁尖的高度取1.3-1.5b，b表示方樁的邊長；
圖6為樁尖的透視圖，由于樁頭較短，不再設(shè)計(jì)成扭轉(zhuǎn)面。
權(quán)利要求
1.一種雙向壓旋抗拔樁設(shè)計(jì)方法，有四個(gè)空間旋轉(zhuǎn)曲面和四條空間螺旋線圍成其外形。
2.由旋轉(zhuǎn)方向分為順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)樁組成一組。
3.樁與承臺澆筑在一起后，對稱布置的樁在承擔(dān)荷載作用時(shí)，反向扭矩可在承臺上實(shí)現(xiàn)自平衡。
4.樁體的空間旋轉(zhuǎn)曲面與土體的接觸面積較大，當(dāng)樁的旋轉(zhuǎn)被承臺控制后，樁體的沉入和拔出均受到了很大的限制，這樣就把建筑和地基錨在了一起，因此具有較強(qiáng)的綜合承載能力，尤其是抗拔能力。
5.樁體的曲線邊韌角在靜壓力作用下，旋轉(zhuǎn)鉆入地基土中，以最大的切土效率減少了機(jī)械能的消耗。
6.靜力壓樁的加載裝置要求安裝可在水平面旋轉(zhuǎn)的球鉸。
7.實(shí)施如權(quán)利要求所述的雙向壓旋抗拔樁設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 1)該樁利用C60以上高強(qiáng)混凝土制作，在方樁的四個(gè)邊上，與四個(gè)直徑為1.865b的圓柱體平行相貫，與方樁重合部分的最大深度為邊長的0.lb，去掉重合部分，然后進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，點(diǎn)的位置垂直距離為1.732b，做出具有四條空間螺旋線韌角的、由空間螺旋曲面圍成的樁體； 2)樁體螺旋線韌角的切土角度為60°，每個(gè)樁基礎(chǔ)的基本單元為雙數(shù)樁布置，由順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)樁組成； 3)樁與承臺澆筑在一起后，樁為對稱性布置，當(dāng)施加載荷時(shí)，由地基反力推動(dòng)樁體形成的旋轉(zhuǎn)扭矩，可在承臺上實(shí)現(xiàn)自平衡； 4)樁體的空間旋轉(zhuǎn)曲面與土體的接觸面積較大，當(dāng)樁的旋轉(zhuǎn)被承臺控制后，樁體的沉入和拔出均受到了很大的限制，因此表現(xiàn)了較強(qiáng)的綜合承載能力，尤其是抗拔能力； 5)樁體的曲線韌角邊在靜壓力作用下，旋轉(zhuǎn)鉆入地基土中，以最大的切土效率減少了機(jī)械能的消耗； 6)靜力壓樁的加載裝置要求安裝可在水平面旋轉(zhuǎn)的球鉸。
全文摘要
一種新的功能型鋼筋混凝土樁——雙向壓旋抗拔樁的設(shè)計(jì)方法，用高強(qiáng)混凝土制作，由四個(gè)空間旋轉(zhuǎn)曲面圍成，四條空間螺旋曲線韌角具有60°的切土角度，在靜壓力作用下，旋轉(zhuǎn)鉆入地基土體。旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，同一點(diǎn)的豎向距離為1.732b。b為方形截面樁的邊長。當(dāng)樁的實(shí)體長度為L時(shí)，單方向增加的水平投影端承面積為0.333bL，同時(shí)減少混凝土體積為0.2848b2L。樁基礎(chǔ)采用雙數(shù)布置，分為順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩種，加載時(shí)由于土體的反力形成的扭矩可以在樁承臺內(nèi)自行平衡。在提高抗拔能力方面具有優(yōu)越性。其內(nèi)接圓作為配筋截面有效設(shè)計(jì)截面。由于最有效的切土角度，使得靜力壓樁設(shè)備的機(jī)械功率消耗最低，是一種適用于工廠化生產(chǎn)的預(yù)制鋼筋混凝土功能型樁。
文檔編號E02D5/30GK103161160SQ20131000783
公開日2013年6月19日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者王海超 申請人:山東科技大學(xué)