摩擦群桩布桩与复合地基承载力的确定方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107220471 A(43)申请公布日 2017.09.29

(21)申请号 201710639844.4(22)申请日 2017.07.31

(71)申请人 青岛理工大学

地址 266033 山东省青岛市抚顺路11号(72)发明人 贺可强　傅鹏辉　

(74)专利代理机构 青岛发思特专利商标代理有

限公司 37212

代理人 巩同海(51)Int.Cl.

G06F 17/50(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图2页

CN 107220471 A()发明名称

摩擦群桩布桩与复合地基承载力的确定方法

(57)摘要

本发明涉及一种摩擦群桩布桩与复合地基承载力的确定方法，属于建筑地基承载力与地基加固应用领域。摩擦群桩布桩方法，具体为，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，外桩应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六边形，内

最终内外桩组成的群桩承桩应在桩位中心打设，

载体形成束状；摩擦群桩布桩的复合地基承载力的确定方法为：步骤一：场地勘察及原状地基土层的物理力学参数测定；步骤二：布桩参数的确定；步骤三：地基土体置换率的确定；步骤四：地基土体挤密孔隙率的确定；步骤五：桩侧阻力特征值的确定；步骤六：群桩复合地基承载力的确定。

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权　利　要　求　书

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1.一种摩擦群桩布桩方法，其特征在于：具体为，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，外桩应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六边形，内桩应在桩位中心打设，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。

2.权利要求1所述的摩擦群桩布桩的复合地基承载力的确定方法,其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：场地勘察及原状地基土层的物理力学参数测定；步骤二：布桩参数的确定；步骤三：地基土体置换率的确定；步骤四：地基土体挤密孔隙率的确定；步骤五：桩侧阻力特征值的确定；步骤六：群桩复合地基承载力的确定。

3.根据权利要求2所述的摩擦群桩布桩的复合地基承载力的确定方法，其特征在于：所述的步骤二中确定的布桩参数为内外桩直径D、内外桩间距Dd及桩长l。

4.根据权利要求2所述的摩擦群桩布桩的复合地基承载力的确定方法，其特征在于：所述的步骤三中地基土体置换率为内外桩间距范围内桩体积与原土体积之比，确定方法为依据式(1)求得：

式中，ζ-土层的置换率；θθ⊙D的圆心角的一半，1,2-为阴影部分公共弦对应的⊙Dd，

5.根据权利要求2所述的摩擦群桩布桩的复合地基承载力的确定方法，其特征在于：所述的步骤四中的地基土体挤密孔隙率为桩间土体经过内外桩体打设就位，其挤密后的孔隙率，确定方法为依据式(2)求得：

式中，Dd-桩中心距，m；D-单桩直径，m；n0-土层天然孔隙率，各土层孔隙率沿高度取加权平均值；n′-挤密孔隙率，即该布桩条件下桩间土层的孔隙率。

6.根据权利要求2所述的摩擦群桩布桩的复合地基承载力的确定方法，其特征在于：所述的步骤五中的桩侧阻力特征值的确定方法为：

根据挤密孔隙率n′由《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008查表可得桩间土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值特征值

7.根据权利要求2所述的摩擦群桩布桩的复合地基承载力的确定方法，其特征在于：所

2

根据土层天然孔隙率查表得桩外土与外桩接触部分的桩侧阻力

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权　利　要　求　书

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述的步骤六中群桩复合地基承载力的确定方法为依据式(3)求得：

P＝πD(R2+6R1)+6ωD(R2-R1)              (3)式中，P-复合地基承载力，kN；ω-外桩接触桩间挤密土层的弧长的一半对应的角度，

Rj-桩侧均布阻力，kN/m，

其中j＝1,2，-桩外土与外

桩接触部分的桩侧阻力特征值，kPa；-桩间土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值，kPa。8.权利要求2-7所述的摩擦群桩布桩的复合地基承载力提高率的确定方法，其特征在于：依据式(4)求得复合地基承载力提高率η，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，所述的摩擦群桩布桩方法相对于传统群桩布桩方法的承载力提高值与后者的比值：

其中，

3

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说　明　书

摩擦群桩布桩与复合地基承载力的确定方法

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技术领域

[0001]本发明属于建筑地基承载力与地基加固应用领域，具体涉及一种摩擦群桩布桩与复合地基承载力的确定方法。

背景技术

[0002]20世纪80年代以来，我国改革开放全面推进，城市化进程不断加快，越来越多的工业与民用建筑工程、市政工程和道路桥梁工程等大型设施需要兴建，从而对于基础工程与地基承载能力的提高提出了越来越高的要求：既要降低工程造价，又要确保可持续发展以缓解日益恶化的环境问题，同时也要杜绝工程引起的次生灾害。其中，桩基础作为重要基础工程及复合地基加固措施，也广泛地应用于基础工程实践之中。[0003]根据桩的受力条件，可以将其分为摩擦型桩和端承型桩。若桩端持力层多为较坚硬的黏性土、粉土和砂类土且桩长径比不大时，多采用摩擦型桩。摩擦型桩是指桩顶竖向荷载全部或主要由桩周阻力承受的桩。其中，桩在锤击或振入的过程中，将桩位处的土大量挤开，提高无黏性土的密实度，从而提高桩侧摩阻力及土体的抗剪强度，产生此种效应的桩称为挤土桩。挤土桩凭借其无振动、噪声小、污染少、施工速度快、质量可靠、经济实惠、承载力高以及成桩质量优良等优点而得到广大工程建设者的青睐，并投入了广泛的使用。然而，无论在国内或是国外，挤土桩的理论研究依然严重落后于工程实践。沉桩时对已入土邻桩的影响大、导致土体的垂直隆起等方面的问题依然有待于研究。[0004]桩的侧阻力的确定同样是一个重要的课题。桩的侧阻力估算，无论是地基基础规范、建筑桩基技术规范还是各地方规范都以查表为主。由于表本身选用参数有限，能表达的数据有较大的局限性。以建筑桩基技术规范为例，预制桩的极限侧阻力标准值均落于一个区间，而区间普遍较大，其最大值、最小值相差可达2倍以上，在实际操作上因各地各人的经验不同难免存在一定的随意性，故确定一种实测方法确定桩侧阻力，使其在实践中更具应用性和精确性成为一个重要的问题。

发明内容

[0005]本发明的目的在于克服现有布桩方法存在的上述缺陷，提出了一种摩擦群桩布桩方法，并配合该摩擦群桩布桩方法提出了一种新的复合地基承载力的确定方法，以达到对地基进行科学、有效的加固目标。

[0006]本发明所述的摩擦群桩布桩方法，具体为，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，外桩应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六边形，内桩应在桩位中心打设，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。

[0007]本发明所述的摩擦群桩布桩的复合地基承载力的确定方法，包括以下步骤：[0008]步骤一：场地勘察及原状地基土层的物理力学参数测定

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桩基础在设计前应根据建筑物的特点和有关要求，进行岩土工程勘察和场地施工

条件等资料的搜集工作，提出工程地质勘察任务书，岩土工程勘察应符合现行国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021的基本要求。根据《土工试验规程》SL237—1999等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(天然重度γ、天然孔隙率n、土层厚度h)。[0010]步骤二：布桩参数的确定[0011]根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008选定内外桩直径D、内外桩间距Dd及桩长l。[0012]步骤三：地基土体置换率的确定

[0013]根据单桩直径及桩间距可得打桩入土后土体置换率。定义土体的置换率为内外桩间距范围内桩体积与原土体积之比，它是反映桩身入土之后土体挤密程度、压缩状态及孔隙率变化情况的重要参数，由式(1)可得

[0014][0015]

式中，ζ-土层的置换率；由附图3可知θθ1,2-阴影部分公共弦对应的⊙Dd,⊙D的圆

rad。

心角的一半，

[0016]

步骤四：地基土体挤密孔隙率的确定

[0017]定义挤密孔隙率为桩间土体经过内外桩体打设就位，其挤密后的孔隙率。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孔隙率n′，极大地改善了桩间土本身的承载性能。

[0018][0019]

式中，Dd-桩中心距，m；D-单桩直径，m；n0-土层天然孔隙率，各土层孔隙率沿高度取加权平均值；n′-挤密孔隙率，即该布桩条件下桩间土层的孔隙率。[0020]步骤五：桩侧阻力特征值的确定[0021]根据挤密孔隙率n′将土层的密实度区间划分为密实、中密、稍密及松散，继而由

同

《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008查表可得桩间土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值时根据土层天然孔隙率由上述方法查表得桩外土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值

[0022][0023][0024][0025]

步骤六：群桩复合地基承载力的确定

复合地基承载力由式(3)确定P＝πD(R2+6R1)+6ωD(R2-R1)  (3)式中，P-复合地基承载力，kN；ω-外桩接触桩间挤密土层的弧长的一半对应的角

rad；Rj-桩侧均布阻力，kN/m，

其中j＝1,2，-桩外土与

度，

外桩接触部分的桩侧阻力特征值，kPa；-桩间土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值，kPa。

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说　明　书

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为了验证本发明的布桩方法相对于传统群桩布桩方法的承载性能差异，定义η为

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，本专利采用的布桩方法相对于传统群桩布桩方法的承载力提高值与后者的比值：

[0027][0028][0029]

其中，

针对传统摩擦桩与复合地基在承载方面的局限与不足，本发明具有以下优势：[0030](1)通过桩的截面尺寸及桩长等桩身参数的设计，在不产生地表隆起及保证不对相邻桩柱产生侧向位移的基础上，充分提高并保持桩身侧摩阻力及土体抗剪强度；[0031](2)对于大面积含松散非黏性土的地基，本方法可以尽可能地提高局部范围，即群桩结构内外的复合地基的承载力，而不需要对整个地基土进行处理，故施工难度小，施工工期较短，经济性强；通过桩的挤土效应和外桩的套箍作用将桩间土挤密，充分地发挥了土本身的承载能力，从而使内桩—桩间土—外桩成为一个整体而共同作用；[0032](3)确定一种利用土体强度指标计算桩侧阻力的方法在实践中更具应用性和精确性。

[0033]本发明方法的理论基础如下：[0034]原理1土层置换率的确定

[0035]定义土层的置换率为打桩入土前后内外桩间距范围内土体的体积之比，即

在桩长的范围内，可以将式简化为

如图2、3所示，VB、

AB为阴影部分在桩长范围内的体积、阴影部分的面积，VA、AA为桩的体积、桩身横截面积，VAB、AAB为以内外桩间距为半径形成的圆在桩身范围内的体积、以内外桩间距为半径形成的圆的面积。由几何关系可得，代入(*1)可得

[0036]

将(*2)

[0037]设在地基土表面一个圆形区域⊙AB，其下土体天然孔隙率为另设

圆形桩⊙A，打桩入土后，假设桩侧土体均匀挤密，该圆形区域⊙AB内的土体的孔隙率为

又设圆形桩⊙B的圆心在圆形区域⊙AB边缘，则联立式(#1)、(#2)

即可得内外桩间距

[0038][0039]

原理2群桩复合地基承载力的公式推导

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桩身侧摩阻力等于桩侧与土接触面积、桩侧阻力与桩长之积，即P＝up∑qsiahi  (3)故内桩桩身侧摩阻力为

外桩由于分别与充分密实状态的土、一般密实状态的土接触，故首先需确定桩身

后

圆截面的接触比例分配，由几何关系可得，前者占圆截面的角度为者即为2π-2ω，故外桩桩身侧摩阻力为

[0045][0046][0047][0048]

故由式(4)(5)得群桩承载体系的全部侧摩阻力为P＝πDR2+6D[(π-ω)R1+ωR2]  (6)式中，P-复合地基承载力，kN；ω-外桩接触桩间挤密土层的弧长的一半对应的角

rad；Rj-桩侧均布阻力，kN/m，

其中j＝1,2，

-桩外土

度，

与外桩接触部分的桩侧阻力特征值，kPa；-桩间土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值，kPa。

设在某土层条件、桩侧表面积以及桩体受力形式等条件下，传统群桩布桩方法的

承载力为

[0050]P0＝7πDR1  (7)[0051]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，本专利采用的布桩方法的承载力为[0052]P＝πDR2+6D[(π-ω)R1+ωR2]  (8)[0053]故定义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相同的条件下，本专利采用的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，即

[00][0055][0049]

其中，

附图说明

[0056]图1本发明的流程图；

[0057]图2-a为本发明的群桩布桩的平面示意图；[0058]图2-b为本发明的群桩布桩的剖面示意图；[0059]图3为本发明的计算示意图。具体实施方式

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下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0061]步骤一：场地勘察及原状地基土层的物理力学参数测定[0062]桩基础在设计前应根据建筑物的特点和有关要求，进行岩土工程勘察和场地施工条件等资料的搜集工作，提出工程地质勘察任务书，岩土工程勘察应符合现行国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021的基本要求。根据《土工试验规程》SL237—1999等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(天然重度γ、天然孔隙率n、土层厚度h)。[0063]表1原状地基土层的物理力学参数

[00]

步骤二：布桩参数的确定

[0066]同一桩位的群桩由单根内桩和多根外桩共同组成(布桩示意图见附图2)。内桩应在桩位中心打设，外桩应围绕内桩依次对称打设至设计位置，为使内桩与外桩、相邻两外桩之间的土层同时达到相同的挤密状态，以保证桩身侧向受力的均匀性，三者应两两等间距布置，即同一桩位上不同外桩的轴心依次相连形成正六边形，该正六边形形心即为内桩中心。由《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008选定内外桩直径D＝500mm、内外桩间距Dd＝2000mm及桩长l＝9m。[0067]步骤三：地基土体置换率的确定

[0068]根据单桩直径及桩间距可得打桩入土后土体置换率。定义土体的置换率为内外桩间距范围内桩体积与原土体积之比，它是反映桩身入土之后土体挤密程度、压缩状态及孔隙率变化情况的重要参数，由式(1)可得

[0065]

[0069]

[0070]

式中，ζ-土层的置换率；由附图3可知θθ1,2-阴影部分公共弦对应的⊙Dd,⊙D的圆

心角的一半，

rad。

[0071]

步骤四：地基土体挤密孔隙率的确定

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说　明　书

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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孔隙率n′，极大地改善了桩间土本身的承载性能。

[0073][0074]

式中，Dd-桩中心距，m；D-单桩直径，m；n0-土层天然孔隙率，各土层孔隙率沿高度取加权平均值；n′-挤密孔隙率，即该布桩条件下桩间土层的孔隙率。[0075]步骤五：桩侧阻力特征值的确定；[0076]根据挤密孔隙率n′将土层的密实度区间划分为密实、中密、稍密及松散，继而由取值为74kPa。同时根据土层天然孔隙率由上述方法查表得桩外土与外桩接触部分的桩侧

《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008，查表可得桩间土与外桩接触部分的桩侧阻力特征值阻力特征值

[0077][0078]

取值为48kPa。

步骤六：群桩复合地基承载力的确定方法

复合地基承载力由式(3)确定

[0079]

[0080]

式中，P-复合地基承载力，kN；ω-外桩接触桩间挤密土层的弧长的一半对应的角

rad；Rj-桩侧均布阻力，kN/m，

度，其中，

复合地基承载力提高率的确定

[0082]定义η为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，本专利采用的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

[0081]

[0083]

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施

例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

[0084]

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说　明　书　附　图

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图1

图2-a

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说　明　书　附　图

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图2-b

图3

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