单桩荷载传递双曲线模型的三

单桩荷载传递双曲线模型的研究1引言随着我国城乡建设的发展,桩基础作为大型建筑物、构筑物中运用最多的一种深基础形式,其在工程中的运用越来越广泛。桩基设计中必须正确合理的估计桩的受力与变形特性。桩在轴向荷载作用下的承载力与沉降计算已成为国内外岩土工程学者共同关心的课题。但桩土系统是一个非常复杂的系统,其工程设计方法仍处于半理论半经验状态。目前,代表性的计算方法主要有:荷载传递分析法、弹性理论法、分层总和法、剪切变形传递法、有限元分析法等[1,2]。荷载传递法因具有概念明确,计算简单,实用性强的特点,适合工程中的单桩计算。2荷载传递法的原理及计算方法荷载传递法是用既定的荷载传递函数来分析桩的承载机理。其基本概念是:将桩离散成为一系列桩段(弹性单元),每一桩段与土体之间的联系用非线性弹簧来模拟,桩端处土体也用非线性弹簧与桩端联系。这些非线性弹簧的应力2应变关系,即桩侧摩阻力τ(或桩端阻力σ)与位移s之间的关系(τ2s或σ2s关系),这一关系一般就称为传递函数(如图1所示)。利用已知的桩侧(桩底)土的荷载传递函数,求解传递函数法的基本微分方程dP/dz=-Uτ(z)ds/dz=-P/ApEp(1)式中:P为桩身轴力;U为桩截面周长;Ap为桩的截面积;Ep为桩的弹性模量;τ(z)为桩侧摩阻力。图1荷载传递法桩2土相互作用模型方程(1)的求解取决于传递函数τ(z)的具体形式。求解主要有以下两种方法。其一为假定传递函数为线性或易于积分的函数形式,代入微分方程,利用所给边界条件直接积分求解;其二为利用实测或试验的方法得到传递函数,一般为非线性,无法直接积分,只能根据平衡条件和位移协调原则,采用数值解。3荷载传递函数的选取及参数的确定3.1荷载传递函数的确定用荷载传递法分析单桩承载力与沉降的关键在于选择能真实反映桩2土共同作用机理的传递函数。由于土体的非线性与成层非均质性,大量的静载试验表明,其应力2应变关系与双曲线相似,故可采用如图2所示的双曲线模型作为传递函数。对于浅层土,由于打入土中时的挤土作用,在地表浅部形成隆起,产生径向裂隙。且打桩会引起侧向振动,桩土之间形成间隙。因此,在地表下15m范围内桩侧摩阻力达到峰值后有所降低,表现为应变软化的性质。故对浅层土,采用改进的模型:τ(z)=a1s/b1+s2(2)对于深层的桩周土,桩侧摩阻力采用双曲线模型:τ(z)=a2s/b2+s(3)桩端土:涝σ眉=a3竿s糖/唱b3+略s(4桥)价三式中叉:倦τ页(掠z)晶为桩身躬z白截面处的掘桩侧摩阻线力童;s阔为桩身雨(易桩端烂)逗沉降长;社σ混为桩端土咳反力距;ai泻银、剩bi(叮i=程1依、停2参、并3)志为土的荷慈载传递函苹数。丑图色2斧桩惩2摄土荷载传赏递函数的剂双曲线模孔型枯3.2冤腰参数览a明、党b担的确定廉用荷载传悼递函数的糊双曲线模火型确定传芦递函数的面关键是要条确定不同踩土层的参舟数居a景、稻b省。对于浅劳层土专,层对公式旺(寿2)抛求极大值拴,橡得出极限叹摩阻力烦fu吵=a1械/守,趟此时扬s=莫,外一般构s段可取辉2甘～追5mm纱。原点处寻的初始剪膛切刚度狗Ksi谊=泽=-慨。焰对于深层监的桩侧土角,弟由新(乘3)灯式可得带,潜剪切位移催趋于无限秆大时的渐丰进剖值欺τ合ult涉=访=虹a2旧。初始剪爪切刚度势Ksi队=盒=般根据试验芹研究耳,倦τ面ult石值略大于赵桩土界面爪处的极限门摩阻力附fu世。遇fu卷与迁τ米ult忌之间的关壶系为普:f艇u=言Rf华τ意ult念。芹Rf农为破坏比满。一般这取离0镇.哗75肆～躬0裹.慕95票。主极限摩阻盐力驼f弄u收的取值可暮根据静力皆触探比贯祝入阻力值姥结合土工而试验资料怨、土层埋突深与性质兼确定。对初地表以下梢6m药范围内的右浅层土体枝,无取娇f株u=家15k冰Pa;托对粘性土呢,夸当戒p伞s枣≤摆100团0kP权a戏时泛,毅f写u=级(糟kPa)汪,限p绒s贼≥掘100舌0kP漆a灾时雀,最f迟u=丸0笋.由025莫p尊s+箩25(亿kPa)三;礼对粉土与井砂土柳,售f泡u=倡(冷kPa)掌。勿p乎s泪为各土层钥比贯入阻摩力平均值臣(瓦kPa)岔乒。隙桩侧土的放初始剪切菊刚度潮K伟si,修乳根据茅Rand澡olph脆疼等人的研化究痰[5]粱,比K危si=良。式中编,义G原为小应变疲时的土的出剪切模量蜓,眯r萍0扇为桩的半幼径宜,江r恐m肚为土的剪阅切变形可承忽略的范寿围仙,廉一般的个,ln馋值的范围吐为蚀3村～情5监。影对于桩端罩土浆,害由公式浑(摇4)珍得蒸,嚼位移趋于淋无穷大时把桩端土反竿力的渐进芬值户σ趋ult茫=傲σ柱=石a拴3骄。同样勾,抬σ菜ult皂略大于桩券端土极限么承载力值盒q脉u,候σ瓦ult摸=较R凉f万q采u纽。汤R楚f溉的定义与浊取值可参补照桩侧土俘。由深基离础极限承讯载力公式骨可得郑,框q卵u=挠9叹c捉u,冬c编u沉为桩端处稼土的不排位水剪切强撞度。烘桩端土的射初始压缩怀刚度爱K务b=性=鞋,笔而桩底土蓬的抗压刚侍度系数可炊由弹性半绿空间上的禾刚性基础廊解答给出挥估计值纷K诚b=护。露v赶为土的泊屋松比裹,残一般可取恨0吨.告35烤。揉这样没,百由原位测他试和室内转实验确定共了既f织u(锈q角u)苍和贱K抓si(亲到K酸b)蛮等参数后守,境即可计算乐得出双曲某线模型中心的唉a概、伟b沟值。杨4口岩土参佛数的优化某实际工程附中的桩基阳,赶由于受到挖土层、土浮性、桩的瓜施工等因丙素的影响瞎,辰因此剑,调需要对荷形载传递函日数中的岩验土参数进付行优化。关首先忘,现根据工程馅地质勘测示报告漏,音确定桩周石各土层与塘桩端土惩a装、灯b厚参数得初郊始值与合枕理范围。开然后哪,歉利用桩基源静载荷试舒验中实测虎得到的桩禁顶荷载呼2倾沉降曲线匠与桩身轴怕力值你,间对桩周各裙土层及桩吹端土的计倘算参数进竹行优化。留具体算法星为盗:饭将注τ啦(脂祖z抹)隔和勿σ叮的具体形缝式代入传怎递函数法攻的基本微跨分方程汽(版1),朵根据桩顶仔位移值忽s赵0市与桩顶荷弯载筋P够0,赖采用标准劣的四阶住Rung绣e2Ku旧tta张法计算各炎段的轴力到值拆,绳与相应位喜置的实测饲轴力值相跌比较拨,勿根据最小窃二乘法原碎理春,余建立目标烛函数乔:肾f著=得(5)帐式中拆:挠Pij曾为第袄j廉级荷载下让第孤i伟段实测的踩轴力值则;承P茅′惨ij温为第妹j桐级荷载下价第竭i腿段计算的刮轴力值。缴当目标函屋数剧f京的值达到触最小怨f词min男时骂,嫁待定参数忆a察、京b下即为优化储值。关于炒Rung谅e毯-航Kutt敬a举法和目标坦函数的优伏化均已编蚀制程序在符MATL咏AB杆上实现。膀5窗工程实合例包5.1制序工程概喂况拍上海船厂路拟在崇明持基地建造微7标万吨船台绝,拒厂区位于纠上海崇明截县状,铸紧靠长江拦南河道北震岸。根据侄地质勘察响报告油,船拟建场区想土的物理感力学性质偿指标如表内1服。该工程乞采用钢筋梳混凝土预熔制方桩基供础杯,铅桩径为裕600拆mm战×袋800暴mm,灭试验桩长镇5311赚m,矩根据设计醋方要求铜,肃进行单桩枪静载荷试姨验。在试咱桩桩身内透不同部位跃埋设测试薄元件证,训量测设计承桩长的单益桩承载力扮、侧摩阻洪力和桩端夹阻力。铸表意1幻试验场询地地层物吐理力学性牢质指标碗层序预土层名称拼一般层面巡标高观(关m)迅C各(同kPa)区Φ洲(指°什)月a狮0灿.1-0说.2档(杆MPa)庭E改S0轨.甲1倍-诞0触.贫2俘(工MPa)炼Q丙u那(针kPa)捐P蝶s渔(怀MPa)虑①迈1结填土竞4末.涛67重-胞6.99粉12阴24.0昌0.26火7.32给0.98讨①垦2鞠粘质粉土雨与淤泥质果粘土互层场3.16订～挪7.30驱11键17.5掀0.46农4.54料0.67俭②闪1逼粉质粘土蹄2.21耻～吹3.66瓣19替19.5缠0.35皱5.43专0.89废②跳2提粘质粉土汁-4.9秒5型～盈2.56份10撤24.5滴0.25阀7.78隶1.48摄②漠3融砂质粉土焰-8.8倡0李～地5.38移7跨28.5表0.21絮9.00垦3.44泰④夜淤泥质粘摇土斧-13.倡60巴11晶11.5离0.93哄2.60茂44残0.83捧⑤索1据淤泥质粘促土葱-21.筋70施12呆12.0距0.81恭2.87占51傻1.00峰⑤净2缓粉质粘土吓-27.续85北16酷19.5因0.39绕5.19屋70抛3.40咬⑤册3真.鞭1尖粉质粘土愈与砂质粉葱土互层鞋-38.键40匪16肺21.5肺0.29指6.70庸69豪5.44左⑤贤3端.子2遵砂质钥粉土与粉额质粘土互毕层尸-42.躁85洞10词30.0浙0.16姨11.4耕0闯8.80牛⑦殿1树粉质粘土它-46.盆15袋8社31.5添0.14泰13.4果4亚10.3梳8广⑦抽2抛粉砂支-49.炉40找5办34.0壁0.10钥17.5暑9吩15.8注2盾⑨秩含砾粉砂战-60.包65吨4原35.5牲0.08享20.6坦7蚂17.1念5中5.2颗裁传递函傲数的选取垫根据表损1渠所示的各功土层物理协力学性质每,仓采用本文模提出的双裁曲线模型府,欲首先确定泥各土层计军算参数摘a脂、扣b核的初始值政,由再进行优芦化缓,怒优化后的倾传递函数庭,乎如表钱2夕所示。屯表晌2袍桩恩2痛土荷载传蛛递函数苍深度鞠(斩m)君荷载传递馋函数敏0牺～疼4.25龟τ朴(最z)=8戴1.06烤s鸣/条8.65捡+s2服4.25捎～盾12.2挂5便τ就(倚z)=2选75.1寸7s扶/颂57.7衬8+s2旗12.2减5的～石20.1维5并τ厕(骑z)=4肿37.2景0s话/鉴62.9洞3+s2膛20.1尖5镜～温32.9揪5壤τ腊(筝z)=5方0.04拖s幼/陶3.56对+s茅32.9声5揉～您49.2双5铜τ翁(煎z)=7鬼3.23题s边/稀4.02堵+s哄49.2累5蝇～茧53.1蒙τ李(掌z)=1益21.3级7s芬/兽4.53凤+s类桩端演σ静(给z)=8乡179.赴2s征/先1.85泉+s焦5.3谊赏计算结宋果分析勿由图永3反、图握4支可看出畏,密用荷载传霞递函数法上能较好的露反映桩的询承载机且理。按计峡算得到的鉴荷载食2弯位移曲线伞和桩身轴康力变化线春与实测值昆非常接近害,贼其精度完口全能够满顾足工程应党用需要。捐图范3梅滚桩顶荷载服2驳位移曲线搭实测值与喘计算值比芒较原姿扛杰图仗4鞠桩身轴斯力实值与虽计算值比券较滴6丑结论肯a)肿用传递函庄数的双曲甲线模型分悼析桩的家Q照2兵s盈曲线塑,既只要土参腔数选取适紫当那,升实测值与阻计算值就五能较为吻晌合足,差能达到令卖人满意的貌效果。巴b)寺针对浅层肌土的应变霜软化性质她,菠在由通用辜的双曲线摄模型建立监荷载传递检关系时李,倚需进行必飘要的改进解。锡c)秒由原位测框试与室内中土工试验支确定荷载再传递双曲宿线模型的雾计算参数别,际再利用桩蛛基静载荷拌试验资料申优化荷载少传递函数刊,乳更为符合总工程实际踢。参考文献厌1酸桩基工奸程手册编帮写委员会欲.耕桩基工程息手册处[M]怕.江北京啦:苦中国建筑垂工业出版脂社捎,199荐5,1挨3921除44念2铅林天健突,倒熊厚金宁,跃王利群民.淘桩基础设馋计指南鸦[M]嫩.败北京购:烛中国建筑他工业出版扎社妙,199劣9,2也9623钓04攻3粱潘时声让.裹桩基础分规层位移迭光代法计算职理论及其球应用辆[D]誓.廉上海坡:麻同济大学已,199漠3让4柳何思明暮.螺桩竖向荷谁载鸣2歼沉降特性股的传递函才数法综述伴[J]嗽.明地基处理娃.199足7,8族(12昨)埋5Ra事ndol届phM见F,克W