一种自动调节水位的排水抗滑桩及其施工方法

摘要

一种自动调节水位的排水抗滑桩，包括混凝土灌注于钢筋笼上而形成的桩体，桩体由混凝土桩体以及设置于混凝土桩体上的矩形空心桩体组成，桩体外侧围有外钢模板，矩形空心桩体上围有内钢模板，矩形空心桩体的受拉端一侧上部沿纵向平行设置有多组进水管组，矩形空心桩体的受拉端一侧下部沿纵向平行设置有多组调节进水管组，矩形空心桩体的受压端一侧沿纵向平行设置有多组出水管组，矩形空心桩体安装有开孔装置。本发明提供的一种自动调节水位的排水抗滑桩及其施工方法，可以解决不能自动调节水位、操作困难、造价高的问题，能错峰降水，减小边坡土体内动水压力，降低滑坡破坏的潜在风险，实现了排水和调节水位的自动化。

权利要求

1.一种自动调节水位的排水抗滑桩，包括混凝土灌注于钢筋笼上而形成的桩体（1），其特征在于：桩体由混凝土桩体（1）以及设置于混凝土桩体（1）上的矩形空心桩体（2）组成，桩体外侧围有外钢模板（3），矩形空心桩体（2）上围有内钢模板（4），矩形空心桩体（2）的受拉端一侧上部沿纵向平行设置有多组进水管组（5），矩形空心桩体（2）的受拉端一侧下部沿纵向平行设置有多组调节进水管组（6），矩形空心桩体（2）的受压端一侧沿纵向平行设置有多组出水管组（7）；

进水管组（5）由多个平行的水平放置的连通内钢模板（4）和外钢模板（3）的进水管（5-

1）组成，调节进水管组（6）由平行的水平放置的连通内钢模板（4）和外钢模板（3）的调节进水管（6-1）组成，各调节进水管组（6）的出水口（6-2）处安装有进水管孔盖（6-3），进水管孔盖（6-3）上端与内钢模板（4）铰接，进水管孔盖（6-3）与安装于矩形空心桩体（2）的空心体内的开孔装置（8）连接；

出水管组（7）由多个平行的连通内钢模板（4）和外钢模板（3）的出水管（7-1）组成，出水管（7-1）内安装有只能向外单向打开的出水管孔盖（7-2）。

2.根据权利要求1所述的一种自动调节水位的排水抗滑桩，其特征在于：矩形空心桩体（2）的底端距离边坡滑动带的距离为1米。

3.根据权利要求1所述的一种自动调节水位的排水抗滑桩，其特征在于：进水管组（5）以及调节进水管组（6）的数量之和少于出水管组（7）的数量，最下方出水管组（7）的安装位置高于库水位最低水位1～3米。

4.根据权利要求1所述的一种自动调节水位的排水抗滑桩，其特征在于：出水管组（7）中，各出水管（7-1）按3%～6%的坡度斜向放置。

5.根据权利要求1所述的一种自动调节水位的排水抗滑桩，其特征在于：钢筋笼、外钢模板（3）、内钢模板（4）、多组进水管组（5）、多组调节进水管组（6）、多组出水管组以及多个开口装置形成一个整体。

6.根据权利要求1所述的一种自动调节水位的排水抗滑桩，其特征在于：开孔装置（8）中，竖杆（8-2）一端与浮体（8-1）连接，竖杆（8-2）另一端与第一横杆（8-3）及第二横杆（8-4）铰接，第一横杆（8-3）与第二横杆（8-4）铰接，第一横杆（8-3）一端与进水管组（5）的进水管孔盖（6-3）铰接，第二横杆（8-4）一端与内钢模板（4）铰接。

7.根据权利要求6所述的一种自动调节水位的排水抗滑桩，其特征在于：铰接的第一横杆（8-3）与第二横杆（8-4）上方设置有相配合的两铰接档盖（8-5）。

8.根据权利要求1所述的一种自动调节水位的排水抗滑桩，其特征在于：桩体前后填筑有反滤层（11）。

9.一种自动调节水位的排水抗滑桩的施工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）设计进水管组（5）、调节进水管组（6）及出水管组（7）：根据地下水的分布情况和桩体的尺寸，合理设计进水管组（5）、调节进水管组（6）及出水管组（7）的大小、数量和位置；

2）制作钢筋笼、外钢模板（3）和内钢模板（4）形成整体骨架：在考虑进水管组（5）、调节进水管组（6）及出水管组（7）的大小、数量和位置的前提下，按桩体受力配置钢筋笼、外钢模板（3）和内钢模板（4）；

3）安装开孔装置（8）：在整体骨架的内钢模板（4）形成的空腔内，根据设计安装开孔装置（8）；

4）安装进水管组（5）、调节进水管组（6）及出水管组（7）：根据设计在整体骨架上安装进水管组（5）、调节进水管组（6）及出水管组（7），制成钢筋笼、外钢模板（3）、内钢模板（4）、多组进水管组（5）、多组调节进水管组（6）、多组出水管组以及多个开口装置形成的整体；

5）将步骤4）制成的整体放进开挖好的桩孔中，在整体前后填筑反滤层（11）；

6）向填筑好反滤层（11）的整体内浇筑混凝土成型，

即制成自动调节水位的排水抗滑桩。

10.根据权利要求9所述的一种自动调节水位的排水抗滑桩的施工方法，其特征在于：步骤4）中，若采用人工挖孔的方式，则需在外钢模板（3）和内钢模板（4）上相应位置预留进水与出水孔口，孔径略大于进水管、出水管的管径。

说明书

一种自动调节水位的排水抗滑桩及其施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及土木工程领域，尤其是一种库岸边坡加固的自动调节水位的排水抗滑桩及其施工方法。

背景技术

[0002] 作为全球性三大地质灾害之一，边坡的失稳破坏往往会给人类带来巨大的灾难。与山地滑坡相比，库岸边坡的失事不胜枚举。据不完全统计，在三峡库区，具有明显变形迹象的滑坡就达到1000多个。这类边坡的变形失稳，往往与库水升降有关。在库水骤降时，边坡地下水的下落滞后于库水的消落，在边坡内形成动水压力而不利于坡体的稳定。作为边坡治理的措施，抗滑桩以其抗滑能力强、适用条件广、施工安全简便等优点得到广泛使用。
因此，有不少学者对抗滑桩进行了大量的研究和改进，提出了较多新型的抗滑桩。其中，也设计了不少排水抗滑桩，但这些并不适用于库岸边坡，而且存在不能自动调节水位、操作困难、造价高等问题。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种自动调节水位的排水抗滑桩及其施工方法，可以解决不能自动调节水位、操作困难、造价高的问题，能错峰降水，减小边坡土体内动水压力，降低滑坡破坏的潜在风险，实现了排水和调节水位的自动化。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种自动调节水位的排水抗滑桩，包括混凝土灌注于钢筋笼上而形成的桩体，

[0005] 桩体由混凝土桩体以及设置于混凝土桩体上的矩形空心桩体组成，桩体外侧围有外钢模板，矩形空心桩体上围有内钢模板，矩形空心桩体的受拉端一侧上部沿纵向平行设置有多组进水管组，矩形空心桩体的受拉端一侧下部沿纵向平行设置有多组调节进水管组，矩形空心桩体的受压端一侧沿纵向平行设置有多组出水管组；

[0006] 进水管组由多个平行的水平放置的连通内钢模板和外钢模板的进水管组成，调节进水管组由平行的水平放置的连通内钢模板和外钢模板的调节进水管组成，各调节进水管组的出水口处安装有进水管孔盖，进水管孔盖上端与内钢模板铰接，进水管孔盖与安装于矩形空心桩体的空心体内的开孔装置连接；

[0007] 出水管组由多个平行的连通内钢模板和外钢模板的出水管组成，出水管内安装有只能向外单向打开的出水管孔盖。

[0008] 矩形空心桩体的底端距离边坡滑动带的距离为1米。

[0009] 进水管组以及调节进水管组的数量之和少于出水管组的数量，最下方出水管组的安装位置高于库水位最低水位1～3米。

[0010] 出水管组中，各出水管按3％～6％的坡度斜向放置。

[0011] 钢筋笼、外钢模板、内钢模板、多组进水管组、多组调节进水管组、多组出水管组以及多个开口装置形成一个整体。

[0012] 开孔装置中，竖杆一端与浮体连接，竖杆另一端与第一横杆及第二横杆铰接，第一横杆与第二横杆铰接，第一横杆一端与进水管组的进水管孔盖铰接，第二横杆一端与内钢模板铰接。

[0013] 铰接的第一横杆与第二横杆上方设置有相配合的两铰接档盖。

[0014] 桩体前后填筑有反滤层。

[0015] 一种自动调节水位的排水抗滑桩的施工方法，该方法包括以下步骤：

[0016] 1)设计进水管组、调节进水管组及出水管组：根据地下水的分布情况和桩体的尺寸，合理设计进水管组、调节进水管组及出水管组的大小、数量和位置；

[0017] 2)制作钢筋笼、外钢模板和内钢模板形成整体骨架：在考虑进水管组、调节进水管组及出水管组的大小、数量和位置的前提下，按桩体受力配置钢筋笼、外钢模板和内钢模板；

[0018] 3)安装开孔装置：在整体骨架的内钢模板形成的空腔内，根据设计安装开孔装置；

[0019] 4)安装进水管组、调节进水管组及出水管组：根据设计在整体骨架上安装进水管组、调节进水管组及出水管组，制成钢筋笼、外钢模板、内钢模板、多组进水管组、多组调节进水管组、多组出水管组以及多个开口装置形成的整体；

[0020] 5)将步骤4)制成的整体放进开挖好的桩孔中，在整体前后填筑反滤层；

[0021] 6)向填筑好反滤层的整体内浇筑混凝土成型，

[0022] 即制成自动调节水位的排水抗滑桩。

[0023] 步骤4)中，若采用人工挖孔的方式，则需在外钢模板和内钢模板上相应位置预留进水与出水孔口，孔径略大于进水管、出水管的管径。

[0024] 步骤5)中，反滤层为厚度不小于0.3m渗水材料层或无砂混凝土板层或土工织物层。

[0025] 本发明的设计思路如下：

[0026] 以2米×1.5米×20米(桩截面尺寸为长：2米，宽1.5米，桩长为20.0米)常见抗滑桩为例，按最不利状况设计，依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)，以对称配筋设计，在满足混凝土构件的构造要求前提下，可取得抗滑桩的空心截面尺寸为1.1米×1.2米、面积为1.32平方米、体积为26.4立方米。这种空心抗滑桩的最小抗弯承载能力为17280千牛顿·米，最小抗剪承载能力为2556千牛顿。对比相同尺寸实心抗滑桩(最小抗弯能力为27340千牛顿·米，最小抗剪承载能力为9588千牛顿)，空心抗滑桩的抗弯、抗剪承载能力受到一定程度的削弱，但矩形空心桩体的底端距离边坡滑动带的距离为1米，因此，抗滑桩空心的部分对实际的最大抗剪能力影响不大，同时，可采取其他方面的措施来提高空心抗滑桩的承载能力，比如改变截面尺寸，配筋方式，采用组合结构等，同样适用于相同条件下的边坡加固。

[0027] 因此，再依据边坡加固常用抗滑桩的数量(一般8～20根)，总体积可达到211立方米，这为地下水提供了很大的径流空间，也为地下水储藏提供了很大的空间。据此，本发明结合库岸边坡的实际情况，在利用抗滑桩空腔体积的基础上，按照先装水后排水的思路进行设计，在库水位下降前，地下水位先进行一定程度地降低，库水位下降后抗滑桩再进行排水，从而实现错峰降水，减小边坡土体内动水压力，降低滑坡的潜在危险的目的。本发明可更好适用于库岸边坡，其简单有效，并且实现了排水和调节水位的自动化。

[0028] 本发明提供的一种自动调节水位的排水抗滑桩及其施工方法，其有益效果如下：

[0029] 1、通过矩形空心截面桩体形成空心腔体，在矩形空心截面桩体的受拉端一侧设置进水管组和调节进水管组，矩形空心截面桩体的受压端一侧设置出水管组，调节进水管组与空心腔体内的开孔装置连接，按照先装水后排水的思路进行设计，在库水位下降前，地下水位先进行一定程度地降低，库水位下降后抗滑桩再进行排水，可以解决不能自动调节水位、操作困难、造价高的问题，能错峰降水，减小边坡土体内动水压力，降低滑坡的潜在危险，可更好适用于库岸边坡，简单有效，并且实现了排水和调节水位的自动化，达到了降低库水位快速下降时由于地下水滞后产生的水压差的目的。

[0030] 2、矩形空心桩体的底端距离边坡滑动带的距离为1米，上端直至桩体顶部，避免边坡滑动带附近剪切力过大导致承载力不足的情况发生。

[0031] 3、进水管组以及调节进水管组的数量之和少于出水管组的数量，最下方出水管组的安装位置高于库水位最低水位1～3米的设计能够更好地排水。

[0032] 4、开孔装置的设计实现了水位的自动调节。

[0033] 5、进水管组安装高度在库水位最高水位以下1～3米，确保边坡地下水上升到一定高度(接近水位峰值高度)后才能注入桩体内部；同时，考虑高水位运行时遭遇暴雨作用，在高水位以上1～2米范围内也设置了进水管，充分利用抗滑桩的集水效果。

附图说明

[0034] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0035] 图1为本发明排水抗滑桩的结构示意图；

[0036] 图2为本发明图1的A-A向剖视图；

[0037] 图3为本发明排水抗滑桩内出水管组的一根出水管设置于矩形空心截面桩体内的示意图；

[0038] 图4为本发明排水抗滑桩内出水管组的一根出水管的半剖视图；

[0039] 图5为本发明排水抗滑桩内调节进水管组的出水口处设置的进水管孔盖的右视图；

[0040] 图6为本发明排水抗滑桩内调节进水管组的出水口处设置的进水管孔盖的左视图；

[0041] 图7为本发明排水抗滑桩内调节进水管组的出水口处设置的进水管孔盖的主视图；

[0042] 图8为本发明排水抗滑桩内调节进水管组的出水口处设置的进水管孔盖的右俯视图；

[0043] 图9为本发明开孔装置的结构示意图；

[0044] 图10为本发明开孔装置进水管孔盖打开时的状态示意图；

[0045] 图11为本发明排水抗滑桩排水过程示意图；

[0046] 图12为本发明实施例四初始状态下(桩体内无水)的模型图；

[0047] 图13为本发明实施例四第一横杆与进水管孔盖重合时的模型图。

具体实施方式

[0048] 实施例一

[0049] 如图1-图8所示，一种自动调节水位的排水抗滑桩，包括混凝土灌注于钢筋笼上而形成的桩体1，

[0050] 桩体由混凝土桩体1以及设置于混凝土桩体1上的矩形空心桩体2组成，桩体外侧围有外钢模板3，矩形空心桩体2上围有内钢模板4，矩形空心桩体2的受拉端一侧上部沿纵向平行设置有多组进水管组5，矩形空心桩体2的受拉端一侧下部沿纵向平行设置有多组调节进水管组6，矩形空心桩体2的受压端一侧沿纵向平行设置有多组出水管组7；

[0051] 进水管组5由多个平行的水平放置的连通内钢模板4和外钢模板3的进水管5-1组成，调节进水管组6由平行的水平放置的连通内钢模板4和外钢模板3的调节进水管6-1组成，各调节进水管组6的出水口6-2处安装有进水管孔盖6-3，进水管孔盖6-3上端与内钢模板4铰接，进水管孔盖6-3与安装于矩形空心桩体2的空心体内的开孔装置8连接；

[0052] 出水管组7由多个平行的连通内钢模板4和外钢模板3的出水管7-1组成，出水管7-1内安装有出水管孔盖7-2，出水管孔盖7-2加有支挡，使其只能向外单向打开。

[0053] 矩形空心桩体2的底端距离边坡滑动带的距离为1米。

[0054] 进水管组5、调节进水管组6及出水管组7安装的数量、高度和孔径的大小按地下水的水量和水位的高度变化来确定，进水管组5以及调节进水管组6的数量之和少于出水管组7的数量，最下方出水管组7的安装位置高于库水位最低水位1～3米。

[0055] 出水管组7中，各出水管7-1按3％～6％的坡度斜向放置，优选坡度为4％。

[0056] 进水管组5、调节进水管组6及出水管组7采用不锈钢钢管制成，为了防止管道被阻塞，进水管组5、调节进水管组6的进口处和出水管组7的出口处安装有滤网。

[0057] 进水管孔盖6-3及出水管孔盖7-2采用不锈钢材料制成，盖中设有橡皮圈，起到密封的作用。

[0058] 钢筋笼、外钢模板3、内钢模板4、多组进水管组5、多组调节进水管组6、多组出水管组以及多个开口装置形成一个整体。

[0059] 如图9所示，开孔装置8中，竖杆8-2一端与浮体8-1连接，竖杆8-2另一端与第一横杆8-3及第二横杆8-4铰接，第一横杆8-3与第二横杆8-4铰接，第一横杆8-3一端与进水管组5的进水管孔盖6-3铰接，第二横杆8-4一端与内钢模板4铰接。在排水过程中，桩内水位会发生变化，开孔装置控制进水管孔盖6-3的开、关也随之发生变化，从而可实现水位的自动调节。

[0060] 铰接的第一横杆8-3与第二横杆8-4上方设置有相配合的两铰接档盖8-5，其作用是防止第一横杆8-3与第二横杆8-4下垂变形。

[0061] 桩体前后填筑有反滤层11(厚度不小于0.3米的渗水材料或货无砂混凝土板或土工织物)。

[0062] 外钢模板3和内钢模板4为波纹钢模板。

[0063] 实施例二

[0064] 一种自动调节水位的排水抗滑桩的施工方法，该方法包括以下步骤：

[0065] 1)设计进水管组5、调节进水管组6及出水管组7：根据地下水的分布情况和桩体的尺寸，合理设计进水管组5、调节进水管组6及出水管组7的大小、数量和位置；

[0066] 2)制作钢筋笼、外钢模板3和内钢模板4形成整体骨架：在考虑进水管组5、调节进水管组6及出水管组7的大小、数量和位置的前提下，按桩体受力配置钢筋笼、外钢模板3和内钢模板4；

[0067] 3)安装开孔装置8：在整体骨架的内钢模板4形成的空腔内，根据设计安装开孔装置8；

[0068] 4)安装进水管组5、调节进水管组6及出水管组7：根据设计在整体骨架上开孔并安装进水管组5、调节进水管组6及出水管组7，制成钢筋笼、外钢模板3、内钢模板4、多组进水管组5、多组调节进水管组6、多组出水管组以及多个开口装置形成的整体；

[0069] 5)将步骤4制成的整体放进开挖好的桩孔中，在整体前后填筑反滤层11；

[0070] 6)向填筑好反滤层11的整体内浇筑混凝土成型，

[0071] 即制成自动调节水位的排水抗滑桩。

[0072] 步骤4)中，若采用人工挖孔的方式，则需在外钢模板3和内钢模板4上相应位置预留进水与出水孔口，孔径略大于进水管、出水管的管径。

[0073] 步骤5)中，反滤层11为厚度不小于0.3m渗水材料层或无砂混凝土板层或土工织物层。

[0074] 实施例三

[0075] 如图11所示，采用本发明所述的排水抗滑桩进行排水的过程如下：

[0076] 抗滑桩施工完成后，由于水位的变化会在坡体9内形成浸润线10；

[0077] 在库水位上升时，地下水位也同期上升，各调节进水管组进水管孔盖6-3因受第一横杆8-3和第二横杆8-4的约束而关闭，在水位达到一定的高度后，水才会从矩形空心截面桩体2的上部各进水管组5流进桩体的空腔内，使桩体内的水位不断上升，开孔装置8的浮体8-1会受到浮力作用向上移动(如图10所示)，继而带动第一横杆8-3一端翘起，依次打开桩的各调节进水管组6的出水口6-2。由于设计的出水管7-1内的出水管孔盖7-2只能单向打开，水只能从桩体内流出，这样，桩后的部分地下水流进了桩体内，水位会在库水位下降前得到一定程度的降低。

[0078] 在库水位下降的过程中，桩体内的水位高于桩后的水位，桩体内的水就会从出水管7-1排出，桩体内的水位发生降低，导致开孔装置8受到的浮力减小，在自重下恢复到原位。以此的循环往复，调节进水管组6的进水管孔盖6-3开、关反复变化，完成抗滑桩的排水，达到降低水位差，减小边坡土体内动水压力的目的。

[0079] 实施例四

[0080] 在上述的排水过程中，开孔装置8能否达到开启闭合的功能，对整个设计起着决定性作用。

[0081] 为此，通过建立数学模型来进行验证，如图12所示，初始位置下(桩体内无水)，第二横杆8-4和第一横杆8-3在自重下水平，横向抵住进水管孔盖6-3，以免进水管孔盖6-3被桩后的动水打开。当节点B受到竖直向上的力(浮力)后，第二横杆8-4会绕圆心O1向上发生旋转，并牵动第一横杆8-3向上变形，第一横杆8-3再牵动进水管孔盖6-3绕固定点圆心O2向上旋转，即将调节进水管组6的出水口6-2孔口打开。

[0082] 另外，由桩体内外的水压差形成的动水作用，出水口6-2孔口可进一步打开。其中，第二横杆8-4和第一横杆8-3之间运动的迹线可通过以下方程来反映：

[0083] (sinα-0.05+0.05cosγ)2+(2-cosα-0.05sinγ)2＝1

[0084] sinβ＝sinα-0.05+0.05cosγ

[0085] 式中α为第二横杆8-4旋转的角度；β为第一横杆8-3随之变形的角度；γ为进水管孔盖6-3旋转的角度。计算的结果如下表1所示。(B、A代表图12、13中第一横杆8-3的两端点)[0086] 表1 计算结果统计表

[0087]

[0088]

[0089]

[0090]

[0091] 从上表1可以得出杆件运动的最终位置，第二横杆8-4向上旋转的最终角度为14.3490°，第一横杆8-3和进水管孔盖6-3随之旋转的最终角度为10.8598°和100.8598°。据此作图，可以得到第一横杆8-3最终与进水管孔盖6-3重合，如图13所示，圆心O2与B′之间的长度为1050mm，是第二横杆8-4、第一横杆8-3与进水管孔盖6-3半径之和。到此位置后，第一横杆8-3的运动受进水管孔盖6-3约束而使开孔装置8不会再向上移动。

[0092] 综上所述由开孔装置8的初始位置和最终位置的计算结果可知，开孔装置8可实现自动排水的功能。

[0093] 本发明中，称桩体的承受滑坡推力一侧为桩后，反之为桩前。