工字型带预应力拉杆及抗推挡墙的双向排桩基础
阅读说明：本技术 工字型带预应力拉杆及抗推挡墙的双向排桩基础 (H-shaped bidirectional row pile foundation with prestressed pull rod and anti-pushing retaining wall ) 是由 苏恒强 吴泉霖 方虎生 陈志海 林泳 陈银波 欧阳秋 赵安运 李雨盈 梁超群 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种工字型带预应力拉杆及抗推挡墙的双向排桩基础,包括工字型桩承台、挖孔桩、地下连续墙和拉梁,工字型桩承台腹板的上端面连接拱脚,且平行于所述主拱在水平面的投影线方向,翼缘相交于主拱在水平面的投影线方向,挖孔桩等间距分布于工字型桩承台的下端面,与工字型桩承台形成排桩基础,地下连续墙设置在工字型桩承台的下端面,其延伸方向平行于所述工字型桩承台的翼缘,位于工字型桩承台靠近拱轴线末端一侧的翼缘边缘,拉梁采用钢筋混凝土预应力拉梁,通过采用工字型桩承台的腹板结构,能有效抵抗主拱倾斜时所产生的面外方向上的水平荷载,同时避免对靠近拱脚处的路基造成破坏。(The invention provides an I-shaped bidirectional row pile foundation with a prestressed pull rod and an anti-push retaining wall, which comprises an I-shaped pile cap, a bored pile, an underground continuous wall and a pull beam, wherein the upper end surface of a web plate of the I-shaped pile cap is connected with arch legs and is parallel to the projection line direction of a main arch on a horizontal plane, flanges are intersected with the projection line direction of the main arch on the horizontal plane, bored piles are distributed on the lower end surface of the I-shaped pile cap at equal intervals to form a row pile foundation with the I-shaped pile cap, the underground continuous wall is arranged on the lower end surface of the I-shaped pile cap, the extension direction of the underground continuous wall is parallel to the flange of the I-shaped pile cap, the flange edge is positioned on one side of the I-shaped pile cap close to the tail end of an arch axis, the pull beam adopts a reinforced concrete prestressed pull beam, and can effectively resist horizontal load in the out-plane direction generated when the main arch inclines by adopting the main web plate structure of the I-shaped pile cap, meanwhile, the damage to the roadbed close to the arch springing is avoided.)
技术领域
本发明涉及一种大跨度拱形建筑下部结构的基础，特别涉及一种双向排桩基础。
背景技术
随着现在建筑科技和施工技术的发展,大跨度结构在工业和民用建筑设计中的应用越来越多。大跨度拱形结构普遍应用于大跨度建筑工程的屋面和桥梁工程中，由于拱呈曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩值可以降低到最小限度，主要内力变为轴向压力，且压力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。
但由于拱结构跨度大、高度高，拱脚基础需承受较大的双向水平荷载、竖向荷载及转动弯矩，为了承受结构的荷载和保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚基础，所以在设计中难度较大，例如图1的大跨度拱形结构，其中的一对主拱架均向面外倾斜一定角度，因而拱脚处的基础除了需要承受竖向荷载外还需要承受面内如面外两个方向上的水平荷载。
为了承受主拱架的面内方向上的水平荷载，现有技术如公告号为CN207130754U的双向协同受力的大跨拱桥复合式桩基础构造，其公开了：通过在拱座下方岩体内设置竖向排桩，拱座北部设置倾斜式抗推桩，且该倾斜式抗推桩的前端与拱座固结为一体，其桩体向后且向下倾斜深入岩土体内，与竖向排桩构成复合式桩基，以抵抗拱的面内方向上的水平荷载。
上述技术方案，具有如下缺陷：
(1)若将其应用于毗邻市政道路的场地时，由于大跨度共形建筑被市政道路所包围，为了避免对路基的破坏，不能采用倾斜式抗推桩；
(2)具备倾斜式抗推桩的复合式桩基础，无法承受面外方向上的水平荷载。
发明内容
本发明的目的是提供一种工字型带预应力拉杆及抗推挡墙的双向排桩基础，旨在能承受拱平面内外方向的水平荷载的同时，实现大跨度拱形建筑能建设在密集路网之中。
一种工字型带预应力拉杆及抗推挡墙的双向排桩基础，设置于大跨度拱形建筑主拱的拱脚，其特征在于，包括：
工字型桩承台，其上端面连接所述拱脚，翼缘延伸方向相交于所述主拱在水平面的投影线方向；
挖孔桩，等间距分布于所述工字型桩承台的下端面，与所述工字型桩承台形成排桩基础。
进一步地，还包括设置在所述工字型桩承台的下端面、其延伸方向垂直于所述主拱在水平面的投影线方向的、沿工字型桩承台的翼缘全宽布置的地下连续墙。
进一步地，所述地下连续墙设置于所述工字型桩承台下、靠近主拱拱脚外一侧的翼缘边缘。
进一步地，所述工字型桩承台的腹板平行于所述主拱在水平面的投影线方向。
本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：
(1)采用地下连续墙来替代倾斜式抗推桩，在抵抗了主拱面内方向上的水平荷载的同时，避免对靠近拱脚处的路基造成破坏。
(2)通过采用工字型桩承台的腹板结构，能有效抵抗主拱倾斜时所产生的面外方向上的水平荷载。
(3)工字型桩承台翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强，其翼缘所占的比例较大，截面面积分配更合理，相对于正方形桩承台，在截面积相同条件下，强轴刚度要比弱轴刚度大1倍以上，工字型双向排桩基础桩数减少了18％，自重和混凝土用量减少了20％。
(4)通过选择合适的人工挖孔桩桩长来实现较优的工程经济性，由于超出一定桩长后，经济成本增加较多的同时并未带来与之匹配的受力性能，通过调整桩体长度来适应不良的地质条件，有效的减少桩长，减轻基础自重，减少混凝土用量。
(5)克服了仅由单独的竖向群桩进行抗水平荷载、竖向荷载及转动弯矩设计的不足，在工字形承台翼缘增设两道地下连续墙，地下连续墙与承台和人工挖孔桩固结为一体，形成复合形桩基，将主拱圈端部强大的水平推力、竖向压力以及转动弯矩合理地传递到满足承载能力要求的地基岩层上。
(6)地下连续墙刚度大，水平承载力高，与桩承台和人工挖孔桩有效结合，能够根据自身的刚度协助竖向群桩抵抗作用于拱脚位置处的剪力、轴力与弯矩，减弱作用于竖向群桩的荷载，提高了排桩基础的刚度、强度和稳定性。
(7)高效地提高了基础抵抗拱脚双向水平推力的能力，不仅解决了对于水平荷载较大的拱桥，仅采用竖向群桩基础容易引起部分桩基处于高剪应力的状态而导致桩基顶部混凝土开裂以及钢筋屈服的问题，也解决了因场地受限而无法采用传统的在承台背部设置倾斜式抗推桩的问题。
(8)材料用量，开挖量与施工难度比传统的拱脚基础均较小，在保证结构安全的前提下降低了施工难度，大大缩短了工期,降低了工程造价,获得了良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明所支撑的一种大跨度拱形结构的示意图；
图2为采用了本发明所述双向排桩基础的大跨度拱形结构的侧视图；
图3为图1所述拱形结构的双向排桩基础的平面图；
图4为本发明所述双向排桩基础单个工字型桩承台的平面图；
图5为本发明所述双向排桩基础单个工字型桩承台的侧向剖面图；
图6为对比例一的挖孔桩Y方向剪力有限元分析软件PLAXIS 3D的计算结果图；
图7为实施例三的挖孔桩Y方向剪力有限元分析软件PLAXIS 3D的计算结果图；
图8为对比例一的挖孔桩X方向剪力有限元分析软件PLAXIS 3D的计算结果图；
图9为实施例三的挖孔桩X方向剪力有限元分析软件PLAXIS 3D的计算结果图；
其中：1主拱；2工字型桩承台；21翼缘；22腹板；3挖孔桩；4地下连续墙。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本发明提出一种工字型带预应力拉杆及抗推挡墙的双向排桩基础。
在本发明实施例中，如图2至图5所示，该双向排桩基础包括工字型桩承台2、挖孔桩3和地下连续墙4。
具体地，工字型桩承台2的腹板22的上端面连接主拱1的拱脚，且平行于所述主拱1在水平面的投影线方向，翼缘21相交于主拱1在水平面的投影线方向，挖孔桩3等间距分布于工字型桩承台2的下端面，与工字型桩承台2形成排桩基础，地下连续墙4设置在工字型桩承台2的下端面，其延伸方向平行于所述工字型桩承台2的翼缘21，位于工字型桩承台2靠近主拱1的拱脚外一侧的翼缘22的边缘，以实现最大的抗主拱1轴线防线位移效果。
以下通过改变桩长和是否设立地下连续墙4来对对该实施例进行受力分析，以论证本发明的有益效果。
对比例一
为一传统的正方形承台排桩基础，正方形承台平面尺寸为全长23200mm，全宽23200mm，承台厚度为2500mm，人工挖孔桩3桩数为68根，桩长15m。
实施例1
工字型桩承台2平面尺寸为全长23200mm，全宽23200mm，上翼缘21宽8200m，下翼缘21宽5200mm，腹部宽11200mm，承台厚度为2500mm，在承台上翼缘21部分布置24根人工挖孔桩3，在下翼缘21部分布置16根人工挖孔桩3，腹板22部分布置16根人工挖孔桩3，总数为56根，人工挖孔桩3的桩长为15m。
实施例2
工字型桩承台2平面尺寸为全长23200mm，全宽23200mm，上翼缘21宽8200m，下翼缘21宽5200mm，腹部宽11200mm，承台厚度为2500mm，在承台上翼缘21部分布置24根人工挖孔桩3，在下翼缘21部分布置16根人工挖孔桩3，腹板22部分布置16根人工挖孔桩3，总数为56根，人工挖孔桩3的桩长为10m。
实施例3
工字型桩承台2平面尺寸为全长23200mm，全宽23200mm，上翼缘21宽8200m，下翼缘21宽5200mm，腹部宽11200mm，承台厚度为2500mm，在承台上翼缘21部分布置24根人工挖孔桩3，在下翼缘21部分布置16根人工挖孔桩3，腹板22部分布置16根人工挖孔桩3，总数为56根，人工挖孔桩3的桩长为10m，在工字型桩承台2的上、下翼缘21处所垂直于主拱1在水平面投影线方向，各布置两道地下连续墙4以提高基础抵抗拱脚双向水平推力的能力，地下连续墙4沿工字型桩承台2承台的翼缘21全宽布置，厚度1200mm，高度4950mm。
上述对比例一、实施例1-3中的人工挖孔桩3的尺寸为1200x1200mm，桩距3000mm，单桩承载力特征值为2000KN，单桩水平承载力特征值为700KN，正方形承台、工字型桩承台2和人工挖孔桩3所采用的混凝土强度等级为C35，工字型桩承台2的底标高为0.000mm。
计算分析采用大型非线性岩土有限元分析软件PLAXIS 3D,排桩基础采用Embedded桩单元，从其本构模型库选择摩尔-库伦材料模型模拟土层，对其进行受力分析。
如图3所示，拱形结构的主拱1共四个拱脚基础，对其中一个拱脚的基础进行计算对比分析，将主拱1的拱脚内力及工字型桩承台2的上部荷载所等效为工字型桩承台2的面荷载如下：
对比例一：σx:28.87kN/m2；
σy:-48.89kN/m2；
σz:-29.36kN/m2；
|σ|:63.92kN/m2；
实施例一至三：σx:36.95kN/m2；
σy:-62.57kN/m2；
σz:-37.58kN/m2；
|σ|:81.81kN/m2。
各岩土层的设置如下表：
通过计算所得出的工字型桩承台2位移表如下：
X向最大位移(mm)
Y向最大位移(mm)
Z向最大位移(mm)
对比例一
6.0701
10.07
56.45
实施例一
8.250
11.28
65.91
实施例二
7.613
11.15
80.68
实施例三
3.571
6.208
65.26
由上述列表可见，正方形桩承台改为工字型桩承台2后，承台刚度变化不大，而桩长15m改为10m后,工字型桩承台2的X向位移有所变小,Y向位移基本不变，Z向位移变大,但变化幅度不大，在翼缘21布置两道地下连续墙4后，有效的提高了排桩基础的刚度，使得各方向位移均变小。
通过计算所得出的人工挖孔灌注桩的桩底轴力表如下：
对比例一
实施例一
实施例二
实施例三
桩身最大轴力(kN)
3442
3464
2574
2417
顶最大轴力(kN)
1242
1884
1866
1835
底最大轴力(kN)
1932
2980
2465
2200
由上述列表可见，正方形桩承台改为工字型桩承台2后，人工挖孔桩3的桩数减少后，桩底轴力有所增大，桩长15m改为10m后,桩底轴力变小,由桩身轴力随深度变化曲线表明，桩身最大轴力所在位置不在桩顶，而在桩中间。在特定桩间距和本场地土层特性情况下的排桩基础，土层下沉量大于桩身混凝土的压缩量，导致土体对桩身产生下拉力，因此本工程考虑一定的负摩阻力，复核验算桩身承载力。当桩长过大，负摩阻力影响段越长，导致15米桩的桩中最大轴力大于10米桩长的桩中最大轴力；在承台翼缘21布置两道地下连续墙4后，地下室连续墙分担了部分上部荷载,桩底轴力随之变小。
通过计算所得出的人工挖孔灌注桩的剪力表如下：
由上述列表可见，正方形桩承台改为工字型桩承台2后，人工挖孔桩3承受的双向水平推力均变化幅度不大；桩长15m改为10m后,主要承受剪力的桩段长度变长，桩顶段所受的剪力更为均匀，因此10米桩长的桩身双向剪力均变小,随深度变化的剪力曲线发现，在桩土共同作用下，人工挖孔桩3在桩顶处受到较大的剪力，随深度加大剪力快速衰减，故桩顶在一定深度范围箍筋加密。桩长超过一定深度后，对于抵抗水平剪力作用不大；在承台翼缘21布置两道地下连续墙4后，人工挖孔灌注桩承受的X向水平推力有所变小，但Y向水平推力明显变小。
如图6至图9所示，实施例三在设置了地下连续墙4后，挖孔桩3承担的Y向剪力大幅下降，X向剪力仅小幅下降，因此地下连续墙4墙厚平行于水平作用力较大的主拱架跨度方向时，增加了抗侧构件与土的接触面，承担较大剪力。
通过计算所得出的人工挖孔桩3的位移表如下：
X向最大位移(mm)
Y向最大位移(mm)
Z向最大位移(mm)
对比例一
6.147
8.593
55.92
实施例一
6.125
9.255
65.13
实施例二
6.523
10.120
80.24
实施例三
3.414
6.269
65.09
由上述列表可见，正方形桩承台改为工字型桩承台2、桩长15m改为10m后，X向Y向的位移变化均不大，Z向位移有所增加，但沉降变形均较小，承台的刚度变化不大；在工字型承台翼缘21布置两道地下连续墙4后，有效的提高了排桩基础的刚度，人工挖孔桩3X向、Y向的位移也明显变小。
通过计算所得出的结构自重及混凝土用量表如下：
由上述列表可见，正方形桩承台改为工字型承台后，结构自重和混凝土用量减少20％；桩长15m改为10m后,结构自重和混凝土用量相比实施例一减少8％；在承台翼缘21布置两道地下连续墙4后，结构自重和混凝土用量相比实施例二增加了8％，相比对比例一减少28％。
综上，本发明所述双向排桩基础相比方字型布置的基础刚度变化不大，能较好地承担两个大小不同的水平推力。选择合适桩长的人工挖孔桩3排桩基础能实现较优的工程经济性，当超出一定桩长后，经济成本增加较多时并未带来与之匹配的受力性能。在工字型布置排桩基础的前提下，在其翼缘21增设两道地下连续墙4，能高效地提高了垂直地下连续墙4面方向的抵抗水平推力的能力，人工挖孔灌注桩X向Y向的位移明显变小。在满足规范对人工挖孔桩3竖向承载力，水平承载力，水平位移，沉降变形要求的前提下，有效的减少桩数，减轻基础自重，减少了混凝土用量。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。