基于三相变量的点控增压超速沉降法的制作方法

本发明涉及桩基沉降领域，更具体地说，涉及一种基于三相变量的点控增压超速沉降法。

背景技术：

随着我国经济的增长和交通事业的发展,公路交通量不断上升,大型运输车辆的吨位、轴重大幅度增长，对现有公共设施的通行能力提出新的要求。而在我国通车公路中，60％左右的桥梁分布在县乡道路上，技术标准低，通行能力差。高等级公路上的桥梁也由于交通量的增大超出了预期的规划，在服役几年之后就会出现交通拥挤，车辆积压等通行问题，长期处于超负荷工作状态，严重影响桥梁的通行能力和使用寿命。

为了满足日益增长的交通量的需求，每年都有大批新建公路桥梁投入使用，这虽然可以在一定程度上缓解交通，但投资大，耗费多，而且会对原有老桥造成资源浪费，不利于公路桥梁建设的可持续发展，随着国家公路网络的日臻完善，新建公路桥梁必定逐渐减少，为了既保证公路的正常运营，提高其通行能力，又克服建设资金的问题，对桥梁的加宽就显得十分必要。

旧桥由于长期处于工作状态，其地基的固结和基础的沉降在各种荷载长期作用下已基本完成，但桥梁加宽后，新桥基础在使用过程中由于过桥车辆荷载以及各种自然因素的影响，必定会产生沉降，并对沉降已经趋于稳定的旧桥基础造成影响，而且，加宽后桥梁基础的沉降由于新、旧基础的不同还存在沉降大小、速度、发展趋势上的差异，如果沉降超出一定的范围或产生明显的不均匀沉降时，就会产生桥梁病害，影响其正常运营或对桥梁整体安全构成危害，如广佛高速公路、沪宁高速公路中的部分桥梁在加宽后出现不同程度的因新、旧基础沉降差异引起的病害。

而一般情况下，新桥自然沉降时间一般都比较长，为缩短工期，提高效率，需要短时间内使新桥完成沉降。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于三相变量的点控增压超速沉降法，可以快速消除新旧桥结构基础不均匀沉降。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于三相变量的点控增压超速沉降法，包括以下步骤：

S1、根据桩基安装位置的地质资料绘制以桩基荷载为X轴、时间为Y轴、桩基沉降位移为Z轴的三维图；

S2、根据工期要求及荷载极限，对三维图中的时间及荷载进行修正，过滤三维图中不符合要求的区域；

S3、在三维图中确定参考点，选取的沉降值对应的点的荷载即为预压荷载，对应的点的时间为预压完成时间；

S4、根据预压荷载值对桩基进行预压，使桩基完成沉降。

上述方案中，所述步骤S3中选取的沉降值为最终沉降值的80％～85％。

上述方案中，所述步骤S1包括以下步骤：

S11、根据荷载传递法及剪切位移法建立微单元静力平衡方程如下：

$EA\frac{{\∂}^2{s}_i}{\∂z^2}-c_{si}{C}_p\frac{\∂s_i}{\∂t}-k_{si}{C}_p{s}_i=0$

其中：E为桩基杨氏模量，A为桩基截面积，i为土层层数，s_i为第i层的桩顶沉降位移，Z为桩基上任意一点所处的深度，C_si为第i层的土层粘性系数，C_p为桩基截面周长，t为时间，k_si为第i层的土层弹性系数；

S12、根据土层的位移及力的连续性假定，求解出地面处位移阻抗函数，即：

$Z\left(s\right)=-\frac{E_p{A}_p{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n}{L}tan({\stackrel{\‾}{h}}_n{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n-{\mathrm{\β}}_n)$

$tan\left({\mathrm{\β}}_n\right)=\frac{Z_{n-1}}{E_p{A}_p}\frac{L}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n}$

其中：为拉普拉斯变换参数，为土层厚度与桩长比值，L为桩长；

得到桩顶位移频率响应根据傅里叶变换性质，求得单位荷载位移响应，即：

$s\left(t\right)=\frac{P}{2\mathrm{\π}}\underset{-\∝}{\overset{\∝}{\∫}}\left(\frac{1}{i\mathrm{\ω}}\right)F\left(i\mathrm{\ω}\right)e^{i\mathrm{\ω}t}d\mathrm{\ω}+\frac{P}{2}F\left(0\right)$

其中：P为桩顶荷载、F为桩顶位移频率响应，iω为傅里叶变换中的复变量；

S13、根据所述步骤S11和S12中的公式计算得到不同载荷值和时间下的沉降数据表；

S14、将所述沉降数据表转为数据矩阵，根据数据矩阵绘制荷载-沉降-时间三维图。

实施本发明的基于三相变量的点控增压超速沉降法，具有以下有益效果：

1、通过本发明方法可以根据桥梁不同位置地基情况不同，精确控制新桥超载预压的预压值，并在箱梁浇筑或吊装之后，新旧桥连接之前对其进行超载预压，加速新桥部分基础的固结沉降，防止后期新旧桥连接不均匀沉降引起的桥梁病害，保证桥梁使用的安全使用性能。

2、可根据工期、荷载的要求随时进行超载预压参数的调整，灵活控制施工过程。

3、通过沉降预测方法，根据桥梁不同位置基础条件不同、桥梁沉降要求的不同，精确控制桥梁不同位置超载预压的加载值。

4、将桥梁快速沉降理论化，提高快速沉降的精确度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是荷载-沉降-时间三维图；

图2是修正后的荷载-沉降-时间三维图；

图3是新桥施工流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明基于三相变量的点控增压超速沉降法，包括以下步骤：

S1、根据桩基安装位置的地质资料绘制以桩基荷载为X轴、时间为Y轴、桩基沉降位移为Z轴的三维图。如图1所示。

S2、根据工期要求及荷载极限，对三维图中的时间及荷载进行修正，过滤三维图中不符合要求的区域。将三维区域缩减后，荷载及时间符合要求后，对比最终沉降，选取的点的沉降值要求达到最终沉降的80％～85％(假设)，可将最终沉降值同时表现在三维图中，如图2所示。

S3、在三维图中确定参考点，选取的沉降值对应的点的荷载即为预压荷载，对应的点的时间为预压完成时间。三维图可以根据需要随时退化为二维关系图。

S4、根据预压荷载值对桩基进行预压，使桩基完成沉降。

步骤S1包括以下步骤：

S11、根据荷载传递法及剪切位移法建立微单元静力平衡方程如下：

$EA\frac{{\∂}^2{s}_i}{\∂z^2}-c_{si}{C}_p\frac{\∂s_i}{\∂t}-k_{si}{C}_p{s}_i=0$

其中：E为桩基杨氏模量，A为桩基截面积，i为土层层数，s_i为第i层的桩顶沉降位移，Z为桩基上任意一点所处的深度，C_si为第i层的土层粘性系数，C_p为桩基截面周长，t为时间，k_si为第i层的土层弹性系数；

S12、根据土层的位移及力的连续性假定，求解出地面处位移阻抗函数，即：

$Z\left(s\right)=-\frac{E_p{A}_p{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n}{L}tan({\stackrel{\‾}{h}}_n{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n-{\mathrm{\β}}_n)$

$tan\left({\mathrm{\β}}_n\right)=\frac{Z_{n-1}}{E_p{A}_p}\frac{L}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n}$

其中：为拉普拉斯变换参数，为土层厚度与桩长比值，L为桩长；

得到桩顶位移频率响应根据傅里叶变换性质，求得单位荷载位移响应，即：

$s\left(t\right)=\frac{P}{2\mathrm{\π}}\underset{-\∝}{\overset{\∝}{\∫}}\left(\frac{1}{i\mathrm{\ω}}\right)F\left(i\mathrm{\ω}\right)e^{i\mathrm{\ω}t}d\mathrm{\ω}+\frac{P}{2}F\left(0\right)$

其中：P为桩顶荷载、F为桩顶位移频率响应，iω为傅里叶变换中的复变量；

S13、根据所述步骤S11和S12中的公式计算得到不同载荷值和时间下的沉降数据表；

S14、将所述沉降数据表转为数据矩阵，根据数据矩阵绘制荷载-沉降-时间三维图。

如图3所示，不同根据桥梁不同位置地质情况不用，桥梁承载能力要求的不同，所需要达到的沉降值的不同，此方法同时可以精确控制不同位置对应的超载预压值，并在箱梁浇筑或吊装之后，新旧桥连接之前对其进行超载预压，并根据需要随时调整预压值，使新桥各个位置均快速沉降，并对沉降进行实时观测，直至满足新旧桥连接标准。然后再将新旧桥进行连接，形成一个整体，再进行桥面铺装。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。