一种线性桩及其设计方法
【技术领域】
[0001] 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粧及其设计方 法。
【背景技术】
[0002] 随着建设的高度发展，基粧得到了广泛的应用，各种粧型应运而生。但是，迄今为 止，基粧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粧设计，因而 造成了巨大浪费；另外，如何设计最为安全、经济的合理粧型，迄今没有具体的相应理论支 持（简称基粧设计优化原理）；本发明主要针对上述两个方面提出了基粧设计原理、计算方 法和优化原理。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的基于粧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 性粧，使得基粧粧顶的P-S关系曲线近似一条直线。
[0004] 一种线性粧，为等截面变强度线性粧和/或等强度变截面线性粧；在设计极限荷 载下，粧身各断面均处于弹性极限应力状态，粧端土体也处于弹性极限应力空间内，粧土相 互作用处于弹性区、弹塑性区和破坏区，在实施基粧静载荷试验时，其P-S关系曲线近似一 条直线。
[0005] 对于端承粧，其粧端材料弹性极限应力等于粧端岩土体的设计应力值，粧端岩土 体的设计应力值应不大于其比例极限应力值。
[0006] 对于摩擦粧，其粧端材料弹性极限应力等于粧端岩土体的设计应力值，且沿粧身 最能发挥侧摩阻力的区域处于弹性应力空间内；从粧端至粧顶，沿粧身某一长度所增加的 摩阻力均由粧身承担，相应的引起了粧身应力的变化，其粧身应力不应大于相对应混凝土 的比例极限应力值。
[0007] 保证粧身应力处于比例极限应力状态的方法有三种：（1)沿粧身在等强度的条件 下，改变粧身的截面（即：等强度变截面），（2)沿粧身在等截面的条件下，改变粧身的强度 (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。
[0008] 本发明线性粧的设计方法，包括如下步骤：
[0009] (1)根据营建建筑物的基本特征，计算确定营建建筑物的基粧类型、布置形式和粧 顶对应的设计荷载匕和沉降值S s;
[0010] (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。
[0011] (3)计算初始粧径或断面尺寸，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粧；同时计算分析沿粧身的轴向力分布特征；
[0012] (4)如果采用等强度变截面粧，则计算粧身材料的比例极限应力值，从而计算粧身 材料等级，计算沿轴线一定长度增加的基粧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粧，则计算粧身材料的断面尺寸，选取第n单元的 粧身材料，计算沿轴线一定长度增加的基粧承载力所对应的断面应力，从而计算第i单元 的粧身材料等级，这种计算从第n单元直至第1单元，从而计算沿粧身不同深度不同的材料 等级。
[0013] (5)综合计算粧土相互作用、粧端地层承载力和粧身力学特征，获取粧顶的P-S关 系曲线，经反复计算，使粧顶的P-S关系曲线近似一条直线。
[0014] 本发明一种线性粧及其设计方法的优点是：本发明的线性粧能广泛应用于各种类 型的基粧，如喷粉粧、旋喷粧、石灰粧、钻孔灌注粧、夯扩粧、空心粧、预制粧等，并能保证其 安全、经济和有效。
【附图说明】
[0015] 图Ia为粧端岩土体应力一应变全过程曲线和等强度变截面基粧设计图。
[0016] 图Ib为基粧等强度设计时粧身材料的应力一应变关系示意图。
[0017] 图Ic为粧端岩土体应力一应变全过程曲线和等截面变强度基粧设计图。
[0018] 图Id为基粧变强度设计时粧身材料的应力一应变关系示意图。
[0019] 图Ie为粧顶P-S关系曲线图。
[0020] 图If为粧顶在某级荷载作用下基粧沿粧身摩阻力及端承力分布图。
[0021] 图中，F，L :沿粧身的阻力及粧长，P，S，Ps，Ss:粧顶荷载和位移以及设计荷载和位 移， 0 P，％，〇d，ed:分别为粧身应力及应变和粧端土应力及应变，C。，Ci:粧身材料等级； O。，O i:粧身材料比例极限应力；E。，Ei:粧身材料弹性模量；AA i，AFi:分别为粧身断面面 积增量和沿粧身承载力增量；I、111型岩土体特性类型。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图Ia-图If所示，一种线性粧，为等 截面变强度线性粧和/或等强度变截面线性粧；在设计极限荷载下，粧身各断面均处于弹 性极限应力状态，粧端土体也处于弹性极限应力空间内，粧土相互作用处于弹性区、弹塑性 区和破坏区，在实施基粧静载荷试验时，其P-S关系曲线近似一条直线。
[0023] 对于端承粧，其粧端材料弹性极限应力等于粧端岩土体的设计应力值，粧端岩土 体的设计应力值应不大于其比例极限应力值。
[0024] 对于摩擦粧，其粧端材料弹性极限应力等于粧端岩土体的设计应力值，且沿粧身 最能发挥侧摩阻力的区域处于弹性应力空间内；从粧端至粧顶，沿粧身某一长度所增加的 摩阻力均由粧身承担，相应的引起了粧身应力的变化，其粧身应力不应大于相对应混凝土 的比例极限应力值。
[0025]保证粧身应力处于比例极限应力状态的方法有三种：（1)沿粧身在等强度的条件 下，改变粧身的截面（即：等强度变截面），（2)沿粧身在等截面的条件下，改变粧身的强度 (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。
[0026] 本发明线性粧的设计方法，包括如下步骤：
[0027] (1)根据营建建筑物的基本特征，计算确定营建建筑物的基粧类型、布置形式和粧 顶对应的设计荷载匕和沉降值S s;
[0028] (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。
[0029] (3)计算初始粧径或断面尺寸，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粧（见图Ia或图Ic);同时计算分析沿粧身的轴向力分布特征 (见图If);
[0030] (4)如果采用等强度变截面粧，则计算粧身材料的比例极限应力值（见图Ib的 〇。 值，从而计算粧身材料等级（C。)），计算沿轴线一定长度增加的基粧承载力（如第i单元，增 加的基粧承载力AF i)所对应的断面面积（AAi= AFi/〇。)，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粧，则计算粧身材料的断面尺寸，选取第n单元的粧身材料， 计算沿轴线一定长度增加的基粧承载力（如第i单元，增加的基粧承载力AF i)所对应的 断面应力（O i= (F i+1+AFiVAp Ai:第i单元断面面积，见图Id)，从而计算第i单元的粧 身材料等级（Ci)，这种计算从第n单元直至第1单元，从而计算沿粧身不同深度不同的材料 等级。
[0031] (5)在步骤（1)至步骤（4)完成之后，综合计算粧土相互作用、粧端地层承载力和 粧身力学特征，获取粧顶的P-S关系曲线，经反复计算，使粧顶的P-S关系曲线近似一条直 线（见图Ie)。
【主权项】
1. 一种线性粧，其特征在于：为等截面变强度线性粧和/或等强度变截面线性粧；在设 计极限荷载下，粧身各断面均处于弹性极限应力状态，粧端土体处于弹性极限应力空间内， 粧土相互作用处于弹性区、弹塑性区和破坏区，在实施基粧静载荷试验时，其P-S关系曲线 近似一条直线。
2. 如权利要求1所述的线性粧，其特征在于：对于端承粧，其粧端材料弹性极限应力等 于粧端岩土体的设计应力值，粧端岩土体的设计应力值不大于其比例极限应力值。
3. 如权利要求1所述的线性粧，其特征在于：对于摩擦粧，其粧端材料弹性极限应力等 于粧端岩土体的设计应力值，且沿粧身最能发挥侧摩阻力的区域处于弹性应力空间内；从 粧端至粧顶，沿粧身某一长度所增加的摩阻力均由粧身承担，相应的引起了粧身应力的变 化，其粧身应力不大于相对应混凝土的比例极限应力值。
4. 基于权利要求1所述线性粧的设计方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 根据营建建筑物的基本特征，计算确定营建建筑物的基粧类型、布置形式和粧顶对 应的设计荷载€和沉降值笔； (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) 计算初始粧径或断面尺寸，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粧；同时计算分析沿粧身的轴向力分布特征； (4) 如果采用等强度变截面粧，则计算粧身材料的比例极限应力值，从而计算粧身材料 等级，计算沿轴线一定长度增加的基粧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粧，则计算粧身材料的断面尺寸，选取第n单元的粧身 材料，计算沿轴线一定长度增加的基粧承载力所对应的断面应力，从而计算第i单元的粧 身材料等级，这种计算从第n单元直至第1单元，从而计算沿粧身不同深度不同的材料等 级； (5) 综合计算粧土相互作用、粧端地层承载力和粧身力学特征，获取粧顶的P-S关系曲 线，经反复计算，使粧顶的P-S关系曲线近似一条直线。
【专利摘要】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。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。
【IPC分类】E02D33-00, E02D5-22
【公开号】CN104818709
【申请号】CN201510252401
【发明人】卢应发, 刘德富, 邓友生
【申请人】湖北工业大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月18日