CN115450244A - 一种新型软土地区复合桩桥梁抗震基础及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型软土地区复合桩抗震桥梁基础，它包括基础支撑桩，所述基础支撑桩为群桩，通过静压法压入软土地基，并对软土地基进行挤密加固，形成刚性桩复合地基；上部结构，所述上部结构用于支撑或者承载桥垮结构；所述基础支撑桩用于支撑上部结构，所述基础支撑桩和上部结构之间通过铺设碎石复合层切断基础支撑桩和上部结构之间的固定连接；所述碎石复合层固定设置在桩顶，上方支撑上部结构。本发明的复合桩抗震基础切断桩基础与上部结构之间固定连接，从而在地震载荷作用下减小桩身弯矩，降低上部结构响应加速度，增大复合基础自振周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合桩基础，具体涉及一种新型软土地区复合桩桥梁抗震基础及其施工方法。
背景技术
在软土地基上进行工程施工过程中，由于软土地基承载力不足，导致施工难度较大。为确保地基有足够承载力，一般采用桩基础(包括灌注桩、PHC管桩等)。然而，在桩基中由于桩基通常与结构刚性连接(如图1所示)，在地震载荷作用等水平力作用下，桩端抗弯强度较高，往往大幅提高配筋率。
为了抑制桩端弯矩，有学者提出在桩顶与结构之间采用球形滑动铰链(如图2所示)，但桩基隔震效果不理想，作用于桩身的惯性力仍然较大。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种上部结构与桩基础完全分离的抗震基础，能有效减小地震载荷作用下加速度响应，降低桩基础地震载荷弯矩的新型软土地区复合桩抗震基础及其施工方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种新型软土地区复合桩桥梁抗震基础，它包括基础支撑桩，所述基础支撑桩具有多根打入桩并，其钻入软土地区内对软土地区进行加固，并与该既有软土共同形成刚性桩复合地基；上部结构，所述上部结构用于支撑或者承载桥垮结构；所述基础支撑桩用于支撑上部结构，所述基础支撑桩和上部结构之间通过铺设碎石复合层切断基础支撑桩和上部结构之间的固定连接；所述碎石复合层固定设置在基础支撑桩顶，上方支撑上部结构。
进一步的，所述碎石复合层外侧通过土工布包裹，避免上部结构发生沉降。
本发明还公开一种新型软土地区复合桩抗震基础施工方法，包括以下步骤：
S100，先将基础支撑桩顶底面以上处理范围内的软弱土层挖除，土工布碎石袋垫层底面与桩顶铺设在同一标高；
S200，开展了土工布袋碎石垫层桩基础数值计算，选取周期模型长宽高为81m×13.5m×12m，设计桩径为1m桩长10m，桩间距为3m，土工布袋碎石垫层为9m×4.5m×1.5m；
S300，采用高强经编土工布袋，参考土工布规范GB/T17639-2018，选用18T/m高强经编土工布，土工布袋长宽为1000mm×500mm，土工布袋充填厚度为300mm；
S400，分层铺设，错缝搭接，搭接长度不得小于土工布袋长度的1/3，土工布袋充填砂石材料选用碎石、卵石、基础砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑(粒径小于2mm的部分不应超过总重的45％)，且应级配良好，土工布袋充填砂石材料密实度不低于95％，以确保其具有良好的振实加密性能；
S500，顶层土工布碎石袋铺设完毕后找平，继续下一步工序。
综上所述本发明具有以下有益效果：本发明的复合桩抗震基础切断桩基础与上部结构之间固定连接，从而在地震载荷作用下减小桩身弯矩，降低上部结构响应加速度，增大复合基础自振周期，特别是由于土工布碎石袋垫层影响，复合地基中桩顶处的弯矩大幅降低，抑制了上部结构加速度响应，从而减小上部结构截面面积或钢筋配筋率；同时由于土工布碎石袋垫层刚度相对较低，在地震水平载荷作用下降低了整个结构的转动刚度，又由于土工布碎石袋垫层阻尼作用，降低建筑结构的响应加速度，从而大幅降低桩身弯矩，特别是桩头部位弯矩。
附图说明
图1为刚性桩连接结构示意图；
图2为球形滑动铰链式本桩连接结构示意图；
图3为本发明复合桩(铺设碎石复合层)的结构示意图；
图4为本发明复合桩(铺设土工布碎石袋垫层)的结构示意图；
图5为本发明土工布袋碎石垫层复合桩基础施工工艺流程图；
图6为地震前后土工布袋碎石垫层复合桩基础竖向变形示意图；
图7为本发明土工布袋碎石垫层复合桩基础模型示意图；
图8为地震后土工布袋碎石垫层桩基础桩顶弯矩和刚性桩基础弯矩对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
本发明旨在降低桩基础地震载荷弯矩，现有桩基础包括刚性桩基础和球形滑动铰链桩基础(如图1、2所示)，在水平力作用下(地震载荷作用)桩顶抗弯强度较高，进而通过分离桩基础进而减小地震载荷作用下加速度响应，降低桩基础地震载荷弯矩，设计一种新型软土地区复合桩抗震基础：如图4所示：
一种新型软土地区复合桩抗震基础，它包括基础支撑桩100，基础支撑桩100具有多根打入桩并，其钻入软土地区内对软土地区进行加固，并与该既有软土共同形成刚性桩复合地基；上部结构200，上部结构200用于支撑或者承载桥垮结构；基础支撑桩100用于支撑上部结构200，基础支撑桩100和上部结构200之间通过铺设碎石复合层300切断基础支撑桩100和上部结构200之间的固定连接；碎石复合层300固定设置在基础支撑桩100顶，上方支撑上部结构200；
由于单纯应用砂石或碎石层层将上部结构与桩基础隔开，碎石层为柔性基础，可能导致垫层基础应力集中。此外，由于地震作用，垫层中部分碎石(砂石)可能会挤入桩间土体中产生附加沉降，导致上部结构严重变形。特别是当桩间距较大时，变形更为严重。
进而将碎石复合层300外侧通过土工布包裹形成土工布袋碎石垫层400，避免上部结构发生沉降，在桩头和结构之间铺设土工布碎石袋垫层，碎石垫层受到土工布约束，在外载荷作用下不易变形。土工布碎石袋垫层不会发生严重的变形和严重的破坏，从而避免基础附加沉降和基础应力集中效应，同时桩头与结构分离，有效拟制桩身弯矩产生，因而同时具有扩展基础和桩基础优点的基础类型。
据桩基设计规范，上部结构载荷效应基本组合作用于柱底的载荷设计值为F、M、H，柱截面长为hc，宽为bc，扣除承台以及其上土体自重桩顶竖向力设置值为：
式中，n为土工布碎石袋垫层下桩数，xi为垂直与Y轴方向自桩轴线到计算截面的距离，xmax为xi最大值。
上部结构柱对土工布碎石袋垫层冲切验算
F＝2[β0x(bc+a0y)+β0y(bc+a0x)]βhpf1h
式中，βhp为受冲切承载力截面高度影响系数，当土工布碎石袋垫层厚度h不大于0.8m时，βhp取1.0，j大于2.0m时，βhp取0.9，其间按线性内插法取值。f1为土工布碎石袋垫层抗拉强度设计值，β0x、β0y冲切系数，λ0x、λ0y为冲跨比，λ0x＝a0x/h、λ0y＝a0y/h，其中a0x、a0y为柱边到桩边的水平及竖向距离，当a0x(a0y)≤0.2h时，a0x(a0y)＝0.2h，当a0x(a0y)≥h时，a0x(a0y)＝h
基础桩对土工布碎石袋垫层冲切验算
Nl＝[β1x(c1+a1y/2)+β1y(c2+a1x/2)]βhpf1h
式中β1x、β1y为基础桩冲切系数、λ1x、λ1y为基础桩冲跨比，c1、c2为基础桩内边缘到垫层外边缘的距离，a1x、a1y为基础桩内边缘引45°冲切线与垫层顶面相交点至基础桩内边缘的水平距离；
如图8为地震后土工布袋碎石垫层桩基础桩顶弯矩和刚性桩基础弯矩对比示意图，可以看出针对取周期长度的复合桩，本发明大幅降低桩头位置弯矩幅值，图6为地震前后土工布袋碎石垫层复合桩基础竖向变形示意图，可以看出本发明土工布袋碎石垫层复合桩避免基础附加沉降和基础应力集中效应，同时桩头与结构分离，有效拟制桩身弯矩产生，同时具有扩展基础和桩基础优点的基础类型。
本发明的施工方法如图5所示流程，具体实施方法如下，一种新型软土地区复合桩抗震基础施工方法，包括以下步骤：
S100，先将基础支撑桩顶底面以上处理范围内的软弱土层挖除，土工布碎石袋垫层底面与桩顶铺设在同一标高；
S200，开展了土工布袋碎石垫层桩基础数值计算，选取周期模型长宽高为81m×13.5m×12m，设计桩径为1m桩长10m，桩间距为3m，土工布袋碎石垫层为9m×4.5m×1.5m；
S300，采用高强经编土工布袋，参考土工布规范GB/T17639-2018，选用18T/m高强经编土工布，土工布袋长宽为1000mm×500mm，土工布袋充填厚度为300mm；
S400，分层铺设，错缝搭接，搭接长度不得小于土工布袋长度的1/3，土工布袋充填砂石材料选用碎石、卵石、基础砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑(粒径小于2mm的部分不应超过总重的45％)，且应级配良好，土工布袋充填砂石材料密实度不低于95％，以确保其具有良好的振实加密性能；
S500，顶层土工布碎石袋铺设完毕后找平，继续下一步工序。以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (3)
1.一种新型软土地区复合桩抗震桥梁基础，它包括基础支撑桩，所述基础支撑桩具有多根打入桩并，其钻入软土地区内对软土地区进行加固，并与该既有软土共同形成刚性桩复合地基；上部结构，所述上部结构用于支撑或者承载桥垮结构；所述基础支撑桩用于支撑上部结构，其特征在于：所述基础支撑桩和上部结构之间通过铺设碎石复合层切断基础支撑桩和上部结构之间的固定连接；所述碎石复合层固定设置在基础支撑桩顶，上方支撑上部结构。
2.根据权利要求1所述的一种新型软土地区复合桩抗震桥梁基础，其特征在于：所述碎石复合层外侧通过土工布包裹，避免上部结构发生沉降。
3.一种根据权利要求1或2所述的一种新型软土地区复合桩抗震桥梁基础施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，先将基础支撑桩顶底面以上处理范围内的软弱土层挖除，土工布碎石袋垫层底面与桩顶铺设在同一标高；
S200，开展了土工布袋碎石垫层桩基础数值计算，选取周期模型长宽高为81m×13.5m×12m，设计桩径为1m桩长10m，桩间距为3m，土工布袋碎石垫层为9m×4.5m×1.5m；
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