组合加劲灌注桩.pdf

本发明涉及悬臂式排桩支护结构和支锚式排桩支护结构中的组合加劲灌注桩。组合加劲灌注桩包括素混凝土桩身、钢筋笼和型钢骨架，且型钢骨架与素混凝土桩身同轴，素混凝土桩身包裹着钢筋笼和型钢骨架，所述型钢骨架包括一根以上的槽钢或工字钢，所述钢筋笼包括均布在圆周上的纵筋、环抱着纵筋的环形加强筋和螺旋箍筋；素混凝土桩身直径为400-1200毫米，桩长为5-25米；一根以上的槽钢或工字钢与钢筋笼的纵筋位于同一圆周的受拉区内，或位于钢筋笼内部；槽钢或工字钢腹板上自上而下均匀分布设有抗剪键。

1、  组合加劲灌注桩，包括素混凝土桩身、钢筋笼和型钢骨架，且型钢骨架与素混凝土桩身同轴，素混凝土桩身包裹着钢筋笼和型钢骨架，所述型钢骨架包括一根以上的槽钢或工字钢，所述钢筋笼包括均布在圆周上的纵筋、环抱着纵筋的环形加强筋和螺旋箍筋，其特征在于：
所述素混凝土桩身直径为400-1200毫米，桩长为5-25米；
所述一根以上的槽钢或工字钢与钢筋笼的纵筋位于同一圆周的受拉区内，或位于钢筋笼内部；槽钢或工字钢腹板上自上而下均匀分布设有抗剪键。

2、  根据权利要求1所述的组合加劲灌注桩，其特征在于：型钢骨架包括一对或两对由两根对称设置的槽钢或工字钢组成的骨架，每对槽钢或工字钢径向之间由上至下均布设有水平连接筋，相邻水平连接筋之间的距离为500-1000毫米。

3、  根据权利要求1所述的组合加劲灌注桩，其特征在于：所述抗剪键为栓钉或钢板或短钢筋，相邻抗剪键之间的间距为200-500毫米。

4、  根据权利要求1所述的组合加劲灌注桩，其特征在于：两根以上组合加劲灌注桩排列形成排桩，相邻组合加劲灌注桩顶部由冠梁连接；所述排桩一侧由上至下设有一根以上腰梁，腰梁平行于冠梁，腰梁外侧设有一根以上的水平支撑杆。

5、  根据权利要求4所述的组合加劲灌注桩，其特征在于：所述相邻组合加劲灌注桩之间设有预应力锚杆，预应力锚杆的一端连接着腰梁，且与组合加劲灌注桩呈45-85度角。

组合加劲灌注桩
技术领域
本发明属于岩土工程领域，具体涉及悬臂式排桩支护结构和支锚式排桩支护结构中的组合加劲灌注桩。
背景技术
目前，国内用于基坑围护的柱列式挡土桩主要为机械成孔或人工挖孔钢筋混凝土灌注桩，形状为圆形，直径为400～1200毫米，桩身配筋是采用直径16毫米以上受力纵筋和构造钢筋组成圆形钢筋笼，其直径小于桩径，外侧留有40～50毫米作为保护层。截面配筋存在以下几种形式：
悬臂式，因单侧承受土压力，拉区仅在迎土侧存在，将大部分纵筋集中在受拉区范围内，而其他部分仅为构造配筋；
支锚式，因为施加了锚杆或支撑形成坑内的弹性支座，挡土桩两侧都会存在受拉区，故采用均匀配筋方式；
优化的支锚式，将纵筋集中配置在受拉区内，中和轴附近不配筋或仅构造配筋；
现有的几种桩配筋形式都是沿桩的圆周在一定范围内均匀布置受力钢筋，因距中和轴的距离不同会造成不同位置的纵筋受力大小不一致，应力难以很好地分配，一旦个别纵筋在发生较大变形后破坏，则桩的共同受力体系被打破，将很可能发生突然的脆性破坏。而且，钢筋笼自身没有抗弯刚度，这样只能通过增大桩径来提高桩身抗弯刚度，混凝土用量大。因此现有技术，存在钢材利用率低，混凝土用量大，桩体抗变形能力差等缺点。
中国专利“组合劲性混凝土桩”(专利号200720042973.7)，内置由相对排列的槽钢或工字钢以及由上而下均匀布置的连接板或连接筋组成的钢骨架，并在满足构造要求的前提下尽量远离轴心布置骨架，提高骨架抗弯刚度，使钢材的抗弯性能尽可能地发挥，节约了钢材。但是，该桩型在桩体内仅设置型钢骨架，考虑型钢在圆形截面内布置的局限性，其仅适用与桩径300毫米-600毫米的截面，因此抗弯、抗剪能力仍较低，必须结合预应力锚杆使用，即在桩锚体系中应用，一般难以单独悬臂使用，且最大适用基坑深度不超过15米，桩长不超过20米，仍具有较大的局限性。
发明内容
为了提高挡土桩的钢材利用率、减少混凝土用量、加强桩体承载力及抗变形能力，本发明的目的是设计一种更加符合支护结构受力特点的组合加劲灌注桩。
具体结构设计方案如下：
组合加劲灌注桩包括素混凝土桩身、钢筋笼和型钢骨架，且型钢骨架与素混凝土桩身同轴，素混凝土桩身包裹着钢筋笼和型钢骨架，所述型钢骨架包括一根以上的槽钢或工字钢，所述钢筋笼包括均布在圆周上的纵筋、环抱着纵筋的环形加强筋和螺旋箍筋；
所述素混凝土桩身直径为400-1200毫米，桩长为5-25米；
所述一根以上的槽钢或工字钢与钢筋笼的纵筋位于同一圆周的受拉区内，或位于钢筋笼内部；槽钢或工字钢腹板上自上而下均匀分布设有抗剪键。
型钢骨架包括一对或两对由两根对称设置的槽钢或工字钢组成的骨架，每对槽钢或工字钢径向之间由上至下均布设有水平连接筋，相邻水平连接筋之间的距离为500-1000毫米。
所述抗剪键为栓钉或钢板或短钢筋，相邻抗剪键之间的间距为200-500毫米。
两根以上组合加劲灌注桩排列形成排桩，相邻组合加劲灌注桩顶部由冠梁连接；所述排桩一侧由上至下设有一根以上腰梁，腰梁平行于冠梁，腰梁外侧设有一根以上的水平支撑杆。
所述相邻组合加劲灌注桩之间设有预应力锚杆，预应力锚杆的一端连接着腰梁，且与组合加劲灌注桩呈45-85度角。
本发明的有益技术效果体现在以下几个方面：
1、本发明将受力纵筋和型钢集中地配置在受拉区，相对于传统的钢筋混凝土挡土桩，配筋方式更加符合单向受弯的受力模式，有效提高了钢材利用率；
2、本发明由于在钢筋混凝土中增加了型钢，型钢以其固有的强度和延性，以及型钢、钢筋、混凝土三为一体地工作使型钢混凝土挡土桩比传统的钢筋混凝土挡土桩承载力大、刚度大、延性好，使基坑开挖及使用时更加安全。另外，其良好的延性还能在一定程度上降低桩体发生脆性破坏的可能，避免突发性事故的发生，提高了安全性。
3、在主要承受单方向水平荷载的挡土结构中，弯矩是控制荷载，因型钢自身具有一定的抗弯刚度，抗弯性能良好，因此，通过在桩内配置型钢，可以将挡土桩的直径大大缩小，如：对于深度10m以内的较浅基坑，如结合预应力锚杆使用，桩径最小可为400毫米。故本发明可节省大量混凝土，减少工程造价和地下空间的占用，具有很好的经济效益和环境效益；
4、本发明配合预应力锚杆或水平支撑形成支锚式排桩支护体系，通过调整桩径、型钢骨架和钢筋笼的结合方式以及型钢和钢筋的型号，灵活改变排桩的承载能力和抗弯刚度，再通过调整桩间距、锚杆间距改变支锚承载力和刚度，使桩与锚能够达到最佳的应力分配模式，协同受力，协同变形，节约工程造价。
附图说明
图1为本发明应用于排桩悬臂式支护结构，
图2为图1的俯视图，
图3为本发明应用于排桩桩锚支护结构，
图4为图3的俯视图，
图5为本发明应用于排桩内支撑支护结构
图6为图5的俯视图，
图7为本发明的截面示意图，
图8为本发明应用于悬臂式结构时的截面示意图，
图9为配置两根型钢时的截面示意图，
图10为配置两根型钢应用于悬臂式结构时的截面示意图，
图11为钢筋笼内设置格构式骨架截面示意图，
图12为钢筋笼内设置单根型钢截面示意图，
图13为钢筋笼内设置两副骨架截面示意图，
图14为钢筋笼内设置两根型钢截面示意图，
图15为工字钢应用于支锚体系时截面示意图，
图16为钢筋笼内设置工字钢骨架截面示意图。
图1-16中，型钢骨架1、受力纵筋2、环形加强筋3、螺旋箍筋4、素混凝土桩身5、连接筋6、抗剪键7、冠梁8、腰梁9、预应力锚杆10、水平支撑杆11、坡顶面12、坡底面13。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1：
参见图1和图8，组合加劲灌注桩包括素混凝土桩身5、钢筋笼和型钢骨架，且型钢骨架与素混凝土桩身同轴，素混凝土桩身包裹着钢筋笼和型钢骨架，型钢骨架包括一根或两根并列的槽钢，见图10，钢筋笼包括均布在圆周上的受力纵筋2、环抱着纵筋的环形加强筋3和螺旋箍筋4；
素混凝土桩身强度为C20～C30，根据桩的受力大小和桩径也可选用不同材料。
槽钢型号根据计算弯矩调整，可选用各种型号的普通型槽钢、轻型槽钢，也可由这些型钢组成格构式组合型钢。
受力纵筋2采用HRB335或HRB400级热轧螺纹钢筋，钢筋直径选用范围为14毫米～32毫米。
环形加强筋为加工、调运钢筋笼而设置的加强箍，为所有型钢和纵向受力钢筋提供横向连接，形成钢筋笼。采用HRB335或HRB400级热轧螺纹钢筋，钢筋直径选用范围为12毫米～20毫米。
螺旋箍筋采用HPB235级热轧盘圆钢筋，沿整个桩身通长螺旋布置，相邻螺旋间的间距为100毫米～200毫米，钢筋直径为6毫米～10毫米。
抗剪键自上而下均匀焊于槽钢的腹板上，间距200毫米-500毫米，可以为栓钉、钢板或短钢筋。
一根或两根槽钢与钢筋笼的受力纵筋2位于同一圆周的受拉区内，或位于钢筋笼内部，见图12和图14；槽钢腹板上自上而下均匀分布设有抗剪键7。抗剪键7为栓钉或钢板或短钢筋，自上而下均匀焊于槽钢的腹板上，相邻抗剪键之间的间距为200-500毫米。
实施例2：
型钢骨架包括一对或两对由两根对称设置的槽钢或工字钢组成的骨架，见图7、图9和图15。
槽钢或工字钢型号根据计算弯矩调整，可选用各种型号的普通型槽钢、轻型槽钢、工字钢，也可由这些型钢组成格构式组合型钢。
其它同实施例1。
实施例3：
参见图11、图13和图16，每对槽钢或工字钢径向之间由上至下均布设有水平连接筋6，相邻水平连接筋6之间的距离为500-1000毫米。
当将两根型钢在桩的中和轴两侧对称放置时，采用螺纹钢筋或者钢板作为连接筋，分别与两侧型钢焊接，形成格构式组合型钢；竖向间距500-1000毫米，按照槽钢布置情况进行相应调整。
其它同实施例1。
实施例4：
两根以上组合加劲灌注桩排列形成排桩，相邻组合加劲灌注桩顶部由冠梁8连接，见图1和图2；所述排桩一侧由上至下设有一根以上腰梁9，腰梁9平行于冠梁8，腰梁9外侧连接着一根以上的水平支撑杆11，见图3和图4。
冠梁通过将桩的主筋锚入其中，将所有单个挡土桩联结成共同受力的排桩；钢筋混凝土结构，宽度略大于或等于挡土桩直径，高度不小于300毫米。
腰梁在支锚体系中，是锚杆、支撑与挡土桩的传力构件；采用钢筋混凝土或型钢材料。
水平支撑采用钢筋混凝土、型钢或其他钢构件，设置在坑内，撑在两个基坑侧壁间，为挡土结构提供水平约束。水平支撑一般为钢管，也可采用钢筋混凝土材料或组合型钢。
其它同实施例1。
实施例5：
参见图5和图6，相邻组合加劲灌注桩之间设有预应力锚杆10，预应力锚杆10的一端连接着腰梁9，且与组合加劲灌注桩呈45-85度角。
预应力锚杆通过钻孔锚入基坑外侧土体中的受拉筋材，是竖向挡土结构的水平支点，为挡土桩提供水平约束力，另外还可施加一定的预应力，控制挡土桩的水平位移。锚杆一般为机械钻机成孔，也可人工洛阳铲成孔，孔径130～200毫米。孔内筋材为HRB335或HRB400级钢筋，直径18～32毫米，也可采用钢绞线。
实施例6：
基坑较浅时，可采用悬臂式排桩支护结构，本例采用组合加劲灌注桩按一定间距形成悬臂排桩，基坑深度6.0米。
如图1和图2所示，基坑开挖前，先从坡顶面12自然地面进行组合加劲灌注桩的定位和成孔施工，本例桩孔直径0.8米，桩间距1.8米，桩长13米，进入设计坡底面13以下7.5米。成孔完毕后在桩孔内置入由受力纵筋2、环形加强筋3和螺旋箍筋4组成的钢筋笼，受力纵筋2在迎土面即受拉区和背土面各设置8Ф18，再在受拉区沿钢筋笼内侧置入由型钢骨架1构成的型钢骨架，见图9，型钢骨架1为1根14a热轧普通型槽钢。钢筋笼和型钢骨架就位后，在桩孔内灌注C30混凝土，成桩完毕。挡土桩养护一段时间后，在桩顶施工钢筋混凝土冠梁8，冠梁高0.5米，宽0.9米，钢筋笼和型钢骨架均锚入钢筋笼内，通过冠梁8将一根根桩连成整体，协同受力。待组合加劲灌注桩和冠梁的混凝土强度达到设计值的75％后，逐步将土方开挖至坡底面13。
实施例7：
基坑较深时，可采用排桩桩锚支护结构中的桩锚结构，本例采用组合加劲灌注桩按一定间距形成排桩，每两个相邻桩之间设置2层斜向预应力锚杆10，基坑深度9.0米。
如图5和图6所示，本例桩孔直径0.8米，桩间距2米，桩长12米，进入设计坡底面13以下3.5米。因增加了水平支点，开挖后在迎土面和背土面都会产生弯矩，都会成为受拉区，所以受力纵筋在迎土面和背土面各设置7Ф18，沿钢筋笼内侧则对称放置两根型钢骨架1，通过连接筋6连成格构式型钢骨架，型钢采用2根14a热轧普通型槽钢，见图8。桩孔内灌注C30混凝土。冠梁8高0.5米，宽0.9米。两层锚杆的长度均为15米，倾斜角度15度，孔径150毫米，第一层锚杆标高在坡顶面12以下2.5米，第二层锚杆标高在坡顶面12以下5.5米，锚杆筋材采用2Ф18。锚杆头部设置通长钢筋混凝土腰梁9，腰梁9截面尺寸为400×300。
实施例8：
基坑较深且周围土质无法提供足够锚固力时，可采用排桩内支撑支护结构中的内支撑结构，本例采用组合加劲灌注桩按一定间距形成排桩，自上而下设置2层水平支撑杆11，基坑深度10.0米。
如图3和图4所示，本例桩孔直径0.9米，桩间距1.7米，桩长16米，进入设计坡底面以下6.5米。受力纵筋在迎土面和背土面各设置8Ф20，沿钢筋笼内侧则对称放置两根型钢骨架1，通过连接筋6连成格构式型钢骨架，型钢采用2根16a热轧普通型槽钢。桩孔内灌注C30混凝土。冠梁高0.5米，宽0.9米。两层水平支撑均采用φ609×10钢管，第一层支撑标高在坡顶面12以下0.5米，第二层锚杆标高在坡顶面12以下5.5米。