[发明专利]一种摩擦桩的设计方法

说明书

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》(JGJ 94-2008)，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：