CN114319463B - 一种鳞片式抗冻胀桩基础 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种鳞片式抗冻胀桩基础，包括桩基本体（1）和在深度方向上逐层均布在桩基本体（1）外壁上的鳞片（2），每个鳞片（2）内侧面与桩基本体（1）外壁之间通过位于中心的固定链杆（3）和位于周边的数根弹簧（4）实现连接，相邻鳞片（2）之间设有挡土胶片（5）；所有鳞片（2）的分布范围对应埋设土体的冻深范围。本发明采用主动利用冻拔力的设计思想，通过一种仿生鳞片结构，进行力的分解和转化，有效减小了切向冻胀力对桩基的冻拔作用，提高了电杆的抗拔稳定性。本发明具有良好的整体性，便于工程化生产和机械化施工，能够有效降低施工周期和经济成本，可提高季节冻土区输电线路工程的可靠性和经济性。

Description

一种鳞片式抗冻胀桩基础

技术领域

本发明涉及多年冻土区桩基础技术领域，尤其涉及一种鳞片式抗冻胀桩基础。

背景技术

我国是冻土分布大国，季节冻土区约占陆地面积的53%。冻土中由于冰的存在其物理力学性质在冻融过程中会发生复杂的变化。季节冻土在冻结过程中由于土体中自由水结冰后体积发生膨胀，会使得土体产生冻胀变形。若冻胀变形受到束缚，则会对约束产生约束力或称为冻胀力。作用于埋置在冻土中的建筑物的冻胀力可分为切向冻胀力和法向冻胀力。对于建设于季节冻土区的建筑物，如对冻胀力预估不足或没有采取处置措施则会使建筑物受到不均匀荷载，对各种工程建筑稳定性产生影响。

随着我国经济社会的不断发展，广阔的季节冻土区和多年冻土区修建了大量的输电线路工程，如青藏直流输电线路工程途径长区域的季节冻土区和多年冻土区，河西走廊季节冻土区域也修建了数条特高压输电线路，以及大量的支线线路。这些线路修建后冻土条件不可避免的要发生变化，而这种变化不可避免的对线路基础的稳定性产生影响。输电线路属于典型的点线工程，每一个点或线的安全都关系到整个线路的安全和稳定运营。

输电线路中电杆基础属于轻型基础，在土体冻胀过程中作用于电杆与土体接触面的切向冻胀力对电杆稳定性的影响巨大。由于土体冻胀过程中的冻拔作用使得接触失稳破坏的案例在输电线路工程和交通工程中广泛存在。以往对于冻拔破坏的处置方法包括：基础周围土体换填，将周围土体换填为非冻胀敏感性土体；增加基础埋置深度或在基础端部设置扩大头等。上述方法发挥了一定的作用，但受地域、施工条件等因素的影响较大，其施工方法大幅增加了施工成本且无法工厂化生产。

综上所述，现有技术的缺点包括：1、被动式处置冻拔力，应对策略落后，保持桩基础稳定性的效果差。2、扩大基础几何尺寸，工序复杂，对施工现场影响大，不利于机械化工厂化施工，施工效率低且成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种鳞片式抗冻胀桩基础，以实现增强桩基础稳定性、降低经济成本的目的。

为解决上述问题，本发明所述的一种鳞片式抗冻胀桩基础包括桩基本体和在深度方向上逐层均布在所述桩基本体外壁上的鳞片，每个所述鳞片内侧面与所述桩基本体外壁之间通过位于中心的固定链杆和位于周边的数根弹簧实现连接，相邻所述鳞片之间设有能够随所述鳞片的转动而伸长或缩短的挡土胶片；所有所述鳞片的分布范围对应埋设土体的冻深范围。

优选的，该桩基础还包括设在所述鳞片外侧面中心的定位环以及与所述定位环配合使用的定位直杆，所述定位环凸出于所述鳞片的外侧面，处于同一轴线上的所有所述定位环对齐，能让所述定位直杆统一穿过。

优选的，每层所述鳞片沿所述桩基本体周向布置，层与层之间的所述鳞片上下对齐。

优选的，所述鳞片为防腐处理的聚合物板或钢板。

优选的，所述挡土胶片为波纹橡胶片。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明采用主动利用冻拔力的设计思想，通过一种仿生鳞片结构，进行力的分解和转化，有效减小了切向冻胀力对桩基的冻拔作用，提高了电杆的抗拔稳定性。本发明具有良好的整体性，便于工程化生产和机械化施工，能够有效降低施工周期和经济成本，可提高季节冻土区输电线路工程的可靠性和经济性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的鳞片式抗冻胀桩基础的左半边的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的鳞片式抗冻胀桩基础的整体俯视图。

图3为本发明实施例提供的鳞片位置处的局部图。

图4为本发明实施例提供的单个鳞片的内侧面图。

图5为本发明实施例提供的单个鳞片的俯视图。

图6为本发明实施例提供的冻融过程中鳞片的转动。

图7为法向、切向冻胀力作用在普通桩基础上的情况图。

图8为法向、切向冻胀力作用在本发明桩基础上的情况图。

图中：1—桩基本体，2—鳞片，3—固定链杆，4—弹簧，5—挡土胶片，6—铰链，7—定位环。

具体实施方式

参考图1至图5，本发明实施例提供一种鳞片式抗冻胀桩基础，包括桩基本体1和在深度方向上逐层均布在桩基本体1外壁上的鳞片2，每层六个鳞片2，呈正六边形分布在桩基本体1周围，每一层中所有鳞片2水平对齐，层与层之间的鳞片2上下对齐。所有鳞片2的分布范围对应埋设土体的冻深范围。

每个鳞片2的内侧面（靠近桩基本体1的一面）与桩基本体1的外壁之间通过位于中心的一根固定链杆3和位于周边的四根弹簧4实现连接，四根弹簧4均匀分布。相邻鳞片2之间设有挡土胶片5，其能够随着鳞片2的转动而伸长或缩短，用于保持上下左右鳞片2之间的连接状态，以及防止土体漏入鳞片2与桩基本体1之间的腔体内。每个鳞片2的内侧面、上下左右边缘以及桩基本体1外壁上具有用于实现连接的铰链6。

本发明中，桩基础还包括设在鳞片2外侧面中心的定位环7以及与定位环7配合使用的定位直杆，定位环7凸出于鳞片2的外侧面（比如与外侧面垂直），处于同一轴线上的所有定位环7对齐，用于施工时让定位直杆统一穿过，进而实现保持鳞片2在竖直位置。

在实际制作时，桩基本体1为普通混凝土桩，鳞片2为防腐处理的聚合物板或钢板，挡土胶片5为波纹橡胶片，与定位环7配合使用的定位直杆为钢筋杆。

工作原理：如图6所示，受地表气温周期性的波动影响，土体的冻结自上而下逐渐发展，冻胀力也会自上向下发展。利用这一变化规律，本发明鳞片式抗冻胀桩基础中单个鳞片的工作过程如下：

1、地表开始冻结，产生水平冻胀力。鳞片2在固定链杆3上侧的部分（简称鳞片2上侧部分）受法向冻胀力的影响，向桩基本体1方向倾斜，固定链杆3下侧土体由于尚未冻结，没有法向冻胀力产生，因此鳞片2在固定链杆3下侧的部分（简称鳞片2下侧部分）会向土体一侧倾斜。

2、随着冻结作用向下发展，整个鳞片2都受到了法向冻胀力的作用，但是由于上侧土体冻结后土体的弹性模量急剧增加，因此当鳞片2下侧部分受到冻胀力作用时，鳞片2不会恢复到垂直状态，而是仍然保持为绕固定链杆3顺时针倾斜的状态。

3、随着冻深的继续发展，下一层鳞片2重复上述变化过程，直至到达最大冻结深度。

4、在融化季节，冻胀力逐渐消失，土体的弹性模量逐渐减小，在弹簧4的作用下鳞片2逐渐恢复初始状态。

受力细节分析：如图7所示，在桩基上没有鳞片2时（对应现有的普通桩基础），作用在桩体上的冻拔力为全部的桩侧切向冻胀力，法向冻胀力不影响桩基在垂直方向的受力。当有鳞片2时（对应本发明的鳞片式抗冻胀桩基础），冻胀过程中鳞片2出现倾斜，作用在鳞片2上的切向冻胀力可分解为两项（参考图8），包括水平分力和向上的垂向分力，作用在鳞片2上的法向冻胀力可分解为水平分力和向下的垂向分力。两个垂向分力方向相反，从而减小了冻拔力对桩基的作用。

施工方法：

1、预制桩基本体1，生产鳞片2以及各个连接构件。

2、组装整体结构，然后在定位环上穿设定位直杆，使各鳞片2自上而下固定在竖直方向，方便施工。

3、开挖桩基孔，将装配完成的鳞片式抗冻胀桩基础安装在成孔中。

4、回填土体，击实，然后将定位直杆抽出，完成施工。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种鳞片式抗冻胀桩基础，其特征在于，该桩基础包括桩基本体（1）和在深度方向上逐层均布在所述桩基本体（1）外壁上的鳞片（2），每个所述鳞片（2）内侧面与所述桩基本体（1）外壁之间通过位于中心的固定链杆（3）和位于周边的数根弹簧（4）实现连接，相邻所述鳞片（2）之间设有能够随所述鳞片（2）的转动而伸长或缩短的挡土胶片（5）；所有所述鳞片（2）的分布范围对应埋设土体的冻深范围。

2.如权利要求1所述的桩基础，其特征在于，该桩基础还包括设在所述鳞片（2）外侧面中心的定位环（7）以及与所述定位环（7）配合使用的定位直杆，所述定位环（7）凸出于所述鳞片（2）的外侧面，处于同一轴线上的所有所述定位环（7）对齐，能让所述定位直杆统一穿过。

3.如权利要求1所述的桩基础，其特征在于，每层所述鳞片（2）沿所述桩基本体（1）周向布置，层与层之间的所述鳞片（2）上下对齐。

4.如权利要求1所述的桩基础，其特征在于，所述鳞片（2）为防腐处理的聚合物板或钢板。

5.如权利要求1所述的桩基础，其特征在于，所述挡土胶片（5）为波纹橡胶片。

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