本發(fā)明涉及一種摩擦群樁布樁方法及其復(fù)合地基承載力的計(jì)算方法，其屬于建筑地基承載力與地基加固應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)改革開放全面推進(jìn)，城市化進(jìn)程不斷加快，越來越多的工業(yè)與民用建筑工程、市政工程和道路橋梁工程等大型設(shè)施需要興建，從而對(duì)于基礎(chǔ)工程與地基承載能力的提高提出了越來越高的要求：既要注重工程造價(jià)，又要注意可持續(xù)發(fā)展緩解日益惡化的環(huán)境問題，同時(shí)也要杜絕工程引起的次生災(zāi)害。其中，樁基礎(chǔ)作為重要基礎(chǔ)工程及復(fù)合地基加固措施之一，也廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)工程實(shí)踐之中。

根據(jù)樁的受力情況，可以將其分為摩擦型樁和端承型樁。若樁端持力層多為較堅(jiān)硬的黏性土、粉土和砂類土且樁長(zhǎng)徑比不大時(shí)，多采用摩擦型樁。摩擦型樁是指樁頂豎向荷載全部或主要由樁周阻力承受的樁。其中，樁在錘擊或振入的過程中，將樁位處的土大量排擠開，提高無黏性土的密實(shí)度，從而提高樁側(cè)摩阻力及土體的抗剪強(qiáng)度，產(chǎn)生此種效應(yīng)的樁稱為擠土樁。擠土樁憑借其無振動(dòng)、噪聲小、污染少、施工速度快、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、承載力高以及成樁質(zhì)量?jī)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)而得到廣大工程建設(shè)者的青睞，并投入了廣泛的使用。然而，無論在國(guó)內(nèi)或是國(guó)外，擠土樁的理論研究依然嚴(yán)重落后于工程實(shí)踐。沉樁時(shí)對(duì)已入土鄰樁的影響大、導(dǎo)致土體的垂直隆起等方面的問題依然有待于研究。

在工程實(shí)踐中，群樁的常用平面布置形式為對(duì)稱多邊形、梅花形、單層或多層圓環(huán)形及行列式形等。然而，傳統(tǒng)的布樁類型都沒有考慮上層結(jié)構(gòu)荷載在各個(gè)樁柱上分配的不平均性以及各個(gè)樁柱剛度上的不均勻性，在截面尺寸及樁長(zhǎng)等樁參數(shù)上進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，沒有加以區(qū)分，這就造成了樁體受力分配不合理、樁體變形不協(xié)調(diào)以及材料的浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種新型群樁布樁設(shè)計(jì)法，并配合該布樁設(shè)計(jì)方法提出一種新的復(fù)合地基承載力計(jì)算方法，以達(dá)到對(duì)地基進(jìn)行科學(xué)、有效的加固目標(biāo)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種新型群樁布樁方法，具體為：同一承臺(tái)下的群樁由位于樁位中心的單根內(nèi)樁與其周圍多根外樁共同組成，內(nèi)外樁均為實(shí)心的預(yù)制樁、下端封閉的管樁以及沉管灌注樁等打入樁，在錘擊、振動(dòng)貫入或壓入等方法成樁。外樁應(yīng)圍繞樁位中心依次對(duì)稱打設(shè)至設(shè)計(jì)平面位置，同一樁位上不同外樁的軸心依次相連形成的多邊形為正多邊形；內(nèi)樁應(yīng)在樁位中心打設(shè)，最終內(nèi)外樁組成的群樁承載體形成束狀；在內(nèi)外樁的共同作用下，形成并維持一個(gè)有效空間以保證樁間土達(dá)到充分?jǐn)D密而不擠壞的理論臨界狀態(tài)，從而最大限度地提高樁壁的摩擦承載效應(yīng)，同時(shí)也極大地改善了樁間土本身的承載性能，最終形成內(nèi)樁—樁間土—外樁共同作用的承載體系，示意圖見附圖2。

上述方法通過樁間的擠土作用與外樁的套箍作用，使樁與樁間土形成一個(gè)整體，共同發(fā)揮作用。該布樁方法適用于土體為松散的非黏性土，該類土在充分?jǐn)D密的情況下可以極大地提高地基的整體承載力效應(yīng)。包括如下步驟：

步驟一：原狀地基土層的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》sl237—1999等相關(guān)規(guī)范對(duì)待加固場(chǎng)地原狀土進(jìn)行系統(tǒng)的勘察、試驗(yàn)及調(diào)查測(cè)繪，運(yùn)用巖土原位試驗(yàn)或室內(nèi)土工試驗(yàn)綜合測(cè)定地基土層的物理力學(xué)參數(shù)(黏聚力c0、內(nèi)摩擦角天然重度γ0、天然孔隙率n0、土層厚度h、側(cè)壓力系數(shù)λ0)，并根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》dz/t0219—2006“附錄c”查表確定地基比例系數(shù)m。

步驟二：臨界密實(shí)狀態(tài)下地基土層的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

(1)臨界密實(shí)狀態(tài)土層孔隙率的測(cè)定

假設(shè)孔隙率隨著土層深度線性減小，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》sl237—1999，由三軸壓縮試驗(yàn)可知，在建設(shè)場(chǎng)地分別取各土層中部保持天然結(jié)構(gòu)的原狀土入試驗(yàn)儀器，并測(cè)量各土樣初始孔隙率ni0及初始高度hi0。對(duì)于第i層土試樣，設(shè)置的圍壓為該土層自重應(yīng)力的一半與該土層以上各土層的自重應(yīng)力之和，即(j表示第i層以上各土層的物理參數(shù))。依據(jù)試驗(yàn)要求，對(duì)試樣分級(jí)加載，至試樣壓縮穩(wěn)定時(shí)測(cè)量試塊高度hi，則此時(shí)該試樣即處于臨界密實(shí)狀態(tài)。由公式(1)可求得該土層處于臨界狀態(tài)的孔隙率，即為土層臨界孔隙率。

式中，nicr-第i層土體臨界孔隙率；ni0-第i層土體天然孔隙率；hi0-第i層土體所取試樣初始高度，mm；hi-第i層土體所取試樣壓縮穩(wěn)定后高度，mm。

各土層臨界孔隙率沿高度取加權(quán)平均值即可得到地基土層平均臨界孔隙率，見式(2)

式中，ncr-地基土層平均臨界孔隙率。

(2)臨界密實(shí)狀態(tài)土層側(cè)壓力系數(shù)的測(cè)定

待試樣沉降穩(wěn)定，在施加軸向力的同時(shí)，施加側(cè)向力，使土體試樣不產(chǎn)生側(cè)向變形，根據(jù)測(cè)得的軸向壓力和側(cè)向壓力可求得土體側(cè)壓力系數(shù)。

(3)臨界密實(shí)狀態(tài)土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定

此時(shí)，繼續(xù)加載至試件受剪破壞，可作出該試驗(yàn)條件下的應(yīng)力圓，用同一土層的若干試件(三個(gè)及三個(gè)以上)在不同的圍壓下，按上述方法分別進(jìn)行試驗(yàn)，即可分別得到直徑不同的應(yīng)力圓，則該組應(yīng)力圓的公切線斜率與在縱軸上的截距即為臨界密實(shí)狀態(tài)地基土層的內(nèi)摩擦角和黏聚力c。

上述試驗(yàn)詳見《土工試驗(yàn)規(guī)程》sl237—1999。

步驟三：外樁樁體受力分析及力學(xué)參數(shù)的確定

外樁樁設(shè)計(jì)荷載(受力示意圖見圖3)主要如下：①上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向力；②樁側(cè)側(cè)摩阻力；③樁間土作用于外樁的主動(dòng)土壓力；④樁外土作用于外樁的被動(dòng)土壓力。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94—2008，結(jié)合工程地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)要求，確定外樁受荷段長(zhǎng)度h1，即可得到單根外樁所受水平推力。如式(3)

ep＝et-en(3)

式中，ep-單根外樁所受推力，即外樁抗側(cè)力，kn；et-樁間土作用于外樁受荷段的側(cè)壓力，kn，其中，分別為第i個(gè)樁間密實(shí)土層在外樁受荷段最上部、最下部的側(cè)壓應(yīng)力，kpa，以密實(shí)狀態(tài)下地基土層的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算；en-樁外土作用于外樁受荷段的側(cè)壓力，kn，其中，分別為第i個(gè)土層最上部、最下部的側(cè)壓應(yīng)力，可以原狀地基土層的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算。

步驟四：外樁樁間距的確定

外樁要在上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載的作用下保證其穩(wěn)定性滿足要求，同時(shí)，在強(qiáng)大水平力的作用下內(nèi)外樁間土達(dá)到臨界孔隙率以維持內(nèi)外樁的樁間土的充分?jǐn)D密狀態(tài)，即保證外樁水平方向的穩(wěn)定性并保證樁間土在一定限度內(nèi)不致從樁間擠出，故本專利將外樁的計(jì)算模型定為彈性抗滑樁模型。根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》dz/t0219—2006，結(jié)合工程地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)要求，初選外樁直徑db。根據(jù)土拱效應(yīng)確定外樁樁間距為

式中，s-外樁樁間距，m；s0-外樁樁間凈距，m，由式(5)(6)確定；ks-安全系數(shù)，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》gb50021-2001，巖土工程勘察等級(jí)為甲級(jí)、乙級(jí)和丙級(jí)的建設(shè)場(chǎng)地分別取值為1.5、1.4和1.3。

式中，db-外樁直徑，m；q-作用于單位高度土拱上的樁后坡體線分布?jí)毫?，q＝p/h1，kn/m；α-土拱拱腳破裂面與水平方向夾角，°，由式(6)確定；

具體推導(dǎo)過程見原理1。

步驟五：外樁水平受力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為增加外樁剛度，減小樁體橫向變形，特根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》dz/t0219—2006設(shè)置外樁錨固段長(zhǎng)度h2(約為受荷段長(zhǎng)度的1/2～2/3)，并由上述規(guī)范中關(guān)于地基比例系數(shù)m的取值要求，本發(fā)明采用“m”法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。在該布樁方法下，由于外樁的抗彎剛度較小，在工程實(shí)踐中側(cè)向變形較大，故采用彈性樁內(nèi)力計(jì)算方法并依據(jù)式(7)(8)確定外樁內(nèi)力臨界設(shè)計(jì)參數(shù)

式中：xy、my、qy-錨固段樁身任一截面的位移，m，彎矩，kn·m，剪力，kn；xa、φa、ma、qa-滑動(dòng)面處樁的位移，m，轉(zhuǎn)角，rad，彎矩，kn·m，剪力，kn；σy-縱向側(cè)壓力，kpa。

當(dāng)樁底為自由端時(shí)，ma、qa、xa、φa由式(8)求得

根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》dz/t0219—2006，確定群樁樁體土層允許側(cè)壓力σmax。由此可對(duì)外樁樁體水平穩(wěn)定性做出如下評(píng)價(jià)：

1)如果σy≤σmax，則表明外樁內(nèi)力強(qiáng)度參數(shù)滿足其樁體水平穩(wěn)定性要求；

2)如果σy＞σmax，則表明外樁內(nèi)力強(qiáng)度參數(shù)不能滿足其樁體水平穩(wěn)定性要求。此時(shí)可采取擴(kuò)大外樁截面的方式按照前述步驟進(jìn)行二次計(jì)算，直到樁側(cè)承載能力滿足要求，即可確定外樁樁徑。

具體推導(dǎo)過程見原理2。

步驟六：內(nèi)外樁樁間距的確定

同一樁位的群樁由單根內(nèi)樁和多根外樁共同組成(布樁示意圖見附圖2)。外樁應(yīng)圍繞樁位中心依次對(duì)稱打設(shè)至設(shè)計(jì)位置，原則為：同一樁位上不同外樁的軸心依次相連形成正多邊形，該正多邊形形心即為樁位中心。內(nèi)樁應(yīng)在樁位中心打設(shè)，內(nèi)外樁組成的群樁承載體形成束狀，在內(nèi)外樁的共同作用下，形成并維持一個(gè)有效空間以保證樁間土達(dá)到臨界孔隙率ncr，從而最大限度地提高樁壁的摩擦承載效應(yīng)，同時(shí)也極大地改善了樁間土本身的承載性能。據(jù)此可由式(9)得內(nèi)外樁中心距(推導(dǎo)過程見原理3)

式中，dab-內(nèi)外樁中心距，m；da-內(nèi)樁直徑，m，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94-2008確定；n0-土層天然孔隙率，各土層孔隙率沿高度取加權(quán)平均值；ncr-土層臨界孔隙率。

步驟七：群樁復(fù)合地基承載力的確定方法

復(fù)合地基承載力由式(10)確定

式中，p-復(fù)合地基承載力，kn；n-外樁根數(shù)，n＝πdab/s；ω-外樁接觸樁間擠密土層的弧長(zhǎng)的一半對(duì)應(yīng)的角度，rad；rj±k,l-樁側(cè)均布阻力，kn/m，其中j,k＝1,2，-樁外土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值，kpa；-樁間土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值，kpa；l＝1,2，h1i-外樁受荷段按土層劃分的各段樁長(zhǎng)，m；h2i-外樁錨固段按土層劃分的各段樁長(zhǎng)，m。

步驟八：復(fù)合地基承載力提高率

定義η復(fù)合地基承載力提高率，表示在土層條件相同、樁側(cè)表面積相等以及樁體受力形式一致等條件下，本專利采用的布樁方法相較于傳統(tǒng)群樁布樁方法的承載力提高值與后者的比值

其中，

具體推導(dǎo)過程見原理4。

相比傳統(tǒng)摩擦樁與復(fù)合地基在承載方面的局限與不足，本發(fā)明提出的摩擦群樁布樁方法具有以下優(yōu)勢(shì)：對(duì)于大面積含松散非黏性土的地基，本方法可以盡可能地提高局部范圍即群樁結(jié)構(gòu)內(nèi)外的復(fù)合地基的承載力，而不需要對(duì)整個(gè)地基土進(jìn)行處理，故施工難度小，施工工期較短，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)；通過樁的擠土效應(yīng)和外樁的套箍作用將樁間土擠密，充分地發(fā)揮了土本身的承載，而使內(nèi)樁—樁間土—外樁成為一個(gè)整體共同作用。

本發(fā)明方法的理論基礎(chǔ)如下：

原理1土拱效應(yīng)理論及計(jì)算

沿樁長(zhǎng)方向取單位高度的土拱進(jìn)行分析，其簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖4所示。在圖4中，土拱跨度(相鄰兩樁間凈距)為s，拱圈厚度為t，拱高(跨中剝落度)為r，作用于單位高度土拱上的樁后坡體線分布?jí)毫閝，拱腳處反力分別為fx與fy。若令a＝r/s，b＝t/s，則可以得到拱軸線方程為

y＝4a/s·(sx-x²)(1)

同時(shí)，由此模型可見樁間土拱實(shí)為二腳拱，于是根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)可以得到拱腳反力為

fy＝qs/2(2)

fx＝λqs/(8a)(3)

式(3)中，λ為拱腳橫向傳力系數(shù)，計(jì)算如下

其中，k1＝ln[(k0-4a)/(k0+4a)]，k2＝k1+8ak0，而一般而言，λ值比較接近于1，所以為簡(jiǎn)化計(jì)算，可以近似取λ＝1。

要保證相鄰兩樁間土拱正常發(fā)揮作用，就需要滿足樁間的靜力平衡條件，即兩樁側(cè)面的摩阻力之和不小于樁間作用于土拱上的壓力(坡體壓力)。為便于分析可取等號(hào)，其表達(dá)式可以寫為

由于土拱的跨中截面是最不利截面，所以在此處土體要滿足強(qiáng)度條件；同時(shí)，由于跨中截面處的前緣點(diǎn)比后緣點(diǎn)受力更為不利，因此取跨中截面處前緣點(diǎn)m(如圖4所示)滿足強(qiáng)度條件，這里采用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。此時(shí)，若取λ＝1，則跨中截面彎矩為零。于是跨中截面處前緣點(diǎn)應(yīng)力σm為

σm＝fx/t(6)

由于樁前土體已被開挖，所以在俯視平面內(nèi)m點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)，因而根據(jù)莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則可得

將式(6)代入式(7)，即得

在樁間距設(shè)置合理的情況下，在同一樁體后側(cè)的局部區(qū)域內(nèi)(樁頂及其以下附近范圍內(nèi))，相鄰兩側(cè)的土拱會(huì)在此處形成三角形受壓區(qū)，如圖4所示。因此，應(yīng)該保證該三角形受壓區(qū)能正常發(fā)揮效用而不被破壞,即此處應(yīng)該滿足強(qiáng)度條件。具體地說，這時(shí)在截面de上根據(jù)莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則應(yīng)有

式中，t-作用于截面de上的合力，α-為截面de與水平方向的夾角，β-合力t與水平方向的夾角。這樣，根據(jù)上述3個(gè)主要控制條件，就可以較為合理地確定樁間距。

原理2“m”法計(jì)算抗滑樁內(nèi)力

彈性樁的變形包括樁體本身的位置變動(dòng)和彎曲變形，樁頂(錨固段)受水平荷載的撓曲微分方程為

式中，mybpx-地基作用于樁上的水平抗力，對(duì)于“m”法，上述撓曲微分方程對(duì)錨固段成立的條件是滑面處的地基系數(shù)零。

此為四階線性變系數(shù)齊次微分方程，用冪級(jí)數(shù)展開后進(jìn)行近似求解，換算整理后得

式中：xy、my、qy-錨固段樁身任一截面的位移，m，彎矩，kn·m，剪力，kn；xa、φa、ma、qa-滑動(dòng)面處樁的位移，m，轉(zhuǎn)角，rad，彎矩，kn·m，剪力，kn；ai、bi、ci、di-i∈[1,4]，隨樁的換算深度而異的m法的影響函數(shù)值(查表求得，表見《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》jtgd63—2007表p.0.8)。

上式為“m”法的一般公式，計(jì)算時(shí)必須先求得滑面處的xa和φa，才能求樁身任一截面的位移、轉(zhuǎn)角、彎矩、剪力和地基土對(duì)該截面的側(cè)向應(yīng)力。為此，需要根據(jù)柱底簡(jiǎn)化為自由端、鉸支端和固定端三種邊界條件確定，現(xiàn)以柱底自由端為例說明。

當(dāng)樁底為自由端時(shí)，mb＝0、qb＝0、φb≠0、xb≠0，將mb＝0、qb＝0代入式(11)的第3、4式，聯(lián)解得

將上述各種邊界條件下相應(yīng)的xa和φa代入式(13)，即可求得滑動(dòng)面以下樁身任一截面的變位和內(nèi)力。

原理3內(nèi)外樁間距的確定

設(shè)在地基土表面一個(gè)圓形區(qū)域⊙a(bǔ)b，其下土體天然孔隙率為另設(shè)圓形樁⊙a(bǔ)，打樁入土后，假設(shè)樁側(cè)土體均勻擠密，并且該圓形區(qū)域⊙a(bǔ)b內(nèi)的土體全部達(dá)到充分?jǐn)D密而不擠壞的臨界狀態(tài)，取該狀態(tài)下土體的孔隙率為臨界孔隙率為又設(shè)圓形樁⊙b的圓心在圓形區(qū)域⊙a(bǔ)b邊緣，則聯(lián)立式(*)、(#)即可得內(nèi)外樁間距

原理4群樁復(fù)合地基承載力的公式推導(dǎo)

樁身側(cè)摩阻力等于樁側(cè)與土接觸面積、樁側(cè)阻力與樁長(zhǎng)之積，即

p＝up∑qsiahi(15)

故內(nèi)樁樁身側(cè)摩阻力為

外樁由于分別與處于臨界密實(shí)狀態(tài)的土、一般密實(shí)狀態(tài)的土接觸，故首先需確定樁身圓截面的接觸比例分配，由幾何關(guān)系可得，前者占圓截面的角度為后者即為2π-2ω，故外樁樁身側(cè)摩阻力為

故由式(16)(17)得群樁承載體系的全部側(cè)摩阻力為

式中，p-復(fù)合地基承載力，kn；n-外樁根數(shù)，n＝πdab/s；ω-外樁接觸樁間擠密土層的弧長(zhǎng)的一半對(duì)應(yīng)的角度，rad；rj±k,l-樁側(cè)均布阻力，kn/m，其中j,k＝1,2，-樁外土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值，kpa；-樁間土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值，kpa；l＝1,2，h1i-外樁受荷段按土層劃分的各段樁長(zhǎng)，m；h2i-外樁錨固段按土層劃分的各段樁長(zhǎng)，m。

設(shè)在某土層條件、樁側(cè)表面積以及樁體受力形式等條件下，傳統(tǒng)群樁布樁方法的承載力為

p0＝πdar1,1+nπdbr1,1+2(19)

在土層條件相同、樁側(cè)表面積相等以及樁體受力形式一致等條件下，本專利采用的布樁方法的承載力為

故定義η復(fù)合地基承載力提高率，表示在土層條件相同、樁側(cè)表面積相等以及樁體受力形式一致等相同的條件下，本專利采用的布樁方法相較于傳統(tǒng)群樁布樁方法的承載力提高值與后者的比值，即

其中，

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)通過樁的截面尺寸及樁長(zhǎng)等樁身參數(shù)的歸類設(shè)計(jì)，在不產(chǎn)生地表隆起及保證不對(duì)相鄰樁柱產(chǎn)生側(cè)向位移的基礎(chǔ)上，充分提高并保持樁身側(cè)摩阻力及土體抗剪強(qiáng)度。(2)對(duì)于大面積含松散非黏性土的地基，本方法可以盡可能地提高局部范圍即群樁結(jié)構(gòu)內(nèi)外的復(fù)合地基的承載力，而不需要對(duì)整個(gè)地基土進(jìn)行處理，故施工難度小，施工工期較短，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)；通過樁的擠土效應(yīng)和外樁的套箍作用將樁間土擠密，充分地發(fā)揮了土本身的承載能力，從而使內(nèi)樁—樁間土—外樁成為一個(gè)整體而共同作用。

附圖說明

圖1本發(fā)明的方法流程圖；

圖2-a為群樁布樁的平面示意圖；

圖2-b為群樁布樁的剖面示意圖；

圖3為群樁設(shè)計(jì)荷載受力示意圖；

圖4為土拱簡(jiǎn)化計(jì)算模型。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合該工程來加以詳細(xì)論述其可行性，以說明其實(shí)際意義和價(jià)值。具體實(shí)施步驟如下：

步驟一：原狀地基土層的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》sl237—1999等相關(guān)規(guī)范對(duì)待加固場(chǎng)地原狀土進(jìn)行系統(tǒng)的勘察、試驗(yàn)及調(diào)查測(cè)繪，運(yùn)用巖土原位試驗(yàn)或室內(nèi)土工試驗(yàn)綜合測(cè)定地基土層的物理力學(xué)參數(shù)(黏聚力c0、內(nèi)摩擦角天然重度γ0、天然孔隙率n0、土層厚度h、側(cè)壓力系數(shù)λ0)，并根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》dz/t0219—2006“附錄c”查表確定地基比例系數(shù)m。相關(guān)勘察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)入表格。

表1原狀地基土層的物理力學(xué)參數(shù)

步驟二：臨界密實(shí)狀態(tài)下地基土層的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

(1)臨界密實(shí)狀態(tài)的孔隙率的測(cè)定

假設(shè)孔隙率隨著土層深度線性減小，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》sl237—1999，由三軸壓縮試驗(yàn)可知，在建設(shè)場(chǎng)地取砂土層中部(即地面標(biāo)高-6.5m處)及粉質(zhì)黏土層中部(即地面標(biāo)高-13m處)保持天然結(jié)構(gòu)的原狀土入試驗(yàn)儀器，(上部為雜填土，不在樁長(zhǎng)范圍內(nèi))并測(cè)量各土樣初始孔隙率n20＝38％，n30＝43％及初始高度h20＝h30＝100.0mm。對(duì)于第2層土試樣，設(shè)置的圍壓為該土層自重應(yīng)力的一半與該土層以上各土層的自重應(yīng)力之和，即(j表示第i層以上各土層的物理參數(shù))，對(duì)于第3層土試樣，設(shè)置的圍壓為依據(jù)試驗(yàn)要求，對(duì)試樣分級(jí)加載，至試樣破壞時(shí)測(cè)量試塊高度h2＝83.8mm，h3＝87.7mm，則此時(shí)該試樣即處于臨界密實(shí)狀態(tài)。由公式(1)可求得該土層處于臨界狀態(tài)的孔隙率，即為土層臨界孔隙率。

式中，nicr-第i層土體臨界孔隙率；ni0-第i層土體天然孔隙率；hi0-第i層土體所取試樣初始高度，mm；hi-第i層土體所取試樣壓縮穩(wěn)定后高度，mm。

各土層臨界孔隙率沿高度取加權(quán)平均值即可得到地基土層平均臨界孔隙率，見式(2)

式中，ncr-地基土層平均臨界孔隙率。

(2)臨界密實(shí)狀態(tài)土層側(cè)壓力系數(shù)的測(cè)定

待試樣沉降穩(wěn)定，在施加軸向力的同時(shí)，施加側(cè)向力，使土體試樣不產(chǎn)生側(cè)向變形，根據(jù)測(cè)得的軸向壓力和側(cè)向壓力可求得各土層側(cè)壓力系數(shù)，計(jì)入表2。

(3)臨界密實(shí)狀態(tài)土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定

此時(shí)，繼續(xù)加載至試件受剪破壞，可作出該試驗(yàn)條件下的應(yīng)力圓，用同一土層的若干試件(三個(gè)及三個(gè)以上)在不同的圍壓下，按上述方法分別進(jìn)行試驗(yàn)，即可分別得到直徑不同的應(yīng)力圓，則該組應(yīng)力圓的公切線斜率與在縱軸上的截距即為臨界密實(shí)狀態(tài)地基土層的內(nèi)摩擦角和黏聚力c，計(jì)入表2。

表2臨界密實(shí)狀態(tài)土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與側(cè)壓力系數(shù)

步驟三：外樁樁體受力分析及力學(xué)參數(shù)的確定

外樁樁設(shè)計(jì)荷載(受力示意圖見圖3)主要如下：①上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向力；②樁側(cè)側(cè)摩阻力；③樁間土作用于外樁的主動(dòng)土壓力；④樁外土作用于外樁的被動(dòng)土壓力。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94—2008，結(jié)合工程地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)要求，確定外樁受荷段長(zhǎng)度，本例取h1＝9m，本例樁頂標(biāo)高為-2.000m，受荷段僅穿越土層①，由式(3)可得到單根外樁所受水平推力

式中，ep-單根外樁所受推力，即外樁抗側(cè)力，kn；et-樁間土作用于外樁受荷段的側(cè)壓力，kn，以密實(shí)狀態(tài)下地基土層的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算；en-樁外土作用于外樁受荷段的側(cè)壓力，kn，可以原狀地基土層的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算。

步驟四：外樁樁間距的確定

外樁要在上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載的作用下保證其穩(wěn)定性滿足要求，同時(shí)，在強(qiáng)大水平力的作用下內(nèi)外樁間土達(dá)到臨界孔隙率以維持內(nèi)外樁的樁間土的充分?jǐn)D密狀態(tài)，即保證外樁水平方向的穩(wěn)定性并保證樁間土在一定限度內(nèi)不致從樁間擠出，故本專利將外樁的計(jì)算模型定為彈性抗滑樁模型。根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》dz/t0219—2006，結(jié)合工程地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)要求，初選外樁直徑db＝300mm。

土拱拱腳破裂面與水平方向夾角，°。由式(4)確定

故，外樁樁間凈距s0可由式(5)確定

式中，db-外樁直徑，m；q-作用于單位高度土拱上的樁后坡體線分布?jí)毫?，q＝e/h1，kn/m。

根據(jù)土拱效應(yīng)確定外樁樁間距為

式中，s-外樁樁間距，m；ks-安全系數(shù)，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》gb50021-2001，巖土工程勘察等級(jí)為甲級(jí)、乙級(jí)和丙級(jí)的建設(shè)場(chǎng)地分別取值為1.5、1.4和1.3。

步驟五：外樁水平受力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為增加外樁剛度，減小樁體橫向變形，特根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》dz/t0219—2006設(shè)置外樁錨固段長(zhǎng)度h2＝4m，并由上述規(guī)范中關(guān)于地基比例系數(shù)m的取值要求，本發(fā)明采用“m”法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。在該布樁方法下，由于外樁的抗彎剛度較小，在工程實(shí)踐中側(cè)向變形較大，故采用彈性樁內(nèi)力計(jì)算方法并依據(jù)式(7)(8)確定外樁內(nèi)力臨界設(shè)計(jì)參數(shù)

式中：xy、my、qy-錨固段樁身任一截面的位移，m，彎矩，kn·m，剪力，kn；xa、φa、ma、qa-滑動(dòng)面處樁的位移，m，轉(zhuǎn)角，rad，彎矩，kn·m，剪力，kn；σy-縱向側(cè)壓力，kpa。

當(dāng)樁底為自由端時(shí)，ma、qa、xa、φa由式(8)求得

表3錨固段內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》dz/t0219—2006，確定群樁樁體土層允許側(cè)壓力σmax。由此可對(duì)外樁樁體水平穩(wěn)定性做出如下評(píng)價(jià)：

從表3的計(jì)算結(jié)果來看，y＝y(tǒng)4.0為危險(xiǎn)截面，根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》“7.2.8”一節(jié)，對(duì)樁側(cè)承載能力進(jìn)行校核。

式中，σmax-嵌固段土層最大側(cè)向壓力值，kpa；ρ2-折減系數(shù)，取決于土體結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的精度，宜取值為0.5～1.0；σp4.0-樁前巖土體作用于樁身危險(xiǎn)截面處的被動(dòng)土壓應(yīng)力，kpa；σa4.0-樁后巖土體作用于樁身危險(xiǎn)截面處的主動(dòng)土壓應(yīng)力，kpa。

步驟六：內(nèi)外樁樁間距的確定

同一樁位的群樁由單根內(nèi)樁和多根外樁共同組成(布樁示意圖見附圖2)。外樁應(yīng)圍繞樁位中心依次對(duì)稱打設(shè)至設(shè)計(jì)位置，原則為：同一樁位上不同外樁的軸心依次相連形成正多邊形，該正多邊形形心即為樁位中心。內(nèi)樁應(yīng)在樁位中心打設(shè)，內(nèi)外樁組成的群樁承載體形成束狀，在內(nèi)外樁的共同作用下，形成并維持一個(gè)有效空間以保證樁間土達(dá)到臨界孔隙率ncr，從而最大限度地提高樁壁的摩擦承載效應(yīng)，同時(shí)也極大地改善了樁間土本身的承載性能。據(jù)此可由式(11)得內(nèi)外樁中心距(推導(dǎo)過程見原理3)

式中，dab-內(nèi)外樁中心距，m；da-內(nèi)樁直徑，m，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94-2008確定，本例取da＝500mm；n0-土層天然孔隙率，ncr-土層臨界孔隙率。

步驟七：群樁復(fù)合地基承載力的確定方法

復(fù)合地基承載力由式(12)確定

式中，p-復(fù)合地基承載力，kn；n-外樁根數(shù)，n＝πdab/s≈6；ω-外樁接觸樁間擠密土層的弧長(zhǎng)的一半對(duì)應(yīng)的角度，rad；rj±k,l-樁側(cè)均布阻力，kn/m，其中j,k＝1,2，-樁外土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值，kpa；-樁間土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值，kpa；由樁靜載荷試驗(yàn)確定；l＝1,2，h1i-外樁受荷段按土層劃分的各段樁長(zhǎng)，m；h2i-外樁錨固段按土層劃分的各段樁長(zhǎng)，m。

步驟八：復(fù)合地基承載力提高率

定義η復(fù)合地基承載力提高率，表示在土層條件相同、樁側(cè)表面積相等以及樁體受力形式一致等相同的條件下，本專利采用的布樁方法相較于傳統(tǒng)群樁布樁方法的承載力提高值與后者的比值

其中，

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。