CN108661092A - 一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，包括上段桩、荷载箱和下段桩。该装置还包括连接上段桩与下段桩的若干根钢绞线。钢绞线包括依次相连的自由段和锚固段。自由段依次穿过上段桩和荷载箱，且自由段外侧套设有套管。锚固段位于下段桩内。自由段通过居中支架安装在套管内。锚固段上设有用于使锚固段直径变小的紧箍环和用于使锚固段直径变大的扩张环。自由段与锚固段之间设有密封环。本发明能够在自平衡试验结束后将上、下两段桩进行连接，当桩身受到上拔作用力时，下段桩可以发挥抗拔承载力，当自平衡法试验桩作为工程桩使用时，保持桩身为连续整体，可以发挥整根桩的下压承载力和上拔承载力。

Description

一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置

技术领域

本发明涉及基桩静载荷试验技术领域，具体涉及一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置。

背景技术

桩的竖向承载力自平衡测试法相对于传统的静载试验而言具有省时、省力、省钱、安全等优点，在大吨位、大直径和交通不便地区等应用逐步增多。然而，自平衡试验法的试验桩如作为工程桩使用，则会存在上拔承载力降低的缺陷。

如图1所示，在自平衡试验开始前，荷载箱处于闭合状态，即荷载箱上板、下板相对于原始状态而言均未发生位移，当自平衡试验开始后，如图2所示，荷载箱下板将由于油缸作用发生向下移动。当试验结束时，由于油缸的加载、上段桩和下段桩的位移，从而使得下板与荷载箱本体发生脱开，使得桩身发生了断开，如试验桩继续作为工程桩使用，则采用下位移管注浆方式将打开的空间(即图2中的空桩段)填充水泥浆，保证荷载箱打开部分仍能承受下压荷载。但是，由于桩身主筋处于断开状态，荷载箱以下桩段无法提供上拔力，从而不能发挥整根桩的上拔承载力，对于单桩所受上拔荷载较大的基桩而言，如试验桩作为工程桩使用，则自平衡试验方法降低了试验桩后期的上拔承载力。

目前，为尽量解决自平衡试验方法对试验后桩身上拔承载力的影响，采用将荷载箱位置尽量下移的方法，即尽量增加上段桩的长度，利用上段桩提供的上拔力作为基桩的上拔承载力使用。然而，此种方法调整了荷载箱的埋设位置，使得荷载箱不一定处于平衡点附近，从而造成自平衡试验无法准确获得桩身的竖向极限承载力，降低了试验方法的准确性，同时也不利于试桩的上拔承载力发挥。

如何开发出一种用于自平衡试验法中简便易行、安全可靠且经济适用的桩身连接装置成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，该装置能够解决现有技术中存在的不足，能够在自平衡试验结束后将上、下两段桩进行连接，当桩身受到上拔作用力时，下段桩可以发挥抗拔承载力，当自平衡法试验桩作为工程桩使用时，保持桩身为连续整体，可以发挥整根桩的下压承载力和上拔承载力。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，包括自上向下依次设置的上段桩、荷载箱和下段桩。所述荷载箱包括荷载箱主体和分别设置在荷载箱主体上下两侧的荷载箱上板与荷载箱下板。该装置还包括连接上段桩与下段桩的若干根钢绞线。所述钢绞线包括依次相连的自由段和锚固段。所述自由段依次穿过上段桩和荷载箱，且自由段外侧套设有套管。所述锚固段位于下段桩内。所述自由段通过居中支架安装在套管内。所述锚固段上设有用于使锚固段直径变小的紧箍环和用于使锚固段直径变大的扩张环；所述自由段与锚固段之间设有密封环。

进一步的，所述居中支架包括圆形的支架主体、开设在支架主体中间的溢浆孔以及沿支架主体外周均匀设置的若干第一通孔和若干凹槽；各个第一通孔的圆心到支架主体的圆心的距离相等；所述居中支架的中心线和套管的中心线重合。

进一步的，所述套管的中上段位于上段桩内，且与上段桩的钢筋笼主筋相连；套管的中下段贯穿安装在荷载箱中，且与荷载箱上板固定相连，与荷载箱下板间隙配合。

进一步的，所述紧箍环包括圆形的紧箍环主体以及沿紧箍环主体外周均匀设置的若干第二通孔。

进一步的，所述扩张环包括圆形的扩张环主体以及沿扩张环主体外周均匀设置的若干卡槽；所述卡槽为半圆形。

进一步的，所述紧箍环和扩张环的数量均为若干个，且紧箍环和扩张环间隔设置。

进一步的，所述密封环包括圆形的密封环主体和沿密封环主体外周均匀设置的若干第三通孔。

由以上技术方案可知，本发明能够在自平衡试验结束后将上、下两段桩进行连接，当桩身受到上拔作用力时，下段桩可以发挥抗拔承载力，当自平衡法试验桩作为工程桩使用时，保持桩身为连续整体，可以发挥整根桩的下压承载力和上拔承载力。本发明操作简便，随自平衡荷载箱同步安装，不影响自平衡法试验操作，在自平衡试验结束后，通过张拉钢绞线、注浆等工作，将上、下两段桩连接为整体，同时，通过张拉钢绞线可对桩身施加预应力，对于控制桩身变形起到有利作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是现有技术中荷载箱打开状态示意图；

图3是本发明中荷载箱的俯视图；

图4是本发明中荷载箱的侧视图；

图5是本发明中居中支架的结构示意图；

图6是本发明中密封环的结构示意图；

图7是本发明中紧箍环的结构示意图；

图8是本发明中扩张环的结构示意图。

其中：

1、钢绞线，2、张拉设备，3、位移杆，4、下位移护管，5、上段桩，6、套管，7、居中支架，8、荷载箱上板，9、荷载箱，10、荷载箱下板，11、密封环，12、紧箍环，13、扩张环，14、下段桩，15、上位移护管，16、第一通孔，17、溢浆孔，18、空桩段，19、第三通孔，20、第二通孔，21、凹槽，22、卡槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，包括自上向下依次设置的上段桩5、荷载箱9和下段桩14。

如图3所示，所述荷载箱9包括荷载箱主体和分别设置在荷载箱主体上下两侧的荷载箱上板8与荷载箱下板10。荷载箱上板8上设有套管通孔，用于套管6从荷载箱上板8上穿过。从图3可以看出，在本实施例中，对称设置了4个套管6。荷载箱上板8上方设有位移杆，该位移杆外侧套设有上位移护管15。荷载箱下板10的顶部安装有位移杆3，该位移杆3穿过荷载箱9及上段桩5后伸出至上段桩5的上方，且该位移杆3的外侧套设有下位移护管4。

如图1所示，该装置还包括连接上段桩5与下段桩14的若干根钢绞线1。所述钢绞线1包括依次相连的自由段和锚固段。所述自由段依次穿过上段桩5和荷载箱9，且自由段外侧套设有套管6。所述锚固段位于下段桩14内。所述自由段通过居中支架7安装在套管6内。所述锚固段上设有用于使锚固段直径变小的紧箍环12和用于使锚固段直径变大的扩张环13。自由段与锚固段之间设有密封环11。所述套管6的中上段位于上段桩5内，且与上段桩5的钢筋笼主筋相连。套管6的中下段贯穿安装在荷载箱9中，且与荷载箱上板8固定相连，与荷载箱下板10间隙配合，也就是与荷载箱下板之间是自由接触且紧密贴合的状态。

如图5所示，所述居中支架7包括圆形的支架主体、开设在支架主体中间的溢浆孔17以及沿支架主体外周均匀设置的若干第一通孔16和若干凹槽21。各个第一通孔16的圆心到支架主体的圆心的距离相等，设为d1。所述居中支架7的中心线和套管6的中心线重合。居中支架7的外径小于等于套管6的内径。居中支架保证若干根钢绞线的受力中心线位于套管的居中位置，并保证注浆后钢绞线周围有均匀厚度的水泥浆。在自平衡试验过程中，钢绞线可在套管中自由移动。自平衡试验结束后，钢绞线1的上端与张拉设备2连接，通过张拉设备进行张拉锁定。居中支架的主要目的是保证每根钢绞线可以均匀受力，同时，水泥浆液可以顺利通过居中支架。自平衡法试验结束后，需从桩顶处的下位移护管口向桩内注浆，水泥浆最终会从空桩段向自由段的套管中流动，从套管最下部逐渐向上流动到桩顶，溢浆孔和凹槽的作用都是尽量增加居中支架的过流断面，从而保证水泥浆液可以快速、顺畅地穿过居中支架到达桩顶，同时，凹槽处填充水泥浆，可以增加居中支架处钢绞线与套管之间的摩擦阻力。第一通孔用于穿过钢绞线，钢绞线的外径与第一通孔的内径接近，从而可以固定钢绞线在第一通孔内不发生偏移，各个第一通孔与居中支架的中心(即溢浆孔的圆心)之间距离相等，从而可以保证各钢绞线处于均匀对称位置，在承受拉力时可以均匀受力，即每根钢绞线所承担的拉力相等。在承受拉力时可以达到均匀受力，如果不能均匀受力，有可能因为单根钢绞线受力偏大而发生断裂。

如图6所示，所述密封环11包括圆形的密封环主体和沿密封环主体外周均匀设置的若干第三通孔19。所述密封环11用于对套管6与桩身内混凝土密封，保证混凝土不会进入套管6中。荷载箱下板10上开设有套管安装孔，套管的末端伸入至安装孔中，密封环11安装在安装孔的底部，当荷载箱下板10未发生移动时，密封环11能够将套管6的底部封住，防止桩身内的混凝土进入到套管内；当荷载箱下板10向下移动时，密封环11会随着荷载箱下板10一起下移，从而使套管6的底部敞开，这样在完成自平衡试验后，通过下位移护管4进行注浆时，注浆体可流入套管6中并到达上段桩的顶面位置。

如图7所示，所述紧箍环12包括圆形的紧箍环主体以及沿紧箍环主体外周均匀设置的若干第二通孔20。各个第二通孔的圆心到紧箍环主体圆心的距离相等，设为d2。以4束钢绞线为例，紧箍环的作用为将4束钢绞线联合组成的受拉构件直径尽量缩小，目的是与扩张环形成明显区别，从而将锚固段受拉体制作成枣核状，有利于提高锚索与混凝土之间的粘结力。需在紧箍环上设计4个圆孔作为第二通孔，每个圆孔穿过1束钢绞线，同时，为保证钢绞线之间距离尽量减小，4个圆孔与紧箍环中心的距离应尽量减小，圆孔的内径与钢绞线的外径接近，从而保证钢绞线穿过圆孔后不发生相对位移。

如图8所示，所述扩张环13包括圆形的扩张环主体以及沿扩张环主体外周均匀设置的若干卡槽22；所述卡槽22为半圆形。各个卡槽的圆心到扩张环主体的圆心的距离相等，设为d3，d3＞d1＞d2，且d3≥3*d2。通过对紧箍环上的第二通孔到紧箍环主体圆心的距离进行设置，能够使若干根钢绞线穿过各个第二通孔后，处于紧箍状态，使锚固段的此处的直径变小。通过对扩张环上的卡槽的中心到扩张环主体圆心的距离进行设置，能够使若干根钢绞线穿过各个卡槽后处于扩张状态，使锚固段此处的直径变大。扩张环的作用是使若干根钢绞线组成的受拉杆体直径变大，与紧箍环配合使用，可将锚固段受拉构件制作成枣核状，从而有利于提高锚固段受拉构件与混凝土之间的粘结力。以4束钢绞线为例，扩张环上需设置4个卡槽(如采用其他数量的钢绞线，卡槽数量相应调整)，每束钢绞线穿过相应的卡槽，为保证各钢绞线受力均匀，卡槽中心与扩张环圆心的距离相等，并在扩张环主体的外圆周均匀分布，扩张环中钢绞线与扩张环圆心之间的距离应为紧箍环上钢绞线与紧箍环圆心之间距离的3倍以上(含3倍)。

进一步的，所述紧箍环12和扩张环13的数量均为若干个，且紧箍环12和扩张环13间隔设置。

在本实施例中，设置了4个套管，在每个套管中均有若干根钢绞线穿过，在每个套管中设有若干个用于固定钢绞线的居中支架。钢绞线1的上端伸出至套管的顶部上方。每个套管中的若干根钢绞线分别依次穿过各个居中支架上的各个第一通孔，一根钢绞线对应一个第一通孔。在自平衡试验过程中，保持套管内的钢绞线处于自由状态。钢绞线的中段从密封环的第三通孔中穿出，密封环上方的钢绞线为自由段，密封环下方的钢绞线为锚固段。锚固段与下段桩中的钢筋笼主筋绑扎固定。锚固段的顶部通过密封环固定在荷载箱下板上。锚固段由多束钢绞线组成受拉构件，当桩身浇筑混凝土时，钢绞线受拉构件与混凝土粘结，在本发明所述的连接装置中，锚固段提供抗拔力，将上段桩受到的拉力传递至下段桩中，保证下段桩可以发挥其上拔承载力。由于钢绞线受拉构件需提供足够大的锚固力，该锚固力取决于两个强度：钢绞线自身的强度和钢绞线与混凝土之间的粘结力，钢绞线自身强度可通过增加钢绞线数量来保证，钢绞线与混凝土之间的粘结力需通过增加钢绞线的粗糙度来保证，将锚固段钢绞线受拉构件直径进行间断增大和缩小，从而形成枣核状受拉构件，可以有效提高钢绞线受拉构件的粗糙度，从而提高钢绞线与混凝土之间的粘结力。

本发明的设计原理为：

基桩自平衡法试验是静载试验的一种新型方法，相对于传统的静载试验而言，具有省时、省力、经济、安全和不受场地条件限制等优点。自平衡试桩法将荷载箱预先放置在桩身指定位置，将荷载箱的高压油管和位移杆引到地面。由高压油泵在地面向荷载箱充油加载，荷载箱将力传递到桩身，其上段桩极限侧摩阻力及自重与下段桩极限侧摩阻力及极限端阻力相平衡来维持加载，从而获得桩的竖向承载力。

由于自平衡法试验的特点，在试验过程中，上段桩与下段桩将逐渐发生脱离，并在荷载箱的下板上方产生空隙(空桩段)，当自平衡试验结束后，高压油管与油泵断开，油管内压力减小，荷载箱保持打开状态，上段桩与下段桩由荷载箱的油缸连接，由于高压油管断开，油缸将无法继续提供抗压承载力，同时荷载箱自身也无法提供抗拔承载力(承受拉力时荷载箱会发生脱离)，因此，对于自平衡法试验的基桩而言，如试验结束后不进行特殊处理，下段桩与上段桩处于断开状态，下段桩无法提供抗压及抗拔承载力，因此，限制了自平衡法试验在工程桩验收检测中的应用。

目前，对于主要承受下压力的桩基而言，在自平衡试验结束后，采用从下位移管注浆方法将荷载箱附近的空桩段填充水泥浆体，利用水泥浆体传递下压力，从而使下段桩可以提供抗压承载力。然而，水泥浆体仅能承受压力，无法承受拉力，当上段桩受拉时，水泥浆体会发生开裂，下段桩则无法提供上拔承载力。

本发明则利用钢绞线对上、下两段桩进行连接，钢绞线属于受拉构件，可以承受较大的拉力，在钢绞线周围进行注浆后形成钢绞线与水泥浆体的复合材料，类似钢筋混凝土结构，水泥浆体可以传递压力，钢绞线可以传递拉力。由于钢绞线为柔性材料，在张拉前可以发生任意弯曲，便于安装，而且，尤其重要的是单位面积的钢绞线抗拉强度为桩身钢筋抗拉强度的5倍，可通过较少面积的钢绞线来替换钢筋实现抗拔力的同强度替换，该因素也是本发明的主要理论依据。钢绞线分为锚固段和自由段，锚固段与下段桩的钢筋笼主筋固定，在浇筑混凝土后，锚固段与混凝土粘结，钢绞线数量按照下段桩的上拔承载力进行计算确定，在自平衡试验过程中，自由段钢绞线随下段桩发生向下运动，钢绞线自由段与上段桩之间由于套管隔离可以自由移动，自平衡试验结束后，锚固段中钢绞线与混凝土粘结，可提供锚固力，在桩顶位置通过张拉设备对自由段钢绞线进行张拉，按照计算确定的单束钢绞线拉力设计值进行张拉锁定。通过对下位移管进行注浆，水泥浆将填充所有套管和下位移护管，套管中钢绞线周边充满水泥浆体，水泥浆体使钢绞线自由段与套管发生粘结，套管与上段桩混凝土存在粘结，当上段桩受到上拔作用力时，混凝土将带动套管和水泥浆体发生向上运动，水泥浆体将上拔力传递至钢绞线，钢绞线将上拔力传递至下段桩，从而可以发挥下段桩的上拔承载力。

本发明的使用过程为：

(1)将荷载箱9与上段桩内的钢筋笼连接，在荷载箱9上安装套管6，套管6与上段桩内的钢筋笼主筋固定相连。

(2)将钢绞线1通过居中支架7制作成自由段，钢绞线1通过紧箍环12和扩张环13制作成锚固段，在锚固段与自由段之间安装密封环11。

(3)将制作好的钢绞线1的自由段顶部沿套管6与荷载箱下板10连接处穿入套管6中，钢绞线1的自由段需高出套管6顶端一定距离，便于后期张拉。

(4)通过密封环11将钢绞线1的锚固段与自由段分离，保证桩身混凝土浇筑后不会存在混凝土流入套管6中。

(5)将上段桩与下段桩所组成的钢筋笼下放至桩孔中，如需制作成多节钢筋笼，则依次放入各节钢筋笼，并在孔口将钢绞线、套管、位移护管、位移杆、钢筋笼主筋进行各自连接。钢筋笼下放完成后，浇筑混凝土，待混凝土龄期达到后开展自平衡法试验。在自平衡试验过程中，荷载箱下板10将向下运动，下段桩14向下运动，上段桩5向上运动，钢绞线1的锚固段将随下段桩14向下运动，套管6将随上段桩5向上移动，钢绞线1的自由段在自平衡试验过程中随下段桩14向下运动，居中支架7与套管6内壁之间相对光滑，可不考虑居中支架7与套管6之间的摩擦力，套管6与钢绞线1的自由段可以发生自由的相对运动。位移杆3将随着荷载箱下板10向下运动，下位移护管4将与荷载箱下板10脱开，并随着上段桩5向上运动。自平衡试验结束后，由于上段桩5与下段桩14之间发生相对运动将形成空桩段18。

(6)自平衡法试验结束后，断开自平衡荷载箱9的液压油管，采用张拉设备2对钢绞线1进行张拉锁定，待所有钢绞线张拉锁定完成后，通过下位移护管4进行注浆，水泥浆从下位移护管4进入到空桩段18，水泥浆充满空桩段18，并继续流入套管6中到达桩顶，待水泥浆液充满所有套管6和下位移护管4以后停止注浆，静置一段时间后如发现水泥浆液面下降，需补充浆液至到达桩顶位置。

(7)注浆完成后进行注浆体养护，待注浆体龄期达到后拆除张拉设备2，根据设计桩顶标高进行桩顶混凝土凿除，并将设计桩顶标高以上多余钢绞线1剪断，上段桩5和下段桩14完成连接，通过水泥浆体的受压作用，下段桩14可正常发挥下压承载力，通过钢绞线的受拉作用，下段桩14可以正常发挥上拔承载力。桩顶以上钢筋锚入承台中，按正常灌注桩进行桩顶承台施工。

综上所述，在桩的自平衡法试验结束后，荷载箱上、下两段桩处于断开状态，本发明能够将试验结束后的上、下两段桩进行连接，通过钢绞线张拉和套管内注浆将上、下两段桩连为一体，从而保证自平衡试验桩在试验结束后仍可作为工程桩使用，发挥下段桩的抗压和抗拔承载力。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，包括自上向下依次设置的上段桩、荷载箱和下段桩；所述荷载箱包括荷载箱主体和分别设置在荷载箱主体上下两侧的荷载箱上板与荷载箱下板；其特征在于：该装置还包括连接上段桩与下段桩的若干根钢绞线；所述钢绞线包括依次相连的自由段和锚固段；所述自由段依次穿过上段桩和荷载箱，且自由段外侧套设有套管；所述锚固段位于下段桩内；所述自由段通过居中支架安装在套管内；所述锚固段上设有用于使锚固段直径变小的紧箍环和用于使锚固段直径变大的扩张环；所述自由段与锚固段之间设有密封环。

2.根据权利要求1所述的一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，其特征在于：所述居中支架包括圆形的支架主体、开设在支架主体中间的溢浆孔以及沿支架主体外周均匀设置的若干第一通孔和若干凹槽；各个第一通孔的圆心到支架主体的圆心的距离相等；所述居中支架的中心线和套管的中心线重合。

3.根据权利要求1所述的一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，其特征在于：所述套管的中上段位于上段桩内，且与上段桩的钢筋笼主筋相连；套管的中下段贯穿安装在荷载箱中，且与荷载箱上板固定相连，与荷载箱下板间隙配合。

4.根据权利要求1所述的一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，其特征在于：所述紧箍环包括圆形的紧箍环主体以及沿紧箍环主体外周均匀设置的若干第二通孔。

5.根据权利要求1所述的一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，其特征在于：所述扩张环包括圆形的扩张环主体以及沿扩张环主体外周均匀设置的若干卡槽；所述卡槽为半圆形。

6.根据权利要求1所述的一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，其特征在于：所述紧箍环和扩张环的数量均为若干个，且紧箍环和扩张环间隔设置。

7.根据权利要求1所述的一种用于自平衡法试验桩的桩身连接装置，其特征在于：所述密封环包括圆形的密封环主体和沿密封环主体外周均匀设置的若干第三通孔。