专利名称：自张式人字形桩的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种承载桩，尤其涉及一种自张式人字形桩。
技术背景随着大型地下室在高水位地区的频繁建设，依靠传统竖直抗拔桩单纯进行抗 拔设计就凸现出造价高、工期长、抗拔效果不佳等缺点。等截面竖直桩上拔时，拉拔力主要由桩侧摩擦力承担，通过桩身逐渐将荷载 传递到深部土体。此时随着桩顶位移的增加，桩身拉应力逐渐向下部扩展，直到 桩尖为止。当桩尖处桩土相对位移达到临界值时，该处摩阻力已达到极限，则整 个桩身的摩擦力也己达到甚至超过了峰值，而后桩的抗拔力将逐渐下降。由于生产日益发展，建(构)筑物的基础承受上拔力的情况愈来愈多。而利用 桩基来提供抗拔力是较为常用形式，这种受拔力的桩称为抗拔桩。以下基础就常 用抗拔桩来满足工程要求的抗拔力1) 高压输电线塔；2) 电视塔等高耸建筑物；3) 承受浮托力为主的地下结构，如深水泵房，地下室或其他工业建筑中的深坑；4) 在水平荷载作用下出现上拔力的建(构)筑物;CS)膨胀土或冻胀土地基上的建筑 物；5) 海洋石油的钻采平台及洋面或潜水系泊系统的桩基；6) 高层建筑物主楼与裙楼连接处的桩基。抗拔桩作为抗拔基础的一种主要形式，相对于其它抗拔基础，有着很多突出 的优点象重力式基础和深埋式锚板抗拔基础，其抗拔承载力主要取决于回填土 的土料以及压实质量。首先取决于回填土的抗剪强度;其次是基础的上拔容许变 形量要求严格控制时，还取决于回填土的压实密度和变形模量。由于开挖基坑时 对地基土的扰动很大，回填土的均匀度和力学指标不好控制掌握，这些都对发挥原状土的强度和变形特性不利;而对于抗拔桩，无论是挖孔、机扩孔或者灌注桩， 桩周土相对地未受扰动或者扰动较少，其强度和变形特性与原状土相差不多，有 利于发挥原状土的强度和变形特性。同时，抗拔桩还具有不需要开挖基坑，埋设 后又要回填土等施工工序，有效縮短工期等优点。进入21世纪后，随着高层建筑和基坑工程的大量涌现，抗拔桩使用越来越 多。而现在为止还没有成熟的有关抗拔桩的计算设计理论。相比于抗压桩，抗拔 桩在荷载作用下的荷载传递机理及计算方法是不太成熟得多。迄今抗拔桩设计方 法仍处借鉴抗压桩设计一方法阶段，即以桩的抗压侧摩阻力值导入一个经验折减 系数后作为抗拔桩侧摩阻力值以估算抗拔承载力。抗拔桩的抗拔承载力由桩侧抗拔力阻力、桩重和桩底部在受到上拔荷载作用 时形成的真空吸力三部分组成。但是真空吸力在总抗拔力中占的比例较小，并且 往往在受荷后期可能会消失而常常不计。Tomlimon,M丄认为粘土中桩的短期抗 拔侧摩阻力一般与抗压侧摩阻力相等，但短桩(L/d-5 >的长期抗拔侧摩阻力会小 于抗压侧摩阻力。当为圆柱性桩时，34个月后长期抗拔承载力可降低0.5左右。 其原因可能是由于上拔荷载作用下初期在桩底产生的真空吸力的消失及孔隙水 压力的产生与消散使土层内水分向桩转移而使粘土发生软化的缘故。对于稠度指 标愈小的土(往往是超压密粘土层)，这种长期承载力降低的现象愈明显。抗压桩的桩侧摩阻力常被称为正摩阻力，而抗拔桩侧阻力和前者的作用方 向相反，称之为负摩阻力。通常认为抗拔桩侧摩阻力小于抗压桩侧摩阻力。但 是实测结果往往相互矛盾，抗拔桩侧摩阻力可以小于、等于甚至大于抗压桩的 侧摩阻力，可见其内在规律远非象估计的那样简单。而现行抗拔桩设计中，都 认为抗拔桩侧摩阻力小于抗压桩侧摩阻力。我国对在砂质土层的钻孔桩进行荷载试验得到的实测资料分析后，得出抗 拔桩侧摩阻力为抗压桩侧摩阻力的0.16-0.34，入土深度愈浅比值愈小。江苏地区淤泥粉质粘土层采用潜水工程电钻施工的钻孔灌注桩(桩径 600mm，桩长20m)得到资料显示，拔压侧摩阻力比值为0.6-0.80。从粉沙中的冲 吸式等截面钻孔灌注桩(桩径450mm，桩长12m)的抗拔侧摩阻力与抗压侧摩阻力 比值为0.9左右。我国港口工程技术规范规定了 一个从抗压桩侧阻力确定抗拔桩侧阻力的折减系数0.8。上述比值有较大离散性，原因是多方面的(1) 抗压桩的桩侧摩阻力有的采用实测值，有的选用经验方法划分的数值，(2) 灌注桩施工难以控制，计算桩径与实测桩径有较大出入，而桩侧即使只有不大的突出部分也能使抗拔承载力有明显提高，(3) 土层的多样性等。影响单桩抗拔承载力的因数是多方面的，主要因数有(1) 桩的类型及施工方法；(2) 桩的长度；(3) 地基的类别；(4) 土层的形成历史；(5) 桩的加载历史；(6) 荷载的特性；因此在确定抗拔桩承载力时，首先要区分各种情况，考虑各种因数，盲目用 一种方法可能是错误的。而目前某些规范采用抗压桩侧摩阻力导入折减系数以确 定抗拔桩承载力的做法显然不够妥善。深入研究抗拔桩的受力性状，能更好的指 导抗拔桩的施工与设计。这是本研究课题的意义所在。抗拔桩按照其所处的土层，可以分为两种:一是砂土地基中的抗拔桩:二是软 土地基中的抗拔桩。按桩的形状大致可以分为等截面抗拔桩和非等截面抗拔桩， 其中非等截面抗拔桩主要是扩底桩。刘祖德(1995, 1996)比较系统的介绍了抗拔桩基础，对抗拔桩基础受力性状 和应用范围等做了较详细的介绍。史鸿林等(1996)在现场大直径钻孔灌注桩的原 型抗拔试验基础上，对桩的抗浮安全度、荷载传递机理和抗拔桩对其周围土体的 影响等进行了研究。杜广印等(2000)对抗拔桩的侧阻和抗压桩的做了对比研究， 在一定假设的基础上得到了影响侧阻的预测公式，在一定程度上揭示了抗压桩和 抗拔桩侧阻有所差异的原因。黄锋等(1999)对砂土中的抗拔桩位移变形进行了分析，采用桩周土变形模式 反映桩基荷载传递规律，推导出抗拔桩荷载一位移关系的理论解，同时，黄锋还对土的剪胀性对桩侧摩阻力的影响做了简化模型分析，得出了剪胀性对抗拔桩和 承压桩侧摩阻力的不同影响。何思明(2000)对抗拔锚板破坏特性及抗拔承载力做 了分析，给出了长方形锚板和圆形锚板在垂直荷载作用下的破裂面参数方程，并 对破裂面参数的取值做了分析研究。何思明(2001)在国内外众多抗拔桩原位及室 内测试资料的基础上，建立了抗拔桩桩周土体的破裂面方程，在此基础上研究了 抗拔桩的极限承载力，并提出一个极值原理。吴建华(2001)、徐晓波及王龙华(2001) 分别对抗拔桩的设计进行了讨论。Balla (1961年)以及Meyerhof和Adams (1968)研究了抗拔桩的破裂面，并指 出，在极限抗拔荷载作用下，抗拔桩破裂面在桩端处与桩表面相切，而在地表面， 破裂面与水平面成45。的夹角。茜平一等的研究结果(1992)也表明，在铅直荷载 作用下，抗拔锚板两侧土中的破裂面呈对称的喇叭形，其切线方向在板边缘近似 垂直，在地表处，无论是砂土还是粘质砂土均接近45° 。Khadilkar et al. (1971)研究了扩底桩的破裂面和极限抗拔承载力:在室内模 型试验中，为方便观测破裂面的几何形状采用一面为玻璃的钢柜;在钢柜中放置 染色的成层砂土，观察砂土在试验过程中的变化。跟据观察结果，闭合的破裂面 的形状可用对数螺旋线来表示，，并用Kotter的微分方程表达沿破裂面的应力求 得上拔荷载的数学表达式。Mug0rayandGeddes(1987)指出，Khadilkar et al。的 分析中没有考虑沿破坏面的摩擦力的方向，因而求得的上拔力结果是无效的。Clemence and Pepe (1984)调査研究了砂土层中横向应力作用下的多螺旋锚 杆的使用和上拔情况。调査研究结果表明，如果使用前后、上拔过程中及破坏时 通过对受力的应力单元采取有效措施，螺旋锚杆的使用可以增加锚杆周围的剪应 力，并且这种剪应力在密实砂土中有极其明显的增加。根据锚杆的使用和上拔情 况，他们认为，应力在砂土中会有极大的增长，上拔力取决于砂土的密实度和锚 杆的相对深度比(锚杆的深度和锚杆直径之比。Kulhawy (1985)介绍了浅层锚杆的静态上拔性状，讨论了螺旋锚杆的使用技 术及其对破坏面发展的影响。他评价了破坏模式并讨论了沿观察到的破坏面的剪 力对上拔使用过程的影响。对单螺旋锚杆，Kulhawy认为，沿破坏面的剪力取决 于摩擦角和锚杆周围土体的应力状态。Mitsch and Clemence (1985)对比了砂土中多螺旋锚杆的室内和现场试验结果;根据试验结果，他们认为决定极限上拔承载力的因素如下:砂土的密实度，锚杆的安装和相对深度比。Ghaly et al. (1991)研究了不同类型砂土中螺旋锚杆模型室内试验结果，试验在前人研究的基础上做了一定的改进，并对群锚的性状进行了研究。Ashraf Ghaly，Adel Hanna&Mikhall Hanna (1991)在地表面时破裂面与水平面 夹角为45°的条件下，研究了锚板在砂土中的抗拔性质。A. M. Hanna和A. M. Ghaly (1992 )进行了超固结比对上拔承载力的影响研究。AshrafGhalv&Adel Hanna〈994)研究了单锚和群锚的破坏模型，并对单锚的极限抗拔力和群锚的极 限抗拔力计算做了研究;Ashraf M. Ghaly, Samuel. P. Clemence.(1998)对斜锚的 抗拔也做了研究，并对斜锚的水平抗拔力的计算做了推导。对抗拔桩承载力的计算公式探讨，首先是从无粘性上中的抗拔桩开始的。 1952年，别列赞采夫(Berezancev)从广义库仑破坏条件由通用的平衡方程出发， 假设桩侧土为轴对称变形，采用哈尔一卡门(Haar-Karman, 1909)塑性状态，求 得圆柱形抗拔桩承载力的理论计算双曲线公式。美国的Kulhawy F.H.教授所领导的研究小组曾对等截面抗拔桩基础问题进 行了持续广泛的研究。认为等截面抗拔桩基础主要破坏形态为沿着桩一土侧壁界 面上发生土的圆柱形剪切破坏。在某些条件下也可能发生倒锥台剪破，或者混合 剪切面破坏。Stewart丄P.和Kulhawy F.H.汇集了多人的研究成果后提出了确定倒锥形体深 度的方法。认为这主要和土的抗剪强度和原位土应力及L/d有关。各国规范规定的抗拔承载力计算方法差异很大，下面略作介绍丹麦规范认为粘性土中打入桩用静力公式估算其抗拔承载力出入太大，一 般应通过试验确定。只有对规范中规定的所谓低等级和正常等级工程才允许用 一般所谓静力公式估算。日本港湾协会编的《港口建筑物设计标准》对于确定打入桩的抗拔承载力 有较详细的规定。原则上要通过抗拔试验以求得单桩的抗拔承载力。不得已才 根据静力公式估算，对于软粘土中摩擦桩，规范认为压入时和上拔时的桩侧摩 阻力基本一致，而桩端阻力有很小，也可以根据抗压试验结果确定抗拔承载力。我国铁路、公路桥涵设计规范均规定仅容许桩在组合荷载作用下承受拉力。 发明内容本实用新型提供一种施工速度快且能提高抗压承载力、抗拔承载力和水平抗 侧承载力的自张式人字形桩。本实用新型采用如下技术方案一种自张式人字形桩，包括2根并排的竖直桩，在该2根竖直桩的一端设有 桩帽且桩帽分别与该2根竖直桩的一端转动连接，2根竖直桩的另一端端部为斜 面且该2根竖直桩的端部斜面相面对。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点本实用新型桩体预制保证强度、机械压入施工快速、自行张角承载力高。桩端端部预制成斜面，使桩在机械压入过程中自动扩角，形成人字形桩；压桩机每 压一次成两根桩，较竖直桩成桩速度快一倍。在压桩过程中，两桩之间土被强烈的挤密，使抗压承载力提高；2)而当承受 上拔荷载时,它不再象竖直桩一样单纯依靠桩土之间的摩擦力来抵抗上拔荷载。 由于人字形桩是倾斜的，在向上的位移过程中，人字形桩有带起上覆土的趋势， 但人字形桩两桩之间的三角形挤密土又限制了这种趋势，造成人字形桩就像鸡爪 一样深深的扎在地基土中难以拔出。在有限元分析的模型试验已经证明人字形桩 在抗拔方面的优越性，有限元分析两种桩型抗拔时的地基土位移云图中我们明显 的看出人字形桩较竖直双桩影响地基土的范围更大更深。
图1是本实用新型的结构示意图。图2是竖直双桩有限元建模图。图3是本实用新型人字形桩有限元建模图。图4是竖直双桩与本实用新型人字形桩抗压时Q S曲线图。图5是竖直双桩与本实用新型人字形桩抗拔时的抗拔时Q S曲线图。 图6是竖直双桩与本实用新型人字形桩受水平荷载时Q S曲线图。 图7是竖直双桩与本实用新型人字形桩(模型试验结论)抗拔Q S曲线比 较图。图8是用本实用新型迸行施工的施工步骤图。
具体实施方式
参照图l， 一种自张式人字形桩，包括2根并排的竖直桩1、 2，在该2根竖 直桩1、2的一端设有桩帽3且桩帽3分别与该2根竖直桩1、2的一端转动连接， 2根竖直桩1、 2的另一端端部为斜面且该2根竖直桩1、 2的端部斜面相面对。 在本实施例中，在2根并排的竖直桩1、 2的外部设有用于保持该2根竖直桩1、 2呈并拢状态的铁丝圈4。参照图8，在利用本实用新型进行施工时，l)两桩用铁丝并拢吊装就位；2) 压桩机压入同时剪断铁丝；3)继续压入，由于斜角两桩在土自行张开；4)压入到 位露出桩顶。参照图2 6，运用岩土工程专业有限元软件Plaxis对本实用新型人字形桩 的竖向承载性能(抗拔、抗压)进行了分析-人字形桩夹角30。，竖直双桩间距5d，桩土刚度比Kps^1000 桩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， q>=20° ， u二0.35， Es=30000kN/m2，分析的结论表明-1) 人字形桩的抗压极限承载力高于竖直双桩，极限承载力提高14%;2) 人字形桩的抗拔极限承载力高于竖直双桩，极限承载力提高12%;3) 人字形桩的水平抗侧载载力高于竖直双桩，极限承载力提高20%。 参照图7，对本实用新型所述人字形桩与竖直双桩的抗拔承载力进行了模型试验研究。模型桩身采用有机玻璃，有机玻璃弹性模量E二2.7"()SMPa,桩长0. 5m， 桩身截面200+150mm矩形。模型槽结构尺寸长2m，宽lm，深1.5m， 为了使桩侧壁达到一定的粗糙程度，在有机玻璃棒表面用环氧树脂胶粘一层很薄 的细砂。模型试验也有和有限元分析相似的结论，夹角30° (即2根桩之间的张开 角度)人字形桩的抗拔极限承载力比竖直双桩提高约30%。
权利要求1. 一种自张式人字形桩，其特征在于包括2根并排的竖直桩(1、2)，在该2根竖直桩(1、2)的一端设有桩帽(3)且桩帽(3)分别与该2根竖直桩(1、2)的一端转动连接，2根竖直桩(1、2)的另一端端部为斜面且该2根竖直桩(1、2)的端部斜面相面对。
2、 根据权利要求l所述的自张式人字形桩，其特征在于在2根并排的竖直 桩(1、 2)的外部设有用于保持该2根竖直桩(1、 2)呈并拢状态的铁丝圈(4)。
专利摘要本实用新型公开了一种自张式人字形桩，包括2根并排的竖直桩(1、2)，在该2根竖直桩(1、2)的一端设有桩帽(3)且桩帽(3)分别与该2根竖直桩(1、2)的一端转动连接，2根竖直桩(1、2)的另一端端部为斜面且该2根竖直桩(1、2)的端部斜面相面对，本实用新型桩体预制保证强度、机械压入施工快速、自行张角承载力高。桩端端部预制成斜面，使桩在机械压入过程中自动扩角，形成人字形桩；压桩机每压一次成两根桩，较竖直桩成桩速度快一倍。
文档编号E02D5/52GK201089892SQ200620165098
公开日2008年7月23日 申请日期2006年12月14日 优先权日2006年12月14日
发明者宰金珉, 汪中卫, 鸣 马 申请人:南京工业大学