CN101168962A - 桩结构 - Google Patents

Abstract

桩结构包括多根桩和与其顶部连接的承台，桩包括桩身和侧方突出的凸环部，桩身包括直径不同的多个节段，它们的等效直径从上往下减小，在第i节段上形成凸环部，形成有凸环部的第i节段的等效半径按照满足下述关系式，以便减小桩间距，减小承台尺寸方式确定，该关系式为：ΔF_i＝P_i(πr₁ ²－πr_i ²)×β_i，ΔF_i指第i桩节段上的凸环部的承载力增量值；P_i指第i节段处的凸环部周土的单位面积承载力；r₁指最上方的第1节段的等效半径；r_i指形成有凸环部的第i节段的等效半径；β_i指在第i节段，当凸环部为非连续环形的凸起时，该凸起的垂直投影面积与其等效半径和凸环部的等效半径r_i相同的连续纯环形凸环部的垂直投影面积的比。

Description

桩结构

技术领域

本发明涉及桥梁、工业民用建筑等的土木领域中用的桩结构。

背景技术

目前，传统桩包括有在桩身侧臂上带有侧向突出的凸环部，通过该凸部，可使这样的桩的承载力提高。从桩整体受力来说，其上部受力大，其下部受力小，即使设置了凸环部，桩的承载力仍往往受到桩身直径的制约，即桩身的上部强度不够，经常人们通过加大桩身直径的方式，来满足强度的要求。但是，在桥梁基础中，往往采用群桩的桩结构，该群桩的顶部连接有承台，此时，对于每根桩，有竖向承载力的要求，还有抵抗弯矩的要求，这就要求桩的顶部的直径，即，桩径不能够太小，此时，在该桩身上形成凸环部的场合，凸环部的直径就较大，但是就整体结构来说，还有桩间距的要求，在保持较大直径桩身(满足弯矩的要求)的同时又带有较大凸环部(满足竖向承载力的要求)时，为了避免相邻桩的凸环部相互妨碍，往往桩间距过大，其结果是，导致桩顶部的承台的总体尺寸过大，虽然单桩承载力提高，但是上述承台的成本却增加，从总体上来说，整体结构的受力还不合力，经济上不是特别合算。在城市的建筑物密集和临近市政管线的场合，不允许过大的桩间距，也不允许过大的承台，否则会影响邻接建筑物或市政管线，或受到邻接的建筑物的妨碍。对于现有桥梁的基础加固，其桩间距有限，又要求桩的承载力的增加，目前的桩结构难以满足这种要求。

发明的内容

本发明的目的在于提供一种桩结构，其既从整体上使群桩的桩间距的不过大，进而不使承台面积太大，又同时满足水平与竖向荷载的要求。

本发明的目的是通过下述的桩结构来实现的，该桩结构包括多根桩和桩承台，上述多根桩的顶部与该桩承台连接，该桩包括桩身和形成于该桩身上，从该桩身向侧方突出的凸环部，上述桩身沿桩纵向，包括直径不同的多个桩节段，其中，该多个桩节段的等效直径从上往下减小，在最上方的第1桩节段下方的任意的第i桩节段上形成上述凸环部，形成有该凸环部的第i桩节段的等效半径是按照满足下述关系式，以便减小相邻的上述桩间距，进而减小上述桩承台的整体尺寸的方式确定的，该关系为：

ΔF_i＝P_i(πr₁ ²-πr_i ²)×β_i

在该式中，

ΔF_i表示第i桩节段上的凸环部的承载力的增量值；

P_i表示第i桩节段处的凸环部周围土的单位面积承载力；

r₁表示桩最上方的第1桩节段的等效半径；

r_i表示形成有该凸环部的第i桩节段的等效半径；

β_i表示在第i桩节段，当凸环部为非连续环形的凸起时，该凸起的垂直投影面积与其等效半径和该凸环部的等效半径r_i相同的连续纯环形凸环部的垂直投影面积的比，当凸环部为连续纯环形凸环部时，该比值为1。

按照上述方案，由于凸环部形成于较细的桩身节段处，故与等径桩身的场合相比较，在获得相同凸环部的承载力的情况下，可使该该凸环部的直径减小，由于凸环部的直径减小，故相邻桩的凸环部不会相互妨碍，从而施工困难的现象大大缓减，不会造成过大的桩间距，从而不会使桩顶部的承台的总体尺寸或总面积过大，有利于成本的降低。也就是说，本发明依靠桩与土的更加协同的作用效果，在满足桥梁中所特定的要求的，桩顶部抵抗弯矩，竖向荷载的同时，由于受力合理，仍不会使桩结构的整体成本过大。

按照本发明，使上述变径结构的多个桩组合在一起而形成的群桩产生了桩与土，桩与桩，凸环部与凸环部之间的空间利用更加合理，桩土空间布置更加灵活，使得很多问题和矛盾得以优化。

在上述本发明的桩结构中，最好，上述桩为混凝土桩，上述凸环部中配有钢筋。

在上述本发明的桩结构中，最好，上述桩为混凝土桩，在上述桩的桩身中配有钢筋，或预应力钢筋。

在上述本发明的桩结构中，最好，在一个桩节段中设置有多个凸环部。

按照该方案，由于在一个桩节段设置多个凸环部，这样可充分地调动地基土体的承载力，来提高桩的承载力，进而提高桩结构的承载力。

在本发明的桩结构中，最好，上述凸环部尽可能形成于靠近桩底端的桩节段上。

按照该方案，由于伴随地基深度的增加，地基强度，即地基承载力也增加，根据该特性，将凸环部更加靠近桩底端设置，从而可更加充分地调动地基土体参与受力，将更多的地基承载力转化为桩的承载力。

在本发明的桩结构中，上述桩中的桩身和凸环部均是混凝土的。

在本发明的桩结构中，最好，从桩身自上而下的方向，形成于各桩节段上的凸环部的等效直径逐渐增加。

按照该方案，由于伴随地基深度的增加，地基强度，即地基承载力也增加，根据该特性，使凸环部的等效直径伴随深度的增加而加大，这样可更加充分地调动地基土体参与受力。

在本发明的桩结构中，最好，在上述桩的最上方的桩节段上也形成有凸环部。

在本发明的桩结构中，最好，相邻桩的同一标高处的桩节段上的凸环部在竖向上错开地布置。

在这里应说明，上述等效半径和等效直径在相应的桩身和凸环部为圆形的场合，指该圆形的半径和直径，在为其它的形状时，指换算为圆形时的半径和直径。

附图说明：

图1为作为本发明的一个实施例的钢筋混凝土桩结构的纵向立面图，在本实施例中，凸环部指连续纯环部；

图2为作为本发明的另一实施例的钢筋混凝土桩结构中所采用的混凝土桩的纵向立面图，在本实施例中，凸环部在不同桩节段，有不同的含义，包括有从平面看的纯环部和从平面看的矩形凸片部的两种含义。

具体实施方式

如图1所示，作为本发明的一个实施例的桥梁用的钢筋混凝土桩结构包括钢筋混凝土承台1和钢筋混凝土桩2，该混凝土桩2包括三个桩节段3，4，5，最上方的桩节段，即，第1桩节3的半径为r₁，第2桩节段4的半径为r₂，第3桩节段5的半径为r₃，而第2桩节段4上形成的凸环部6的外径为R₁，第3桩节段5上形成的凸环部7的外径为R₂。如图1所示，在钢筋混凝土承台1的下面，形成有两根钢筋混凝土桩，其中，在图1中，仅对1根桩的相应部分标注了标号。

在这里，在R₁大于r₁的情况下，由于凸环部6形成于第2桩节段4上，而第2桩节段4的半径为r₂小于r₁，故凸环部6的垂直投影面积增加，即土体对凸环部6的支承接触面积增加，这样，便获得凸环部6的承载力的增量ΔF₁：

ΔF₁＝P₂×ΔS₁×β₁＝P₂×(πr₁ ²-πr₂ ²)×β₁

其中，

P₂表示第2桩节段4处的地基土体的强度，或单位面积的承载力；

ΔS₁表示桩身的第1桩节段3与第2桩节段4的垂直投影面积差；

r₁表示最上方的第1桩节段的等效半径；

r₂表示形成有该凸环部的第2桩节段的等效半径；

β₁表示凸环部6的垂直投影面积与其等效半径和该凸环部的等效半径r₂相同的连续纯环部的垂直投影面积的比。

同样，在第3桩节段5，在R₂大于r₁的情况下，由于凸环部7形成于第3桩节段5上，而第3桩节段5的半径为r₃小于r₁，故凸环部7的垂直投影面积增加，即土体对凸环部7的支承接触面积增加，这样，便获得凸环部7的承载力的增量ΔF₂：

ΔF₂＝P₃×ΔS₂×β₂＝P₃×(πr₁ ²-πr₃ ²)×β₂

其中，

P₃表示第3桩节段5处的地基土体的强度，或单位面积的承载力；

ΔS₂表示桩身的第1桩节段3与第3桩节段5的垂直投影面积差。

β₂表示凸环部7的垂直投影面积与其等效半径和该凸环部的等效半径r₃相同的连续纯环部的垂直投影面积的比。

从图1和上面分析知道，在上述第2桩节段4中，r₂与ΔF₁之间具有函数关系，r₂越小，ΔF₁越大，伴随桩深的增加，P₂与ΔS₁都增加，导致ΔF₁成倍地增加，最终，第2桩节段4上的凸环部6的承载力大幅度地增加(特别是与等径桩相比较)，上述第2桩节段4的半径r₂正是按照上述机理而确定的。

同样，从图1和上面分析知道，在上述第3桩节段5中，r₃与ΔF₂之间具有函数关系，r₃越小，ΔF₂越大，伴随桩深的增加，P₃与ΔS₂都增加，导致ΔF₂成倍地增加，最终，第3桩节段5上的凸环部7的承载力大幅度地增加(特别是与等径桩相比较)，上述第3桩节段5的半径r₃正是按照上述机理而确定的。

另外，如图2所示，作为本发明的另一实施例的钢筋混凝土桩结构中所采用的为钢筋混凝土桩2，该混凝土桩2包多个桩节段，即，桩节段3，4，5，…n，最上方的桩节段，即，第1桩节段3的半径为r₁，第2桩节段4的半径为r₂，第3桩节段5的半径为r₃，…第n桩节段n的半径为r_n。在第1桩节段3的上方形成有2个作为凸环部的凸部8₁，从平面看呈矩形状，在该节段3的下方，形成有2个作为凸环部的凸部8₂，上方和下方的凸部8₁和8₂的外径均为R，第2桩节段4上形成的凸环部6包括位于上方的4个从平面看呈矩形状的凸部6₁，以及位于下方的一个环部6₂，凸部6₁和环部6₂的外径均为R，在第3桩节段5上形成的凸环部在图中未示出，在第n桩节段n上形成的凸环部X包括上下两个环部X₁，X₂，其半径为R。在这里，为了便于说明和图示，假定各节段的凸环部的外径均为R，实际上也可以不同。

在这里，在R大于r₁的情况下，由于作为凸环部的凸部6₁形成于第2桩节段4上，而第2桩节段4的半径为r₂小于r₁，故作为凸环部的凸部6₁的垂直投影面积增加，即土体对凸环部6₁的支承接触面积增加，这样，便获得每个凸环部6₁的承载力的增量ΔF₂₁：

ΔF₂₁＝P₂×ΔS₁×β₂₁＝P₂×(πr₁ ²-πr₂ ²)×β₂₁

其中，

P₂表示第2桩节段4处的地基土体的强度，或单位面积的承载力；

ΔS₁表示桩身的第1桩节段3与第2桩节段4的垂直投影面积差；

β₂₁表示作为凸环部的凸部6₁的垂直投影面积与其等效半径和该凸环部的等效半径r₂相同的连续纯环部的垂直投影面积的比；

而所有凸环部6₁的承载力的总增量为m×ΔF₂₁

m表示本桩节段上的凸环部的数量，在这里为4。

作为凸环部的环部6₂的承载力的增量ΔF₂₂：

ΔF₂₂＝P₂×ΔS₁×β₂₂＝P₂×(πr₁ ²-πr₂ ²)×β₂₂

其中，

P₂表示第2桩节段4处的地基土体的强度，或单位面积的承载力；

ΔS₂表示桩身的第1桩节段3与第2桩节段4的垂直投影面积差；

β₂₂表示作为凸环部的环部6₂的垂直投影面积与其等效半径和该环部的等效半径的r₂相同的纯环部的垂直投影面积的比，在这里，为1。

由此，第2桩节段4的总承载力的增量＝m×ΔF₂₁+ΔF₂₂。

m表示本桩节段上的凸环部的数量，在这里为4。

同样，在第n桩节段n，在R大于r_n的情况下，由于作为凸环部的环部X₁，X₂形成于第n桩节段n上，而第n桩节段n的半径为r_n小于r₁，故环部X₁，X₂的垂直投影面积增加，即土体对环部X₁，X₂的支承接触面积增加，这样，便获得X₁，X₂的相应承载力的增量ΔF_n1，ΔF_n2：

ΔF_n1＝P_n×ΔS_n×β_n1＝P_n×(πr₁ ²-πr_n ²)×β_n1

ΔF_n2＝P_n×ΔS_n×β_n2＝P_n×(πr₁ ²-πr_n ²)×β_n2

其中，

P_n表示第n桩节段n处的地基土体的强度，或单位面积的承载力；

ΔS_n表示桩身的第1桩节段3与第n桩节段n的垂直投影面积差；

β_n1，β_n2表示作为凸环部的环部X₁，X₂的垂直投影面积与其等效半径和该凸环部的等效半径r_n相同的连续纯环部的垂直投影面积的比，在这里，均为1。

由此知道，第n桩节段n的环部X₁，X₂的总承载力的增量＝ΔF_n1+ΔF_n2。

从图2和上面分析知道，在上述第2桩节段3中，r₂与ΔF₂之间具有函数关系，r₂越小，ΔF₂越大，伴随桩深的增加，P₂与ΔS₁都增加，导致ΔF₂成倍地增加，最终，第2桩节段3上的凸环部6的承载力大幅度地增加(特别是与等径桩相比较)，上述第2桩节段3的半径r₂正是按照上述机理而确定的。

同样，从图2和上面分析知道，在上述第n桩节段n中，r_n与ΔF_n之间具有函数关系，r_n越小，ΔF_n越大，伴随桩深的增加，P_n与ΔS_n都增加，导致ΔF_n成倍地增加，最终，第n桩节段n上的作为凸环部的环部X₁，X₂的承载力大幅度地增加(特别是与等径桩相比较)，上述第n桩节段n的半径r_n正是按照上述机理而确定的。

由于上面的桩结构，与具有桩径没有变化的桩的过去的桩结构相比较，桩间距可减小，从而可减小钢筋混凝土承台1的面积。

Claims (9)

1.一种桩结构，该桩结构包括多根桩和桩承台，上述多根桩的顶部与该桩承台连接，该桩包括桩身和形成于该桩身上，从该桩身向侧方突出的凸环部，上述桩身沿桩纵向，包括直径不同的多个桩节段，其中，该多个桩节段的等效直径从上往下减小，在最上方的第1桩节段下方的任意的第i桩节段上形成上述凸环部，形成有该凸环部的第i桩节段的等效半径是按照满足下述关系式，以便减小相邻的上述桩间距，进而减小上述桩承台的整体尺寸的方式确定的，该关系为：

ΔF_i＝P_i(πr₁ ²-πr_i ²)×β_i

在该式中，

ΔF_i表示第i桩节段上的凸环部的承载力的增量值；

P_i表示第i桩节段处的凸环部周围土的单位面积承载力；

r₁表示最上方的第1桩节段的等效半径；

r_i表示形成有该凸环部的第i桩节段的等效半径；

β_i表示在第i桩节段，当凸环部为非连续环形的凸起时，该凸起的垂直投影面积与其等效半径和该凸环部的等效半径r_i相同的连续纯环形凸环部的垂直投影面积的比，当凸环部为连续纯环形凸环部时，该比值为1。

2.根据权利要求1所述的桩结构，其特征在于上述桩为混凝土桩，上述凸环部中配有钢筋。

3.根据权利要求1或2所述的桩结构，其特征在于上述桩为混凝土桩，在上述桩的桩身中配有钢筋，或预应力钢筋。

4.根据权利要求1所述的桩结构，其特征在于在一个桩节段中设置有多个凸环部。

5.根据权利要求1所述的桩结构，其特征在于上述凸环部尽可能形成于靠近桩底端的桩节段上。

6.根据权利要求1所述的桩结构，其特征在于上述桩中的桩身和凸环部均是混凝土的。

7.根据权利要求1所述的桩结构，其特征在于从桩身自上而下的方向，形成于各桩节段上的凸环部的等效直径逐渐增加。

8.根据权利要求1所述的桩结构，其特征在于在上述桩的最上方的桩节段上也形成有凸环部。

9.根据权利要求1所述的桩结构，其特征在于相邻桩的同一标高处的桩节段上的凸环部在竖向上错开地布置。

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