本发明属于建筑工程的桩基础,一种靠桩身周围基土中次生支承力的支承而工作的防滑桩基础。 桩身在地下工作靠的是基土对它的支承,由于现行桩基础对天然地基只是一种消极的依赖关系,所以,对于一般的工业与民用建筑工程来说,它们的技术经济效益是比较差的。如端承桩必须把桩身打到基岩之上,它就不考虑桩周基土的支承作用;而摩擦桩则由于天然地基的摩擦力数值很小,对它们的支承能力也很有限。长期以来,尽管人们对桩基技术作了很多改革和创新,但就其实质而言,都没有突破这二种桩基础的工作模式。
本发明的目的是通过对天然地基进行定向加固处理和用改变基土受力性质的方法来改善桩基的工作条件,降低桩基的工程造价,解决桩身材料强度与承载力之间的严重不协调问题。
防滑桩基础是一种强力充填桩。这种桩基础地一个基本观点是:它认为天然地基土壤对桩身的支承能力不是一个固定不变的常数,而是随着土的状态的改变、荷载历史的影响和它的受力边界条件的不同而不同。根据这种观点,对于靠夯击压力成型的桩基础来说,在基土与桩身之间就建立了一种互相依赖,又互相制约的新型关系。例如,在造桩的时候,桩身材料既没有强度,也没有体型,在侧限压力作用下,桩身材料可以被夯得十分密实;当夯击压力大于侧限压力的时候,通过桩身材料的横向扩张又挤密了桩周的土壤,使之得到加固处理。同时又由于应力扩散的影响,对于被夯的每一段桩身来说,施夯面上的夯击力要永远大于支承面上的支承力,于是,被夯的这一段桩身就有可能成为上粗下细象“瓶塞”那样的楔形断面;当桩基开始工作的时候,桩身材料已经硬化并达到设计强度,这时被加固处理过的基土不仅发挥着很好的支承作用,并且由于楔形桩身倾斜边界的影响,又改变了基土的受力性质,使之以被动土压力的形式来支承桩基的工作,并在桩身周围形成以径向压力为主要内容的应力圈。根据现场试桩实测,φ=45cm,l=3m的灰土楔形桩的破坏荷载高达48~51T,以单位面积计,这个被动土压力的数值约为同条件下摩擦力的三倍以上,这就充分说明天然地基土壤是可以改造和利用的。
但是,理论分析又进一步指出,这种改造效果并不是最理想的,因为楔形桩身带来的只是一种二维体系,对于抗拉强度很低的基土来说,它所造成的径向、环向应力又成了基土破坏的一种新因素,在这种情况下,防滑桩台的出现,好象是一个水平挡墙,不仅阻止了桩周基土可能发生的隆起破坏,并且根据三轴试验原理,基土的工作又进一步得到强化。如果我们把防滑桩基础比作打在天然地基条件下的一个构件,则防滑桩台下的这部分基土就象是镶嵌在桩身外围的一种“基体材料”,它的作用一方面是把桩身传来的荷载扩散到周围的基土之中,另一方面是利用基土的反作用力强化桩身的工作。如果这种基体材料具有足够的强度和稳定性,按照文克尔基床学说,对于承受垂直静荷载的桩基础来说,桩身就勿需再配置构造钢筋,桩身材料的强度标号还可以下调,调到与桩身实际荷载相协调的程度。
依据以上的基本原理,实施本发明的具体方案是:首先,按照要求在地下造孔,可以取土成孔,也可以挤密成孔,如果基土太湿,还要通过人工或自然的方法排除多余的水分,以改变土的状态;其次,把拌制好的材料(如灰土或是其它含有活性物质的相应材料)分层填入桩孔中,利用夯实机具充分夯实,夯实一层再填一层,如此反复进行到打满桩孔为止,使整个桩身象穿在一起的一串楔子;最后,在桩顶作出防滑桩台,防滑桩台可以是钢筋混凝土的,也可以是用砖石砌筑的。
依据以上方案实施的防滑桩基础,在承载能力方面、支承作用方面、以及改造和利用天然地基方面都发挥了很好的效能,与传统的桩基相比,它改善了桩基的工作条件,降低了桩基的工程成本。根据我们在某新近沉积的软弱土层中的初步试用,φ=60cm,l=6m的灰土楔形桩的单桩承载力用到24T,而在同条件下的带有d=120cm钢筋混凝土防滑桩台的灰土楔形桩的单桩承载力则用到46T。这种用灰土材料制成的防滑桩基础,可比同条件下的钢筋混凝土灌注桩降低成本70%以上,若与砖砌基础相比,它不仅省去了处理软弱地基的全部开支,实现文明施工,并且还可将基础工程的造价降低40%。
附图描述了本发明的具体内容。
图1是防滑桩基础的结构图。
图2是防滑桩基础的施工工艺图。
如图中所示,图1中①是承重的桩身,②是防滑桩台,③是被加固处理过的基土。
图3是楔形桩基础的工作原理图。
在上部荷载作用下,如果桩身有一个小小的下沉,则必然造成桩周土壤的侧向压缩,这种情况恰似一个向后推移的挡土墙,按照郎肯理论,这时位于倾斜边界内的土体就会自动进入被动郎肯状态,并以被动土压力的形式来支承桩基的工作,由于被动土压力是在造桩过程中产生的,所以我们称之为次生支承力。由图可知,上部荷载p与基土的次生支承力Rc组成了一个以桩身中心为轴线的共点平衡力系。
图4是防滑桩基础的工作原理图。
在上部荷载作用下,桩周基土受到了侧向压力Pc、竖向压力8与应力圈界面上的剪应力l的共同作用,处于一种三向受力的复杂状态。
这里需要说明的一点是:本发明采用灰土作为承重桩基础的桩身材料是国家规范中所没有的。根据我们的研究,灰土材料的强度并不是一个定值,它既不同于石灰的强度,也不同于土壤的强度,并且也不受这二种物质所能达到强度的限制,它的强度的形成是一个复杂的过程。根据我们的试验,用一般的粘性土壤和普通的石灰制成的灰土试块,其28天强度最高可达30Kg/cm2,三个月的强度可以达到或接近100Kg/cm2。现在,作为第一步,我们将灰土材料的容许承载力用到10Kg/cm2,这个数值虽然不高,但是在强度上已经可以满足一般建筑工程承重桩基的需要。同时,灰土材料也不是本防滑桩基础的唯一材料,根据本发明施工工艺的要求,凡是在技术上能够满足桩基承重的需要,如水泥或其它含有活性物质的材料都可以作为防滑桩基础的桩身材料。