一种单桩基础水平承载特性的计算方法

本发明属于土木工程，具体地，涉及一种单桩基础水平承载特性的计算方法。

背景技术：

1、单桩基础具有承载能力高、结构简单等优点，目前被广泛应用于风力发电、石油平台、公路桥梁等工程中。在实际工程应用当中，单桩基础往往承受竖向荷载、水平荷载和弯矩组合荷载作用。在不同的应用场景下，根据土体类型的不同、桩顶约束条件的不同、桩土相对刚度的不同，单桩基础表现出不同的水平承载特性。

2、由于单桩基础应用场景的广泛性，目前针对土体类型的不同、桩顶约束条件的不同、桩土相对刚度的不同，常常提出不同的求解单桩基础水平承载特性的计算方法，导致不同工程应用中求解单桩基础水平承载特性的计算方法无法相互验证和借鉴，耗费大量的人力和物力。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种单桩基础水平承载特性的计算方法，该计算方法是一种同时考虑土体类型、桩顶约束条件、桩土相对刚度以及竖向荷载和弯矩影响的求解单桩基础水平承载特性的通用计算方法，具有极强的科学意义和工程价值。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种单桩基础水平承载特性的计算方法，具体包括如下步骤：

3、步骤1、根据实际工程情况，获取单桩的基本参数、土体的基本参数和加载参数；

4、步骤2、根据单桩埋深、加载高度和单桩所在的土层厚度，将单桩基础沿长度方向均等划分，并按照由单桩基础底到单桩基础顶的顺序进行单桩基础节点编号；

5、步骤3、计算单桩基础承受竖向荷载作用时单桩基础承载特性；

6、步骤4、计算单桩基础承受水平荷载和弯矩组合作用时单桩基础承载特性；

7、步骤5、结合单桩基础承受竖向荷载作用时单桩基础承载特性和单桩基础承受水平荷载和弯矩组合作用时单桩基础承载特性，计算单桩基础承受竖向荷载、水平荷载和弯矩组合作用时单桩基础水平承载特性。

8、进一步地，步骤1中单桩的基本参数包括：单桩埋深l、单桩外径d、单桩内径d、单桩横断面周长u、单桩横断面积ap、单桩转动惯量ip、单桩弹性模量ep、单桩剪切模量gp、单桩泊松比υp和单桩在单桩底部的有效自重应力σpb；

9、所述土体的基本参数包括：土体黏聚系数a、土体有效自重应力σ3、土体有效内摩擦角土体有效粘聚力c′、土体泊松比υ、土体初始切线模量es、土体初始剪切模量gs和单桩内部土体在单桩底部的有效自重应力σ3b；

10、所述加载参数包括：桩顶施加的水平荷载pt、桩顶施加的弯矩mt、完全或部分固定桩顶时桩顶转角δt、桩顶施加的竖向荷载nt和加载高度e。

11、进一步地，步骤3包括如下子步骤：

12、步骤301、根据单桩外径d、单桩底部土体泊松比υb和单桩底部土体初始切线模量esb计算单桩底部土体竖向反力系数

13、步骤302、设置桩顶施加的水平荷载pt＝0、桩顶施加的弯矩mt＝0、完全或部分固定桩顶时桩顶转角δt＝0，根据桩顶施加的竖向荷载nt，结合单桩底部土体竖向反力系数knb，获取所述单桩底部土体沉降极大值sbmax＝nt/knb，设定单桩底部土体沉降极小值sbmin＝0；

14、步骤303、计算单桩底部土体沉降值sb0＝0.5×(sbmax+sbmin)，并计算单桩底部轴向荷载nb＝knbsb0；

15、步骤304、根据单桩底部土体沉降值和单桩底部轴向荷载，计算得到由单桩基础受到竖向荷载产生的桩周土体竖向剪切应变γn、由单桩基础受到竖向荷载产生的桩周土体竖向剪切应力τn、单桩竖向位移s和单桩截面轴向荷载n；

16、步骤305、判断单桩顶部承受的轴向荷载是否大于单桩顶部施加的竖向荷载，若是，将单桩底部土体沉降极大值sbmax更新为单桩底部土体沉降值sb0；否则，将单桩底部土体沉降极小值sbmin更新为单桩底部土体沉降值sb0；

17、步骤306、重复步骤303-305，直至单桩底部土体沉降极大值与极小值之间的误差小于设定精度，将更新的单桩底部土体沉降值sb0作为最优值，并记录最优值下的由单桩基础受到竖向荷载产生的桩周土体竖向剪切应变γn、由单桩基础受到竖向荷载产生的桩周土体竖向剪切应力τn、单桩竖向位移s和单桩截面轴向荷载n。

18、进一步地，步骤304的计算过程为：

19、

20、其中，(τn)ult表示由单桩基础受到竖向荷载产生的桩周土体极限竖向剪切应力，

21、进一步地，步骤4包括如下子步骤：

22、步骤401、桩顶施加的竖向荷载nt＝0，并设定沿单桩长度z分布的桩身水平位移y0；

23、步骤402、根据沿单桩长度z分布的桩身水平位移y0计算由单桩基础受到水平荷载和弯矩产生的桩周土体竖向剪切应变根据单位长度土体反力p和桩身水平位移y0计算土体水平地基反力模量

24、步骤403、根据由单桩基础受到水平荷载和弯矩产生的被动土压力侧桩周土体最大竖向剪切应力τv1max以及由单桩基础受到水平荷载和弯矩产生的主动土压力侧桩周土体最大竖向剪切应力τv2max计算出在水平荷载和弯矩作用下由单桩与土体界面竖向剪切应力引起的桩侧抵抗弯矩mf、根据由单桩有效自重应力σpb产生的单桩底部土体水平剪切应力τb1和由单桩内部土体有效自重应力σ3b产生的单桩底部土体水平剪切应力τb2计算出在水平荷载和弯矩作用下单桩底部受到的水平荷载pb、根据单桩底部土体抗弯系数kmb和桩身底部转角δb计算在水平荷载和弯矩作用下单桩底部受到的弯矩mb；

25、步骤404、结合土体水平地基反力模量k和在水平荷载和弯矩作用下由单桩与土体界面竖向剪切应力引起的桩侧抵抗弯矩mf，构建单桩基础挠曲微分方程

26、步骤405、根据在水平荷载和弯矩作用下单桩底部受到的水平荷载pb、在水平荷载和弯矩作用下单桩底部受到的弯矩mb，结合桩顶施加的水平荷载pt、桩顶施加的弯矩mt，确定单桩基础约束条件，计算求解桩身水平位移y；

27、步骤406、若计算的桩身水平位移与设定的桩身水平位移误差小于设定精度，将计算的桩身水平位移作为最终值；否则，将计算的桩身水平位移更新为设定的桩身水平位移，重复步骤402-405；

28、步骤407、记录最优值下桩身水平位移y以及单桩基础受到水平荷载和弯矩产生的桩周土体竖向剪切应变γ和土体水平地基反力模量k。

29、进一步地，步骤403中在水平荷载和弯矩作用下由单桩与土体界面竖向剪切应力引起的桩侧抵抗弯矩mf的计算过程为：

30、

31、所述在水平荷载和弯矩作用下单桩底部受到的水平荷载pb的计算过程为：

32、

33、所述在水平荷载和弯矩作用下单桩底部受到的弯矩mb的计算过程为：

34、mb＝kmbδb。

35、进一步地，步骤404中当为自由桩顶单桩基础时，在水平荷载和弯矩作用下单桩基础约束条件如下：

36、

37、当为完全固定桩顶单桩基础时，在水平荷载和弯矩作用下单桩基础约束条件如下：

38、

39、当为部分固定桩顶单桩基础时，在水平荷载和弯矩作用下单桩基础约束条件如下：

40、

41、进一步地，步骤5包括如下子步骤：

42、步骤501、根据由单桩基础受到水平荷载、竖向荷载和弯矩产生的被动土压力侧桩周土体最大竖向剪切应力τ′v1max以及由单桩基础受到水平荷载、竖向荷载和弯矩产生的主动土压力侧桩周土体最大竖向剪切应力τ′v2max计算在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下由单桩与土体界面竖向剪切应力引起的桩侧抵抗弯矩m′f：

43、步骤502、根据由单桩有效自重应力σpb产生的单桩底部土体水平剪切应力τb1、由单桩内部土体有效自重应力σ3b产生的单桩底部土体水平剪切应力τb2以及由单桩基础受到竖向荷载产生的单桩底部水平剪切应力τbn计算出在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩底部受到的水平荷载p′b：

44、

45、步骤503、在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩底部受到的弯矩m′b＝mb；

46、步骤504、根据由单桩基础受到水平荷载、竖向荷载和弯矩产生的被动土压力侧桩周土体最大竖向剪切应力τ′v1max、由单桩基础受到水平荷载、竖向荷载和弯矩产生的主动土压力侧桩周土体最大竖向剪切应力τ′v2max以及由单桩基础受到竖向荷载产生的桩周土体竖向剪切应力τn，计算出单桩与土体界面单位长度竖向摩擦力f＝(τ′v1max+τ′v2max-2τn)d+τnπd；

47、步骤505、结合土体水平地基反力模量k、单桩截面轴向荷载n以及在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下由单桩与土体界面竖向剪切应力引起的桩侧抵抗弯矩m′f、在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩与土体界面单位长度竖向摩擦力f，构建单桩基础挠曲微分方程

48、步骤506、根据在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩底部受到的弯矩m′b、在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩底部受到的水平荷载p′b，结合已知的单桩顶部施加的水平荷载pt和弯矩mt，确定在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩基础约束条件，计算更新桩身水平位移y；

49、步骤507、根据桩身水平位移y，计算更新桩身弯矩m、桩身剪力v、桩身转角δ、土体反力p，根据桩身水平位移y、桩身弯矩m、桩身剪力v、桩身转角δ、土体反力p分析单桩基础水平承载特性：

50、

51、进一步地，步骤505当为自由桩顶单桩基础时，在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩基础约束条件为：

52、

53、当为完全固定桩顶单桩基础时，在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩基础约束条件为：

54、

55、当为部分固定桩顶单桩基础时，在水平荷载、竖向荷载和弯矩作用下单桩基础约束条件为：

56、

57、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明单桩基础水平承载特性的计算方法，是一种同时考虑土体类型、桩顶约束条件、桩土相对刚度以及竖向荷载和弯矩影响的求解单桩基础水平承载特性的通用计算方法。与现有规范计算方法相比，本发明计算方法能在不同的实际工况场景中进行应用，通用性更强，应用前景更广阔。本发明计算方法基于单桩基础水平承载响应真实变形情况，通过理论分析，优化土体应力-应变关系、位移-应变关系以及荷载-应力关系，结合获取的土体基本参数，可以用于任意类型成层土体中的单桩基础水平承载计算；从理论上将一维地基梁参数与三维土体变形建立联系，在地基梁挠曲理论微分方程中考虑桩身剪切变形，结合桩顶和桩底约束条件，可以用于不同桩顶约束条件、不同桩土相对刚度以及考虑桩顶弯矩影响的单桩基础水平承载计算；在地基梁挠曲理论微分方程中考虑桩顶竖向荷载产生的单桩截面轴力和桩土界面竖向摩擦力，同时考虑桩顶竖向荷载对桩侧抵抗弯矩和桩底约束条件的影响，可以用于考虑竖向荷载影响的单桩基础水平承载计算。与现有abaqus等三维有限元或有限差分软件方法相比，本发明计算方法建模简便，参数简明，计算的收敛性更好，具有更好的便利性和更高的计算的效率。