CN101932772B - 具有包括临界内孔的末端扩大盘的扩头桩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桩，该桩的头部是扩大的。其中，在该桩的末端安装有尺寸比该桩的末端横截面大的末端扩大盘，以提高中空桩的末端支撑力。更具体地说，本发明涉及一种桩，该桩的头部是扩大的，其中，内孔具有比桩的腔孔小的最优尺寸并形成在末端扩大盘的表面上。所公开的桩的头部是扩大的，并且该桩具有包括临界内孔的末端扩大盘，其中，末端扩大盘的尺寸大于桩的末端的横截面直径，以提高中空桩的末端支撑力。末端扩大盘成形为环形带，其中形成有比桩的腔孔小的孔。特别的是，与末端扩大盘的半径(D_o)相比，末端扩大盘的宽度(t_plate)在40％～70％的范围内。

Description

具有包括临界内孔的末端扩大盘的扩头桩

技术领域

本发明涉及一种扩头桩，其中，中空桩的末端设有末端扩大盘，该末端扩大盘的尺寸大于所述末端的横截面尺寸，以使所述中空桩的末端支撑力实现增强。更具体而言，本发明涉及一种扩头桩，其中，末端扩大盘在其横截面中形成有内孔，该内孔的优化直径比中空桩的内直径小。

背景技术

通常，为了加强建筑物或结构的基础或为了增大地面的支撑力而执行基础施工，从而安全地支承所述基础。根据基础施工的具体实现方法，可将基础施工分成为硬化式基础施工(使用碎石、沙子、沙砾等进行硬化)、桩筏基础施工、墩基础施工、(现行的)桩基础施工和现场浇注混凝土桩基础施工。考虑建筑或结构的荷载、地面条件和其他施工条件来选择最优的基础施工。在各种基础施工中，桩基础施工是最常使用的，在桩基础施工中，将桩掩埋在地下，以通过利用由桩的末端施加的末端支撑力和由桩的外围施加的摩擦支撑力，实现地面承载力的增大。

虽然在桩基础施工中使用的桩被制成例如相同形状的钢桩和混凝土桩，但是为了实现与传统桩相比增大的支撑力，最近已经提出并且越来越多使用扩头桩。扩头桩通常构造成这样，即：将外直径大于桩的外直径的末端扩大盘设置在桩的末端处，以增大末端的外直径。末端的被增大的外直径具有增大末端的横截面和土地之间的接触面积的作用，从而允许桩的末端对土地施加增大的支撑力。然而，末端扩大盘的外直径的增大受到限制，这是因为末端扩大盘的外直径的过度增大需要不必要地增加桩施加的挖掘直径，从而造成水泥浆的过度使用，并因此导致经济效益较差。

具体地说，在中空桩在其末端设有末端扩大盘而具有头部扩大的形状的情况下，末端扩大盘必须穿设有内孔。在这种情况下，如果末端扩大盘的内孔比中空桩的中心腔孔小，那么末端扩大盘可提供扩大的末端横截面，该扩大的横截面足以增大桩的末端支撑力而无需过度地增加末端扩大盘的外直径。然而，虽然末端扩大盘本质上必须穿设有内孔(因为该内孔作为允许通过中空桩的腔孔引入的水泥浆到达桩的末端的排出孔)，但是还没有提出具有适当尺寸的内孔。

发明内容

技术问题

因此，考虑到上述问题而实现了本发明，并且本发明的目的是提供一种扩头桩，其中，中空桩的末端设有末端扩大盘，该末端扩大盘的外直径比所述桩的末端横截面的外直径大，并且穿设在所述末端扩大盘中并且直径小于所述中空桩的中心腔孔直径的内孔的尺寸最优，以使末端支撑力最大。

技术方案

根据本发明的一个方面，上述及其他目的可通过提供一种扩头桩而实现，其中，中空圆形桩的末端设有末端扩大盘，该末端扩大盘的外直径大于所述中空圆形桩的末端横截面的外直径，以使所述中空桩的末端支撑力实现增大。所述末端扩大盘在其横截面中穿设有内孔，所述内孔的直径小于所述中空圆形桩的中心腔孔的直径，使得所述内孔的尺寸最优以使所述桩的末端支撑力最大。

根据本发明，具有中空形状的扩头桩在其末端设有末端扩大盘，该末端扩大盘的外直径大于所述桩的末端横截面的外直径。本发明没有盲目地增加末端扩大盘的直径，相反，所述末端扩大盘在其横截面中穿设有内孔，所述内孔的直径小于所述中空圆形桩的中心腔孔的直径，并且所述内孔的尺寸最优而使末端支撑力实现最大化，从而使材料利用效率最高并且获得优异的桩施工效率。

附图说明

结合附图从下列详细描述可以更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1是示出根据本发明的扩头桩的一个实施方式的视图，该扩头桩设有末端扩大盘，该末端扩大盘具有临界直径的内孔；

图2是示出有限元分析的分析条件的视图，用于确定在末端扩大盘中穿成的内孔的尺寸与扩头桩的末端支撑力之间的关系；

图3至图8是示出从有限元分析中获得的分析结果的曲线图；

图9是示出从有限元分析中获得的、关于末端扩大盘的宽度相对于桩厚度的比率的曲线图；以及

图10是示出图3至图8的分析结果的概要的曲线图。

具体实施方式

为了实现上述技术方案，本发明提供了一种扩头桩，该扩头桩包括末端扩大盘，该末端扩大盘设置在中空圆形桩的末端处，用于增加所述中空圆形桩的末端支撑力，该末端扩大盘的外直径大于所述中空圆形桩的末端横截面的外直径，其中，所述末端扩大盘呈在其横截面中穿设有内孔的环形带的形式，所述内孔的直径小于所述中空圆形桩的中心腔孔的直径，所述末端扩大盘的宽度相对于所述末端扩大盘的外直径在40％～70％的范围内。

所述扩头桩可以是先张法预应力高强度混凝土(PHC)桩。

下面将参照附图详细描述本发明的一个示例性实施方式。

图1是示出根据本发明的扩头桩的一个实施方式的视图，该扩头桩设有末端扩大盘，该末端扩大盘具有临界直径的内孔。虽然图1示出了以如下方式建造扩头桩，即：先制成末端扩大盘，然后将该末端扩大盘联接至中空桩，但是应该理解的是，本发明也可应用于其中末端扩大盘与中空桩一体形成的扩头桩。

在根据本发明的扩头桩中，将外径等于或大于中空桩10的末端横截面的外径的末端扩大盘20安装至桩10的末端，从而为桩10提供增强的末端支撑力。末端扩大盘20在中心处穿有内孔25，该内孔25的直径比中空桩10的中心腔孔15的直径小，从而末端扩大盘20具有从中空桩10的内边缘向内延伸的长度。

具体地说，为了实现末端支撑力的增强，增大中空桩10的末端横截面的尺寸，从而使中空桩10实现地面压力面积的增大。

尤其是，本发明的本质在于提供一种末端扩大盘20，该末端扩大盘20通过在末端扩大盘20的中心处穿设内孔25而具有向内延伸的长度，内孔25的直径小于中空桩10的中心腔孔15的直径。该构造是在考虑了以下的情况而给出的：设有向内延伸的长度而不是向外延伸的长度的末端扩大盘20确保方便地建造桩，而无需增加挖掘直径。

这里，根据本发明的中空桩可以是先张法预应力高强度混凝土(PHC)桩，但是本发明本质上不限制于此。可以替代性地使用预制混凝土桩或钢桩。

此外，由于末端扩大盘20形成有向内延伸的长度，也就是说，末端扩大盘20穿设有内孔25，因此本发明考虑到末端支撑力和穿设在末端扩大盘20中的内孔25的直径之间的关系而提出内孔25的最优直径。为此，本发明的发明人在改变穿设在末端扩大盘中的内孔25的直径同时(更具体而言，在逐渐地减小内孔25的直径时)测量扩头桩的末端支撑力，并且提供了如下将描述的概要测量结果。

在本发明中，进行了有限元分析，以便定量分析末端扩大盘中的内孔25的直径对末端支撑力的影响。图2至图9示出了有限元分析的分析条件和分析结果。在该有限元分析中，关于中空桩的厚度、末端扩大盘的向外延伸长度和桩的外半径来估计末端扩大盘中的内孔25的直径和末端支撑力之间的相互关系。尽管如下面将要描述的那样基于有限元关于PHC桩进行了估计，但是应理解，可以从各种扩头桩(包括钢桩、混凝土桩等以及PHC桩)获得相同的估计结果。这是因为估计目标涉及末端横截面尺寸和末端支撑力之间的相互关系。

在根据本发明的有限元分析中，使用具有不同直径，即400毫米、500毫米和600毫米的PHC桩，并且由桩的末端支撑的对象是风化土壤。以下表1中所示的桩条件为基础，同时使末端扩大盘的内孔的直径以预定比率从与中空桩的内直径相同的尺寸增加至完全实心桩。此外，本发明的分析假定末端扩大盘在施加荷载时没有弯曲变形。由于参数研究的目的是为了分析末端扩大盘中的内孔对末端支撑力的影响，因此上述分析排除了边缘摩擦并且将桩的长度固定为20厘米。

表1

图2A示出了本发明的有限元分析的示意性分析模型。在该有限元分析中，应注意，在这些桩条件中，荷载条件和分析区域符合轴对称条件，因此采用关于图2B中所示的半横截面的轴对称模型。这里，将分析区域的横向边界设置在与桩的中心轴线间隔15米的位置处，从而不会影响桩的荷载-位移特性，并且将桩下方大约5米深的地下区域设置为分析区域的支撑层。在该模型中，对于地面和桩采用轴对称4节点缩减积分单元(CAX4R)。

此外，应注意的是，以如此的方式执行所述分析，即在这些边界条件中，横向边界基于水平位移，底部边界基于竖直位移，并且在实现初始地下应力之后，在每一步基础步骤上辨别出作用荷载。在桩和土地之间的边界的模型中，为了研究在排除桩周围的边缘摩擦的条件下荷载支撑特性，根据将所述桩的边缘与周围地面之间的相互作用去除的方法，模拟了所谓的接触对。

所述接触对利用库伦摩擦模型重现不同种类的层的相互行为状态，更具体而言，所述接触对利用在接触平面处的最大容许摩擦应力和接触压力来重现接触平面处的行为状态。例如，在最基本的库伦摩擦模型中，如果接触平面的剪切应力τ大于表示为接触压强p(τ_crit＝μ·p，其中μ为摩擦系数)一部分的临界剪切应力τ_crit，那么这预示着产生了滑动。同时，在分析区域的材料模型中，对于所述支撑层和桩的边缘土地应用符合非关联流动法则的摩尔-库伦屈服标准，并且对于桩和末端扩大盘应用线弹性模型。

图3至图9示出了在图2中所示的条件下有限元分析的概要分析结果。为了理解末端扩大盘中的内孔与末端支撑力之间的相互关系，对从该分析结果获得的荷载沉降曲线(Q-S曲线)进行比较分析。更具体而言，应注意，将屈服荷载与桩沉降2.5％时造成的荷载相比较，其中桩的直径基于DIN4026标准，并且载荷沉降曲线取决于作用在桩的上侧上的载荷。

图3和图4示出了关于表1中的桩1和桩2的、在桩的末端处的荷载沉降曲线。如图所示，可以确定，桩1和桩2在末端扩大盘的宽度t_plate相对于中空桩的厚度t_pile的比率增大时具有基本相同的荷载增加，但是在该比率大于预定值之后，桩1和桩2基本没有荷载增加。

图5至图8示出了关于表1中的桩3至桩6的、在桩的末端处的荷载沉降曲线。如图所示，如果这些桩具有相同的500毫米的直径，那么可以确定，无论在参数是桩厚度的条件下还是在参数是桩的向外延伸的长度的条件下，这些桩都具有近似相同的荷载沉降曲线，该荷载沉降曲线取决于末端扩大盘的宽度t_plate相对于中空桩的厚度t_pile的比率的增加。

此外，进行所述分析的目的还在于为了根据末端扩大盘的向外延伸长度的变化和桩的厚度的变化来检查所述临界内直径是否是可适用的。图9基于从桩头部处的荷载沉降曲线计算出的末端支撑力的结果示出了相对于PHC桩的末端支撑力ΔQ的增加。基于所述末端扩大盘的宽度t_plate相对于中空桩的厚度t_pile的比率借助于分析而获得该结果。

如图9所示，可以确定的是，末端扩大盘的宽度越大，末端支撑力就越大，并且增加率呈现收敛状态。还可以确定的是，从桩的直径和厚度的变化以及桩的向外延伸的长度的变化不能获得内孔的显著临界直径。

为了克服上述问题，通过分析取决于末端扩大盘的宽度相对于末端扩大盘的外直径的比率的末端支撑力的增加率来检查内孔的临界直径。图10中示出了该检查结果。

图10是图3至图8中的荷载沉降曲线的概要图，以便直观地确定末端扩大盘中的内孔的直径和末端支撑力之间的相互关系。更具体而言，图10示出了末端支撑力取决于末端扩大盘的宽度相对于末端扩大盘的外半径的比率。如图所示，虽然末端扩大盘的宽度t_plate相对于末端扩大盘的外半径D_o的比率越大，末端支撑力就越大，但是可确定的是，当末端扩大盘的宽度t_plate相对于末端扩大盘的外半径D_o的比率大于70％时，末端支撑力的增长率为零。

换言之，可以这样说，如果穿设在末端扩大盘中的内孔具有比预定值小的尺寸，那么末端支撑力基本没有变化，不管内孔的直径如何。从而，具有预定直径(临界直径)的内孔的末端扩大盘可以允许桩用作实心桩。考虑到当末端扩大盘的宽度t_plate相对于末端扩大盘的外半径D_o的比率大于70％(如图9所示)时末端支撑力只具有微小增长率，最优选的是末端扩大盘的宽度t_plate相对于末端扩大盘的外半径D_o在40％-70％的范围内，以实现材料的有效利用并使末端支撑力最大化。

如果确定了末端扩大盘的宽度t_plate相对于末端扩大盘的外半径D_o的比率，那么基于该比率确定内孔的直径。这样，可以将扩头桩构成在末端扩大盘中穿设直径最优的内孔。

在本发明中，虽然末端扩大盘由钢制成，但是本发明本质上并不限于此，可以使用由混凝土或由玻璃纤维增强的合成树脂制成的其它盘。

如上所述，在希望将具有临界尺寸的内孔的末端扩大盘安装至在工厂中预先制造的中空桩上的情况下，可以将也是预先用钢、混凝土、合成树脂等制造的末端扩大盘在施工现场安装在至中空桩。另选的是，可以将钢、混凝土或合成树脂等制成的盘插入用于制造中空桩的模型中而在工厂里使末端扩大盘与该中空桩一体形成。

Claims (2)

1.一种扩头桩，该扩头桩包括末端扩大盘(20)，该末端扩大盘(20)设置在中空圆形桩(10)的末端处，用于增加所述中空圆形桩的末端支撑力，该末端扩大盘(20)的外直径大于所述中空圆形桩的末端横截面的外直径，

其中，所述末端扩大盘(20)呈在其横截面中穿设有内孔(25)的环形带的形式，所述内孔(25)的直径小于所述中空圆形桩的中心腔孔(15)的直径，所述末端扩大盘的宽度(t_plate)相对于所述末端扩大盘的外直径(D_o)在40％～70％的范围内。

2.根据权利要求1所述的扩头桩，其中，所述扩头桩是先张法预应力高强度混凝土桩，即PHC桩。

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