[发明专利]一种摩擦群桩布桩方法及其复合地基承载力的计算方法

权利要求书

1.一种摩擦群桩布桩方法，其特征在于，同一承台下的群桩由位于桩位中心的单根内桩与其周围多根外桩共同组成，内桩与外桩均为实心的预制桩、下端封闭的管桩以及沉管灌注桩打入桩，在锤击、振动贯入或压入方法下成桩；其具体的布桩步骤如下：

①内桩在桩位中心打设；

②外桩围绕桩位中心依次对称打设至设计平面位置，同一桩位上不同外桩的轴心依次相连形成的多边形为正多边形；

③最终内外桩组成的群桩承载体形成束状，在内外桩的共同作用下，形成并维持一个有效空间以保证桩间土达到充分挤密而不挤坏的理论临界状态，从而最大限度地提高桩壁的摩擦承载效应，同时也极大地改善了桩间土本身的承载性能，最终形成内桩—桩间土—外桩共同作用的承载体系。

2.根据权利要求1所述的摩擦群桩布桩方法其特征在于：适用于土体为松散的非黏性土，该类土在充分挤密的情况下可以极大地提高地基的整体承载力效应。

3.一种如权利要求1或2所述的摩擦群桩布桩方法所使用的复合地基承载力的计算方法，其特征在于包括如下步骤：

①原状地基土层的物理力学参数测定

根据《土工试验规程》SL237—1999的相关规范对待加固场地原状土进行系统的勘察、试验及调查测绘，运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定地基土层的物理力学参数(黏聚力c₀、内摩擦角天然重度γ₀、天然孔隙率n₀、土层厚度h、侧压力系数λ₀)，并根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》DZ/T0219—2006的附录C查表确定地基比例系数m；

②临界密实状态下地基土层的物理力学参数测定

⑴临界密实状态土层孔隙率的测定

假设孔隙率随着土层深度线性减小，根据《土工试验规程》SL237—1999，由三轴压缩试验可知，在建设场地分别取各土层中部保持天然结构的原状土入试验仪器，并测量各土样初始孔隙率n_i0及初始高度H_i0，对于第i层土试样，设置的围压为该土层自重应力的一半与该土层以上各土层的自重应力之和，即j表示第i层以上各土层的物理参数；依据试验要求，对试样分级加载，至试样压缩稳定时测量试块高度H_i，则此时该试样即处于临界密实状态；由公式(1)可求得该土层处于临界状态的孔隙率，即为土层临界孔隙率，

$n_{icr}=\frac{(n_{i0}-1)H_{i0}}{H_i}+1---\left(1\right)$

式中，n_icr-第i层土体临界孔隙率；n_i0-第i层土体天然孔隙率；H_i0-第i层土体所取试样初始高度；H_i-第i层土体所取试样压缩稳定后高度。

各土层临界孔隙率沿高度取加权平均值即可得到地基土层平均临界孔隙率，见式(2)

$n_{cr}=\frac{{\mathrm{\Σn}}_{icr}{h}_i}{{\mathrm{\Σh}}_i}---\left(2\right)$

式中，n_cr-地基土层平均临界孔隙率；

⑵临界密实状态土层侧压力系数的测定

待试样沉降稳定，在施加轴向力的同时，施加侧向力，使土体试样不产生侧向变形，根据测得的轴向压力和侧向压力可求得土体侧压力系数；

⑶临界密实状态土层的抗剪强度指标的测定

继续加载至试件受剪破坏，可作出该试验条件下的应力圆，用同一土层的三个及三个以上的试件在不同的围压下，按上述方法分别进行试验，即可分别得到直径不同的应力圆，则该组应力圆的公切线斜率与在纵轴上的截距即为临界密实状态地基土层的内摩擦角和黏聚力c；

③外桩桩体受力分析及力学参数的确定

外桩桩设计荷载主要包括上部结构产生的竖向力、桩侧侧摩阻力、桩间土作用于外桩的主动土压力和桩外土作用于外桩的被动土压力；根据《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008，结合工程地质资料和设计要求，确定外桩受荷段长度h₁，即可得到单根外桩所受水平推力，如式(3)

E_P＝E_T-E_N(3)

式中，E_P-单根外桩所受推力，即外桩抗侧力，kN；E_T-桩间土作用于外桩受荷段的侧压力，kN，其中，分别为第i个桩间密实土层在外桩受荷段最上部、最下部的侧压应力，kPa，以密实状态下地基土层的物理力学参数计算；E_N-桩外土作用于外桩受荷段的侧压力，kN，其中，分别为第i个土层最上部、最下部的侧压应力，可以原状地基土层的物理力学参数计算；

④外桩桩间距的确定

外桩要在上部结构的竖向荷载的作用下保证其稳定性满足要求，同时，在强大水平力的作用下，内外桩间土达到临界孔隙率以维持内外桩的桩间土的充分挤密状态，即保证外桩水平方向的稳定性并保证桩间土在一定限度内不致从桩间挤出，故将外桩的计算模型定为弹性抗滑桩模型，根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》DZ/T 0219—2006，结合工程地质资料和设计要求，初选外桩直径D_B，根据土拱效应确定外桩桩间距为

$s=\frac{s_0}{K_s}+D_B---\left(4\right)$

式中，s-外桩桩间距；s₀-外桩桩间净距，由式(5)(6)确定；K_s-安全系数，根据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001，岩土工程勘察等级为甲级、乙级和丙级的建设场地分别取值为1.5、1.4和1.3；

式中，D_B-外桩直径；q-作用于单位高度土拱上的桩后坡体线分布压力，q＝P/h₁；α-土拱拱脚破裂面与水平方向夹角，由式(6)确定；

⑤外桩水平受力稳定性评价

为增加外桩刚度，减小桩体横向变形，特根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》DZ/T 0219—2006设置外桩锚固段长度h₂(为受荷段长度的1/2～2/3)，并由上述规范中关于地基比例系数m的取值要求，本发明采用“m”法进行内力计算，在该布桩方法下，由于外桩的抗弯刚度较小，在工程实践中侧向变形较大，故采用弹性桩内力计算方法并依据式(7)(8)确定外桩内力临界设计参数

$\left\{\begin{array}{c}{x}_y=x_A{A}_1+\frac{{\mathrm{\φ}}_A}{\mathrm{\α}}{B}_1+\frac{M_A}{{\mathrm{\α}}^{2}EI}{C}_1+\frac{Q_A}{{\mathrm{\α}}^{3}EI}{D}_1\\ M_y={\mathrm{\α}}^{2}EI(x_A{A}_3+\frac{{\mathrm{\φ}}_A}{\mathrm{\α}}{B}_3+\frac{M_A}{{\mathrm{\α}}^{2}EI}{C}_3+\frac{Q_A}{{\mathrm{\α}}^{3}EI}{D}_3)\\ Q_y={\mathrm{\α}}^{3}EI(x_A{A}_4+\frac{{\mathrm{\φ}}_A}{\mathrm{\α}}{B}_4+\frac{M_A}{{\mathrm{\α}}^{2}EI}{C}_4+\frac{Q_A}{{\mathrm{\α}}^{3}EI}{D}_4)\\ {\mathrm{\σ}}_y=myx\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中：x_y、M_y、Q_y-锚固段桩身任一截面的位移、弯矩、剪力；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑动面处桩的位移、转角、弯矩、剪力；σ_y-纵向侧压力；

当桩底为自由端时，M_A、Q_A、x_A、φ_A由式(7)求得

$\left\{\begin{array}{c}{M}_A=\frac{1}{3}{E}_P{\mathrm{sh}}_1\\ Q_A=E_{P}s\\ x_A=\frac{M_A}{{\mathrm{\α}}^{2}EI}\·\frac{B_3{C}_4-C_3{B}_4}{A_3{B}_4-B_3{A}_4}+\frac{Q_A}{{\mathrm{\α}}^{3}EI}\·\frac{B_3{D}_4-D_3{B}_4}{A_3{B}_4-B_3{A}_4}\\ {\mathrm{\φ}}_A=\frac{M_A}{\mathrm{\α}EI}\·\frac{A_4{C}_3-C_4{A}_3}{A_3{B}_4-B_3{A}_4}+\frac{Q_A}{{\mathrm{\α}}^{2}EI}\·\frac{A_4{D}_3-D_4{A}_3}{A_3{B}_4-B_3{A}_4}\end{array}\right.---\left(8\right)$

根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》DZ/T 0219—2006，确定群桩桩体土层允许侧压力σ_max；由此可对外桩桩体水平稳定性做出如下评价，

1)如果σ_y≤σ_max，则表明外桩内力强度参数满足其桩体水平稳定性要求；

2)如果σ_y＞σ_max，则表明外桩内力强度参数不能满足其桩体水平稳定性要求；此时可采取扩大外桩截面的方式按照前述步骤进行二次计算，直到桩侧承载能力满足要求，即可确定外桩桩径；

⑥内外桩桩间距的确定

同一桩位的群桩由单根内桩和多根外桩共同组成，外桩应围绕桩位中心依次对称打设至设计位置，原则为同一桩位上不同外桩的轴心依次相连形成正多边形，该正多边形形心即为桩位中心；内桩应在桩位中心打设，内外桩组成的群桩承载体形成束状，在内外桩的共同作用下，形成并维持一个有效空间以保证桩间土达到临界孔隙率n_cr，从而最大限度地提高桩壁的摩擦承载效应，同时也极大地改善了桩间土本身的承载性能；据此可由式(9)得内外桩中心距

$D_{AB}=\sqrt{\frac{1-n_{cr}}{n_0-n_{cr}}}{D}_A---\left(9\right)$

式中，D_AB-内外桩中心距；D_A-内桩直径，根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008确定；n₀-土层天然孔隙率，各土层孔隙率沿高度取加权平均值；n_cr-土层临界孔隙率；

⑦群桩复合地基承载力的确定方法

复合地基承载力由式(10)确定，

式中，P-复合地基承载力；n-外桩根数，n＝πD_AB/s；ω-外桩接触桩间挤密土层的弧长的一半对应的角度，R_j±k,l-桩侧均布阻力，其中j,k＝1,2，-桩外土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值；-桩间土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值；l＝1,2，h_1i-外桩受荷段按土层划分的各段桩长；h_2i-外桩锚固段按土层划分的各段桩长；

⑧复合地基承载力提高率

定义η复合地基承载力提高率，表示在土层条件相同、桩侧表面积相等以及桩体受力形式一致等条件下，本布桩方法相较于传统群桩布桩方法的承载力提高值与后者的比值

$\mathrm{\η}=\frac{\[D_A+(\mathrm{\ω}/\mathrm{\π}){\mathrm{nD}}_B\]R_{2-1,1}}{D_A{R}_{1,1}+{\mathrm{nD}}_B{R}_{1,1+2}}---\left(11\right)$

其中，