考虑受荷过程影响的服役桥梁桩基础侧摩阻力计算方法与流程

本发明涉及工程建设领域，特别涉及一种考虑受荷过程影响的服役桥梁桩基础侧摩阻力计算方法。

背景技术：

如何确定既有基桩轴向承载力是一直尚未解决的技术难题。桩基础在承担竖向荷载后，桩和桩侧土之间会产生侧摩阻力。桩和桩侧土之间的侧摩阻力可视为半无限弹性体内部轴向力，并在桩侧土体内形成附加应力。桩和桩侧土之间的侧摩阻力的发挥程度在桩基础的施工、运营、改造等受荷阶段存在差异，导致施工、运营、改造等受荷阶段桩侧土体内形成的附加应力也存在差异。不同阶段桩侧土中附加应力的差异，会引起桩侧土压缩模量发生变化，压缩模量的变化可引起桩周土侧摩阻力标准值发生变化，目前还没有很好的方法确定改造后桩周土侧摩阻力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种考虑受荷过程影响的服役桥梁桩基础侧摩阻力计算方法，

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种考虑受荷过程影响的服役桥梁桩基础侧摩阻力计算方法，包括如下步骤：（A）根据地层深度将桩基分为N段，桩段i对应的地层记为地层i，其中i={1，2，…，N}；（B）根据桩基受荷的不同分为成桩阶段、运营阶段和改造阶段，分别计算成桩阶段、运营阶段和改造阶段的第i层桩周土总应力P_0i、P_1i、P_2i；（C）对地层i取样测定土体初始孔隙比e_0i，然后进行压缩试验，得到与P_1i、P_2i对应的地层i桩周土体孔隙比e_1i、e_2i；（D）分别计算运营阶段、改造阶段地层i桩侧土体压缩模量E_s1i、E_s2i；（E）根据成桩阶段地层i侧摩阻力初始标准值τ_0i、运营阶段地层i侧摩阻力发挥值τ_1i以及压缩模量E_s1i、E_s2i计算得到改造阶段地层i侧摩阻力标准值τ_2i。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：根据基桩运营期实际承担的荷载，计算基桩桩侧土在运营期的土体附加应力和总应力，根据桥梁在改造后桩顶力的增量，通过荷载试验的方法确定桥梁在改造后的土体附加应力和总应力，然后对土体取样，根据运营期、改造后土体总应力，进行土体压缩试验，然后计算运营期、改造后土体的压缩模量，建立桩周土压缩模量变化与服役桥梁桩基础桩侧土摩阻力标准值的变化之间的关系，根据运营、改造等受荷阶段服役桥梁桩基础桩侧土的压缩模量的变化，评估沉降稳定的服役桥梁桩基础在改造等受荷阶段桩侧摩阻力的标准值，通过一系列处理，保证最后计算出的侧摩阻力标准值的精确性。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是桩周土受荷情况示意图，其中图2a为成桩阶段，图2b为试桩阶段，图2c为运营阶段，图2d为上部结构不拆除的改造阶段，图2e为上部结构拆除的改造阶段；

图3是步骤E中各坐标示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图3，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1，一种考虑受荷过程影响的服役桥梁桩基础侧摩阻力计算方法，包括如下步骤：（A）根据地层深度将桩基分为N段，桩段i对应的地层记为地层i，其中i={1，2，…，N}；（B）根据桩基受荷的不同分为成桩阶段、运营阶段和改造阶段，分别计算成桩阶段、运营阶段和改造阶段的第i层桩周土总应力P_0i、P_1i、P_2i；（C）对地层i取样测定土体初始孔隙比e_0i，然后进行压缩试验，得到与P_1i、P_2i对应的地层i桩周土体孔隙比e_1i、e_2i；（D）分别计算运营阶段、改造阶段地层i桩侧土体压缩模量E_s1i、E_s2i；（E）根据成桩阶段地层i侧摩阻力初始标准值τ_0i、运营阶段地层i侧摩阻力发挥值τ_1i以及压缩模量E_s1i、E_s2i计算得到改造阶段地层i侧摩阻力标准值τ_2i。根据基桩运营期实际承担的荷载，计算基桩桩侧土在运营期的土体附加应力和总应力，根据桥梁在改造后桩顶力的增量，通过荷载试验的方法确定桥梁在改造后的土体附加应力和总应力，然后对土体取样，根据运营期、改造后土体总应力，进行土体压缩试验，然后计算运营期、改造后土体的压缩模量，建立桩周土压缩模量变化与服役桥梁桩基础桩侧土摩阻力标准值的变化之间的关系，根据运营、改造等受荷阶段服役桥梁桩基础桩侧土的压缩模量的变化，评估沉降稳定的服役桥梁桩基础在改造等受荷阶段桩侧摩阻力的标准值，通过一系列处理，保证最后计算出的侧摩阻力标准值的精确性。

参阅图2，成桩阶段、运营阶段和改造阶段的第i层桩周土总应力P_0i、P_1i、P_2i可以通过多种方式来进行计算，本实施例中优选地，所述的步骤B中，成桩阶段第i层桩周土总应力式中γ_k为第k层桩周土平均重度，重度即密度乘以重力加速度，Z_k为第k层桩周土平均厚度；运营阶段第i层桩周土总应力P_1i=σ_czi+σ_1i，式中σ_1i为运营阶段第i层桩周土平均附加应力；改造阶段，上部结构不拆除重建时第i层桩周土总应力P_2i记为P′_2i，上部结构拆除重建时第i层桩周土总应力P_2i记为P″_2i；P′_2i=σ_czi+σ_1i+σ_2i，式中σ_2i为上部结构不拆除重建时，第i层桩周土在改造阶段承担的改造后增加的附加应力；P″_2i=σ_czi+σ_2i=σ_czi+σ_1i+Δσ_2i，式中Δσ_2i为上部结构拆除重建时，第i层桩周土在改造阶段承担的附加应力增量。对于改造阶段，通过区分是拆除重建还是不拆除重建两种方式的改造，通过不同的公式进行计算，过程更简洁。实际上，不拆除重建的公式P′_2i=σ_czi+σ_1i+σ_2i中的σ_2i也可以理解为拆除重建时的Δσ_2i。

具体地，压缩模量可以按照如下的公式进行计算，所述的步骤D中，运营阶段地层i桩侧土体压缩模量E_s1i=(1+e_0i)(P_1i-P_0i)/(e_0i-e_1i)；改造阶段，上部结构不拆除重建时地层i桩侧土体压缩模量E_s2i记为E′_s2i，上部结构拆除重建时地层i桩侧土体压缩模量E_s2i记为E″_s2i，式中E′_s2i=(1+e_1i)(P_2i-P_1i)/(e_1i-e_2i)，E″_s2i=(1+e_1i)(P_2i-P_0i)/(e_1i-e_2i)。

前面说到上部结构不拆除重建时的σ_2i相当于上部结构拆除重建时的Δσ_2i，σ_1i和Δσ_2i的有很多种方式可以进行计算，本实施例中优选地，所述的步骤B中，运营阶段第i层桩周土平均附加应力σ_1i按如下步骤求得：（B1）根据实测运营期桩顶位移S1和基桩长期稳定承担的荷载P1计算各地层的侧摩阻力发挥值τ_1i和桩周土的桩土相对位移S_1i；（B2）根据侧摩阻力发挥值τ_1i计算τ_1i对地层i产生的附加应力并求和得到σ_1i；（B3）在上部结构改造前，通过在桩基上方以适当方式加载，加载量不小于桥梁改造后或通行荷载等级提高后桩顶力的增量，测试加载后桩顶下沉量，根据加载量P2、加载后桩顶下沉量S2计算各地层侧摩阻力发挥值的增量Δτ_2i；（B4）根据侧摩阻力发挥值Δτ_2i计算Δτ_2i对地层i产生的附加应力并求和得到Δσ_2i。这样一方面可以计算出各地层的侧摩阻力发挥值τ_1i，方便步骤E中进行下一步计算，另一方面也能够很准确的计算出σ_1i的值。

具体地，所述的步骤B1和步骤B3中，按如下步骤计算得到各地层的侧摩阻力发挥值τ_1i或各地层侧摩阻力发挥值的增量Δτ_2i；（S21）建立桩土计算模型；（S22）桩土初始刚度沿深度变化率p取0～25任意数值，将p代入桩土计算模型中并假设各桩段初始刚度与埋深呈线性关系、各桩段的侧摩阻力与桩段顶部沉降量呈线性关系计算该p值对应的加载载荷P_p和沉降量S_p；（S23）通过比较P_p/S_p和P/S的值，不断的对p的取值进行调整，直到P_p/S_p和P/S的差值小于设定阈值；（S24）将最终的p值代入桩土计算模型中并假设各桩段初始刚度与埋深呈线性关系计算各桩段荷载传递参数；（S25）根据各桩段载荷传递参数代入桩土计算模型中计算得到各地层的侧摩阻力发挥值τ_1i或各地层侧摩阻力发挥值的增量Δτ_2i；上述步骤中，P、S取P1、S1时，步骤S25最后计算得到的结果为各地层的侧摩阻力发挥值τ_1i，P、S取P2、S2时，步骤S25最后计算得到的结果为各地层侧摩阻力发挥值的增量Δτ_2i。根据加载载荷P和其对应的沉降量S计算侧摩阻力发挥值τ_1i或侧摩阻力发挥值的增量Δτ_2i的具体方案，在本公司申请的发明专利《采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法》（申请号：201610285979.0；申请日：2016年05月03日）中已经有详细的记载，这里就不再赘述。

具体地，所述的步骤B2和步骤B4中，按如下步骤计算得到σ_1i或Δσ_2i；（S11）记τ₁～τ_m-1引起的第i层桩周土底面环带上任一点j的附加应力为σ_zmij，τ₁～τ_m在该点引起的附加应力为σ′_zmij，σ_zmij和σ′_zmij根据桩段m侧摩阻力发挥值，采用Geddes解计算，这个计算方法在《桩基工程手册》（中国建筑工业出版社出版，1995年9月出版）的178～181页有详细的介绍，这里就不再赘述；（S12）桩段m侧摩阻力引起的第i层桩周土底面环带上任一点j的附加应力σ″_zmij=σ_zmij-σ′_zmij；（S13）将第i层桩周土底面各点的σ″_zmij取平均值得到桩段m侧摩阻力引起的第i层桩周土底面环带平均附加应力σ″_zmi；（S14）重复步骤S1-S3计算桩段m侧摩阻力引起的第i层桩周土顶面环带平均附加应力σ′_zmi；（S15）桩段m侧摩阻力引起的第i层桩周土环带平均附加应力σ′_mi=(σ′_zmi+σ″_zmi)/2；（S16）对σ′_mi求和即得到的结果即为σ_1i或Δσ_2i；上述步骤中，{τ₁、τ₂、…、τ_m、…、τ_N}取{τ₁₁、τ₁₂、…、τ_1N}时，步骤S16中计算得到σ_1i；{τ₁、τ₂、…、τ_m、…、τ_N}取{Δτ₂₁、Δτ₂₂、…、Δτ_2N}时，步骤S16计算得到Δσ_2i。

参阅图3，作为本发明的优选方案，所述的步骤E包括如下步骤：（E1）建立直角坐标系，横坐标代表桩土相对位移，纵坐标代表桩周土侧摩阻力值，直角坐标系原点记为O；（E2）自坐标轴原点为起点，以E_s1i为斜率做直线段，记直线段终点为X，X点的纵坐标值为成桩阶段地层i侧摩阻力初始标准值τ_0i，τ_0i根据设计文件或勘察报告确定，则X点对应的横坐标值S_0i=τ_0i/E_s1i；（E3）在OX线段中，以运营阶段地层i侧摩阻力发挥值τ_1i为纵坐标值确定点Y，X点对应的横坐标值S_1i=τ_1i/E_s1i；（E4）以Y点为起点、E_s2i为斜率做直线段，记直线段的终点为Z，Z点的横坐标值S_2i与X点的横坐标值S_0i相等，Z点的纵坐标值τ_2i满足方程：τ_2i-τ_1i=E_s2i(S_2i-S_1i)，将S_2i=S_0i=τ_0i/E_s1i、S_1i=τ_1i/E_s1i代入方程求得τ_2i。实际计算时，无需按照步骤，直接按照步骤E4中的方程就可以得出τ_2i。通过这些步骤的处理，最后算得的τ_2i与实际值非常的接近，误差非常小，可以作为改造后的标准值使用。