在地基加强型基础形成中的 加强件布置方法和基础体 【技术领域】
本发明涉及建筑、土木用基础的支持力强化措施。
技术背景
建筑、土木用基础的支持力是借助在对基础施加外力时周围地基对基础的反力而得到的。在强化这样的支持力的基础形成方法及基础体方面，已在本申请人的特公平5-40085号公报中提出了。
在基础形成方法中，如图8、9所示，基础体1将型钢加强件3设置在深基基础本体2的周围。加强件3从基础本体2起水平且倾斜地成放射状延伸，并且在轴向上也按照预定间隔地设置了许多根加强件，它们都固定在周围的天然地基4中。
基础体1是通过以下方法形成的。为了形成基础本体2，按照预定直径和预定深度垂直挖掘出天然地基4，用衬板6对挖掘面进行支承保护。接着，按照图10-图14所示的顺序，先将加强件3从设置在衬板6的预定位置上的开口部5处固定到天然地基4中。即，如图10所示，从开口部5起在天然地基4内切削孔，如图11所示地先将内插有加强件3的前端固定用内空管9插入切削孔8。加强件3比切削孔8长并且前端成锥形扩大地形成了楔部10。另外，内空管9由管体11和可自由拆卸地固定在管体前端上的固定管12构成，固定管12如图15-图16所示地具有内径向前扩大的锥形部13和从锥形部13起轴向形成的多条缝隙14。插入加强件3和内空管9后，当如图12所示地通过挤压工具15挤压内空管9的基端侧而给加强件3施加拉伸力时，加强件3地楔部10压宽固定管12锥形部13而使固定管12咬入天然地基4中，使加强件3无法拔出。随后，如图13所示地一边将内空管9的管体11从固定管12上切开拔出，以便注入固化剂16。加强件3如图13所示地只留下突向基础本体2中心方向的基端部17地完全固着在切削孔8内。这样形成的加强件3成放射状地水平且倾斜地固定在深度不同的地基中。
接着，避开突出到天然地基4外的加强件3的基端部17而进行基础本体2的钢筋安装。随后，如图17、18所示的那样，在钢筋内侧将固定板18嵌装到基端部17上，固定板18与轴向钢筋19、箍筋20焊接在一起，通过锚定螺母将基端部17的头部固定在固定板18上。另外，在如图8所示地倾斜设置的加强件3中，代替固定板18地利用图19所示的具有三角形断面的固定件18A固定基端部17。这样一来，在各加强件3的基端部17与钢筋19、20固定在一起后，浇灌基础本体2的混凝土，于是形成了如图8、9所示的基础体。
在这样构成的基础体1中，周围填充的固化剂16的附着力给予的楔部10的拉拔阻力作为固定到天然地基4中的固定力，使加强件3与天然地基4牢固地结成一体。一方面，加强件3周围的地基强度高，另一方面，基端部17固定在基础本体2的钢筋19、20上，因而加强件也与基础本体2刚性结合。
结果，基础体1的机能就象是包含周围地基33的一体基础那样，在对基础本体2施加拉拔力Fv的场合下的剪断阻力s的作用面如图20所示的那样是与各加强件3前端相关的大直径假想支持面23。因此，剪断阻力s的作用面积显著增大，对拉拔力的支持力大幅度增加。
另一方面，对水平力Fh的支持结构也如图21所示地加强了。即，被动土压力p1及弹性地基抗力p2的作用面在位于图中的基础本体2左半边的各加强件3的前端连接而成的半圆形截面的假想支持面24上扩大了，因通过加强件3强化地基22而得到弹性地基抗力p2的地层B的范围也向上方扩大了。而且，位于基础本体2的图中右半边的加强件3的拉拔阻力a起到了支持力的作用。因此，基础体1对水平力Fh也有极其强大的支持力。
但是，这样的传统基础形成方法和基础体，将加强件3设置到基础体1中的方法中，即在加强件延伸方向等方面没有明确标准的布置方法，通过加强件3实现的支持力强化作用必然没有充分实现。即，例如在输电铁塔基础等情况下，与其说是对压缩力莫若说是对上拉力的支持力是成问题的。相应地，至于使基础体1保持抵抗向上拉力的强固支持力，对此的加强件设置方法说得并不明确。
本发明着眼于这样的问题而进行了设计，它的目的是提供一种尤其是针对上拉力地获得了强固支持力的地基加强型基础形成中的加强件设置方法及基础体。
【发明内容】
一种在地基加强型基础形成中的加强件布置方法，该方法从基础挖掘面开始在天然地基内切削孔并在切削孔内固定了高刚性加强件之后，将加强件基端部固定在基础本体内而建造基础本体，其特征在于，一方面通过使加强件利用自身结构分担一部分对天然地基的拉伸应力及剪断应力而提高针对基础体上拉力的抵抗力，另一方面，通过加强件使周围天然地基被拉向基础本体侧而增大周围的天然地基挤压基础本体壁面的约束压力，以增大对基础体上拉力的周围天然地基抗力地设置加强件。
本发明是在从基础挖掘面开始在天然地基内切削孔，并在切削孔内固定了高刚性加强件之后将加强件基端部固定在基础本体内地建造基础本体的地基加强型基础形成方法中，配置上述加强件由棒材制成并且使加强件设置方向与是在对基础体施加上拉力时上述加强件拉伸轴向力最大的方向的天然地基最小主应变方向一致。
另外，在本发明中，地基加强型基础体是由挖掘天然地基而建成的基础本体、在从上述基础本体起成放射状地延伸出去的同时，使其设置方向与是在对基础体施加上拉力时上述加强件的拉伸轴向力最大的方向的天然地基最小主应变方向一致，并且在基础本体轴向上斜向下的棒状加强件构成的。
这样一来，在通过固定在天然地基中的许多根加强件而强化地基的同时，因这些加强件的基端部固定在基础本体上而使地基与基础本体成为一体。在这种情况下，基础体支持力由于加强材料自身通过结构分担了一部分对天然地基的拉伸应力和剪断应力所产生的结构效果，以及通过加强件约束在天然地基中发生的拉伸应变来提高地基的整体刚性加强土体效果而增大了。该加强土体效果是因为由于加强件被拉向基础体周围的天然地基侧，所以使天然地基剪断破坏时的最小主应变增量的绝对值以及天然地基膨胀被抑制到很小而使最小主应力增大。由于本发明的加强件设置在基础体周围天然地基的最小主应变方向上，所以在上拉力作用于天然地基时最大地提高了加强件把周围天然地基拉向基础体侧的效果。因此，根据本发明，通过加强件可获得最有效地加强土体效果。促进了针对最大主应力的剪断强度的增大，并且强化了基础体周围的地基，对基础体的约束压力增大了，基础体被牢固地支持在天然地基内。
因而，本发明可以有效地用于对上拉力的支持力成问题的输电铁塔基础等，在保持基础体尺寸小的同时，显著提高了由加强土体效果带来的支持力，因此在能够大幅度削减基础工程成本并缩短工期的同时，可以减少挖掘出来的土。
另外，在本发明中，配备了许多个上述加强件，这些加强件大体上等间隔地设置在基础本体外周的全周上，因而获得了由加强件带来的强支持力。
而且，在本发明中，上述加强件的长度大致等于基础本体直径的2/3，由加强件可获得强支持力。
此外，在本发明中，按照大体上3平方米有一根的比例将上述加强件布置在基础本体外周面上，因此能够对应于加强件数最有效地提高加强效果。
另外，在本发明中，在使用轴向长度短的上述基础本体时，在上述基础体轴向上设置了一段上述加强件。对于这样的长度短的基础来说，本发明也能够给予充分的加强效果。
附图简介
图1是表示本发明实施例的垂直截面图。
图2是其水平截面图。
图3是表示其加强件设置密度与加强效果强弱的关系的曲线图。
图4是说明其基础体支持力加强结构效果与加强土体效果的垂直截面图。
图5是表示对该基础体施加上拉力时的样子的垂直截面图。
图6是说明加强效果计算方法的说明图。
图7是表示本发明其他实施例的垂直截面图。
图8是表示传统基础体的垂直截面图。
图9是其水平截面图。
图10是说明基础体所用加强件被固定到天然地基中的工程的水平截面图。
图11是表示其加强件被固定到天然地基中的工程的截面图。
图12是表示其加强件被固定到天然地基中的工程的截面图。
图13是表示其加强件被固定到天然地基中的工程的截面图。
图14是表示其加强件被固定到天然地基中的工程的截面图。
图15是用于固定加强件前端的固定管的正面图。
图16是其固定管侧面图。
图17是加强件基端部与基础本体钢筋的结合部的截面图。
图18是固定板的后视图。
图19是倾斜设置的加强件的基端部与基础本体钢筋的结合部的截面图。
图20是说明针对拉拔力的基础体支持结构的基础体截面图。
图21是说明针对水平力的基础体支持结构的基础体截面图。
最佳实施例
以下根据附图来说明本发明的实施例。
本发明与图8-图21所示的传统基础形成方法及基础体相比具有基本相同的结构，以下重点描述与图8-图21所示的传统基础形成方法及基础体不同之处。
如图1、2所示，在本发明中，对于垂直建筑的深基基础本体2来说，向着在上拉力(拉拔力)作用于基础体1上时的基础体周围的天然地基4的最小主应变方向(图1的箭头方向)成放射状地设置许多根棒状加强件3。具体地说，各加强件3以相对水平面成θ＝π/4-φ/2(rad)角地斜向下设置。在这里，φ是建筑基础体1的天然地基4的内摩擦角，例如在天然地基4是细土时，φ一般等于40度。在这种情况下，加强件3的设置方向θ大约是25度。
根据模型实验，加强件3如图1所示的那样最好建造在比天然地基深的位置上即基础体1的下端侧。这样一来，得到了相当高的加强效果。而且如图2所示，由于大致等间隔地均匀设置在基础体外周上，所以可以提高加强效果。另外，在加强件3的长度等于基础本体2的直径的2/3的情况下，发挥了强有力的加强效果。
而且根据模型实验，由本发明加强件3产生的支持力相对于无加强基础可大幅度提高到1.8倍的程度。因此，与例如如图9所示地在传统基础中必须在基础体1外周上设置八根加强件3相比，如图2所示，在本发明中设置六根加强件3就行了，而且即使削减到四根，也能获得强有力的支持。
另外，根据基于后述加强效果计算方法的模型实验，当在基础本体外周面上按照大约3平方米设一根地比例设置加强件3时，对加强件3根数能有效获得最大加强效果。例如，象图3所示的模型实验那样，当按照1根/122.5平方米、1根/6.8平方米、1根/3.4平方米、1根/1.9平方米的顺序增加时，在超过大约3平方米设一根的密度后，加强效果大小的提高大体上起伏不稳定，因此应该知道，按照大约3平方米设一根的比例来设置加强件3是最有效的。
这样一来，由于将加强件3建造在天然地基4的最小主应变方向上，所以显著提高了由加强件3产生的加强效果(约束力增强效果)，以下说明这种作用。
如图4所示，我们认为对基础体1的加强效果有两部分，即通过加强件自身利用结构分担一部分对天然地基4的拉伸应力及剪切应力而产生的结构效果，以及通过加强件3约束出现在天然地基4中的拉伸应变而提高了天然地基4的整体刚性的加强土体效果。在本发明中，由于确定了加强件设置方向，所以提高了周围的天然地基4的力学性能并能够提高加强土体效果。
具体地说，如图5所示，当上拉基础体1时，存在着加强件3使基础体1周围的天然地基4(图中虚线所示)被拉向基础体1侧的效果。因此，基础体1周围的天然地基4收缩，使在天然地基4的剪断破坏时的最小应变增量Δε3的绝对值(膨胀)受抑制变小，因此增大了最小主应力σ3’。这样就促进了对应于最大主应力σ1’的剪断强度(σ1’-σ3’)/2的提高并强化了天然地基4。因此，加强土体效果会由于抑制正扩张(体积应变)而产生的地基改良效果。
因此，由加强土体效果带来的支持力提高是不可能在加强件3设置方向与伸缩方向不一致时获得的，而是加强件3设置在与因上拉力而剪断破坏了天然地基4的最小应变增量方向θ一致时，效果最大。
根据图6来说明由这样的加强件3产生的加强效果的计算方法。
为了计算出整个加强效果ΔP，先根据由结构效果产生的抗力增量ΔPs、每根加强件的最大轴向力Nmaxi以及每根加强件的最大剪断力Smaxi进行下式计算：
ΔPs＝∑(Smaxi×cosΘ+Nmaxi×sinΘ) ———(1)
其中，Θ是加强件灌注角。总和是设置在基础本体2上的所有加强件即加强件3有n根且i＝1～n时之和。
另外，根据由加强土体效果产生的抗力增量ΔPr、每根加强件的最大轴向力Nmaxi以及每根加强件的最大剪断力Smaxi进行下式计算：
ΔPr＝∑(Nmaxi×cosΘ+Smaxi×sinΘ)×tanφ ———(2)
其中，Θ是加强件灌注角，φ是地基内摩擦角。总和是设置在基础本体2上的所有加强件即加强件3有n根且i＝1～n时之和。
整个加强效果ΔP为根据由结构效果产生的抗力增量ΔPs和由加强土体效果产生的抗力增量ΔPr并用下式计算出来的。
ΔP＝ΔPs+ΔPr ———(3)
根据这样的计算方法算出的加强效果为正并通过采用一系列模型的实验进行确认。
借助本发明，通过使加强件3设置方向位于当对基础体1施加上拉力时的天然地基4的最小主应变方向上，可在保持了基础体1尺寸小的同时，能够显著提高加强土体效果的支持力。而且，由于显著提高了每根加强件3的支持力，所以加强件3的数目例如可以成为在基础体外周方向各段上的5根-9根的程度。因此，能够大幅度削减基础工程成本，并且在能够缩短工期的同时，基础体1可以变小且还可以减少挖掘出来的土。
本发明尤其是提高了对上拉力的支持力，因此，它有效地用于对与其说是压缩支持力莫若说是由上部带来的上拉力的支持力成问题的输电铁塔基础等。
在图7中示出了本发明的其他实施例。
如图所示，在此实施例中，在基础体1a中，加强件3只针对轴向长度短的基础本体2a在基础本体轴向上设置了一段。在这样的覆土层厚度浅即直接基础中，由于加强件3是面向天然地基4的最小主应变方向θ设置的，所以能够显著提高加强效果。这也通过模拟和模型实验得到了确认。
如上所述，与本发明地基加强型基础形成有关的加强件布置方法及基础体作为与对上部上拉力的支持力成问题的基础形成有关的加强件布置方法及基础体是有用的。