CN107938724A

CN107938724A - 一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩及其模型计算方法

Info

Publication number: CN107938724A
Application number: CN201711216297.5A
Authority: CN
Inventors: 雷文; 王其合
Original assignee: China Railway Shanghai Design Institute Group Co Ltd
Current assignee: China Railway Shanghai Design Institute Group Co Ltd
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明涉及桩基技术领域，尤其是一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩及其模型计算方法，特征在于：所述灌注桩为嵌岩摩擦桩，所述嵌岩摩擦桩的桩侧嵌入于岩溶区的溶洞之中。本发明的优点是：通过建立摩擦型灌注桩的空间分布组合模型，将溶洞的存在从“堵、填”转变为“变废为宝、充分利用”，将溶洞区桩体部分所提供的摩擦力纳入对桩体受力体系，进而研究摩擦型灌注桩的力学特性及工程优势；便于桩基设计人员，在岩溶区的桩基设计过程中做到有的放矢，使得设计成果能更好的适应环境，真正做到经济、合理，实现优化节能的设计新思想。

Description

一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩及其模型计算方法

技术领域

本发明涉及桩基技术领域，尤其是一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩及其模型计算方法。

背景技术

新时期国家高速铁路建设速度逐年增长，从快铁到客专、从国铁到城际，南北通道日益完善、东西干道亦步伐紧随。铁路技术标准的提升，趋使其基础结构布设逐渐脱离传统的形式理念。为了充分发挥高速铁路建设初衷，方便国民出行及沿途居民生活，“高桥路比”成为近年来新建高铁线的主要设计理念。线位的建址选择可以说是夹缝中求生存，需充分考虑城市功能定位、土地规划、生态保护红线等的影响，加上先进技术的广泛应用，一定程度上淡化了工程地质条件对建址选择的影响力度。地基处理、基础设计环节的高技术要求对地质、桥梁等站前专业提出了严峻考验。

我国岩溶分布广、面积大，岩溶区地质以水对可溶性岩石进行化学溶蚀作用为主要特点。结合华东、华中、华南及部分华北地区的工程地质勘察现状，岩溶区溶洞的发育特性与深度无特定关系。地下水流速、流向的离散性及侵蚀能力的不确定性，造成了岩溶区溶洞发育的随意性及偶然性。岩体溶洞的塌陷，对于上部建筑结构，无论是一般市政、地铁、水利还是工民建都影响重大，而对沉降要求极为严格的高速铁路工程尤为苛刻。上部结构的高承载力需求，造成桥梁基础布设需要与地下溶洞的分布特性产生关联。桩长、桩径、桩受力类型的选择，直接影响高铁上部结构的稳定性，关乎国民的生命财产安全。因此，必须有效处理好岩溶区的桥梁桩基础设计，解决因岩溶而造成的一系列工程问题。各科研企业、大专院校等对岩溶特性的研究从未停止过。目前国内外亦发表了大量论文、专著及技术规范，有效指导设计、施工，初步形成了全面、深入的理论研究体系。

既有研究多从岩溶区桩基的勘察技术、施工工艺及基桩自身的承载力计算、数值模拟等方面入手。同时，结合现有技术研究深度、可优化设计应用广度两方面进行论述。各研究、应用体系间既得目标层次分明，归属阶段显著，且各体系思想切实严谨、相互补充，对现有桩基技术的优化改善意义重大。

但就工程应用而言，针对桩基自身环境适应性方面的研究尚少。既有力学特性的分析均局限于现有桩型，多在既得成果的基础上优化完善，一定意义上可以提升惯用技术的实施水平，在常规理论、通用规范的支持下稳中求胜。既有研究工程应用性广、适用对象灵活的特点，造成其理论成果不可避免的会针对性弱。勘察、设计人员在处理具体工程时，若忽略溶洞的空间分布性状，一味的套用既有“模板”开展勘察、设计、处理、施工工作，必定会造成工作量的浪费，违背动态设计、经济合理的建设初衷。

因此，有必要将岩溶区桩基的桩型、承载力作用形式等因素结合溶洞发育环境进行分析，以环境适应性为基本要求，重新认识岩溶区桩基的力学诉求，完善桩径、桩长的控制源调查，通过融合利用，逐一击破的方式优化基桩形态，将勘察、设计工作由分阶段开展转变为思想糅合、相互牵制，共同推进。进而指导地基处理、基桩施工、检测等后续工作，以最经济、合理的桩基勘察、设计方式，满足岩溶区建设需求。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩及其模型计算方法，采用限定桩边界的方式，将溶洞区域对桩体侧摩阻的消减，转变为贡献并充分发挥出来。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩，其特征在于：所述灌注桩为嵌岩摩擦桩，所述嵌岩摩擦桩的桩侧嵌入于岩溶区的溶洞之中。

所述嵌岩灌注桩包括钢筋笼、柔性材料及混凝土构成，所述柔性材料包裹于所述钢筋笼的外围，所述混凝土注入使所述柔性材料在所述溶洞的位置向所述溶洞内膨胀并形成凸出部分，从而使所述嵌岩摩擦桩的桩侧嵌入于所述岩溶区的所述岩洞之中。

一种涉及上述的用于岩溶区的摩擦型灌注桩的模型计算方法，其特征在于：所述计算方法至少包括以下步骤：在岩溶区设计桩基时，确定拟采用的桩数、桩径以及桩体混凝土等级并确定设计安全系数；根据桩基上部拟建上部结构荷载总值结合拟采用桩数，计算得出单桩所需承受外部作用力；根据选定的混凝土标号确定桩体的重度并确定相应混凝土的抗剪切应力；统计所述岩溶区内的溶洞平均洞径；通过计算桩体的桩长，所述桩体即为所述嵌岩摩擦桩，式中L₀为所述嵌岩摩擦桩的总桩长，d为所述嵌岩摩擦桩的桩径，f为所述嵌岩摩擦桩的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，l₁、l₂及l_i均为所述嵌岩摩擦桩桩侧溶洞的平均高度，其中l₁为所述嵌岩摩擦桩桩侧第一个溶洞的平均高度，l₂为所述嵌岩摩擦桩桩侧第二个溶洞的平均高度，l_i为所述嵌岩摩擦桩桩侧第i个溶洞的平均高度，F_N为所述嵌岩摩擦桩桩顶所受到所述拟建上部结构的荷载，γ₀为所述嵌岩摩擦桩的平均重度。

若所述嵌岩摩擦桩的设计桩侧溶洞所提供的桩侧摩阻力小于所述拟建上部结构的荷载及桩体自重，则通过计算所述嵌岩摩擦桩的总桩长，式中L₀为所述嵌岩摩擦桩的极限桩长，d为所述嵌岩摩擦桩的桩径，f为所述嵌岩摩擦桩的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，l₁、l₂及l_i均为所述嵌岩摩擦桩桩侧溶洞的平均高度，其中l₁为所述嵌岩摩擦桩桩侧第一个溶洞的平均高度，l₂为所述嵌岩摩擦桩桩侧第二个溶洞的平均高度，l_i为所述嵌岩摩擦桩桩侧第i个溶洞的平均高度，F_N为所述嵌岩摩擦桩桩顶所受到所述拟建上部结构的荷载，γ₀为所述嵌岩摩擦桩的平均重度，C_端为所述嵌岩摩擦桩的桩端阻力。

本发明的优点是：通过建立摩擦型灌注桩的空间分布组合模型，将溶洞的存在从“堵、填”转变为“变废为宝、充分利用”，将溶洞区桩体部分所提供的摩擦力纳入对桩体受力体系，进而研究摩擦型灌注桩的力学特性及工程优势；便于桩基设计人员，在岩溶区的桩基设计过程中做到有的放矢，使得设计成果能更好的适应环境，真正做到经济、合理，实现优化节能的设计新思想；模型建立合理、边界条件控制严格、计算理论成熟可靠、成果应用针对性强、对设计施工指导意义重大、新方法应用便捷。

附图说明

图1为本发明的模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，图中标记1-8分别表示为：嵌岩摩擦桩1、基岩2、桩边界3、溶洞4、裂隙5、混凝土6、钢筋笼7、柔性材料8。

实施例：如图1所示，本实施例中用于岩溶区的摩擦型灌注桩为嵌岩摩擦桩1，嵌岩摩擦桩1设置在基岩2之中，在基岩2的区域范围内具有若干溶洞4，且溶洞4之间存在有使溶洞4之间形成相互连通的裂隙5。嵌岩摩擦桩1由混凝土6、钢筋笼7和柔性材料8构成，其中柔性材料8包覆在钢筋笼7的外围，混凝土6浇筑在柔性材料8所围成的注浆区域之中。如图1所示，柔性材料8在混凝土6浇筑完成后，其向与桩体侧面相接触的各个溶洞4内膨胀形成桩体侧面的凸出部分并嵌入到溶洞4之中，即桩边界3上具有与各个所接触的溶洞4所对应的向溶洞4内膨胀的凸出部分。此时，嵌岩摩擦桩1的桩身区域内的溶洞4变废为宝，采用限定桩边界3的方式，将溶洞4区域对桩体侧摩阻的消减，转变为贡献并充分发挥出来，即依附嵌岩摩擦桩1的结构，溶洞4区域的存在反而提高了其侧摩阻并进一步提高了嵌岩摩擦桩1的单桩承载力。

本实施例中的嵌岩摩擦桩的模型图如图1所示，其具有如下模型计算方法：

模型中拟建建筑物通过承台下传的作用外力为F_N，嵌岩摩擦桩1的桩体自重为G₀，基岩2中各溶洞4在桩基两侧的宽度为L_i、在桩基侧表面所产生的摩擦力为F_i，假设桩体直径为d，总桩长为L₀，选取桩基底部的A作为应力计算点。

模型假定桩周基岩2，除溶洞4外均按均质岩体考虑。通过对模型具体假设讨论分析可得，本次模型以桩周侧摩阻为主要分析对象，桩端阻力以安全储备角色存在，可以常量C_端表示。为使计算结果能代表整根桩的力学状态，故选定桩端底部点A作为桩体应力计算点。

首先，结合模型a的平面作用力组合方式，建立初步的极限力学平衡关系如下：

（1）

式中F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F_i分别为桩侧溶洞区的极限摩阻力值，C_端为桩端的极限端阻力值，F_N为上部结构的作用外力，G₀为桩体自重，其中C_端为安全储备，式中可做常量处理，G₀与桩长L₀线性相关，k为设计安全系数。

如图1所示，L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L_i分别为桩侧溶洞处的洞高，考虑到桩体实际上为圆柱状，故以平面状态下，同一溶洞左右侧洞高的算术平均值作为三维状态下相应溶洞的桩周摩阻力计算高度。则模型中三溶洞的计算高度分别为：

溶洞的计算高度分别为：、、（2）

因假定桩周溶洞区的剪切应力为f_i，桩体混凝土的平均抗剪切应力为f，故模型中三个溶洞区的桩体剪切应力：

（3）

计算可得，二维平面转三维立体状态下，各溶洞的桩周侧摩阻计算如下：

（4）

（5）

（6）

式中，d为嵌岩摩擦桩1的桩径，L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L_i分别为桩侧溶洞处的洞高，f_1、f_2、f_i分别为三个溶洞区的桩体剪切应力，l₁、l₂、l₃为三个溶洞区的计算高度。

将公式（4）、（5）、（6）代入（1）可得：

（7）

转换可得：

（8）

将公式（8）进行转换可得：

（9）

（10）

上式中，C_测作为储备桩端阻力，在桩身侧摩阻发生作用之前，桩端阻力可按0考虑。此时

（11）

式中L₀为嵌岩摩擦桩的总桩长，d为嵌岩摩擦桩的桩径，f为嵌岩摩擦桩的混凝土平均抗剪切应力，，l₁、l₂及l_i均为嵌岩摩擦桩桩侧溶洞的平均高度，其中l₁为嵌岩摩擦桩桩侧第一个溶洞的平均高度，l₂为嵌岩摩擦桩桩侧第二个溶洞的平均高度，l_i为嵌岩摩擦桩桩侧第i个溶洞的平均高度，F_N为嵌岩摩擦桩桩顶所受到拟建上部结构的荷载，γ₀为嵌岩摩擦桩的平均重度。

桩基设计过程中，可根据地质钻探统计的值，结合公式（11）及经验，确定合理的设计桩长L₀。

公式（9）中l₁、l₂、l_i为桩身范围内各溶洞的平均洞高，L₀为桩基设计长度。假定某一项目已确定的极限设计桩长为L₀，即：

（12）

表示在既有状态下，L₀长度已满足桩基承载力需求。

若遇特殊情况，如桩身溶洞数量明显较少，设计人员依靠桩侧摩阻力平衡上部荷载及桩体自重存在明显不足，则可通过调整桩体刚度的方式，将桩端阻力

C_端作为考虑对象，代入公式（10），算得的极限设计桩长为L₀如公式（13）

（13）

上述论述，为本实施例的模型计算方法步骤，通过上述步骤可确定嵌岩摩擦桩的结构。

本实施例在具体应用时，包括如下步骤：

①确定设计思路

在进行特定地区的设计之前，提前设定好拟采用的初步设计方案，确定拟采用的桩数、桩径d及桩体混凝土等级。根据规范，确定设计安全系数k。

②确定基本设计数据

1）根据拟建上部结构荷载总值，结合拟采用桩数，计算得出单桩所需承受的外部作用力F_N。

2）根据选定的混凝土标号，确定桩体重度γ₀，根据室内试验，确定相应混凝土的抗剪切应力f。

③溶洞参数计算

溶洞洞径统计，根据场地工程地质勘察资料，确定各区域溶洞的平均洞径l₁、l₂、l_i值。

④桩基承载力计算

可通过对场地内各溶洞平均洞径来l_i反复带入验算的方式，根据公式（12）确定拟建场地的桩长设计值L₀，从而得出拟建场地若采用本实施例中的嵌岩摩擦桩1，其所需要的桩长值。

⑤施工步骤

1）岩溶区基岩2成孔。

2）清孔，若溶洞4内无充填，则直接安排下一步施工步骤，若溶洞4内有黏性土、砂类土充填，则将充填物清洗干净。

3）清孔完毕后，下放桩体钢筋笼7，其中钢筋笼7四周包裹有可任意方向膨胀的柔性材料8。

4）向孔内注入混凝土，根据桩长计算桩本体的混凝土用量，随后采用泵压压人的方法，注入多余的混凝土，混凝土会侧压桩周的柔性材料8，进而使其向溶洞4内膨胀，形成桩体侧面的凸出部分，如图1所示。

5）施工过程中，根据泵压大小，控制桩侧的各凸起部分的凸起程度，从而调整基桩达到最佳设计状态。

6）施工完毕，按照上述步骤，进行下一根桩的施工。

⑥特殊情况

若遇特殊情况，如桩身溶洞数量明显较少，则将上述步骤中的公式（12），替换为公式（13），重复进行步骤④、⑤。

本实施例主要为了分析溶洞区桩体材料所具备的摩阻力基桩整体受力平衡的影响，进而改变岩溶区桩基的桩型设计原则，转变岩溶区桩基设计思想。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims

1.一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩，其特征在于：所述灌注桩为嵌岩摩擦桩，所述嵌岩摩擦桩的桩侧嵌入于岩溶区的溶洞之中。

2.根据权利要求1所述的一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩，其特征在于：所述嵌岩灌注桩包括钢筋笼、柔性材料及混凝土构成，所述柔性材料包裹于所述钢筋笼的外围，所述混凝土注入使所述柔性材料在所述溶洞的位置向所述溶洞内膨胀并形成凸出部分，从而使所述嵌岩摩擦桩的桩侧嵌入于所述岩溶区的所述岩洞之中。

3.一种涉及权利要求1-2所述的用于岩溶区的摩擦型灌注桩的模型计算方法，其特征在于：所述计算方法至少包括以下步骤：在岩溶区设计桩基时，确定拟采用的桩数、桩径以及桩体混凝土等级并确定设计安全系数；根据桩基上部拟建上部结构荷载总值结合拟采用桩数，计算得出单桩所需承受外部作用力；根据选定的混凝土标号确定桩体的重度并确定相应混凝土的抗剪切应力；统计所述岩溶区内的溶洞平均洞径；通过计算桩体的桩长，所述桩体即为所述嵌岩摩擦桩，式中L₀为所述嵌岩摩擦桩的总桩长，d为所述嵌岩摩擦桩的桩径，f为所述嵌岩摩擦桩的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，l₁、l₂及l_i均为所述嵌岩摩擦桩桩侧溶洞的平均高度，其中l₁为所述嵌岩摩擦桩桩侧第一个溶洞的平均高度，l₂为所述嵌岩摩擦桩桩侧第二个溶洞的平均高度，l_i为所述嵌岩摩擦桩桩侧第i个溶洞的平均高度，F_N为所述嵌岩摩擦桩桩顶所受到所述拟建上部结构的荷载，γ₀为所述嵌岩摩擦桩的平均重度。

4.根据权利要求3所述的一种用于岩溶区的摩擦型灌注桩的模型计算方法，其特征在于：若所述嵌岩摩擦桩的设计桩侧溶洞所提供的桩侧摩阻力小于所述拟建上部结构的荷载及桩体自重，则通过计算所述嵌岩摩擦桩的总桩长，式中L₀为所述嵌岩摩擦桩的极限桩长，d为所述嵌岩摩擦桩的桩径，f为所述嵌岩摩擦桩的混凝土平均抗剪切应力，k为设计安全系数，l₁、l₂及l_i均为所述嵌岩摩擦桩桩侧溶洞的平均高度，其中l₁为所述嵌岩摩擦桩桩侧第一个溶洞的平均高度，l₂为所述嵌岩摩擦桩桩侧第二个溶洞的平均高度，l_i为所述嵌岩摩擦桩桩侧第i个溶洞的平均高度，F_N为所述嵌岩摩擦桩桩顶所受到所述拟建上部结构的荷载，γ₀为所述嵌岩摩擦桩的平均重度，C_端为所述嵌岩摩擦桩的桩端阻力。