技术领域
[0001] 本
发明属于
土木工程地基
基础技术领域，具体涉及一种变刚度
水泥土插芯组合桩及设计方法。
背景技术
[0002] 水泥土插芯组合桩是由山东省建筑科学研究院有限公司研制的一种新桩型，该桩是由高喷搅拌法形成的水泥土桩与同心植入的芯桩复合而形成，融合了水泥土桩和芯桩的优点，既利用芯桩承担荷载，又利用大直径水泥土桩提供侧摩阻
力，单桩承载力显著大于相同规格尺寸的水泥土桩、
灌注桩。目前，该桩型已成功应用于数十项工程，根据工程经验及现场实测数据，在竖向极限荷载作用下，芯桩承担70％以上的荷载，阻碍单桩承载力发挥的因素往往是芯桩材料强度不足导致的，另一方面，在竖向荷载作用下，桩身轴力沿深度方向逐步衰减，因此，在竖向荷载作用下，相比于下半段桩身，上部桩身要求具有更大的强度。
[0003]
发明人发现现有水泥土插芯组合桩的芯桩是各种
混凝土预制桩，包含管桩、空心方桩、实心方桩等，受限于材料强度，在竖向荷载作用下，为了使桩基在桩头部位不至于发生材料破坏，在等截面水泥土插芯组合桩条件下，往往设计的桩基下半段桩身材料强度富裕较大，导致材料浪费。
发明内容
[0004] 为解决
现有技术存在的
缺陷，本发明的第一发明目的是提供一种承载力高、经济效益好、
质量可靠的变刚度水泥土插芯组合桩。
[0005] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 一种变刚度水泥土插芯组合桩，包括外围水泥土桩、强芯桩段、混凝土预
制芯桩段、连接盘、快接卡紧凹槽和快接卡紧凸起；
[0007] 所述的混凝土预制芯桩段和强芯桩段设置在外围水泥土桩内，强芯桩段底部设置连接盘，所述的连接盘上设置卡紧凸起，在所述混凝土预制芯桩段顶部设置卡紧凹槽；所述的卡紧凸起的两侧与卡紧凹槽之间通过回弹装置卡紧，能够实现两节芯桩的快速连接和卡紧。
[0008] 作为进一步的技术方案，所述的卡紧凹槽包括快接通道和回弹通道，所述的回弹通道设置在快接通道的四周，在每个回弹通道内均设有回弹装置。
[0009] 更近一步的，所述的回弹通道包括连通的大径通道和小径通道，所述的小径通道与快接通道连通。
[0010] 作为进一步的技术方案，所述的回弹装置包括回弹
弹簧和回弹
垫块，所述的回弹弹簧的一端与回弹通道的大径通道底部相连，回弹弹簧的另一端与回弹垫块相连，所述的回弹垫块与卡紧凸起配合。
[0011] 更近一步的，所述的回弹垫块包括大径端和小径端，所述的大径端位于大径通道内，小径端沿着小径通道延伸到快接通道。
[0012] 作为进一步的技术方案，所述的卡紧凸起包括圆柱部和圆锥部，所述的圆柱部一端与连接盘相连，另外一端与圆锥部相连，圆锥部与圆柱部之间形成台阶。
[0013] 作为进一步的技术方案，所述的回弹垫块卡在所述的台阶上。
[0014] 作为进一步的技术方案，所述的卡紧凸起和卡紧凹槽设置多组。
[0015] 作为进一步的技术方案，所述的外围水泥土桩是采用高喷搅拌法施工的侧面凹凸不平、与土界面具有较大摩阻力的水泥土桩。
[0016] 本发明基于上述所述的变刚度水泥土插芯组合桩，还提出了一种设计方法，包括以下步骤：
[0017] 根据大量的现场试验数据可知，有芯桩段组合桩的桩身轴力沿深度方向的荷载传递比λ与芯桩长度L的关系为λ＝1-0.057L；
[0018] 当组合桩轴心受压时，荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值Qc与强芯桩段长度l处的轴向压力Qcl的关系为：Qcl＝(1-0.057l)Qc；
[0019] 根据上述公式，强芯桩段与混凝土预制芯桩段需满足下列公式要求：
[0020] 强芯桩段：
[0021]
[0022] 混凝土预制芯桩段：
[0023]
[0024] 式中：Qc——荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值(kN)；
[0025] Ψc——芯桩施工工艺系数，取0.85；
[0026] fc1——强芯桩段芯桩轴心抗压强度设计值(kPa)；
[0027] fc2——混凝土预制芯桩段芯桩轴心抗压强度设计值(kPa)；
[0028] Ap1——强芯桩段芯桩截面面积(m2)；
[0029] Ap2——混凝土预制芯桩段芯桩截面面积(m2)；
[0030] Al——组合段水泥土净截面面积(m2)；
[0031] n0——芯桩与水泥土的
应力比，宜由现场试验确定；
[0032] 根据公式(1)、(2)可计算出强芯桩段的长度、桩径或边长、材料强度，混凝土预制芯桩段的桩径或边长、材料强度；
[0033] 根据现有相关标准可进一步计算出混凝土预制芯桩段的长度，核验单桩竖向抗压、抗拔、水平承载力。
[0034] 本发明的有益效果如下：
[0035] 1.本发明设计的变刚度水泥土插芯组合桩采用强芯桩段和混凝土预制芯桩组合的方式，相对于现有的水泥土复合管桩造价低，节省了成本，具有很高的应用价值。
[0036] 2.本发明设计的变刚度水泥土插芯组合桩可以两芯段的实现快速连接，节约时间；具体的，当快接卡紧凸起插入凹槽本体上的快接通道时，在外力的作用下，回弹弹簧通过回弹通道收缩，回弹垫块在回弹弹簧的带动下，亦逐渐收缩到回弹通道内，快接卡紧凸起继续插入凹槽本体上的快接通道，快接卡紧凸起上的圆锥体深入至完全通过回弹垫块，此时回弹垫块脱离与圆锥体的
接触，回弹垫块与快接卡紧凸起上的圆柱体之间产生一个回弹空间，回弹垫块在回弹弹簧的作用下快速回弹，并与圆锥体底面卡紧。
附图说明
[0037] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性
实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0038] 图1是变刚度水泥土插芯组合桩结构示意图；
[0039] 图2是快接卡紧凹槽结构示意图；
[0040] 图3是连接盘结构示意图；
[0041] 图4是快接连接示意图。
[0042] 图中：1.外围水泥土桩，2.强芯桩段，3.连接盘，4.混凝土预制芯桩段，5.快接卡紧凹槽，6.快接卡紧凸起，7.凹槽本体，8.回弹弹簧，9.回弹通道，10.快接通道，11.回弹垫块，12.圆柱体，13.圆锥体。
具体实施方式
[0043] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0044] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0045] 实施例1：
[0046] 如图1所示，一种变刚度水泥土插芯组合桩，包括外围水泥土桩1、强芯桩段2、连接盘3、混凝土预制芯桩段4、快接卡紧凹槽5和快接卡紧凸起6。
[0047] 混凝土预制芯桩段4和强芯桩段2设置在外围水泥土桩内，强芯桩段2底部设置连接盘3，所述的连接盘上设置快接卡紧凸起6，在混凝土预制芯桩段顶部设置快接卡紧凹槽5；所述的卡紧凸起的两侧与卡紧凹槽之间通过回弹装置卡紧，能够实现两节芯桩的快速连接和卡紧。
[0048] 如图1所示，所述的外围水泥土桩1是采用高喷搅拌法施工的侧面凹凸不平、与土界面具有较大摩阻力的水泥土桩。
[0049] 如图1所示，所述的强芯桩段2可采用
钢管桩、钢管混凝土桩、型钢桩、实心方桩或超高强混凝土管桩中的一种，强芯桩段2与混凝土预制芯桩4段搭配使用，上部芯桩为强芯桩段2，下部芯桩为混凝土预制芯桩段4。
[0050] 如图1、2、4所示，所述的混凝土预制芯桩段4可采用管桩、空心方桩、劲性体中的一种，混凝土预制芯桩段4的桩端端头板设置多个快接卡紧凹槽5；具体的设置个数根据桩体的受力要求进行设置。
[0051] 如图1、3、4所示，所述的连接盘3设置在强芯桩段2的一端，连接盘3上设置多个快接卡紧凸起6，快接卡紧凸起6的设置个数根据桩体的受力要求进行设置，但是快接卡紧凸起6与快接卡紧凹槽5的设置个数要求相等。
[0052] 连接盘3上的快接卡紧凸起6与混凝土预制芯桩段4桩端端头板上快接卡紧凹槽5
位置相对应，能够实现两节芯桩的快速连接。
[0053] 如图2、3、4所示，所述的快接卡紧凹槽5由凹槽本体7、回弹弹簧8、回弹通道9、快接通道10和回弹垫块11组成，
[0054] 回弹通道9设置两个或者多个，其均匀的设置在快接通道10的四周，在每个回弹通道10内均设有回弹装置。如图所示，回弹通道包括连通的大径通道和小径通道，大径通道的半径大于小径通道的半径，大径通道和小径通道之间形成阶梯，这么设计主要是为了对回弹垫块11的移动进行
定位，小径通道与快接通道10连通。回弹弹簧8的一端与回弹通道的大径通道底部相连，回弹弹簧8的另一端与回弹垫块11相连，所述的回弹垫块11与卡紧凸起配合。
[0055] 更近一步的，回弹垫块包括大径端和小径端，大径端的半径大于小径端的半径；所述的大径端位于大径通道内，在弹簧伸长到一定程度时，回弹
垫片的小径端沿着回弹通道9的小径通道可以延伸到快接通道，实现对快接卡紧凸起6的定位。
[0056] 具体的，当快接卡紧凸起6插入凹槽本体7上的快接通道10时，在外力的作用下，回弹弹簧8通过回弹通道9收缩，回弹垫块11在回弹弹簧8的带动下，亦逐渐收缩到回弹通道9内，快接卡紧凸起6继续插入凹槽本体7上的快接通道10，快接卡紧凸起6上的圆锥体13深入至完全通过回弹垫块11，此时回弹垫块11脱离与圆锥体13的接触，回弹垫块11与快接卡紧凸起6上的圆柱体12之间产生一个回弹空间，回弹垫块11在回弹弹簧8的作用下快速回弹，并与圆锥体13底面卡紧。
[0057] 如图2所示，所述的回弹垫块11为梯形型，回弹垫块11与快接卡紧凸起初次接触部位为斜面，这么设计的目的主要是因为快接卡紧凸起6的顶部为圆锥体，为了与所述的圆锥体密切配合，将回弹垫块11与快接卡紧凸起初次接触部位为斜面。
[0058] 如图3所示，快接卡紧凸起6底端为圆柱体12，顶端为圆锥体13，圆柱体12直径小于圆锥体13底面直径。
[0059] 上述变刚度水泥土插芯组合桩的设计方法，包括以下步骤：
[0060] 根据大量的现场试验数据可知，有芯桩段，桩身轴力沿深度方向的荷载传递比λ与芯桩长度L的关系为λ＝1-0.057L。
[0061] 当组合桩轴心受压时，荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值Qc与强芯桩段长度l处的轴向压力Qcl的关系为：Qcl＝(1-0.057l)Qc。
[0062] 根据上述公式，强芯桩段与混凝土预制芯桩段需满足下列公式要求：
[0063] 强芯桩段：
[0064]
[0065] 混凝土预制芯桩段：
[0066]
[0067] Qc——荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值(kN)；
[0068] Ψc——芯桩施工工艺系数，取0.85；
[0069] fc1——强芯桩段芯桩轴心抗压强度设计值(kPa)；
[0070] fc2——混凝土预制芯桩段芯桩轴心抗压强度设计值(kPa)；
[0071] Ap1——强芯桩段芯桩截面面积(m2)；
[0072] Ap2——混凝土预制芯桩段芯桩截面面积(m2)；
[0073] Al——组合段水泥土净截面面积(m2)；
[0074] n0——芯桩与水泥土的应力比，宜由现场试验确定；
[0075] 根据公式(1)、(2)可计算出强芯桩段的长度、桩径或边长、材料强度，混凝土预制芯桩段的桩径或边长、材料强度。
[0076] 根据现有相关标准可进一步计算出混凝土预制芯桩段的长度，核验单桩竖向抗压、抗拔、水平承载力。
[0077] 实施例2：
[0078] 通过一个工程实例对比分析，对本发明变刚度水泥土插芯组合桩与现有水泥土插芯组合桩的社会经济效益进行比较。
[0079] 山东德州某桩基工程，原设计使用水泥土复合管桩，外围水泥土桩直径900mm，桩长26m，水泥掺量500kg/m3；芯桩为高强
预应力混凝土管桩，型号为PHC500AB100，桩长24m；工程桩单桩竖向极限承载力标准值为6000kN。
[0080] 采用变刚度水泥土插芯组合桩进行设计，通过公式(1)、(2)及相关标准规范计算后的设计参数为：外围水泥土桩直径900mm，桩长26m，水泥掺量500kg/m3；强芯桩段采用超高强混凝土管桩，型号为UHC400AB95，桩长4m；混凝土预制芯桩段采用高强预应力混凝土管桩，型号为PHC400AB95，桩长20m；工程桩单桩竖向极限承载力标准值为6000kN。经济性对比如下表所示。
[0081]
[0082] 本发明设计的变刚度水泥土插芯组合桩相对于现有的水泥土复合管桩造价低，节省了成本，具有很大的应用价值。
[0083] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
