本發(fā)明屬于建筑地基承載力與地基加固應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種摩擦群樁布樁與復(fù)合地基承載力的確定方法。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)80年代以來，我國改革開放全面推進(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：既要降低工程造價(jià)，又要確?？沙掷m(xù)發(fā)展以緩解日益惡化的環(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，也廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)工程實(shí)踐之中。

根據(jù)樁的受力條件，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，無論在國內(nèi)或是國外，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。

樁的側(cè)阻力的確定同樣是一個(gè)重要的課題。樁的側(cè)阻力估算，無論是地基基礎(chǔ)規(guī)范、建筑樁基技術(shù)規(guī)范還是各地方規(guī)范都以查表為主。由于表本身選用參數(shù)有限，能表達(dá)的數(shù)據(jù)有較大的局限性。以建筑樁基技術(shù)規(guī)范為例，預(yù)制樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值均落于一個(gè)區(qū)間，而區(qū)間普遍較大，其最大值、最小值相差可達(dá)2倍以上，在實(shí)際操作上因各地各人的經(jīng)驗(yàn)不同難免存在一定的隨意性，故確定一種實(shí)測(cè)方法確定樁側(cè)阻力，使其在實(shí)踐中更具應(yīng)用性和精確性成為一個(gè)重要的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有布樁方法存在的上述缺陷，提出了一種摩擦群樁布樁方法，并配合該摩擦群樁布樁方法提出了一種新的復(fù)合地基承載力的確定方法，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)明所述的摩擦群樁布樁方法，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，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六邊形，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)。

本發(fā)明所述的摩擦群樁布樁的復(fù)合地基承載力的確定方法，包括以下步驟：

步驟一：場(chǎng)地勘察及原狀地基土層的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)前應(yīng)根據(jù)建筑物的特點(diǎn)和有關(guān)要求，進(jìn)行巖土工程勘察和場(chǎng)地施工條件等資料的搜集工作，提出工程地質(zhì)勘察任務(wù)書，巖土工程勘察應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》gb50021的基本要求。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)(天然重度γ、天然孔隙率n、土層厚度h)。

步驟二：布樁參數(shù)的確定

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94-2008選定內(nèi)外樁直徑d、內(nèi)外樁間距dd及樁長l。

步驟三：地基土體置換率的確定

根據(jù)單樁直徑及樁間距可得打樁入土后土體置換率。定義土體的置換率為內(nèi)外樁間距范圍內(nèi)樁體積與原土體積之比，它是反映樁身入土之后土體擠密程度、壓縮狀態(tài)及孔隙率變化情況的重要參數(shù)，由式(1)可得

式中，ζ-土層的置換率；由附圖3可知θ1,θ2-陰影部分公共弦對(duì)應(yīng)的⊙dd,⊙d的圓心角的一半，rad。

步驟四：地基土體擠密孔隙率的確定

定義擠密孔隙率為樁間土體經(jīng)過內(nèi)外樁體打設(shè)就位，其擠密后的孔隙率。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)到孔隙率n′，極大地改善了樁間土本身的承載性能。

式中，dd-樁中心距，m；d-單樁直徑，m；n0-土層天然孔隙率，各土層孔隙率沿高度取加權(quán)平均值；n′-擠密孔隙率，即該布樁條件下樁間土層的孔隙率。

步驟五：樁側(cè)阻力特征值的確定

根據(jù)擠密孔隙率n′將土層的密實(shí)度區(qū)間劃分為密實(shí)、中密、稍密及松散，繼而由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94-2008查表可得樁間土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值同時(shí)根據(jù)土層天然孔隙率由上述方法查表得樁外土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值

步驟六：群樁復(fù)合地基承載力的確定

復(fù)合地基承載力由式(3)確定

p＝πd(r2+6r1)+6ωd(r2-r1)(3)

式中，p-復(fù)合地基承載力，kn；ω-外樁接觸樁間擠密土層的弧長的一半對(duì)應(yīng)的角度，rad；rj-樁側(cè)均布阻力，kn/m，其中j＝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。

為了驗(yàn)證本發(fā)明的布樁方法相對(duì)于傳統(tǒng)群樁布樁方法的承載性能差異，定義η為復(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對(duì)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，

針對(duì)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)明具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)通過樁的截面尺寸及樁長等樁身參數(shù)的設(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；

(3)確定一種利用土體強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算樁側(cè)阻力的方法在實(shí)踐中更具應(yīng)用性和精確性。

本發(fā)明方法的理論基礎(chǔ)如下：

原理1土層置換率的確定

定義土層的置換率為打樁入土前后內(nèi)外樁間距范圍內(nèi)土體的體積之比，即在樁長的范圍內(nèi)，可以將式簡(jiǎn)化為如圖2、3所示，vb、ab為陰影部分在樁長范圍內(nèi)的體積、陰影部分的面積，va、aa為樁的體積、樁身橫截面積，vab、aab為以內(nèi)外樁間距為半徑形成的圓在樁身范圍內(nèi)的體積、以內(nèi)外樁間距為半徑形成的圓的面積。由幾何關(guān)系可得，將(*2)代入(*1)可得

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，該圓形區(qū)域⊙a(bǔ)b內(nèi)的土體的孔隙率為又設(shè)圓形樁⊙b的圓心在圓形區(qū)域⊙a(bǔ)b邊緣，則聯(lián)立式(#1)、(#2)即可得內(nèi)外樁間距

原理2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)阻力與樁長之積，即

p＝up∑qsiahi(3)

故內(nèi)樁樁身側(cè)摩阻力為

外樁由于分別與充分密實(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(4)(5)得群樁承載體系的全部側(cè)摩阻力為

p＝πdr2+6d[(π-ω)r1+ωr2](6)

式中，p-復(fù)合地基承載力，kn；ω-外樁接觸樁間擠密土層的弧長的一半對(duì)應(yīng)的角度，rad；rj-樁側(cè)均布阻力，kn/m，其中j＝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。

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＝7πdr1(7)

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

p＝πdr2+6d[(π-ω)r1+ωr2](8)

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，

附圖說明

圖1本發(fā)明的流程圖；

圖2-a為本發(fā)明的群樁布樁的平面示意圖；

圖2-b為本發(fā)明的群樁布樁的剖面示意圖；

圖3為本發(fā)明的計(jì)算示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

步驟一：場(chǎng)地勘察及原狀地基土層的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)前應(yīng)根據(jù)建筑物的特點(diǎn)和有關(guān)要求，進(jìn)行巖土工程勘察和場(chǎng)地施工條件等資料的搜集工作，提出工程地質(zhì)勘察任務(wù)書，巖土工程勘察應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》gb50021的基本要求。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)(天然重度γ、天然孔隙率n、土層厚度h)。

表1原狀地基土層的物理力學(xué)參數(shù)

步驟二：布樁參數(shù)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)。內(nèi)樁應(yīng)在樁位中心打設(shè)，外樁應(yīng)圍繞內(nèi)樁依次對(duì)稱打設(shè)至設(shè)計(jì)位置，為使內(nèi)樁與外樁、相鄰兩外樁之間的土層同時(shí)達(dá)到相同的擠密狀態(tài)，以保證樁身側(cè)向受力的均勻性，三者應(yīng)兩兩等間距布置，即同一樁位上不同外樁的軸心依次相連形成正六邊形，該正六邊形形心即為內(nèi)樁中心。由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94-2008選定內(nèi)外樁直徑d＝500mm、內(nèi)外樁間距dd＝2000mm及樁長l＝9m。

步驟三：地基土體置換率的確定

根據(jù)單樁直徑及樁間距可得打樁入土后土體置換率。定義土體的置換率為內(nèi)外樁間距范圍內(nèi)樁體積與原土體積之比，它是反映樁身入土之后土體擠密程度、壓縮狀態(tài)及孔隙率變化情況的重要參數(shù)，由式(1)可得

式中，ζ-土層的置換率；由附圖3可知θ1,θ2-陰影部分公共弦對(duì)應(yīng)的⊙dd,⊙d的圓心角的一半，rad。

步驟四：地基土體擠密孔隙率的確定

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)到孔隙率n′，極大地改善了樁間土本身的承載性能。

式中，dd-樁中心距，m；d-單樁直徑，m；n0-土層天然孔隙率，各土層孔隙率沿高度取加權(quán)平均值；n′-擠密孔隙率，即該布樁條件下樁間土層的孔隙率。

步驟五：樁側(cè)阻力特征值的確定；

根據(jù)擠密孔隙率n′將土層的密實(shí)度區(qū)間劃分為密實(shí)、中密、稍密及松散，繼而由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》jgj94-2008，查表可得樁間土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值取值為74kpa。同時(shí)根據(jù)土層天然孔隙率由上述方法查表得樁外土與外樁接觸部分的樁側(cè)阻力特征值取值為48kpa。

步驟六：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(3)確定

式中，p-復(fù)合地基承載力，kn；ω-外樁接觸樁間擠密土層的弧長的一半對(duì)應(yīng)的角度，rad；rj-樁側(cè)均布阻力，kn/m，其中，

復(fù)合地基承載力提高率的確定

定義η為復(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

當(dāng)然，上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例范圍。本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍內(nèi)。