專利名稱：具有包括臨界內(nèi)孔的末端擴大盤的擴頭樁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擴頭樁，其中，中空樁的末端設(shè)有末端擴大盤，該末端擴大盤的尺 寸大于所述末端的橫截面尺寸，以使所述中空樁的末端支撐力實現(xiàn)增強。更具體而言，本發(fā) 明涉及一種擴頭樁，其中，末端擴大盤在其橫截面中形成有內(nèi)孔，該內(nèi)孔的優(yōu)化直徑比中空 樁的內(nèi)直徑小。
背景技術(shù)：
通常，為了加強建筑物或結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)或為了增大地面的支撐力而執(zhí)行基礎(chǔ)施工， 從而安全地支承所述基礎(chǔ)。根據(jù)基礎(chǔ)施工的具體實現(xiàn)方法，可將基礎(chǔ)施工分成為硬化式基 礎(chǔ)施工(使用碎石、沙子、沙礫等進行硬化)、樁筏基礎(chǔ)施工、墩基礎(chǔ)施工、(現(xiàn)行的)樁基 礎(chǔ)施工和現(xiàn)場澆注混凝土樁基礎(chǔ)施工?？紤]建筑或結(jié)構(gòu)的荷載、地面條件和其他施工條件 來選擇最優(yōu)的基礎(chǔ)施工。在各種基礎(chǔ)施工中，樁基礎(chǔ)施工是最常使用的，在樁基礎(chǔ)施工中， 將樁掩埋在地下，以通過利用由樁的末端施加的末端支撐力和由樁的外圍施加的摩擦支撐 力，實現(xiàn)地面承載力的增大。雖然在樁基礎(chǔ)施工中使用的樁被制成例如相同形狀的鋼樁和混凝土樁，但是為了 實現(xiàn)與傳統(tǒng)樁相比增大的支撐力，最近已經(jīng)提出并且越來越多使用擴頭樁。擴頭樁通常構(gòu) 造成這樣，即將外直徑大于樁的外直徑的末端擴大盤設(shè)置在樁的末端處，以增大末端的外 直徑。末端的被增大的外直徑具有增大末端的橫截面和土地之間的接觸面積的作用，從而 允許樁的末端對土地施加增大的支撐力。然而，末端擴大盤的外直徑的增大受到限制，這是 因為末端擴大盤的外直徑的過度增大需要不必要地增加樁施加的挖掘直徑，從而造成水泥 漿的過度使用，并因此導(dǎo)致經(jīng)濟效益較差。具體地說，在中空樁在其末端設(shè)有末端擴大盤而具有頭部擴大的形狀的情況下， 末端擴大盤必須穿設(shè)有內(nèi)孔。在這種情況下，如果末端擴大盤的內(nèi)孔比中空樁的中心腔孔 小，那么末端擴大盤可提供擴大的末端橫截面，該擴大的橫截面足以增大樁的末端支撐力 而無需過度地增加末端擴大盤的外直徑。然而，雖然末端擴大盤本質(zhì)上必須穿設(shè)有內(nèi)孔 (因為該內(nèi)孔作為允許通過中空樁的腔孔引入的水泥漿到達樁的末端的排出孔)，但是還 沒有提出具有適當(dāng)尺寸的內(nèi)孔。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題因此，考慮到上述問題而實現(xiàn)了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供一種擴頭樁，其 中，中空樁的末端設(shè)有末端擴大盤，該末端擴大盤的外直徑比所述樁的末端橫截面的外直 徑大，并且穿設(shè)在所述末端擴大盤中并且直徑小于所述中空樁的中心腔孔直徑的內(nèi)孔的尺 寸最優(yōu)，以使末端支撐力最大。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，上述及其他目的可通過提供一種擴頭樁而實現(xiàn)，其中，中空圓形樁的末端設(shè)有末端擴大盤，該末端擴大盤的外直徑大于所述中空圓形樁的末端橫截 面的外直徑，以使所述中空樁的末端支撐力實現(xiàn)增大。所述末端擴大盤在其橫截面中穿設(shè) 有內(nèi)孔，所述內(nèi)孔的直徑小于所述中空圓形樁的中心腔孔的直徑，使得所述內(nèi)孔的尺寸最 優(yōu)以使所述樁的末端支撐力最大。根據(jù)本發(fā)明，具有中空形狀的擴頭樁在其末端設(shè)有末端擴大盤，該末端擴大盤的 外直徑大于所述樁的末端橫截面的外直徑。本發(fā)明沒有盲目地增加末端擴大盤的直徑，相 反，所述末端擴大盤在其橫截面中穿設(shè)有內(nèi)孔，所述內(nèi)孔的直徑小于所述中空圓形樁的中 心腔孔的直徑，并且所述內(nèi)孔的尺寸最優(yōu)而使末端支撐力實現(xiàn)最大化，從而使材料利用效 率最高并且獲得優(yōu)異的樁施工效率。


結(jié)合附圖從下列詳細(xì)描述可以更清楚地理解本發(fā)明的上述和其他目的、特征和其 他優(yōu)點，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的擴頭樁的一個實施方式的視圖，該擴頭樁設(shè)有末端擴大 盤，該末端擴大盤具有臨界直徑的內(nèi)孔；圖2是示出有限元分析的分析條件的視圖，用于確定在末端擴大盤中穿成的內(nèi)孔 的尺寸與擴頭樁的末端支撐力之間的關(guān)系；圖3至圖8是示出從有限元分析中獲得的分析結(jié)果的曲線圖；圖9是示出從有限元分析中獲得的、關(guān)于末端擴大盤的寬度相對于樁厚度的比率 的曲線圖；以及圖10是示出圖3至圖8的分析結(jié)果的概要的曲線圖。
具體實施例方式為了實現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種擴頭樁，該擴頭樁包括末端擴大盤，該 末端擴大盤設(shè)置在中空圓形樁的末端處，用于增加所述中空圓形樁的末端支撐力，該末端 擴大盤的外直徑大于所述中空圓形樁的末端橫截面的外直徑，其中，所述末端擴大盤呈在 其橫截面中穿設(shè)有內(nèi)孔的環(huán)形帶的形式，所述內(nèi)孔的直徑小于所述中空圓形樁的中心腔孔 的直徑，所述末端擴大盤的寬度相對于所述末端擴大盤的外直徑在40% 70%的范圍內(nèi)。所述擴頭樁可以是先張法預(yù)應(yīng)力高強度混凝土(PHC)樁。下面將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的一個示例性實施方式。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的擴頭樁的一個實施方式的視圖，該擴頭樁設(shè)有末端擴大 盤，該末端擴大盤具有臨界直徑的內(nèi)孔。雖然圖1示出了以如下方式建造擴頭樁，即先制 成末端擴大盤，然后將該末端擴大盤聯(lián)接至中空樁，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明也可應(yīng)用于 其中末端擴大盤與中空樁一體形成的擴頭樁。在根據(jù)本發(fā)明的擴頭樁中，將外徑等于或大于中空樁10的末端橫截面的外徑的 末端擴大盤20安裝至樁10的末端，從而為樁10提供增強的末端支撐力。末端擴大盤20 在中心處穿有內(nèi)孔25，該內(nèi)孔25的直徑比中空樁10的中心腔孔15的直徑小，從而末端擴 大盤20具有從中空樁10的內(nèi)邊緣向內(nèi)延伸的長度。具體地說，為了實現(xiàn)末端支撐力的增強，增大中空樁10的末端橫截面的尺寸，從而使中空樁10實現(xiàn)地面壓力面積的增大。尤其是，本發(fā)明的本質(zhì)在于提供一種末端擴大盤20，該末端擴大盤20通過在末端 擴大盤20的中心處穿設(shè)內(nèi)孔25而具有向內(nèi)延伸的長度，內(nèi)孔25的直徑小于中空樁10的 中心腔孔15的直徑。該構(gòu)造是在考慮了以下的情況而給出的設(shè)有向內(nèi)延伸的長度而不是 向外延伸的長度的末端擴大盤20確保方便地建造樁，而無需增加挖掘直徑。這里，根據(jù)本發(fā)明的中空樁可以是先張法預(yù)應(yīng)力高強度混凝土(PHC)樁，但是本 發(fā)明本質(zhì)上不限制于此。可以替代性地使用預(yù)制混凝土樁或鋼樁。此外，由于末端擴大盤20形成有向內(nèi)延伸的長度，也就是說，末端擴大盤20穿設(shè) 有內(nèi)孔25，因此本發(fā)明考慮到末端支撐力和穿設(shè)在末端擴大盤20中的內(nèi)孔25的直徑之間 的關(guān)系而提出內(nèi)孔25的最優(yōu)直徑。為此，本發(fā)明的發(fā)明人在改變穿設(shè)在末端擴大盤中的內(nèi) 孔25的直徑同時(更具體而言，在逐漸地減小內(nèi)孔25的直徑時)測量擴頭樁的末端支撐 力，并且提供了如下將描述的概要測量結(jié)果。在本發(fā)明中，進行了有限元分析，以便定量分析末端擴大盤中的內(nèi)孔25的直徑對 末端支撐力的影響。圖2至圖9示出了有限元分析的分析條件和分析結(jié)果。在該有限元分 析中，關(guān)于中空樁的厚度、末端擴大盤的向外延伸長度和樁的外半徑來估計末端擴大盤中 的內(nèi)孔25的直徑和末端支撐力之間的相互關(guān)系。盡管如下面將要描述的那樣基于有限元 關(guān)于PHC樁進行了估計，但是應(yīng)理解，可以從各種擴頭樁(包括鋼樁、混凝土樁等以及PHC 樁)獲得相同的估計結(jié)果。這是因為估計目標(biāo)涉及末端橫截面尺寸和末端支撐力之間的相 互關(guān)系。在根據(jù)本發(fā)明的有限元分析中，使用具有不同直徑，即400毫米、500毫米和600毫 米的PHC樁，并且由樁的末端支撐的對象是風(fēng)化土壤。以下表1中所示的樁條件為基礎(chǔ)，同 時使末端擴大盤的內(nèi)孔的直徑以預(yù)定比率從與中空樁的內(nèi)直徑相同的尺寸增加至完全實 心樁。此外，本發(fā)明的分析假定末端擴大盤在施加荷載時沒有彎曲變形。由于參數(shù)研究的 目的是為了分析末端擴大盤中的內(nèi)孔對末端支撐力的影響，因此上述分析排除了邊緣摩擦 并且將樁的長度固定為20厘米。表1 圖2A示出了本發(fā)明的有限元分析的示意性分析模型。在該有限元分析中，應(yīng)注 意，在這些樁條件中，荷載條件和分析區(qū)域符合軸對稱條件，因此采用關(guān)于圖2B中所示的 半橫截面的軸對稱模型。這里，將分析區(qū)域的橫向邊界設(shè)置在與樁的中心軸線間隔15米的 位置處，從而不會影響樁的荷載-位移特性，并且將樁下方大約5米深的地下區(qū)域設(shè)置為分析區(qū)域的支撐層。在該模型中，對于地面和樁采用軸對稱4節(jié)點縮減積分單元(CAX4R)。此外，應(yīng)注意的是，以如此的方式執(zhí)行所述分析，即在這些邊界條件中，橫向邊界 基于水平位移，底部邊界基于豎直位移，并且在實現(xiàn)初始地下應(yīng)力之后，在每一步基礎(chǔ)步驟 上辨別出作用荷載。在樁和土地之間的邊界的模型中，為了研究在排除樁周圍的邊緣摩擦 的條件下荷載支撐特性，根據(jù)將所述樁的邊緣與周圍地面之間的相互作用去除的方法，模 擬了所謂的接觸對。所述接觸對利用庫倫摩擦模型重現(xiàn)不同種類的層的相互行為狀態(tài)，更具體而言， 所述接觸對利用在接觸平面處的最大容許摩擦應(yīng)力和接觸壓力來重現(xiàn)接觸平面處的行為 狀態(tài)。例如，在最基本的庫倫摩擦模型中，如果接觸平面的剪切應(yīng)力τ大于表示為接觸壓 強p(TCTit= μ ·ρ，其中μ為摩擦系數(shù))一部分的臨界剪切應(yīng)力τ。Η ，那么這預(yù)示著產(chǎn) 生了滑動。同時，在分析區(qū)域的材料模型中，對于所述支撐層和樁的邊緣土地應(yīng)用符合非關(guān) 聯(lián)流動法則的摩爾_庫倫屈服標(biāo)準(zhǔn)，并且對于樁和末端擴大盤應(yīng)用線彈性模型。圖3至圖9示出了在圖2中所示的條件下有限元分析的概要分析結(jié)果。為了理解 末端擴大盤中的內(nèi)孔與末端支撐力之間的相互關(guān)系，對從該分析結(jié)果獲得的荷載沉降曲線 (Q-S曲線)進行比較分析。更具體而言，應(yīng)注意，將屈服荷載與樁沉降2. 5%時造成的荷載 相比較，其中樁的直徑基于DIN4026標(biāo)準(zhǔn)，并且載荷沉降曲線取決于作用在樁的上側(cè)上的 載荷。圖3和圖4示出了關(guān)于表1中的樁1和樁2的、在樁的末端處的荷載沉降曲線。如 圖所示，可以確定，樁1和樁2在末端擴大盤的寬度tplate相對于中空樁的厚度tp&的比率 增大時具有基本相同的荷載增加，但是在該比率大于預(yù)定值之后，樁1和樁2基本沒有荷載 增加。圖5至圖8示出了關(guān)于表1中的樁3至樁6的、在樁的末端處的荷載沉降曲線。 如圖所示，如果這些樁具有相同的500毫米的直徑，那么可以確定，無論在參數(shù)是樁厚度的 條件下還是在參數(shù)是樁的向外延伸的長度的條件下，這些樁都具有近似相同的荷載沉降曲 線，該荷載沉降曲線取決于末端擴大盤的寬度tplate相對于中空樁的厚度tp&的比率的增 加。此外，進行所述分析的目的還在于為了根據(jù)末端擴大盤的向外延伸長度的變化和 樁的厚度的變化來檢查所述臨界內(nèi)直徑是否是可適用的。圖9基于從樁頭部處的荷載沉降 曲線計算出的末端支撐力的結(jié)果示出了相對于PHC樁的末端支撐力AQ的增加?；谒?末端擴大盤的寬度tplate相對于中空樁的厚度tp&的比率借助于分析而獲得該結(jié)果。如圖9所示，可以確定的是，末端擴大盤的寬度越大，末端支撐力就越大，并且增 加率呈現(xiàn)收斂狀態(tài)。還可以確定的是，從樁的直徑和厚度的變化以及樁的向外延伸的長度 的變化不能獲得內(nèi)孔的顯著臨界直徑。為了克服上述問題，通過分析取決于末端擴大盤的寬度相對于末端擴大盤的外直 徑的比率的末端支撐力的增加率來檢查內(nèi)孔的臨界直徑。圖10中示出了該檢查結(jié)果。圖10是圖3至圖8中的荷載沉降曲線的概要圖，以便直觀地確定末端擴大盤中的 內(nèi)孔的直徑和末端支撐力之間的相互關(guān)系。更具體而言，圖10示出了末端支撐力取決于 末端擴大盤的寬度相對于末端擴大盤的外半徑的比率。如圖所示，雖然末端擴大盤的寬度 tplate相對于末端擴大盤的外半徑D。的比率越大，末端支撐力就越大，但是可確定的是，當(dāng)末端擴大盤的寬度tplate相對于末端擴大盤的外半徑D。的比率大于70%時，末端支撐力的增 長率為零。換言之，可以這樣說，如果穿設(shè)在末端擴大盤中的內(nèi)孔具有比預(yù)定值小的尺寸，那 么末端支撐力基本沒有變化，不管內(nèi)孔的直徑如何。從而，具有預(yù)定直徑(臨界直徑)的內(nèi) 孔的末端擴大盤可以允許樁用作實心樁?？紤]到當(dāng)末端擴大盤的寬度tplate相對于末端擴 大盤的外半徑D。的比率大于70% (如圖9所示)時末端支撐力只具有微小增長率，最優(yōu)選 的是末端擴大盤的寬度tplate相對于末端擴大盤的外半徑D。在40%-70%的范圍內(nèi)，以實現(xiàn) 材料的有效利用并使末端支撐力最大化。如果確定了末端擴大盤的寬度tplate相對于末端擴大盤的外半徑D。的比率，那么 基于該比率確定內(nèi)孔的直徑。這樣，可以將擴頭樁構(gòu)成在末端擴大盤中穿設(shè)直徑最優(yōu)的內(nèi) 孔。在本發(fā)明中，雖然末端擴大盤由鋼制成，但是本發(fā)明本質(zhì)上并不限于此，可以使用 由混凝土或由玻璃纖維增強的合成樹脂制成的其它盤。如上所述，在希望將具有臨界尺寸的內(nèi)孔的末端擴大盤安裝至在工廠中預(yù)先制造 的中空樁上的情況下，可以將也是預(yù)先用鋼、混凝土、合成樹脂等制造的末端擴大盤在施工 現(xiàn)場安裝在至中空樁。另選的是，可以將鋼、混凝土或合成樹脂等制成的盤插入用于制造中 空樁的模型中而在工廠里使末端擴大盤與該中空樁一體形成。
權(quán)利要求
一種擴頭樁，該擴頭樁包括末端擴大盤(20)，該末端擴大盤(20)設(shè)置在中空圓形樁(10)的末端處，用于增加所述中空圓形樁的末端支撐力，該末端擴大盤(20)的外直徑大于所述中空圓形樁的末端橫截面的外直徑，其中，所述末端擴大盤(20)呈在其橫截面中穿設(shè)有內(nèi)孔(25)的環(huán)形帶的形式，所述內(nèi)孔(25)的直徑小于所述中空圓形樁的中心腔孔(15)的直徑，所述末端擴大盤的寬度(tplate)相對于所述末端擴大盤的外直徑(Do)在約40％～70％的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴頭樁，其中，所述擴頭樁是先張法預(yù)應(yīng)力高強度混凝土樁， 即PHC樁。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種樁，該樁的頭部是擴大的。其中，在該樁的末端安裝有尺寸比該樁的末端橫截面大的末端擴大盤，以提高中空樁的末端支撐力。更具體地說，本發(fā)明涉及一種樁，該樁的頭部是擴大的，其中，內(nèi)孔具有比樁的腔孔小的最優(yōu)尺寸并形成在末端擴大盤的表面上。所公開的樁的頭部是擴大的，并且該樁具有包括臨界內(nèi)孔的末端擴大盤，其中，末端擴大盤的尺寸大于樁的末端的橫截面直徑，以提高中空樁的末端支撐力。末端擴大盤成形為環(huán)形帶，其中形成有比樁的腔孔小的孔。特別的是，與末端擴大盤的半徑(Do)相比，末端擴大盤的寬度(tplate)在40％～70％的范圍內(nèi)。
文檔編號E02D5/44GK101932772SQ200980103737
公開日2010年12月29日 申請日期2009年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者宋寄鏞 申請人:Ext株式會社