偏斜管桩承载力分析方法与流程

本发明涉及工程建设领域，具体涉及偏斜管桩承载力分析方法。

背景技术：

置于地基土中的预应力管桩属于细长结构，若预应力管桩周围地基土发生水平位移，将导致预应力管桩发生偏斜、挠曲甚至弯断。为避免出现斜桩问题，需要确定预应力管桩的承载性状，然而，如何确定预应力管桩的承载性状是一直尚未解决的技术难题，特别是对于偏斜管桩，目前还没有合理的方法来计算偏斜管桩的承载力。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供偏斜管桩承载力分析方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了偏斜管桩承载力分析方法，包括以下步骤：

s1利用有限元分析将偏斜管桩沿长度方向划分为n个长为li、直径为d的偏斜管桩单元，其中n、li根据实际情况设定；

s2构建桩侧荷载传递函数：

式中，表示第i个偏斜管桩单元的桩土之间的位移，i＝1,…,n，表示第i个偏斜管桩单元的侧阻力，cs为偏斜管桩所在地基土的弹性阶段单位位移桩侧摩阻力，fu为偏斜管桩的桩侧摩阻力极限值，sμ为的偏斜管桩的桩侧摩阻力达到极限时偏斜管桩与所在地基土之间的位移；

s3构建桩端荷载传递函数：

式中，s^b表示偏斜管桩的桩端位移，f(s^b)表示偏斜管桩的端阻力，e0表示桩端处地基土的变形模量，ν表示桩端处地基土的泊松比，d为偏斜管桩的直径，α为桩端弹簧折减系数，β为桩端持力层软化系数，β对于桩端持力层为遇水易软化的风化岩层取0.9，其他情况取1.0，η为设定的修正系数，η的取值范围为[0.7,,0.9]，s′μ为桩端土极限位移；

s4结合桩侧荷载传递函数和桩端荷载传递函数建立偏斜管桩的力学模型，计算出各偏斜管桩单元结点的内力、位移和偏斜管桩的侧阻力、端阻力，进而得到偏斜管桩的承载力分析结果。

优选地，sμ的取值范围根据地基土的类型进行设定，具体为：

地基土为填土时设定为7～10mm，地基土为淤泥质粘土时设定为7～12mm，地基土为粘性土时设定为6～10mm，地基土为粉土时设定为6～10mm，地基土为砂土时设定为5～9mm，地基土为风化岩土时设定为3～7mm。

优选地，s′μ的取值范围根据地基土的类型进行设定，具体为：

地基土为一般粘土时s′μ取值为0.25d，地基土为硬塑粘土时s′μ取值为0.1d，地基土为砂土时s′μ取值为0.08～0.1d，地基土为风化岩土时s′μ取值为0.05～0.08d，其中，d为偏斜管桩的直径。

进一步地，所述偏斜管桩承载力分析方法还包括以下步骤：

s5对偏斜管桩的参数α、s′μ、fu、sμ进行调整，确定最终的桩侧荷载传递函数、桩端荷载传递函数，进而根据步骤s4计算偏斜管桩的承载力。

优选地，对偏斜管桩的参数α、s′μ、fu、sμ进行调整，具体为：

(1)选择有代表性的土层预设偏斜管桩，并在偏斜管桩埋设滑动测微计；

(2)运用滑动测微计测试偏斜管桩在各级荷载下摩阻力和端阻力分布规律和分配比例，各土层摩阻力发挥状态、桩端沉降和桩身总压缩变形量，并将测试结果与所述偏斜管桩的承载力分析结果进行对比，根据对比结果，调整偏斜管桩的参数α、s′μ、fu、sμ。

本发明的有益效果为：

(1)实现了偏斜管桩的承载力分析，解决了传统理论上无法用理论分析偏斜管桩承载力的难题；

(2)基于荷载传递法的基础上，定义了桩侧荷载传递函数和桩端荷载传递函数，通过结合桩侧荷载传递函数和桩端荷载传递函数建立偏斜管桩的力学模型，不需要进行现场测量便能计算出各偏斜管桩单元结点的内力、位移和偏斜管桩的侧阻力、端阻力，简化了工程，提高了偏斜管桩的承载力分析效率；

(3)能够适应各种复杂的边界条件；

(4)易于处理非均质材料、各向异性材料；

(5)不仅适用于分析垂直管桩和任何偏角的偏斜管桩的承载力，还适用于分析管桩在竖向荷载、水平荷载和弯矩同时作用下的承载力。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例的偏斜管桩承载力分析方法的流程示意图；

图2是本发明另一个实施例的偏斜管桩承载力分析方法的流程示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

参见图1，本实施例提供的偏斜管桩承载力分析方法，包括以下步骤：

s1利用有限元分析将偏斜管桩沿长度方向划分为n个长为li、直径为d的偏斜管桩单元；

s2构建桩侧荷载传递函数：

式中，表示第i个偏斜管桩单元的桩土之间的位移，i＝1,…,n，表示第i个偏斜管桩单元的侧阻力，cs为偏斜管桩所在地基土的弹性阶段单位位移桩侧摩阻力，fu为偏斜管桩的桩侧摩阻力极限值，sμ为的偏斜管桩的桩侧摩阻力达到极限时偏斜管桩与所在地基土之间的位移；

s3构建桩端荷载传递函数：

式中，s^b表示偏斜管桩的桩端位移，f(s^b)表示偏斜管桩的端阻力，e0表示桩端处地基土的变形模量，ν表示桩端处地基土的泊松比，d为偏斜管桩的直径，α为桩端弹簧折减系数，β为桩端持力层软化系数，β对于桩端持力层为遇水易软化的风化岩层取0.9，其他情况取1.0，η为设定的修正系数，s′μ为桩端土极限位移；

s4结合桩侧荷载传递函数和桩端荷载传递函数建立偏斜管桩的力学模型，计算出各偏斜管桩单元结点的内力、位移和偏斜管桩的侧阻力、端阻力，进而得到偏斜管桩的承载力分析结果。

其中，步骤s4可采用有限元分析和fortran程序进行相关参数的计算。

优选地，考虑偏斜管桩的承载力特征，设定η的取值范围为[0.7,,0.9]。

本实施例实现了偏斜管桩的承载力分析，解决了传统理论上无法用理论分析偏斜管桩承载力的难题；基于荷载传递法的基础上，定义了桩侧荷载传递函数和桩端荷载传递函数，通过结合桩侧荷载传递函数和桩端荷载传递函数建立偏斜管桩的力学模型，不需要进行现场测量便能计算出各偏斜管桩单元结点的内力、位移和偏斜管桩的侧阻力、端阻力，简化了工程，提高了偏斜管桩的承载力分析效率；

在桩端荷载传递函数中，本实施例在s^b≥s′μ时，利用桩端弹簧折减系数和桩端持力层软化系数对端阻力进行调整，能够使得偏斜管桩的承载机理更接近实际工作情况，从而提高后续承载力的计算精度；

此外，本实施例设计的偏斜管桩承载力分析方法能够适应各种复杂的边界条件，适用于处理非均质材料、各向异性材料的偏斜管桩；本实施例的偏斜管桩承载力分析方法不仅适用于分析垂直管桩和任何偏角的偏斜管桩的承载力，还适用于分析管桩在竖向荷载、水平荷载和弯矩同时作用下的承载力。

实施例2

在实施例1的基础上，sμ的取值范围根据地基土的类型进行设定，具体为：

地基土为填土时设定为7～10mm，地基土为淤泥质粘土时设定为7～12mm，地基土为粘性土时设定为6～10mm，地基土为粉土时设定为6～10mm，地基土为砂土时设定为5～9mm，地基土为风化岩土时设定为3～7mm。

实施例3

在实施例1或实施例2的基础上，s′μ的取值范围根据地基土的类型进行设定，具体为：

地基土为一般粘土时s′μ取值为0.25d，地基土为硬塑粘土时s′μ取值为0.1d，地基土为砂土时s′μ取值为0.08～0.1d，地基土为风化岩土时s′μ取值为0.05～0.08d，其中，d为偏斜管桩的直径。

根据地基土的类型进行设定sμ、s′μ的取值范围，能够使得定义的桩侧荷载传递函数和桩端荷载传递函数更加贴近实际情况，从而使得后续的偏斜管桩的承载力分析更为真实、贴近实际。

实施例4

参见图2，在实施例1的基础上，所述偏斜管桩承载力分析方法还包括以下步骤：

s5对偏斜管桩的参数α、s′μ、fu、sμ进行调整，确定最终的桩侧荷载传递函数、桩端荷载传递函数，进而根据步骤s4计算偏斜管桩的承载力。

优选地，对偏斜管桩的参数α、s′μ、fu、sμ进行调整，具体为：

(1)选择有代表性的土层预设偏斜管桩，并在偏斜管桩埋设滑动测微计；

(2)运用滑动测微计测试偏斜管桩在各级荷载下摩阻力和端阻力分布规律和分配比例，各土层摩阻力发挥状态、桩端沉降和桩身总压缩变形量，并将测试结果与所述偏斜管桩的承载力分析结果进行对比，根据对比结果调整偏斜管桩的参数α、s′μ、fu、sμ。

由于偏斜管桩承载力分析方法中的相关参数α、s′μ、fu、sμ值是与偏斜管桩的桩侧和桩端土层的性质有关，在具体应用时，该α、s′μ、fu、sμ的取值需积累一些地区性经验。为了确定以上参数的合理取值范围，在各个地区首次使用该方法时，可通过运用滑动测微计测试偏斜管桩在各级荷载下摩阻力和端阻力分布规律和分配比例，各土层摩阻力发挥状态、桩端沉降和桩身总压缩变形量，并将测试结果与偏斜管桩承载力分析方法分析结果进行对比，根据对比结果，调整偏斜管桩承载力分析方法中的相关参数α、s′μ、fu、sμ，并确定该地区相关参数α、s′μ、fu、sμ的合理取值范围。地区相关参数确定后，便可使用该方法更准确地分析偏斜管桩的承载性状。

其中，根据对比结果调整偏斜管桩的参数α、s′μ、fu、sμ，具体实施方式如下：

(1)选择有代表性的土层预设管桩，并在管桩中埋设滑动测微计，进行桩基承载力破坏试验，根据测试结果，可得出各土层的极限阻力fu，可将此值作为该区域的计算参数fu；

(2)将各土层的sμ按照一般的取值范围进行计算，在各级荷载作用下，将偏斜管桩的承载力分析结果中的侧阻力计算结果与滑动测微计测试结果对比，并不断调整sμ值，直到计算结果与测试结果在设定的吻合程度范围内，可将此时的sμ值作为该区域的计算参数sμ；

(3)进行桩基承载力破坏试验，绘制q-s(荷载-位移)曲线，从曲线出现明显陡降的起始点对应的荷载值，在此荷载值作用下滑动测微计测得的桩端位移为s′μ，将此值作为该区域的计算参数s′μ；

(4)根据曲线出现明显陡降的起始点对应于滑动测微计测得的桩端荷载值及陡降的终点对应于滑动测微计测得的桩端荷载值，将程序桩端阻力计算结果与滑动测微计测试结果对比，并不断调整α值，直到计算结果与测试结果设定的吻合程度范围内，将此时的α值作为该区域的计算参数α；

(5)在同一地区选取数根管桩进行以上相同测试，求出相应的参数，并取各参数的平均值作为该地区的计算参数α、s′μ、fu、sμ。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。