CN112392039A

CN112392039A - 一种寒区抗冻拔桩体结构

Info

Publication number: CN112392039A
Application number: CN202011229802.1A
Authority: CN
Inventors: 李旭; 李晓康; 杜战军; 柴玉卿; 丁心香; 高晓培; 李帅; 高晓静
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-02-23

Abstract

本发明实施例提供了一种寒区抗冻拔桩体结构，桩体结构从上至下依次为：桩身段、锚固段和桩端，锚固段包括：锚固段桩身、锚固片、转动轴、弹簧和贯穿孔。本发明通过设置锚固段，锚固段装有锚固片和弹簧，锚固片下端和桩身铰接，锚固片上端在打入时压紧弹簧，当桩体冻拔时，锚固片张开，桩侧土体进入锚固片和锚固段桩身之间的空隙，为桩提供上拔阻力，抑制桩基冻拔。在第一个冷季产生一定的冻拔量后，锚固段获得足够的上拔阻力，桩基不再继续上拔，累积冻拔病害得到控制。

Description

一种寒区抗冻拔桩体结构

技术领域

本发明涉及冻土工程桩基础技术领域，尤其涉及一种寒区抗冻拔桩体结构。

背景技术

冻土是温度低于0℃且含有冰的土岩，按其存在时间长短可分为多年冻土和季节性冻土，我国冻土分布广泛，多年冻土区和季节性冻土区占我国国土面积的75％左右。多年冻土是两年以上处于冻结状态的土，只有表层几米的土层处于夏融冬冻的状态，该层也被称为季节性活动层；季节性冻土是只在地表几米范围内冬季冻结、夏季融化的土，该层也被称为季节冻结层或季节活动层。也就是说，在多年冻土区和季节冻土区，在地表几米范围内，均存在冬季冻结、夏季融化的活动层。

在寒区，电线杆等构筑物广泛采用杆式桩基础，这类构筑物的共同特点是荷载和自重较小、桩基细长，在活动层的季节冻胀融沉交替作用下，桩基极易产生冻拔病害。随着年份增长，冻拔位移不断累积，导致基础拔出或倾覆。寒冷季节，随着大气温度下降，活动层土体冻结，会向竖直方向冻胀。然而，桩基础改变了冻土的自然形态，导致桩周土的竖向冻胀受到约束，冻结土体则对桩基础产生切向冻胀力，使桩向上拔起。暖季到来后，活动层土体融化，桩身所受上拔力消失，桩基础会停留在其上拔后位置，或产生一定的沉降、倾斜，但受桩侧土体摩阻力支撑、不会回到上拔前位置。因此，在一个冻融循环作用内，桩体会产生净上拔量。随着活动层反复冻融循环，桩基重复上述冻拔过程，冻拔量不断累积增长，最终导致桩基产生过大的累积冻拔量，危害着上覆工程构筑物的稳定性。在寒区，每年需要付出巨大的经济代价将冻拔后的电线杆扶正、重新打入。

综上，在我国广大的季节性冻土区和多年冻土区，均存在桩基冻拔病害，对于约束力较小的电线杆基础，冻拔病害尤为严重，亟需采取针对性的抗冻拔措施，控制其累积冻拔量。桩基冻拔发生的本质是桩基受到的上拔力超过向下约束力。因此，桩基抗冻拔的关键，是提高桩身所受的约束力，减小切向冻胀力，使上拔力小于约束力。

现有常用的桩基抗冻拔措施有以下几种：

1.换填法，将桩身季节性活动层范围内土体置换为弱冻胀性土；

2.保温法，绕桩身在季节性活动层范围内铺设保温材料；

3.护筒法，在桩侧增设具有保温、隔水、降低桩-土接触面粗糙度等作用的护筒；

4.锚固法，在桩体之外，增设锚固结构，将桩端锚固在活动层以下的稳定土体中；

5.变截面桩法，如扩底桩、锥形桩等，这些桩型大部分为现浇基础形式。

以上措施取得了一定效果。但可以看出，换填、保温、护筒、锚固等方法都需进行桩基础之外的结构施工，存在成本高、施工复杂、难以普及等问题；现浇的变截面桩需要进行桩孔开挖、浇筑混凝土等过程，需要大型施工机械，施工周期长、环境扰动大，且混凝土桩和土体具有较大的摩擦系数，不利于减小桩所受的切向冻胀力。同时，在多年冻土中，混凝土产生的水化热会引起下部多年冻土融化，减小桩基础的上拔阻力，加剧桩的冻拔变形。

因此，迫切需要一种结构简单、施工方便、经济环保、便于推广的抗冻拔桩基础。

发明内容

本发明的实施例提供了一种寒区抗冻拔桩体结构，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种寒区抗冻拔桩体结构，所述桩体结构从上至下依次为：桩身段、锚固段和桩端，所述桩身段、锚固段和桩端为实心结构；

所述桩身段横截面为圆形，所述桩端为倒置的圆锥形，圆锥母线长度等于桩体直径D；

所述锚固段包括：锚固段桩身、锚固片组、转动轴、弹簧和贯穿孔；

在所述锚固段，沿横截面轴线、垂直于锚固片组的方向设有贯穿孔，所述弹簧放置于贯穿孔内；

所述锚固片组、弹簧及贯穿孔分别为n个，n为1或2；

每个锚固片组包括两个锚固片，所述两个锚固片对称地设置于锚固段桩身的两侧，分别与一个弹簧的两端连接；

所述锚固片的底端通过转动轴与所述锚固段桩身的底部铰接，所述锚固片可绕转动轴转动；

所述锚固片横截面为拱形，其内表面为平面，外表面为圆弧形；

当所述锚固片的内表面与锚固段的桩身贴合时，所述锚固段和桩身段的形状一致，且锚固段的横截面直径等于桩体直径D，所述弹簧缩在贯穿孔内处于最紧状态，当所述弹簧处于最紧状态时，长度L_min＝D-2T_max，T_max为锚固片最大厚度，当所述弹簧松弛时，其长度为L₀。

优选地，当桩体打入时，锚固片压紧弹簧、紧贴桩身，当桩体冻拔时，锚固片在弹簧压力作用下张开，桩周土体进入锚固片和锚固段桩身之间的空隙，为桩体提供上拔阻力，抑制桩基冻拔。

优选地，在第一个冷季，桩体产生一定的冻拔量后，锚固段获得所述上拔阻力，在后续的季节冻融过程中，所述上拔阻力可以平衡上拔力，桩基不再继续上拔。

优选地，所述锚固段弹簧需综合考虑锚固片张开间距B、弹簧极限压力Fm和锚固段截面积S，进行设计和选型。

优选地，所述锚固段设于活动层下的稳定土层。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种寒区抗冻拔桩体结构，通过设置锚固段，锚固段装有锚固片和弹簧，锚固片下端和桩身铰接，当桩体冻拔时，锚固片在弹簧压力作用下张开，桩侧土体进入锚固片和锚固段桩身之间的空隙，为桩提供上拔阻力，抑制桩基冻拔。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1)抗冻拔效果更好：当桩体首次冻拔，达到平衡态时，在后续的冻融循环过程中总是可以达到此平衡态；2)结构更简单：桩身锚固段融入桩体结构，利用桩周土对桩体产生抗拔力，无需对桩基增设其他结构，经济性佳；3)施工更方便：桩体采用工厂预制，便于批量生产和运输，采用锤击贯入法施工，简化了施工方法，加快了施工进度；4)环保性更好：无需在冻土区进行大开挖和混凝土灌注，避免了对多年冻土的热扰动；5)设计方法更明确：本发明明确了桩身各结构设计标准及建议范围，可针对不同场地情况进行桩的设计、选型；6)削减土体冻胀力：桩身外表面材质为钢材，可减小桩-土接触面的粗糙度，进而减小桩基受到的切向冻胀力，削减桩基冻拔量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种寒区抗冻拔桩体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的A-A剖面图；

图3为本发明实施例提供的抗冻拔桩体初始状态示意图；

图4为本发明实施例提供的抗冻拔桩体打入状态示意图；

图5为本发明实施例提供的抗冻拔桩体抗拔状态示意图。

附图标记：

1、桩身段；2、锚固段；3、桩端；4、锚固片；5、锚固段桩身；6、转动轴；7、贯穿孔；8、压缩弹簧。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种寒区抗冻拔桩体结构，如图1-2所示，桩体结构从上至下依次为：桩身段1、锚固段2和桩端3。

(1)桩身段及桩端构造

桩身段1横截面为圆形，桩端3为倒置的圆锥形，圆锥母线长度等于桩体直径D，桩径D范围为16cm-30cm。

桩体长H_z需使锚固段到达活动层以下的稳定土层，建议值为3m-5m。桩身段外表面需光滑、平整，以尽可能削弱活动层作用于桩体的切向冻胀力。

锚固段2和桩端3采用钢材制作，为实心结构，以提高桩端3和锚固段2强度，桩身段1采用外部空心钢管、内部混凝土材质，可与上部混凝土电线杆共同浇筑，形成连续体，同时可节约钢材、降低造价。

该桩基础制作方法为工厂预制，施工方法为锤击贯入法。

(2)锚固段构造

锚固段2包含锚固片组、锚固段桩身5、转动轴6、贯穿孔7和压缩弹簧8，锚固片组、弹簧及贯穿孔分别为n个，n为1或2；每个锚固片组包括2个锚固片4，2个锚固片对称地设置于锚固段桩身，分别与一个弹簧的两端连接。

本发明实施例中，有一个锚固片组、一根弹簧和一个贯穿孔。

锚固片4的底端通过转动轴6与锚固段桩身5的底部铰接，锚固片4可绕转动轴6转动(锚固片只能绕转动轴发生转动，而不能发生位移)。

锚固片4横截面为拱形，其内表面为平面、外表面为圆弧形，横截面不随高度变化，可贴合锚固段桩身5，锚固片4贴合桩身时，锚固段2和桩身段1的形状一致，且锚固段2的横截面直径等于桩体直径D。锚固片2的高度H建议为0.3m～1m，最大厚度T_max为1/10D～1/5D，建议值为2cm～5cm。锚固片4共有2个，在锚固段2两侧呈对称布置。

在锚固段2，沿横截面轴线、垂直于锚固片方向设有贯穿孔7，孔内放置压缩弹簧8，压缩弹簧8可设置于锚固片2竖直范围内的任意位置，以满足弹簧长度要求和选型为准。锚固片4分别与弹簧的两端连接，锚固片4与锚固段桩身5贴合时，弹簧处于最紧状态，刚好缩在贯穿孔7内，此时其长度为L_min，L_min＝D-2T_max，当弹簧松弛时，其长度为L₀。

弹簧采用低温钢制作，在低温环境下可保持较好的弹性和延展性，弹簧选型标准有如下因素：

1.锚固片张开间距B

弹簧须具有足够的自由长度L₀，为桩周土体进入锚固片与锚固段桩身提供空间，当弹簧松弛时，锚固片张开间距B需达到2D～3D，建议值为30cm～60cm。

2.极限压力F_m

弹簧极限压力F_m须适中，使桩体打入、弹簧完全压缩时，不致因弹簧压力过大而破坏桩周土体，弹簧完全收紧时锚固片对周围土体的平均压力τ应小于桩周土的侧向弹性承载力τ_m，τ_m值取60kPa。

3.锚固段截面积S

弹簧外径不应过大，以保证开贯穿孔后的桩体具有足够的截面积，确保桩的强度，建议开孔后锚固段桩身最小截面积S不小于桩身段截面积的70％。

因此，弹簧自由长度L₀的取值范围为1.2D～2D，建议值为20cm～50cm，最小长度L_min的取值范围为0.6D～0.8D，建议值为15cm～25cm，具体长度根据弹簧所在位置和因素1确定，极限压缩率建议值为40％～50％；极限压力F_m不应超过18kN，建议值为1～10kN；弹簧径向尺寸需根据极限压力F_m，结合锚固段桩身最小截面积S进行选取，建议外径不超过60mm。

综合考虑上述因素，弹簧型号可根据表1中弹簧选型表确定。

例如，对桩径D＝20cm的桩基，锚固片尺寸取高度H＝30cm，最大厚度T_max＝2cm。弹簧可选取如下指标：设置在锚固段下1/3点处，自由长度L₀＝26.67cm，完全压缩长度L_min＝16cm，极限压缩率取40％。这样，锚固片两侧顶端张开长度约46cm，满足锚固片张开间距B的要求；弹簧外径3.5cm，极限压力约1.6kN，锚固片对桩周土的平均侧向压力τ约为45kPa，小于一般土的侧向弹性承载力τ_m；贯穿孔孔径为3.8cm，锚固段最小截面面积约为桩身截面的71％。此时，可满足锚固片张开间距、桩侧土强度和锚固段截面积的要求。

表1

本发明实施例提供了一种寒区抗冻拔桩体结构控制桩基冻拔变形的原理如下：

在初始状态，压缩弹簧8松弛，在贯穿孔7内自由放置，压缩弹簧两端顶在锚固片4上，此时压缩弹簧8长度为L₀，锚固片4完全张开，如图3所示。

在桩体打入过程中，锚固片4受桩侧土体限制，贴合锚固段桩身5，整个锚固段的横截面和桩身段横截面形状大小完全一样，便于打入。受锚固片压迫时，压缩弹簧8处于最紧状态，压缩在贯穿孔7内，对锚固片4施加向外的压力，此时压缩弹簧长度为L_min，如图4所示。

在桩基首次冻拔时，桩基锚固段2相对周围稳定土体向上位移，锚固片4在弹簧的压力作用下向外张开，桩周土开始进入锚固片4与锚固段桩身5之间的空隙。锚固段桩身5和锚固片4之间的土体受到其上部土体约束，无法产生向上位移，则对锚固片4产生上拔阻力。锚固片4受到上拔阻力后，通过锚固片-转动轴-锚固段桩身-桩体的受力体系将上拔阻力传递至桩基，此时弹簧长度为L_min～L₀，如图5所示。

随着桩体继续上拔，锚固片入土深度增大，土体提供的上拔阻力也随之增大。当桩体上拔至某一高度后，锚固区土体所提供的上拔阻力+桩自重+桩的上部荷载等于桩体承受的上拔力，桩体处于平衡状态，不再继续上拔。

在之后每一年的冻融循环过程中，由于寒区年平均低温变化很小，活动层厚度变化不大，桩所受的上拔力也变化不大，而深入锚固片内的土体已经提供足以克服上拔力的锚固力。因此，在第一个冷季，桩体首次达到此平衡态时，在后续的季节冻融过程中，锚固力总是可以平衡上拔力，桩基不再继续上拔，累积冻拔病害得到控制。

综上所述，本发明实施例提供的一种寒区抗冻拔桩体结构，通过设置锚固段，锚固段装有锚固片和弹簧，锚固片下端和桩身铰接，锚固片上端在打入时压紧弹簧；当桩体冻拔时，锚固片张开，桩侧土体进入锚固片和锚固段桩身之间的空隙，为桩提供上拔阻力，抑制桩基冻拔。在第一个冷季产生一定的冻拔量后，锚固段获得上拔阻力，桩基不再继续上拔，累积冻拔病害得到控制。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种寒区抗冻拔桩体结构，其特征在于，所述桩体结构从上至下依次为：桩身段、锚固段和桩端，所述桩身段、锚固段和桩端为实心结构；

所述锚固片组、弹簧及贯穿孔分别为n个，n为1或2；

当所述锚固片的内表面与锚固段的桩身贴合时，所述锚固段和桩身段的形状一致，且锚固段的横截面直径等于桩体直径D，所述弹簧缩在贯穿孔内处于最紧状态，当所述弹簧处于最紧状态时，其长度L_min＝D-2T_max，T_max为锚固片最大厚度，当所述弹簧松弛时，其长度为L₀。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，当桩体打入时，锚固片压紧弹簧、紧贴桩身，当桩体冻拔时，锚固片在弹簧压力作用下张开，桩周土体进入锚固片和锚固段桩身之间的空隙，为桩体提供上拔阻力，抑制桩基冻拔。

3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，在第一个冷季，桩体产生一定的冻拔量后，锚固段获得所述上拔阻力，在后续的季节冻融过程中，所述上拔阻力可以平衡上拔力，桩基不再继续上拔。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述锚固段弹簧需综合考虑锚固片张开间距B、弹簧极限压力Fm和锚固段截面积S，进行设计和选型。

5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述锚固段设于活动层下的稳定土层。