一种用于特殊土地基的预制桩组合桩结构、设计方法及其施工方法与流程

1.发明涉及到建筑基础技术领域，尤其涉及一种用于特殊土地基的预制桩组合桩基础结构、设计方法及其施工方法。


背景技术：

2.在液化土、冻胀土和湿陷性黄土地区及用于地下基础抗浮的建筑物桩基础一直影响建筑物的安全和使用。我国的湿陷性黄土分布较为广泛，湿陷性黄土占到了全国黄土总面积70％以上，而要在湿陷性黄土区域进行工程建设前必须对地基的湿陷性进行处理，否则地基受到地下水浸蚀后，极易引发液化，震陷等一系列灾害，严重危害了位于湿陷性黄土之上的建筑物的安全性。
3.目前对于湿陷性黄土、液化土地区的地基处理主要的方法有强夯、挤密桩、预浸水、桩基础等，强夯、挤密桩、预浸水等地基处理方法不仅施工要求较高且工艺复杂，造成地基的安全可靠性无法得到保证，且处理的深度有限同时地基处理费用也较高；当采用预制桩或灌注桩作为桩基础时，对于土层厚度大的湿陷性黄土、液化土造成基础设计和施工难度增加，同时造价也会大幅度提升且现有的设计方法存在安全系数不够高问题。而对于地下基础抗浮和位于冻胀土区域的建筑物基础，采用预制桩时，往往采用等边长或等径的预制桩或采用各种异型截面的预制桩，如桩身外侧带肋的预制桩等增加其外表与土体的摩擦力，从而提升桩基础因地下水位上升和土体冻胀导致桩基础上浮的能力，但这种单一的桩结构需对现有模具改造，额外增加改造费用且因桩身结构复杂，存在制造效率低、堆放和运输不方便的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于特殊土地基的预制桩组合桩基础结构、施工方法及其设计方法，可有效提高在液化土、冻胀土和湿陷性黄土地区及用于地下基础抗浮的建筑物桩基础的承载力。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种用于特殊土地基的预制桩组合桩的设计方法，
7.步骤一，根据不同的土地基条件，选择不同的大桩和小桩的组合方式，以及大桩和小桩的长；
8.步骤二，根据步骤一选定的组合方式预设小桩桩身直径或者大桩桩身的直径和小桩桩身的直径；
9.步骤三，根据承载力要求分别计算预制组合桩的单桩竖向极限承载力；
10.步骤四，将步骤三中的计算的单桩竖向极限承载力数据与原始设计数据进行比较得到是否符合承载要求；
11.步骤五：若符合承载要求，则确定步骤一和步骤二得到的参数数据；若不符合承载
要求，修改步骤一和步骤二中参数数据，并重复步骤三和步骤四。
12.进一步的，所述步骤一中，现场土基为液化土地基时，选择上大下小的组合方式；
13.所述步骤二包括如下步骤：根据场地的土层地质条件，确定液化判别标准贯入锤击数临界值n
cr
，结合打入组合桩之前的标准贯入锤击数n
p
，确定不考虑单桩承载力折减系数的打入式预制桩的最小面积置换率
14.预设小直径段直径为d，桩间距为一般桩间距l＝n
·
d，其中，n的取值范围为2.5d～4d，并根据前述步骤所得到的最小面积置换率m
cr
，确定预制桩上部大桩的直径
15.步骤三中，结合小直径段深度范围内液化土层的标贯击数实测值n和液化判别标贯击数临界值n
cr
的数值之比并结合桩基规范查表确定相应的土层液化折减系数ψ
l
；此时预制组合桩的单桩竖向极限承载力q
uk
如下表示：
16.q
uk
＝q
pkap
q
s1k
l1 q
s2k
l
21
ψ
lqs2k
l
22
q
s3k
l317.其中，q
pk
——预制桩端阻力；
18.q
sik
——各土层的预制桩侧阻力(i＝1，2...)；
19.li——各土层的厚度；
20.a
p
——组合预制桩小直径段截面积。
21.进一步的，所述步骤二中，此时在大桩深度范围内的土层可不考虑土层液化对单桩承载力的折减；如若大桩桩长不能完全覆盖液化土层深度，则对小桩的液化土层深度按一般打入桩考虑液化效应的单桩消除承载力折减。
22.进一步的，所述大桩桩长至少覆盖液化土层的2/3的深度。
23.进一步的，当考虑土层地基中负摩擦力对桩的影响时，所述步骤一中，选择上小下大的组合桩；所述步骤二包括如下步骤：根据实际工程土层条件确定特殊土层的负摩阻力中性点深度ln，从而确定上部小桩的桩长，使小桩桩长覆盖负摩阻力中性点深度ln；
24.预设预制组合桩的上下段截面的直径大小；需考虑上部小直径段深度范围内的负摩阻力的折减，在小直径段深度范围内，侧阻力应乘以尺寸效应系数：
[0025][0026]
式中，d-小桩桩身直径；
[0027]
d-大桩桩身直径；
[0028]
m-经验指数，黏性土、粉土m＝1/5；砂土、碎石m＝1/3；
[0029]
此时，预制组合桩的单桩竖向极限承载力q
uk
如下表示：
[0030][0031]
其中，q
pk
——预制桩端阻力；
[0032]qsik
——各土层的预制桩侧阻力(i＝1，2...)；
[0033]
li——各土层的厚度；
[0034]
ψs——尺寸效应系数。
[0035]
用于特殊土地基的预制桩组合桩的设计方法的组合桩，包括至少两节预制桩且其中至少一节的预制桩的截面小于其他预制桩的截面，所述预制桩内部设置有预应力钢筋和螺旋箍筋，所述预应力钢筋主体至少一端设有镦帽，且所述镦帽项部设有凸台。
[0036]
进一步的，所述预应力钢筋的墩帽卡在端板或者锚固套筒中。
[0037]
一种用于特殊土地基的预制桩组合桩的设计方法得到的组合桩的施工方法，包括如下步骤：
[0038]
(1)对场地进行整平；
[0039]
(2)按设计要求采用全站仪确定进行桩基施工的位置，并确定施工顺序；
[0040]
(3)将施工设备放置在进行桩基施工位置旁；
[0041]
(4)将按设计要求、不同边长或者外径的预制桩分别堆放在施工设备的旁边；
[0042]
(5)起吊边长或者外径较小的预制桩并进行施工，使预制桩桩头距离地面0.5～1.5米处，并对预制桩桩头的表面进行清理；
[0043]
(6)若单个组合桩位所用的预制桩数量仅为两节时，在第一节桩施工完毕后，起吊第二节预制桩并进行施工，第二节预制桩的边长或外径大于第一节预制桩，将第二节预制桩吊至离第一节桩桩头上方0.2～0.5m处，并对桩头的表面进行清理；在第一节桩施工完毕后，若采用的施工方法为静压，则静压施工设备需更换夹具，该夹具与第二节预制桩的边长或外径匹配，若采用的施工方法为锤击，则锤击施工设备需更换桩帽，该桩帽与第二节预制桩的边长或外径匹配；
[0044]
(7)对上下节预制桩进行焊接或者机械连接或焊接后再进行机械连接；
[0045]
(8)将接好的上、下节预制桩施工至设计要求的标高，完成该桩位的预制桩施工；
[0046]
(9)继续按步骤(6)至步骤(8)完成其余桩位的施工。
[0047]
进一步的，若单个桩位所用的桩数量为三节时，根据土层情况，第二节的边长或外径小于/等于第一节预制桩的边长或外径，第三节的边长或外径小于第二节预制桩的边长或外径；在第二节桩施工完毕后，若采用的施工方法为静压，则静压施工设备需更换夹具，该夹具与第三节预制桩的边长或外径匹配，若采用的施工方法为锤击，则锤击施工设备需更换桩帽，该桩帽与第三节预制桩的边长或外径匹配；
[0048]
若单个桩位所用的桩数量为四节时，根据土层情况，第二节的边长或外径小于/等于第一节预制桩的边长或外径，第三节的边长或外径小于/等于第二节预制桩的边长或外径，第四节的边长或外径小于第一节预制桩的边长或外径；施工设备的夹具或桩帽的更换参照步骤(6)。相比现有技术，本发明具有以下优益效果：
[0049]
(1)本发明可有效解决预制桩用于液化土、冻胀土和湿陷性黄土等特殊土地基处理问题，具有竖向承载力高、施工环保便捷、综合经济造价优等特点。
[0050]
(2)本发明可有效节省模具的改造费用，无需额外的设备投入，减少了生产成本，有效提升了生产效率；
[0051]
(3)上大下小预制组合桩，其优势在于当上部荷载较小且液化土层对承载力影响较大时，采用通长的大直径桩处理液化土层，所需的混凝土材料用量较大，而使用上大下小组合桩时，大直径段范围内的面积置换率md可满足液化处理要求，但对于小直径段的桩面积置换率可减少为实现了经济利用混凝土的目的。
[0052]
(4)采用上小下大的组合桩结构，用于抗拔桩工程时，可有效增大桩与土的面积，
从而提升抗拔承载力，在相同桩间距时，小桩设置在上节桩，可节省承台的造价。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例涉及到的上大下小组合桩的结构示意图；
[0054]
图2为本发明实施例涉及到的上小下大组合桩的结构示意图。
具体实施方式
[0055]
下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0056]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0057]
一种用于特殊土地基的预制桩组合桩设计方法，当用于液化土地基处理时，具体包括以下步骤：
[0058]
步骤一，采用上大下小的组合方式，并确定大桩和小桩的长度；
[0059]
步骤二，预设小桩桩身直径d，最中确定大桩桩身直径d；
[0060]
根据场地的土层地质条件，确定液化判别标准贯入锤击数临界值n
cr
，结合打入组合桩之前的标准贯入锤击数n
p
，确定不考虑单桩承载力折减系数的打入式预制桩的最小面积置换率
[0061]
一般桩间距l＝n
·
d(n＝2.5～4)；
[0062]
得到预制桩上部大直径段的直径此时在大直径段深度范围内的土层可不考虑土层液化对单桩承载力的折减；若大直径段桩长不能完全覆盖液化土层深度，则对小直径段的液化土层深度按一般打入桩考虑液化效应的单桩承载力折减；
[0063]
步骤三，根据承载力要求分别计算预制组合桩的单桩竖向极限承载力：
[0064]
根据小直径段深度范围内液化土层的标贯击数实测值和液化判别标贯击数临界值的数值之比结合桩基规范查表确定相应的土层液化折减系数ψ
l
；此时预制组合桩的单桩竖向极限承载力q
uk
可按下式进行估算：
[0065]quk
＝q
pkap
q
s1k
l1 q
s2k
l
21
ψ
lqs2k
l
22
q
s3k
l3[0066]
其中q
pk
——预制桩端阻力；
[0067]qsik
——各土层的预制桩侧阻力(i＝1，2...)；
[0068]
li——各土层的厚度，结合附图1所示；
[0069]ap
——组合预制桩小直径段截面积；
[0070]
步骤四，将步骤三中的计算的单桩竖向极限承载力数据与原始设计数据进行比较得到是否符合承载要求；
[0071]
步骤五：若符合承载要求，则确定步骤一和步骤二得到的参数数据；若不符合承载要求，修改步骤一和步骤二中参数数据，并重复步骤三和步骤四。
[0072]
本实施例中，采用的上大下小的组合方式，具体数据结合表1
[0073]
表1实施例上大下小的组合方式采用的数据
[0074]
用桩桩型等直径桩预制组合桩桩径mm400上段：400下段：300桩长m13上段7，下段8桩间距(6d)，m2.42.4桩身混凝土用量m31.631.44节省混凝土用量/12％
[0075]
通过上大下小预制组合桩，其优势在于：当上部荷载较小且液化土层对承载力影响较大时，采用通长的大直径桩处理液化土层，所需的混凝土材料用量较大，而使用上大下小组合桩时，大直径段范围内的面积置换率md可满足液化处理要求，但对于小直径段的桩面积置换率可减少为实现了经济利用混凝土的目的。
[0076]
一种用于特殊土地基的预制桩组合桩设计方法，当用于处理特殊土层地基中负摩阻力对桩的影响时，如自重湿陷性黄土、欠固结土、冻胀土、膨胀土等，具体包括以下步骤：
[0077]
步骤一，采用上小下大的预制组合桩，根据实际工程土层条件确定特殊土层的负摩阻力中性点深度ln，从而确定上部小直径段的桩长，使小直径段长度覆盖负摩阻力中性点深度ln；
[0078]
步骤二，根据单桩承载力和施工要求，确定预制组合桩的上下段截面的直径大小；
[0079]
步骤三，考虑上部小直径段深度范围内的负摩阻力的折减，在小直径段深度范围内，侧阻力(包括负摩阻力)应乘以尺寸效应系数：
[0080][0081]
式中，d——小直径段桩身直径
[0082]
d——大直径段桩身直径
[0083]
m——经验指数，黏性土、粉土m＝1/5；砂土、碎石m＝1/3；
[0084]
此时，预制组合桩的单桩竖向极限承载力q
uk
如下表示：
[0085][0086]
其中，q
pk
——预制桩端阻力；
[0087]qsik
——各土层的预制桩侧阻力(i＝1，2...)；
[0088]
li——各土层的厚度；
[0089]
ψs——尺寸效应系数；
[0090]
步骤四，将步骤三中的计算的单桩竖向极限承载力数据与原始设计数据进行比较
得到是否符合承载要求；
[0091]
步骤五，若符合承载要求，则确定步骤一和步骤二得到的参数数据；若不符合承载要求，修改步骤一和步骤二中参数数据，并重复步骤三和步骤四。
[0092]
本实施例中，采用的上小下大的组合方式，具体数据结合表1
[0093]
表2实施例上小下大的组合方式采用的数据
[0094][0095][0096]
一种预制桩组合桩结构，包括至少两节预制桩且其中至少一节的预制桩的截面小于其他预制桩的截面，所述的预制桩内部设置有预应力钢筋和螺旋箍筋，所述的预应力钢筋主体至少一端设有镦帽，且所述镦帽顶部设有凸台。
[0097]
其中，所述预应力钢筋的墩帽卡在端板或者锚固套筒中。
[0098]
一种用于特殊土地基的预制桩组合桩施工方法，用于湿陷性黄土、液化土层区域施工时，具体包括以下步骤：
[0099]
(1)对场地进行整平；
[0100]
(2)按设计要求采用全站仪确定进行桩基施工的位置，并确定施工顺序；
[0101]
(3)将施工设备放置在进行桩基施工位置旁；
[0102]
(4)将按设计要求、不同边长或外径的预制桩分别堆放在施工设备的旁边；
[0103]
(5)起吊边长或外径较小的预制桩并进行施工，使桩头距离地面0.5～1.5米处，并对桩头的表面进行清理；
[0104]
(6)若单个桩位所用的桩数量仅为两节时，在第一节桩施工完毕后，起吊第二节预制桩并进行施工，第二节预制桩的边长或外径大于第一节预制桩，将第二节预制桩吊至离下节桩桩头上方0.2～0.5m处，并对桩头的表面进行清理；在第一节桩施工完毕后，若采用的施工方法为静压，则静压施工设备需更换夹具，该夹具与第二节预制桩的边长或外径匹配，若采用的施工方法为锤击，则锤击施工设备需更换桩帽，该桩帽与第二节预制桩的边长或外径匹配；
[0105]
(7)若单个桩位所用的桩数量为三节时，根据土层情况，第二节的边长或外径大于/等于第一节预制桩的边长或外径，第三节的边长或外径大于/等于第二节预制桩的边长或外径；在第二节桩施工完毕后，若采用的施工方法为静压，则静压施工设备需更换夹具，该夹具与第三节预制桩的边长或外径匹配，若采用的施工方法为锤击，则锤击施工设备需更换桩帽，该桩帽与第三节预制桩的边长或外径匹配；
[0106]
(8)若单个桩位所用的桩数量为四节时，根据土层情况，第二节的边长或外径大于/等于第一节预制桩的边长或外径，第三节的边长或外径大于/等于第二节预制桩的边长或外径，第四节的边长或外径大于第一节预制桩的边长或外径；施工设备的夹具或桩帽的更换参照步骤(6)和步骤(7)；
[0107]
(9)对上下节预制桩进行焊接或者机械连接或焊接后再进行机械连接；
[0108]
(10)将接好的上、下节预制桩施工至设计要求的标高，完成该桩位的预制桩施工；
[0109]
(11)继续按步骤(3)至步骤(10)完成其余桩位的施工；
[0110]
一种用于特殊土地基处理的预制桩组合桩施工方法，用于桩基抗拔工程施工时，具体包括以下步骤：
[0111]
(1)对场地进行整平；
[0112]
(2)按设计要求采用全站仪确定进行桩基施工的位置，并确定施工顺序；
[0113]
(3)将施工设备放置在进行桩基施工位置旁；
[0114]
(4)将按设计要求、不同边长或外径的预制桩分别堆放在施工设备的旁边；
[0115]
(5)起吊边长或外径较小的预制桩并进行施工，使桩头距离地面0.5～1.5米处，并对桩头的表面进行清理；
[0116]
(6)若单个桩位所用的桩数量仅为两节时，在第一节桩施工完毕后，起吊第二节预制桩并进行施工，第二节预制桩的边长或外径小于第一节预制桩，将第二节预制桩吊至离下节桩桩头上方0.2～0.5m处，并对桩头的表面进行清理；在第一节桩施工完毕后，若采用的施工方法为静压，则静压施工设备需更换夹具，该夹具与第二节预制桩的边长或外径匹配，若采用的施工方法为锤击，则锤击施工设备需更换桩帽，该桩帽与第二节预制桩的边长或外径匹配；
[0117]
(7)若单个桩位所用的桩数量为三节时，根据土层情况，第二节的边长或外径小于/等于第一节预制桩的边长或外径，第三节的边长或外径小于第二节预制桩的边长或外径；在第二节桩施工完毕后，若采用的施工方法为静压，则静压施工设备需更换夹具，该夹具与第三节预制桩的边长或外径匹配，若采用的施工方法为锤击，则锤击施工设备需更换桩帽，该桩帽与第三节预制桩的边长或外径匹配；
[0118]
(8)若单个桩位所用的桩数量为四节时，根据土层情况，第二节的边长或外径小于/等于第一节预制桩的边长或外径，第三节的边长或外径小于/等于第二节预制桩的边长或外径，第四节的边长或外径小于第一节预制桩的边长或外径；施工设备的夹具或桩帽的更换参照步骤(6)和步骤(7)；
[0119]
(9)对上下节预制桩进行焊接或者机械连接或焊接后再进行机械连接；
[0120]
(10)将接好的上、下节预制桩施工至设计要求的标高，完成该桩位的预制桩施工；
[0121]
(11)继续按步骤(三)至步骤(10)完成其余桩位的施工。
[0122]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0123]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。