阅读说明：本技术 一种抗上拱螺纹桩结构及其设计和施工方法 (Anti-upwarp threaded pile structure and design and construction method thereof ) 是由 周和祥 付铭川 李宁 周成 吴沛沛 胡超 曾永红 龚建辉 肖昌睿 陈伟志 周川滨 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及岩土工程领域,特别是一种抗上拱螺纹桩结构及其设计和施工方法,其中螺纹桩结构包括螺纹桩,所述螺纹桩的上部具有等直径段,所述螺纹桩的下部具有螺纹段,所述螺纹段的外壁上具有螺纹,所述等直径段外侧套设有双层钢护筒,所述双层钢护筒包括内层钢护筒和外层钢护筒,所述内层钢护筒与所述外层钢护筒能够相对移动。本申请所述的一种抗上拱螺纹桩结构,能够增大抗拔桩(选用螺纹桩为抗拔桩)的抗上拱能力,不仅满足软岩深路堑条件下使用,而且相比于常规的等直径抗拔桩来说,在相同的抗上拱能力的条件下,规格更小,经济性更高。(The invention relates to the field of geotechnical engineering, in particular to an anti-upwarp threaded pile structure and a design and construction method thereof, wherein the threaded pile structure comprises a threaded pile, the upper part of the threaded pile is provided with a constant-diameter section, the lower part of the threaded pile is provided with a threaded section, threads are arranged on the outer wall of the threaded section, a double-layer steel casing is sleeved on the outer side of the constant-diameter section, the double-layer steel casing comprises an inner-layer steel casing and an outer-layer steel casing, and the inner-layer steel casing and the outer-layer steel casing can move relatively. This application an anti screw pile structure that arches, can increase the anti ability of arching of uplift (select for screw pile to be uplift) not only satisfy and use under the dark cutting condition of soft rock, compare in conventional equal diameter uplift moreover, under the same anti condition of arching ability, the specification is littleer, economic nature is higher.)

一种抗上拱螺纹桩结构及其设计和施工方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别是一种抗上拱螺纹桩结构及其设计和施工方法。

背景技术

软质岩普遍具有较强的卸荷蠕变、遇水膨胀的性质，当无砟轨道以深路堑形式通过软质岩地区时，在开挖卸荷、水环境变化的双重影响下，出现路基结构上拱病害的风险较大。

为保证高速铁路运营安全，目前通常采用抗拔桩结构来控制路基上拱变形。

但是，如图1所示，在软岩深路堑条件下，路基以下一定深度内存在上拱变形区3，上拱变形区3下部为稳定区4，上拱变形区3内岩土体会发生上拱变形，使得抗拔桩受到向上的侧阻力，降低其抗上拱能力。

另外，常规的等直径桩提供的桩侧阻力相对有限，导致设计桩身较长、截面较大，经济性较差。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的在软岩深路堑条件下，岩土体会降低抗拔桩的抗上拱能力，而常规的等直径抗拔桩提供的桩侧阻力相对有限，导致设计桩身较长、截面较大，经济性较差问题，提供一种抗上拱螺纹桩结构及抗上拱螺纹桩结构的设计方法和抗上拱螺纹桩结构的施工方法，能够增大抗拔桩的抗上拱能力，不仅满足软岩深路堑条件下使用，而且相比于常规的等直径抗拔桩来说，在相同的抗上拱能力的条件下，规格更小，经济性更高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种抗上拱螺纹桩结构，包括螺纹桩，所述螺纹桩的上部具有等直径段，所述螺纹桩的下部具有螺纹段，所述螺纹段的外壁上具有螺纹，所述等直径段外侧套设有双层钢护筒，所述双层钢护筒包括内层钢护筒和外层钢护筒，所述内层钢护筒与所述外层钢护筒能够相对移动。

本申请所述的一种抗上拱螺纹桩结构，包括双层钢护筒、螺纹桩，所述螺纹桩分为上部等直径段、下部螺纹段，双层钢护筒包括内层钢护筒和外层钢护筒，内层钢护筒与外层钢护筒能够相对移动，在施工时，螺纹段伸入地基的稳定区内，等直径段位于地基的上拱变形区内，所述螺纹桩等直径段外设有双层钢护筒，能有效消除螺纹桩结构在上拱变形区的不利侧阻力影响，上部采用等直径段能使桩体与双层钢护筒的内层钢护筒结合更加紧密，从而提高桩体整体强度，下部采用螺纹段能增加桩体在稳定区的侧阻力，从而增强螺纹桩结构的整体抗拔性能。

综上所述，本申请所述的一种抗上拱螺纹桩结构，能够增大抗拔桩(选用螺纹桩为抗拔桩)的抗上拱能力，不仅满足软岩深路堑条件下使用，而且相比于常规的等直径抗拔桩来说，在相同的抗上拱能力的条件下，规格更小，经济性更高。

优选地，所述双层钢护筒轴向的长度与上拱变形区的厚度相适配，所述等直径段沿其轴向的长度与所述双层钢护筒轴向的长度相适配，以完全消除螺纹桩结构在上拱变形区的不利侧阻力影响。

本申请还公开了一种用于本申请所述的抗上拱螺纹桩结构的设计方法，包含以下步骤，

A1.预设所述螺纹桩的结构尺寸，并以此计算所述螺纹桩的自重G_p以及所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值T_uk；

A2.所述螺纹桩的自重G_p以及所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值T_uk计算所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值R_a。

A3：根据所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值R_a调整所述螺纹桩的结构尺寸，直至计算得到的所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值R_a满足所述螺纹桩的抗拔要求，得到最终的所述螺纹桩的结构尺寸。

本申请所述的一种用于本申请所述的抗上拱螺纹桩结构的设计方法，先根据经验预设所述螺纹桩的结构尺寸，并以此计算所述螺纹桩的自重以及所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值，进一步算得所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值，之后根据所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值是否满足所述螺纹桩的抗拔要求，来调整所述螺纹桩的结构尺寸，从而得到最终的所述螺纹桩的结构尺寸，该方法能够科学合理地开展抗上拱螺纹桩结构的抗拔设计，且力学原理明确、推导思路清晰、计算过程简单，保证了本发明结构的受力安全，为工程设计计算提供可靠的依据。

优选地，计算所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值时，依据所述螺纹段的侧阻力，排除所述等直径段的侧阻力。

计算所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值时，忽略螺纹桩上部等直径段的侧阻力，仅考虑螺纹桩下部螺纹桩的侧阻力，使计算更偏向安全。

优选地，所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值为：

T_uk＝u∑λβq_sikl_i

式中：T_uk为所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值，kN；q_sik为干作业钻孔桩极限侧阻力标准值，kPa；λ为抗拔系数；β为螺纹桩桩身等效极限侧阻力标准值相对于干作业钻孔桩极限侧阻力标准值的增强系数；当螺纹段桩侧土以砂土为主时取高值，以黏性土为主时取低值；l_i为所述螺纹段穿过的第i层土厚度，m。

优选地，所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值具体为：

R_a＝T_uk/K+G_p

式中：R_a为所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值，kN；K为安全系数，取K＝2；T_uk为所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值，kN；G_p为所述螺纹桩自重，kN。

本申请还公开了一种施工方法，用于形成本申请所述的抗上拱螺纹桩结构，基于钻机，所述钻机包括螺旋钻杆，所述螺旋钻杆内部沿长度设置有用于输送混凝土的输送通道，所述螺旋钻杆的钻头部位有与所述输送通道相连通的出口，该施工方法包含如下步骤：

S1.沉入所述双层钢护筒至上拱变形区中的预定位置；

S2.启动所述钻机，所述螺旋钻杆正向旋转，进行钻孔施工，所述螺旋钻杆贯穿所述上拱变形区并伸入稳定区，直至所述螺纹段的预定深度后停钻，已形成用于成型所述螺纹桩的桩孔；

S3.所述螺旋钻杆反向旋转并回程，同时继续将混凝土通过输送通道泵送至所述钻头处，并填充至所述桩孔中；

S4.当所述钻头到达所述上拱变形区与稳定区分界面时，所述螺旋钻杆正向旋转并回程，继续朝所述桩孔中输送混凝土，直至所述桩孔中完全填满混凝土；

S5.将所述螺纹桩的钢筋笼沉入所述桩孔内的混凝土中，直至预定位置，待混凝土凝固后，形成一体浇筑的所述螺纹桩。

本申请所述的一种施工方法，用于形成本申请所述的抗上拱螺纹桩结构，基于钻机，通过钻机上螺旋钻杆的正转和翻转，从而能够在下部钻得螺纹孔，上部转得等直径孔，从而保证了钻孔填筑后形成等直径段和螺纹段，之后将钢筋笼沉入所述桩孔内的混凝土中，最终形成符合要求的一体浇筑的螺纹桩，施工简单，整个施工过程都能借助钻机机械，省时省力，缩短工期，降低施工成本。

优选地，所述螺旋钻杆反向旋转并回程过程中，所述钻头与所述桩孔中的混凝土相接触。以避免发生桩身夹泥或断桩的情况，而影响成桩效果。

优选地，所述钢筋笼与所述桩孔的内壁之间具有间隙。

若所述钢筋笼***内壁，会破坏已钻孔形成的螺纹桩桩孔，对浇筑完成后的螺纹桩质量造成影响,故所述钢筋笼与所述桩孔的内壁之间具有间隙，以避免钢筋笼***内壁。

优选地，所述钻机包括振动管，步骤S5中，将所述螺纹桩的钢筋笼套入振动管，并将所述钢筋笼振动沉入所述桩孔内的混凝土中。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本申请所述的一种抗上拱螺纹桩结构，能够增大抗拔桩(选用螺纹桩为抗拔桩)的抗上拱能力，不仅满足软岩深路堑条件下使用，而且相比于常规的等直径抗拔桩来说，在相同的抗上拱能力的条件下，规格更小，经济性更高。

2、本申请所述的一种抗上拱螺纹桩结构，所述双层钢护筒轴向的长度与上拱变形区的厚度相适配，等直径段长度轴向的与所述双层钢护筒轴向的长度相适配，以完全消除螺纹桩结构在上拱变形区的不利侧阻力影响。

3、本申请所述的一种用于本申请所述的抗上拱螺纹桩结构的设计方法，先根据经验预设所述螺纹桩的结构尺寸，并以此计算所述螺纹桩的自重以及所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值，进一步算得所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值，之后根据所述螺纹桩的单桩竖向抗拔承载力特征值是否满足所述螺纹桩的抗拔要求，来调整所述螺纹桩的结构尺寸，从而得到最终的所述螺纹桩的结构尺寸，该方法能够科学合理地开展抗上拱螺纹桩结构的抗拔设计，且力学原理明确、推导思路清晰、计算过程简单，保证了本发明结构的受力安全，为工程设计计算提供可靠的依据。

4、本申请所述的一种用于本申请所述的抗上拱螺纹桩结构的设计方法，计算所述螺纹桩的单桩竖向抗拔极限承载力标准值时，忽略螺纹桩上部等直径段的侧阻力，仅考虑螺纹桩下部螺纹桩的侧阻力，使计算更偏向安全。

5、本申请所述的一种用于形成本申请所述的抗上拱螺纹桩结构的施工方法，基于钻机，通过钻机上螺旋钻杆的正转和翻转，从而能够在下部钻得螺纹孔，上部转得等直径孔，从而保证了钻孔填筑后形成等直径段和螺纹段，之后将钢筋笼沉入所述桩孔内的混凝土中，最终形成符合要求的一体浇筑的螺纹桩，施工简单，整个施工过程都能借助钻机机械，省时省力，缩短工期，降低施工成本。

附图说明

图1是现有技术的一种软岩地基的结构示意图。

图2是本发明的一种抗上拱螺纹桩结构的结构示意图。

图3是本发明的一种施工方法中步骤S1施工示意图。

图4是本发明的一种施工方法中步骤S2施工示意图。

图5是本发明的一种施工方法中步骤S3施工示意图。

图6是本发明的一种施工方法中步骤S4施工示意图。

图7是本发明的一种施工方法中步骤S5施工示意图。

图标：1-双层钢护筒；2-螺纹桩；21-等直径段；22-螺纹段；3-上拱变形区；4-稳定区；5-钻机；51-螺旋钻杆；52-钻头；53-钢筋笼。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图2所示，本实施例所述的一种抗上拱螺纹桩结构，包括螺纹桩2，所述螺纹桩2的上部具有等直径段21，所述螺纹桩2的下部具有螺纹段22，所述螺纹段22的外壁上具有螺纹，所述等直径段21外侧套设有双层钢护筒1，双层钢护筒1包括内层钢护筒和外层钢护筒，内层钢护筒与外层钢护筒能够相对移动，在施工时，螺纹段22伸入地基的稳定区4内，等直径段21位于地基的上拱变形区3内，所述螺纹桩2等直径段21外设有双层钢护筒1，能有效消除螺纹桩2结构在上拱变形区3的不利侧阻力影响，上部采用等直径段21能使桩体与双层钢护筒1的内层钢护筒结合更加紧密，从而提高桩体整体强度，下部采用螺纹段22能增加桩体在稳定区4的侧阻力，从而增强螺纹桩2结构的整体抗拔性能。

在上述基础上，进一步优选的方式，所述双层钢护筒1轴向的长度与上拱变形区3的厚度相适配，等直径段21沿其轴向的长度与所述双层钢护筒1轴向的长度相适配，以完全消除螺纹桩2结构在上拱变形区3的不利侧阻力影响。

本实施例的有益效果：本申请所述的一种抗上拱螺纹桩结构，通过在上拱变形区3设置双层钢护筒1，可有效减小地基上拱变形对螺纹桩2产生的不利侧阻力的影响；在稳定区4通过在螺纹桩2下部设置螺纹段22，可大幅提高桩结构的抗拔承载力，并且施工简便易行，能达到节约工程投资的目的。不仅满足软岩深路堑条件下使用，而且相比于常规的等直径抗拔桩来说，在相同的抗上拱能力的条件下，规格更小，经济性更高。

实施例2

如图2所示，本实施例所述的一种用于实施例1所述的抗上拱螺纹桩结构的设计方法，包含以下步骤，

1.按螺纹桩2外径计算螺纹桩2的面积：

A_p＝πD²/4

式中：A_p为螺纹桩2的面积，m2；D为螺纹桩2外径，m。

2.按螺纹桩2外径计算螺纹桩2的周长：

u＝πD

式中：u为螺纹桩2的周长，m。

3.计算螺纹桩2有效自重：

G_p＝γA_pl_p

式中：G_p为螺纹桩2自重，kN；λ为螺纹桩2和螺纹之间土的平均重度，可近似取混凝土重度，地下水位以下取浮重度，kN；l_p为螺纹桩2总长度，m；

4.计算螺纹桩2单桩竖向抗拔极限承载力标准值，忽略螺纹桩2上部等直径段21侧阻力，仅考虑下部螺纹段22侧阻力：

T_uk＝u∑λβq_sikl_i

式中：T_uk为螺纹桩2单桩竖向抗拔极限承载力标准值，kN；q_sik为干作业钻孔桩极限侧阻力标准值，可按现行行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008中干作业钻孔桩极限侧阻力标准值取值，kPa；λ为抗拔系数，可按表1中系数取值；β为螺纹桩2桩身等效极限侧阻力标准值相对于干作业钻孔桩极限侧阻力标准值的增强系数，可根据工程经验确定，无经验时，可取1.3～1.6，当螺纹段22桩侧土以砂土为主时取高值，以黏性土为主时取低值；l_i为螺纹桩2的螺纹段22穿过的第i层土厚度，m。

表1抗拔系数λ

土类	λ值
		砂土	0.5-0.7
黏性土、粉土	0.70-0.8

注：螺纹桩2长l_p与螺纹桩2外径D之比小于20时，λ取小值。

5.计算螺纹桩2单桩竖向抗拔承载力特征值：

R_a＝T_uk/K+G_p

式中：R_a为螺纹桩2单桩竖向抗拔极限承载力特征值，kN；K为安全系数，取K＝2。

6.根据所述螺纹桩(2)的单桩竖向抗拔承载力特征值调整所述螺纹桩(2)的结构尺寸，直至计算得到的所述螺纹桩(2)的单桩竖向抗拔承载力特征值满足抗拔要求，得到最终的所述螺纹桩(2)的结构尺寸。

本计算方法的有益效果是：

本申请所述的一种用于本申请所述的抗上拱螺纹桩结构的设计方法，先根据经验预设所述螺纹桩2的结构尺寸，并以此计算所述螺纹桩2的自重以及所述螺纹桩2的单桩竖向抗拔极限承载力标准值，进一步算得所述螺纹桩2的单桩竖向抗拔承载力特征值，之后根据所述螺纹桩2的单桩竖向抗拔承载力特征值是否满足所述螺纹桩2的抗拔要求，来调整所述螺纹桩2的结构尺寸，从而得到最终的所述螺纹桩2的结构尺寸，该方法能够科学合理地开展抗上拱螺纹桩结构的抗拔设计，且力学原理明确、推导思路清晰、计算过程简单，保证了本发明结构的受力安全，为工程设计计算提供可靠的依据。

实施例3

如图2所示，某高速铁路无砟轨道软岩深路堑结构，设置螺纹桩结构用于抵抗软岩产生的上拱力。螺纹桩长l_p为15m，其中螺纹段长度l为5m，螺纹桩外径为D＝1.2m，内径为d＝1.0m，混凝土重度为25kN/m³，不考虑地下水作用。螺纹桩抗拔系数λ为0.7，增强系数β为1.5，基底以下地层均匀，软岩中干作业钻孔桩极限侧阻力标准值q_sik为80kPa。安全系数K取2.0，现场需要的螺纹桩2单桩竖向抗拔承载力值要大于1100KN。

(1)按螺纹桩外径计算螺纹桩的面积：

A_p＝πD²/4＝3.14×1.2²/4＝1.13m²

(2)按螺纹桩外径计算螺纹桩的周长：

u＝πD＝3.14×1.2＝3.77m

(3)计算螺纹桩有效自重：

G_p＝γA_pl_p＝25×1.13×15＝423.8kN

(4)计算螺纹桩单桩竖向抗拔极限承载力标准值：

T_uk＝u∑λβq_sikl_i＝3.77×0.7×1.5×80×5＝1583.4kN

(5)计算螺纹桩(2)单桩竖向抗拔承载力特征值：

R_a＝T_uk/K+G_p＝1583.4/2+423.8＝1215.5kN

计算得到R_a>1100KN,故不需要调整所述螺纹桩2的结构尺寸，计算得到的所述螺纹桩2的单桩竖向抗拔承载力特征值满足抗拔要求，故其对应螺纹桩2的结构尺寸得到最终的所述螺纹桩2的结构尺寸。

实施例4

如图3-7所示，本实施例所述的一种施工方法，用于形成实施例1所述的抗上拱螺纹桩结构，包含以下步骤：

①整平施工场地，准确确定桩位，螺杆桩机就位，调整螺旋钻杆51垂直度，使螺旋钻杆51垂直对准桩位中心，确保垂直度小于1.0％；

②沉入双层钢护筒1至指定位置；

③启动钻机5，螺旋钻杆51正向旋转，并在旋转过程中慢速向下移动，下钻过程中桩机自控系统严格控制螺旋钻杆51下降速度和旋转速度，使二者匹配，要求螺旋钻杆51旋转一周，螺旋钻杆51下降一个螺距，直至预定深度后停钻；

④螺旋钻杆51反向旋转，并在旋转过程中慢速向上移动，提钻过程中桩机自控系统严格控制螺旋钻杆51上拔速度和旋转速度，使二者匹配，要求螺旋钻杆51旋转一周，螺旋钻杆51上拔一个螺距，在提钻的同时，将混凝土通过螺旋钻杆51内的通道泵送到钻头52，并填充在钻孔中，在提钻时，提钻速度要保持匀速，提升速度不得大于混凝土泵送速度，严禁钻头52提离混凝土面，造成桩身夹泥或断桩；

⑤当钻头52高度到达上拱变形区3与稳定区4分界面后，调整螺旋钻杆51旋转方向为正向旋转，同时螺旋钻杆51保持慢速向上移动，并继续泵送混凝土，直到螺旋钻杆51完全取出，钻孔中完全填满混凝土；

⑥将钢筋笼53套入振动管，并垂直向下将钢筋笼53振动沉入钻孔内混凝土中，直到预设位置，钢筋笼53安放要居孔中，防止***孔壁，待混凝土凝固后，形成一体浇筑的螺纹桩2。

本实施例的有益效果：本实施例所述的一种施工方法，用于形成本申请所述的抗上拱螺纹桩结构，基于钻机5，通过钻机5上螺旋钻杆51的正转和翻转，从而能够在下部钻得螺纹孔，上部转得等直径孔，从而保证了钻孔填筑后形成等直径段21和螺纹段22，之后通过振动管将钢筋笼53振动沉入所述桩孔内的混凝土中，最终形成符合要求的一体浇筑的螺纹桩2，施工简单，整个施工过程都能借助钻机5机械，省时省力，缩短工期，降低施工成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。