一种管桩动拔桩力计算方法与流程

本发明涉及管桩动拔桩力的计算，尤其是涉及一种管桩动拔桩力计算方法。

背景技术：

桩基础被广泛应用于高层建筑、港口、桥梁等工程中，桩基础能将上部荷载传至性能较好的地下土层以满足沉降和承载能力的要求，桩基础既能承受水平荷载和竖直荷载，也能抵御振动荷载和上拔荷载。在建筑物施工过程中，经常需要打入临时桩基用以受力和承载需求，建筑物建成后，往往会产生许多弃桩，为使桩可持续利用，常需要将桩拔出，拔桩阻力主要由桩侧摩阻力和桩身重力组成，拔桩过程通常采用振动锤振动使桩周土体密实度减小从而降低桩侧摩阻力，为了提高拔桩效率同时节省费用，就需要算出桩侧动摩阻力从而估算出上拔阻力，以便选择合适的设备。

现阶段，国内外对于上拔阻力的估算通常采用试验方法。如法国ptc公司通过总结多个工程的土壤数据，直接得出标贯击数与上拔阻力的关系，美国ice公司通过大量实践得出，振动后，桩侧摩阻力降低率在一个范围内，根据具体工程土质可在这一范围内插值取得。上拔阻力的大小除与土的性质有关，还与桩身性质、桩的运动速度等有关。国内外对于管桩动拔桩力的研究较少见，现阶段所用的估算方法，均会因为实验条件差异而出现不同程度的偏差，探讨适于动拔桩力的计算方法极具意义。

技术实现要素：

为避免背景技术中估算法差生计算偏差，本发明提供一种管桩动拔桩力计算方法，并采用如下技术方案：

一种管桩动拔桩力计算方法，包括如下步骤：

s1，设定初始计算条件，排除计算的影响因素；

(1)取管桩周围20～50倍管桩直径的土体为计算对象，超出这个范围的土体和管桩之间的相互作用可忽略不计；

(2)土体中竖向应力只和深度有关，随深度增加竖向应力增大；

(3)若土体上部存在水域，则不考虑水域对于拔桩阻力的影响；

(4)管桩内部土体相对于管桩周围土体，对拔桩阻力的影响可忽略不计；

s2，将所选定作为计算对象的土体按照土质分成若干层，利用土体的微分单元推导出管桩侧的单层土体的极限静摩擦力公式，并通过分层积分的方式得出多层土的管桩侧极限静摩擦力：

式中τn为各土层摩擦应力，单位：pa，

下标n表示从上到下第n层的土体，各层土体的微分单元具有不同的材料性质，采用下标加以区分；

管桩所受总的静上拔力为：r＝t+g，式中g为管桩自重，单位为n；

s3，根据经验公式确定极限静摩擦力到动摩擦力的降低系数，所述经验公式为

式中：μ′为降低系数，

μ1为管桩与土体接触面摩擦系数，

β为液化土体折减系数，

η为振动加速度与重力加速度比值；

s4，在多层土体的极限静摩擦力的基础上各分层乘以相应的降低系数即得到多层土体的管桩侧动摩擦力，所述多层土体的管桩侧动摩擦力公式为

式中，下标表示从土体上部到下部第n层土体；

管桩所受中的动拔力为：rv＝tv+g，式中rv表示管桩所受总的动拔力，单位为：n；

进一步地，所述步骤s2的具体计算步骤为：

根据静止状态竖向力平衡原理，可得出公式：

式中σz为土层深度z处的竖向应力，单位：pa；

d、d分别为土体的微分单元的直径和管桩直径，单位：m；

ρ为土体表观密度(考虑孔隙的影响)，单位：kg/m³；

τ1为管桩与土接触面摩擦应力，τ2为所取土体的微分单元最外侧的摩擦应力，单位：pa；

土体的竖向力σz与径向力στ之间满足关系：

στ＝kσz(5)

式中k为桩周土的侧向土压力系数。

根据库伦土摩擦力公式：

τ1＝μ1στ＝μ1kσz+c(6)

τ2＝μ2στ＝μ2kσz+c(7)

式中μ1为桩土接触面摩擦系数，μ2为土内摩擦系数c为土体粘聚力，单位：pa。

式(4)～(7)联解得：

式中

解式(8)一阶微分方程，得出结果：

σz＝γλ^-1(1-e^-λz)(9)

进一步，式(9)反带入式(6)，得出结果：

τ1＝μ1kσz+c＝μ1kγλ^-1(1-e^-λz)+c(10)

单层土体情况下只需对式(10)沿深度方向积分即可得到单层土体的极限静摩阻力：

进一步，对于多层土体，则需要对各层土体分层积分，得出多层土体的极限静摩阻力：

式中τn为各层土体的微分单元的摩擦应力，单位：pa；下标n表示从上到下第n层土，各层土体的微分单元具有不同的材料性质，采用下标加以区分。

本发明有益效果：

(1)取土体的微分单元推导出土体极限静拔桩力公式，根据分段积分法推导出总的极限静拔桩力公式。

(2)利用公式计算出桩侧极限静摩擦力到动摩擦力的降低系数,最后算出动拔桩力。

(3)所用公式能够针对不同土体，算出各种工程地质条件下的拔桩阻力。

附图说明

图1为管桩侧的摩擦力随深度变化曲线；

图2为不同土质拔桩力随桩深变化曲线；

图3不同桩径拔桩力随桩深变化曲线；

图4为土体的微分单元示意图；

图5为土体分层示意图；

图6为计算流程图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明朱进一步地说明。

本发明一种管桩动拔桩力计算方法具体计算步骤如下：

首先做出如下计算前的假定：

(1)取管桩周围20～50倍桩径的土体为计算对象，超出这个范围的土体和桩管桩之间的相互作用可忽略不计；

(2)土体中竖向应力只和深度有关，随深度增加竖向应力增大；

(3)若土体上部存在水域，则不考虑水域对于拔桩阻力的影响；

(4)管桩内部土体相对于管桩周土体，对拔桩时阻力的影响可忽略不计；

桩周为土体受力分析如图1，根据静止状态竖向力平衡原理，可得出公式：

式中σz为土层深度z处的竖向应力，单位：pa；

d、d分别为土体的微分单元的直径和管桩直径，单位：m；

ρ为土体表观密度(考虑孔隙的影响)，单位：kg/m³；

τ1为管桩与土接触面摩擦应力，τ2为所取土体的微分单元最外侧的摩擦应力，单位：pa；

土体的竖向力σz与径向力στ之间满足关系：

στ＝kσz(5)

式中k为桩周土的侧向土压力系数。

根据库伦土摩擦力公式：

τ1＝μ1στ＝μ1kσz+c(6)

τ2＝μ2στ＝μ2kσz+c(7)

式中μ1为桩土接触面摩擦系数，μ2为土内摩擦系数c为土体粘聚力，单位：pa。

式(3)～(7)联解得：

式中

解式(8)一阶微分方程，得出结果：

σz＝γλ^-1(1-e^-λz)(9)

进一步，式(9)反带入式(6)，得出结果：

τ1＝μ1kσz+c＝μ1kγλ^-1(1-e^-λz)+c(10)

单层土体情况下只需对式(10)沿深度方向积分即可得到单层土体的极限静摩阻力：

进一步，对于多层土体，如图2，则需要对土层土体分层积分，得出多层土体总的极限静摩阻力：

式中τn为各土体的摩擦应力，单位：pa，下标n表示从上到下第n层土，各层土土体具有不同的材料性质，采用下标加以区分。

总的静上拔力即为：

r＝t+g(10)

式中g为桩身自重，单位：n

进一步，根据日本经验公式中极限静摩擦力到动摩擦力的降低系数

式中：β为液化土体折减系数，η为振动加速度与重力加速度比值。

在极限静摩擦力基础上各分层乘以相应的降低系数，管桩侧动摩阻力计算公式可表示为：

式中，下标n表示从上到下第n层土。

最终，动上拔力计算表示为

rv＝tv+g(13)

式中，rv表示动上拔力，单位：n。

所推导出的动拔桩力计算公式特征在于，利用极限状态下竖向力平衡原理，结合库伦土摩擦力公式，推导单层土极限静拔桩力，对于多层土，在单层土的基础上采用分层积分的方式得出总的极限静拔桩力，最终根据经验公式中激振力作用下极限静摩擦力到动摩擦力的降低系数，得出动拔桩力计算值。所得动拔桩力计算值与土的表观密度、粘聚力、内摩擦系数、桩土接触面摩擦系数、桩径、桩入土深度、振动加速度有关，根据不同的地质条件以及现场施工条件，可灵活调整公式中的参数，计算出理论的动拔桩力值，拔桩时可根据计算值选择合理的拔桩设备，对于提高拔桩效率有一定的帮助。

实例应用：

石首市建宁大桥施工支栈桥，为满足支架栈桥承载能力要求，采用q235材质钢管桩，做为支栈桥施工基础。根据地质详勘报告，钢管桩周土壤参数如表1，拟采用dz60型振动锤动力拔桩，振动锤参数如表2。

表1土壤参数表

表2振动锤参数表

由于栈桥支架钢管桩长度不同，所埋入土层的深度不同，对拔桩力的影响也不同，钢管桩规格不同，土质变化也会产生影响，现利用推导的公式，对同一桩长下钢管桩沿深度方向的摩擦应力进行计算，如图1，对不同土质、不同桩径下抗拔摩擦力这两组参数进行计算，如图2，图3。

根据附图可总结出，相同土质相同的钢管桩，随着深度的增加，桩侧摩擦应力逐渐增加，且增加的速率逐渐趋于平缓。相同的直径的钢管桩，不同的土质，随着桩深的增加，拔桩力逐渐增大，不同土质增大幅度不同，拔桩力与土的密度，摩擦角，粘聚力均有关。相同的土质，不同规格的钢管桩，随桩深增加拔桩力逐渐增大，桩径越大，拔桩力越大，且桩径越大，拔桩力随深度的增加，增大速率变大。