一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置及施工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置及施工方法，可廣泛應(yīng)用于軟基地段高速公路互通區(qū)、交叉道路跨線橋等樁基施工，其包括軟土地基內(nèi)灌注成型的樁基和設(shè)置在樁基外的減阻器，該減阻器是由內(nèi)筒、外筒、中件、蓋板、橡膠密封環(huán)、潤滑脂、氣囊、充氣管和吊鉤等構(gòu)成，整體構(gòu)造簡單、制作容易、用途廣泛，它在運營階段出現(xiàn)樁基周邊的軟土地基發(fā)生工后沉降時，能通過內(nèi)、外筒之間的無摩阻相對運動而使樁基既不發(fā)生向下位移，也不阻止樁基周邊軟土和路面的同步工后沉降，故能消除負摩阻力導(dǎo)致的路面凸出現(xiàn)象，利用這種裝置并結(jié)合施工方法解決了道路交通工程中長期存在的難題，還具有節(jié)約資源，提升經(jīng)濟和社會效益、有利于交通運營安全等優(yōu)點。
【專利說明】一種消除軟土地基粧基負摩阻力的裝置及施工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于消除軟土地基樁基摩阻力的裝置及施工方法，具體的說是指 一種涉及消除軟土地基沉降引起的樁基負摩阻力的裝置及施工方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 軟土地基分布十分廣泛，工程處理費用巨大，軟基沉降很難預(yù)測和控制，給工程建 設(shè)帶來很大的困難。常見的軟土地基沉降分建設(shè)期沉降和運營期工后沉降，建設(shè)期沉降時 間長，施工工期長，投資增加；工后沉降多，工程運營維護資金投入大，不利運營安全，還帶 來經(jīng)濟效益低下、社會影響不良等諸多的嚴重后果。如軟基地段高速公路互通區(qū)、交叉道 路跨線橋等，跨線橋下樁基附近常出現(xiàn)路面凸出現(xiàn)象，既影響美觀，還造成行車不舒適、易 出現(xiàn)交通事故。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于橋梁樁基的沉降量很小，軟基沉降大而導(dǎo) 致樁基產(chǎn)生負摩阻力，以致跨線橋下樁基附近的軟土地基產(chǎn)生了向上的摩阻力而出現(xiàn)凸出 現(xiàn)象。處理這種病害，目前通常采用兩種方法處理：方法一是鏟除凸出部分路面，接順連接 段路面；方法二是將全部連接段路面加鋪至凸出部分高度，耗資巨大。由于軟基在繼續(xù)沉 降，過一段時間后，樁基附近的凸出現(xiàn)象又會反復(fù)出現(xiàn)，又要采取同樣的方法再次處理。又 如碼頭軟基堆場，由于軟基沉降使樁基產(chǎn)生負摩阻力，減少了樁基的承載力，有可能發(fā)生工 程事故。因此，為了減少軟土地基樁基摩阻力，目前一般待軟基沉降一定標準后，再施工鉆 孔灌注樁，但工后沉降引起樁基的負摩阻力也不能從根本上解決，而公開的中國專利號為 200910130401. 8的"消除擠土負效應(yīng)屏障器及施工成樁工法"雖然能解決施工期內(nèi)樁基的 負摩阻力，但也不能解決運營期工后沉降引起樁基的負摩阻力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種能有效消除運 營期工后軟土地基沉降而引起樁基負摩阻力的裝置及施工方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)： 一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，包括軟土地基內(nèi)灌注成型的樁基和設(shè)置在樁 基外的減阻器，所述的減阻器包括套裝在樁基外的內(nèi)筒和活動套裝在內(nèi)筒外的外筒；所述 的內(nèi)筒底部伸出外筒底部與樁基灌注一體，在內(nèi)筒底部的外圓周面上還設(shè)有一圈由氣囊螺 栓固定的半橢圓形圓環(huán)氣囊，該氣囊上設(shè)有連通至外筒頂部的充氣管；所述的外筒頂部設(shè) 有蓋板，該蓋板上設(shè)有多個連通內(nèi)、外筒之間的注脂孔，外筒底部設(shè)有底板，該底板的內(nèi)圓 周端面緊貼在內(nèi)筒的外壁上，在底板的內(nèi)底面上設(shè)有橡膠密封環(huán)，該橡膠密封環(huán)的內(nèi)圈向 上翹起并緊密抱合在內(nèi)筒外壁上；所述的內(nèi)、外筒之間設(shè)有多個以內(nèi)筒中心為圓心作圓周 均布的中件，每個中件均包括一根中件鋼絲，該中件鋼絲的頂端設(shè)有固定連接在蓋板上的 上螺栓組，中件鋼絲的底端設(shè)有同時固定橡膠密封環(huán)和底板的下螺栓組，中件鋼絲上設(shè)有 多個沿垂直方向作等距固定的圓球。
[0005] 所述的內(nèi)筒、外筒和氣囊螺栓的強度計算需符合如下公式： 公式一、

【權(quán)利要求】
1. 一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，包括軟土地基（1)內(nèi)灌注成型的樁基（2) 和設(shè)置在樁基外的減阻器（3)，其特征在于： a、 所述的減阻器（3)包括套裝在樁基（2)外的內(nèi)筒（31)和活動套裝在內(nèi)筒外的外筒 (32)； b、 所述的內(nèi)筒（31)底部伸出外筒（32)底部與樁基（2)灌注一體，在內(nèi)筒（31)底部的 外圓周面上還設(shè)有一圈由氣囊螺栓（38)固定的半橢圓形圓環(huán)氣囊（37)，該氣囊上設(shè)有連 通至外筒（32)頂部的充氣管（39); c、 所述的外筒（32)頂部設(shè)有蓋板（34)，該蓋板上設(shè)有多個連通內(nèi)、外筒之間的注脂孔 (35)，外筒（32)底部設(shè)有底板（321)，該底板的內(nèi)圓周端面緊貼在內(nèi)筒（31)的外壁上，在底 板（321)的內(nèi)底面上設(shè)有橡膠密封環(huán)（36)，該橡膠密封環(huán)的內(nèi)圈（361)向上翹起并緊密抱 合在內(nèi)筒（31)外壁上； d、 所述的內(nèi)、外筒之間設(shè)有多個以內(nèi)筒中心為圓心作圓周均布的中件（33)，每個中 件均包括一根中件鋼絲（332)，該中件鋼絲的頂端設(shè)有固定連接在蓋板（34)上的上螺栓 組（331)，中件鋼絲（332)的底端設(shè)有同時固定橡膠密封環(huán)（36)和底板（321)的下螺栓組 (336)，中件鋼絲（332)上設(shè)有多個沿垂直方向作等距固定的圓球（333)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特征在于所述的 內(nèi)筒（31)、外筒（32)和氣囊螺栓（38)的強度計算需符合如下公式： 公式一、
式中： q-內(nèi)筒（31)圓環(huán)截面所受的均布向外壓強); h--樁基（2)施工時護筒頂面至內(nèi)筒圓環(huán)截面底面的高度(a* ); Yc- 一混凝土容重(JfcW- ); Y nj-鉆孔泥漿容重（JW-m4)； N--內(nèi)筒（31)圓環(huán)截面所受的拉力（tor); β-內(nèi)筒（31)底面圓環(huán)截面周邊任一點與水平軸的夾角（n*rf); O' m--內(nèi)筒（31)底面圓環(huán)截面所受的拉應(yīng)力)，式中1為單位高度（); Srd-內(nèi)筒（31)圓環(huán)截面壁厚（); -內(nèi)筒（31)圓環(huán)截面計算半徑(); [θ']--內(nèi)筒（31)圓環(huán)截面材料容許拉應(yīng)力（MFa );
公式二、 式中： P -混凝土灌注至氣囊（37)堅直中心處氣囊所受的壓強（MA3 ); k--樁基（2)施工時護筒頂面至氣囊（37)堅直中心的高度0? ); γ€ -混凝土容重（jw-w·4); YflJ--鉆孔泥漿容重(MV- ); TIs--固定氣囊（37)的#1個氣囊螺栓（38)所受的剪切應(yīng)力（Jffla ); T--固定氣囊（37)的《個氣囊螺栓（38)所受的剪切力（iar); η -氣囊螺栓（38)的數(shù)量； Sqn--氣囊（37)的半橢圓形圓環(huán)水平面有效投影面積; Sk-單個氣囊螺栓（38)的截面積（m2); [r]--氣囊螺栓（38)的容許剪切應(yīng)力); 公式二、
式中： P---氣囊的充氣壓強X (j .]/為-y j|)為樁基施工時護 筒頂面至氣囊中心的高度各土層的側(cè)壓應(yīng)力（D,氣囊充氣后，氣囊的半橢圓形 圓環(huán)端部伸入軟土層（13)中5?10 〇?,氣囊的設(shè)置起到阻止混凝土上升的作用， 避免減阻器被混凝土包裹；由于鉆孔護壁泥漿的護壁作用，鉆孔灌注樁不會塌孔，即 (--F Ii1 - f fw 0,可見公式三右邊足夠滿足要求，只需氣囊充氣壓強滿 足公式三左邊即可； h--樁基（2)施工時護筒頂面至氣囊堅直中心的高度(); H1--樁基施工時地面至氣囊堅直中心的高度(); I -樁基（2)施工時地面至氣囊（37)堅直中心的高度各土層的加權(quán)平均側(cè)壓力系 數(shù)(無量綱）； Yt--樁基（2)施工時地面至氣囊（37)堅直中心的高度各土層的加權(quán)平均容重 (JtW nTs); Y tl!--鉆孔泥漿容重
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特征在于所述的 內(nèi)筒（31)內(nèi)設(shè)有3~4個吊鉤（40)，每個吊鉤均為鋼質(zhì)吊鉤，每個吊鉤的底部均設(shè)有與內(nèi)筒 (31)底部鉤連的"U"型鉤，每個吊鉤（40 )的頂部均設(shè)有鋼絲繩。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特征在于所述的 外筒（32)為高強度玻璃鋼材料制成的圓筒，其垂直橫截面呈"[]"型，該外筒底部設(shè)有一 段變直徑的錐形段，該錐形段的高度為20~30〇?，所述的注脂孔（35)在外筒（32)頂部的 蓋板（34)上設(shè)有3~5個，每個注脂孔（35)均相鄰設(shè)置在外筒（32)內(nèi)直徑的內(nèi)側(cè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特征在于所述的 內(nèi)筒（31)為高強度玻璃鋼材料制成的圓筒，該內(nèi)筒（31)的內(nèi)直徑比樁基（2)直徑大1~2 CW ，內(nèi)筒（31)外直徑與外筒（32)內(nèi)直徑之間預(yù)留2~3 〇?的中件安裝空間（334)，所述的氣囊 (37)在內(nèi)筒（31)底部外圓周面上的安裝位置距內(nèi)筒底端為5(Γ60 的高度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特征在于所述的 每個中件（33)的中件鋼絲（332)直徑為0. 4~1 ?π ,中件鋼絲上相鄰兩個圓球（333)間距為 5(Γ?〇〇 ση,圓球為玻璃鋼圓球，該圓球直徑為1.9~2. 9 〇?，并比中件安裝空間（334)的距 離小0. 1~0. 2 在圓球（333)的上部和下部分別設(shè)有鋼絲結(jié)（335)，該鋼絲結(jié)固定連接在 中件鋼絲（332)上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特征在于所述的 橡膠密封環(huán)（36 )厚度為1~2 ?η，其向上翹起并緊密抱合在內(nèi)筒（31)外壁的內(nèi)圈（361)伸 出內(nèi)底面的寬度為1~2 ?。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特征在于所述的 氣囊（37)為橡膠氣囊，該氣囊為空心半橢圓形圓環(huán)，垂直最大厚度為1(Γ20 〇?，充氣壓力 為0. 2、. 3Mpa，氣囊（37)的半橢圓形圓環(huán)外端部伸入軟土層（13)內(nèi)5?10 cm ,,
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除軟土地基樁基負摩阻力的裝置，其特征在于所述的 軟土地基（1)包括上層的軟土層（13)和下層的持力層（14)，該軟土層（13)采用塑料排水 板、粉噴樁、水泥攪拌樁等其中一種或多種組合方法進行處理，在軟土層（13)上填筑公路路 基（12)并進行等載或超載預(yù)壓，在公路路基上鋪筑路面（11);所述的樁基（2)為鉆孔灌注 樁，先在軟土地基（1)內(nèi)鉆出樁基孔并放置樁基鋼筋籠，再灌注水泥混凝土形成樁基。
10. -種消除軟土地基樁基負摩阻力裝置的施工方法，其特征該方法包括如下步驟： 步驟一、按設(shè)計要求制作減阻器（3)的各個部件； 步驟二、在垂直橫截面呈"[]"型的外筒（32)下部底板的內(nèi)底面上放置橡膠密封環(huán) (36)； 步驟三、在內(nèi)筒（31)外直徑與外筒（32)內(nèi)直徑之間的中件安裝空間（334)內(nèi)安裝多個 圓周均布的中件（33)，并將中件的上螺栓組（331)與蓋板（34)作旋緊固定、及中件（33)的 下螺栓組（336)同時與橡膠密封環(huán)（36)、底板（321)作旋緊固定； 步驟四、在內(nèi)筒（31)底部安裝氣囊（37)，該氣囊至內(nèi)筒（31)底端預(yù)留50?60 的 高度； 步驟五、將組裝完成的外筒（32)和中件（33)套入內(nèi)筒（31)外，用夾具臨時夾緊外筒和 內(nèi)筒，保持橡膠密封環(huán)（36)的內(nèi)圈（361)向上翹起并緊密抱合在內(nèi)筒（31)外壁上； 步驟六、通過1?2個注脂孔（35)在外筒（32)與內(nèi)筒（31)之間注滿潤滑脂（4)，檢查其 余注脂孔（35)是否有潤滑脂（4)溢出，直至其余注脂孔均有潤滑脂溢出為止，同時檢查外 筒（32)底部是否泄漏潤滑脂，如有潤滑脂泄露，則需檢查橡膠密封環(huán)（36)是否安裝準確， 再用橡膠塞封閉注脂孔； 步驟七、在軟土地基（1)上鉆出樁基孔，該樁基孔的直徑需考慮到減阻器（3)的尺寸， 樁基孔成型后檢查尺寸，特別需準確測量氣囊位置的樁基孔尺寸，保證氣囊（37)足夠充氣 后的水平尺寸大于樁基孔的尺寸5?10 cm ,方能保證氣囊（37)密封混凝土的效果，如不 能達到要求須更換氣囊，直至滿足要求為止，在內(nèi)筒上安裝吊鉤（40)，然后將減阻器（3)通 過樁基護筒（42)吊入樁基孔內(nèi)； 步驟八、在內(nèi)筒（31)內(nèi)部安裝樁基鋼筋籠，將吊鉤（40 )的鋼絲繩固定在樁基護筒（42 ) 上； 步驟九、放入導(dǎo)管灌注混凝土，當混凝土灌注到內(nèi)筒（31)底部10?20 ο?的高度時， 暫?；炷凉嘧ⅲ? 步驟十、將氣泵連接充氣管（39)向氣囊（37)充氣，充氣壓力0. 2?0. 3 Affla ; 步驟十一、繼續(xù)灌注混凝土，測量混凝土的上升高度，當混凝土上升20?30 ?時，此 時內(nèi)筒（31)底部已埋置在混凝土內(nèi)；再次灌注混凝土上升20?30 此時內(nèi)筒與外筒 (32)之間的混凝土也將上升20?30 即灌注的混凝土頂面與氣囊（37)底面接近，觀察 減阻器（3)的外筒（32)與樁基護筒（42)之間有無護壁泥漿溢出，如無護壁泥漿溢出，說明 氣囊（37)達到了密封內(nèi)筒（31)外壁與樁基孔內(nèi)壁之間空隙的效果；如有泥漿溢出，再次充 氣加大氣壓以使氣囊（37)達到密封效果，混凝土灌注過程中繼續(xù)觀察有無泥漿溢出，直至 混凝土灌注完畢； 步驟十二、待混凝土達到一定強度后，卸去臨時固定外筒（32)、內(nèi)筒（31)的夾具并拔 出樁基護筒（42)，該樁基（2)與內(nèi)筒（31)底部灌注一體； 步驟十三、在運營階段出現(xiàn)樁基周邊的軟土地基（1)發(fā)生工后沉降，該減阻器（3)的外 筒（32)、中件（33)和潤滑脂（4)也隨著周邊軟土同步下沉，由于減阻器（3)的無摩阻作用， 樁基（2)既不發(fā)生向下位移，也不阻止樁基周邊軟土和路面的同步工后沉降，消除了負摩阻 力導(dǎo)致的路面凸出現(xiàn)象。
【文檔編號】E02D5/60GK104372795SQ201410615250
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】林天干, 薛維梅, 張躍明, 萬鳴華, 張建新, 溫蘭花, 許東風, 林海洋, 賴煥楓, 鄭茜茜, 鄭希涌, 張強, 張繼明, 朱力, 周一勤 申請人:溫州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院