一种隔离式抗冻融循环桩及其设计方法

1.本发明涉及基础工程技术领域，特别是涉及一种隔离式抗冻融循环桩及其设计方法。


背景技术：

2.冻土区是一种特殊的地质条件，在此种条件下，如何减少其对于桩基的影响，一直是众多学者致力于研究的问题。如：
3.cn202913430u公开了一种减小冻融循环对桩作用的装置，包括橡胶浮圈、开闭口和填充物，橡胶浮圈为空心环形结构，橡胶浮圈套于桩的外部，橡胶浮圈内设有填充物，橡胶浮圈的任意断面处设有开闭口，开闭口上设有用于打开或闭合橡胶浮圈的开关。
4.上述橡胶圈的作用更加类似于保护套，其作用只是防止结冰对桩身完整性的破坏。
5.又如：cn112211189a公开了一种抗冻拔抗震套筒桩，包含钢管混凝土桩，外套筒，为空心圆柱状体；其设计思想是：在混凝土钢管和外套筒间设置的阻尼装置，阻尼棒可以沿竖向伸缩变形，从而可减轻冻土区桩基础周围土冻胀引起的冻拔力和融沉现象对桩基础的破坏作用；阻尼棒还可以沿钢管混凝土桩径向变形，受地震作用时可以吸收大部分的地震能量，减轻地震波对桩基础的冲击剪切作用，极大的提高了位于寒区地震带的建筑物的抗震等级。
6.再如：cn106759273a公开了用于冻土地区的带滑动套管的钢管桩光伏支架基础，包括钢管桩主体，所述钢管桩主体包括钢管、螺旋盘钢管；其构思在于：当地基土在u
‑
pvc套管外部产生切向冻胀力时，由于u
‑
pvc套管与上部的钢管可以产生相对滑移，切向冻胀力不能传递到上部的钢管，地基土在下部的螺旋盘钢管产生局部切向冻胀力可以螺旋盘提供的拉力平衡，这样桩顶位移就不会地基土冻胀的影响。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于提出一种隔离式抗冻融循环桩及其设计方法，以解决现有技术的不足。
8.一种隔离式抗冻融循环桩，包括：第一筒体、第二筒体、第三筒体、隔离套；所述第一筒体、第二筒体、第三筒体连接成一体；
9.第一筒体采用等直径筒体，第二筒体采用变直径螺旋体，第三筒体为桩尖；
10.第一筒体、第二筒体、第三筒体均采用钢管；
11.隔离套设置在第一筒体外侧，隔离套采用金属材质。
12.进一步，第一筒体、第二筒体、第三筒体的内部填充有混凝土。
13.进一步，还包括：桩帽，桩帽与第一筒体内部的混凝土连接成一体。
14.进一步，在隔离套的内部设置滚珠，以便于隔离套在第一筒体的上、下部滑动。
15.进一步，在第一筒体的上部焊接一法兰构件，法兰构件均布设置有若干通孔；在法
兰构件的边缘设置有向下延伸的第一保护筒；相配的，隔离套的顶端还设置板，板的表面设置有若干螺杆，螺杆穿过法兰构件的通孔；
16.对应的，第二筒体的顶端外表面的半径大于第一筒体的外表面的半径，第二筒体的顶端的外表面在水平面的投影不小于第一保护筒的外表面在水平面的投影相同；
17.在第二筒体的顶端设置有向上延伸的第二保护筒；第二保护筒的内表面在水平面的投影与隔离套的外表面在水平面的投影重叠；
18.初始条件下，隔离套的顶端板与法兰构件的之间保持有一定的间距，隔离套的底端插入到第二保护筒与第一筒体之间；法兰构件的通孔设置有螺纹孔，在安装时，安装一套筒，所述套筒的外侧设置有与法兰构件的通孔相适配的螺纹，所述套筒的内表面设置有与螺杆相适配的螺纹，所述套筒的高度大于所述通孔的高度。
19.进一步，在冻融季节，将套筒从螺杆上移除；在非冻融季节，将套筒旋转到螺杆上且进入到通孔中。
20.进一步，在法兰构件的上表面均匀设置加劲肋。
21.一种隔离式抗冻融循环桩的设计方法，初始条件下，隔离套的顶端板的上表面到法兰构件的下表面的距离为h1，隔离套的顶端板的上表面到第一保护筒的下表面的距离为h2；
22.隔离套的下表面到第二保护筒体的上表面的距离为h3，隔离套的下表面到第二筒体的上表面的距离为h4；
23.满足：h1≤h3，h4≤h2。
24.一种隔离式抗冻融循环桩的设计方法，第一保护筒的下表面与第二保护筒的上表面的间距对应于冻融区土层。
25.一种隔离式抗冻融循环桩的设计方法，隔离套的螺杆设有n个，每个螺杆的中心距离第二筒体的最近距离为b1，b2,
……
b
n
；；隔离套承担的向上的承载力为p，法兰构件与第一筒体的接触高度t；
26.要满足：
27.2πrf
剪切
t≥p
28.r表示第一筒体的半径，f
剪切
表示焊缝剪切强度；
29.同时，也要满足：
[0030][0031]
f
抗弯
表示焊缝的抗弯强度。
[0032]
一种隔离式抗冻融循环桩的设计方法，隔离套的螺杆设有n个，每个螺杆的中心距离第二筒体的最近距离为b1，b2,
……
b
n
；；隔离套承担的向上的承载力为p，法兰构件与第一筒体的接触高度t，其满足；
[0033][0034]
f
剪切
表示焊缝剪切强度，f
抗弯
表示焊缝的抗弯强度(即抗压与抗拉强度的较小值；一
般情形下，抗压与抗拉强度是相同的)。
[0035]
本技术的有益效果在于：
[0036]
第一，本技术的第一个发明点在于：发现了“隔离套”的三个问题：1)隔离套高度内的桩身不论在何种情况下，都不会起到抗压承载的作用；2)施工时，隔离套自身重力如何防范(隔离套在重力作用下下移，其长度与冻土区产生错位)。3)采用pvc材料虽然可以减少其自重，但是在冻胀或冻融时，端部可能会压坏。
[0037]
第二，本技术的第二个发明点在于：“在第一筒体的上部焊接一法兰构件，法兰构件均布设置有若干通孔；在法兰构件的边缘设置有向下延伸的第一保护筒；相配的，隔离套的顶端还设置板，板的表面设置有若干螺杆，螺杆穿过法兰构件的通孔；对应的，第二筒体的顶端外表面的半径大于第一筒体的外表面的半径，第二筒体的顶端的外表面在水平面的投影不小于第一保护筒的外表面在水平面的投影相同；在第二筒体的顶端设置有向上延伸的第二保护筒；第二保护筒的内表面在水平面的投影与隔离套的外表面在水平面的投影重叠；初始条件下，隔离套的顶端板与法兰构件的之间保持有一定的间距，隔离套的底端插入到第二保护筒与第一筒体之间；法兰构件的通孔设置有螺纹孔，在安装时，安装一套筒，所述套筒的外侧设置有与法兰构件的通孔相适配的螺纹，所述套筒的内表面设置有与螺杆相适配的螺纹，所述套筒的高度大于所述通孔的高度”上述特征是一个整体，来解决前面发现的三个问题。
[0038]
第三，本技术的第三个发明点在于：在冻融季节，将套筒从螺杆上移除；在非冻融季节，将套筒旋转到螺杆上且进入到通孔中。
附图说明
[0039]
下面结合附图中的实施例对本技术作进一步的详细说明，但并不构成对本技术的任何限制。
[0040]
图1是对比例一的隔离式抗冻融循环桩的设计图。
[0041]
图2是实施例一的隔离式抗冻融循环桩的设计图。
[0042]
图1
‑
2中的附图标记说明如下：
[0043]
桩帽1、第一筒体2、第二筒体3、第三筒体4、隔离套5、法兰构件6、第一保护筒7、第二保护筒8、螺杆9。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明的主题范围并不仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的条件下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换和变更均应包括在本发明的保护范围内。
[0045]
对比例一：
[0046]
如图1所示，一种隔离式抗冻融循环桩，包括：桩帽1、第一筒体2、第二筒体3、第三筒体4、隔离套5；所述第一筒体2、第二筒体3、第三筒体4连接成一体；
[0047]
第一筒体2采用等直径筒体，第二筒体3采用变直径螺旋体，第三筒体4为桩尖；
[0048]
具体而言，第一筒体2、第二筒体3、第三筒体4均采用钢管。
[0049]
具体而言，第一筒体2、第二筒体3、第三筒体4的内部填充有“混凝土”(即钢管混凝
土螺旋桩)。
[0050]
所述隔离套设置在第一筒体2周圈，在隔离套的内部设置滚珠，以便于隔离套在第一筒体的上、下部滑动。
[0051]
隔离套5采用金属材质，其长度大于冻融土体高度。
[0052]
沉桩时，第二筒体3采用变直径螺旋体，有于机械采用旋螺钻进法将桩体沉入冻土地基中，实现快速、弱扰动施工，同时显著增强桩侧摩阻力与桩
‑
土咬合，提高抗拔、抗压承载力；下部螺旋桩身穿越地基冻土层下限，完全旋入下部非冻土层中，不受上层冻土的冻胀融沉影响；
[0053]
上部设置隔离套的桩身穿越冻土层，冻土层位于隔离装置厚度之内；冻土只直接与外层隔离套直接接触，冻土的冻胀融沉只会引起隔离套沿桩身的滑动，不直接对桩身产生力的作用，从而达到隔离、抗冻融循环带来的冻胀融沉影响。
[0054]
实施例一，对比例1提出了“隔离套”的构思(其实质类似于：cn106759273a的设计)，但是，其存在两个问题：1)隔离套高度内的桩身不论在何种情况下，都不会起到抗压承载的作用；2)施工时，隔离套自身重力如何防范(隔离套在重力作用下下移，其长度与冻土区产生错位)。
[0055]
对于第一个问题，对比例一的认识在于：
[0056]
隔离套不能采用pvc等塑料材质；原因之一是：隔离套在于第一筒体之间设置滚珠(实质是采用轴承的设计思想)，其减少了第一筒体与隔离套之间的摩擦力，对于设置滚珠这样的结构体而言，隔离套采用金属材质为佳。原因之二是：cn106759273a的设计实质上并不可行，原因是，隔离套的上下方端部都是土体；虽然其构思是：土体冻融带动pvc移动，但是，在pvc的下端部土体是不产生冻融的(pvc长度要大于冻融区)，pvc向下移动时必然会产生较大的阻力，对于塑料材质而言，很容易被损坏。
[0057]
基于上述认识，实施例一提出如下设计方案：
[0058]
第一，“在第一筒体2的上部焊接一法兰构件6，法兰构件均布设置有若干通孔；在法兰构件的边缘设置有向下延伸的第一保护筒7；相配的，隔离套的顶端还设置板，板的表面设置有若干螺杆，螺杆9穿过法兰构件的通孔；
[0059]
对应的，第二筒体3的顶端(即第一筒体的底端与第二筒体的顶端接触面)外表面的半径大于第一筒体2的外表面的半径，第二筒体3的顶端的外表面在水平面的投影不小于第一保护筒7的外表面在水平面的投影相同；
[0060]
在第二筒体3的顶端设置有向上延伸的第二保护筒8；第二保护筒8的内表面在水平面的投影与隔离套5的外表面在水平面的投影重叠；
[0061]
初始条件下，隔离套的顶端板与法兰构件6的之间保持有一定的间距，隔离套的底端插入到第二保护筒8与第一筒体3之间；
[0062]
法兰构件的通孔设置有螺纹孔，在安装时，安装一套筒，所述套筒的外侧设置有与法兰构件的通孔相适配的螺纹，所述套筒的内表面设置有与螺杆9相适配的螺纹，所述套筒的高度大于所述通孔的高度；
[0063]
在冻融季节，将套筒从螺杆上移除；在非冻融季节，将套筒旋转到螺杆上且进入到通孔中。
[0064]
第二，上述的设计目的在于：在冻融季节，在冻融季节，没有套筒的限制，隔离套可
以在第一筒体的上下移动；并且，隔离套的上端始终在第一保护筒7与第一筒体2之间的空间中移动；隔离套的下端始终是在第二保护筒8与第一筒体2之间的空间中移动；达到隔离冻胀融沉作用；并且，在此过程中，隔离套的端部不会受到应力隔离套能够起到隔离冻胀融沉作用；在非冻融季节，限制隔离套与桩身的相对位移，与之形成刚性整体，共同承载，起到与普通摩擦桩一样的摩擦承载作用。
[0065]
实施例一的设计方法：
[0066]
设计内容：
[0067]
1)初始条件下，隔离套的顶端板的上表面到法兰构件的下表面的距离为h1，隔离套的顶端板的上表面到第一保护筒的下表面的距离为h2；
[0068]
隔离套的下表面到第二保护筒体的上表面的距离为h3，隔离套的下表面到第二筒体的上表面的距离为h4；
[0069]
满足：h1≤h3，h4≤h2。
[0070]
2)第一保护筒的下表面与第二保护筒的上表面的间距对应于冻融区土层。
[0071]
3)本技术的技术方案，要注意的是：法兰构件的设计是核心。
[0072]
3.1隔离套承担的向上的承载力为p，隔离套将改力通过法兰构件传递给主体。偏保守的，不考虑隔离套的重力。
[0073]
法兰构件与第一筒体的接触高度t；
[0074][0075]
r表示第一筒体2的半径，f
剪切
表示焊缝剪切强度；
[0076]
3.2隔离套的螺杆设有n个，每个螺杆的中心距离第二筒体的最近距离(即第二筒体的径向方向)为b1，b2,
……
b
n
；；
[0077][0078]
考虑到式(2)为初步公式，因此，优先保证抗弯承载力，结合式(1)和式(2)可得到下式：
[0079][0080]
特别的，在法兰构件的上表面均匀设置加劲肋时，上式不适用。
[0081]
以上所举实施例为本技术的较佳实施方式，仅用来方便说明本技术，并非对本技术作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本技术所提技术特征的范围内，利用本技术所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本技术的技术特征内容，均仍属于本技术技术特征的范围内。