CN104652462A - 建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层，其包括褥垫层本体，褥垫层本体覆盖在基础底面和桩体的顶部之间，褥垫层本体的底部设有预刺入孔，预刺入孔的大小用于与桩体的顶部相吻合。同时本发明公开了一种预刺入孔的计算方式。其有益效果是，相对于复合地基常规桩顶垫层做法，大多为“齐平式”，即桩顶、桩间土顶面垫层厚度只能相同。本发明的预刺入式褥垫层，预刺入孔的深度可根据具体工程的荷载大小、土质条件、垫层材料性质，按照设计所需要达到的桩土应力比要求灵活调节；也可在同一建筑的不同部位，结合采用不同的垫层厚度和预刺入深度，通过预刺入孔深度的差异化控制，合理调节复合地基刚度、减小地基的差异沉降。

Description

建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层

技术领域

本发明涉及建筑领域，特别是涉及一种建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层。

背景技术

复合地基与天然地基、桩基同为建筑工程常用的三种地基基础形式。复合地基的实质就是在地基土中设置桩体(也称增强体)，使桩与桩间土共同承担上部结构荷载的一种基础形式。

复合地基由桩、土两部分组成，桩、土两者材料强度、刚度差异很大，等荷载作用下，桩的变形远小于桩间土，两者的变形有较大差异。如图1所示若直接将桩体置于基础底面，则在上部建筑荷载1的作用下，因为桩体2、桩间土3之间的刚度差异，导致大部分上部建筑荷载1经由桩体传递到地基深处，桩间土难以发挥承载作用。因此，如何实现桩体2、桩间土3变形协调，是实现桩、土共同作用是必须解决的问题，这一问题对于桩体强度较高的刚性桩复合地基以及荷载较大的高层建筑，尤为重要。

如图2所示，目前，工程上对于桩、土变形协调问题的解决方法，通常是在基础底面4和桩体2顶部之间设置一个过渡的褥垫层5。褥垫层5一般由碎石、砂石等材料组成，厚度一般为100～300mm。褥垫层的基本原理在于，垫层由砂石等材料散粒材料组成，本身具有一定的流动性和可挤密性。如图3所示，在荷载作用下，桩体2因为刚度远大于桩间土3，桩体2顶部产生应力集中，桩体2的沉降小于桩间土，两者的变形差异形成一种桩顶相对于褥垫层5的“向上刺入”，通过桩顶的这种相对“刺入”，桩体与桩间土的变形得以协调，桩、土能够发挥各自的承载作用，实现桩、土共同作用。试验研究和工程实践表明，复合地基设置桩顶褥垫层，不仅可为桩与土的变形协调提供条件、形成复合地基，且具有对浅层软弱土加固、缓解桩顶基础底面应力集中、基础减振等作用。

褥垫层厚度，是复合地基设计的重要参数。研究和工程实践发现，通过改变垫层厚度，可以调节桩土应力比和桩、土荷载分担，一般情况下，垫层越厚，桩间土分担的荷载越多、桩土应力比越小，反之，垫层越薄，桩体分担的荷载越多、桩土应力比越大。近一二十年的工程实践证明，复合地基采用桩顶褥垫层技术，应用效果良好。

但是，工程设计与应用仍然存在以下问题：

通过改变桩顶褥垫层的厚度，虽然具有调节桩土应力比和桩、土荷载的作用，但这种调节作用也存在局限性：一方面，当土质较差时，一般设置较薄的垫层，以实现桩承担较高的荷载分担比例、保证桩的承载作用充分发挥，但垫层过薄，土的承载作用几乎不能发挥，经济性不好，且垫层难以达到对加固浅层软弱土的目的，不尽合理；另一方面，土质较好时，为充分发挥土的承载作用，一般设置较厚的垫层。然而，较厚的垫层使桩体的承载作用发挥滞后，桩、土之间为实现变形协调，桩顶需要产生较大的向上刺入量，这种桩顶刺入量是以复合地基整体沉降为代价的，因此，这种桩顶刺入降低增大复合地基的整体沉降。

发明内容

本发明解决上述问题的一个或多个，提供了一种建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层。

根据本发明的一个方面，提供了一种建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层，其包括褥垫层本体61，褥垫层本体61覆盖在基础底面和桩体顶部之间，褥垫层本体61的底部设有预刺入孔，预刺入孔的大小用于与桩体的顶部相吻合。

其有益效果是，相对于复合地基常规桩顶垫层做法，大多为“齐平式”，即桩顶、桩间土顶面垫层厚度只能相同。本发明的预刺入式褥垫层，预刺入孔的深度可根据具体工程的荷载大小、土质条件、垫层材料性质，按照设计所需要达到的桩土应力比要求灵活调节；也可在同一建筑的不同部位，结合采用不同的垫层厚度和预刺入深度，通过预刺入孔深度的差异化控制，合理调节复合地基刚度、减小地基的差异沉降。

在一些实施方式中，预刺入孔的预刺入深度Δ_t0，根据土力学中的梅耶霍夫(Meyerhoff)破坏机制，按极限平衡法计算得到。

在一些实施方式中，预刺入孔的预刺入深度Δ_t0的计算方法为：

确定复合地基的桩土应力比n值及实测的垫层材料摩擦角值，其中，桩土应力比n的值可以根据设计需要达到的要求进行确定，垫层材料摩擦角值可以实测得到；

取0.75～0.85倍n值作为预刺入桩土应力比初值n₀，按照公式：

$n_0=A+B\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t0}}{d}+C{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t0}}{d}\right)}^2+D{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t0}}{d}\right)}^3$    (式1)

计算预刺入深度Δ_t0，公式中d为桩体的直径，其中A、B、C、D的取值按以下4个公式分别计算：

其有益效果是，本发明的预刺入孔深度的计算方法简单、方便，具有很强的工程实用性，可以进行广泛推广使用。

本发明当中，根据设计所需要的桩土应力比n值和实测的垫层材料摩擦角值，可以依据公式来计算常规垫层的桩顶刺入量Δ_t1。

(式2)

但是，当垫层厚度h_c与桩直径d的比值(h_c/d)小于下表1的限值时，理想梅耶霍夫破坏机制需要进行厚度修正，重新计算常规垫层刺入量Δ_t1。修正时可按公式：

$n=A+B\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t1}}{h_c}+C{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t1}}{h_c}\right)}^2+D{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t1}}{h_c}\right)}^3$    (式3)

计算出Δ_t1。

公式中h_c为垫层厚度，其中，A、B、C、D的取值按以下4个公式分别计算：

(表1)

在一些实施方式中，所述预刺入孔的平面分布位置与桩体的平面分布位置一一对应，多个所述预刺入孔的深度不统一。其有益效果是，通过设置多个预刺入孔，保证预刺入式褥垫层可以承受更大的压力。

附图说明

图1为普通桩基的结构示意图；

图2为桩顶设置了普通褥垫层的复合地基的结构示意图；

图3为桩顶设置了普通褥垫层后，当地基受荷、桩顶产生向上刺入的示意图；

图4为本发明一实施方式的预刺入式褥垫层的结构示意图；

图5为本发明一实施方式的预刺入式褥垫层的预刺入深度Δ_t0或Δ_t1与垫层厚度h_c的比值曲线图。

具体实施方式

下面结合附图1至图5以及具体实施方式对本发明的建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层做进一步说明。

本发明公开了一种建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层，其包括褥垫层本体6，褥垫层本体6覆盖在基础底面4和桩体2的顶部之间，褥垫层本体6的底部设有预刺入孔61，预刺入孔61的大小用于与桩体2的顶部相吻合。

如图1和图2所示，复合地基常规桩顶垫层做法，大多为“齐平式”，即桩体的顶部、桩间土顶面垫层厚度只能相同。本发明的预刺入式褥垫层，预刺入孔61的深度可根据具体工程的荷载大小、土质条件、垫层材料性质，按照设计所需要达到的桩土应力比要求灵活调节；也可在同一建筑的不同部位，结合采用不同的垫层厚度和预刺入深度，通过预刺入孔深度的差异化控制，合理调节复合地基刚度、减小地基的差异沉降。

下面以具体的工程实例来说明本发明的具体施工方式，同时对本发明的优点进行验证。

假设某刚性桩复合地基工程由主裙楼组成，复合地基设计参数为：

桩体的直径d为400mm，单桩承载力特征值为R_a为600kN(裙楼)、700kN(主楼)，桩间土承载力f_sk为150kPa。主楼地基承载力需求为400kPa，桩土应力比n值需求为35；主楼地基承载力需求为460kPa，桩土应力比n值需求为41。桩顶垫层厚度h_c为300mm，垫层材料摩擦角值为30°。

首先：计算常规垫层刺入量Δ_t1

桩顶垫层厚度h_c为300mm，按表1，h_c/d＝0.75＜1.245，可按式3或查图5计算常规垫层刺入量Δ_t1，计算所得常规垫层裙楼、主楼刺入量Δ_t1分别为145.9mm(裙楼)、171.9mm(主楼)，即常规垫层桩顶刺入将带来约150～175mm左右的附加沉降，因桩顶刺入产生的差异沉降约在26mm左右。

其次：计算“预刺入式”垫层预刺入量Δ_t0

裙楼、主楼分别取桩土应力比计算初值n₀为0.85倍和0.80倍n值，则裙楼、主楼n₀值分别为29.75(裙楼)、32.80(主楼)，按式1或查图5，可得到“预刺入式”垫层的预刺入深度Δ_t0分别为111.7mm(可取110mm)、133.5mm(可取135mm)。

最后：由上述计算所得到的常规垫层刺入量Δ_t1与预刺入式垫褥层预刺入量Δ_t0，两者的差值，即预刺入式垫褥层的后期刺入量Δ_t2可以通过公式Δ_t2＝Δ_t1-Δ_t0可以计算出来。所得“预刺入式”垫层预刺入量Δ_t2分别为35.9mm(裙楼)、36.9mm(主楼)。与常规垫层比较，“预刺入式”垫层不仅后期桩顶刺入量远小于常规垫层(刺入量不到常规的垫层的25％)、后期沉降很小，且柱、裙楼因桩顶刺入产生的差异沉降仅为1mm左右、几乎相等，远小于常规垫层做法，地基变刚度调平效果显著。

以上的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层，其特征在于，包括褥垫层本体(6)，所述褥垫层本体(6)覆盖在基础底面(4)和桩体(2)的顶部之间，所述褥垫层本体(6)的底部设有预刺入孔(61)，所述预刺入孔(61)的大小用于与桩体(2)的顶部相吻合。

2.根据权利要求1所述的建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层，其特征在于，所述预刺入孔(61)的预刺入深度Δ_t0，根据土力学中的梅耶霍夫(Meyerhoff)破坏机制，按极限平衡法计算得到。

3.根据权利要求2所述的建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层，其特征在于，所述预刺入孔(61)的预刺入深度Δ_t0的计算方法为：

确定复合地基的桩土应力比n值及实测的垫层材料摩擦角值，其中，桩土应力比为桩体顶部平均竖向应力σ_p与桩间土顶部平均竖向应力σ_s的比值，n＝σ_p/σ_s；

取0.75～0.85倍n值作为预刺入桩土应力比初值n₀，按照公式：

$n_0=A+B\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t0}}{d}+C{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t0}}{d}\right)}^2+D{\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{t0}}{d}\right)}^3$

计算预刺入深度Δ_t0，其中，公式中d为桩体的直径，公式中A、B、C、D的取值按以下公式分别计算：

4.根据权利要求1所述的建筑复合地基桩顶预刺入式褥垫层，其特征在于，所述预刺入孔(61)的平面分布位置与桩体(2)的平面分布位置一一对应，多个所述预刺入孔(61)的深度不统一。