一种考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法与流程

1.本发明涉及地基承载力计算领域，尤其涉及一种考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法。


背景技术：

2.有粘结强度的桩(即，粘结桩)复合地基，适用于淤泥、淤泥质土、黏性土(软塑～可塑)、粉土(稍密～中密)、砂土(松散～中密)、黄土、填土地基的地基加固，因其造价低、加固效果好而被广泛应用于地基处理。但在现行《建筑地基处理技术规范》中计算单桩竖向承载力时，未考虑桩身轴力随深度的变化，因此在计算一般有粘结强度桩复合地基承载力时较为保守，而在计算桩间土存在负摩阻力的有粘结强度桩复合地基承载力特征值时，未能考虑负摩阻力导致的桩身轴力增大，而导致计算结果较实际值偏大。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法，可以解决现有规范中对粘结桩桩身轴向随深度变化考虑不足的问题。
4.为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案:
5.本发明提供一种考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法，所述方法包括如下步骤：
6.判断是否需要考虑负摩阻力；
7.若不需要考虑负摩阻力，则计算第一单桩承载力特征值和第二单桩承载力特征值，并取其中的最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力，其中，所述第一单桩承载力特征值由桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定；所述第二单桩承载力特征值由自桩顶面向下数第i层土土层顶面轴力和自桩顶面向下数第i层土形成的桩身强度确定；
8.若需要考虑负摩阻力，则计算第三单桩承载力特征值和第四单桩承载力特征值，并取其中的最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力，其中，所述第三单桩承载力特征值由桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定；所述第四单桩承载力特征值由中性点以上土层土层底面轴力、中性点以下土层土层顶面轴力和土层形成的桩身强度确定；
9.基于所确定的所述粘结桩复合地基单桩承载力计算粘结桩复合地基承载力特征值。
10.其中，所述判断是否需要考虑负摩阻力的方法包括：判断粘结桩复合地基是否满足如下任一条件，若满足则需要考虑负摩阻力，否则不需要考虑负摩阻力；
11.桩从第一类土层穿越进入第二类土层，其中第二类土层相对第一类土层刚度高，且第二类土层刚度达到预定值；
12.桩周存在软弱程度达到设定值的土层，且桩侧地面预定范围内承受压力超过预定值且时长达到预定时长的堆载；
13.由于降低地下水位，使桩周有效应力变化量增大至预设值，并产生预定范围的压缩沉降。
14.其中，所述第一单桩承载力特征值由下式计算：
[0015][0016]
其中，u为粘结桩周长；q
si
为自桩顶面向下数第i层土的桩侧摩阻力特征值；li为自桩顶面向下数第i层土厚度；α
p
为桩端阻力发挥系数；a
p
为桩身截面面积；q
p
为桩端阻力特征值。
[0017]
其中，所述第二单桩承载力特征值由下式计算：
[0018][0019]
其中，f
cui
为试验量测由自桩顶面向下数第i层土形成的桩体试块标准养护预定天数的立方体强度平均值，η为桩身强度折减系数；a
p
为桩身截面面积；u为粘结桩周长；q
sm
为自桩顶面向下数第m层土的侧摩阻力特征值；lm为自桩顶面向下数第m层土厚度。
[0020]
其中，所述第二单桩承载力特征值为多个，所述方法还包括：
[0021]
选择多个所述第二单桩承载力特征值中的最小第二单桩承载力特征值；
[0022]
再从所述最小第二单桩承载力特征值与所述第一单桩承载力特征值中选最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力。
[0023]
其中，使用下式计算粘结桩复合地基中性点的位置：
[0024]
l＝kl0[0025]
其中，l0为桩顶到桩周软弱层下限深度的距离，k为中性点计算系数，对于桩端土为黏性土和粉土取k＝0.5，对于桩端土为砂土取k＝0.6，l为桩顶到桩中性点的距离。
[0026]
其中，所述第三单桩承载力特征值由下式计算：
[0027][0028]
其中，α
p
为桩端阻力发挥系数；a
p
为桩身截面面积；q
p
为桩端阻力特征值；u为粘结桩周长；li为自桩顶面向下数第i层土厚度；q
si
为自桩顶面向下数第i层土的侧摩阻力特征值；q
ni
为第i层土产生的负摩阻力引起的粘结桩下拉荷载标准值；
[0029]
其中，所述q
ni
由下式计算：
[0030][0031]
其中，qn(x)为桩顶以下深度为x处的桩侧负摩阻力，h
i-1
《x≤hi；hi为桩顶到自桩顶数第i层土底面的距离；h
i-1
为桩顶到自桩顶数第i-1层土底面的距离；
[0032]
其中，所述qn(x)由下式计算：
[0033][0034]
当qn(x)》qs，取qn(x)＝qs；h
i-1
《x≤hi；
[0035]
其中，为自桩顶数第i层土的有效内摩擦角；β为桩间土承载力发挥系数；f
sk
为处理后桩间土承载力特征值；γ
m’为自桩顶数第m层土的有效重度；lm为自桩顶面向下数第m层土厚度；γ
i’为自桩顶数第i层土的有效重度。
[0036]
其中，所述第四单桩承载力特征值由下式计算：
[0037][0038]
其中，f
cui
为试验量测由自桩顶面向下数第i层土形成的桩体试块标准养护预定天数的立方体强度平均值，η为桩身强度折减系数；a
p
为桩身截面面积；u为粘结桩周长；q
nj
为第j层土产生的负摩阻力引起的粘结桩下拉荷载标准值，q
sj
为自桩顶面向下数第j层土的侧摩阻力特征值；lj为自桩顶面向下数第j层土厚度。
[0039]
其中，所述第四单桩承载力特征值为多个，所述方法还包括：
[0040]
选择多个所述第四单桩承载力特征值中的最小第四单桩承载力特征值；
[0041]
再从所述最小第四单桩承载力特征值与所述第三单桩承载力特征值中选最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力。
[0042]
其中，所述基于所确定的所述粘结桩复合地基单桩承载力计算粘结桩复合地基承载力特征值由下式计算：
[0043][0044]
其中，β为桩间土承载力发挥系数，f
sk
为处理后桩间土承载力特征值，m为粘结桩复合地基粘结桩面积置换率，f
spk
为粘结桩复合地基承载力特征值，a
p
为桩端截面面积，ra为粘结桩复合地基单桩承载力，λ为单桩承载力发挥系数。
[0045]
本发明实施例具有如下有益效果：
[0046]
本发明实施例提供的一种考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法，先判断是否需要考虑桩侧土体负摩阻力的影响；若不需考虑桩侧土体负摩阻力的影响，则分别计算由桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定的第一单桩承载力特征值和由自桩顶面向下数第i层土土层顶面轴力和自桩顶面向下数第i层土形成的桩身强度确定的第二单桩承载力特征值，取最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力；若需考虑桩侧土体负摩阻力的影响，则分别计算桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定的第三单桩承载力特征值和中性点以上土层土层底面轴力、中性点以下土层土层顶面轴力和土层形成的桩身强度确定的第四单桩承载力特征值，取最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力；并计算粘结桩复合地基承载力特征值。本发明考虑桩身轴力变化和不同土层形成的桩身强度的不同和负摩阻力的影响，相较于现有的计算方法计算更为准确，可以节约资源。
[0047]
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优
点。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0049]
图1为本发明实施例中一种考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法流程图；
[0050]
图2为本发明实施例中不考虑负摩阻力桩侧摩阻力图；
[0051]
图3为本发明实施例中不考虑负摩阻力桩身轴力图；
[0052]
图4为本发明实施例中考虑负摩阻力桩侧摩阻力图；
[0053]
图5为本发明实施例中考虑负摩阻力桩身轴力图。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
[0055]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
[0056]
本发明实施例提供了一种考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法，先判断是否需要考虑桩侧土体负摩阻力的影响；若不需考虑桩侧土体负摩阻力的影响，则分别计算由桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定的单桩承载力特征值和由自桩顶面向下数第i层土土层顶面轴力和自桩顶面向下数第i层土形成的桩身强度确定的单桩承载力特征值，取最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力；若需考虑桩侧土体负摩阻力的影响，则分别计算桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定的单桩承载力特征值和中性点以上土层土层底面轴力、中性点以下土层土层顶面轴力和土层形成的桩身强度确定的单桩承载力特征值，取最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力；并计算粘结桩复合地基承载力特征值。本发明考虑桩身轴力变化和不同土层形成的桩身强度的不同和负摩阻力的影响，相较于现有的计算方法计算更为准确，可以节约资源。
[0057]
如图1中所示，为本发明实施例所提供的考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法流程图，所述方法包括如下步骤：
[0058]
步骤s1，判断是否需要考虑负摩阻力；
[0059]
本发明实施例提供的判断方法可以为：当粘结桩复合地基满足以下条件之一时，则需要考虑负摩阻力，否则不需要考虑负摩阻力。
[0060]
1)桩(即粘结桩)从第一类土层穿越进入第二类土层，其中第二类土层相对第一类
土层刚度较高，且第二类土层刚度达到预定值。所述第一类土层包括：厚度达到预定值的松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层；所述预定值一般可以取值为第二类土层压缩系数小于0.1mpa-1
，第一类土层厚度大于1m，本发明并不局限于此。
[0061]
2)桩周存在软弱程度达到设定值(所述设定值例如可以为土层压缩系数大于0.5mpa-1
)的土层，且桩侧地面预定范围内(所述预定范围可以为2m)承受压力超过预定值(例如，可以为100kpa)且时长达到预定时长(例如可以为2天)的堆载。例如，桩侧地面承受局部压力超过预定值且的时长达到预定时长的堆载或地面大面积堆载；所述桩周可以为以桩为圆心的半径2m的范围内。
[0062]
3)由于降低地下水位，使桩周有效应力变化量增大至预设值(50kpa)，并产生预定范围(大于10mm)的压缩沉降。
[0063]
若不需要考虑负摩阻力，则执行步骤s2；若需要考虑负摩阻力，则执行步骤s3。
[0064]
步骤s2，计算第一单桩承载力特征值和第二单桩承载力特征值，并取其中的最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力。
[0065]
其中，第一单桩承载力特征值由桩周围与桩侧接触的土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定；第二单桩承载力特征值由自桩顶面向下数第i层土土层顶面轴力和自桩顶面向下数第i层土形成的桩身强度确定。
[0066]
在不考虑负摩阻力情况下，桩侧摩阻力粘结桩所受桩侧阻力如图2所示，粘结桩的桩身轴力变化如图3所示，由于同一土层土形成的粘结桩桩体试块(边长150mm立方体)标准养护28天的立方体强度平均值(kpa)，f
cui
是相同的，因此其桩身抗压承载力在该土层中不变，则第i层土中粘结桩桩身承载力可由下式表示：
[0067]ri
＝ηf
cuiap
ꢀꢀꢀ
(1)
[0068]
其中，f
cui
为试验量测由自桩顶面向下数第i层土形成的桩体试块(边长150mm立方体)标准养护28天的立方体强度平均值(kpa)，η为桩身强度折减系数；a
p
为桩身截面面积。
[0069]
桩顶受荷载作用，由于桩周土对桩身存在阻力，桩身轴力随桩深度的增大不断减小，具体变化如图3所示，因此在同一土层中，土层顶部的桩身轴力最大，因此只要验算土层顶部的桩身轴力满足粘结桩承载力要求即可。根据第i层土顶面处桩截面的粘结桩强度可得下式：
[0070][0071]
其中，r
ai
为由第i层土顶面处桩截面的粘结桩桩身强度确定的单桩承载力特征值。u为粘结桩周长；q
sm
为自桩顶面向下数第m层土的侧摩阻力特征值；lm为自桩顶面向下数第m层土厚度。
[0072]
将上式变形可得，自桩顶面向下数第i层土形成的桩身强度确定的第二单桩承载力特征值r
ai
，如下式所示：
[0073][0074]
使用下式可计算由周围土体摩阻力和桩端土体阻力确定的第一单桩承载力特征值r
as
：
[0075][0076]
其中，u为粘结桩周长；q
si
为自桩顶面向下数第i层土的桩侧摩阻力特征值；li为自桩顶面向下数第i层土厚度；α
p
为桩端阻力发挥系数；a
p
为桩身截面面积；q
p
为桩端阻力特征值。
[0077]
取第一单桩承载力特征值r
as
以及第二单桩承载力特征值r
ai
中的最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力，可由下式表示：
[0078]
ra＝min{r
as
,r
a1
,r
a2
,r
a3
,
……
,r
an
}
ꢀꢀꢀ
(5)
[0079]
其中，所述第二单桩承载力特征值r
ai
为多个，可以先选择多个所述第二单桩承载力特征值中的最小第二单桩承载力特征值；亦可利用上述公式(5)直接计算多个第二单桩承载力特征值和第一承载力特征值的最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力。
[0080]
步骤s3，计算第三单桩承载力特征值和第四单桩承载力特征值，并取其中的最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力。
[0081]
其中，所述第三单桩承载力特征值由桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定；所述第四单桩承载力特征值由中性点以上土层土层底面轴力、中性点以下土层土层顶面轴力和土层形成的桩身强度确定。
[0082]
在需要考虑负摩阻力情况下，先要计算桩身摩阻力由负变正的位置，即，中性点位置，使用下式计算粘结桩复合地基中性点的位置：
[0083]
l＝kl0ꢀꢀꢀ
(6)
[0084]
其中：l0为桩顶到桩周软弱层下限深度的距离，k为中性点计算系数，对于桩端土为黏性土和粉土取k＝0.5、对于桩端土为砂土取k＝0.6。l为桩顶到桩中性点的距离。对于需要考虑负摩阻力第1)条的粘结桩复合地基，软弱层取较厚松散填土或自重湿陷性黄土或欠固结土或液化土层；对于符合第2)条的粘结桩复合地基，软弱层取软弱土层；对于符合第3)条的粘结桩复合地基，软弱层取显著压缩土层下限深度。
[0085]
为计算方便将中性点位置的土层，沿中性点位置的水平面划分为两层土，计中性点以上土层数为s，中性点以下土层数为t。
[0086]
图4为考虑负摩阻力桩侧摩阻力图，图5为考虑负摩阻力桩身轴力图，如图4及图5中所示，可使用下式计算由周围土体摩阻力和桩端土体承载力确定的第三单桩承载力特征值r
as
：
[0087][0088]
其中，li为自桩顶面向下数第i层土厚度；q
si
为自桩顶面向下数第i层土的侧摩阻力特征值；q
ni
为第i层土产生的负摩阻力引起的粘结桩下拉荷载标准值；
[0089]
其中，第i层土产生的负摩阻力引起的粘结桩下拉荷载标准值可由下式计算：
[0090][0091]
其中，qn(x)为桩顶以下深度为x处的桩侧负摩阻力，h
i-1
《x≤hi；hi为桩顶到自桩顶
数第i层土底面的距离；h
i-1
为桩顶到自桩顶数第i-1层土底面的距离；
[0092]
负摩阻力发生处的土层竖向应力可由下式计算：
[0093][0094]
其中，β为桩间土承载力发挥系数；f
sk
为处理后桩间土承载力特征值；γ
m’为自桩顶数第m层土的有效重度；lm为自桩顶面向下数第m层土厚度；γ
i’为自桩顶面向下数第i层土的有效重度；
[0095]
根据土层的静止土压力计算负摩阻力发生处的土层水平应力：
[0096][0097]
其中，k0为第i层土土层静止土压力系数，为自桩顶数第i层土的有效内摩擦角；
[0098]
根据下式可计算，自桩顶面向下数第i层土，桩顶以下深度为x处的桩侧负摩阻力qn(x)，
[0099][0100]
将式(11)、式(10)、式(9)带入式式(8)可得桩顶以下深度为x处的桩侧负摩阻力qn(x)，如式(12)所示：
[0101][0102]
又因为桩侧负摩阻力应小于等于桩侧摩阻力，所以当式(12)计算得到的qn(x)》q
si
时，取qn(x)＝q
si
；
[0103]
其中，为自桩顶数第i层土的有效内摩擦角；β为桩间土承载力发挥系数；f
sk
为处理后桩间土承载力特征值；γ
m’为自桩顶数第m层土的有效重度；lm为自桩顶面向下数第m层土厚度；γ
i’为自桩顶数第i层土的有效重度。
[0104]
由图4、图5可知，考虑负摩阻力的桩身轴力随着深度的增大，桩身轴力先不断增大，到中性点处桩身轴力达到峰值，然后随深度的增大，桩身轴力不断减小。
[0105]
由于同一土层土形成的粘结桩桩体试块桩体试块(边长150mm立方体)标准养护28天的立方体强度平均值(kpa)f
cui
是相同的，因此其桩身抗压承载力在该土层中不变，则第i层土中粘结桩桩身承载力可由下式表示：
[0106]ri
＝ηf
cuiap
ꢀꢀꢀ
(13)
[0107]
其中，f
cui
为试验量测由自桩顶面向下数第i层土形成的桩体试块(边长150mm立方体)标准养护28天的立方体强度平均值(kpa)，η为桩身强度折减系数；a
p
为桩身截面面积。
[0108]
考虑负摩阻力的桩身轴力随着深度的增大，桩身轴力先不断增大，到中性点处桩身轴力达到峰值，然后随深度的增大，桩身轴力不断减小。而同一土层土形成的粘结桩桩身抗压承载力相同。因此，在中性点以上土层，仅验算土层底部的桩身强度，在中性点以下土层，仅验算土层顶部的桩身强度即可，则可得第i层土形成的桩身强度决定的第四单桩承载力特征值r
ai
：即，所述第四单桩承载力特征值在中性点以上由自桩顶面向下数第i层土土层底面轴力和自桩顶面向下数第i层土形成的桩身强度确定；在中性点下由自桩顶面向下数第i层土土层顶面轴力和自桩顶面向下数第i层土形成的桩身强度确定。
[0109][0110]
其中，f
cui
为试验量测由自桩顶面向下数第i层土形成的桩体试块标准养护预定天数的立方体强度平均值，η为桩身强度折减系数；a
p
为桩身截面面积；u为粘结桩周长；q
nj
为第j层土产生的负摩阻力引起的粘结桩下拉荷载标准值，其计算方法和第i层土产生的负摩阻力引起的粘结桩下拉荷载标准值q
ni
计算方法相同，计算过程中需将i都由j代替；q
sj
为自桩顶面向下数第j层土的侧摩阻力特征值；lj为自桩顶面向下数第j层土厚度。
[0111]
由下式计算粘结桩复合地基单桩承载力：
[0112]
ra＝min{r
as
,r
a1
,r
a2
,r
a3
,
……ran
}
ꢀꢀꢀ
(15)
[0113]
其中，所述第四单桩承载力特征值r
ai
为多个，可以先选择多个所述第四单桩承载力特征值中的最小第四单桩承载力特征值；亦可利用上述公式(5)直接计算多个第二单桩承载力特征值和第三承载力特征值的最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力。
[0114]
步骤s4，基于所确定的所述粘结桩复合地基单桩承载力计算粘结桩复合地基承载力特征值。
[0115]
其中，可由下式计算粘结桩复合地基承载力：
[0116][0117]
其中，β为桩间土承载力发挥系数，f
sk
为处理后桩间土承载力特征值，m为粘结桩复合地基粘结桩面积置换率，f
spk
为粘结桩复合地基承载力特征值，a
p
为桩端截面面积，ra为粘结桩复合地基单桩承载力，λ为单桩承载力发挥系数。
[0118]
由以上技术方案可以看出，本发明提供的一种考虑桩身轴力变化的粘结桩复合地基承载力计算方法，先判断是否需要考虑桩侧土体负摩阻力的影响；若不需考虑桩侧土体负摩阻力的影响，则分别计算由桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定的单桩承载力特征值和由自桩顶面向下数第i层土土层顶面轴力和自桩顶面向下数第i层土形成的桩身强度确定的单桩承载力特征值，取最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力；若需考虑桩侧土体负摩阻力的影响，则分别计算桩周围土体对桩侧的摩阻力和桩端土体端阻力确定的单桩承载力特征值和中性点以上土层土层底面轴力、中性点以下土层土层顶面轴力和土层形成的桩身强度确定的单桩承载力特征值，取最小值作为粘结桩复合地基单桩承载力；并计算粘结桩复合地基承载力特征值。本发明考虑桩身轴力变化和不同土层形成的桩身强度的不同和负摩阻力的影响，相较于现有的计算方法计算更为准确，可以节约资源。
[0119]
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也
应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。