[发明专利]一种线性桩及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程和基础工程技术领域，具体的说是一种线性桩及其设计方法。

背景技术

随着建设的高度发展，基桩得到了广泛的应用，各种桩型应运而生。但是，迄今为止，基桩大多数是等截面等强度设计，没有结合具体地质条件进行有针对性基桩设计，因而造成了巨大浪费；另外，如何设计最为安全、经济的合理桩型，迄今没有具体的相应理论支持(简称基桩设计优化原理)；本发明主要针对上述两个方面提出了基桩设计原理、计算方法和优化原理。

发明内容

本发明的目的基于桩土相互作用机理及新理论计算分析的基础上设计了一种线性桩，使得基桩桩顶的P-S关系曲线近似一条直线。

一种线性桩，为等截面变强度线性桩和/或等强度变截面线性桩；在设计极限荷载下，桩身各断面均处于弹性极限应力状态，桩端土体也处于弹性极限应力空间内，桩土相互作用处于弹性区、弹塑性区和破坏区，在实施基桩静载荷试验时，其P-S关系曲线近似一条直线。

对于端承桩，其桩端材料弹性极限应力等于桩端岩土体的设计应力值，桩端岩土体的设计应力值应不大于其比例极限应力值。

对于摩擦桩，其桩端材料弹性极限应力等于桩端岩土体的设计应力值，且沿桩身最能发挥侧摩阻力的区域处于弹性应力空间内；从桩端至桩顶，沿桩身某一长度所增加的摩阻力均由桩身承担，相应的引起了桩身应力的变化，其桩身应力不应大于相对应混凝土的比例极限应力值。

保证桩身应力处于比例极限应力状态的方法有三种：(1)沿桩身在等强度的条件下，改变桩身的截面(即：等强度变截面)，(2)沿桩身在等截面的条件下，改变桩身的强度(即：等截面变强度)，(3)等强度变截面和等截面变强度交替使用。

本发明线性桩的设计方法，包括如下步骤：

(1)根据营建建筑物的基本特征，计算确定营建建筑物的基桩类型、布置形式和桩顶对应的设计荷载P_s和沉降值S_s；

(2)勘察计算营建建筑物场地的基本力学特征参数，获取地质材料主要力学指标及全过程特征，计算得到不同地层全过程地质材料特征，包括摩擦阻力和竖向承载力特征。

(3)计算初始桩径或断面尺寸，根据地层和营建建筑物特征综合计算采用等强度变截面或等截面变强度线性桩；同时计算分析沿桩身的轴向力分布特征；

(4)如果采用等强度变截面桩，则计算桩身材料的比例极限应力值，从而计算桩身材料等级，计算沿轴线一定长度增加的基桩承载力所对应的断面面积，这种计算从第n单元直至第1单元；如果采用等截面变强度桩，则计算桩身材料的断面尺寸，选取第n单元的桩身材料，计算沿轴线一定长度增加的基桩承载力所对应的断面应力，从而计算第i单元的桩身材料等级，这种计算从第n单元直至第1单元，从而计算沿桩身不同深度不同的材料等级。

(5)综合计算桩土相互作用、桩端地层承载力和桩身力学特征，获取桩顶的P-S关系曲线，经反复计算，使桩顶的P-S关系曲线近似一条直线。

本发明一种线性桩及其设计方法的优点是：本发明的线性桩能广泛应用于各种类型的基桩，如喷粉桩、旋喷桩、石灰桩、钻孔灌注桩、夯扩桩、空心桩、预制桩等，并能保证其安全、经济和有效。

附图说明

图1a为桩端岩土体应力—应变全过程曲线和等强度变截面基桩设计图。

图1b为基桩等强度设计时桩身材料的应力—应变关系示意图。

图1c为桩端岩土体应力—应变全过程曲线和等截面变强度基桩设计图。

图1d为基桩变强度设计时桩身材料的应力—应变关系示意图。

图1e为桩顶P—S关系曲线图。

图1f为桩顶在某级荷载作用下基桩沿桩身摩阻力及端承力分布图。

图中，F,L：沿桩身的阻力及桩长，P,S,P_s,S_s：桩顶荷载和位移以及设计荷载和位移，σ_p,ε_p,σ_d,ε_d：分别为桩身应力及应变和桩端土应力及应变，C_c,C_i：桩身材料等级；σ_c,σ_i：桩身材料比例极限应力；E_c,E_i：桩身材料弹性模量；ΔA_i,ΔF_i：分别为桩身断面面积增量和沿桩身承载力增量；Ⅰ、Ⅲ型岩土体特性类型。

具体实施方式