CN105386439B - 一种摩擦桩的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑工程设计方法技术领域，尤其涉及一种摩擦桩的设计方法。本发明提供的摩擦桩设计方法中，先确定摩擦桩的结构形式为上桩和下桩的分体式，根据摩擦桩的结构形式及桩侧与桩端土体的物理力学性质综合确定上、下桩的承载及变形协调关系，并通过建立的摩擦桩桩顶承载与沉降变形方程组求解摩擦桩的几何参数，本发明提供的设计方法使得基桩顶部沉降量在满足工程要求时，能充分调动桩侧与桩端土体的承载性能，发挥全桩长桩侧摩阻力与桩端阻力，从而提高摩擦桩的整体承载力，且在相同上部载荷作用下，所需桩长或桩径更小且能有效地控制其顶部的沉降变形，进而降低了摩擦桩的工程造价，节约了社会资源。

Description

一种摩擦桩的设计方法

技术领域

本发明涉及建筑工程设计方法技术领域，尤其涉及一种摩擦桩的设计方法，具体涉及一种能充分发挥基桩上、下部桩侧摩阻力与桩端阻力的大直径超长摩擦桩的设计方法。

背景技术

目前，随着高层、超高层与大跨桥梁等大型工程的建设，大直径超长基桩因其具有承载力高、变形小等优点而被广泛用作该类工程的基础。根据《建筑基桩技术规范》(JGJ94-2008)，大直径超长基桩需满足以下条件：D≥800mm，L≥50m，L/D≥50，D为基桩直径，L为基桩总长。当前，现有大量的理论研究与工程实践均表明，超长基桩的承载变形机理、桩侧阻力和桩端阻力的发挥性状均与普通基桩有很大的差别，根据常规分析方法设计得到的大直径超长基桩，在实际工程应用中通常不能有效发挥其承载性能，从而对建设成本造成了一定程度上的浪费。因此，有必要在传统基桩设计方法基础上，提出大直径超长桩新的结构形式及其设计方法，使其能充分发挥大直径超长桩的承载性能。

目前，基桩的主要承载操作都是在基桩顶部施加载荷，即在基桩顶部施加竖直向下的载荷，由于大直径超长桩上部土层与下部土层的桩土相对位移差别较大，当基桩上部的侧摩阻力达到峰值时，基桩下部的侧摩阻力可能尚未充分发挥，造成基桩上、下部侧摩阻力的发挥不具有同步性。究其原因主要为：基桩上部承受的载荷较大，桩土相对位移大，基桩上部的侧摩阻力发挥充分；而基桩下部受到的载荷相对较小，桩土相对位移小，基桩下部的侧摩阻力不能充分发挥或尚未发挥。此外，桩端阻力充分发挥所需桩端沉降量一般为基桩直径的5％左右，对于大直径桩，该值远大于桩侧摩阻力充分发挥所需要的桩土相对位移量，因此，基桩侧摩阻力与端阻力的发挥也不是同步的。另外，当基桩的长度超过一定范围时，在基桩顶部载荷作用下，基桩上部由于桩土相对位移较大，基桩侧摩阻力会出现软化现象，造成基桩上部承载力逐渐降低，而伴随基桩顶部沉降量的增加，基桩上部的侧摩阻力软化区域将逐渐向基桩下部发展，使基桩下部的侧摩阻力发挥程度增加，基桩下部的承载力增加，而基桩顶部的沉降量则持续增大，基桩在整体承载力满足要求的前提下将因其顶部沉降量过大而使其失效，此时，基桩上部承载力达到极限值或进入软化承载阶段，而基桩下部承载力尚未完全发挥。针对大直径超长基桩存在的上述承载变形特性，有必要提出大直径超长桩新的结构形式及其设计计算方法，使桩顶沉降量在满足上部结构变形要求的前提下，能够充分发挥基桩上、下部的承载特性，进而降低工程造价，节约社会资源。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种摩擦桩的设计方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是避免通过现有分析方法设计得到的大直径超长基桩因不能完全发挥其承载性能而造成建筑成本浪费的现象，且现有基桩的一体式设计方法造成桩基上、下部桩侧摩阻力及桩侧摩阻力与桩端阻力之间发挥不同步，从而导致基桩上部达到承力极限值而下部承力尚未完全发挥，造成一定程度的浪费。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种摩擦桩的设计方法，该设计方法包括如下设计步骤：

S1、确定摩擦桩的结构形式，该摩擦桩包括上桩、下桩及设于上桩和下桩之间的隔断模板，所述上桩为现浇或预制的钢筋混凝土管桩，所述下桩为由上至下依次连接的传力结构段、变截面结构段及承载结构段，所述隔断模板包括外层隔断模板和内层隔断模板；

S2、根据摩擦桩的结构形式及桩侧与桩端土体的物理力学性质综合确定上桩的桩侧摩阻力传递函数τ₁(z)、下桩的桩侧摩阻力传递函数τ₂(z)和下桩桩端阻力传递函数f_a(s_下端)，并建立上桩和下桩的承载关系，从而得到上桩承受的竖向载荷F_上及下桩承受的竖向载荷F_下；

S3、确立上桩和下桩的变形协调关系，并通过建立摩擦桩的桩顶承载与沉降变形方程组求解得到摩擦桩的几何参数，包括上桩的桩长l_上、下桩中承载结构段的桩长l_下、上桩的外径D_外、上桩的内径D_内及下桩中传力结构段的桩径D_传力。

其中，在步骤S2中，所述上桩和下桩的承载关系可根据以下公式计算：

式中，F_上为上桩承受的竖向载荷；F_下为下桩承受的竖向载荷；l_上为上桩桩长；l_下为下桩中承载结构段的桩长；l＝l_上+l_下，l为总桩长；u_上为上桩的外径周长，u_上＝πD_外，D_外为上桩的外径；u_下为下桩中承载结构段的外径周长，下桩中承载结构段的外径与D_外相同；F＝F_上+F_下，F为上桩和下桩共同承担的上部结构产生的竖向载荷；P_下为下桩的桩端阻力；α为下桩桩端阻力修正系数。

其中，在步骤S3中，所述摩擦桩的上桩和下桩的桩顶沉降变形关系如下所示：

S_上＝f(F_上，l_上，D_内，D_外，τ₁(z)，EI，…)

S_下＝f(F_下，l_下，l_上，l_变，D_传力，D_外，τ₂(z)，f_a(s_下端)，EI，…)

S_上＝S_下

式中，S_上为上桩桩顶沉降变形；S_下为下桩桩顶沉降变形；l_变为下桩中变截面结构段的长度；D_传力为下桩中传力结构段的直径；D_内为上桩的内径；EI为摩擦桩的刚度。

其中，所述S_上包括上桩桩长l_上范围内桩土相对位移的累计值和上桩弹性压缩变形值；所述S_下包括下桩承载结构段l_下范围内桩土相对位移的累计值、下桩l范围内桩体弹性压缩变形值和桩端沉降变形值。

其中，摩擦桩的设计方法还包括步骤S4，根据步骤S3中求解得到摩擦桩的几何参数，通过建立优化目标函数和优化条件进行求解得到摩擦桩的目标几何参数，其对应的优化求解函数为：

min Cost(D_外,D_内,D_传力,l_上,l_下,…)

S_上＝S_下

l＝l_上+l_下

D_外-D_内＝40cm～80cm

D_内-D_传力＝4cm

其中，摩擦桩的设计方法还包括步骤S5，根据步骤S4中得到的摩擦桩的目标几何参数分别对上桩和下桩进行配筋设计。

其中，所述配筋包括上桩主筋、下桩主筋、箍筋和加强筋。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的摩擦桩设计方法中，先确定摩擦桩的结构形式，即该摩擦桩的结构形式为上桩和下桩的分体式，再根据摩擦桩的结构形式及桩侧与桩端土体的物理力学性质综合确定上桩和下桩的承载及变形协调关系，并通过建立的摩擦桩桩顶承载与沉降变形方程组求解得到摩擦桩的几何参数；通过本发明提供的设计方法能使基桩顶部沉降量在满足工程要求时，充分发挥全桩长桩侧摩阻力与桩端阻力，从而提高摩擦桩的整体承载力，且在相同上部荷载作用下，通过上桩和下桩中的传力结构段、变截面结构段及承载结构段，使得所需桩长或桩径更小且能有效地控制其顶部的沉降变形，进而降低了摩擦桩的工程造价，节约了社会资源。

附图说明

图1是本发明实施例摩擦桩的结构示意图。

图中：1：上桩；2：上桩主筋；3：传力结构段；4：变截面结构段；5：下桩主筋；6：箍筋；7：承载结构段；8：加强筋；9：外层隔断模板；10：内层隔断模板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种摩擦桩的设计方法，先确定摩擦桩的结构形式，即该摩擦桩的结构形式为上桩和下桩的分体式，再根据摩擦桩的结构形式及不同工程地质条件分析桩侧摩阻力与端阻力的性状，确定上、下桩桩土间侧摩阻力传递函数，根据上、下桩共同承载与变形协调的原理建立方程组，通过优化分析确定桩径、桩长、壁厚与配筋等工程设计参数。

具体地，在本实施例中，以某工程桩基为例对摩擦桩的设计方法加以说明。某工程桩的主要参数为：原基础设计采用钻孔灌注桩，设计要求单桩竖向承载力为4000kN，普通试桩Z1桩径1.5m，桩长50m；地基土体分为两层，上层粘土16为淤泥质粘土，厚15m，粘聚力为16.8kPa，摩擦角为8.6°，压缩模量为6.1MPa，侧摩阻力特征值为20kPa；下层粘土17为粉质粘土，厚75m，粘聚力为44.8kPa，摩擦角为12.6°，压缩模量为8.8MPa，桩侧摩阻力特征值为48kPa，端阻力特征值为1000kPa；桩侧土体泊松比为0.35，桩身混凝土强度等级为C40，桩身混凝土初始弹性模量E₀为30GPa，根据本发明的设计方法计算可得桩身几何参数为：上桩l的桩长为17.5m，下桩承载结构段7的长度为24.5m，上桩外径为1.5m，内径为1.0m，下桩的传力结构段3的直径为0.9m。摩擦桩的设计方法如下：

S1、确定摩擦桩的结构形式，该摩擦桩包括上桩1、下桩及设于上桩1和下桩之间的隔断模板，上桩1为钢筋混凝土结构的管桩，下桩为由上至下依次连接的传力结构段3、变截面结构段4及承载结构段7，隔断模板包括外层隔断模板9和内层隔断模板10；

S2、根据摩擦桩的结构形式及桩侧与桩端土体的物理力学性质综合确定上桩1的桩侧摩阻力传递函数τ₁(z)、下桩的桩侧摩阻力传递函数τ₂(z)和下桩桩端阻力传递函数f_a(s_下端)，并计算上桩1和下桩的承载关系；其中，f_a(s_下端)为下桩桩端阻力传递函数，其与下桩桩端沉降量s_下端有关，可根据勘察报告综合确定；

S3、确立上桩1和下桩的变形协调关系，并通过建立的摩擦桩桩顶承载与沉降变形方程组求解得到摩擦桩的几何参数，该摩擦桩的几何参数包括上桩1的桩长l_上、下桩中承载结构段7的桩长l_下、上桩1的外径D_外、上桩1承受的竖向载荷F_上及下桩承受的竖向载荷F_下等。

具体地，在步骤S2中，上桩1和下桩的承载关系则根据以下公式计算：

式中，F_上为上桩1承受的竖向载荷，F_上与上桩桩侧摩阻力传递函数τ₁(z)有关，其应与l_上范围内的桩侧摩阻力之和相等；F_下为下桩承受的竖向载荷，F_下与下桩承载结构桩侧摩阻力传递函数τ₂(z)及桩端土体承载变形特性有关，其应与l_下范围内桩侧摩阻力以及桩端阻力P_下之和相等；l_上为上桩1的桩长；l_下为下桩中承载结构段7的桩长；l＝l_上+l_下，l为总桩长，即l为摩擦桩的总长度且忽略隔断模板的厚度；u_上为上桩1的外径周长，u_上＝πD_外，D_外为上桩1的外径；u_下为下桩中承载结构段7的外径周长，下桩中承载结构段7的外径与D_外相同；F＝F_上+F_下，F为上桩1和下桩共同承担的上部结构产生的竖向载荷，上、下桩与承台浇筑连接，共同承担上部结构产生的竖向载荷；P_下为下桩的桩端阻力；α为下桩端阻力修正系数，考虑摩擦桩清底程度、桩端土体扰动程度、尺寸效应等因素综合确定。

在本实施例中，桩侧摩阻力传递函数τ₁(z)、τ₂(z)与桩端阻力传递函数f_a(s_下端)应根据桩侧与桩端土体的物理力学性质进行综合确定，获得各自对应的函数分布形式以及关键参数的取值，以便进行计算分析。

具体地，在步骤S3中，摩擦桩的桩顶沉降变形方程组，若已知摩擦桩桩侧土体与桩端土体的力学特性参数τ₁(z)、τ₂(z)与f_a(s_下端)、桩体刚度EI等物理量，则摩擦桩的桩顶沉降变形量可表示为含有桩顶竖向载荷、桩长、桩径等参数的函数，即如下所示：

S_上＝f(F_上，l_上，D_内，D_外，τ₁(z)，EI，…)

S_下＝f(F_下，l_下，l_上，l_变，D_传力，D_外，τ₂(z)，f_a(s_下端)，EI，…)

S_上＝S_下

式中，S_上为上桩1桩顶沉降变形，在载荷F_上的作用下，S_上为桩长l_上范围内桩土相对位移的累计值与上桩弹性压缩变形之和；S_下为下桩桩顶沉降变形，在载荷F_下作用下，下桩桩顶沉降变形S_下为下桩承载结构段7在l_下范围内桩土相对位移的累计值与下桩桩长范围内桩体弹性压缩变形以及桩端沉降变形之和；l_变为下桩中变截面结构段4的长度；D_传力为下桩中传力结构段3的直径；D_内为上桩1的内径；EI为摩擦桩的刚度。

S_上包括上桩1桩长l_上范围内桩土相对位移的累计值和上桩弹性压缩变形值；S_下包括下桩l_下在承载结构段7在l_下范围内桩土相对位移的累计值、下桩桩长范围内桩体弹性压缩变形值和桩端沉降变形值。其中，上桩1桩土相对位移与桩体弹性压缩量的具体计算公式可参考现有大直径摩擦基桩承载力与变形计算方法；下桩承载结构段7桩土相对位移、下桩弹性压缩量以及桩端沉降量的具体计算公式同样可参考现有大直径摩擦基桩承载力与变形计算方法。

对于上、下桩共同承载的大直径超长摩擦桩，在上部竖向载荷作用下，上、下桩变形协调，则有S_上＝S_下。

本发明摩擦桩的设计方法还包括步骤S4，根据步骤S3求解得到摩擦桩的几何参数，通过建立优化目标函数和优化条件求解得到摩擦桩的目标几何参数，根据大直径超长摩擦桩上、下桩共同承载与变形协调建立的关系式进行摩擦桩设计计算，在通过地质勘察获得土体物理力学参数基础上尚需确定上桩外径D_外、内径D_内、上桩的桩长l_上、下桩承载结构段7的长度l_下、上桩传力结构段3的直径D_传力等摩擦桩的几何参数，在保证摩擦桩承载变形特性满足要求的前提下，应使建设成本最低，其对应的优化求解函数为：

min Cost(D_外,D_内,D_传力,l_上,l_下,…)

S_上＝S_下

l＝l_上+l_下

D_外-D_内＝40cm～80cm

D_内-D_传力＝4cm

进一步地，本发明摩擦桩的设计方法还包括步骤S5，根据步骤S4中得到的摩擦桩的目标几何参数分别对上桩1和下桩进行配筋设计，配筋包括上桩主筋2、下桩主筋5、箍筋6和加强筋8。根据上述公式进行优化求解可得桩身几何参数l_上、l_下、D_内、D_外、D_传力及上桩、下桩承担的载荷F_上与F_下；然后，采用钢筋混凝土设计基本理论可确定上桩1和下桩的配筋数量。

根据上述设计分析方法，本发明中试桩Z2的设计计算结果如下：上桩1为现浇钢筋混凝土厚壁空心管桩，桩长为17.5m，其外径为1.5m，内径1.0m，壁厚25cm；上桩1底部为高50cm、倾角45°的环状斜截体，与单层厚1cm的双层隔断模板接触，进而与下桩接触，其顶部进入承台浇筑10cm，并通过向外扩展15°的长100cm的喇叭口形上桩主筋2与承台浇筑相连。

下桩为变截面结构，其由传力结构段3、变截面结构段4与承载结构段7组成。其中，传力结构段3的直径为0.9m、长度为17m，置于上桩1的内部，下桩与上桩1通过单层厚1cm的双层模板隔断，其顶部通过向外扩展15°的长100cm的喇叭口形下桩主筋5与承台浇筑相连，其底部通过50cm高的变截面结构与承载结构段7相连；下桩的变截面结构段4为自传力结构段3的底部向外按45°扩展的高50cm的钢筋混凝土圆台；下桩承载结构段7的桩径为1.5m，长度为24.5m。

上桩与下桩之间的隔断模板为单层厚1cm的内、外套筒形式的双层光面竹胶板。

普通试桩Z1采用传统方法进行施工，采用16根Φ25mm的主筋，每间隔2m交错布设Φ25mm的三角形加强筋，螺旋箍筋为Φ8@200mm。

上述实施例中，上桩主筋2和下桩主筋5也可以根据实际情况与梁或柱进行浇筑连接。

综上所述，本发明提供了一种摩擦桩的设计方法，先确定摩擦桩的结构形式，即该摩擦桩的结构形式为上桩和下桩的分体式，再根据摩擦桩的结构形式及桩侧与桩端土体的物理力学性质综合确定上桩和下桩的承载及变形协调关系，并通过建立摩擦桩桩顶承载与沉降变形方程组求解得到摩擦桩的几何参数，本发明提供的设计方法使得基桩顶部沉降量在满足工程要求时，能充分调动摩擦桩上、下部的桩土相对位移，发挥全桩长侧摩阻力与端阻力的承载性能，从而提高摩擦桩的整体承载力，且在相同上部载荷作用下，通过上桩和下桩的传力结构段、变截面结构段及承载结构段，使得所需桩长或桩径更小且能有效地控制其顶部的沉降变形，进而降低了摩擦桩的工程造价，节约了社会资源。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种摩擦桩的设计方法，其特征在于：包括如下设计步骤：

S1、确定摩擦桩的结构形式，该摩擦桩包括上桩(1)、下桩及设于上桩(1)和下桩之间的隔断模板，所述上桩(1)为现浇或预制的钢筋混凝土管桩，所述下桩为由上至下依次连接的传力结构段(3)、变截面结构段(4)及承载结构段(7)，所述隔断模板包括外层隔断模板(9)和内层隔断模板(10)；

S2、根据摩擦桩的结构形式及桩侧与桩端土体的物理力学性质综合确定上桩(1)的桩侧摩阻力传递函数τ₁(z)、下桩的桩侧摩阻力传递函数τ₂(z)和下桩桩端阻力传递函数f_a(s_下端)，并建立上桩(1)和下桩的承载关系，从而得到上桩(1)承受的竖向载荷F_上及下桩承受的竖向载荷F_下；

S3、确立上桩(1)和下桩的变形协调关系，并通过建立摩擦桩的桩顶承载与沉降变形方程组求解得到摩擦桩的几何参数，包括上桩(1)的桩长l_上、下桩中承载结构段(7)的桩长l_下、上桩(1)的外径D_外、上桩(1)的内径D_内及下桩中传力结构段(3)的桩径D_传力。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦桩的设计方法，其特征在于：在步骤S2中，所述上桩(1)和下桩的承载关系根据以下公式计算：

P_下＝απ(D_外/2)²f_a(s_下端)

式中，F_上为上桩(1)承受的竖向载荷；F_下为下桩承受的竖向载荷；l_上为上桩(1)桩长；l_下为下桩中承载结构段(7)的桩长；l＝l_上+l_下，l为总桩长；u_上为上桩(1)的外径周长，u_上＝πD_外，D_外为上桩(1)的外径；u_下为下桩中承载结构段(7)的外径周长，下桩中承载结构段(7)的直径与D_外相同；F＝F_上+F_下，F为上桩(1)和下桩共同承担的上部结构产生的竖向载荷；P_下为下桩的桩端阻力；α为下桩桩端阻力修正系数。