一种季节冻土区单桩水平承载性状数值分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土木工程技术领域，涉及一种季节冻土区单粧水平承载性状数值分析 方法。
【背景技术】
[0002] 黄土在我国分布很广，大部分都属于季节冻土区。随着西部大开发战略的实施，水 平受荷粧在黄土地区工业建筑和道路桥梁等工程中已被广泛应用。黄土地区冬季地表土在 冻结作用下力学参数发生很大的变化，刚度和强度明显增高，在地表形成硬层，较大的改变 了粧水平承载力，而春季冻土层融化后粧水平承载力又恢复至设计状态的值，这使实际工 程中冬季检测的水平受荷粧承载力特征值偏大很多，产生了较大误差，不利于工程建设。由 于粧身参数和粧侧土力学性质均影响水平受荷粧承载力，因此国内外不少学者通过理论计 算、数值分析、试验等于段研宄了粧水平承载力特性，揭示了水平受荷粧承载机理，为工程 应用提供了理论依据。但是目前对属于季节冻土区的黄土高原地区冬季冻土层对水平受荷 粧承载力影响的研宄文献尚少，影响黄上地区冬季水平受荷粧检测时承载力的判断。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种季节冻土区单粧水平承载 性状数值分析方法，针对季节冻土区黄土地基水平受荷粧，通过数值分析，开展冻土层对粧 水平承载力影响规律研宄，提出黄土地区不同冻土层厚度、不同粧径的修正系数，为冬季水 平受荷粧的检测提供依据，具有一定的工程意义。
[0004] 其具体技术方案为：
[0005] 一种季节冻土区单粧水平承载性状数值分析方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1 :数值计算模型的建立
[0007] 取粧身为弹性体，土为理想弹塑性体，采用摩尔-库仑强度准则，模型为三维实体 模型，为保证精度，粧侧土体直径取为粧径的20倍，粧底土体厚度为粧径的10倍，粧长25m， 粧身混凝土强度等级取C30,配筋率取0. 72%，粧身几何参数根据所研宄问题分别选取，粧 土界面采用硬接触，摩擦系数U=0.25,粧体、土体采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2杆 单元，然后将钢筋嵌入到粧体中，模型底部完全固约束，且约束外侧径向的位移；计算区网 格划分采用疏密控制技术，靠近粧土界面处网格最密，距界面越远网格越稀疏；
[0008] 步骤2 :季节冻土区粧径对水平受荷粧承载力的影响
[0009] 冻土的抗剪强度与温度、含水量、围压和时间有关，温度越低，含水量越大，冻土的 抗剪强度越大，围压越大，冻土抗剪强度也越大，冻土的抗剪强度随时间不断减小，最终趋 于长期的抗剪强度，在荷载的长期作用下，粘聚力急剧降低，内摩擦角也随时间的延长而降 低。冻土的弹性模量同抗剪强度一样，也是主要跟土性、温度、含水量和外压力有关，温度 越低，含水量越大，弹性模量越大，砂土的弹性模量大于粘土的弹性模量，外压力越大，弹性 模量越小，在黄土高原地区，土体含水量较低，该地区实际的冻土层力学参数要比饱和黄土 冻土的参数低很多；根据建立的计算模型选择合理的参数计算不同粧径的水平承载力特征 值，得到季节冻土区粧径对水平受荷粧承载力的影响规律；
[0010] 步骤3 :季节冻土区水平受荷粧承载力的修正
[0011] 季节冻土区冬季冻土层对水平受荷粧影响较大，在冬季检测季节冻土区水平受荷 粧会产生较大误差，并不能反映应用于工程的真实承载力，取修正系数k为无冻土层和有 冻土层影响的水平承载力的比值，依据步骤2的计算结果，拟合得到修正系数k的表达式， 用k对冬季检测季节冻土区水平受荷粧承载力进行修正。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0013] (1)在黄土地基中，单粧水平承载力H受冻土层厚度和粧径影响显著，随冻土层厚 度的增大而增大，但增加的幅度减小；随粧径D的增大而近似线性地增加，且冻土层厚度越 大，随粧径D增大的幅度越大。
[0014] (2)基于变形控制提出不同冻土层厚度、不同粧径的水平受荷粧承载力特征值修 正系数。进一步基于计算结果对修正系数进行拟合，得到了季节冻土区黄土地基水平受荷 粧承载力特征值修正系数表达式，可为冬季水平受荷粧的检测提供依据。
【附图说明】
[0015] 图1是不同粧径的水平受荷粧承载力特征值的计算结果，其中，
[0016] 图1 (a)是水平受荷粧承载力随粧径的变化；
[0017] 图1 (b)是水平受荷粧承载力随冻土层厚度的变化；
[0018] 图 2 是两层土地基的m值，其中，1 :11^= 3. 5m22 :11^= 5m23 叫二 10m2;
[0019] 图3是修正系数k。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0021] 1数值计算模型的建立
[0022] 单粧水平承载力问题属于空间问题，取粧身为弹性体，土为理想弹塑性体，采用摩 尔-库仑强度准则。模型为三维实体模型，为保证精度，粧侧土体直径取为粧径的20倍，粧 底土体厚度为粧径的10倍，粧长25m，粧身混凝土强度等级取C30,配筋率取0. 72%。粧身 几何参数根据所研宄问题分别选取，粧土界面采用硬接触，摩擦系数U=0.25。粧体、土体 采用C3D8R实体单元，钢筋（包括纵筋和箍筋）采用T3D2杆单元，然后将钢筋嵌入到粧体 中。模型底部完全固约束，目约束外侧径向的位移；计算区网格划分采用疏密控制技术，靠 近粧土界面处网格最密，距界面越远网格越稀疏。
[0023] 2季节冻土区粧径对水平受荷粧承载力的影响
[0024] 冻土的抗剪强度与温度、含水量、围压和时间有关，温度越低，含水量越大，冻土的 抗剪强度越大，围压越大，冻土抗剪强度也越大。冻土的抗剪强度随时间不断减小，最终趋 于长期的抗剪强度。在荷载的长期作用下，粘聚力急剧降低，内摩擦角也随时间的延长而降 低。冻土的弹性模量同抗剪强度一样，也是主要跟土性、温度、含水量和外压力有关，温度越 低，含水量越大，弹性模量越大，砂土的弹性模量大于粘土的弹性模量，外压力越大，弹性模 量越小。在黄土高原地区，土体含水量较低，因此该地区实际的冻土层力学参数要比饱和黄 土冻土的参数低很多。
[0025] 选取黄土、冻土层、粧、钢筋变形和强度参数如表1所示。粧身混凝土强度等级取 C30，配筋率取0. 72 %。粧身几何参数根据所研宄问题分别选取，加载位置位于粧顶。取典型 黄土进行计算分析，取粧顶位移为l〇mm对应的荷载值为单粧水平承载力特征值，并依据结 果对季节冻土区水平受荷粧承载力进行修正，可为冬季检测水平受荷粧承载力提供参考。
[0026] 表1不同材料参数汇总表
[0027] Table4Parameterindexofdifferentmeterial
【主权项】
1. 一种季节冻土区单粧水平承载性状数值分析方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1:数值计算模型的建立 取粧身为弹性体，上为理想弹塑性体，采用摩尔-库仑强度准则，模型为三维实体模 型，为保证精度，粧侧土体直径取为粧径的20倍，粧底土体厚度为粧径的10倍，粧长25m，粧 身混凝土强度等级取C30,配筋率取0. 72 %，粧身几何参数根据所研宄问题分别选取，粧土 界面采用硬接触，摩擦系数U =0.25,粧体、土体采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2杆单 元，然后将钢筋嵌入到粧体中，模型底部完全固约束，且约束外侧径向的位移；计算区网格 划分采用疏密控制技术，靠近粧上界面处网格最密，距界面越远网格越稀疏； 步骤2 :季节冻土区粧径对水平受荷粧承载力的影响 冻土的抗剪强度与温度、含水量、围压和时间有关，温度越低，含水量越大，冻土的抗剪 强度越大，围压越大，冻土抗剪强度也越大，冻土的抗剪强度随时间不断减小，最终趋于长 期的抗剪强度，在荷载的长期作用下，粘聚力急剧降低，内摩擦角也随时间的延长而降低， 冻土的弹性模量同抗剪强度一样，也是主要跟土性、温度、含水量和外压力有关，温度越低， 含水量越大，弹性模量越大，砂土的弹性模量大于粘土的弹性模量，外压力越大，弹性模量 越小，在黄土高原地区，土体含水量较低，该地区实际的冻土层力学参数要比饱和黄土冻土 的参数低很多；根据建立的计算模型选择合理的参数计算不同粧径的水平承载力特征值， 得到粧径对水平受荷粧承载力的影响规律； 步骤3 :季节冻土区水平受荷粧承载力的修正 季节冻土区冬季冻土层对水平受荷粧影响较大，在冬季检测季节冻土区水平受荷粧会 产生较大误差，并不能反映应用于工程的真实承载力，取修下系数k为无冻土层和有冻土 层影响的水平承载力的比值，依据步骤2的计算结果，拟合得到修正系数k的表达式，用k 对冬季检测季节冻上区水平受荷粧承载力进行修正。
【专利摘要】本发明公开了一种季节冻土区单桩水平承载性状数值分析方法，通过有限元数值模拟研究了季节冻土区冻土层对黄土地基水平受荷桩承载力的影响规律。研究得出：单桩水平承载力受冻土层厚度和桩径影响显著，随冻土层厚度的增大而增大，但增加的幅度减小；随桩径的增大而近似线性地增加，且冻土层厚度越大，随桩径增大的幅度越大。提出了基于变形控制的不同冻土层厚度、不同桩径水平受荷桩承载力特征值修正系数。进一步基于计算结果对修正系数进行拟合，得到了季节冻土区黄土地基水平受荷桩承载力特征值修正系数表达式，可供冬季检测单桩水平承载力参考。
【IPC分类】E02D5-22, G06F19-00
【公开号】CN104850730
【申请号】CN201510111179
【发明人】张辉, 郅彬, 叶万军, 刘平, 陈兴周, 张岩
【申请人】西安科技大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年3月7日