CN104372795A - 一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置及施工方法，可广泛应用于软基地段高速公路互通区、交叉道路跨线桥等桩基施工，其包括软土地基内灌注成型的桩基和设置在桩基外的减阻器，该减阻器是由内筒、外筒、中件、盖板、橡胶密封环、润滑脂、气囊、充气管和吊钩等构成，整体构造简单、制作容易、用途广泛，它在运营阶段出现桩基周边的软土地基发生工后沉降时，能通过内、外筒之间的无摩阻相对运动而使桩基既不发生向下位移，也不阻止桩基周边软土和路面的同步工后沉降，故能消除负摩阻力导致的路面凸出现象，利用这种装置并结合施工方法解决了道路交通工程中长期存在的难题，还具有节约资源，提升经济和社会效益、有利于交通运营安全等优点。

Description

一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置及施工方法

技术领域

本发明涉及一种用于消除软土地基桩基摩阻力的装置及施工方法，具体的说是指一种涉及消除软土地基沉降引起的桩基负摩阻力的装置及施工方法。

背景技术

软土地基分布十分广泛，工程处理费用巨大，软基沉降很难预测和控制，给工程建设带来很大的困难。常见的软土地基沉降分建设期沉降和运营期工后沉降，建设期沉降时间长，施工工期长，投资增加；工后沉降多，工程运营维护资金投入大，不利运营安全，还带来经济效益低下、社会影响不良等诸多的严重后果。如软基地段高速公路互通区、交叉道路跨线桥等，跨线桥下桩基附近常出现路面凸出现象，既影响美观，还造成行车不舒适、易出现交通事故。出现这种现象的原因主要是由于桥梁桩基的沉降量很小，软基沉降大而导致桩基产生负摩阻力，以致跨线桥下桩基附近的软土地基产生了向上的摩阻力而出现凸出现象。处理这种病害，目前通常采用两种方法处理：方法一是铲除凸出部分路面，接顺连接段路面；方法二是将全部连接段路面加铺至凸出部分高度，耗资巨大。由于软基在继续沉降，过一段时间后，桩基附近的凸出现象又会反复出现，又要采取同样的方法再次处理。又如码头软基堆场，由于软基沉降使桩基产生负摩阻力，减少了桩基的承载力，有可能发生工程事故。因此，为了减少软土地基桩基摩阻力，目前一般待软基沉降一定标准后，再施工钻孔灌注桩，但工后沉降引起桩基的负摩阻力也不能从根本上解决，而公开的中国专利号为200910130401.8的“消除挤土负效应屏障器及施工成桩工法”虽然能解决施工期内桩基的负摩阻力，但也不能解决运营期工后沉降引起桩基的负摩阻力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种能有效消除运营期工后软土地基沉降而引起桩基负摩阻力的装置及施工方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，包括软土地基内灌注成型的桩基和设置在桩基外的减阻器，所述的减阻器包括套装在桩基外的内筒和活动套装在内筒外的外筒；所述的内筒底部伸出外筒底部与桩基灌注一体，在内筒底部的外圆周面上还设有一圈由气囊螺栓固定的半椭圆形圆环气囊，该气囊上设有连通至外筒顶部的充气管；所述的外筒顶部设有盖板，该盖板上设有多个连通内、外筒之间的注脂孔，外筒底部设有底板，该底板的内圆周端面紧贴在内筒的外壁上，在底板的内底面上设有橡胶密封环，该橡胶密封环的内圈向上翘起并紧密抱合在内筒外壁上；所述的内、外筒之间设有多个以内筒中心为圆心作圆周均布的中件，每个中件均包括一根中件钢丝，该中件钢丝的顶端设有固定连接在盖板上的上螺栓组，中件钢丝的底端设有同时固定橡胶密封环和底板的下螺栓组，中件钢丝上设有多个沿垂直方向作等距固定的圆球。

所述的内筒、外筒和气囊螺栓的强度计算需符合如下公式：

公式一、

    

式中：

——内筒圆环截面所受的均布向外压强（）；

——桩基施工时护筒顶面至内筒圆环截面底面的高度（）；

——混凝土容重（）； 

——钻孔泥浆容重（）；

——内筒圆环截面所受的拉力（）；

——内筒底面圆环截面周边任一点与水平轴的夹角（）；

——内筒底面圆环截面所受的拉应力（），式中1为单位高度（）；

——内筒圆环截面壁厚（）；

——内筒圆环截面计算半径（）； 

——内筒圆环截面材料容许拉应力（）；

公式二、

式中：

——混凝土灌注至气囊竖直中心处气囊所受的压强（）；

——桩基施工时护筒顶面至气囊竖直中心的高度（）；

——混凝土容重（）；

——钻孔泥浆容重（）；

——固定气囊的个气囊螺栓所受的剪切应力（）；

——固定气囊的个气囊螺栓所受的剪切力（）；

——气囊螺栓的数量；

——气囊的半椭圆形圆环水平面有效投影面积（）；

——单个气囊螺栓的截面积（）；

——气囊螺栓的容许剪切应力（）。

公式三、

式中：

——气囊的充气压强（），为桩基施工时护筒顶面至气囊中心的高度各土层的侧压应力（），气囊充气后，气囊的半椭圆形圆环端部伸入软土层中5～10 ，气囊的设置起到阻止混凝土上升的作用，避免减阻器被混凝土包裹；由于钻孔护壁泥浆的护壁作用，钻孔灌注桩不会塌孔，即，可见公式三右边足够满足要求，只需气囊充气压强满足公式三左边即可；

——桩基施工时护筒顶面至气囊竖直中心的高度（）；

——桩基施工时地面至气囊竖直中心的高度（）；

——桩基施工时地面至气囊竖直中心的高度各土层的加权平均侧压力系数（无量纲）；

——桩基施工时地面至气囊竖直中心的高度各土层的加权平均容重（）；

——钻孔泥浆容重（）。

所述的内筒内设有3~4个吊钩，每个吊钩均为钢质吊钩，每个吊钩的底部均设有与内筒底部钩连的“U”型钩，每个吊钩的顶部均设有钢丝绳。

所述的外筒为高强度玻璃钢材料制成的圆筒，其垂直横截面呈“［ ］”型，该外筒底部设有一段变直径的锥形段，该锥形段的高度为20~30，所述的注脂孔在外筒顶部的盖板上设有3~5个，每个注脂孔均相邻设置在外筒内直径的内侧。

所述的内筒为高强度玻璃钢材料制成的圆筒，该内筒的内直径比桩基直径大1~2，内筒外直径与外筒内直径之间预留2~3的中件安装空间，所述的气囊在内筒底部外圆周面上的安装位置距内筒底端为50~60的高度。

所述的每个中件的中件钢丝直径为0.4~1，中件钢丝上相邻两个圆球间距为50~100，圆球为玻璃钢圆球，该圆球直径为1.9~2.9，并比中件安装空间的距离小0.1~0.2，在圆球的上部和下部分别设有钢丝结，该钢丝结固定连接在中件钢丝上。

所述的橡胶密封环厚度为1~2，其向上翘起并紧密抱合在内筒外壁的内圈伸出内底面的宽度为1~2。

所述的气囊为橡胶气囊，该气囊为空心半椭圆形圆环，垂直最大厚度为10~20，充气压力为0.2~0.3Mpa，气囊的半椭圆形圆环外端部伸入软土层内5~10。

所述的软土地基包括上层的软土层和下层的持力层，该软土层采用塑料排水板、粉喷桩、水泥搅拌桩等其中一种或多种组合方法进行处理，在软土层上填筑公路路基并进行等载或超载预压，在公路路基上铺筑路面；所述的桩基为钻孔灌注桩，先在软土地基内钻出桩基孔并放置桩基钢筋笼，再灌注水泥混凝土形成桩基。

一种消除软土地基桩基负摩阻力装置的施工方法，其包括如下步骤：

步骤一、按设计要求制作减阻器的各个部件；

步骤二、在垂直横截面呈“［ ］”型的外筒下部底板的内底面上放置橡胶密封环；

步骤三、在内筒外直径与外筒内直径之间的中件安装空间内安装多个圆周均布的中件，并将中件的上螺栓组与盖板作旋紧固定、及中件的下螺栓组同时与橡胶密封环、底板作旋紧固定；

步骤四、在内筒底部安装气囊，该气囊至内筒底端预留50～60的高度；

步骤五、将组装完成的外筒和中件套入内筒外，用夹具临时夹紧外筒和内筒，保持橡胶密封环的内圈向上翘起并紧密抱合在内筒外壁上；

步骤六、通过1～2个注脂孔在外筒与内筒之间注满润滑脂，检查其余注脂孔是否有润滑脂溢出，直至其余注脂孔均有润滑脂溢出为止，同时检查外筒底部是否泄漏润滑脂，如有润滑脂泄露，则需检查橡胶密封环是否安装准确，再用橡胶塞封闭注脂孔；

步骤七、在软土地基上钻出桩基孔，该桩基孔的直径需考虑到减阻器的尺寸，桩基孔成型后检查尺寸，特别需准确测量气囊位置的桩基孔尺寸，保证气囊足够充气后的水平尺寸大于桩基孔的尺寸5～10，方能保证气囊密封混凝土的效果，如不能达到要求须更换气囊，直至满足要求为止，在内筒上安装吊钩，然后将减阻器通过桩基护筒吊入桩基孔内；

步骤八、在内筒内部安装桩基钢筋笼，将吊钩的钢丝绳固定在桩基护筒上；

步骤九、放入导管灌注混凝土，当混凝土灌注到内筒底部10～20的高度时，暂停混凝土灌注；

步骤十、将气泵连接充气管向气囊充气，充气压力0.2～0.3；

步骤十一、继续灌注混凝土，测量混凝土的上升高度，当混凝土上升20～30时，此时内筒底部已埋置在混凝土内；再次灌注混凝土上升20～30，此时内筒与外筒之间的混凝土也将上升20～30，即灌注的混凝土顶面与气囊底面接近，观察减阻器的外筒与桩基护筒之间有无护壁泥浆溢出，如无护壁泥浆溢出，说明气囊达到了密封内筒外壁与桩基孔内壁之间空隙的效果；如有泥浆溢出，再次充气加大气压以使气囊达到密封效果，混凝土灌注过程中继续观察有无泥浆溢出，直至混凝土灌注完毕；

步骤十二、待混凝土达到一定强度后，卸去临时固定外筒、内筒的夹具并拔出桩基护筒，该桩基与内筒底部灌注一体。

在运营阶段出现桩基周边的软土地基发生工后沉降，该减阻器的外筒、中件和润滑脂也随着周边软土同步下沉，由于减阻器的无摩阻作用，桩基既不发生向下位移，也不阻止桩基周边软土和路面的同步工后沉降，消除了负摩阻力导致的路面凸出现象。

与现有技术相比，本发明主要是在桩基外设置一个由内筒、外筒、中件、盖板、橡胶密封环、润滑脂、气囊、充气管和吊钩等构成的减阻器，这种减阻器构造简单、制作容易、用途广泛，它在运营阶段出现桩基周边的软土地基发生工后沉降时，能通过内、外筒之间的无摩阻相对运动而使桩基既不发生向下位移，也不阻止桩基周边软土和路面的同步工后沉降，故能更好消除负摩阻力导致的路面凸出现象，利用这种能消除负摩阻力的装置并结合相对应的施工方法无疑解决了道路交通工程中长期存在的难题，并具有节约资源，提升经济和社会效益、有利交通运营安全等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为设置在桩基外的减阻器结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为图2的A处放大图。

图5为图2的B处放大图。

图6为中件的结构示意图。

图7为内筒的受力示意图。

图8为内筒的受力计算图。

图9为减阻器的结构受力示意图。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

如图1~图9所示，1.软土地基、11.路面、12.路基、13.软土层、14.持力层、2.桩基、3.减阻器、31.内筒、32.外筒、321.底板、33.中件、331.上螺栓组、332.中件钢丝、333.圆球、334.中件安装空间、335.钢丝结、336.下螺栓组、34.盖板、35.注脂孔、36.橡胶密封环、361.内圈、37.气囊、38.气囊螺栓、39.充气管、40.吊钩、4.润滑脂、41.中件螺栓孔、42.桩基护筒。

一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置及施工方法，可广泛应用于软基地段高速公路互通区、交叉道路跨线桥等交通设施的桩基施工，其包括软土地基内灌注成型的桩基2和设置在桩基外的减阻器3。

所述的软土地基1，上层为软土层13，下层持力层14为土质较好土层，能承受桩基2承载力，其中软土层13需采用塑料排水板、粉喷桩、水泥搅拌桩等其中一种或多种组合方法进行处理，再填筑公路路基12进行等载或超载预压，当软土地基1沉降到设计要求的沉降速率后铺筑路面11，此后公路运营期间的后期沉降即为工后沉降，而由于软土地基1工后沉降的产生，路基路面具有随着沉降的趋势，桩基2产生负摩阻力，阻碍了桩基附近路基路面的均匀沉降，于是桩基2附近路基路面产生凸起现象，影响交通安全。

所述的桩基2为钻孔灌注桩，先在软土地基1内钻出桩基孔并放置桩基钢筋笼，再灌注水泥混凝土形成桩基2。

所述的减阻器3包括套装在桩基2外的内筒31和活动套装在内筒外的外筒32，该内筒和外筒均为圆筒形，在内筒外直径与外筒内直径之间预留2~3的中件安装空间334。

所述外筒32的垂直横截面呈“［ ］”型，用玻璃钢等高强度材料制作，可以承受软土地基1压力和桩基2灌注水泥混凝土的压力，外筒32底部20～30一段为变直径的锥形段，能减少外筒向下移动的阻力。

所述的“［ ］”型外筒32的顶部设有盖板34，该盖板上设有沿圆周呈梅花状均匀分布的两排圆孔，其中一排圆孔设在内侧，主要作为供中件33安装进入中件安装空间334内的中件螺栓孔41，另一排圆孔为设在外侧的注脂孔35，主要作为注脂和排气使用，其数量为3～5个，并相邻设置在外筒32内直径的内侧，每个注脂孔35均与中件安装空间334相连通，其中1~2个注脂孔35供注入润滑脂4，其余用于排气，润滑脂4为稠厚的油脂状半固体。

所述的“［ ］”型外筒32的底部还设有底板321，该底板的内圆周端面紧贴在内筒31的外壁上，在底板321的内底面上设有橡胶密封环36，该橡胶密封环上设有螺栓孔，可供中件33的下螺栓组336穿过固定，橡胶密封环36的厚度1～2，内圈361宽度伸出内底面1～2，伸出部分向上翘起并紧密抱合在内筒31外壁上，起到封闭内筒外壁与外筒32的内壁之间预留的中件安装空间334的作用，防止注入的润滑脂4外泄、钻孔护壁泥浆和使用期间的地下水渗入。

所述的内筒31内直径比桩基2的直径大1～2 ，可确保内筒31局部变形而不影响桩基的尺寸，内筒31底部伸出外筒32底部与桩基2灌注一体，在内筒31底部的外壁圆周面上还设有一圈由气囊螺栓38进行固定的气囊37。

所述的气囊37为橡胶制作，呈空心半椭圆形圆环，垂直最大厚度10～20，气囊底距内筒底50～60高度；气囊37外径比钻出的桩基2孔实际成孔直径大5～10 ；设置气囊37的作用是：由于钻孔灌注桩钻机转轴的摆动，桩基2孔的实际成孔直径比设计桩基2的直径要大些，施工技术规范规定钻孔灌注桩护筒内直径不小于设计桩基直径20，施工定额规定实际灌注混凝土方量和理论灌注方量之比不超过1.25，对于常见的桩基2直径1～2.5计算钻孔灌注桩桩基2的实际成孔直径比设计桩基2直径要大0.24～0.60，而内筒31、外筒32外直径均比桩基2孔的实际成孔直径小，钻孔灌注桩灌注水泥混凝土时，将把减阻器3内筒31外壁以外部分灌注在混凝土中，使减阻器3的减阻效果失效；气囊37设充气管39，充气管延伸到外筒32顶部供气囊37充气用，充气压力0.2～0.3（）；气囊37充气后，气囊37半椭圆形圆环外端部伸入软土层13中5～10 ，将密封内筒31外壁与桩基2孔孔壁之间空隙，从而起到阻止混凝土灌入和上升的作用，避免减阻器3内筒31外壁以外部分被混凝土包裹，失去减阻效果。

所述的内筒31内设有吊钩40，该吊钩40为钢质，数量3～4个，钩连内筒31底部部分设为“U”型钩，上部为钢丝绳，起到吊装和施工过程中固定减阻器3的作用。

所述的外筒32长度为，内筒31长度为，其中为软土地基工后沉降量；内筒31底预留长度。

以上参数由计算或试验确定，也可用如下确定方法：

（1）、内筒31长度为

内筒31长度的与工后沉降影响范围有关，即与车辆荷载、路基高度和软土层厚度有关，由于施工期的压实作用路基压缩沉降基本结束，车辆荷载对工后沉降影响并不明显，软土层13厚度是工后沉降的主要原因。

软土层13越厚工后沉降量越大，但当其厚度超过某一数值时，工后沉降增加量明显减小而趋于稳定。这就是说软土层厚度对工后沉降量影响是有一定范围的，对于一般软土层，软土层厚度达到20～30以后，对工后沉降量影响不明显。因此

、软土层13厚度20～30深度，内筒长度取值为软土层厚度值；

、软土层13厚度大于30深度，内筒长度取值为30。

（2）的取值

按有关规范，在高速公路使用年限内，软土地基1路基路面工后沉降一般控制在0.3以内。多年的工程实践表明，软土路基跨线桥桩基附近的路面凸起累计量一般在1以内。因此，值保守取1～2。当软土层较深时，值保守取值对工程造价影响不大，因值与内筒31、外筒32的总长度相差一个数量级。

（3）的取值

为内筒预留量，其中一部分用于安装气囊37，气囊37的垂直总厚度10～20，气囊37底部以下50～60高度作为灌注混凝土时检验能否封闭混凝土使用。

所述的内、外筒之间的中件安装空间334内设有多个以内筒31中心为圆心作圆周均布的中件33，该中件的数量由桩基2的直径确定，中件33之间的水平间距50～60。每个中件33均包括一根中件钢丝332固定串着数个垂直相距50～100距离的多个圆球333，圆球由玻璃钢制作，圆球直径比内筒31的外直径与外筒32的内直径之间预留的中件安装空间334小0.1～0.2，以利外筒32沿着内筒31垂直方向自由滑移；中件钢丝332上下端部均设有螺栓组，上螺栓组331通过盖板34上的中件螺栓孔41固定于盖板34，下螺栓组336穿过橡胶密封环36上的螺栓孔将橡胶密封环和底板321进行同时固定。

所述的中件钢丝332直径约0.4～1，每个圆球333上部和下部由钢丝结335固定在中件钢丝332上，相邻两个钢丝结335之间距离比圆球直径长0.1～0.3，使圆球既固定又有一定范围的移动距离，减少外筒或内筒的摩阻力，圆球333与中件钢丝332同时成型，圆球333外径1.9～2.9，外筒32向下移动时圆球333之间间距变化幅度较小，以确保内筒31与外筒32的相对距离不变，减少外筒的局部变形和增加外筒向下移动的阻力；同时，圆球333可绕中件钢丝332水平转动，一定程度上减少外筒向下移动时圆球与外筒或内筒的摩阻力。

所述的内筒31、外筒32和气囊螺栓38的强度计算还需符合如下公式：

公式一、

    

式中：

——内筒31圆环截面所受的均布向外压强（）；

——桩基2施工时护筒顶面至内筒圆环截面底面的高度（）；

——混凝土容重（）； 

——钻孔泥浆容重（）；

——内筒31圆环截面所受的拉力（）；

——内筒31底面圆环截面周边任一点与水平轴的夹角（）；

——内筒31底面圆环截面所受的拉应力（），式中1为单位高度（）；

——内筒31圆环截面壁厚（）；

——内筒31圆环截面计算半径（）； 

——内筒31圆环截面材料容许拉应力（）；

公式二、

式中：

——混凝土灌注至气囊37竖直中心处气囊所受的压强（）；

——桩基2施工时护筒顶面至气囊竖直中心的高度（）；

——混凝土容重（）；

——钻孔泥浆容重（）；

——固定气囊37的个气囊螺栓所受的剪切应力（）；

——固定气囊37的个气囊螺栓所受的剪切力（）；

——气囊螺栓38的数量；

——气囊37的半椭圆形圆环水平面有效投影面积（）；

——单个气囊螺栓38的截面积（）；

——气囊螺栓38的容许剪切应力（）。

 

公式三、

式中：

——气囊的充气压强（），为桩基施工时护筒顶面至气囊中心的高度各土层的侧压应力（），气囊充气后，气囊的半椭圆形圆环端部伸入软土层中5～10 ，气囊的设置起到阻止混凝土上升的作用，避免减阻器被混凝土包裹；由于钻孔护壁泥浆的护壁作用，钻孔灌注桩不会塌孔，即，可见公式三右边足够满足要求，只需气囊充气压强满足公式三左边即可；

——桩基2施工时护筒顶面至气囊37竖直中心的高度（）；

——桩基2施工时地面至气囊37竖直中心的高度（）；

——桩基2施工时地面至气囊37竖直中心的高度各土层的加权平均侧压力系数（无量纲）；

——桩基2施工时地面至气囊37竖直中心的高度各土层的加权平均容重（）；

——钻孔泥浆容重（）。

所述的消除软土地基桩基负摩阻力装置的施工方法，其具体施工步骤如下：

步骤一、按设计要求制作减阻器3的各个部件；

步骤二、在垂直横截面呈“［ ］”型的外筒32下部底板321的内底面上放置橡胶密封环36；

步骤三、在内筒31外直径与外筒32内直径之间的中件安装空间334内安装多个圆周均布的中件33，并将中件的上螺栓组331与盖板34作旋紧固定、及中件33的下螺栓组336同时与橡胶密封环36、底板321作旋紧固定；

步骤四、在内筒31底部安装气囊37，该气囊37至内筒底端预留50～60的高度；

步骤五、将组装完成的外筒32和中件33套入内筒外，用夹具临时夹紧外筒和内筒，保持橡胶密封环的内圈向上翘起并紧密抱合在内筒31外壁上；

步骤六、通过1～2个注脂孔35在外筒32与内筒31之间注满润滑脂4，检查其余注脂孔35是否有润滑脂4溢出，直至其余注脂孔35均有润滑脂溢4出为止，同时检查外筒32底部是否泄漏润滑脂4，如有润滑脂泄露，则需检查橡胶密封环36是否安装准确，再用橡胶塞封闭注脂孔35；

步骤七、在软土地基1上钻出桩基孔，该桩基孔的直径需考虑到减阻器3的尺寸，桩基孔成型后检查尺寸，特别需准确测量气囊37位置的桩基孔尺寸，保证气囊足够充气后的水平尺寸大于桩基孔的尺寸5～10，方能保证气囊密封混凝土的效果，如不能达到要求须更换气囊，直至满足要求为止，在内筒31上安装吊钩40，然后将减阻器3通过桩基护筒42吊入桩基孔内；

步骤八、在内筒31内部安装桩基钢筋笼，将吊钩40的钢丝绳固定在桩基护筒42上；

步骤九、放入导管灌注混凝土，当混凝土灌注到内筒31底部10～20的高度时，暂停混凝土灌注；

步骤十、将气泵连接充气管39向气囊37充气，充气压力0.2～0.3（）；

步骤十一、继续灌注混凝土，测量混凝土的上升高度，当混凝土上升20～30时，此时内筒31底部已埋置在混凝土内；再次灌注混凝土上升20～30，此时内筒与外筒之间的混凝土也将上升20～30，即灌注的混凝土顶面与气囊37底面接近，观察减阻器3的外筒32与桩基护筒42之间有无护壁泥浆溢出，如无护壁泥浆溢出，说明气囊37达到了密封内筒外壁与桩基孔内壁之间空隙的效果；如有泥浆溢出，再次充气加大气压以使气囊达到密封效果，混凝土灌注过程中继续观察有无泥浆溢出，直至混凝土灌注完毕；

步骤十二、待混凝土达到一定强度后，卸去临时固定外筒、内筒的夹具并拔出桩基护筒42，该桩基2与内筒31底部灌注一体。

在运营阶段出现桩基周边的软土地基发生工后沉降，该减阻器的外筒、中件和润滑脂也随着周边软土同步下沉，由于减阻器的无摩阻作用，桩基既不发生向下位移，也不阻止桩基周边软土和路面的同步工后沉降，消除了负摩阻力导致的路面凸出现象。

桩基混凝土灌注施工完成后，减阻器3内筒与钻孔灌注桩成为一体，内筒31可以与桩基2共同受力，设计时可以考虑内筒结构的受力，减少桩基2的钢筋用量，还起到保护桩基钢筋的作用；同时，由于气囊37密封内筒31外壁与桩基孔孔壁之间的空隙，减少了混凝土用量，节约造价。在运营阶段，如桩基2周边的软土发生沉降，减阻器3的外筒32、中件33和润滑脂4也随着周边土同步下沉，由于减阻器3的无摩阻作用，桩基2消除了负摩阻力，既不发生向下位移，也不阻止桩基周边土和路面同步发生工后沉降，从而消除了负摩阻力导致的路面凸出现象。

本发明再以两个实施例表来详细反映该装置的具体情况，

实施例1（桩基直径1）

路基、路面和软土层10m，桩基直径1m的减阻器结构尺寸表（单位：m）

 注：以上直径均为计算直径（），计算直径=内径+壁厚。

实施例2（桩基直径1.5）

 路基、路面和软土层20、桩基直径1.5的减阻器结构尺寸表（单位：）

注：以上直径均为计算直径（），计算直径=内径+壁厚。

本发明所述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，包括软土地基（1）内灌注成型的桩基（2）和设置在桩基外的减阻器（3），其特征在于：

a、所述的减阻器（3）包括套装在桩基（2）外的内筒（31）和活动套装在内筒外的外筒（32）；

b、所述的内筒（31）底部伸出外筒（32）底部与桩基（2）灌注一体，在内筒（31）底部的外圆周面上还设有一圈由气囊螺栓（38）固定的半椭圆形圆环气囊（37），该气囊上设有连通至外筒（32）顶部的充气管（39）；

c、所述的外筒（32）顶部设有盖板（34），该盖板上设有多个连通内、外筒之间的注脂孔（35），外筒（32）底部设有底板（321），该底板的内圆周端面紧贴在内筒（31）的外壁上，在底板（321）的内底面上设有橡胶密封环（36），该橡胶密封环的内圈（361）向上翘起并紧密抱合在内筒（31）外壁上；

d、所述的内、外筒之间设有多个以内筒中心为圆心作圆周均布的中件（33），每个中件均包括一根中件钢丝（332），该中件钢丝的顶端设有固定连接在盖板（34）上的上螺栓组（331），中件钢丝（332）的底端设有同时固定橡胶密封环（36）和底板（321）的下螺栓组（336），中件钢丝（332）上设有多个沿垂直方向作等距固定的圆球（333）。

2.根据权利要求1所述的一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，其特征在于所述的内筒（31）、外筒（32）和气囊螺栓（38）的强度计算需符合如下公式：

公式一、

式中：

——内筒（31）圆环截面所受的均布向外压强（）；

——桩基（2）施工时护筒顶面至内筒圆环截面底面的高度（）；

——混凝土容重（）； 

——钻孔泥浆容重（）；

——内筒（31）圆环截面所受的拉力（）；

——内筒（31）底面圆环截面周边任一点与水平轴的夹角（）；

——内筒（31）底面圆环截面所受的拉应力（），式中1为单位高度（）；

——内筒（31）圆环截面壁厚（）；

——内筒（31）圆环截面计算半径（）； 

——内筒（31）圆环截面材料容许拉应力（）；

公式二、

式中：

——混凝土灌注至气囊（37）竖直中心处气囊所受的压强（）；

——桩基（2）施工时护筒顶面至气囊（37）竖直中心的高度（）；

——混凝土容重（）；

——钻孔泥浆容重（）；

——固定气囊（37）的个气囊螺栓（38）所受的剪切应力（）；

——固定气囊（37）的个气囊螺栓（38）所受的剪切力（）；

——气囊螺栓（38）的数量；

——气囊（37）的半椭圆形圆环水平面有效投影面积（）；

——单个气囊螺栓（38）的截面积（）；

——气囊螺栓（38）的容许剪切应力（）；

公式三、

式中：

——气囊的充气压强（），为桩基施工时护筒顶面至气囊中心的高度各土层的侧压应力（），气囊充气后，气囊的半椭圆形圆环端部伸入软土层（13）中5～10 ，气囊的设置起到阻止混凝土上升的作用，避免减阻器被混凝土包裹；由于钻孔护壁泥浆的护壁作用，钻孔灌注桩不会塌孔，即，可见公式三右边足够满足要求，只需气囊充气压强满足公式三左边即可；

——桩基（2）施工时护筒顶面至气囊竖直中心的高度（）；

——桩基施工时地面至气囊竖直中心的高度（）；

——桩基（2）施工时地面至气囊（37）竖直中心的高度各土层的加权平均侧压力系数（无量纲）；

——桩基（2）施工时地面至气囊（37）竖直中心的高度各土层的加权平均容重（）；

——钻孔泥浆容重（）。

3.根据权利要求1所述的一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，其特征在于所述的内筒（31）内设有3~4个吊钩（40），每个吊钩均为钢质吊钩，每个吊钩的底部均设有与内筒（31）底部钩连的“U”型钩，每个吊钩（40）的顶部均设有钢丝绳。

4.根据权利要求1所述的一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，其特征在于所述的外筒（32）为高强度玻璃钢材料制成的圆筒，其垂直横截面呈“［ ］”型，该外筒底部设有一段变直径的锥形段，该锥形段的高度为20~30，所述的注脂孔（35）在外筒（32）顶部的盖板（34）上设有3~5个，每个注脂孔（35）均相邻设置在外筒（32）内直径的内侧。

5.根据权利要求1所述的一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，其特征在于所述的内筒（31）为高强度玻璃钢材料制成的圆筒，该内筒（31）的内直径比桩基（2）直径大1~2，内筒（31）外直径与外筒（32）内直径之间预留2~3的中件安装空间（334），所述的气囊（37）在内筒（31）底部外圆周面上的安装位置距内筒底端为50~60的高度。

6.根据权利要求5所述的一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，其特征在于所述的每个中件（33）的中件钢丝（332）直径为0.4~1，中件钢丝上相邻两个圆球（333）间距为50~100，圆球为玻璃钢圆球，该圆球直径为1.9~2.9，并比中件安装空间（334）的距离小0.1~0.2，在圆球（333）的上部和下部分别设有钢丝结（335），该钢丝结固定连接在中件钢丝（332）上。

7.根据权利要求1所述的一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，其特征在于所述的橡胶密封环（36）厚度为1~2，其向上翘起并紧密抱合在内筒（31）外壁的内圈（361）伸出内底面的宽度为1~2。

8.根据权利要求1所述的一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，其特征在于所述的气囊（37）为橡胶气囊，该气囊为空心半椭圆形圆环，垂直最大厚度为10~20，充气压力为0.2~0.3Mpa，气囊（37）的半椭圆形圆环外端部伸入软土层（13）内5~10。

9.根据权利要求1所述的一种消除软土地基桩基负摩阻力的装置，其特征在于所述的软土地基（1）包括上层的软土层（13）和下层的持力层（14），该软土层（13）采用塑料排水板、粉喷桩、水泥搅拌桩等其中一种或多种组合方法进行处理，在软土层（13）上填筑公路路基（12）并进行等载或超载预压，在公路路基上铺筑路面（11）；所述的桩基（2）为钻孔灌注桩，先在软土地基（1）内钻出桩基孔并放置桩基钢筋笼，再灌注水泥混凝土形成桩基。

10.一种消除软土地基桩基负摩阻力装置的施工方法，其特征该方法包括如下步骤：

步骤一、按设计要求制作减阻器（3）的各个部件；

步骤二、在垂直横截面呈“［ ］”型的外筒（32）下部底板的内底面上放置橡胶密封环（36）；

步骤三、在内筒（31）外直径与外筒（32）内直径之间的中件安装空间（334）内安装多个圆周均布的中件（33），并将中件的上螺栓组（331）与盖板（34）作旋紧固定、及中件（33）的下螺栓组（336）同时与橡胶密封环（36）、底板（321）作旋紧固定；

步骤四、在内筒（31）底部安装气囊（37），该气囊至内筒（31）底端预留50～60的高度；

步骤五、将组装完成的外筒（32）和中件（33）套入内筒（31）外，用夹具临时夹紧外筒和内筒，保持橡胶密封环（36）的内圈（361）向上翘起并紧密抱合在内筒（31）外壁上；

步骤六、通过1～2个注脂孔（35）在外筒（32）与内筒（31）之间注满润滑脂（4），检查其余注脂孔（35）是否有润滑脂（4）溢出，直至其余注脂孔均有润滑脂溢出为止，同时检查外筒（32）底部是否泄漏润滑脂，如有润滑脂泄露，则需检查橡胶密封环（36）是否安装准确，再用橡胶塞封闭注脂孔；

步骤七、在软土地基（1）上钻出桩基孔，该桩基孔的直径需考虑到减阻器（3）的尺寸，桩基孔成型后检查尺寸，特别需准确测量气囊位置的桩基孔尺寸，保证气囊（37）足够充气后的水平尺寸大于桩基孔的尺寸5～10，方能保证气囊（37）密封混凝土的效果，如不能达到要求须更换气囊，直至满足要求为止，在内筒上安装吊钩（40），然后将减阻器（3）通过桩基护筒（42）吊入桩基孔内；

步骤八、在内筒（31）内部安装桩基钢筋笼，将吊钩（40）的钢丝绳固定在桩基护筒（42）上；

步骤九、放入导管灌注混凝土，当混凝土灌注到内筒（31）底部10～20的高度时，暂停混凝土灌注；

步骤十、将气泵连接充气管（39）向气囊（37）充气，充气压力0.2～0.3；

步骤十一、继续灌注混凝土，测量混凝土的上升高度，当混凝土上升20～30时，此时内筒（31）底部已埋置在混凝土内；再次灌注混凝土上升20～30，此时内筒与外筒（32）之间的混凝土也将上升20～30，即灌注的混凝土顶面与气囊（37）底面接近，观察减阻器（3）的外筒（32）与桩基护筒（42）之间有无护壁泥浆溢出，如无护壁泥浆溢出，说明气囊（37）达到了密封内筒（31）外壁与桩基孔内壁之间空隙的效果；如有泥浆溢出，再次充气加大气压以使气囊（37）达到密封效果，混凝土灌注过程中继续观察有无泥浆溢出，直至混凝土灌注完毕；

步骤十二、待混凝土达到一定强度后，卸去临时固定外筒（32）、内筒（31）的夹具并拔出桩基护筒（42），该桩基（2）与内筒（31）底部灌注一体；

步骤十三、在运营阶段出现桩基周边的软土地基（1）发生工后沉降，该减阻器（3）的外筒（32）、中件（33）和润滑脂（4）也随着周边软土同步下沉，由于减阻器（3）的无摩阻作用，桩基（2）既不发生向下位移，也不阻止桩基周边软土和路面的同步工后沉降，消除了负摩阻力导致的路面凸出现象。