CN107558484B - 匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，由一定数量的劲性复合桩和一定数量的短竖向增强体组成。劲性复合桩由外围桩和芯桩组成，外围桩为散体桩、水泥土桩或散体与水泥土的复合形式，芯桩为预制桩、现浇混凝土桩或预制桩与现浇混凝土的复合形式。劲性复合桩的外围桩和短竖向增强体采用大直径大功率干湿搅拌桩机通过高压旋搅和螺旋反压工艺施工，当其为水泥土或散体水泥土复合形式时，部分采用干法施工，部分采用湿法施工，且干法施工桩、湿法施工桩间隔排列。本发明系统由上至下的刚度和强度与实际附加应力梯度相匹配，可充分发挥桩本身的承载力，控制沉降，节约成本。

Description

匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统

技术领域

本发明涉及一种劲性复合桩系统。

背景技术

现有的工程基础设计一般采用单纯的桩基础或者单纯的复合地基，且同一工程基础设计时一般为同样的桩型、同样的材料、同样的截面和长度、同样的施工方法。

实际上附加应力由浅到深存在梯度变化：浅处附加应力大，深处附加应力小，且摩阻力占总承载力比例越大的桩型其附加应力由上到下衰减得越快，即应力梯度越大。对于劲性复合桩这种典型的摩擦桩来说，其附加应力梯度很大，应力主要集中在桩身上部。若按传统的等长设计布置劲性复合桩，存在上部应力过大桩体刚度和强度不足产生变形和破坏，下部应力过小桩身材料浪费的问题。全部采用短桩虽然承载力满足要求但沉降要求不满足，全部采用长桩沉降满足要求但承载力安全系数过高造成浪费，施工中会产生过多的负面挤土效应。

劲性复合桩外围桩直径较大、长度较长，施工质量的关键控制要素是强度、密度和均匀性。传统的水泥土桩施工设备一般为小型水泥土搅拌桩机，只能喷粉或者只能喷浆且其功率和喷射压力难以保证施工形成满足劲性复合桩要求的较长大直径高强度外围桩。施工时若全部采用干法施工外围桩再插入芯桩则挤土效应大，挤土效应的负面效果是整个场地土越打越密，存在后期桩施工困难和破坏性挤土效应的问题，有些场地甚至要求不得挤土。

单纯的桩基础由于桩和土之间的刚度强度差异大，无法共同工作，因此设计时不考虑土的工作性能。而对于劲性复合桩这种由内而外刚度强度渐变的桩型来说，其桩土可共同发挥承载作用，此时存在天然地基土承载力不足的问题，需用复合地基方法处理。处理后又存在地基中桩、土和竖向增强体实际应力分布与理论计算结果存在差异的问题。

基础的受力与上部结构有关，随着建筑越来越复杂，高低变化约来越大，其基础应力分布和应力传递路径越来越复杂。若按传统的设计方法不调整桩型、桩长或桩径则存在某些关键部位承载力难以保证，沉降过大或不均的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作性能优异的匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，该系统由上至下的刚度和强度与实际附加应力梯度相匹配；通过设置扩大桩帽和连体格栅协调桩基、地基土和竖向增强体共同作用；劲性复合桩的外围桩和短竖向增强体采用大直径大功率干湿搅拌桩机通过高压旋搅和螺旋反压工艺施工，当其为水泥土或散体水泥土复合形式时部分采用干法施工，部分采用湿法施工；在基础关键部位设置关键桩。

本发明的技术解决方案是：

一种匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，其特征是：由一定数量的劲性复合桩和一定数量的短竖向增强体组成。

所述劲性复合桩由外围桩和芯桩组成，外围桩为散体桩、水泥土桩或散体与水泥土的复合形式，芯桩为预制桩、现浇混凝土桩或预制桩与现浇混凝土的复合形式；所述短竖向增强体包括短散体桩、短柔性桩、短散柔复合桩、短刚性桩。该系统从劲性复合桩芯桩中心开始由内而外的构造依次为芯桩、外围桩、地基土、地基土中设置的竖向增强体，各构造的刚度强度等材料性能渐变。与传统的桩基础和土两边材料差异性很大的明显分界面相比，该系统不同构造分界面两边材料性能差异较小且相互渗透，分界面较模糊，应力传递效果好，桩土共同作用明显。也因此附加应力扩散快，附加应力从上至下梯度大。

所述劲性复合桩外围桩和短竖向增强体采用大直径大功率干湿搅拌桩机施工，施工桩径大于等于800mm，桩机主电机功率大于等于90kW，空压机功率大于等于45kW，喷粉压力大于等于0.8MPa，喷浆压力大于等于1.0MPa。施工时钻头上的螺旋叶片搅拌土体，并同时通过钻头上设置的多个喷嘴向外高压喷射物料。干法施工时喷射粉料，湿法施工时喷射浆料。螺旋叶片旋转时对下部（桩）土体有较大的反压力，该反压力由桩机上设置的传动链条将桩机的部分自重传递下来以平衡。施工形成的桩体经过高压旋搅和螺旋反压，强度、密度和均匀性得到提高。

所述劲性复合桩的外围桩和短竖向增强体，当其为水泥土或散体水泥土复合形式时，部分采用干法施工，部分采用湿法施工，且干法施工桩、湿法施工桩间隔排列。该劲性复合桩系统施工时，若外围桩和短竖向增强体全部采用干法施工，外围桩再插入芯桩，挤土效应大。挤土效应的正面效果是散体桩、柔性桩和桩间土得到挤密强化，强度和承载力提高；负面效果是施工时整个场地土越打越密，存在后期桩施工困难和破坏性挤土效应的问题，有些场地甚至要求不得挤土以免地基产生不利的侧向变形。该系统采用间隔排列的湿法施工桩，施工中可通过调高喷入水泥混合浆液的水灰比使整个桩体形成流塑状态，从而使整个桩位变成“无取土应力释放孔”，释放整个场地由于干喷和打入芯桩产生的应力，减少负面的挤土效应，使施工可行。若整个工程不得挤土，则可全部采用高水灰比的湿法施工桩，此时劲性复合桩外围桩起固土、护壁和护芯桩的作用。

所述劲性复合桩包括超长刚性芯的劲性复合桩、中长刚性芯的劲性复合桩、短刚性芯的劲性复合桩；所述超长刚性芯的劲性复合桩，外围桩的桩底位于较浅持力层，芯桩的桩底位于深持力层；所述中长刚性芯的复合桩外围桩的桩底位于较浅持力层，芯桩的桩底位于较深持力层；所述短刚性芯的劲性复合桩，外围桩的桩底位于浅持力层，芯桩的桩底高于外围桩底；所述短竖向增强体包括短散体桩、短柔性桩、短散柔复合桩、短刚性桩，桩底位于浅持力层；所述深持力层、较深持力层、较浅持力层、浅持力层，按照从深至浅的深度依次为深持力层、较深持力层、较浅持力层、浅持力层。所述劲性复合桩数量百分比为超长刚性芯的劲性复合桩占0~15%，中长刚性芯的劲性复合桩占10~40%，短刚性芯的劲性复合桩占60~90%，上述占比之和为100%。所述短竖向增强体数量相对于劲性复合桩数量百分比为短散体桩0~40%，短柔性桩和短散柔复合桩0~100%，短刚性桩0~80%。该系统由此形成一个从上往下匹配应力梯度的刚度梯度：第一刚度层最大，由超长刚性芯的劲性复合桩的上部，中长刚性芯的劲性复合桩的上部，短刚性芯的劲性复合桩的全部、地基土和地基土中的短竖向增强体组成，该层刚度与应力最集中最大的第一应力层相匹配，整个基础的承载力主要由该层承担；第二刚度层比第一刚度层刚度小，由超长刚性芯的劲性复合桩的中部，中长刚性芯的劲性复合桩的下部，地基土组成，该层刚度与应力衰减后的第二应力层相匹配，承担较小比例的承载力，整个基础的沉降量主要由该层控制；当仅靠第二刚度层控制沉降不满足要求时，需设置刚度最小的第三刚度层，由超长刚性芯的劲性复合桩的下部和地基土组成，该层刚度与应力很小的第三应力层相匹配，主要控制沉降以及提供少量的承载力。

所述超长刚性芯的劲性复合桩芯桩直径、长度、强度大于其他劲性复合桩，布置于基础的关键部位；所述基础的关键部位包括基础边、基础角和荷载集度高处。多个短柔性桩或短散柔性桩绕超长刚性芯的劲性复合桩的桩顶一圈与外围桩搭接，形成扩大桩帽。各个单体劲性复合桩间由多个短柔性桩或短散柔性桩连续搭接，形成连体格栅。通过在关键部位布置大直径高强度超长刚性芯的劲性复合桩，可在整个地基基础发生非预期变化时提供额外的承载力，控制沉降量和沉降均匀，保证基础整体的长期安全稳定。

散体桩是由碎石、卵石、砂、钢渣、矿渣等硬体材料组成的桩，柔性桩是由水泥、粉煤灰、矿渣微粉等粘结材料组成的桩，散柔复合桩是由碎石、卵石、砂、钢渣、矿渣等硬体材料和水泥、粉煤灰、矿渣微粉等粘结材料复合形成的桩，刚性桩是由混凝土和钢组成的桩包括现浇素混凝土桩、现浇钢筋混凝土桩、预制钢筋混凝土桩、钢管桩、预制钢管混凝土桩。

本发明的优点是：该系统由上至下的刚度和强度与实际附加应力梯度相匹配，可充分发挥桩本身的承载力，控制沉降，节约成本；该系统可通过设置扩大桩帽和连体格栅协调桩基、地基土和竖向增强体共同作用，极大提高地基整体承载力；该系统劲性复合桩的外围桩和短竖向增强体，经过大直径大功率干湿搅拌桩机的高压旋搅和螺旋反压，其强度密度均匀性得到提高，当其为水泥土或散体水泥土复合形式时部分采用干法施工，部分采用湿法施工，可减少挤土效应带来的负面影响；该系统可通过在基础关键部位设置关键桩保证基础整体的长期安全稳定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

一种匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，包括1-超长刚性芯的劲性复合桩、2-中长刚性芯的劲性复合桩、3-短刚性芯的劲性复合桩、4-短竖向增强体、5-扩大桩帽、6-连体格栅。

劲性复合桩由外围桩和芯桩组成，外围桩为散体桩、水泥土桩或散体与水泥土的复合形式，芯桩为预制桩、现浇混凝土桩或预制桩与现浇混凝土的复合形式；所述短竖向增强体包括短散体桩、短柔性桩、短散柔复合桩、短刚性桩。

劲性复合桩的外围桩和短竖向增强体施工采用大直径大功率干湿搅拌桩机施工，施工桩径大于等于800mm，桩机主电机功率大于等于90kW，空压机功率大于等于45kW，喷粉压力大于等于0.8MPa，喷浆压力大于等于1.0MPa。施工时钻头上的螺旋叶片搅拌土体，并同时通过钻头上设置的多个喷嘴向外高压喷射物料。干法施工时喷射粉料，湿法施工时喷射浆料。螺旋叶片旋转时对下部（桩）土体有较大的反压力，该反压力由桩机上设置的传动链条将桩机的部分自重传递下来以平衡。劲性复合桩的外围桩和短竖向增强体，当其为水泥土或散体水泥土复合形式时，部分采用干法施工，部分采用湿法施工，且干法施工桩、湿法施工桩间隔排列。

劲性复合桩包括超长刚性芯的劲性复合桩、中长刚性芯的劲性复合桩、短刚性芯的劲性复合桩；所述超长刚性芯的劲性复合桩，外围桩的桩底位于较浅持力层，芯桩的桩底位于深持力层；所述中长刚性芯的复合桩外围桩的桩底位于较浅持力层，芯桩的桩底位于较深持力层；所述短刚性芯的劲性复合桩，外围桩的桩底位于浅持力层，芯桩的桩底高于外围桩底；所述短竖向增强体包括短散体桩、短柔性桩、短散柔复合桩、短刚性桩，桩底位于浅持力层；所述深持力层、较深持力层、较浅持力层、浅持力层，按照从深至浅的深度依次为深持力层、较深持力层、较浅持力层、浅持力层。所述劲性复合桩数量百分比为超长刚性芯的劲性复合桩占0~15%，中长刚性芯的劲性复合桩占10~40%，短刚性芯的劲性复合桩占60~90%，上述占比之和为100%。短竖向增强体数量相对于劲性复合桩数量百分比为短散体桩0~40%，短柔性桩和短散柔复合桩0~100%，短刚性桩0~80%。

所述超长刚性芯的劲性复合桩芯桩直径、长度、强度大于其他劲性复合桩，布置于基础的关键部位，包括基础边、基础角和荷载集度高处。多个短柔性桩或短散柔性桩绕超长刚性芯的劲性复合桩的桩顶一圈与外围桩搭接，形成扩大桩帽。各个单体劲性复合桩间由多个短柔性桩或短散柔性桩连续搭接，形成连体格栅。

Claims (5)

1.一种匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，其特征是：由一定数量的劲性复合桩和一定数量的短竖向增强体组成；所述劲性复合桩由外围桩和芯桩组成，外围桩为散体桩、水泥土桩或散体与水泥土的复合形式，芯桩为预制桩、现浇混凝土桩或预制桩与现浇混凝土的复合形式；所述劲性复合桩包括超长刚性芯的劲性复合桩、中长刚性芯的劲性复合桩、短刚性芯的劲性复合桩；所述超长刚性芯的劲性复合桩，外围桩的桩底位于较浅持力层，芯桩的桩底位于深持力层；所述中长刚性芯的复合桩外围桩的桩底位于较浅持力层，芯桩的桩底位于较深持力层；所述短刚性芯的劲性复合桩，外围桩的桩底位于浅持力层，芯桩的桩底高于外围桩底；所述短竖向增强体包括短散体桩、短柔性桩、短散柔复合桩、短刚性桩，桩底位于浅持力层；所述深持力层、较深持力层、较浅持力层、浅持力层，按照从深至浅的深度依次为深持力层、较深持力层、较浅持力层、浅持力层；

多个短柔性桩或短散柔性桩绕超长刚性芯的劲性复合桩的桩顶一圈与外围桩搭接，形成扩大桩帽；

各个单体劲性复合桩间由多个短柔性桩或短散柔性桩连续搭接，形成连体格栅；

桩基由下列数量百分比的劲性复合桩组成：

超长刚性芯的劲性复合桩 0~15%

中长刚性芯的劲性复合桩 10~40%

短刚性芯的劲性复合桩 60~90%

上述占比之和为100%；

桩与桩之间由地基土和下列相对于劲性复合桩数量百分比的短竖向增强体组成：

短散体桩 0~40%

短柔性桩和短散柔复合桩 0~100%

短刚性桩 0~80%。

2.根据权利要求1所述的匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，其特征是：劲性复合桩外围桩和短竖向增强体施工采用钻头上的螺旋叶片搅拌土体，并同时通过钻头上设置的多个喷嘴向外高压喷射物料；干法施工时喷射粉料，湿法施工时喷射浆料；螺旋叶片旋转时对下部桩或土体有较大的反压力，该反压力由桩机上设置的传动链条将桩机的部分自重传递下来以平衡。

3.根据权利要求1所述的匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，其特征是：劲性复合桩外围桩采用大直径大功率干湿搅拌桩机施工，施工桩径大于等于800mm，桩机主电机功率大于等于90kW，空压机功率大于等于45kW，喷粉压力大于等于0.8MPa，喷浆压力大于等于1.0MPa。

4.根据权利要求1所述的匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，其特征是：所述劲性复合桩的外围桩或短竖向增强体，当其为水泥土或散体水泥土复合形式时，部分劲性复合桩的外围桩或短竖向增强体采用干法施工，部分劲性复合桩的外围桩或短竖向增强体采用湿法施工，且干法施工劲性复合桩的外围桩或短竖向增强体、湿法施工劲性复合桩的外围桩或短竖向增强体间隔排列。

5.根据权利要求1所述的匹配应力梯度的变刚度劲性复合桩系统，其特征是：超长刚性芯的劲性复合桩芯桩直径、长度、强度大于其他劲性复合桩，布置于基础的关键部位；所述基础的关键部位包括基础边、基础角和荷载集度高处。