采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法
【专利摘要】本发明属于桥梁工程技术领域，特别涉及一种采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，包括如下步骤：(A)将桩基分为多段，建立桩土计算模型；(B)根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行加载得到加载载荷P和沉降量S；(C)任取p值并计算该p值对应的加载载荷Pp和沉降量Sp；(D)通过比较Pp/Sp和P/S的值，不断的对p的取值进行调整；(E)根据最终的p值确定q值，从而确定各桩段荷载传递参数；(F)绘制桩土P?S曲线；(H)确定桩基极限承载力。由于桩基在不同土层中受力差异较大，这里先将桩基分为多段，保证模型建立的准确性，再不断的循环试算来求得合适的p值，这样求得的P?S曲线与实际的P?S曲线非常的接近，最后测得的桩基极限承载力精度非常高。
【专利说明】
采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法
技术领域
[0001] 本发明属于桥梁工程技术领域，特别涉及一种采用小位移加载确定粧基竖向承载 力的方法。
【背景技术】
[0002] 服役桥梁粧基由于上部结构制约荷载试验加载等级及试验荷载作用下粧基竖向 位移较小，无法用常规方法确定粧基极限承载力。按照《建筑基粧检测技术规范》要求，采用 静力加载法确定粧基承载能力时，终止加载的条件为：（1)某级荷载作用下的，粧顶沉降量 大于前一级荷载作用下的沉降量的5倍，且粧顶总沉降量超过40mm; (2)某级荷载作用下，粧 顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到规范要求的稳定标准；（3) 已经达到设计要求的最大加载值且粧顶沉降达到相对稳定标准；（4)工程粧做锚粧时，锚粧 上拔量已经达到允许值；（5)荷载一沉降曲线程缓变型时，可加载至粧顶总沉降量60mm~ 80mm;当粧端阻力尚未充分发挥时，可加载至粧顶累计沉降量超过80mm。从上述规定中可以 看出采用静力加载法确定粧基承载能力加载位移要达到40mm以上。而服役桥梁在达到桥面 最大容许加载能力时，粧基沉降一般都在l〇mm以内，远远小于规范要求的位移量，因而无法 确定粧基极限承载力。静力加载法是最可靠的加载方法，如何根据小位移加载来准确推算 粧基极限承载力成为本领域技术难题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，能够根 据小位移加载精确的推算出粧基极限承载力。
[0004] 为实现以上目的，本发明采用的技术方案为:一种采用小位移加载确定粧基竖向 承载力的方法，包括如下步骤：（A)将粧基分为多段，建立粧土计算模型；（B)根据桥梁最大 支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行加载，记录加载载荷P和沉降量s; (C)粧土初始 刚度沿深度变化率P取0~25任意数值，将P代入粧土计算模型中并假设各粧段初始刚度与 埋深呈线性关系、各粧段的侧摩阻力与粧段顶部沉降量呈线性关系计算该P值对应的加载 载荷PdP沉降量S P;(D)通过比较Pp/Sp>P/S的值，不断的对p的取值进行调整，直到Pp/^和 P/S的差值小于设定阈值；（E)将最终的p值确定q值，并依据各粧段粧土初始刚度及极限侧 摩阻力与埋深的关系，确定各粧段荷载传递参数；（F)根据各粧段载荷传递参数、粧土计算 模型绘制粧土P-S曲线；（H)根据粧土P-S曲线确定粧基极限承载力。
[0005] 与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：由于粧基在不同土层中受力差异较 大，这里先将粧基分为多段，保证模型建立的准确性，再根据小位移加载情况下各粧段初始 刚度与埋深基本呈线性关系、各粧段的侧摩阻力与粧段顶部沉降量基本呈线性关系进行不 断的循环试算来求得合适的P值，这样求得的P-S曲线与实际的P-S曲线非常的接近，最后测 得的粧基极限承载力精度在工程中可接受的范围内。
【附图说明】
[0006] 图1为粧基加载不意图；
[0007] 图2为各粧段模型；
[0008] 图3为某个粧基的ρ-s曲线。
【具体实施方式】
[0009] 下面结合图1至图3,对本发明做进一步详细叙述。
[0010]参阅图1、图2,一种采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，包括如下步骤： (A)将粧基分为多段，建立粧土计算模型;钻孔灌注粧的粧身一般较长，粧身穿过多层土层， 各土层与粧基的粧土初始剪切刚度、粧侧极限侧摩阻力均不相同，这里对粧基进行分段后， 将各粧段作为一个整体，其受到的粧侧极限侧摩阻力可以看成是相同的，保证计算的准确 性。（B)根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行加载，记录加载载荷P和 沉降量S; (C)粧土初始刚度沿深度变化率p取0~25任意数值，将p代入粧土计算模型中并假 设各粧段初始刚度与埋深呈线性关系、各粧段的侧摩阻力与粧段顶部沉降量呈线性关系计 算该P值对应的加载载荷PjP沉降量S P;(D)通过比较PP/SdPP/S的值，不断的对p的取值进 行调整，直到PP/SjPP/S的差值小于设定阈值；（E)将最终的p值确定q值，并依据各粧段粧土 初始刚度及极限侧摩阻力与埋深的关系，确定各粧段荷载传递参数；（F)根据各粧段载荷传 递参数、粧土计算模型绘制粧土Ρ-S曲线；（H)根据粧土Ρ-S曲线确定粧基极限承载力。
[0011] 由于步骤B中，加载载荷P与粧基的极限承载载荷相比小很多，通过分析可以得知， 在加载载荷P比较小的时候，各粧段初始刚度与埋深近似呈线性关系，各粧段的侧摩阻力与 粧段顶部沉降量也是近似呈线性关系，因此，步骤C中，假设这两种关系均为线性的进行处 理。由于P值一开始是从〇~25的范围内任意取的，其取值不一定满足该粧基的实际p值，通 过假设的线性关系以及任意取得P值进行计算得到一个加载载荷匕和沉降量3 [)，通过比较 PP/S^P/S的值可以验证任意取得p值是否准确。这样，进行多次验证后，可以得到一个较为 准确的P值。步骤D中，判定的P P/SjPP/S的差值小于设定阈值，这个设定阈值给的越小，计算 出来的P值越准确。最后，根据最终的P值，将粧土计算模型中未知的各粧段荷载传递参数解 出，这样就能根据粧土计算模型得出相应的Ρ-S曲线了。根据Ρ-S曲线，可以很直观的看出粧 基的极限承载力。对于新建的粧基而言，完全可以按照《建筑基粧检测技术规范》中的要求 来确定粧基的极限承载力，但对于服役中的粧基是不行的。本发明中的这种方法，只需要对 粧基施加加载载荷P即可，不管是服役中的粧基还是新建的粧基，都能够精确的计算出粧基 的极限承载力。同时，该方法加载过程简单，大幅降低加载过程中人力、物力的消耗。
[0012] 当给粧基施加一个加载载荷P的时候，如果该加载载荷P所对应的沉降量S比较小， 采用工具测量得到沉降量S会存在比较大的误差，由于p值的确定依赖加载载荷P和沉降量S 的比值，因此如果沉降量S的测量出现误差，会导致后续的Ρ-S曲线的不准确。因此，本发明 中优选地:所述的步骤B中，根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行分级 加载，记录各级载荷{P1，P2，P3,…，Pn}作用下对应的沉降量{51，52,53，一^};所述的步 骤D中，先将P P/SjPPl/Sl的值进行比较，所述的步骤F后还包括如下步骤：（G)判断离散样点 {PI，SI}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与Ρ-S曲线的接近度，若离散样点接近Ρ-S曲线，则进入步骤 H，若离散样点远离P-S曲线，则依次以P2/S2、P3/S3、…、Pn/Sn为比较值重复步骤D~G。 [0013] 这里，通过对分级加载，记录多组数据，引入验证步骤G，提高计算的精确度。比如 第一组数据{P1，S1}，经过{P1，S1}计算得到的P-S曲线与实际的P-S曲线进行比较，由于我 们没有实际的P-S曲线，因此将离散样点{PI，S1}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与计算的P-S曲线进 行比较，如果各离散样点与计算得到的P-S曲线非常接近，那么可以认为该P-S曲线比较准 确，如果各离散样点与计算得到的P-S曲线相差较大，那么可以认为该P-S曲线不够准确，很 有可能是S1的测量误差导致的。此时，再使用第二组数据{P2，S2}来进行计算。需要指出的 是，这里的{?1，？2，？3，~办}是逐渐递增的，而在加载载荷越小的情况下，各粧段初始刚度 与埋深越近似呈线性关系，各粧段的侧摩阻力与粧段顶部沉降量也越近似呈线性关系，因 此在验证的时候，是从小的加载载荷P1逐渐向大的加载载荷P2、P3…、Pn进行验证的。在验 证的时候，如果P2/S2 = P1/S1，那么可以直接跳过P2从P3开始进行验证。
[0014] 这里之所以要规定"根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行分 级加载"是防止对桥梁造成损坏，假设桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量为Pmm，分 为5级进行加载，那么加载载荷可以按如下的数据选取:PI = 0.1Pmax，P2 = 0.3Pmax，P3 = 0.5Pmax，P4 = 0.7Pmax，P5 = 0.9Pmax。当然用户也可以根据需要选择合适的加载载荷。
[0015] 对于粧基分段，可以有多种分段方式，本发明中优选地，所述的步骤A中，按照如下 步骤将粧基分为多段：（A11)根据粧基所处的土层分布，以土层分界作为界限将粧基分为多 段；（A12)根据各粧段的长度，将较长的粧段继续分段使得任一粧段的长度小于等于设定阈 值；（A13)记录粧段个数m和各粧段的长度{。、。、…、^。我们都知道各土层中粧基所受到 的极限侧摩阻力差异较大，因此需要进行分段;相应地，如果某个土层中粧基的长度较长 时，其上、下段所受到的力差异也比较大，也应当进行分段，提高结果的准确性。理论上来 说，粧基的段数越多，结果越精确，但是其带来的计算量也大幅增加，因此，选择一个合适的 段数也很重要。
[0016] 具体地，所述的步骤A中，按如下步骤建立粧土计算模型：（A21)为各粧段建立模 型，对于第i个粧段，其顶部受力为Fu，粧侧摩阻力为^，底部受力为F 2l，粧段顶部位移为 Su，粧段底部位移为S2i，各粧段的载荷传递参数为{ai，bi};其中，i = 1，2，. . .，m，最上面粧 段的i为1; (A22)根据各粧段参数建立如下关系式：
[0017] F2i = Fi(i+i)，
[0018] S2i = Si(i+i)，
[0019] Fn-F2i = Ti,
[0020] S2l_Su= Δ Si，这里的Δ Si是粧段在力的作用下产生的压缩量;它可以按照如下公 式计算：
[0021]
其中Y为混凝土的弹性横量，X为粧基截面积，
[0022]
其中ab等于3-5倍的am，b b取土地基承载力极限值倒数；
[0023] (A23)粧土计算模型建立完毕。
[0024]当粧土计算模型建立完毕后，模型中的部分参数是已知的，比如第一个粧段的顶 部受力Fn即为加载载荷，第一个粧段的粧段顶部位移Sn即为沉降量，最下面一个粧段的底 部受力F2m即为粧端土承载力，最下面一个粧段的底部位移为S2m即为整个粧基底部的沉降 量，在施加的加载载荷较小的时候，S2m为接近于0,可以任意选取一个较小的数值来代替。模 型中的部分参数是未知的，比如粧侧摩阻力为Ti，各粧段的载荷传递参数为{ai，bi}。
[0025]进一步地，根据上述模型中的已知量，计算未知量，完善粧土计算模型，这样就能 解出未知的极限加载力、以及极限加载力所对应的位移。上述未知量的具体求解方法有很 多，这里提供一种较为优选的实施方式:所述的步骤C中，按如下步骤计算p值对应的加载载 荷匕和沉降量\:((：1)记录各粧段的埋深 Zl，Zl为第i个粧段中心距离地面的距离；（C2)第m 个粧段的土层初始刚度km = P · Zm，贝第m个粧段的传递参数am=l/ki，S2m可以根据经验值来 取，一般是一个比较小的值，这里S2m的取值对后续的计算不造成影响，因为后续比较的是P 和S的比值，根据公式步骤A22中的公式求得F2m;(C3)根据{F2m，S2m}的值以及如下方程：
[0027]求得{Flm，Slm};(C4)根据步骤 A22 可知:F2(m-D = Slm;(C5)重复步骤 C3 求 得{Fum-mSKm-uMCe)重复步骤C4、C5求得{Fn，Sn}，p值对应的加载载荷PP = Fn，沉降量SP = Sn。这个计算过程中，引入了方程T^pZiSu，是因为在加载载荷较小的时候，可以认为^ 和Sh呈线性关系，减小计算的工作量。
[0028]由于p值和最后计算得到的P/S值呈正比例关系，因此，这里优选地，所述的步骤D 中，若Pp/Sp>P/S，则增大p的值重复步骤C2-C6,若Pp/S p>P/S，则减小p的值重复步骤C2-C6〇
[0029]当计算到一个较为准确的p值后，就根据该p值来计算粧土计算模型中的未知量。 这里优选地，所述的步骤E中，按如下步骤计算各粧段荷载传递参数{auhhUl)根据粧土 初始刚度沿深度变化率P、各粧段的埋深zi计算土层初始刚度ki = p · Zi; (E2)将粧土初始刚 度沿深度变化率P代入公式q = 〇. 28652p+l. 6522中求得q值；（E3)按照公式Tmaxi = Ci+qZi求 得极限粧侧摩阻力imaxl，式中G为各土层粘聚力；（E4)根据公Sapl/knbpl/T^得到各 粧段载荷传递参数{ai，bi}。
[0030]当粧土计算模型完善后，由于需要绘制出P-S曲线，曲线对应的加载载荷由小到 大，最大时会超过粧基的极限承载力，因此，模型中的ijPSu不能认为呈线性关系，而应当 采用更为精准的公式来计算。因此，所述的步骤F中，根据求得的各粧段载荷传递参数{ ai， bi}，步骤A22中的关系式以及如下公式
[0032]求得Fn和Sn之间的函数关系，并以Sn为纵坐标、Fn为横坐标绘制出来的曲线即为 P-S曲线。图3所示的是某个粧基的P-S曲线，根据该曲线可以得出超过"桥梁最大支座反力 或桥面最大容许加载量"的加载载荷所对应的沉降量，继而根据《建筑基粧检测技术规范》 得出粧基极限承载力。
[0033]判断离散样点与曲线的接近度，有很多方法可以实现，本实施例中，采用方差进行 判断。所述的步骤G中，按如下步骤判断离散样点{P1，S1}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与P-S曲线 的接近度：（G1)将{Ρ1，Ρ2，···，Ρη}代入P-S曲线中求得{SV，S2'，…』：};(G2)根据公式Δ Sj= Isy-Sjl，式中 j-l，2，· · ·，η，求得{ASl，AS2，···，ASn};(G3)求数组{ ASl，AS2，···， A Sn}的方差；（G4)若方差小于设定阈值，则进入步骤H，若方差大于设定阈值，则依次以P2/ S2、P3/S3、…、Pn/Sn为比较值重复步骤D~G直到有方差小于设定阈值时进入步骤H，若所有 的方差均大于设定阈值，则取方差最小的那个P-S曲线进入步骤H。通过方差判断的结果更 为准确。
【主权项】
1. 一种采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，包括如下步骤： (A) 将粧基分为多段，建立粧土计算模型； (B) 根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行加载，记录加载载荷P和 沉降量S; (C) 粧土初始刚度沿深度变化率p取0~25任意数值，将p代入粧土计算模型中并假设各 粧段初始刚度与埋深呈线性关系、各粧段的侧摩阻力与粧段顶部沉降量呈线性关系计算该 P值对应的加载载荷PdP沉降量SP; (D) 通过比较Pp/Sp和P/S的值，不断的对p的取值进行调整，直到Pp/S p和P/S的差值小于 设定阈值； (E) 将最终的p值代入p、q关系函数，确定q值，粧土计算模型中并假设各粧段粧土初始 刚度与埋深呈线性关系，极限侧摩阻力随埋深增加值与埋深亦呈线性关系，计算各粧段荷 载传递参数； (F) 根据各粧段载荷传递参数、粧土计算模型绘制粧土 P-S曲线； (H)根据粧土 P-S曲线确定粧基极限承载力。2. 如权利要求1所述的采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，其特征在于:所述 的步骤B中，根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行分级加载，记录各级 载荷{PI，P2，P3，…，Pn}作用下对应的沉降量{SI，S2，S3，…，Sn};所述的步骤D中，先将P p/Sp 和P1/S1的值进行比较，所述的步骤F后还包括如下步骤： (G) 判断离散样点{?1，51}、{?2,52}、-_、咖，511}与?-5曲线的接近度，若离散样点接近 P-S曲线，则进入步骤H，若离散样点远离P-S曲线，则依次以P2/S2、P3/S3、…、Pn/Sn为比较 值重复步骤D~G。3. 如权利要求1或2所述的采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，其特征在于： 所述的步骤A中，按照如下步骤将粧基分为多段： (A11)根据粧基所处的土层分布，以土层分界作为界限将粧基分为多段； (A12)根据各粧段的长度，将较长的粧段继续分段使得任一粧段的长度小于等于设定 阈值； (八13)记录粧段个数111和各粧段的长度{]^1、1^、···、!^}。4. 如权利要求3所述的采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，其特征在于:所述 的步骤A中，按如下步骤建立粧土计算模型： (A21)为各粧段建立模型，对于第i个粧段，其顶部受力为Fu，粧侧摩阻力为^，底部受 力为F2l，粧段顶部位移为Su，粧段底部位移为S2l，各粧段的载荷传递参数为{ai，h};其中，i =1，2，...，111，最上面粧段的1为1; (A22)根据各粧段参数建立如下关系式： F2i = Fi(i+l)， S2i = Si(i+l), Fii_F2i = Ti， S2i-Sii= ASi,，其中Y为混凝土的弹性横量，X为粧基截面积，1其中ab取3-5倍的a m，bb取土地基承载力极限值倒数，地基承载力可 按规范取值； (A23)粧土计算模型建立完毕。5. 如权利要求4所述的采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，其特征在于:所述 的步骤C中，按如下步骤计算p值对应的加载载荷P p和沉降量SP: (C1)记录各粧段的埋深Zl，Zl为第i个粧段中心距离地面的距离；（C2)第m个粧段的土层 初始刚度km=p · Zm，贝第m个粧段的传递参数am=l/ki，S2n^经验值，根据公式步骤A22中的 公式求得F2m; (C3)根据{F2m，S2m}的值以及如下方程： 求得{Flm，Sim};(C4)根据步骤A22可知:F2(m-l)=Flm，S2(m-l) = Slm; (C5)重复步骤 C3 求得{F1(m-D，S1(m-υ}; (C6)重复步骤C4、C5求得{Fn，Sn}，ρ值对应的加载载荷Ρρ = Fn，沉降量SP = Sn。6. 如权利要求5所述的采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，其特征在于:所述 的步骤D中，若Pp/S p<P/S，则增大ρ的值重复步骤C2-C6,若Pp/Sp>P/S，则减小ρ的值重复步 骤C2-C6。7. 如权利要求6所述的采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，其特征在于:所述 的步骤E中，按如下步骤计算各粧段荷载传递参数{auh}: (E1)根据粧土初始刚度沿深度变化率p、各粧段的埋深Zl计算土层初始刚度lu = p · Zl; (E2)将粧土初始刚度沿深度变化率ρ代入公式q = 0.28652p+1.6522中求得q值； (E3)按照公式Tmaxi = Ci+qzi求得极限粧侧摩阻力Tmaxi，式中Ci为粘聚力； 江4)根据公式31 = 1/1^，1^=1/1：111￡^得到各粧段载荷传递参数{&1，1^}。8. 如权利要求7所述的采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，其特征在于:所述 的步骤F中，根据求得的各粧段载荷传递参数{auh}，步骤A22中的关系式以及如下公式求得Fn和Sn之间的函数关系，并以Sn为纵坐标、Fn为横坐标绘制出来的曲线即为P-S 曲线。9. 如权利要求2所述的采用小位移加载确定粧基竖向承载力的方法，其特征在于:所述 的步骤G中，按如下步骤判断离散样点{Ρ1，S1}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与Ρ-S曲线的接近度： (G1)将{Ρ1，Ρ2，···，Ρη}代入Ρ-S曲线中求得{SI'，S2' (62)根据公式八3]_=|3]_/-3]_|，式中]_ = 1，2，...，11，求得{八31，八32，'"，八311}; (G3)求数组{ASl，AS2，···，ASn}的方差； (G4)若方差小于设定阈值，则进入步骤H，若方差大于设定阈值，则依次以P2/S2、P3/ S3、…、Pn/Sn为比较值重复步骤D~G直到有方差小于设定阈值时进入步骤H，若所有的方差 均大于设定阈值，则取方差最小的那个P-S曲线进入步骤H。
【文档编号】E02D33/00GK105926687SQ201610285979
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】宋春霞, 马晔, 杨宇, 张学峰, 张理轻, 范钟倩
【申请人】交通运输部公路科学研究所, 杭州公科路桥技术有限公司