一种刚柔性桩复合地基设计方法技术

本发明专利技术公开了一种刚柔性桩复合地基设计方法，包括以下步骤：确定所述刚柔性桩复合地基设计方法的约束条件；通过竖向静力平衡对上部结构与刚性桩、柔性桩和桩间土竖向受力进行计算；根据所述竖向受力计算结果，对刚性桩、柔性桩和桩间土进行变形计算；根据所述变形计算结果，利用变形协调条件进行复合地基承载力修正系数计算，再计算复合地基沉降、复合地基承载力f1和垫层的最小厚度d。采用本发明专利技术通过桩土竖向静力平衡和桩土变形协调分析，得到了刚性桩、柔性桩和桩间土的承载能力特征值的修正系数的解析解，使得复合地基承载力计算结果更加接近工程实际，解决了现有规范计算方法得到的复合压缩模量偏大，沉降计算结果偏小的缺陷。陷。陷。

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔性桩复合地基设计方法


[0001]本专利技术涉及复合地基处理
，具体涉及一种刚柔性桩复合地基设计方法。
技术背景
[0002]近年来，由刚性长桩(如预制桩)和柔性短桩(如水泥土搅拌桩)组成的刚柔性桩复合地基处理技术得到了广泛应用。较长的刚性桩把上部结构荷载传递给较深土层，在提高复合地基承载力的同时，又有效减小复合地基的变形；较短的柔性桩可有效改善浅层地基土的承载性能，具有较好的经济性。现有复合地基规范从设计、施工及质量检测等方面对刚柔性桩复合地基处理技术做了基本规定，极大地促进了该技术的推广。
[0003]由于刚柔性桩复合地基属于一种新的地基处理技术，现有规范对该技术中复合地基承载力和变形计算这两个关键问题给出了初步的解决，譬如承载力计算，涉及到刚性桩、柔性桩和桩间土各自承载力特征值的发挥程度(承载力修正系数)，规范对这些修正系数的取值给出了范围值，需要工程技术人员具有丰富的土工经验才有可能较为准确的确定，在某种程度上阻碍了该技术的发展应用。
[0004]此外，刚柔性桩复合地基的变形计算也没有得到很好的解决，目前采用解析法进行变形计算的研究尚不多见，数值计算方法也远未达到普遍推广应用的成熟阶段，工程技术人员更倾向于以分层总和法为基础的规范方法。由于不同材料竖向增强体(刚性桩和柔性桩)的存在，使得变形计算更为复杂。研究表明，现有规范将实际的桩土应力比简化为桩土模量比或者复合地基承载力与天然地基承载力之比，前者由于桩土应力比小于桩土模量比，造成得到的复合压缩模量偏大，沉降计算结果偏小；后者由于现有规范简单地将桩和土承载力认为是100％发挥，而实际上桩和土的承载力发挥程度是小于100％的，实际的桩土应力比应该是桩和土实际承担的应力之比，规范方法同样会造成得到的复合压缩模量偏大，沉降计算结果偏小。
[0005]此外，现有规范方法针对复合地基的垫层刚度和厚度的设计较为定性化和经验化，往往造成设计人员忽视复合地基的形成条件，垫层厚度和刚度设计不当，造成刚性桩刺穿垫层直接顶托刚性基础，导致刚性基础与天然地面脱空，由于天然地基不再参与上部结构荷载分担，刚性桩、柔性桩和桩间土不能形成复合地基，在这种情况下，如果采用复合地基的计算方法进行设计，其结果是偏于危险。因此，必须重视复合地基中垫层的设计。
[0006]综上所述，有必要提出一种新的刚柔性桩复合地基设计方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种刚柔性桩复合地基设计方法，来解决现有规范中刚柔性桩复合地基承载力难以准确确定、沉降计算方法得到的复合压缩模量偏大造成沉降计算结果偏小以及垫层设计经验化问题。
[0008]本专利技术公开了一种刚柔性桩复合地基设计方法，包括以下步骤：
[0009]确定所述刚柔性桩复合地基设计方法的约束条件；
[0010]通过竖向静力平衡对上部结构与刚性桩、柔性桩和桩间土竖向受力进行计算；
[0011]根据所述竖向受力计算结果，对刚性桩、柔性桩和桩间土进行变形计算；
[0012]根据所述变形计算结果，利用变形协调条件进行复合地基承载力修正系数计算；
[0013]根据所述复合地基承载力修正系数计算结果，计算复合地基复合压缩模量；
[0014]根据所述复合地基复合压缩模量计算结果，计算复合地基沉降；
[0015]根据所述复合地基承载力修正系数计算结果，计算复合地基承载力f1；
[0016]根据所述复合地基承载力修正系数计算结果，计算垫层的最小厚度d。
[0017]进一步地，所述刚柔性桩复合地基设计方法的约束条件包括：
[0018]所述复合地基为深厚软土地基，所述刚性桩和柔性桩均为摩擦型桩，桩端压力为零，所受上部结构压力全部由桩周土体侧摩阻力承担；
[0019]所述刚性桩的长度大于柔性桩的长度，所述刚性桩的刚度大于柔性桩的刚度；
[0020]刚性桩、柔性桩与桩间土构成的复合土层为第一加固区；柔性桩桩端以下，刚性桩与桩间土构成的复合土层为第二加固区；刚性桩桩端以下的天然土层为非加固区。
[0021]进一步地，所述竖向静力平衡的计算步骤包括：
[0022][0023]其中：分别为刚性桩、柔性桩根数；Q
s1
、F分别为每根刚性桩、每根柔性桩、桩间土各自分担的压力和上部结构荷载(kN)；
[0024]每根刚性桩、每根柔性桩、桩间土各自分担的压力为：
[0025][0026][0027][0028]n
11
＝σ
p11
/σ
s1
＝β1f
p1
/β3f
s1 (5)
[0029]n
21
＝σ
p21
/σ
s1
＝β2f
p2
/β3f
s1 (6)
[0030]其中：分别为刚性桩桩顶、柔性桩桩顶和1
‑
1'界面桩间土应力(kPa)；A
s
分别为每根刚性桩截面面积、每根柔性桩截面面积和桩间土面积(m2)；β1、β2、β3分别为刚性桩、柔性桩和桩间土承载力特征值修正系数；f
s1
分别为刚性桩、柔性桩和桩间土承载力特征值(kPa)；n
11
、n
21
分别为第一加固区中刚性桩、柔性桩与桩间土的应力比(kPa)；
[0031]将公式(2)～(4)代入公式(1)，有：
[0032][0033]假定复合地基总面积为A，则有：
[0034][0035]其中：m1、m2分别为刚性桩、柔性桩面积置换率。
[0036]进一步地，所述变形计算包括刚性桩和柔性桩的变形计算：
[0037]其中所述刚性桩变形包括向上刺入垫层的刺入量s
p1
(mm)和本身压缩量s'
p1
(mm)
分别为：
[0038][0039][0040]所述柔性桩变形包括向上刺入垫层的刺入量s
p2
(mm)和本身压缩量s'
p2
(mm)分别为：
[0041][0042][0043]其中：E
d
、ν
d
分别为垫层的变形模量和泊松比；r1、r2分别为刚性桩和柔性桩桩身半径(m)；l1、l2分别表示第一加固区和第二加固区厚度(m)；E
p1
、E
p2
分别为刚性桩和柔性桩桩身压缩模量(MPa)；
[0044]对于第一加固区和第二加固区来说，桩间土的压缩量s
s1
、s
s2
(mm)分别为：
[0045][0046][0047]其中：σ
s1
、σ
s2
、σ
s3
分别为1
‑
1'、2
‑
2'和3
‑
3'界面处桩间土应力(kPa)；E
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种刚柔性桩复合地基设计方法，其特征在于，包括以下步骤：确定所述刚柔性桩复合地基设计方法的约束条件；通过竖向静力平衡对上部结构与刚性桩、柔性桩和桩间土竖向受力进行计算；根据所述竖向受力计算结果，对刚性桩、柔性桩和桩间土进行变形计算；根据所述变形计算结果，利用变形协调条件进行复合地基承载力修正系数计算；根据所述复合地基承载力修正系数计算结果，计算复合地基复合压缩模量；根据所述复合地基复合压缩模量计算结果，计算复合地基沉降；根据所述复合地基承载力修正系数计算结果，计算复合地基承载力f1；根据所述复合地基承载力修正系数计算结果，计算垫层的最小厚度d。2.按照权利要求1所述的一种刚柔性桩复合地基设计方法，其特征在于，所述刚柔性桩复合地基设计方法的约束条件包括：所述复合地基为深厚软土地基，所述刚性桩和柔性桩均为摩擦型桩，桩端压力为零，所受上部结构压力全部由桩周土体侧摩阻力承担；所述刚性桩的长度大于柔性桩的长度，所述刚性桩的刚度大于柔性桩的刚度；刚性桩、柔性桩与桩间土构成的复合土层为第一加固区；柔性桩桩端以下，刚性桩与桩间土构成的复合土层为第二加固区；刚性桩桩端以下的天然土层为非加固区。3.按照权利要求2所述的一种刚柔性桩复合地基设计方法，其特征在于，所述竖向静力平衡的计算步骤包括：其中：分别为刚性桩、柔性桩根数；Q
s1
、F分别为每根刚性桩、每根柔性桩、桩间土各自分担的压力和上部结构荷载(kN)；每根刚性桩、每根柔性桩、桩间土各自分担的压力为：桩间土各自分担的压力为：桩间土各自分担的压力为：n
11
＝σ
p11
/σ
s1
＝β1f
p1
/β3f
s1 (5)n
21
＝σ
p21
/σ
s1
＝β2f
p2
/β3f
s1 (6)其中：分别为刚性桩桩顶、柔性桩桩顶和1
‑
1'界面桩间土应力(kPa)；A
s
分别为每根刚性桩截面面积、每根柔性桩截面面积和桩间土面积(m2)；β1、β2、β3分别为刚性桩、柔性桩和桩间土承载力特征值修正系数；f
s1
分别为刚性桩、柔性桩和桩间土承载力特征值(kPa)；n
11
、n
21
分别为第一加固区中刚性桩、柔性桩与桩间土的应力比(kPa)；将公式(2)～(4)代入公式(1)，有：假定复合地基总面积为A，则有：
其中：m1、m2分别为刚性桩、柔性桩面积置换率。4.按照权利要求3所述的一种刚柔性桩复合地基设计方法，其特征在于，所述变形计算包括刚性桩和柔性桩的变形计算：其中所述刚性桩变形包括向上刺入垫层的刺入量s
p1
(mm)和本身压缩量s'
p1
(mm)分别为：为：所述柔性桩变形包括向上刺入垫层的刺入量s
p2
(mm)和本身压缩量s'
p2
(mm)分别为：(mm)分别为：其中：E
d
、ν
d
分别为垫层的变形模量和泊松比；r1、r2分别为刚性桩和柔性桩桩身半径(m)；l1、l2分别表示第一加固区和第二加固区厚度(m)；E
p1
、E
p2
分别为刚性桩和柔性桩桩身压缩模量(MPa)；对于第一加固区和第二加固区来说，桩间土的压缩量s
s1
、s
s2
(mm)分别为：(mm)分别为：其中：σ
s1
、σ
s2
、σ
s3
分别为1
‑
1'、2
‑
2'和3
‑
3'界面处桩间土应力(kPa)；E
s1
、E
s2
分别为第一加固区和第二加固区的地基土压缩模量(MPa)；η1、η2分别为地基表面1
‑
1'界面处桩间土应力σ
s1
在2
‑
2'和3
‑
3'界面处的应力扩散系数。5.按照权利要求4所述的一种刚柔性桩复合地基设计方法，其特征在于，所述η1、η2的计算公式分别为：算公式分别为：其中：a、b分别为复合地基处理范围长边和短边长度(m)，其中A＝ab，A为所述复合地基总面积；θ为应力扩散角。6.按照权利要求5所述的一种刚柔性桩复合地基设计方法，其特征在于，所述复合地基
承载力修正系数步骤包括：对于第一加固区，所述柔性桩的变形等于所述第一加固区桩间土的压缩量：s
p2<...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭良泉，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：