一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造的制作方法

1.本发明涉及建设工程桩基础技术领域，尤其涉及一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造。


背景技术：

2.随着国家基础设施建设需求量的相继投入，交通、建筑、水工等工程领域用桩量在持续增加。桩基的承载力是由桩和桩周土体相互作用、互相协调来提供的，合理的桩与桩周土体的相互作用模式及相互协调的能力是提高桩基承载力的根本途径。
3.由于桩基在工程领域应用广泛，所以桩基面对未知的复杂的工程地质情况；例如对于液化土层内及软硬层交界面处，桩身需要同时能承受较大剪切应力及复杂变形，此情形下极易使桩身破坏。因此，如何使应用状态下的桩基更加稳固、安全、具有更高承载力已成为工程技术人员亟需解决的问题。基于此，我们提出了一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造，包括多节楔形桩、设置于多节楔形桩圆周外围的桩周增强土体和设置于桩周增强土体外围的天然场地土体，所述多节楔形桩桩端设置有桩端软垫层；所述多节楔形桩的楔形斜面对桩周增强土体产生高水平被动土压力；所述桩周增强土体放大、引出、传递土压力至天然场地土体；
7.所述天然场地土体承接桩周增强土体传递的土压力σ
p
，同时为桩周增强土体提供水平侧压力σ0，σ0为σ
p
的反力，随着σ
p
的迅速提高，σ0也随之迅速提高，从而提高了桩周增强土体与天然场地土体交界面的摩阻力fs；所述桩端软垫层利于多节楔型桩与桩周增强土体之间产生相对位移,增强侧压效果，保证被动土压力的发挥。
8.优选地：所述桩周增强土体b的被动土压力σ
p
为：
[0009][0010]
c、θ、θ'分别为桩周增强土体的内聚力、内摩擦角和等效内摩擦角，σ
p
为桩周增强土体的被动土压力，σ0为天然场地土体的静止土压力。
[0011]
优选地：所述桩周增强土体b的被动土压力σ
p
因内摩擦角θ及内聚力c的增大而迅速增大。
[0012]
优选地：所述桩端软垫层的材料为高压缩性材料。
[0013]
优选地：所述桩端软垫层的材料采用低掺量水泥土体、泡沫板、纸板中的任意一种或多种，且桩端软垫层d的厚度为10～30mm。
[0014]
优选地：所述桩周增强土体为天然场地土体与多节楔形桩的中间过渡体传递被动土压力，中间过渡体减少了弹性模量e的级差及梯度差。
[0015]
优选地：所述多节楔形桩为刚性桩，多节楔形桩包括钢筋混凝土、木材、钢材中的一种；且多节楔形桩的圆周外壁呈锯齿状。
[0016]
优选地：所述桩周增强土体由土体增强材料与天然场地土体混合而成，土体增强材料包括水泥、水玻璃、生石灰、粉煤灰中的一种或两种混合。
[0017]
优选地：所述土体增强材料与天然场地土体的混合方式为搅拌或旋喷。
[0018]
优选地：所述土体增强材料的掺量为天然场地土体的7％～35％。
[0019]
优选地：所述发明使用成熟的施工工艺、施工设备、操作简单便于施工，工程检测技术、方法及要求与其他桩型相同，便于本发明的推广应用。
[0020]
本发明的有益效果为：
[0021]
1.本发明多节楔形桩的倾斜面与桩周增强土体及天然场地土体互为支撑，共同组成多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造，利用多节楔形桩的桩身楔形构造结合桩周增强土体，提高桩周增强土体被动土压力水平，进而也辅助提高桩周增强土体外围的天然场地土体的被动土压力水平，同时使得多节楔形桩的承载力大幅提高。
[0022]
2.本发明桩端软垫层利于多节楔型桩与桩周增强土体之间产生相对位移,增强侧压效果，保证被动土压力的发挥。
[0023]
3.本发明桩周增强土体是承受多节楔形桩产生的被动土压力的一级载体，同时将多节楔形桩桩身赋予的被动土压力经引出放大后传递给二级载体即外侧的天然场地土体，提高了多节楔形桩的使用稳固性，节省工程建设成本，实现经济及社会的双重效益。
[0024]
4.本发明桩周增强土体具有较高的物理力学指标，降低多节楔形桩与天然场地土体弹性模量等指标的级差，更利于被动土压力的引出及传递，使得多节楔形桩、桩周增强土体、天然场地土体、桩端软垫层d四者互相作用、挤压、协调，从而形成相互支撑的依靠关系，共同提高了多节楔形桩的承载力。
[0025]
5.本发明桩周增强土体作为承上启下的中间过渡土体，在承接多节楔形桩桩身楔形面与桩周增强土体接触面的被动土压力的同时，也会将被动土压力经引出后传递给外侧的天然场地土体，因此桩周增强土体、天然场地土体和多节楔形桩、桩端软垫层d四者之间互相作用、相互协调，四者综合效应共同大幅度提高了多节楔形桩的承载力。
[0026]
6.因增强土体的土压力得到迅速提升，在交界面上天然场地土体给增强土体提供的侧向土压力也同时迅速提高，侧向压力的迅速提高，天然场地土体与增强土体交界面在交界面摩擦阻力fs也得到迅速提高，综合效应为使得多节楔形桩体的承载力大幅提高。
[0027]
7.本发明多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造作为解决方案可以大幅提高多节楔形桩的承载力，节省工程建设成本，实现经济及社会的双重效益，具有良好的经济性及应用前景。
附图说明
[0028]
图1为本发明提出的一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造的应用状态结构示意图；
[0029]
图2为本发明提出的一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造的俯视结
构示意图；
[0030]
图3为本发明提出的一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造的桩周增强土体受力模式示意图；
[0031]
图4为本发明提出的一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造的等效内摩擦角和被动土压力关系曲线示意图；
[0032]
图5为本发明提出的一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造的桩周增强土体被动土压力扩散传递示意图；
[0033]
图示：a-多节楔形桩；b-桩周增强土体；c-天然场地土体；d-桩端软垫层。
具体实施方式
[0034]
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
[0035]
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例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例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
[0036]
实施例1：
[0037]
一种多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造，如图1-2所示，包括多节楔形桩a和分布于多节楔形桩a圆周外围的桩周增强土体b；所述桩周增强土体b的外围广泛分布有天然场地土体c；设置于多节楔形桩a桩端的桩端软垫层d；多节楔形桩a楔形构造产生被动土压力；桩周增强土体b具有较高的物理力学指标所以是引出、放大、传递土压力的有效载体，所以桩周增强土体b是被动土压力充分发挥的重要保证；天然场地土体c为桩周增强土体b提供侧压力，提高桩周增强土体b与天然场地土体c分界面的摩阻力fs水平。桩端软垫层利于多节楔型桩与桩周增强土体之间产生相对位移,增强侧压效果，保证被动土压力的发挥。
[0038]
如图1-3所示，所述多节楔形桩a包括钢筋混凝土、木材、钢材等，多节楔形桩a的圆周外壁呈锯齿状，多节楔形桩a的外表面为楔形构造，优选的，多节楔形桩a的锯齿状外壁可对桩周增强土体产生侧压效应。
[0039]
优选的，所述多节楔形桩a的楔形桩身构造对桩周增强土体b产生侧压效应，在侧压效应下桩周增强土体b处于被动土压力状态；
[0040]
具体的，根据土力学原理桩周增强土体b的被动土压力σ
p
为：
[0041][0042]
式中，c、θ、θ'分别为桩周增强土体b的内聚力、内摩擦角和等效内摩擦角，σ
p
为桩周增强土体b的被动土压力，σ0为天然场地土体c的静止土压力；
[0043]
所述桩周增强土体b的被动土压力σ
p
因内摩擦角θ及内聚力c的增大而迅速增大。
[0044]
由表1及图4可以看出，提高等效内摩擦角θ'可以迅速提高多节楔形桩a的桩身斜面与桩周增强土体b接触面的被动土压力σ
p
的压力水平。
[0045]
表1：
[0046][0047]
表1为等效内摩擦角和被动土压力关系对照表。
[0048]
一般天然场地土体c内摩擦角为5
°
到10
°
，而增强土体的内摩擦角25
°
到40
°
，由表1可知，在采用多节楔形桩a复合增强土体及天然场地土体c构造后，被动土压力σ
p
的水平将会有数倍的提高，桩周增强土体b的被动土压力σ
p
经引出后传递给外侧的天然场地土体c，根据力学平衡原理及土力学原理，天然场地土体c给桩周增强土体b提供反力σ0，且在天然场地土体c与桩周增强土体b的交界面产生的fs因σ
p
及σ0的提高而得到提高；最后综合效应就体现为大幅度提高多节楔形桩a的承载力。
[0049]
所述多节楔形桩a为刚性桩，多节楔形桩a的弹性模量e1＝2000～20000mpa，桩周增强土体b的弹性模量e2＝30～600mpa，天然场地土体c的弹性模量e3＝5～30mpa；
[0050]
如图3-5所示，所述桩周增强土体b为天然场地土体c与多节楔形桩a的中间过渡体，中间过渡体减少了弹性模量e的级差及梯度差；有利于被动土压力由内向外的传递；由于天然场地土体c与多节楔形桩a的弹性模量相差悬殊，而桩周增强土体b因其具有更高的弹性模量，所以在承受被动土压力的同时作为中间过渡体减少了弹性模量e的级差及梯度差，有利于被动土压力由内向外的传递，更利于被动土压力的引出、放大与传递。即桩周增强土体b作为承上启下的中间过渡土体，在承接多节楔形桩a桩身楔形面与桩周增强土体b接触面的被动土压力的同时，也会将被动土压力引出后传递给外侧的天然场地土体c，因此桩周增强土体b、天然场地土体c和多节楔形桩a三者之间互相作用、相互协调，三者综合效应共同大幅度提高了多节楔形桩a的承载力，故而，桩周增强土体b是大幅度提高多节楔形桩a承载力的重要保证及有效载体。
[0051]
表2：
[0052]
[0053][0054]
表2为不同桩型承载力现场实验结果比较对照表。
[0055]
由表2可知多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造与多节楔形桩普通构造相比，桩基效率提高两倍以上；多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造与普通等直径桩复合增强土体相比，桩基效率则提高了1.5倍。综上所述，多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造作为解决方案可以大幅提高多节楔形桩a的承载力，节省工程建设成本降低碳排放，实现经济及社会的双重效益，具有良好的经济性及应用前景。
[0056]
本实施例在使用时，桩周增强土体b是承受多节楔形桩a产生的被动土压力的一级载体，同时将多节楔形桩a桩身赋予的被动土压力引出后传递给二级载体即外侧的天然场地土体c；利用多节楔形桩a的桩身楔形构造结合桩周增强土体b，达到提高桩周增强土体b被动土压力水平，进而也达到辅助提高桩周增强土体b外围的天然场地土体c的被动土压力水平，进而提高了多节楔形桩a的承载力。
[0057]
桩周增强土体b具有较高的物理力学指标，降低多节楔形桩a与天然场地土体c弹性模量等指标的级差，更利于被动土压力的引出及传递，桩端软垫层d利于多节楔型桩与桩周增强土体之间产生相对位移,增强侧压效果，保证被动土压力的发挥。使得多节楔形桩a、桩周增强土体b、天然场地土体c、桩端软垫层d四者互相作用、挤压、协调，从而形成相互支撑的依靠关系，共同提高了多节楔形桩a的承载力。
[0058]
本发明的理论分析及现场试验结果[表2]均表明采用多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造的桩基效率得到极大的提高，多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造具有着极强的实用性、经济性。
[0059]
实施例2：
[0060]
一种实施例1所述多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造，还包括施工工艺，施工采用成熟的施工工艺及施工设备，操作简单便于施工；具体为以下步骤：
[0061]
s1：在天然场地土体c表面标记，并按
‘
十字线’四点定位法对多节楔形桩复合增强土体及天然场地土体构造的预设范围进行定位；
[0062]
s2：计算桩周增强土体b的直径和高度，用施工设备将天然场地土与土体增强材料
进行混合施工。
[0063]
s3：施工形成桩周增强土体b后，进行检查确保增强土体性能指标满足要求；
[0064]
s4：将多节楔形桩a起吊定位于预埋孔的中心位置点并垂直插入桩周增强土体b中；
[0065]
s5：进行初检，保证施工质量；
[0066]
s6：检查验收。
[0067]
所述桩周增强土体b由天然场地土体固化、增强材料与天然场地土混合组成，其中，增强材料包括但不限于水泥、水玻璃、生石灰、粉煤灰等具有固化增强效果的材料。
[0068]
所述工艺的垂直度偏差≤1％，多节楔形桩a的直径偏差
±
2cm，多节楔形桩a的高度偏差10cm。
[0069]
本实施例在使用时，操作简单，提高了桩周增强土体b与多节楔形桩a、天然场地土体c的接触密实性，进而提高了多节楔形桩a的使用稳固性。
[0070]
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。