CN103161160B - 一种双向压旋抗拔桩设计方法 - Google Patents

Abstract

<b></b>一种新的功能型钢筋混凝土桩-双向压旋抗拔桩的设计方法，用高强混凝土制作，由四个空间旋转曲面围成，四条空间螺旋曲线韧角具有60°的切土角度，在静压力作用下，旋转钻入地基土体。旋转90°时，同一点的竖向距离为1.732b。b为方形截面桩的边长。当桩的实体长度为L时，单方向增加的水平投影端承面积为0.333bL，同时减少混凝土体积为0.2848b²L。桩基础采用双数布置，分为顺时针和逆时针旋转两种，加载时由于土体的反力形成的扭矩可以在桩承台内自行平衡。在提高抗拔能力方面具有优越性。其内接圆作为配筋截面有效设计截面。由于最有效的切土角度，使得静力压桩设备的机械功率消耗最低，是一种适用于工厂化生产的预制钢筋混凝土功能型桩。

Description

一种双向压旋抗拔桩设计方法

技术领域

本发明属于建筑结构基础设计领域，涉及桩基础的外形构造，通过该构造实现压入旋进、抗拔的功能。该桩通过施加静压力使其旋转压入地基土中，加大了桩身与地基土的接触面积，具有明显的综合承载能力，节省机械工消耗和避免施工机械噪声。该桩适用于独立结构物的抗拔桩基础。

背景技术

软土地基条件下的基础可采用桩基础，包括预制桩和现浇桩两种。普通钢筋混凝土预制桩一般为方形，可设计成端承桩和摩擦桩，以承担结构上部的荷载作用；打拔管桩与预制桩的施工方法相同，打桩需要用到大型打桩机械，噪声大，如果采用静力压桩机械，机械工耗费较高，桩入土困难，对土体的挤密作用较大，地基应力分布不均匀。人工挖孔桩工作量大，且与土体的摩擦作用小。螺丝桩抗拔承载力较高，但施工十分复杂，需要成孔和拧入等大型特殊设备。

目前，制作混凝土桩的混凝土强度等级达到C60以上，不再是技术难题，规范已经允许在工程中使用C80等级的混凝土。混凝土强度等级的提高，为混凝土预制桩的生产提供了更为可靠的保障。如果采用高强混凝土制作预制混凝土桩，可以开发出更多的使用功能。

抗拔桩越来越多的被选为如风力发电设备基础、大型单体高耸结构物的基础等。螺丝桩具有比较好的抗拔性能，但由于螺丝构造上的缺陷，丝与杆之间刚度变化较大，容易产生应力集中导致破坏，其它桩的抗拔性能均不理想。钻孔桩耗费工时和设备较多，打桩机噪声大，机械能损耗大，静力压桩设备能力要求较高等。

针对上述桩基设计与施工方面的不足，总结各种桩基的工程实际情况，在应用高强混凝土材料的基础上提出了一种采用压桩设备，相对降低设备能力要求，抗拔能力较高，施工方便，功能优异的一种双向压旋抗拔桩设计方法。按照目前的模板技术和混凝土技术，在工厂内通过曲线模板制作结构构件，同时结合高强自密实混凝土的应用是完全可以实现的。

发明内容

本发明的目的是设计一种双向压旋抗拔桩，首先以提高桩的抗拔能力为前提，设计一种新型的钢筋混凝土预制桩，具有新的功能和作用。使用静力压桩设备，最大限度地降低机械能的消耗，避免施工机械噪声。在压桩入土的过程中，桩体按照设计的旋转方向，通过螺旋曲线边韧角的作用，切削土壁的同时旋转进入土体，通过桩承台固定。该桩在一定程度上具备了螺丝桩抗拔能力强的优点，同时又减少了大型机械能耗，可适当地增强土体的挤密效应。不仅可以用于端承桩、也可以用于摩擦桩的设计与工程施工。

本发明的技术方案如下：

一种新型钢筋混凝土桩，设原方桩的边长为b，在离开角部0.08b的位置，截面中部凹进取0.1b，按照圆弧曲线连接这三个点，形成实线表示的断面（如附图2所示）。

如图3所示，把上截面沿纵轴旋转，一个角点旋转90°时的新位置为相邻下一个角点原位置。控制上下相邻截面的高度为1.732b，也就是韧角曲线切线的角度为60°，这个角度对切削土体作用效果较好。由于高强混凝土的强度比较高，对于软弱地基土来说，旋进作用效果比较强。扭转后的桩单元如附图4所示。

桩尖正面图如附图5所示，桩尖透视图如附图6所示。

在本发明中，制作静力压旋的钢筋混凝土桩，且切土角度设定为60°左右，采用静力压桩的施工工艺，与边长为b的方桩相比，当桩的实体长度为L时，增加的端承面积为0.333bL，同时减少混凝土体积为0.2848b²L,减少1/4左右。

本发明所提供的一种新型双向压旋抗拔桩的设计方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将方形截面桩改成扭曲截面桩，并根据土力学原理，形成60°切土韧角；

2)利用边部韧角切土作用，通过强力压桩，将桩压入软土地基中；

3)具有一定的抗拔能力和增大了桩的摩擦承载力和端面承载力；

4）承载过程中的内扭矩，通过桩的对称布置，在桩承台内取得自平衡；

5）当土体较硬时，可钻略小于桩外径的孔，然后再行压入，以均匀分布土体的挤密作用；

6）减小了静力压桩机械的能量消耗，避免了一般预制桩打桩机械的噪声；

7）其桩有效截面积可以按照内接圆的面积计算，并核其相应的承载力；

8）桩尖部分按照附图5、附图6的方式制作，并与桩身形成一体；

9）压桩时采用带有平面铰的压桩加载头，在旋压过程中由土体的抵抗力推动桩旋转入土。

10）即可作为端承桩设计、也可作为摩擦桩设计，其桩头、桩尖、桩身的配筋，根据内接圆的截面核算，并按照现行桩基础的设计规范进行设计（如附图2所示）。

本发明双向压旋抗拔桩，与传统的预制钢筋混凝土桩不同，该桩呈空间螺旋曲面外形,有四条螺旋曲线韧角，同时具有端承桩和摩擦桩的功能，也具有螺丝桩的抗拔能力，双向对称的群桩布置，加载时地基土反力形成的旋转扭矩，可以通过承台上的约束实现自平衡。在比较小的静压力作用下，加载头装置平面铰，可以使桩体旋转下切，达到指定的标高位置，相对减小了机械功率消耗。由于旋转曲面的承压作用相同，因此具有一定的抗拔能力，桩体的制作采用高强自密实混凝土，同时需要制作复杂的模具，根据目前的技术能力，工厂化生产是完全可以实现的。

本发明的钢筋混凝土桩，施工时采用静力压桩旋转钻入地基土、具有较完善的承载功能和较低的机械消耗、端承面积较大的特点，利于综合承载能力的发挥，桩承台将桩牢牢地锚固在地基土中,由于承台的约束作用,承载时桩体不能旋转,因此保证了桩的抗拔能力。简化了施工方法、降低了机械能耗、消除了打桩噪声、相对减少了混凝土的用量。

附图说明

图1是桩与承台的对称布置方式，桩体旋转方向相反；

图2是桩的水平剖面图；

图3是桩体旋转单元正面图，表示单元体高度，图中表示正反旋转方向的正面图；

图4是桩单元形状透视图；

图5是桩尖正面图；

图6是桩尖透视图。

图中①表示承台，②表示顺时针旋进的桩体，③表示逆时针方向旋进的桩体，④桩尖部分，⑤表示曲线韧角；

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的双向静力压旋抗拔桩。

图1所示为本发明的双向旋转桩基础结构图，在承台上对称布置，加载时由于地基土的反力作用，桩体产生的力矩在承台的约束下取得自平衡。

顺时针旋转桩②和逆时针旋转桩③对称布置，其上端与桩承台①固定连接。桩尖④与桩体②、③在桩的下端连接。⑤是②、③桩体旋转后外部的曲线韧角。

图2是桩的水平剖面图，根据桩的实长L，外接圆在一个单元长度内，形成空间斜曲面，一个单元高度水平投影的外接圆的面积减去正方形的面积为0.333bL，b表示方桩的边长。

图3表示顺时针旋转的桩单元体、逆时针旋转的桩单元体和单元体的控制高度为1.732b，b表示方桩的边长；

图4是两个旋转方向的桩单元体透视图；

图5表示桩尖的正面图，桩尖的高度取1.3-1.5b，b表示方桩的边长；

图6为桩尖的透视图，由于桩头较短，不再设计成扭转面。

Claims (2)

1.一种双向压旋抗拔桩，其特征在于，每根桩由四个空间旋转曲面和四条空间螺旋线围成其外形，旋转曲面内部呈凹陷状，在四个角处形成四条螺旋曲线韧角，由旋转方向分别为顺时针和逆时针两根桩组成一组，一组或两组以上的桩和具有锁定旋转作用的承台共同组成双向压旋抗拔桩。

2.一种实施权利要求1所述双向压旋抗拔桩的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)该桩利用C60以上高强混凝土制作，在方桩的四个边上，方桩的边长为b，与四个直径为1.865b的圆柱体平衡相贯，与方桩重合部分的最大深度为0.1b，去掉重合部分，然后进行扭转，旋转90°时，点的位置垂直距离为1.732b，做出具有四条空间螺旋线韧角的、由空间旋转曲面围成的桩体；

2)桩体螺旋线韧角的切土角度为60°，每个桩基础的基本单元为双数桩布置，由顺时针和逆时针两个桩组成；

3)桩与承台浇筑在一起后，桩为对称性布置，当施加载荷时，由地基反力推动桩体形成的旋转扭矩，可在承台上实现自平衡；

4)桩体的空间旋转曲面与土地的接触面积较大，当桩的旋转被承台控制后，桩体的沉入和拔出均受到了很大的限制，因此表现了较强的综合承载能力，尤其是抗拔能力；

5)桩体的曲线韧角边在静压力作用下，旋转钻入地基土中，以最大的切土效率减少了机械能的消耗；

6)静力压桩的加载装置要求安装能够在水平面旋转的球铰。