李 鋒 李 婷 隱德輝 孫佳秋 劉偉生

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

論一種雙向壓旋抗拔樁的設(shè)計新方法

李 鋒 李 婷 隱德輝 孫佳秋 劉偉生

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

以提高樁的抗拔能力為前提，設(shè)計了一種新型的鋼筋混凝土雙向壓旋抗拔預(yù)制樁，闡述了該樁的設(shè)計要點(diǎn)和運(yùn)行流程，指出該樁構(gòu)造具有壓入旋進(jìn)、抗拔的功能，適用于獨(dú)立結(jié)構(gòu)物的抗拔樁基礎(chǔ)。

雙向抗拔樁，地基，混凝土，承載力

普通鋼筋混凝土預(yù)制樁一般為方形，可設(shè)計成端承樁和摩擦樁，以承擔(dān)結(jié)構(gòu)上部的荷載作用；打拔管樁與預(yù)制樁的施工方法相同，打樁需要用到大型打樁機(jī)械，噪聲大，機(jī)械工耗費(fèi)較高，樁入土困難，對土體的擠密作用較大，地基應(yīng)力分布不均勻。人工挖孔樁工作量大，且與土體的摩擦作用小。螺絲樁抗拔承載力較高，但施工十分復(fù)雜，需要成孔和擰入等大型特殊設(shè)備?？拱螛对絹碓蕉嗟谋贿x為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備基礎(chǔ)等。螺絲樁具有比較好的抗拔性能，但由于螺絲構(gòu)造上的缺陷，絲與桿之間剛度變化較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致破壞，其他樁的抗拔能力均不理想。

1 相關(guān)技術(shù)簡介

總結(jié)各種樁基的工程實(shí)用情況，在應(yīng)用高強(qiáng)混凝土材料的基礎(chǔ)上提出了一種采用壓裝設(shè)備，相對降低設(shè)備能力要求，抗拔能力較高，施工方便，功能優(yōu)異的雙向壓旋抗拔樁設(shè)計方法。用高強(qiáng)混凝土制作，由四個空間旋轉(zhuǎn)曲面圍成，四條空間旋轉(zhuǎn)曲線韌角具有60°切土角度，在靜壓力作用下，旋轉(zhuǎn)鉆入地基土體。按照目前的模板技術(shù)和混凝土技術(shù)，在工廠內(nèi)通過曲線模板制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時結(jié)合高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的應(yīng)用是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計目的

該設(shè)計新方法是設(shè)計一種雙向壓旋抗拔樁，首先以提高樁的抗拔能力為前提，設(shè)計一種新型的鋼筋混凝土預(yù)制樁，具有新的功能和作用。使用靜力壓樁設(shè)備，最大限度的降低機(jī)械能的消耗，避免施工機(jī)械噪聲。在壓樁入土的過程中，樁體按照設(shè)計的旋轉(zhuǎn)方向，通過螺旋曲線邊韌角的作用，切削土壁的同時旋轉(zhuǎn)進(jìn)入土體，通過樁承臺固定。該樁在一定程度上具備了螺絲樁抗拔能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時又減少了大型機(jī)械能耗，可適當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)土體的擠密效應(yīng)。不僅可以用于端承樁、也可以用于摩擦樁的設(shè)計與工程施工。

2.2 設(shè)計要點(diǎn)

1)一種新型鋼筋混凝土樁，設(shè)原方樁的邊長為b，在離開角部0.08b的位置，截面中部凹進(jìn)去0.1b，按照圓弧曲線連接這三個點(diǎn)，形成實(shí)線表示的斷面。把上截面沿縱軸旋轉(zhuǎn)，一個角點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90°時的新位置為相鄰下一個交點(diǎn)原位置?？刂粕舷孪噜徑孛娴母叨葹?.732b，也就是韌角曲線切線的角度為60°，這個角度對切削土體作用效果較好。由于高強(qiáng)度混凝土的強(qiáng)度比較高，對于軟弱地基土來說，旋進(jìn)效果比較強(qiáng)。

2)制作靜力壓旋的鋼筋混凝土樁，且切土角度設(shè)定為60°左右，采用靜力壓樁的施工工藝，與邊長為b的方樁相比，當(dāng)樁的實(shí)體長度為L時，增加的端承面積為0.333bL，同時減少混凝土體積為0.284 8b2L，減少1/4左右。

3)將方形截面改成扭曲截面樁，并根據(jù)土力學(xué)原理，形成60°切土韌角；利用邊部韌角切土作用，通過強(qiáng)力壓樁，將樁壓入軟土地基中；承載過程中的內(nèi)扭矩，通過樁的對稱布置，在樁承臺內(nèi)取得自平衡；當(dāng)土體較硬時，可鉆略小于樁外徑的孔，然后再行壓入，以均勻分布土體的擠密作用；其樁有效截面面積可以按照內(nèi)接圓的面積計算；壓樁時采用帶有平面鉸的壓樁加載頭，在旋壓過程中由土體的抵抗力推動樁旋轉(zhuǎn)入土；此雙向壓旋抗拔樁可作為端承樁設(shè)計，也可作為摩擦樁設(shè)計，其樁頭、樁尖、樁身的配筋，根據(jù)內(nèi)接圓的截面核算，并按照現(xiàn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。

2.3 設(shè)計優(yōu)點(diǎn)

該雙向壓旋抗拔樁，與傳統(tǒng)的預(yù)制鋼筋混凝土樁不同，該樁呈螺旋曲面外形，有四條螺旋曲面韌角，同時具有端承樁和摩擦樁的功能，也具有螺絲樁的抗拔能力，雙向?qū)ΨQ的群樁布置，加載時地基土反力形成的旋轉(zhuǎn)扭矩，可以通過承臺上的約束實(shí)現(xiàn)自平衡。在比較小的靜壓力作用下，加載頭裝置平面鉸，可以使樁體旋轉(zhuǎn)下切，達(dá)到指定的標(biāo)高位置，相對減少了機(jī)械功率消耗。由于旋轉(zhuǎn)曲面的承壓作用相同，因此具有一定的抗拔能力。

該鋼筋混凝土樁，施工時采用靜力壓樁旋轉(zhuǎn)鉆入地基土、具有較完善的承載功能和較低的機(jī)械消耗、端承面積大的特點(diǎn)，利于綜合承載能力的發(fā)揮，樁承臺將樁牢牢的固定在地基土中，由于承臺的約束作用，承載時樁體不能旋轉(zhuǎn)，因此保證了樁的抗拔能力，增大了樁的摩擦承載力和端面承載力，簡化了施工方法、降低了靜力壓樁機(jī)械的能量能耗、避免了一般預(yù)制樁打樁機(jī)械的噪聲、相對減少了混凝土的用量。

3 設(shè)計實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行

如圖1所示為雙向壓旋抗拔樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖，在承臺上對稱布置，加載時由于地基土的反力作用，樁體產(chǎn)生的力矩在承臺的約束下取得自平衡。順時針旋轉(zhuǎn)樁和逆時針旋轉(zhuǎn)樁對稱布置，其上端與樁承臺固定連接，樁尖與樁體在樁的下端連接。如圖2所示為在樁的水平剖面圖中，根據(jù)樁的實(shí)際長度L，外接圓在一個單元長度內(nèi)，形成空間斜曲面，一個單元高度水平投影的外接圓的面積減去正方形的面積為0.333bL。圖3為順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)的樁單元體和單元體的控制高度為1.732b，b表示方樁的邊長。圖4為樁尖的透視圖，樁尖的高度取1.3b～1.5b，由于樁頭較短不再設(shè)計成扭轉(zhuǎn)面。

4 結(jié)語

這種雙向壓旋抗拔樁的新方法是當(dāng)今社會一種比較新型的抗拔樁設(shè)計方法，用高強(qiáng)混凝土制作，采用雙數(shù)布置，在抗拔能力

方面具有優(yōu)越性。其內(nèi)接圓作為配筋截面有效設(shè)計截面。由于最有效的切土角度，使得靜力壓樁設(shè)備的機(jī)械功率消耗最低，是一種適用于工廠化生產(chǎn)的預(yù)制鋼筋混凝土功能性樁。樁體的制作采用高強(qiáng)自密實(shí)混凝土，同時需要制作復(fù)雜的模具，根據(jù)目前的技術(shù)能力，工廠化生產(chǎn)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。這種雙向壓旋抗拔樁經(jīng)濟(jì)效益和社會效益比較顯著，我們認(rèn)為雙向抗拔樁的設(shè)計是抗拔樁的發(fā)展方向，我們期待大家對這種雙向壓旋抗拔樁的關(guān)注。

[1] 武敏剛，戴永興，戴國亮，等.嵌巖擴(kuò)底抗拔樁承載特性研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(5)：95-96．

[2] 孫洋波，朱光裕，袁聚云.擴(kuò)底抗拔樁承載力試驗(yàn)與研究[J].巖土工程學(xué)報，2011(33)：430-431.

[3] 吳江斌，王衛(wèi)東，黃紹銘．?dāng)U底抗拔樁擴(kuò)大頭作用機(jī)制的數(shù)值模擬研究[J]．巖土力學(xué)，2008，29(8)：2117-2120．

[4] 孫曉立，楊 敏，莫海鴻．利用荷載傳遞法計算擴(kuò)底抗拔樁的位移[J]．巖土工程學(xué)報，2008，30(12)：1816-1817.

Abstract: With the premise of improving the anti-floating capacity of the piles, the paper designs a new reinforced concrete two-direction spinning anti-floating precast pile, illustrates its design points and operation procedure, and indicates its functions of spinning and anti-floating, so it can be adopted in the anti-floating pile foundation of the individual structural buildings.

Key words: two-direction spinning anti-floating pile, foundation, concrete, loading capacity

On new design methods for two-direction spinning anti-floating pile

Li Feng Li Ting Yin Dehui Sun Jiaqiu Liu Weisheng

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

2016-03-12

李 鋒(1989- )，女，在讀碩士； 李 婷(1992- )，女，在讀碩士

1009-6825(2016)15-0061-02

TU473.1

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