非线性多元复合桩基.pdf

采用卸荷减沉桩(又称塑性支承桩)与复合地基的组合技术设计的一种新型桩基础，造价比常规桩基础节省一半以上，广泛适用于土木工程领域的多层、高层及超高层工业与民用建筑以及道路、桥梁等各种软弱地基的处理。其主要技术特征：1)桩的平面布置型式采用非对称单元或对称单元进行组合；2)长桩数量较少，主要布置在柱下(或墙下)荷载较大的部位或对称单元中心位置，单桩为摩擦桩或端承摩擦桩；采用预制桩或质量可靠的灌注桩。3)短桩数量较多，可按土质条件选用沉管桩、CFG桩、水泥搅拌桩或异型桩等。4)短桩和土组成复合地基，表面铺设一定厚度的砂石垫层。5)总体安全度大于2，总沉降小于50mm，差异沉降小于10mm。

1、  本发明新技术的特征：
A.长桩数量较少，桩长一般大于10m，起到卸荷减载作用，单桩按0.8～0.9倍极限承载力设计，主要布置在柱下或墙下荷载较大的部位，桩顶嵌入承台或筏板。单桩为摩擦桩或端承作用较小的端承摩擦桩；成桩方法为预制桩或质量可靠的灌注桩。
B.短桩数量较多，桩长一般在3～10m间，可按土质条件选用沉管桩、CFG桩、水泥搅拌桩或异型桩等。
C.短桩和天然地基组成复合地基，在复合地基和基底之间，铺设一定厚度的砂石垫层(一般取0.3m)，用以调节桩与土之间的荷载分配。
D.经过长桩和短桩处理后的地基，总体安全度大于2，总沉降以长桩极限承载力基本发挥为上限，一般小于50mm，差异沉降小于10mm。
E.用材少，工期短，造价省。与常规桩基相比，工期缩短1/2，造价节省1/2以上。
F.广泛适用于软土地基的多层及高层建筑。

2、  请求保护范围：
A：卸荷减沉桩与复合地基的非对称单元组合；
B：卸荷减沉桩与复合地基的对称单元组合；；
C：非线性多元复合桩基的设计计算方法。
D：卸荷减沉桩与复合地基在同一场地的组合施工方法。

非线性多元复合桩基
一、技术领域
本发明属于土木工程领域。
二、背景技术
传统的常规桩基设计通常采用群桩基础，由桩来承担全部荷载，不考虑或较少地考虑土的承载作用，这样的设计虽然安全但不经济；复合桩基属于疏桩基础，桩的数量通常较少，可以考虑桩间土的承载作用，一般按照沉降变形控制设计，但应用于软土地基的建筑设计一般不超过8层。
对于宰金珉等提出的非线性复合桩基，其适用条件之一是要求天然地基满足率ψ＝f_aA/Q≥0.5，对于软土地基(一般ψ＜0.5)，不能满足该方法设计条件。目前学术界的普遍观点是软土地基承载力低，在工程设计时应采用常规桩基的设计方法。
笔者通过工程设计比较发现，对高层建筑的软土地基(ψ＜0.5)采用复合地基与卸荷减沉桩组合的方法进行设计，同样可以保证足够的安全度和满足沉降要求，并能大幅度降低造价，因此该方法大大拓展了非线性复合桩基理论的适用范围，极具工程应用推广价值。由于采用了多种桩型，而且长桩的单桩承载力设计值突破了线性范围，因此该桩基型式可称之为——非线性多元复合桩基，适用于各种软土地基上的高层及超高层建筑。
三、发明内容
非线性多元复合桩基是采用了多种桩型，单桩承载力设计值突破特征值的一种新型桩基型式。设计时根据荷载分布情况，将基底划分为若干对称单元或非对称单元。各单元采用少量长桩进行卸载，剩余荷载由短桩和土组成的复合地基承担，总体安全度大于2，总的沉降以保证长桩极限承载力基本发挥为上限。
一)非线性多元复合桩基技术特征(参见图1～图7)
1.长桩长度L≥10m，数量较少。单桩为摩擦桩或端承作用较小的端承摩擦桩；成桩方法为预制桩或质量可靠的灌注桩。
2.短桩长度L＝3～10m，数量较多，可选择沉管桩、CFG桩、水泥土桩或异型桩等。
3.平面上分成若干单元，单元主要有非对称布桩和对称布桩二种形式，非对称布桩单元中的长桩主要布置在柱下或墙下荷载较大的部位，桩顶设置倒梯形承台。对称布桩单元中的长桩布置在单元中心位置，筏板厚度较大时可不设承台。
4.长桩的长度或截面尺寸可调，依据卸载量大小确定。
5.短桩和天然地基组成复合地基，在复合地基和基底之间，铺设一定厚度的砂石垫层(一般取0.3m)，用以调节桩与上之间的荷载分配。
6.长桩起卸荷减沉作用，故称卸荷减沉桩(又称塑性支承桩)，单桩按0.8～0.9倍极限承载力设计。
7.非线性多元复合桩基总体安全度大于2，总沉降以长桩极限承载力基本发挥为上限，一般控制在20～30mm，差异沉降很小，一般在10mm以内。
8.该方法适用于软土地基的多层及高层建筑。
二)非线性多元复合桩基设计方法
1、划分单元，确定长桩卸载方案。
根据建筑底板柱荷载的分布情况将基底平面分成若干个单元，根据柱荷载的设计卸载量大小确定卸荷桩的合理组合，分担给复合地基的剩余荷载一般小于其承载力特征值，呈中央略小周边略大的分布，以获得均匀的沉降变形。单个卸荷桩的承载力设计值一般是其极限承载力的0.8～0.9倍。
2、确定复合地基方案。
短桩的单桩承载力取(1)(2)二式计算结果的小值：
R_a＝u∑q_sil_i+αq_cA_P          (1)
桩身强度R_a＝ηf_cA_p             (2)
复合地基承载力特征值为：
f sp , k = m R a A p + ( 1 - m ) f s , k ]]>
利用下式对复合地基承载力进行深度修正：
f_sp＝f_sp，k+γ_m(d-0.5)
上述公式中各参数的含义见有关规范。
3、进行复合桩基的总体安全度验算。
考虑基础埋深(d)的补偿作用，总体承载力安全度
F s = 2 f sp A sp + Σ P ui Σ N i - γ m dA ]]>
要求F_x≥2.0，一般取2.5左右。
4、进行复合桩基的沉降验算。
长桩达到承载力极限状态的沉降值一般在40mm左右(摩擦桩只需10mm)，达到0.8～0.9Pu的沉降值一般在20～30mm，因此复合地基的沉降宜控制在20～30mm，复合地基沉降计算方法如下：
复合地基 E sp = ξE s = f sp , k f s , k E s ]]>
复合地基沉降 S = Ψ s P 0 Σ z i α ‾ i - z i - 1 α ‾ i - 1 E si ]]>
E_si在加固深度范围取短桩与土的复合当量压缩模量，P₀为卸载后的剩余分布荷载均值。
5、承台及筏板设计
1)非对称布桩单元：柱下桩数量一般不大于3根，一般可按梁板式设计桩筏基础，将长桩布置在柱下和柱周梁下，多根桩时可在桩顶设置倒梯型承台。
2)对称布置单元：可不设承台，长桩间距一般不小于6D，筏板厚度要求能满足抗冲切、抗冲剪要求。
6、利用静载试验资料进行校核
对卸载桩组合中的不同规格的各型桩做静载试验，根据静载试验曲线确定各种桩的极限承载力及相应的沉降变形，并对设计卸载方案进行校核，有出入时则修改设计方案。
进行短桩及复合地基的静载试验，并对复合地基承载力特征值进行校核。
三)非线性多元复合地基经济特征
非线性多元复合桩基是一种超规范的新型基础，经过多个工程项目的设计比较，采用该方法进行设计，在保证足够安全度和满足沉降要求的同时，桩基造价较常规方法设计的桩基节省一半以上，因而极具推广应用价值。
四、附图说明
图1非线性多元复合桩基非对称单元组合平面示意图
图2、图3、图4非线性多元复合桩基对称单元组合平面示意图
图5非线性多元复合桩基非对称单元组合A-A^#剖面示意图
图6非线性多元复合桩基对称单元组合B-B^#剖面示意图
图7非线性多元复合桩基非对称单元组合C-C^#剖面示意图
图中：1——承台  2——筏板  3——砂石垫层  4一短桩  5——长桩
五、具体实施方式
长桩和短桩二种桩型的实施方式采用目前普遍采用的施工工法。一般先打长桩，再打短桩，长桩要求定位准确。