一種摩擦樁的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及建筑工程設(shè)計(jì)方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種摩擦粧的設(shè)計(jì)方法，具體 設(shè)及一種能充分發(fā)揮基粧上、下部粧側(cè)摩阻力與粧端阻力的大直徑超長(zhǎng)摩擦粧的設(shè)計(jì)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著高層、超高層與大跨橋梁等大型工程的建設(shè)，大直徑超長(zhǎng)基粧因其具有 承載力高、變形小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用作該類工程的基礎(chǔ)。根據(jù)《建筑基粧技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008)，大直徑超長(zhǎng)基粧需滿足W下條件：D> 800mm，L> 50m，L/D> 50,D為基粧直徑， L為基粧總長(zhǎng)。當(dāng)前，現(xiàn)有大量的理論研究與工程實(shí)踐均表明，超長(zhǎng)基粧的承載變形機(jī)理、粧 側(cè)阻力和粧端阻力的發(fā)揮性狀均與普通基粧有很大的差別，根據(jù)常規(guī)分析方法設(shè)計(jì)得到的 大直徑超長(zhǎng)基粧，在實(shí)際工程應(yīng)用中通常不能有效發(fā)揮其承載性能，從而對(duì)建設(shè)成本造成 了一定程度上的浪費(fèi)。因此，有必要在傳統(tǒng)基粧設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，提出大直徑超長(zhǎng)粧新的結(jié) 構(gòu)形式及其設(shè)計(jì)方法，使其能充分發(fā)揮大直徑超長(zhǎng)粧的承載性能。
[0003] 目前，基粧的主要承載操作都是在基粧頂部施加載荷，即在基粧頂部施加豎直向 下的載荷，由于大直徑超長(zhǎng)粧上部±層與下部±層的粧±相對(duì)位移差別較大，當(dāng)基粧上部 的側(cè)摩阻力達(dá)到峰值時(shí)，基粧下部的側(cè)摩阻力可能尚未充分發(fā)揮，造成基粧上、下部側(cè)摩阻 力的發(fā)揮不具有同步性。究其原因主要為：基粧上部承受的載荷較大，粧±相對(duì)位移大，基 粧上部的側(cè)摩阻力發(fā)揮充分；而基粧下部受到的載荷相對(duì)較小，粧±相對(duì)位移小，基粧下部 的側(cè)摩阻力不能充分發(fā)揮或尚未發(fā)揮。此外，粧端阻力充分發(fā)揮所需粧端沉降量一般為基 粧直徑的5%左右，對(duì)于大直徑粧，該值遠(yuǎn)大于粧側(cè)摩阻力充分發(fā)揮所需要的粧±相對(duì)位移 量，因此，基粧側(cè)摩阻力與端阻力的發(fā)揮也不是同步的。另外，當(dāng)基粧的長(zhǎng)度超過(guò)一定范圍 時(shí)，在基粧頂部載荷作用下，基粧上部由于粧±相對(duì)位移較大，基粧側(cè)摩阻力會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn) 象，造成基粧上部承載力逐漸降低，而伴隨基粧頂部沉降量的增加，基粧上部的側(cè)摩阻力軟 化區(qū)域?qū)⒅饾u向基粧下部發(fā)展，使基粧下部的側(cè)摩阻力發(fā)揮程度增加，基粧下部的承載力 增加，而基粧頂部的沉降量則持續(xù)增大，基粧在整體承載力滿足要求的前提下將因其頂部 沉降量過(guò)大而使其失效，此時(shí)，基粧上部承載力達(dá)到極限值或進(jìn)入軟化承載階段，而基粧下 部承載力尚未完全發(fā)揮。針對(duì)大直徑超長(zhǎng)基粧存在的上述承載變形特性，有必要提出大直 徑超長(zhǎng)粧新的結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法，使粧頂沉降量在滿足上部結(jié)構(gòu)變形要求的前提 下，能夠充分發(fā)揮基粧上、下部的承載特性，進(jìn)而降低工程造價(jià)，節(jié)約社會(huì)資源。
[0004] 因此，針對(duì)W上不足，本發(fā)明提供了一種摩擦粧的設(shè)計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是避免通過(guò)現(xiàn)有分析方法設(shè)計(jì)得到的大直徑超長(zhǎng)基粧 因不能完全發(fā)揮其承載性能而造成建筑成本浪費(fèi)的現(xiàn)象，且現(xiàn)有基粧的一體式設(shè)計(jì)方法造 成粧基上、下部粧側(cè)摩阻力及粧側(cè)摩阻力與粧端阻力之間發(fā)揮不同步，從而導(dǎo)致基粧上部 達(dá)到承力極限值而下部承力尚未完全發(fā)揮，造成一定程度的浪費(fèi)。
[0007](二）技術(shù)方案
[0008] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種摩擦粧的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法包括 如下設(shè)計(jì)步驟：
[0009] S1、確定摩擦粧的結(jié)構(gòu)形式，該摩擦粧包括上粧、下粧及設(shè)于上粧和下粧之間的隔 斷模板，所述上粧為現(xiàn)誘或預(yù)制的鋼筋混凝±管粧，所述下粧為由上至下依次連接的傳力 結(jié)構(gòu)段、變截面結(jié)構(gòu)段及承載結(jié)構(gòu)段，所述隔斷模板包括外層隔斷模板和內(nèi)層隔斷模板；
[0010] S2、根據(jù)摩擦粧的結(jié)構(gòu)形式及粧側(cè)與粧端±體的物理力學(xué)性質(zhì)綜合確定上粧的粧 側(cè)摩阻力傳遞函數(shù)Ti(Z)、下粧的粧側(cè)摩阻力傳遞函數(shù)l2(Z)和下粧粧端阻力傳遞函數(shù) )，并建立上粧和下粧的承載關(guān)系，從而得到上粧承受的豎向載荷及下粧承受的 豎向載荷F下；
[0011] S3、確立上粧和下粧的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，并通過(guò)建立摩擦粧的粧頂承載與沉降變形 方程組求解得到摩擦粧的幾何參數(shù)，包括上粧的粧長(zhǎng)U、下粧中承載結(jié)構(gòu)段的粧長(zhǎng)1了、上 粧的外徑1?、上粧的內(nèi)徑Dg及下粧中傳力結(jié)構(gòu)段的粧徑。
[0012] 其中，在步驟S2中，所述上粧和下粧的承載關(guān)系可根據(jù)W下公式計(jì)算：
[0013]
[0014]
[0015] 1234567 式中，為上粧承受的豎向載荷；Ft為下粧承受的豎向載荷；為上粧粧長(zhǎng)；It 為下粧中承載結(jié)構(gòu)段的粧長(zhǎng)；1 =U+It，1為總粧長(zhǎng)；Ui為上粧的外徑周長(zhǎng)，，D %為上粧的外徑；Ut為下粧中承載結(jié)構(gòu)段的外徑周長(zhǎng)，下粧中承載結(jié)構(gòu)段的外徑與1?相同； F= +Ft,F為上粧和下粧共同承擔(dān)的上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向載荷；Pt為下粧的粧端阻力； a為下粧粧端阻力修正系數(shù)。 2 其中，在步驟S3中，所述摩擦粧的上粧和下粧的粧頂沉降變形關(guān)系如下所示： 3 陽(yáng)0化]S上=f(F上，1上，D內(nèi)，D外，TI(Z)，EI，…） 4 S下-f(F下，1下，1上，1變，D傳力，D外，T2 (Z)，f'a(S下端），EI，…） 5 S上=S下 6
[OOW式中，為上粧粧頂沉降變形；St為下粧粧頂沉降變形；Lg為下粧中變截面結(jié)構(gòu) 段的長(zhǎng)度；為下粧中傳力結(jié)構(gòu)段的直徑；Dg為上粧的內(nèi)徑；EI為摩擦粧的剛度。 7 其中，所述包括上粧粧長(zhǎng)U范圍內(nèi)粧±相對(duì)位移的累計(jì)值和上粧彈性壓縮變 形值；所述St包括下粧承載結(jié)構(gòu)段1了范圍內(nèi)粧±相對(duì)位移的累計(jì)值、下粧1范圍內(nèi)粧體彈 性壓縮變形值和粧端沉降變形值。
[0023]其中，摩擦粧的設(shè)計(jì)方法還包括步驟S4,根據(jù)步驟S3中求解得到摩擦粧的幾何參 數(shù)，通過(guò)建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化條件進(jìn)行求解得到摩擦粧的目標(biāo)幾何參數(shù)，其對(duì)應(yīng)的優(yōu) 化求解函數(shù)為： 陽(yáng)024] min Cost值外，D內(nèi)，D傳力，1上，1下，…） 陽(yáng)0巧]
W26]S上=S下
[0027] 1 = 1上+1下
[0028] D外-D內(nèi)=40cm~80cm
[0029] D內(nèi)-D傳力=4cm
[0030]其中，摩擦粧的設(shè)計(jì)方法還包括步驟S5,根據(jù)步驟S4中得到的摩擦粧的目標(biāo)幾何 參數(shù)分別對(duì)上粧和下粧進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。
[0031] 其中，所述配筋包括上粧主筋、下粧主筋、髓筋和加強(qiáng)筋。 陽(yáng)03引 （S)有益效果
[0033]本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提供的摩擦粧設(shè)計(jì)方法中，先確定 摩擦粧的結(jié)構(gòu)形式，即該摩擦粧的結(jié)構(gòu)形式為上粧和下粧的分體式，再根據(jù)摩擦粧的結(jié)構(gòu) 形式及粧側(cè)與粧端±體的物理力學(xué)性質(zhì)綜合確定上粧和下粧的承載及變形協(xié)調(diào)關(guān)系，并通 過(guò)建立的摩擦粧粧頂承載與沉降變形方程組求解得到摩擦粧的幾何參數(shù)；通過(guò)本發(fā)明提供 的設(shè)計(jì)方法能使基粧頂部沉降量在滿足工程要求時(shí)，充分發(fā)揮全粧長(zhǎng)粧側(cè)摩阻力與粧端阻 力，從而提高摩擦粧的整體承載力，且在相同上部荷載作用下，通過(guò)上粧和下粧中的傳力結(jié) 構(gòu)段、變截面結(jié)構(gòu)段及承載結(jié)構(gòu)段，使得所需粧長(zhǎng)或粧徑更小且能有效地控制其頂部的沉 降變形，進(jìn)而降低了摩擦粧的工程造價(jià)，節(jié)約了社會(huì)資源。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例摩擦粧的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖中：1 :上粧；2 :上粧主筋；3 :傳力結(jié)構(gòu)段；4 :變截面結(jié)構(gòu)段；5 :下粧主筋；6 :髓 筋；7 :承載結(jié)構(gòu)段；8 :加強(qiáng)筋；9 :外層隔斷模板；10 :內(nèi)層隔斷模板。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是 本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種摩擦粧的設(shè)計(jì)方法，先確定摩擦粧的結(jié)構(gòu) 形式，即該摩擦粧的結(jié)構(gòu)形式為上粧和下粧的分體式，再根據(jù)摩擦粧的結(jié)構(gòu)形式及不同工 程地質(zhì)條件分析粧側(cè)摩阻力與端阻力的性狀，確定上、下粧粧±間側(cè)摩阻力傳遞函數(shù)，根據(jù) 上、下粧共同承載與變形協(xié)調(diào)的原理建立方程組，通過(guò)優(yōu)化分析確定粧徑、粧長(zhǎng)、壁厚與配 筋等工程設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0038] 具體地，在本實(shí)施例中，W某工程粧基為例對(duì)摩擦粧的設(shè)計(jì)方法加W說(shuō)明。某工程 粧的主要參數(shù)為：原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注粧，設(shè)計(jì)要求單粧豎向承載力為4000kN，普通 試粧Zl粧徑1. 5m，粧長(zhǎng)50m;地基±體分為兩層，上層粘± 16為渺泥質(zhì)粘±，厚15m，粘聚 力為16. 8kPa，摩擦角為8. 6°，壓縮模量為6.IMPa,側(cè)摩阻力特征值為20kPa;下層粘± 17 為粉質(zhì)粘±，厚75m，粘聚力為44. 8kPa，摩擦角為12. 6°，壓縮模量為8. 8MPa，粧側(cè)摩阻力 特征值為48kPa，端阻力特征值為1000 kPa;粧側(cè)±體泊松比為0. 35,粧身混凝±強(qiáng)度等級(jí) 為C40,粧身混凝±初始彈性模量E。為30GPa，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法計(jì)算可得粧身幾何參 數(shù)為：上粧1的粧長(zhǎng)為17. 5m，下粧承載結(jié)構(gòu)段7的長(zhǎng)度為24. 5m，上粧外徑為1. 5m，內(nèi)徑為 1.Om,下粧的傳力結(jié)構(gòu)段3的直徑為0. 9m。摩擦粧的設(shè)計(jì)方法如下：
[0039]S1、確定摩擦粧的結(jié)構(gòu)形式，該摩擦粧包括上粧1、下粧及設(shè)于上粧1和下粧之間 的隔斷模板，上粧1為鋼筋混凝±結(jié)構(gòu)的管粧，下粧為由上至下依次連接的傳力結(jié)構(gòu)段3、 變截面結(jié)構(gòu)段4及承載結(jié)構(gòu)段7,隔斷模板包括外層隔斷模板9和內(nèi)層隔斷模板10;
[0040] S2、根據(jù)摩擦粧的結(jié)構(gòu)形式及粧側(cè)與粧端±體的物理力學(xué)性質(zhì)綜合確定上粧1的 粧側(cè)摩阻力傳遞函數(shù)TI(Z)、下粧的粧側(cè)摩阻力傳遞函數(shù)T2(Z)和下粧粧端阻力傳遞函數(shù) fa(ST端），并計(jì)算上粧1和下粧的承載關(guān)系；其中，fa(ST端）為下粧粧端阻力傳遞函數(shù)，其與 下粧粧端沉降量有關(guān)，可根據(jù)勘察報(bào)告綜合確定；
[0041] S3、確立上粧1和下粧的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，并通過(guò)建立的摩擦粧粧頂承載與沉降變 形方程組求解得到摩擦粧的幾何參數(shù)，該摩擦粧的幾何參數(shù)包括上粧1的粧長(zhǎng)U、下粧中 承載結(jié)構(gòu)段7的粧長(zhǎng)1了、上粧1的外徑％、上粧1承受的豎向載荷及下粧承受的豎向 載荷F下等。
[0042] 具體地，在步驟S2中，上粧1和下粧的承載關(guān)系則根據(jù)W下公式計(jì)算：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 式中，為上粧1承受的豎向載荷，與上粧粧側(cè)摩阻力傳遞函數(shù)TI(Z)有關(guān)， 其應(yīng)與U范圍內(nèi)的粧側(cè)摩阻力之和相等；Ft為下粧承受的豎向載荷，F(xiàn)t與下粧承載結(jié)構(gòu)粧 側(cè)摩阻力傳遞函數(shù)T2 (Z)及粧端上體承載變形特性有關(guān)，其應(yīng)與It范圍內(nèi)粧側(cè)