CN105350531A - 可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础及其施工工艺，管桩-锚杆复合基础包括管桩和锚杆，建筑结构的基础底板内预留有锚固孔，其内预埋张拉端锚具；锚杆由锚索和预制锚头构成，预制锚头埋设于基础底板下方的土体内；锚索的上端自管桩中穿出伸至锚固孔中，待张拉后用张拉端锚具锁定；管桩支撑于的基础底板和预制锚头之间，管桩下端与预制锚头的上端固定连接。本发明中，管桩下端增设预制锚头，能提高管桩抗压承载力；两端封闭的管桩构成防水帷幕，可以抵抗地下水等对混凝土、钢材的侵蚀作用，提高锚杆、管桩和基础底板节点的防渗性和耐久性，在确保结构可靠性和受力性能的同时，能有效提高工程质量、缩短工期、节省投资。

Description

可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础及施工工艺

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种岩土工程地下多用途深基础类型，具体涉及一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础及施工工艺。

背景技术

为开发利用地下空间、提高土地利用率，深达地下的构筑物不断出现，很多城市开始兴建综合地下商业街、人防、地下停车库、地下公共管廊和地铁，这些地下构筑物对结构基础的承载能力和耐久性能等提出了更高要求。

当建筑物基础的埋深超过地下水位时，水位以下的部分将产生上浮力，该上浮力一般由建筑结构的自重平衡，但当地下室埋深和面积加大时，随着排开地下水体积的加大，建筑结构自重不足以平衡所受浮力，会导致地下室底板隆起、结构上浮、倾斜甚至倒塌等一系列工程事故，加上周边环境影响、上部建筑结构变化、地下水位变动等扰动因素，这些都加大了建筑基础抗浮的难度和复杂性。

在一些工程领域，如：建筑、电力、海洋、港口等，高层建筑、桥梁、海上风电机组、海洋平台和码头、防波堤等受风力、水流、潮汐等动载作用，结构基础体系承受动力荷载引起的拉压交变作用。

为给建筑基础提供良好的抗拔和抗压能力，中国发明专利CN101012650A公开了一种抗压抗拔桩基，包括柱状的由钢筋及混凝土构成的桩基主体，所述的钢筋在桩基主体的底部向外扩张，在桩基主体底部形成径向尺寸大于桩基主体部分的大头状底盘。这种桩基结构能够增加建筑结构的抗拔、抗压承载力。但是该发明的桩基采用的是扩大桩基底部面积的方案，其实是夯扩桩的技术延伸，仍由普通钢筋混凝土起抗拉作用，裂缝宽度控制困难，实际抗拉效果提升有限。增加桩底扩大部分不但会减慢施工速度，而且会由于钢筋笼偏位变形影响施工质量；施工时，现场绑扎钢筋并浇筑混凝土，这种工程湿作业施工速度慢、工程质量不如预制结构。

又如中国发明专利CN102979089A公开了一种在深水急流无覆盖层陡峭裸岩上的钢管桩锚固结构，涉及陡峭裸岩以及钢管桩，所述钢管桩的底部内腔与所述陡峭裸岩之间通过锚杆连接锚定，且三者之间通过浇筑的水下混凝土层固结为一体结构。其施工步骤为：确定钢管桩在所述陡峭裸岩面上的安装位，并通过水下测深仪测量其位置参数；选择钢管桩，并使钢管桩安装端的底口形状尺寸与所测量的所述安装位的相关位置参数匹配；沉降所述钢管桩于所述安装位，并在其外围设置水下围堰，之后在所述钢管桩内浇筑水下混凝土层，将所述钢管桩安装端与所述水下围堰和所述陡峭裸岩面与水下混凝土层合为一体；待所述水下混凝土层达到施工标准后，沿所述钢管桩中心轴向钻制锚孔；所述的锚孔贯穿所述水下混凝土层并伸入至所述河床的基岩内，最后在所述锚孔内安装锚杆并注浆锚固。本发明的优点是，钢管桩与陡峭裸岩之间连接采用注浆嵌岩锚杆技术，依靠水下混凝土浆体与锚杆、桩底混凝土以及河床基岩的握裹力，以使钢管桩牢固锚固于陡峭裸岩面上，施工周期短、成本低、安全高效。但是该发明中锚杆非预应力，只是为方便桥桩基础和无覆盖层基岩之间进行嵌固采取的一种钢筋锚固手段，相当于“种植牙”的牙根，该发明的钢管桩实际是浇筑水下混凝土的钢护筒或者钢模板，因此，钢管桩和锚杆之间不存在共同受力的关系。

为解决上述基础工程抗浮问题，结构工程师必须在桩基设计时妥善考虑建筑物所受的拉力和压力，由于钢筋混凝土受拉、受压构件在裂缝宽度控制标准以及节点处理上做法差异，因此目前常见的工程做法是在基础底部设置抗压桩和抗拉（浮）桩两套独立的受力体系，即：基底压力由抗压桩群承受，基底拉（浮）力由抗拉（浮）桩群承受。

上述工程桩的布设方式解决了工程中棘手的基础抗压和抗拉的问题，但这种方式也存在一定缺陷，主要表现在：（1）由于抗压桩和抗拉（浮）桩两套系统的存在，使建筑基础底面的桩密度大幅度变大，这一方面大幅度增加了工程投资，延长了工期，同时因为基底土层被工程桩挤紧，会产生桩身偏位、甚至桩无法下压等问题，增加了施工作业难度。（2）抗拉（浮）桩存在结构上的薄弱环节，桩上端与基础底板连接节点、预制桩的接头部位等由于连接构造问题及抗拉强度不够而产生受拉破坏，会严重制约抗拉桩的性能充分发挥。（3）抗拉桩受力性能不够理想，由于拉应力沿桩长方向非均布（如图8（a）和（b）所示），且混凝土抗拉强度仅为抗压强度的1/10到1/20，混凝土桩身在早期较低拉伸力下就会产生开裂，混凝土开裂会使桩身钢筋受地下水侵蚀，会严重影响抗拉桩的耐久性，造成建筑结构可靠度下降。

综上所述，目前工程中采用的在基础底部同时设置抗压桩和抗拉（浮）桩两套独立的受力体系的做法在工程造价、工期、施工和结构耐久性等方面尚存在一定缺陷，需要在原有工艺做法基础上进一步研究优势更加明显的基础类型和工艺做法。

发明内容

本发明的目的是弥补现行建筑工程桩基础的不足，提供一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础及施工工艺，承受建筑结构的拉、压双向作用，结构简单、合理，施工可靠、快捷，管桩及锚杆的受力性能、可靠度、经济性等优于现有技术及工艺做法。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础，嵌固于建筑结构基础底板的下方，包括管桩和设于管桩空腔内的锚杆，所述基础底板内预留有锚固孔，该锚固孔中预埋张拉端锚具；

所述锚杆由锚索、连接于锚索下端的预制锚头构成，所述预制锚头埋设于基础底板下方的土体内；所述锚索的上端自管桩中穿出伸至所述锚固孔中，待张拉后用所述张拉端锚具锁定；

所述管桩支撑于的基础底板和预制锚头之间，管桩下端与预制锚头的上端面固定连接，上端与基础底板固定连接。

优选的，所述管桩可选用预应力高强钢筋混凝土管桩、混凝土管桩或钢管桩，但不局限于上述几种类型。

优选的，所述锚索为钢锚索。

进一步，所述预制锚头为预制钢筋混凝土材质的圆锥形结构，倒置于基础底板下方的土体内，其上端面的直径不小于管桩外径。当然，也可根据所处土层情况及基础受力条件采用其他形状、材质的预制锚头，但其上端面需能与管桩下端匹配。

其中，所述锚索的下端通过埋置于预制锚头内的固定端锚具与预制锚头固定连接。

本发明的实施例还提供一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础的施工工艺，包括如下步骤：

（1）制备锚杆：加工锚索，预制钢筋混凝土材质的圆锥形预制锚头，在预制锚头预制时埋入固定端锚具，并确保固定端锚具和预制锚头连接稳固；将锚索下端锚固在固定端锚具中；根据实际情况决定是否在锚索的外侧套装内层防护套管和外层防护套管；

（2）根据土体选择合适的管桩，将按步骤（1）装配好的锚杆自管桩的空腔穿出，然后将管桩的下端与预制锚头的上端面固定连接；

（3）用沉桩机械将连接在一起的管桩和锚杆一同压入土体至设计深度，沉桩过程中应注意控制桩顶标高和桩身垂直度；

（4）基础底板施工，在基础底板内预留的锚固孔，并在锚固孔内预埋张拉端锚具；

（5）待基础底板施工完成，满足张拉条件后，张拉锚杆，然后用张拉端锚具锁定锚索于锚固孔内，灌浆封锚。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明保留传统方案中的抗压管桩，以抗拉锚杆取代抗拉桩，抗拉作用由与抗压管桩复合为一体的抗拉锚杆承担，抗压管桩与抗拉锚杆复合一体，共同构成一种可承受拉、压双向荷载作用的管桩-锚杆复合基础，具有桩锚合一、同步施工、节点可靠、受力合理、计算简便等特点。由于取代了抗拉桩群，本方案在降低用桩量的同时，可以有效降低基底土层的“挤土效应”。施工过程中管桩-锚杆一次性完成，在确保结构受力和可靠度的前提下，能够降低工程造价、缩短工期和施工作业难度。

2、本发明中的抗压管桩下端与预制锚头合为一体，锥形锚头尖端能提高管桩的破土能力，可以提高管桩施工速度，保证管桩的垂直度和对中性，圆锥形的预制锚头有效增大管桩下端的承载面积，有效提高抗压管桩的承载能力。

3、管桩作为抗拉锚杆的载体，与抗拉锚杆、桩周土三者共同工作，可以提供建筑结构稳定可靠的抗拉力。配合大直径管桩、大体积预制锚头及高强度锚索可以提供更大的抗拉力。用高强钢绞线制作的预应力锚索对于控制结构变形和承受潮汐、水流、风浪造成的交变荷载性能较好，结构抗疲劳性能明显提高。

4、“桩-锚同步”的施工工艺与传统的抗拉锚杆施工工艺比较，施工进度大幅提高，可以有效防止地下水和软弱土层的不良影响，锚头、锚索下放过程中无需护壁，即使在高水位环境下的无粘性土中也没有“塌孔”危险，确保了锚杆施工质量。

5、充分利用不同材料受力性能，发挥钢锚索的抗拉性能以及混凝土锚头、混凝土管桩桩身的抗压性能。

6、两端封闭的管桩构成抗拉锚杆的防水帷幕，管桩、锚杆和基础底板连接节点的防渗性和耐久性得以明显提高。

7、本发明提供的可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础与传统抗拉桩、抗压桩的设计比较，在抗拉工况下，管桩始终处于轴心受压状态，抗拉锚杆在抗压中不发挥作用；在抗拉工况下，锚杆承受轴心拉力，管桩及桩周土为锚杆抗拔提供约束。在受拉极限状态下，锚杆张拉应力可以有效控制管桩桩身裂纹，具有受力合理，计算简便的特点。

8、本发明除可以在坚硬土层中使用外，也可以在淤泥质土、粉砂、粉土、粉质粘土等软弱土层中使用，拓宽了抗拉锚杆在高地下水位情况下松软土层中的使用范围。

附图说明

图1为本发明实施例一中锚杆的结构示意图；

图2为实施例一中锚杆与管桩装配后的结构示意图；

图3为图2中沿线A-A的剖面图；

图4为实施例一中管桩-锚杆复合基础沉桩到位的示意图；

图5为实施例一中管桩-锚杆复合基础施工完毕后的示意图；

图6为实施例一中管桩-锚杆复合基础的受力分析图；

图7为传统的抗压管桩与实施例一中管桩的受力承载面积对比图；

图8为背景技术中传统的抗拉管桩的受力分析图。

附图标记说明：

1、锚索；

2、固定端锚具；

3、管桩；

4、预制锚头；

5、桩周土；

6、张拉端锚具；

7、基础底板；

8、灌浆封堵；

9、锚索保护套管。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图4、图5所示，一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础，嵌固于建筑结构基础底板7的下方，包括管桩3和设于管桩3空腔内的锚杆，所述基础底板7内预留有锚固孔,该锚固孔中预埋张拉端锚具6。

如图1所示，所述锚杆由钢质的锚索1、通过固定端锚具2固连于锚索1下端的预制锚头4构成，所述预制锚头4埋设于基础底板7下方的土体内，所述锚索1的上端自管桩3中穿出伸至所述锚固孔中，待张拉后用所述张拉端锚具6锁定，并灌浆封堵8。

如图2所示，所述管桩3支撑于的基础底板7和预制锚头4之间，管桩3的下端与预制锚头4的上端固定连接，上端与基础底板7固定连接；管桩3的外侧与桩周土5之间存在摩擦力。

上述结构中，管桩的下端与预制锚头的上端连接后，管桩下端受力承载面积会发生变化，由图7（a）所示的圆环形变化成图7（b）所示的圆形，承载面积增大，有效提高抗压管桩的承载能力。

所述管桩3可选用预应力高强钢筋混凝土管桩、混凝土管桩或钢管桩，但不局限于上述几种类型。

所述预制锚头4为预制钢筋混凝土材质的圆锥形结构，倒置于基础底板下方的土体内，其上端面的直径不小于管桩外径。也可根据所处土层情况及基础受力条件采用其他形状、材质的预制锚头，但其上端面需能与管桩下端匹配。

如图3所示，所述锚索1的外侧依次套装有锚索保护套管9，包括内层防护套管和外层防护套管，所述内层防护套管选用锚索专用套管。所述内、外层防护套管之间的间距为3mm。

采用上述结构后，本发明实施例一中管桩-锚杆复合基础的受力分析图如图6（a）-（c）所示，由图6（a）可以，本管桩-锚杆复合基础中，管桩内部构成封闭空间，避免地下水和其他侵蚀作用。在复合基础受到向上的拉力时，管桩桩身受到均匀的压力，锚杆受到均匀的拉力，如图6（b）和（c）所示。

本发明实施例一还提供一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础的施工工艺，包括如下步骤：

（1）制备锚杆：加工锚索，预制钢筋混凝土材质的圆锥形预制锚头，在预制锚头预制时埋入固定端锚具，并确保固定端锚具和预制锚头连接稳固；将锚索下端锚固在固定端锚具中；根据实际情况决定是否在锚索的外侧套装内层防护套管和外层防护套管；

（2）根据土体选择合适的管桩，将按步骤（1）装配好的锚杆自管桩的空腔穿出，然后将管桩的下端与预制锚头的上端面固定连接；

本实施例中，管桩下端的预埋钢板与预制锚头中的预埋钢板采用满焊固定。

（3）用沉桩机械将连接在一起的管桩和锚杆一同压入土体至设计深度，沉桩过程中应注意控制桩顶标高和桩身垂直度；

（4）基础底板施工，在基础底板内预留的锚固孔，并在锚固孔内预埋张拉端锚具；

（5）待基础底板施工完成，满足张拉条件后，张拉锚杆，然后用张拉端锚具锁定锚索于锚固孔内，灌浆封锚。

本发明保留传统方案中的抗压管桩，用抗拉锚杆取代抗拉桩，抗拉作用由与抗压管桩复合为一体的抗拉锚杆承受，抗压管桩与抗拉锚杆共同构成一种可承受拉、压双向荷载作用的管桩-锚杆复合基础，具有桩锚合一、同步施工、节点可靠、受力合理、计算简便等特点。施工过程中管桩-锚杆一次性施工完成，在确保结构受力和可靠度的前提下，降低工程造价、缩短工期和施工作业难度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，比如将预制锚头的材质和形状按照受力情况进行调整，采用圆球型、柱型或其他形状的预制锚头等，又如采用其他材质、形状或多段式结构的管桩、在管桩表面采取增大桩周土摩擦力的技术改进等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础，嵌固于建筑结构基础底板的下方，其特征在于，包括管桩和设于管桩空腔内的锚杆，所述基础底板内预留有锚固孔，该锚固孔中预埋张拉端锚具；

所述锚杆由锚索、连接于锚索下端的预制锚头构成，所述预制锚头埋设于基础底板下方的土体内；所述锚索的上端自管桩中穿出伸至所述锚固孔中，待张拉后用所述张拉端锚具锁定；

所述管桩支撑于的基础底板和预制锚头之间，管桩下端与预制锚头的上端面固定连接，上端与基础底板固定连接。

2.根据权利要求1所述的可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础，其特征在于，所述管桩可选用预应力高强钢筋混凝土管桩、混凝土管桩或钢管桩。

3.根据权利要求1所述的可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础，其特征在于，所述锚索为钢锚索。

4.根据权利要求1所述的可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础，其特征在于，所述预制锚头为预制钢筋混凝土材质的圆锥形结构，倒置于基础底板下方的土体内，其上端面的直径不小于管桩外径。

5.根据权利要求1所述的可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础，其特征在于，所述锚索的下端通过埋置于预制锚头内的固定端锚具与预制锚头固定连接。

6.一种可承受拉压双向荷载的管桩-锚杆复合基础的施工工艺，其特征在于，包括如下步骤：

（1）制备锚杆：加工锚索，预制钢筋混凝土材质的圆锥形预制锚头，在预制锚头预制时埋入固定端锚具，并确保固定端锚具和预制锚头连接稳固；将锚索下端锚固在固定端锚具中；根据实际情况决定是否在锚索的外侧套装内层防护套管和外层防护套管；

（2）根据土体选择合适的管桩，将按步骤（1）装配好的锚杆自管桩的空腔穿出，然后将管桩的下端与预制锚头的上端面固定连接；

（3）用沉桩机械将连接在一起的管桩和锚杆一同压入土体至设计深度，沉桩过程中应注意控制桩顶标高和桩身垂直度；

（4）基础底板施工，在基础底板内预留的锚固孔，并在锚固孔内预埋张拉端锚具；

（5）待基础底板施工完成，满足张拉条件后，张拉锚杆，然后用张拉端锚具锁定锚索于锚固孔内，灌浆封锚。