一种利用PHC管桩桩间土承载力的装置与方法.pdf

本发明公开了一种利用PHC管桩桩间土承载力的装置与方法，该装置包括钢端板、XPS板、锚固钢筋、架立钢筋、填芯混凝土、托板和混凝土垫层；XPS板设置在钢端板上端，钢端板设置在PHC管桩上端，多根锚固钢筋从钢端板和XPS板的圆周伸入PHC管桩内，锚固钢筋向上伸入承台或筏板内，多根锚固钢筋在水平面沿PHC管桩截面圆周均匀分布；在PHC管桩内从上到下间隔100-300mm架立钢筋，锚固钢筋的底部设立托板，托板的边缘与PHC管桩连接，在PHC管桩内的托板上方灌注填芯混凝土；在地基土表面铺设混凝土垫层，混凝土垫层上端浇筑承台或筏板；本发明可以在保证基桩与承台有效连接的基础上，充分利用桩间土的承载力。

1.  一种利用PHC管桩桩间土承载力的装置，其特征在于包括钢端板、XPS板、锚固钢筋、架立钢筋、填芯混凝土、托板和混凝土垫层；钢端板和XPS板都为圆环形板或圆形板，XPS板设置在钢端板上端，钢端板设置在PHC管桩上端，多根锚固钢筋从钢端板和XPS板的圆周伸入PHC管桩内，锚固钢筋向下伸入PHC管桩长度为3D和1.5m的较大值，D为PHC管桩外径；锚固钢筋向上伸入承台或筏板内的长度大于500mm，多根锚固钢筋在水平面沿PHC管桩截面圆周均匀分布；在PHC管桩内从上到下间隔100‐300mm架立钢筋，架立钢筋为圆形，在同一水平截面架立钢筋与多根锚固钢筋连接，锚固钢筋的底部设立托板，托板的边缘与PHC管桩连接，在PHC管桩内的托板上方灌注填芯混凝土；在地基土表面铺设混凝土垫层，混凝土垫层上端浇筑承台或筏板；所述锚固钢筋的直径为20-30mm；
所述XPS板的厚度h通过如下的计算公式(1)和公式(2)确定：
h=7.5p2+0.4p-0.21.5p2-0.9p+0.8---(1)]]>
p=Qpu6Ap---(2)]]>
其中，p是PHC管桩的桩顶压强，Q_pu是PHC管桩的单桩承载力极限值，需要根据桩型和场地条件计算确定，A_p是PHC管桩的截面积。

2.  根据权利要求1所述的利用PHC管桩桩间土承载力的装置，其特征在于，所述的XPS板为圆形板，钢端板为圆环形板；所述钢端板的外径与PHC管桩相同，内径较管桩大1-10mm。

3.  根据权利要求1所述的利用PHC管桩桩间土承载力的装置，其特征在于，所述的XPS板通过胶水粘接在钢端板上。

4.  根据权利要求1所述的利用PHC管桩桩间土承载力的装置，其特征在于，所述的架立钢筋与每根锚固钢筋焊接。

5.  根据权利要求1所述的利用PHC管桩桩间土承载力的装置，其特征在于，所述的钢端板的厚度为5-20mm；所述架立钢筋为直径为6mm的圆形架立筋。

6.  根据权利要求1所述的利用PHC管桩桩间土承载力的装置，其特征在于，所述的锚固钢筋为4-8根。

7.  根据权利要求1所述的利用PHC管桩桩间土承载力的装置，其特征在于，所述的混凝土垫层厚度为100-200mm；托板为4-5mm厚的薄钢板。

8.  根据权利要求1所述的利用PHC管桩桩间土承载力的装置，其特征在于，所述的钢端板为圆环形，钢端板连接锚固钢筋处设有开孔。

9.  一种应用权利要求1-8任一项所述装置的利用PHC管桩桩间土承载力的方法，其特征在于，在PHC管桩施工完毕后，先将锚固钢筋与架立筋和托板焊接，整体放入PHC管桩中，将XPS板粘结在钢端板上，钢端板放置在锚固钢筋中并设置在PHC管桩上，浇筑填芯混凝土至桩头标高，设置混凝土垫层，浇筑承台或筏板；控制锚固钢筋的直径为20-30mm；
控制XPS板的厚度h=7.5p2+0.4p-0.21.5p2-0.9p+0.8;p=Qpu6Ap;]]>
其中，p是PHC管桩的桩顶压强，Q_pu是PHC管桩的单桩承载力极限值，需要根据桩型和场地条件计算确定，A_p是PHC管桩的截面积。

一种利用PHC管桩桩间土承载力的装置与方法
技术领域
本发明涉及地基处理的PHC管桩，特别是涉及一种充分利用PHC管桩基础桩间土承载力的装置与方法。
背景技术
桩基础是土木工程领域常用的基础形式，其使用已有上千年的历史。随着上部结构高度增加，形态逐渐复杂，要求有足够大的地基承载力，也就相应地需要越来越高的单桩承载力。目前常用的提高桩基承载力的方法有：(1)开发新的桩基形式，通过改变桩基形状，提高其抵抗某种类型荷载的能力；(2)使用高强度的桩身混凝土；(3)使用更加成熟的施工工艺，增加桩长，提高成桩质量；(4)改变群桩基础布局，使得群桩承载能力得到更加合理高效地利用。这些方法很大程度上提高了桩自身的承载能力，但也存在成本增加，设计施工复杂的问题。
桩基础通过数量众多的桩，将上部结构荷载传递到更深的土层，并通过桩侧摩阻力与桩端反力与荷载平衡。因此，要将桩头处嵌入承台，保证桩与承台的刚性连接，使基桩成为上部结构的刚性支点。这样的情况下，桩间土在经过一段时间固结沉降后，与承台或筏板之间没有有效的接触，其承载力得不到充分发挥。而桩是承台或筏板的刚性支点，上部荷载施加过程中，最初阶段，桩沉降很小，承台或筏板的沉降被桩限制，不能进一步对桩间土施加荷载。随着荷载增大，桩沉降增加，这一情况有所改善，但承台与桩间土的接触依旧是不充分的，桩依旧承担了大部分荷载，桩间土的承载力没有得到充分的发挥。如果能合理利用地基土的承载力，则可以很大程度上承担上部结构的荷载，减轻桩基础承担荷载的比例，从而整体上提高整个基础的承载力。要实现这一目的，就必须使得承台或筏板能与桩间土充分接触。因此亟需解决的问题是：在保证桩基础强度、刚度的前提下，使得地基土真正承受上部荷载作用，充分变形，从而发挥承载力。
发明内容
为充分利用地基土的承载能力，本发明提供一种利用PHC管桩桩间土承载力的装置与 方法，以实现地基承载力的整体提高。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种利用PHC管桩桩间土承载力的装置，包括钢端板、XPS板、锚固钢筋、架立钢筋、填芯混凝土、托板和混凝土垫层；钢端板和XPS板都为圆环形板或圆形板，XPS板设置在钢端板上端，钢端板设置在PHC管桩上端，多根锚固钢筋从钢端板和XPS板的圆周伸入PHC管桩内，锚固钢筋向下伸入PHC管桩长度为3D和1.5m的较大值，D为PHC管桩外径；锚固钢筋向上伸入承台或筏板内的长度大于500mm，多根锚固钢筋在水平面沿PHC管桩截面圆周均匀分布；在PHC管桩内从上到下间隔100‐300mm架立钢筋，架立钢筋为圆形，在同一水平截面架立钢筋与多根锚固钢筋连接，锚固钢筋的底部设立托板，托板的边缘与PHC管桩连接，在PHC管桩内的托板上方灌注填芯混凝土；在地基土表面铺设混凝土垫层，混凝土垫层上端浇筑承台或筏板；所述锚固钢筋的直径为20-30mm；
所述XPS板的厚度h通过如下的计算公式(1)和公式(2)确定：
h=7.5p2+0.4p-0.21.5p2-0.9p+0.8---(1)]]>
p=Qpu6Ap---(2)]]>
其中，p是PHC管桩的桩顶压强，Q_pu是PHC管桩的单桩承载力极限值，需要根据桩型和场地条件计算确定，A_p是PHC管桩的截面积。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的XPS板为圆形板，钢端板为圆环形板；所述钢端板的外径与PHC管桩相同，内径较管桩大1-10mm。
优选地，所述的XPS板通过胶水粘接在钢端板上。
优选地，所述的优架立钢筋与每根锚固钢筋焊接。
优选地，所述的钢端板的厚度为5-20mm；所述架立钢筋为直径为6mm的圆形架立筋。
优选地，所述的锚固钢筋为4-8根。
优选地，所述的混凝土垫层厚度为100-200mm；托板为4-5mm厚的薄钢板。
优选地，所述的钢端板为圆环形，钢端板连接锚固钢筋处设有开孔。
一种应用所述装置的利用PHC管桩桩间土承载力的方法：在PHC管桩施工完毕后，先将锚固钢筋与架立筋和托板焊接，整体放入PHC管桩中，将XPS板粘结在钢端板上， 钢端板放置在锚固钢筋中并设置在PHC管桩上，浇筑填芯混凝土至桩头标高，设置混凝土垫层，浇筑承台或筏板；控制锚固钢筋的直径为20-30mm；
控制XPS板的厚度h=7.5p2+0.4p-0.21.5p2-0.9p+0.8;p=Qpu6Ap;]]>
其中，p是PHC管桩的桩顶压强，Q_pu是PHC管桩的单桩承载力极限值，需要根据桩型和场地条件计算确定，A_p是PHC管桩的截面积。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1)本发明XPS板设置在的在承台或筏板与钢端板两者之间，根据公式(1)和公式(2)确定XPS板的厚度h，在PHC管桩受荷达到其极限承载力1/6时，对应上部建筑结构完成1/3～1/2，其压缩应变基本达到100％，对于不同桩径的PHC管桩，通过改变XPS板的厚度h，可以控制XPS板1的残余厚度不大于3mm；使得PHC管桩承载力充分发挥时，XPS板变形后厚度小于2mm，从而在长期受荷过程中不会有多余变形，对基础安全性造成实质影响。
2本发明钢端板和XPS板外直径与对应的PHC管桩桩径相同。锚固钢筋穿过钢端板的内圆向上与承台或筏板连接，锚固钢筋向下伸入PHC管桩中，在PHC管桩中架立钢筋焊接在锚固钢筋上，三者形成一个整体；锚固钢筋和架立钢筋结合在PHC管桩内浇筑的填芯混凝土中，保证PHC管桩与承台或筏板之间的有效连接，使承台或筏板的受力均匀传递到PHC管桩上。
3)常见PHC管桩的直径d＝400mm，500mm，600mm，800mm，对应于极限承载力Q_pu＝2000kN，3000kN，4000kN；本发明控制锚固钢筋4的直径为20-30mm，XPS板被压缩过程中的PHC管桩桩顶压强足以将锚固钢筋压屈曲，因此锚固钢筋不会阻碍XPS板的压缩。
4)本发明XPS板是桩顶的易压缩层，在上部结构施工过程中，其受力压缩，使得承台或筏板相比基桩沉降更大，从而与桩间土产生充分接触，桩间土由此开始发挥承载力。在上部结构完成1/3～1/2高度时，桩顶压强大约达到1MPa。此时XPS板的竖向应变接近100％，即其厚度已可以忽略。承台或筏板与钢端板紧密接触，之间不再存在受压薄弱层，由此开始桩与土共同承担上部荷载，直到沉降稳定为止。一般建筑的最大沉降不超过40mm，本装置提供的XPS板的压缩量可以使桩间土的承载力得到充分发挥，从而减轻基桩的负担， 有效提高基础整体承载能力。同时，被压缩的XPS板厚度可以忽略，锚固钢筋保证了桩与承台或筏板的可靠连接。因此，本发明可以在保证基桩与承台有效连接的基础上，充分利用桩间土的承载力。
附图说明
图1为利用PHC管桩桩间土承载力的装置安装示意图。
图2为图1移除承台或筏板后的俯视图。
图3为图2的侧视图。
图中示出：XPS板1，钢端板2、锚固钢筋3、架立钢筋4、填芯混凝土5、托板6、PHC管桩7、混凝土垫层8、承台或筏板9。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。
如图1-3所示，一种利用PHC管桩桩间土承载力的装置，包括钢端板2、XPS板1、锚固钢筋3、架立钢筋4、填芯混凝土5、托板6和混凝土垫层8；钢端板2和XPS板1都为圆环形板或圆形板，优选XPS板1为圆形板，钢端板2为圆环形板；当钢端板2为圆环形板时，钢端板2的外径与PHC管桩相同，内径较管桩大1-10mm；XPS板1设置在钢端板2上端，优选XPS板1通过胶水粘接在钢端板2上；钢端板2设置在PHC管桩上端，多根锚固钢筋3从钢端板2和XPS板1的圆周伸入PHC管桩7内，锚固钢筋3向下伸入PHC管桩长度为3D和1.5m的较大值，D为PHC管桩外径；锚固钢筋3向上伸入承台或筏板9内的长度大于500mm，多根锚固钢筋3在水平面沿PHC管桩截面圆周均匀分布；在PHC管桩7内从上到下间隔100‐300mm架立钢筋4，架立钢筋4为圆形，在同一水平截面架立钢筋4与多根锚固钢筋3连接，优选架立钢筋4与每根锚固钢筋3焊接；锚固钢筋3的底部设立托板6，托板6的边缘与PHC管桩连接(托板6的横截面为圆形，直径与PHC管桩直径相同或者小于PHC管桩直径0.5-1mm)，在PHC管桩内的托板6上方灌注填芯混凝土5；在地基土表面铺设混凝土垫层8，混凝土垫层8上端浇筑承台或筏板9。锚固钢筋的直径为20-30mm。
XPS板1的厚度h通过如下的计算公式(1)和公式(2)确定：
h=7.5p2+0.4p-0.21.5p2-0.9p+0.8---(1)]]>
p=Qpu6Ap---(2)]]>
其中，p是PHC管桩的桩顶压强，Q_pu是PHC管桩的单桩承载力极限值，需要根据桩型和场地条件计算确定，A_p是PHC管桩的截面积。
优选地，钢端板2的厚度为5-20mm；锚固钢筋为4-8根；架立钢筋4为6@200圆形架立筋；混凝土垫层8厚度为100-200mm。
XPS板是聚苯乙烯泡沫板的简称，是一种常用的建筑外墙保温材料。
当钢端板2为圆环形，钢端板2连接锚固钢筋3处设有开孔，方便锚固钢筋3安装。
使用时，在PHC管桩施工完毕后，先将锚固钢筋3与架立筋4和托板6焊接，整体放入PHC管桩中，将XPS板1粘结在钢端板2上，钢端板2放置在锚固钢筋3中并设置在PHC管桩上，浇筑填芯混凝土5至桩头标高，设置混凝土垫层8，浇筑承台或筏板9；控制锚固钢筋3的直径为20-30mm；根据公式(1)和公式(2)控制XPS板1的厚度。
利用桩间土承载力的关键在于XPS板1的应用和控制XPS板1的厚度，XPS板1在桩顶受荷时，会增加承台沉降，使其与桩间土成分接触，桩间土充分变形，其承载力就可以充分发挥出来。
实施例
地基处理中，PHC管桩使用十分普遍，一般PHC管桩的直径为400mm～1200mm不等，现有技术没有发现任何在PHC管桩的桩顶设置钢端板和XPS板，PHC管桩与承台或筏板9直接连接，但这样的刚性连接是在基础沉降完成后，承台或筏板与桩间土的接触不充分，或者桩间土沉降变形不充分，从而其承载力发挥有限。
如图1所示，一种利用PHC管桩桩间土承载力的装置，包括钢端板2、XPS板1、锚固钢筋3、架立钢筋4、填芯混凝土5、托板6和混凝土垫层8；XPS板1为圆形板，直径与PHC管桩直径相同；钢端板2为圆环形板，外径与PHC管桩相同，内径较管桩大5mm；XPS板1设置在钢端板2上端，通过胶水粘接；钢端板2和XPS板1设置在PHC管桩上端，4根锚固钢筋3从钢端板2和XPS板1圆周伸入PHC管桩7内，锚固钢筋3向下伸入PHC管桩长度为3D和1.5m的较大值，D为PHC管桩外径；锚固钢筋3向上伸入承台或筏板9内的长度为500mm，多根锚固钢筋3在水平面沿PHC管桩截面均匀分布；在PHC 管桩7内从上到下间隔200mm设置一个架立钢筋4，架立钢筋4为圆形，在同一水平截面上，架立钢筋4与多根锚固钢筋3焊接；锚固钢筋3的底部设立托板6，托板6与PHC管桩连接，在PHC管桩内的托板6上方灌注填芯混凝土5；在地基土表面铺设混凝土垫层8，混凝土垫层8上端浇筑承台或筏板9。锚固钢筋的直径为20mm。锚固钢筋为4根，架立钢筋4是6@200圆形架立筋，钢端板2的厚度为10mm。XPS板是聚苯乙烯泡沫板的简称，是一种常用的建筑外墙保温材料。XPS板1上对应于锚固钢筋3安装位置开孔，孔径较锚固钢筋大2mm，方便施工时的安装。
XPS板1的厚度h通过如下的计算公式(1)和公式(2)确定：
h=7.5p2+0.4p-0.21.5p2-0.9p+0.8---(1)]]>
p=Qpu6Ap---(2)]]>
其中，p是PHC管桩的桩顶压强，Q_pu是PHC管桩的单桩承载力极限值，根据桩型和场地条件计算确定，A_p是PHC管桩的截面积。常见PHC管桩的直径d＝400mm，500mm，600mm，800mm，对应于极限承载力Q_pu＝2000kN，3000kN，4000kN，实际施工时，根据PHC管桩的桩径d和单桩承载力极限值Q_pu进行选取。计算得到的厚度h在12～18mm之间。
XPS板1厚度的合理选取直接影响到桩间土承载力是否得到充分利用。根据公式(1)和公式(2)确定XPS板1厚h，在PHC管桩受荷达到其极限承载力1/6时(对应上部建筑结构完成1/3～1/2)，其压缩应变基本达到100％，对于不同桩径的PHC管桩，通过改变XPS板1的厚度h，可以控制XPS板1的残余厚度不大于3mm。使得桩承载力充分发挥时，XPS板变形后厚度极小(小于2mm)，从而在长期受荷过程中不会有多余变形，对基础安全性造成实质影响。
由于本装置中XPS板1是桩顶的易压缩层，在上部结构施工过程中，其受力压缩，使得承台或筏板相比基桩沉降更大，从而与桩间土产生充分接触，桩间土由此开始发挥承载力。在上部结构完成1/3～1/2高度时，桩顶压强大约达到1MPa。此时20mm厚XPS板的竖向应变接近100％，即其厚度已可以忽略。承台或筏板与钢端板紧密接触，之间不再存在受压薄弱层，由此开始桩与土共同承担上部荷载，直到沉降稳定为止。一般建筑的最大沉降不超过40mm，本发明提供的XPS板1为小于20mm厚的压缩量，可以使桩间土的承载力 得到充分发挥，从而减轻基桩的负担，有效提高基础整体承载能力。同时，被压缩的XPS板厚度可以忽略，锚固钢筋保证了桩与承台或筏板的可靠连接。因此，本发明可以在保证基桩与承台有效连接的基础上，充分利用桩间土的承载力。
本实施例钢端板2和XPS板1外直径与对应的PHC管桩桩径相同。锚固钢筋3穿过钢端板2的内圆向上与承台或筏板9连接，锚固钢筋3向下伸入PHC管桩中，在PHC管桩中架立钢筋4焊接在锚固钢筋3上，三者形成一个整体；锚固钢筋3和架立钢筋4结合在PHC管桩内浇筑的填芯混凝土5中，保证PHC管桩与承台或筏板之间的有效连接，使承台或筏板的受力均匀传递到PHC管桩上。
常见PHC管桩的直径d＝400mm，500mm，600mm，800mm，对应于极限承载力Q_pu＝2000kN，3000kN，4000kN；本发明控制锚固钢筋4的直径为20-30mm，XPS板1被压缩过程中的PHC管桩桩顶压强足以将锚固钢筋4压屈曲，因此锚固钢筋4不会阻碍XPS板1的压缩。
XPS板1产生的10～20mm附加沉降，使得承台或筏板9与地基土充分接触，荷载能够作用于地基土上，充分调动起地基土的承载力。此后，随着荷载不断增大，PHC管桩沉降逐渐增大，承台或筏板9可以有效地对PHC管桩的桩间土施加荷载，从而在桩基础受荷的整个过程中，达到减轻桩的负担，提高地基整体承载力的作用。进一步可以有效地满足高层建筑对于地基承载力和稳定性的要求，同时降低工程造价。
若未设置利用PHC管桩桩间土承载力的装置，根据现有的测试数据，桩间土承担上部荷载的比例不会超过15％。使用本发明利用PHC管桩桩间土承载力的装置，桩间土充分变形，效果类似于复合地基，桩间土可以承担上部荷载比例在20％～40％之间。