CN114016541A - 一种抗冻拔扩底桩结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及杆塔技术领域，公开了一种抗冻拔扩底桩结构及其施工方法，抗冻拔扩底桩结构包括骨架立柱、伞骨结构和滑动块，骨架立柱的顶端用于与桩柱连接，滑动块轴向活动套装在骨架立柱上，伞骨结构包括支撑杆和连接杆，支撑杆的底端转动装配在骨架立柱上，各支撑杆与滑动块之间均连接有连接杆，连接杆的一端与支撑杆铰接、另一端与滑动块铰接。在冻土层中建造杆塔基础时，施工人员将该抗冻拔底柱结构布置在桩孔的底部，伞骨结构嵌入土体中起到了预埋筋的作用，桩柱基础受到冻拔力作用影响时，伞骨结构以及骨架立柱可以提供向下的抗拔力，减弱冻拔现象；对生产工艺的要求较低，便于流水线批量生产，制造成本低，施工难度较小，简化施工。

Description

一种抗冻拔扩底桩结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及杆塔技术领域，特别是涉及一种抗冻拔扩底桩结构及其施工方法。

背景技术

随着我国经济的发展，我国基础设施建设在我国冻土区大面积开展，对这些地区主要线性工程进行研究，发现位于冻土区的杆塔基础存在严重的冻拔问题。在冬季负温下，土体发生冻胀，杆塔基础侧向土冻胀产生向上的切向冻胀力作用于杆塔，当杆塔基础的自重与杆塔与土体之间产生的摩擦力之和不足以平衡土与杆塔基础之间的切向冻胀力时，杆塔向上拔起，随着时间的推移、冻融循环次数的增加，杆塔基础甚至会发生倾斜，从而影响杆塔的正常使用，这种现象我们称之为冻拔现象。

位于冻土区的杆塔基础位于多年冻土层及季节活动层中，基础的底面和侧面均与土体直接作用，土体的冻胀融沉过程中杆塔的不等量位移是杆塔基础发生冻拔问题的关键。巨大的冻拔作用造成了杆塔的上拔，拉线的崩断以及受力不均匀时的倾斜甚至倾覆问题，极大的影响线性工程的安全性，出现倾斜甚至塌陷现象，将会造成电力网络、通信网络的重大安全事故，给国家带来重大经济损失

现有的防冻拔技术主要有以下几种，一是改变桩身形式，如改变桩端形式，将圆柱状桩端改为锥形桩端或在桩端预设多根预埋钢筋等方式，增大桩端与土体的接触面积，从而增大抗拔反力使得减小桩体上拔，从而减弱冻拔现象；二是对桩体周边加热等方法，使桩周土体避免处于负温以下，减少周边土体中水分体积膨胀，进而解决桩体周边土体的冻胀现象，从而解决桩柱基础的冻拔现象；三是通过对桩身附加机构来减弱冻拔作用对桩柱基础的影响，对桩身外侧安装锚固装置增加桩体的抗拔力，或对桩身外侧安装与桩身紧密贴合的滑轨装置，从而代替桩身承受大部分的冻拔力，通过在桩体外侧安装装置来减弱桩身的冻拔作用。

但是上述的抗冻拔方式存在各自的缺点，如改变桩身形式增大桩体与土的接触面积在原理上有效可行，但此种异形桩体不便于流水线生产，生产工艺尚不太成熟，若要生产异形桩，需比普通预制桩投入更多的人力、物力资源，导致生产成本大大提高，无法满足经济性要求，较难推广，实用性较差；并且此种异形桩在施工过程中施工工艺尚不成熟，施工难度较大，异形桩在打桩过程中，桩身截面变化较大处容易出现应力集中现象导致桩身断裂，从而增加施工难度及经济成本。

通过加热桩身周边土体，使土体升温，避免土体被冻结，虽然能从根源上解决土体的冻拔问题，但对周边土体加热需要耗费大量的能源，不符合环保的理念。除此之外，周边土体加热不充分，仍会产生少量的冻拔位移，经过经年累月的冻融循环作用仍会发生杆塔基础倾斜，但投入了大量的电力资源，经济性要求无法满足。若周边土体过度加热，不仅会消耗过多电力资源，还会对原有地区的冻土造成较大程度的破坏，易造成地基基础不稳定，地基基础发生较大沉降，不符合保护多年冻土的设计原则，不利于结构的长久使用，会影响结构的安全性、适用性。对于周边土体如何进行加热还未有相关理论支撑，较难实现对土体进行适度的加热。

通过在桩身外侧增加锚固装置或者在外侧增加装置来代替桩体承担大部分的冻拔力，这种方式可行但对于施工技术考验较高，施工难度增大。且此种方式通常需要将桩体与机构在预制过程中便进行连接，增大了制作难度，且因为机构需与桩体连接后才生产完成，混凝土桩自身凝结硬化需要一定的时间，使得整体装置最终生产时间较长，不适合流水线施工，导致生产成本增加，而且装置施工难度大，结构复杂，不适合推广使用。

发明内容

本发明的目的是：提供一种便于流水线批量生产，降低制造成本，简化施工的抗冻拔扩底桩结构；本发明还提供了一种抗冻拔扩底桩结构的施工方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种抗冻拔扩底桩结构，包括骨架立柱、伞骨结构和滑动块，所述骨架立柱的顶端用于与桩柱连接，所述滑动块轴向活动套装在所述骨架立柱上，所述伞骨结构包括支撑杆和连接杆，所述支撑杆以及所述连接杆沿所述骨架立柱的周向间隔布置有多组，所述支撑杆的底端转动装配在所述骨架立柱上，各所述支撑杆与所述滑动块之间均连接有所述连接杆，所述连接杆的一端与所述支撑杆铰接、另一端与所述滑动块铰接，所述滑动块在所述骨架立柱上轴向移动的行程中具有驱动所述伞骨结构展开以与冻土连接的展开位和驱动所述伞骨结构收紧的收紧位。

优选地，所述伞骨结构沿所述骨架立柱的周向间隔布置有四组，四组所述伞骨结构呈十字形分布。

优选地，还包括可拆套装在所述骨架立柱上的滑动套管，所述滑动套管用于驱动所述滑动块于所述骨架立柱上滑动。

优选地，所述骨架立柱的底端具有用于插入多年冻土层的插入端头。

本发明还提供了一种抗冻拔扩底桩结构的施工方法，包括以下步骤，步骤一，在多年冻土层中开挖桩孔至预设的填土分界面处，在填土分界面的底部土体中横向开挖出供伞骨结构展开的侧向空间；步骤二，采用可破坏结构连接滑动块与骨架立柱，使滑动块处于收紧位，将伞骨结构处于收紧状态的抗冻拔扩底桩结构输送至桩孔的底部；步骤三，将骨架立柱的底端插入多年冻土层内，破坏步骤二中的可破坏结构，断开滑动块与骨架立柱之间的连接，在伞骨结构的重力作用下滑动块下移，伞骨结构在步骤一中的侧向空间横向展开；步骤四，向桩孔内回填土体至步骤一中的填土分界面，骨架立柱的顶端位于填土分界面的上侧；步骤五，向桩孔内灌注混凝土，混凝土与骨架立柱的顶端实现刚性连接。

优选地，步骤一中，桩孔采用挖土成孔技术，将钢套管采用锤击或振动的方式打入土中，从地表在钢套管范围内开挖土体形成桩孔，步骤六中灌注混凝土后拔出钢套管成桩。

优选地，步骤一中，在填土分界面的底部土体中采用人工横向挖土或者炸药挖土的方式形成侧向空间。

优选地，步骤二中，可破坏结构为绳索。

优选地，步骤三中，将滑动套管套在骨架立柱上，滑动套管的底端推动滑动块下移，使伞骨结构完全展开，步骤四中回填土之前先取出滑动套管。

优选地，步骤四中，回填土的过程中进行土体压实。

本发明实施例的一种抗冻拔扩底桩结构及其施工方法与现有技术相比，其有益效果在于：在骨架立柱上周向布置多组伞骨结构，在冻土层中建造杆塔基础时，施工人员将该抗冻拔底柱结构布置在桩孔的底部，滑动块移动至展开位使伞骨结构处于展开状态，支撑杆与骨架立柱之间形成垂直或接近垂直的状态，骨架立柱的顶端与桩柱连接，伞骨结构嵌入土体中起到了预埋筋的作用，桩柱基础受到冻拔力作用影响时，伞骨结构以及骨架立柱可以提供向下的抗拔力，减弱冻拔现象，同时还能够防止桩柱基础产生过大的沉降或偏移，有利于基础的稳定；骨架立柱、伞骨结构和滑动块均可采用钢材质，对生产工艺的要求较低，便于流水线批量生产，制造成本低，而伞骨结构与桩柱基础无需进行预制拼装或者连接，能够在原有成熟的施工工艺基础上进行实施，施工难度较小，简化施工。

附图说明

图1是本发明的抗冻拔扩底桩结构的结构示意图；

图2是图1的抗冻拔扩底桩结构以收紧状态穿过钢套管的结构示意图；

图3是图2的抗冻拔扩底桩结构穿过钢套管后处于展开状态的结构示意图；

图4是图1的抗冻拔扩底桩结构的安装位置示意图。

图中，1、骨架立柱；2、滑动块；3、伞骨结构；31、支撑杆；32、连接杆；4、滑动套管；5、钢套管；6、桩孔；7、填土分界面；8、侧向空间；9、季节性冻土层；10、多年冻土层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种抗冻拔扩底桩结构的优选实施例，如图1至图4所示，该抗冻拔扩底桩结构包括骨架立柱1、伞骨结构3和滑动块2，骨架立柱1、伞骨结构3和滑动块2均为钢材质，生产工艺要求较低，便于在流水线批量生产施工，降低制造成本，经济性好。

骨架立柱1的顶端用于与桩柱连接，桩柱为混凝土结构，在灌注混凝土时混凝土与骨架立柱1的顶端刚性连接。在施工时，该抗冻拔扩底桩结构与桩柱基础无需进行预装拼装或连接，能够在原有成熟的施工工艺基础上进行实施，施工难度较小，钢结构与桩柱基础之间连接难度低，便于施工。

滑动块2轴向活动套装在骨架立柱1上，滑动块2可在骨架立柱1上做升降移动，以带动伞骨结构3动作。伞骨结构3包括支撑杆31和连接杆32，支撑杆31以及连接杆32沿骨架立柱1的周向间隔布置有多组，支撑杆31的底端转动装配在骨架立柱1上，即支撑杆31的转动轴垂直于骨架立柱1，支撑杆31在转动时可收紧以及展开。

各支撑杆31与滑动块2之间均连接有连接杆32，连接杆32的一端与支撑杆31铰接、另一端与滑动块2铰接，连接杆32两端的铰接轴平行于支撑杆31的铰接轴。滑动块2在骨架立柱1上轴向移动的行程中具有驱动伞骨结构3展开以与冻土连接的展开位和驱动伞骨结构3收紧的收紧位。滑动块2向下移动时，滑动块2通过连接杆32驱动支撑杆31展开，滑动块2向上移动时，滑动块2通过连接杆32驱动支撑杆31收紧。

当滑动块2移动至展开位使伞骨结构3处于展开状态时，支撑杆31与骨架立柱1之间形成垂直或接近垂直的状态，骨架立柱1的顶端与桩柱连接，伞骨结构3嵌入土体中起到了预埋筋的作用，桩柱基础受到冻拔力作用影响时，伞骨结构3以及骨架立柱1可以提供向下的抗拔力，减弱冻拔现象，同时还能够防止桩柱基础产生过大的沉降或偏移，有利于基础的稳定。

优选地，伞骨结构3沿骨架立柱1的周向间隔布置有四组，四组伞骨结构3呈十字形分布。四组伞骨结构3可在四个方向上对桩柱基础施加抗冻拔的作用力，提升抗冻拔的效果；同时四个方向上的作用力可以保证桩柱基础的受力平衡，能够防止桩柱基础产生过大的沉降或偏移，更有利于基础的稳定性。

优选地，还包括可拆套装在骨架立柱1上的滑动套管4，滑动套管4用于驱动滑动块2于骨架立柱1上滑动。滑动块2依靠重力驱动伞骨结构3展开，但是受到摩擦阻力的影响，伞骨结构3无法全部展开，滑动套管4在骨架立柱1上滑动时，底端顶压滑动块2并推动滑动块2下移，从而保证伞骨结构3完全展开。

优选地，骨架立柱1的底端具有用于插入多年冻土层的插入端头。多年冻土层冻土不会融化，更加稳定。骨架立柱1的底端插入多年冻土层内之后，可以增加骨架立柱1的稳定性，保证骨架立柱1竖直延伸，与冻拔力的作用方向相同，避免骨架立柱1与桩柱基础之间倾轧。

本发明的抗冻拔扩底桩结构的施工方法，如图1至图4所示，包括以下步骤，步骤一，在多年冻土层中开挖桩孔6至预设的填土分界面7处，在填土分界面7的底部土体中横向开挖出供伞骨结构3展开的侧向空间8；伞骨结构3在展开后占用空间较大，布置侧向空间8便于伞骨结构3展开，防止伞骨结构3与土层干涉。

冻土层包括季节性冻土层9和多年冻土层10，多年冻土层10位于季节性冻土层9的下方，填土分界面7位于多年冻土层10内。

步骤二，采用可破坏结构连接滑动块2与骨架立柱1，使滑动块2处于收紧位，将伞骨结构3处于收紧状态的抗冻拔扩底桩结构输送至桩孔6的底部；可破坏结构可以固定滑动块2的位置，使滑动块2位于骨架立柱1的上侧，保证伞骨结构3处于收紧状态以穿过桩孔6；同时在该抗冻拔扩底桩结构输送至桩孔6底部时，施工人员破坏可破坏结构后滑动块2受重力作用移动至展开位，以驱动伞骨结构3处于展开状态。

步骤三，将骨架立柱1的底端插入多年冻土层内，破坏步骤二中的可破坏结构，断开滑动块2与骨架立柱1之间的连接，在伞骨结构3的重力作用下滑动块2下移，伞骨结构3在步骤一中的侧向空间8横向展开；骨架立柱1的底端为插入端头，插入端头插入多年冻土层内之后可以增加骨架立柱1的稳定性，保证骨架立柱1处于竖直状态，防止桩柱基础偏移。

步骤四，向桩孔6内回填土体至步骤一中的填土分界面7，骨架立柱1的顶端位于填土分界面7的上侧；回填土体后伞骨结构3的支撑杆31、连接杆32嵌入回填土内，回填土体在冻土层内形成冻土，伞骨结构3起到了预埋筋的作用，能够提供抗冻拔力，防止装置基础产生过大的沉降或偏移，有利于基础的稳定性。

步骤五，向桩孔6内灌注混凝土，混凝土与骨架立柱1的顶端实现刚性连接。混凝土灌注之后与骨架立柱1的顶端形成刚性连接，使该抗冻拔扩底桩结构与桩柱基础无需进行预制拼装或连接，钢结构与桩柱基础之间连接难度低，能够在原有成熟的施工工艺基础上进行实施，施工难度较小，便于施工。

优选地，步骤一中，桩孔6采用挖土成孔技术，将钢套管5采用锤击或振动的方式打入土中，从地表在钢套管5范围内开挖土体形成桩孔6，步骤六中灌注混凝土后拔出钢套管5成桩。钢套管5的内径大于收紧状态下的伞骨结构3占用的径向空间，保证抗冻拔底桩结进入桩孔6内，钢套管5可以限定桩孔6尺寸、范围，对周围的影响小，施工技术成熟。

本发明中桩柱主要施工技术为沉管灌注桩，施工技术较为成熟，可避免异形桩带来的施工中避免了常见技术中采用挖土机等机械开挖基坑的问题，减少施工时间、便于施工、降低施工成本且能提高施工效率。

本发明在施工中，作业半径小，对地下多年冻土的干扰破坏程度较低，对于多年冻土区的循环稳定有积极作用，符合保护多年冻土的设计原则，有利于结构的长久作用。

优选地，步骤一中，在填土分界面7的底部土体中采用人工横向挖土或者炸药挖土的方式形成侧向空间8。冻土层内机械施工不便，采用人工挖土或者炸药挖土的方式可以保证施工效率。

优选地，步骤二中，可破坏结构为绳索。绳索的成本低，破坏绳索的方式简单，施工方便。

优选地，步骤三中，将滑动套管4套在骨架立柱1上，滑动套管4的底端推动滑动块2下移，使伞骨结构3完全展开，步骤四中回填土之前先取出滑动套管4。滑动套管4可以保证伞骨结构3完全展开，增加伞骨结构3与冻土层之间的接触面积，增加抗冻拔力。

优选地，步骤四中，回填土的过程中进行土体压实。回填土的过程中土体压实，可以保证伞骨结构3与冻土层之间的作用力，填土结束后检查骨架立柱1，保证骨架立柱1的顶端有部分处于填土分界面7的上部，以与灌注的混凝土刚性连接，至此施工完成。

本发明通过在混凝土桩柱的底部增加一个抗冻拔扩底桩结构，不改变原有设计桩柱基础。在土体发生冻融循环时，对桩体产生切向冻胀力，当切向冻胀力发展至大于桩体自重与桩土之间摩擦力时，桩体产生上拔，但由于抗冻拔扩底桩结构的骨架立柱1与桩体之间刚性连接，便会导致伞骨结构3与两侧土体发生相互作用，使得抗力增大，通过此种方式减弱冻拔作用对桩柱基础的影响，使得桩柱基础的安全性和耐久性能够进一步提升，以达到线性工程冻拔病害的防治作用。

综上，本发明实施例提供一种抗冻拔扩底桩结构及其施工方法，其在骨架立柱上周向布置多组伞骨结构，在冻土层中建造杆塔基础时，施工人员将该抗冻拔底柱结构布置在桩孔的底部，滑动块移动至展开位使伞骨结构处于展开状态，支撑杆与骨架立柱之间形成垂直或接近垂直的状态，骨架立柱的顶端与桩柱连接，伞骨结构嵌入土体中起到了预埋筋的作用，桩柱基础受到冻拔力作用影响时，伞骨结构以及骨架立柱可以提供向下的抗拔力，减弱冻拔现象，同时还能够防止桩柱基础产生过大的沉降或偏移，有利于基础的稳定；骨架立柱、伞骨结构和滑动块均可采用钢材质，对生产工艺的要求较低，便于流水线批量生产，制造成本低，而伞骨结构与桩柱基础无需进行预制拼装或者连接，能够在原有成熟的施工工艺基础上进行实施，施工难度较小，简化施工。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种抗冻拔扩底桩结构，其特征在于，包括骨架立柱、伞骨结构和滑动块，所述骨架立柱的顶端用于与桩柱连接，所述滑动块轴向活动套装在所述骨架立柱上，所述伞骨结构包括支撑杆和连接杆，所述支撑杆以及所述连接杆沿所述骨架立柱的周向间隔布置有多组，所述支撑杆的底端转动装配在所述骨架立柱上，各所述支撑杆与所述滑动块之间均连接有所述连接杆，所述连接杆的一端与所述支撑杆铰接、另一端与所述滑动块铰接，所述滑动块在所述骨架立柱上轴向移动的行程中具有驱动所述伞骨结构展开以与冻土连接的展开位和驱动所述伞骨结构收紧的收紧位。

2.根据权利要求1所述的抗冻拔扩底桩结构，其特征在于，所述伞骨结构沿所述骨架立柱的周向间隔布置有四组，四组所述伞骨结构呈十字形分布。

3.根据权利要求1所述的抗冻拔扩底桩结构，其特征在于，还包括可拆套装在所述骨架立柱上的滑动套管，所述滑动套管用于驱动所述滑动块于所述骨架立柱上滑动。

4.根据权利要求1所述的抗冻拔扩底桩结构，其特征在于，所述骨架立柱的底端具有用于插入多年冻土层的插入端头。

5.一种权利要求1所述的抗冻拔扩底桩结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，在多年冻土层中开挖桩孔至预设的填土分界面处，在填土分界面的底部土体中横向开挖出供伞骨结构展开的侧向空间；步骤二，采用可破坏结构连接滑动块与骨架立柱，使滑动块处于收紧位，将伞骨结构处于收紧状态的抗冻拔扩底桩结构输送至桩孔的底部；步骤三，将骨架立柱的底端插入多年冻土层内，破坏步骤二中的可破坏结构，断开滑动块与骨架立柱之间的连接，在伞骨结构的重力作用下滑动块下移，伞骨结构在步骤一中的侧向空间横向展开；步骤四，向桩孔内回填土体至步骤一中的填土分界面，骨架立柱的顶端位于填土分界面的上侧；步骤五，向桩孔内灌注混凝土，混凝土与骨架立柱的顶端实现刚性连接。

6.根据权利要求5所述的抗冻拔扩底桩结构的施工方法，其特征在于，步骤一中，桩孔采用挖土成孔技术，将钢套管采用锤击或振动的方式打入土中，从地表在钢套管范围内开挖土体形成桩孔，步骤六中灌注混凝土后拔出钢套管成桩。

7.根据权利要求5所述的抗冻拔扩底桩结构的施工方法，其特征在于，步骤一中，在填土分界面的底部土体中采用人工横向挖土或者炸药挖土的方式形成侧向空间。

8.根据权利要求5所述的抗冻拔扩底桩结构的施工方法，其特征在于，步骤二中，可破坏结构为绳索。

9.根据权利要求5所述的抗冻拔扩底桩结构的施工方法，其特征在于，步骤三中，将滑动套管套在骨架立柱上，滑动套管的底端推动滑动块下移，使伞骨结构完全展开，步骤四中回填土之前先取出滑动套管。

10.根据权利要求5所述的抗冻拔扩底桩结构的施工方法，其特征在于，步骤四中，回填土的过程中进行土体压实。

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