CN107268609B - 一种双层结构减震桩及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双层结构减震桩及施工方法，所述一种双层结构减震桩包括由刚性外壁、缓冲内芯和柔性套管组成，所述的刚性外壁处于最外侧，其次是处于中部的柔性套管，最内部是所述的缓冲内芯，所述的刚性外壁的作用为承受上部承载力，满足静力设计要求；所述的缓冲内芯的作用为吸收震动等能量，满足减震(如地震、车辆振动荷载等)要求。本发明具有有益效果是：在桩体内部具有减震吸能特性，有效降低地震对上部结构的影响；所述的缓冲内芯可为渣土泡沫混凝土，绿色、环保。
Description
技术领域
属软土地基处理和桩基础技术领域，特别涉及采用泡沫混凝土填芯形成双层结构减震桩的一种施工方法。主要用于高速铁路、公路软土地基处理等工程技术领域。
背景技术
地震、车辆荷载均产生振动波，对地基基础均产生不同的影响，进而影响上部结构正常使用以及产生严重的次生灾害。目前对于基础抗震研究主要从隔震结构角度入手，即在上部结构和基础层之间设置隔震层，如橡胶支座，通过隔震结构消耗来阻隔或减少震动能量传递。传统的抗震结构体系主要通过提高结构自身刚度和延性增强抗震性能，但是，一味地提高结构刚度反而更有利于震动能量传播，不利于抗震，单一地提高结构自身延性，会增强结构耗能能力，但同时其惯性力也增大，结构吸收更多的能量，对于建筑物较高的情况将会产生不利的影响。鉴于提高传统的抗震结构体系方法的局限性，大多数学者将抗震技术研究方向集中在隔震领域，而较少涉及抗震结构本身的抗震能力研究。
当前对于刚性基础如钢筋混凝土桩基(包括钢筋混凝土管桩)的设计一般是忽略它的抗震作用，当上部结构需要抗震设计时，通常采用“隔震”措施例如在桩基顶部安装柔性支座来进行抗震；对于柔性桩如水泥土搅拌桩，由于其震动变形大、易破坏不具备延性能力因而也不具备抗震桩性能。中国专利“抗震建筑桩”(CN201210151718.1)提出的一种抗震建筑桩沿桩身从上至下包括混凝土主桩、弹性柱、混凝土基底三段，利用弹性柱缓冲抗震，主要是对地震波的纵波即竖向震动有较好的缓冲作用，但由于这种桩型由三段不同刚度的桩身组合而成，其桩身整体性自然也差，当其收到地震波的横波发生水平震动时，三段不同刚度桩身震动形变不协调，易发生断桩等严重后果，因此该桩型的抗震性能具有其局限性；
另外，CN200810132936.4提供了抗震生态承载桩，目的在于提供一种承载桩，主要通过减低因土体液化而造成的承载力的降低和同时降低桩下沉过程中水对桩端的阻力来提高桩的抗震能力，该方法主要适用于地震易液化的沙土地基区域，而对含量很低甚至不含沙土的地基土其抗震作用自动失效，并且单靠桩身排水方法来降低桩周土体液化范围有限，抗震效果难以大范围实现，因此，该方法只是通过间接的方法实现抗震目的而并没有改善桩本身抗震能力；
还有，CN201310345896.2提供了一种大直径微变形减震桩护壁隔离层的施工方法及结构，用于解决建筑施工过程中距离边坡较近的孔桩需要进行隔离的难题，从而桩体的水平受荷变形对边坡的稳定性影响最小。但是该桩型本身不属于抗震桩范畴，只是给出了减小桩体水平受荷震动对边坡稳定性影响的一种施工方法，并不是以减小地震对桩体破坏影响为目的，与本发明所提出的“减震桩”有本质区别。
随着我国经济的快速发展，高速铁路、公路的软土地基常采用桩基复合地基方法处理，并且一般不采用隔震层进行抗震设计，因此提高桩基自身结构抗震性能是其抗震设计最佳途径之一。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明制作的双层结构减震桩通过改变自身结构来提高自身抗震性能，与传统的刚性桩、柔性桩相比，具有更强抗震能力。本发明同时要解决的一项现实矛盾是工程弃土收纳问题，基于以上工程实际，本发明提出一种双层结构减震桩及其施工方法。
本发明通过以下技术方案实现：本发明的首要目的在于提供了一种双层结构减震桩，包括，由刚性外壁、缓冲内芯和柔性套管组成，所述的刚性外壁处于最外侧，其次是处于中部的柔性套管，最内部是所述的缓冲内芯，所述的刚性外壁的作用为承受上部承载力，满足静力设计要求；所述的缓冲内芯的作用为吸收震动等能量，满足减震(如地震、车辆振动荷载等)要求。
更为重要的是根据前述一种双层结构减震桩，所述的刚性外壁呈环形，根据成桩施工技术优选材质的变形模量为1-200GPa，外直径为30-2000mm，壁厚为20-1000mm。
作为一种优选，所述刚性外壁采用C30混凝土，变形模量为30GPa，直径1200mm，壁厚400mm。
更为重要的是根据前述一种双层结构减震桩，根据成桩施工技术优选所述的缓冲内芯呈圆形，材质可抵抗缓冲能量达10-1000kJ，直径为10-1800mm。
作为一种优选，所述缓冲内芯采用渣土泡沫混凝土，根据组成材料比例计算得出其密度400-1200kg/m3，强度0.5-3Mpa，可抵抗吸收能量20-100kJ，直径400mm。
所述渣土泡沫混凝土的材料组成水泥、水、工程弃土、发泡剂，优选质量比例为1：1.05-1.25：1-3：0.001-0.01。
作为一种优选，所述的柔性套管，直径为400mm，可为塑料套管或钢套管。
前述各组成部件的比例和性能是本发明的优选方案，通过相互配合，相较于传统的刚性桩、柔性桩相比，明显具有更强抗震能力。
本发明所提出的泡沫混凝土不局限于使用渣土材料，也可采用粉煤灰等材料，并且材料的配合比也不限于唯一，从而可制成各种类型和强度的泡沫混凝土，最终得到满足各种需要的双层结构减震桩。
本发明提出中先在套管外侧与孔壁之间的内腔浇注普通混凝土形成混凝土管桩的施工方法也不局限于这一种，还可以是直接在桩孔内放置预制的混凝土管桩，然后在其孔内浇注泡沫混凝土形成双层结构减震桩。
本发明的另一目的在于提供了一种该双层结构减震桩的施工方法，简述主要施工方法包括步骤如下：
(1)平整场地，测量放线，采用机械成孔(如长螺旋钻孔)至设计深度，桩孔垂直度偏差不大于1％，以保证刚性外壁厚度均匀；
(2)安放套管于桩孔中心位置；
(3)制备普通混凝土和泡沫混凝土，应指出的是该泡沫混凝土采用现场工程弃土为原料的制备方法，其和易性满足管送要求；
下放导管，同时浇注所述套管外的混凝土(即刚性外壁)和内部的泡沫混凝土(即缓冲内芯)，即形成双层结构减震桩。
上述施工方法以桩径1200mm，内芯直径为400mm为例。
本发明相对于现有技术取得的有益效果包括：
基于目前基础抗震性能研究现状，结合混凝土管桩和泡沫混凝土各自特点，本发明提出了双层结构减震桩及其施工方法，该技术具有其综合优势。
(1)具有吸能抗震特性。目前对桩基抗震性能的研究主要从“隔震”角度出发，较少从结构本身入手。本发明提出的双层结构减震桩缓冲内芯部位采用的是渣土泡沫混凝土，由于泡沫混凝土的多孔性使其具有较低的弹性模量和较高耗能性，相比于其他类型的刚性桩和柔性桩，本发明实心桩具有一定的吸能抗震功能。
(2)绿色环保。本发明提出的双层结构减震桩中间部位的缓冲内芯采用泡沫混凝土填芯，该泡沫混凝土采用渣土为原材料之一，替代常用建筑材料砂石，解决了部分建筑渣土外运倒土困难、减少弃土污染和降低了工程成本，同时减少了减少建筑材料砂石用量，实现节约资源、保护环境的目的。
附图说明
图1为本发明泡沫混凝土填芯的双层结构减震桩截面示意图，其中，1为刚性外壁；2为缓冲内芯；3为柔性套管；4为能量波。
具体实施方式
下面结合技术方法和详图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。
实施例一
参照图1所示，一种双层结构减震桩，包括，由刚性外壁、缓冲内芯和柔性套管组成，所述的刚性外壁处于最外侧，其次是处于中部的柔性套管，最内部是所述的缓冲内芯，所述刚性外壁采用C30混凝土，直径1200mm，壁厚400mm。所述缓冲内芯采用渣土泡沫混凝土材料组成，水泥、水、工程弃土、发泡剂的质量比例为1：1.05-1.25：1-3：0.001-0.01，密度800kg/m3，强度2Mpa，可抵抗吸收能量60kJ，直径400mm。
具体步骤为：(1)平整场地，测量放线，采用机械成孔(如长螺旋钻孔)至设计深度，桩孔垂直度偏差不大于1％，保证后续双层结构减震桩外管壁厚度上下均匀；(2)安放套管3于桩孔中心位置；(3)制备普通混凝土和泡沫混凝土，应指出的是该泡沫混凝土采用现场工程弃土为原料的制备方法，即所需原料组成：水泥、水、工程弃土、发泡剂；(4)下放导管，同时在套管3外侧和内侧，浇注的刚性外壁1普通混凝土和缓冲内芯2泡沫混凝土，即形成双层结构减震桩。震动能量传播如图所示，有利于震动能量传播。
实施例二
在前述实施例一的基础上，在双层结构减震桩顶端加上褥垫层，便可形成复合地基，可用于处理高速铁路、公路等工程上的软土地基。
实施例三
在前述实施例一的基础上，上述实心桩不仅局限于形成复合地基来处理软土基础，也可在套管外侧与孔壁之间的内腔内设置钢筋笼，亦或是套管采用钢管，便可形成承载力更高的双层结构减震桩，用于高层建筑桩基础。
以上实施例中形成双层结构减震桩，由于其缓冲内芯2采用含有大量密集微小气孔的沫混凝土填芯而成，当地震或车辆荷载的震动波传入其内部时，震动波会在这些大量气孔的孔壁和孔内不断反射和透射，并且泡沫混凝土由于其较低的弹性模量还可以产生一定的形变，从而震动波的能量可以大量被消耗。另一方面，双层结构减震桩的普通混凝土刚性外壁1支承上部结构荷载，同时保证缓冲内芯正常工作，最终实现减震目的，相较于传统的刚性桩、柔性桩相比，明显具有更强抗震能力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双层结构减震桩，其特征在于：由刚性外壁、缓冲内芯和柔性套管组成，所述的刚性外壁处于最外侧，其次是处于中部的柔性套管，所述柔性套管为塑料套管，最内部是所述的缓冲内芯，缓冲内芯采用渣土泡沫混凝土，密度400-1200kg/m3，强度0.5-3Mpa，可抵抗吸收能量20-100kJ，渣土泡沫混凝土材料组成：水泥、水、工程弃土、发泡剂质量比例为1：1.05-1.25：1-3：0.001-0.01，所述的刚性外壁的作用为承受上部承载力，满足静力设计要求；所述的缓冲内芯的作用为吸收震动能量，满足减震要求。
2.根据权利要求1所述的双层结构减震桩，其特征在于：所述的刚性外壁呈环形，材质的变形模量为1-200GPa，外直径为30-2000mm，壁厚为20-1000mm。
3.根据权利要求2所述的双层结构减震桩，其特征在于：所述刚性外壁采用C30混凝土，直径1200mm，壁厚400mm。
4.根据权利要求1所述的双层结构减震桩，其特征在于：所述的缓冲内芯呈圆形，材质可抵抗缓冲能量达10-1000kJ，直径为10-1800mm。
5.根据权利要求4所述的双层结构减震桩，其特征在于：所述缓冲内芯直径400mm。
6.根据权利要求4所述的双层结构减震桩，其特征在于：渣土泡沫混凝土采用粉煤灰材料替换。
7.根据权利要求1所述的双层结构减震桩，其特征在于：所述的柔性套管直径为400mm。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述双层结构减震桩的施工方法，其特征在于：
步骤一：平整场地，测量放线，采用机械成孔至设计深度，桩孔垂直度偏差不大于1％；
步骤二：安放套管于桩孔中心位置；
步骤三：制备普通混凝土和渣土泡沫混凝土，其和易性满足管送要求；
步骤四：放下导管，同时浇注所述套管外的普通混凝土和内部的渣土泡沫混凝土，即形成双层结构减震桩。
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| CN107268609A (zh) | 2017-10-20 |
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Rui Inventor after: Liu Leilei Inventor after: Liu Jian Inventor after: Liu Tiejun Inventor after: Li Zhaofeng Inventor before: Chen Rui Inventor before: Liu Leilei Inventor before: Liu Jian |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190809 |