预制桩负摩阻力减阻和正摩阻力传递的装置及使用方法与流程

本发明涉及一种预制桩负摩阻力减阻和正摩阻力传递的装置及使用方法，属于土木工程预制桩基础技术领域。

背景技术：

由于城市建设的发展和土木建筑工程的日益扩大，工程建设逐渐延伸至城市郊区和不良土质区域。如新近填土层、欠固结土层、深厚软土层、湿陷性黄土等不良土体以及桩顶侧面大面积堆载、地下水位下降、冻土融沉等因素会导致土体自身压缩量较大，此类不良土层多采用桩基础。当土体压缩沉降大于承载的桩体下沉时，就在桩长的一定范围内产生负摩阻力，负摩阻力的产生增大了桩的竖向荷载，即桩额外承受了桩周土体施加的下拉力，这对桩的承载能力是不利的，这种负摩阻力持续时间长，影响范围大，尤其深厚软土层和新近填土层对桩的危害更大，桩的负荷增加会增大桩基础的沉降，影响上部结构的安全，所以面对此类工程问题，研发新型桩基减阻技术是广大土木工程技术人员迫切需要解决的问题。

现有技术中有采用塑料套筒用粘接剂粘接于桩身的方法通过卡槽单向移动的方式减缓负摩阻力。虽然能够减小桩侧负摩阻力，但仍存在卡槽长度确定，桩身负摩阻力分布、阻力大小与卡槽匹配问题难以确定，沿桩身中性点以上无差别的布设装置会导致经济浪费。或，采用注浆布袋的方式敷设与桩与土体之间，以减小桩基负摩阻力，该方法适用于现场灌注桩，而对预制桩则不适用。或，采用双套筒预埋的方法减小负摩阻力，适用于沉管灌注桩。或，采用粘接复合土工膜层的方式减小预制桩与桩周土体的负摩阻力，属于粘接类物理性减阻方式。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种预制桩负摩阻力减阻和正摩阻力传递的装置及使用方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种预制桩负摩阻力减阻和正摩阻力传递的装置，包括：

在预制桩外侧从上至下依次设置的固定部一、可降解乱丝叠层纤维板和固定部二；

所述固定部一和固定部二均设有空腔，两空腔之间通过滑动连杆相连，滑动连杆两端设有滑动部，滑动部被限位在所述空腔中上下滑动；

所述可降解乱丝叠层纤维板外侧设有多孔渗透板，用于包裹固定可降解乱丝叠层纤维板在预制桩外侧。

进一步的，所述固定部一和固定部二通过贯入靴箍筋在预制桩外侧。

进一步的，所述贯入靴设有便于与预制桩同步贯入土层的刃脚。

进一步的，还包括垫圈，所述垫圈设在固定部一与预制桩外侧之间以及固定部二与预制桩外侧之间。

进一步的，所述可降解乱丝叠层纤维板内浸润有有机膨润土泥浆。

进一步的，所述滑动部设有便于在空腔中上下滑移的滑动滚珠，所述空腔中设有与所述滑动滚珠相匹配的滑轨。

进一步的，所述固定部一和固定部二采用三瓣管；

所述三瓣管的形状依据预制桩的周身形状设置，三瓣管的每个管瓣两侧设有凹腔，相邻管瓣之间通过所述凹腔组成所述空腔。

进一步的，所述可降解乱丝叠层纤维板内浸润有机膨润土泥浆的过程包括：

将纯度在90％以上的钠基膨润土与质量比为15～25％的有机季铵盐混合搅拌均匀，加热至80～90℃温度，进行离子交换反应，控制离子交换时间为60～80min，反应后的混合物经100～115℃温度干燥后研磨成粉，制备成有机膨润土；

按有机膨润土：增粘剂：水＝1:0.01～0.02:6～8的比例制备成粘稠浆液浸润于可降解乱丝叠层纤维板。

一种预制桩负摩阻力减阻和正摩阻力传递的装置的使用方法，其特征在于，包括：

依据土体地质勘察和基础设计资料，确定预制桩的设计参数和地质参数；

依据预制桩的设计参数和地质资料，计算预制桩的桩侧土体负摩阻力数值，根据桩侧土体负摩阻力数值计算出桩侧土体塑性区和弹性区的分布，确定负摩阻力的分布长度l0；

依据负摩阻力的分布长度l0计算确定减阻装置的滑移量程；

依据负摩阻力的分布长度l0和滑移量程确定固定部一、可降解乱丝叠层纤维板、固定部二以及空腔的长度；

将确定长度后的固定部一、可降解乱丝叠层纤维板、固定部二安装于预制桩桩身；

施工安装所述装置的预制桩。

进一步的，所述弹性区的长度的确定过程为：

通过下式计算桩侧阻极限值：

其中，λ1为侧摩阻力发挥系数；c为土体粘聚力；σsz为竖向附加应力；为桩土之间的摩擦角；

桩侧摩阻力沿桩侧按线性分布计算公示为：

其中，τmin≤τ(z)≤τu，τmin为设定的桩土最小侧摩阻；k为土的侧压力系数，为桩土之间的有效摩擦角；kr为引入的参数，其中，s0为桩间距，z为自桩顶以下的深度；σs为桩顶同一平面上土体的应力；

联立方程(1-4)，(1-6)求得的深度z，获得塑性区范围l0塑；

所述滑移量程的确定过程为：

通过下式计算桩侧土层的压缩量：

或

其中，e0i为土体的初始孔隙比；e1i为土体加载变形后的孔隙比；hi为土体的计算厚度，∑hi＝l0塑；δpi为土层的平均附加应力；esi为土层的模量；

公式(1-8)中δs的计算可依据地质资料提供的相应参数，采用孔隙比e1i或压缩模量esi计算。

本发明所达到的有益效果：

本发明丰富了现有预制桩基础施工技术，研制能够降低预制桩负摩阻力的装置和使用技术；通过可降解乱丝叠层织网纤维板，促进滑移进一步减小负摩阻力，且无污染可降解。

附图说明

图1是预制桩减阻装置立面图；

图2是预制桩减阻装置剖面图；

图3是预制桩减阻装置平面图；

图4是桩侧摩阻力分布示意图；

图5是桩顶受力分布简图。

图中的1是预制桩，2是三瓣管，3是贯入靴，4是可降解乱丝叠层纤维板，5是多孔渗透板，6是滑移连杆，7是滑动滚珠，8是垫圈。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～3所示，一种预制桩负摩阻力减阻和正摩阻力传递的装置，包括：预制桩1，即是工程桩；三瓣管2，围绕预制桩1的三片环形管瓣；贯入靴3，箍紧三瓣管并设刃脚，便于与桩同步贯入土层；可降解乱丝叠层纤维板4，植物纤维制作的乱丝叠层织网纤维板，并浸润适宜的有机膨润土泥浆，可润滑桩与周围土层，进一步减小桩侧阻力；多孔渗透板5，包裹固定可降解乱丝叠层纤维板，并可渗透泥浆，润滑周边土层；滑移连杆6，滑移连杆两端设滑动滚珠7，便于上下滑移滑动滚珠7；垫圈8，用于三瓣管2与预制桩1的桩身之间，起箍紧作用。

三瓣管2：三瓣管2是减缓负摩阻力和传递正摩阻力的核心构件，通过滑移连杆6的上下滑移达到减小负摩力和承担正摩阻力的功能。本实施例中，所述三瓣管2厚20mm，长200mm。管瓣间接口间隙一端较小，适合安装即可，另一端接口间隙较宽，约80mm，以便滑移连杆6通过间隙上下滑移。

针对圆形预制桩，三瓣管2绕预制桩表面成圆管形布设，并等分桩表面，均匀环绕于圆桩四周。三瓣管2外表面设螺纹，接口处预留一定间隙，用于滑动连杆上下滑动，以发挥减阻作用。针对矩形桩型或其它截面形式的桩，三瓣管2可相应设计为与桩形相匹配的拐角形式，以便组成矩形，在矩形桩的边长中间预留接口，使得滑动连杆岩桩身上下滑动，达到消减摩阻力的作用。

贯入靴3：本实施例中贯入靴长75mm，内设螺纹，端头呈锥形，锥角18°～20°，锥尖刃口厚度2.5mm。对于圆形桩可通螺纹连接箍筋三瓣管2；对于矩形桩，可通过螺栓与三瓣管2连接，将三瓣管2固定于预制桩1上。

滑移连杆6：滑移连杆6两端头(滑动部)连接滑动滚珠7(圆珠)，滑动滚珠7置于两片三瓣管2构成的空腔内，并可在空腔内通过滑轨上下滑动，如此，滑移连杆6通过三瓣管2间隙带动滑动滚轴在负摩阻力的作用下滑动，从而达到消减负摩阻力的目的。若干时间后土体固结完成桩侧负摩阻力消失，可降解乱丝叠层纤维板4也已分解溶于桩周土体，加之滑移连杆6在消减负摩阻力产生的位移后不再滑移，多孔渗透板5和滑移连杆6则可共同传递正摩阻力。

多孔渗透板5：如图1所示，多孔渗透板5几何尺寸与三瓣管2和滑移连杆6相匹配，通过螺栓与滑移连杆6相连，多孔渗透板5通过孔洞渗透预先配制在可降解乱丝叠层纤维板4内的有机膨润土，起到润滑桩和桩周土体的作用，使得装置系统协同滑移连杆更容易上下移动，以消减负摩阻力，获得消减桩周土体更大面积负摩阻力的效果。

可降解乱丝叠层纤维板4：由植物纤维制作而成的乱丝叠层织物纤维板，厚度10mm，镶嵌于多孔渗透板5内，共同固定于滑移连杆6上，并可随同滑移连杆6上下滑动，织物纤维板疏松多孔，多孔织物内浸润有机膨润土，配制成与桩周边土体稍高的含水率，有机膨润土可通过多孔渗透板面上的圆孔与桩周土体发生渗透交换，在桩周形成润滑层，有益于减阻装置的滑移减阻，若干年后植物纤维完全降解溶于土体，环保节能。

有机膨润土的配制

将钠基膨润土(纯度在90％以上)与质量比为20％的有机季铵盐(双十八烷基二甲基氯化铵)混合搅拌均匀，加热至80℃温度，发生离子交换反应，控制离子交换时间为60min，反应后的混合物经110℃温度干燥后研磨成粉，制备成流变性和润滑性较好有机膨润土。有机膨润土：cmc(增粘剂)：水＝1:0.01:7的比例制备成粘稠浆液浸润于乱丝叠层纤维板，使包含乱丝叠层纤维板的多孔渗透板具有较高的润滑性和流变性，达到进一步减阻的目的。

本发明还提供一种预制桩负摩阻力减阻和正摩阻力传递的装置的使用方法，包括：(1)桩侧负摩阻力计算。依据贝鲁姆(berrum)计算理论，引入计算参数kr，便于方便准确的计算附加应力，避免了繁杂的查表和论计算。(2)桩侧负摩阻力塑性区确定。依据长期试验和经验积累，假定极限侧阻τu的计算经验公式，使得计算简易可行，并符合工程实际，该参数可随不同区域和数据的丰富积累，进一步精细化，或进行现场试验确定，以期获得更准确计算结果。(3)桩侧负摩阻力弹性区确定。借鉴现行地基基础设计规范有关沉降计算深度的有关规定，采用τmin限值的方法，克服了附加应力0点收敛缓慢的缺陷，有效利用桩侧负摩阻力趋于0值而无工程影响的特点，避免了桩侧负摩阻区通长布设装置的经济浪费的缺陷，(4)减阻装置的滑移量程计算。依据土层特点和负摩阻力传递特征，计算桩土相对位移并依此确定装置的滑移量程，针对性和适用性强，做到有的放矢，避免经济上的浪费。具体计算公式如下：

1.桩侧负摩阻力计算：

如图4所示，桩径d，桩顶应力σp，桩顶同一平面上土体应力σs。取复合地基桩间土等效单元体进行分析，设不同承载比桩、土所受的均布荷载分别为pp(pp＝σp)、ps(ps＝σs)，等效单元体的面积为a，桩体与桩间土的面积比桩土总均布荷载为p0，则有：

p0a＝σpap+σsas(1-1)

式中：n为桩土应力比，ap为桩截面积，as为桩加固的土面积。

桩侧摩阻力采用贝鲁姆(berrum)公式计算，桩侧摩阻力沿桩侧按线性分布，如图5所示，即：

式中：k为土的侧压力系数，分别为桩土之间的摩擦角和有效摩擦角；σ'sz为桩侧土体中竖向有效应力。

为简便计算σ'sz，引入参数kr。

其中，s0为桩间距，z为深度。

令，σ'sz＝kr·σs

(1-3)可变简化为：

(1-4)式应满足：

τmin≤τ(z)≤τu(1-5)

式中：τu为桩土极限侧摩阻力，τmin为设定的桩土最小侧摩阻力。

2.桩侧负摩阻力塑性区l0塑确定

桩侧阻极限值计算公式如下：

式中：λ1为侧摩阻力发挥系数，软土取0.6，砂土取0.8，其他粉土、粉质黏土取0.7，c为土体粘聚力；σsz桩侧土体附加应力。有条件时τu值也可试验获得。从公式(1-6)可知，桩侧极限侧阻随深度增加而变化并非定值，可取塑性区范围内侧阻极限值的平均值作为塑性区的极限侧阻，则桩侧塑性区范围内，侧阻τu为定值。由于桩顶平面处，桩土接触面土体滑动塑性区处的土压力与桩顶平面处土压力几乎相等，为便于计算，可取(1-4)式中深度z＝0处按σs计算的侧阻值上限为τu1，弹性与塑性的交界处侧阻极限值较小，由公式(1-6)计算的弹塑性交界处的侧阻极限值为τu2，侧阻τu为、τu1、τu2的平均值。

随着桩深度的增加，地基附加应力逐渐减小，由(1-4)可知，桩侧阻τ(z)逐渐减小，当小于τu时桩侧摩阻力进入弹性区，该深度即是塑性区长度范围，从而可获得塑性区的长度l0塑。同理，联立方程(1-4)，(1-6)求得的深度z，即可获得塑性区范围l0塑。桩侧负摩阻力塑性分布区段是桩土相对滑移的主要区段，也是安装减阻装置的关键区段。

3.桩侧负摩阻力弹性区l0弹确定

桩侧土体滑移塑性区l0塑以下为弹性区l0弹，弹性区侧阻逐渐减小直至为0。考虑工程的经济效益和现行建筑地基基础设计规范(gb50007-2011)中地基沉降计算深度的规定，地基某深度处附加应力接近0.2倍该处自重应力时可以忽略该处沉降，表达式为σsz≥0.2σcz，即地基一定深度处的附加应力可以忽略，同理该处侧摩阻力也可认为接近0值。如此可避免附加应力取绝对0值时收敛缓慢导致负摩阻区l0较长的缺陷，若在负摩阻力接近0至绝对0的区域安装减阻装置，工程效果不佳还将造成较大经济的浪费。地基中附加应力值减小至0.2倍该处自重应力时，此处的τmin最小，将该处视为减阻装置安装的终点，也是侧摩阻力弹性区的终点，如图5所示，塑性区末端至弹性区的终点的区间长度为l0弹。如此则克服了附加应力0点收敛缓慢的缺陷，既满足规范要求，又避免了经济浪费，工程上也可行。因此，桩侧摩阻力的最小值确定为

式中，σcz——深度z处的自重应力。

联立公式(1-4)，(1-7)即可求得桩侧负摩阻力弹性区的下限0点处，亦可确定弹性区长度l0弹。弹性区的下限0点处亦是负摩阻力与正摩阻力的临界点对应的深度位置，自桩顶至弹性区侧阻0值段区间深度，相当于塑性区l0塑，弹性区l0弹分别计算获得，可求得负摩阻力的分布长度l0，l0＝l0塑+l0弹，l0计算获得后，即可确定安装减阻装置的长度范围,负摩阻力的分布长度l0分为两块，即:塑性区和弹性区之和，可分区安装减阻装置，节省建设成本。而桩侧摩阻力的弹性区段相对滑移较小，桩土相对滑移一般为1～20mm，仅考虑在侧阻弹性区段的起始端一定范围内(如1/3区段)安装减阻装置即可。

4.减阻装置的滑移量程确定

减阻装置的滑移量程确定事关工程造价和减阻效果，是装置中比较关键的一个组成环节，也就是确定装置中滑移连杆6的上下滑动量程。滑移连杆6上下滑动的量程是由桩侧土体的压缩与桩下沉的相对位移决定的。桩土发生相对位移的主要区间是桩侧摩阻力的塑性区间，即l0塑区段，而桩侧摩阻力的弹性区段相对滑移较小，桩土相对滑移一般为1～20mm，仅考虑在侧阻弹性区段的起始端安装减阻装置即可。

如果土体孔隙比较大，土体压缩量大于桩体的下沉量，则造成桩侧产生负摩阻力。一般较厚的新近填土、欠固结土层、湿陷性黄土、桩侧大面积堆载、地下水位下降、冻土融沉等因素会导致土体自身压缩量较大。对于端承型桩嵌岩桩，可忽略桩的下刺量，则桩周的土层的在附加应力作用下的压缩量，即为桩土相对位移量。依据公式(1-8)计算出桩侧土层的压缩量，可进一步确定装置的滑移量程。

式中，e0i为土体的初始孔隙比，e1i为土体加载变形后的孔隙比，hi为土体的计算厚度，δpi为土层的平均附加应力，esi为土层的模量，公式(1-8)计算可依据地质资料提供的参数采用相应公式计算。

利用该减阻装置进行预制桩负摩阻力减阻和正摩阻力传递的方法具体如下：

(1)依据土体地质勘察和基础设计资料，确定预制桩的长度，直径和地质参数，准备加工装置的组成构件。

(2)依据地质资料，分别计算桩侧土体负摩阻力数值，并进一步计算出桩侧土体塑性区和弹性区的分布，确定负摩阻区长度l0。

(3)计算确定减阻装置的滑移量程，进一步确定多孔渗透板的几何长度，可依据土层沉降变形大小，合理确定多孔渗透板的长度，确保负摩阻力减小至最低。

(4)制备有机膨润土泥浆，依据配比制作适量的泥浆，使包含乱丝叠层纤维板的多孔渗透板具有较高的润滑性和流变性。

(5)依据以上计算结果，确定合理的装置构件后，依次安装于桩身。

装置的安装顺序依次为：贯入靴(附属垫圈)、三瓣管、滑移连杆、多孔渗透板、可降解乱丝叠层织网纤维板、其他附助配套仪器；

(6)施工含减阻装置的预制桩。

实施例：

已知复合地基采用预制管桩基础，嵌岩桩，直径400mm，长24m，桩间距1.5m，上部荷载150kpa，桩土应力比n＝8，地下水位于地面下1.0m。

深厚软土层参数：厚度10m，重度γs＝18kn/m²，饱和重度γsat＝19.2kn/m²，内摩擦角φ＝10°，压缩模量es＝3mpa。

计算步骤：

(1)桩顶平面土压力

(2)桩侧极限摩阻力和塑性区

桩顶处：τu1＝0.6×(10+86.8tan10)＝15.2kpa

z＝1.2m，τu2＝0.6×(10+65.6tan10)＝12.9kpa

即塑性区深度为1.2m，负摩阻力极限值为14.1kpa。

当深度z＝5.2m时，σsz≥0.2σcz

弹性区深度为1.2m至5.2m，长4m。

(3)滑移量程确定

塑性区土层在附加应力作用下压缩变形：

可以确定滑移连杆的滑动量程为34.7mm

(4)装置设计

塑性区长度为1.2m，用1节总长1.2m的装置即可。其中三瓣管长20cm,上下两只三瓣管总长40cm，中间渗透多孔板和织物纤维板长80cm，滑动连杆长按上下滑动5cm计算，滑动连杆90cm即可，三瓣管空腔设为50mm，可以满足滑动连杆34.7mm的量程。

(5)制备有机膨润土

(6)装置各组成构件安置于预制桩，以贯入靴进行螺纹箍紧，随桩压入土中，完成施工。

本发明的有益技术效果：

(1)丰富了现有预制桩基础施工技术，研制能够降低预制桩负摩阻力的装置和使用技术；(2)改进了桩侧负摩阻力计算方法，拓展了桩侧负摩阻力计算理论；(3)采用桩侧负摩阻力弹塑性分区法，引入经验计算参数，避免了附加应力的复杂计算。(4)采用最小剪应力τmin而非0值作为负摩阻力下限值，，建立负摩阻力弹性区确定负摩阻力临界点，避免了工程经济的浪费，符合工程实际，提高了装置的利用效率(5)研制新型有机膨润土和可降解乱丝叠层织网纤维板，促进滑移进一步减小负摩阻力，且无污染可降解。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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