CN103266634A - 一种超长钻孔灌注桩承载力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超长钻孔灌注桩承载力确定方法，该方法包括下面的步骤：确定桩土总刚度，依据工程需要确定出各层桩土桩侧摩阻力标准值和桩底反力标准值；利用数学上传统的拟合方法确定各层桩土桩侧双曲线函数传递参数，并确定各层桩土桩底双曲线函数传递参数；利用长度测量装置确定桩径D；根据计算精度的要求确定桩身分段长度，并保证每分段对应一层桩土；逐段计算出各桩身分段长度上的桩侧摩阻力，并确定桩侧摩阻力控制值；判断桩底反力的控制值和桩基垂直承载力是否满足条件，从而确定超长钻孔灌注桩承载力。依据本发明的超长钻孔灌注桩承载力确定方法可解决现有技术中在超长钻孔灌注桩承载性状分析、参数取值计算方面存在的不足。

Description

一种超长钻孔灌注桩承载力确定方法

技术领域

本发明涉及一种钻孔灌注桩基础承载形状分析方法，更具体地涉及一种超长钻孔灌注桩承载力确定方法。

背景技术

现行《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007中钻孔灌注桩桩侧土的侧摩阻力标准值仍然沿用《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ024-85规范中的取值。这些取值是根据20世纪80年代以前的105根试桩数据确定的。从使用效果来看，结果比较偏于保守，若直接用于超长桩的设计计算可能存在安全隐患；且其在理论上存在下述问题：

(1)桩基的承载力组成问题：

由桩周摩阻力(ulτ_p)和桩端支承力(Aσ_R)两项，并同时取极限值的1/2作为容许值。而问题在于：桩周摩阻力和桩端支承力不会恰好都同时达到极限，通常是前者先由上而下逐步达到极限并产生较大变形；随着桩顶荷载增加，桩端承载力逐渐增大，但很难达到极限（较多的荷载试验表明一般均在弹性压缩范围）。两者互不同步，则取1/2极限值作为容许承载力，实际上这种受力状态是根本不存在的，是虚拟结构体系。

(2)桩基垂直承载力与桩－土体系的垂直变形关系问题：

规范中的垂直承载力计算与桩-土体系的垂直变形未建立相关关系；也未规定垂直变形的计算方法，这种做法在理论上是不完善的，不合理的，得出结果经常互不协调，或互相矛盾。

(3)桩侧摩阻力参数τ_p取值问题：

桩侧摩阻力参数τ_p是需要通过大量的试验资料才能分析归纳出来，现规范中的桩侧摩阻力参数τ_p是60～70年代通过105根试桩资料分析得出的，其参数是可信的。但大家所知道的当年的桩长、桩径及施工工艺水平，与当前的超长钻孔灌注桩很难用相同的桩侧摩阻力参数值。

因此，很多桩基的学者、专家提出：如能在进一步修改、完善参数的基础上提出一个按刚度协调原则计算桩基垂直承载力的方法应当是切实可行的。

长钻孔灌注桩承载性能研究课题就是这样一个在大家的期望中产生的。我们通过一定数量的现场荷载试验、室内模型试验、理论数值分析，经过数年的努力，引入了桩基桩土总刚度

桩土剪切刚度

等参数，摸索出一个按刚度协调原则计算桩基垂直承载力的方法，为将来规范的修订打下基础。

发明内容

本发明提供一种按刚度协调原则设计超长钻孔灌注桩的方法，解决现有超长钻孔灌注桩承载性状分析、参数取值计算方面存在的不足。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是包括如下步骤：

步骤101：确定桩土总刚度 其中，n为桩土分层数；P₁为设计荷载极限，根据设计需要确定；S_总为桩顶沉降，根据设计需要确定；

步骤102：依据工程需要确定出各层桩土桩侧摩阻力标准值q_sik和桩底反力标准值q_pk；

步骤103：利用数学上传统的拟合方法确定各层桩土桩侧双曲线函数传递参数a_i、b_i，并确定各层桩土桩底双曲线函数传递参数a₀、b₀；

步骤104：利用长度测量装置确定桩径D；

步骤105：根据计算精度的要求确定桩身分段长度l_i，并保证每分段对应一层桩土；

步骤106：逐段计算出各桩身分段长度上的桩侧摩阻力τ_i，并确定桩侧摩阻力控制值σ_ki；

τ_i根据双曲线模型确定，

Si是指第i分段桩身与桩侧土的相对位移；

σ_ki为设计参数，可根据规范或试验得到的侧摩阻力极限值确定，以保证各层桩土的桩侧摩阻力不超过规范或试验确定的控制值；

步骤107：利用公式判断桩底反力的控制值σ₀是否满足条件：

$P_{n+1}<{\mathrm{\&delta;}}_{R}A=\frac{S_{n}A}{a_0+b_0{S}_n},$

其中，σ_R为桩端土承载力，A为桩底截面面积；σ_R可根据规范或试验得到的桩端承载力极限值确定，Sn是指n段桩与桩侧土的相对位移；

步骤108：利用公式判断桩基垂直承载力是否满足条件：

$P\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{0}R=(\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_s}\mathrm{U\&Sigma;}{\mathrm{\&tau;}}_i{L}_i+\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_p}{\mathrm{\&sigma;}}_{R}A);$

其中：P——单桩轴向承载力；

γ₀——公路桥梁桩基重要性系数，对安全等级一、二、三级公路桥梁分别取γ₀＝1.20、1.15、1.10；

R——单桩竖向承载力设计值；

γ_s、γ_p——桩侧阻抗力分项系数和端阻力抗力分项系数，根据不同成桩工艺取值，一般取γ_s=γ_p=1.64；

τ_i--第i段桩对应的桩侧摩阻力，τ_i=q_sik；

σ_R--桩端土承载力，σ_R=q_pk。

与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：本发明首次提出了桩土刚度参数、位移-应力双曲线传递函数模型，建立了评价超长钻孔灌注桩承载力及位移的新方法及计算体系，提出超长钻孔桩设计参数取值方法和标准值的建议值，摸索出一个按刚度协调原则计算桩基垂直承载力的方法，为将来规范的修订打下了基础。

附图说明

图1是依据本发明的一种灌注桩载荷效应、抗力频率分布图；

图2是依据本发明的一种灌注桩荷载-沉降曲线；

图3是依据本发明的超长钻孔灌注桩承载力确定方法的流程图。

具体实施方式

传统的定值设计法是将桩基承载力视为定值，以总安全系数K来度量桩基的安全度(可靠度)。实际上，对于不同地质条件与土层不同桩型承受不同性质荷载（恒载与活载的比例等）的桩基，在取相同安全系数的条件下，其实际的可靠度是不同的，也是不明确的。因为荷载效应S抗力R都是随机变量。由图1所示S,R频率分布曲线，传统的安全系数为：K=μ_R/μ_s。

从图1看出，S,R是围绕均值R₀=μ_R，S₀=μ_S呈一定规律变化的，因此对于同一土质，同一桩型，实际安全系数K也非定值。对于不同土质，不同桩型，其R的变异性不同，采用同一安全系数Κ进行设计的情况下，其实际安全度不同，甚至相差很大。这是传统定值设计法存在问题的一个方面。

另一方面，取一定安全系数进行的设计，也并非绝对安全，在图1中，S,P频率分布曲线相交形成的阴影面积即表示工程的失效概率P_f(R<S)。而传统的定值设计法并不能提供这种失效概率或可靠性指标。不区分荷载﹑土质﹑桩型等的变异特征，笼统采用同一安全系数进行设计，可能造成失效概率过小或过大的情况。因此以概率极限状况设计法取代确定性设计法已成为一种趋势。即运用概率论和数理统计分析荷载﹑承载力的变异特征与规律，利用既有工程经验，在安全与经济之间寻求合理的平衡，确定一般工程桩基承载力的目标可靠指标β（对应于一定失效概率），从而求得不同土质中不同桩型的抗力分项系数，以分项系数表达的极限状况设计表达式进行桩基承载力计算。

可靠性分析设计或称概率极限状态设计法已在《公路工程结构可靠度设计统一标准》GB/T50283-1999中明确规定为公路工程的设计原则，60年代以来，岩土工程的可靠性研究已成为许多国家迅速发展的一门学科，有些国家已开始应用于工程设计。原苏联建筑法规－桩基础CHИП2.02.03－85规定桩基础分为两类极限状态设计，并在承载力设计表达式中引入工作条件悉数γ_c，安全系数γ_k。波兰PII83/B-02482桩和桩基承载力规范中规定按两类极限状态设计，在承载力设计表达式中引入修正系数m（对单、双、群桩不同取值），工艺系数S_P、S_S、S_W，土的材料系数γ_m。欧洲地基基础设计规范规定桩基础设计必须满足两类极限状态--破坏（承载能力）极限状态、功能（正常使用）极限状态。

如上所述桩基极限状态分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态主要表现为桩基承载能力极限状态，以竖向受压桩基为例，由桩基达到最大承载力来确定，超出该最大承载力时即发生破坏。就竖向受荷单桩而言，其荷载-沉降曲线大体表现为陡降型（A）和缓变形（B）两类。在图2中示出了载荷-沉降曲线。

如图2所示，Q~S曲线是破坏模式与特征的宏观反映，陡降型属于“急进破坏”，缓变形属“渐进破坏”。前者破坏特征点明显，一旦荷载超过极限承载力，沉降便急剧增大，即发生破坏，只有减小荷载才能恢复继续承载的能力。后者破坏特征点不明显，常常是通过多种分析方法判定其极限承载力。该极限承载力并非真正的最大承载力，因此继续增加荷载，沉降仍能趋于稳定，不过是塑性区开展范围扩大﹑塑性沉降量增加而已。对于超长桩基础而言，其荷载－沉降曲线变化平缓，渐进破坏特征更明显。由此可见，对于两类破坏型态的桩基，其承载力失效后果是不同的。

下面描述桩基的正常使用极限状态。桩基达到结构正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值，具体指：①桩基的变形。竖向荷载引起的沉降变位，可能导致上部结构变形过大，沉降差使上部结构倾斜过大、开裂、人们心理不能承受等，从而影响公路桥梁的正常使用功能；②桩身的耐久性。对处于腐蚀介质环境中的桩身，要进行混凝土的抗裂验算和耐腐蚀验算；对于使用上需限制混凝土裂缝宽度（按《混凝土结构设计规范》规定）的桩基，应验算桩身和承台的裂缝宽度。这些验算的总目的是为了满足桩基的耐久性，保持公路桥梁的正常使用功能。

单桩竖向极限设计计算的表达式为（我们简称τ法）：

其中： $\begin{array}{c}P\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{0}R=(\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_s}\mathrm{U\&Sigma;}{\mathrm{\&tau;}}_i{l}_i+\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_p}{\mathrm{\&sigma;}}_{R}A)\\ {\mathrm{\&tau;}}_i={\mathrm{\&xi;}}_i{q}_{\mathrm{sik}},{\mathrm{\&sigma;}}_R={\mathrm{\&zeta;}}_0{q}_{\mathrm{pk}}\end{array}---(4.3-1)$

或按刚度协调原则计算桩基垂直承载力（我们简称k法）：

$P\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{0}R=\frac{K_n^A}{n}\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{sp}}}\{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{\&tau;}}_i{\mathrm{ul}}_i}{\stackrel{\&OverBar;}{K_i}}+[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(n+1-i)\stackrel{\&OverBar;}{P_i}/K_i]+{\mathrm{\&sigma;}}_{R}A/K_0\}---(4.3-2)$

式中：P——单桩轴向承载力（kN）

γ₀——公路桥梁桩基重要性系数，对安全等级一、二、三级公路桥梁分别取γ₀＝1.20、1.15、1.10；

R——单桩竖向承载力设计值；

γ_sp、γ_s、γ_p——单桩抗力分项系数、桩侧阻抗力分项系数和端阻力抗力分项系数，根据不同成桩工艺取值，一般γ_sp=γ_s=γ_p=1.64；

q_sik、q_pk——分别为桩周第i层土极限侧摩阻力标准值和桩端持力层极限端阻力标准值。

τ_i——第i段桩对应的桩侧摩阻力（kPa）；

ξ_i——第i段桩对应的桩侧摩阻力的折减系数；

σ_R——桩端土承载力（kPa）；

ζ₀——桩端土承载力折减系数；

U——桩的周长（m），u=πdd按成孔直径计算，设计d=1.0～1.2m时，扩孔值为5～12cm，d＞1.5m时扩孔值为5～10cm；

A——桩底截面面积（m²）；

n——土层的分层数；

l_i—承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）；

——桩土总刚度（kN/mm）；

——第i段桩桩与土的剪切刚度（kN/mm）；

K_i——第i段桩桩身竖向弹性刚度

K₀——桩端处土的弹性抗压刚度系数（kPa/mm）。

我们在表达式中列出了γ_sp、γ_s、γ_p的值，目的在于建立γ_s≠γ_p的概念，并积累有关数据，以利于修订规范时明确提出不同桩基的γ_s、γ_p值。同一成桩方法的桩基，其侧阻、端阻又各自具有一定的变异性，故分别以侧阻力分项系数γ_S、端阻力分项系数γ_P表征。在确定单桩竖向承载力抗力分项系数时，首先应考虑超长桩的承载力是否满足可靠指标的要求，然后再行选择最优抗力分项系数。

表达式中桩侧摩阻力折减系数ξ_i、桩端土的承载力折减系数ζ₀为考虑超长桩下半段未能达到极限值时，按桩土刚度分配的折减。

图3是依据本发明提供一种超长钻孔灌注桩承载力确定方法的流程图，其包括如下步骤：

步骤101：确定桩土总刚度

其中，n为桩土分层数；P1为设计荷载极限，根据设计需要确定；S_总为桩顶沉降，根据设计需要确定；

步骤102：依据工程需要确定出各层桩土桩侧摩阻力标准值q_sik和桩底反力标准值q_pk；

步骤103：利用数学上传统的拟合方法确定各层桩土桩侧双曲线函数传递参数a_i、b_i，并确定各层桩土桩底双曲线函数传递参数a₀、b₀；

步骤104：利用长度测量装置确定桩径D；

步骤105：根据计算精度的要求确定桩身分段长度l_i，并保证每分段对应一层桩土；

步骤106：逐段计算出各桩身分段长度上的桩侧摩阻力τ_i，并确定桩侧摩阻力控制值σ_ki；

τ_i根据双曲线模型确定，Si是指第i分段桩身与桩侧土的相对位移；

σ_ki为设计参数，可根据规范或试验得到的侧摩阻力极限值确定，以保证各层桩土的桩侧摩阻力不超过规范或试验确定的控制值；

步骤107：利用公式判断桩底反力的控制值σ₀是否满足条件：

$P_{n+1}<{\mathrm{\&delta;}}_{R}A=\frac{S_{n}A}{a_0+b_0{S}_n},$

其中，σ_R为桩端土承载力，A为桩底截面面积；σ_R可根据规范或试验得到的桩端承载力极限值确定，Sn是指n段桩与桩侧土的相对位移；

步骤108：利用公式判断桩基垂直承载力是否满足条件：

$P\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{0}R=(\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_s}\mathrm{U\&Sigma;}{\mathrm{\&tau;}}_i{L}_i+\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_p}{\mathrm{\&sigma;}}_{R}A);$

其中：P——单桩轴向承载力；

γ₀——公路桥梁桩基重要性系数，对安全等级一、二、三级公路桥梁分别取γ₀＝1.20、1.15、1.10；

R——单桩竖向承载力设计值；

γ_s、γ_p——桩侧阻抗力分项系数和端阻力抗力分项系数，根据不同成桩工艺取值，一般取γ_s=γ_p=1.64（麻烦把单桩抗力分项系数γ_sp从此公式中删除，谢谢）；

τ_i——第i段桩对应的桩侧摩阻力，τ_i=q_sik；

σ_R——桩端土承载力，σ_R=q_pk。

本发明首次提出了桩土刚度参数、位移－应力双曲线传递函数模型，建立了评价超长钻孔灌注桩承载力及位移的新方法及计算体系，提出超长钻孔桩设计参数取值方法和标准值的建议值，摸索出一个按刚度协调原则计算桩基垂直承载力的方法，为将来规范的修订打下了基础。

而本发明在实际工程中，也达到了理想的效果，如在青岛海湾大桥设计中，其位于胶州湾内湾中北部，是连接青岛、红岛、黄岛三岛的跨海大桥工程，一期工程东起青岛主城区308国道，跨越胶州湾海域，西至黄岛红石崖，新建里程约35.4公里，其中海上段长26.75公里，总投资99.38亿元。由于青岛海湾大桥地质、气象、波浪、水流等情况较为复杂，海水深度约在4m～5m范围内，大桥基础结构不但需要承受较大的竖向荷载，还要承受较大的波浪、水流和船舶的意外撞击等水平荷载作用。因此，合理选择桩型、桩长，确定桩基的承载力，在此大桥工程中显得尤为重要。

在本工程中，我们选取了36根摩擦型桩基进行验算，按照勘察报告提供的地质参数，按原设计与本方法计算桩长对比，计算结果见表1。

荷载传递刚度法计算桩长 表1

由试桩实测各类土极限承载力要比勘察报告值大10％～200％，也就是说工程桩实际受力时桩土之间所能发挥的摩阻力要远大于勘察报告的给出的勘测结果。按照规范方法，分别采用勘察给出的极限值和试验实测极限值所计算的桩长相差较大，如果完全按照试验测得的极限侧摩阻力来设计桩基，桥梁可能存在安全隐患。

按照本计算方法来计算各桩设计桩长，由表中可以看出，在设计极限荷载不变的情况下，满足桩顶容许位移25mm时，与原设计相比部分工程桩桩长减短，说明原设计过于保守，但部分桩基桩长增大，或未有合适值，说明在原设计的桩长、桩径下，桩顶位移不能满足设计要求，这样也会影响上部结构的安全性，充分证明了本发明方法明显优于传统方法。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超长钻孔灌注桩承载力确定方法，包括如下步骤：

步骤101：确定桩土总刚度

其中，n为桩土分层数；P₁为设计荷载极限，根据设计需要确定；S_总为桩顶沉降，根据设计需要确定；

步骤102：依据工程需要确定出各层桩土桩侧摩阻力标准值q_sik和桩底反力标准值q_pk；

步骤103：利用数学上传统的拟合方法确定各层桩土桩侧双曲线函数传递参数a_i、b_i，并确定各层桩土桩底双曲线函数传递参数a₀、b₀；

步骤104：利用长度测量装置确定桩径D；

步骤105：根据计算精度的要求确定桩身分段长度l_i，并保证每分段对应一层桩土；

步骤106：逐段计算出各桩身分段长度上的桩侧摩阻力τ_i，并确定桩侧摩阻力控制值σ_ki；

τ_i根据双曲线模型确定，

Si是指第i分段桩身与桩侧土的相对位移；

σ_ki为设计参数，可根据规范或试验得到的侧摩阻力极限值确定，以保证各层桩土的桩侧摩阻力不超过规范或试验确定的控制值；

步骤107：利用公式判断桩底反力的控制值σ₀是否满足条件：

$P_{n+1}<{\mathrm{\&delta;}}_{R}A=\frac{S_{n}A}{a_0+b_0{S}_n},$

其中，σ_R为桩端土承载力，A为桩底截面面积；σ_R可根据规范或试验得到的桩端承载力极限值确定，Sn是指n段桩与桩侧土的相对位移；

步骤108：利用公式判断桩基垂直承载力是否满足条件：

$P\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{0}R=(\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_s}\mathrm{U\&Sigma;}{\mathrm{\&tau;}}_i{L}_i+\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_p}{\mathrm{\&sigma;}}_{R}A);$

其中：P——单桩轴向承载力；

γ₀——公路桥梁桩基重要性系数，对安全等级一、二、三级公路桥梁分别取γ₀＝1.20、1.15、1.10；

R——单桩竖向承载力设计值；

γ_s、γ_p——桩侧阻抗力分项系数和端阻力抗力分项系数，根据不同成桩工艺取值，一般取γ_s=γ_p=1.64；

τ_i——第i段桩对应的桩侧摩阻力，τ_i=q_sik；

σ_R——桩端土承载力，σ_R=q_pk。

Images