一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法

本发明属于岩土工程，特别涉及一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法。

背景技术：

1、桩基水平承载特性研究是一个非线性、复杂的桩-土相互作用问题，桩基水平承载性能分析的关键是确定桩-土反力模量，桩周土体水平抗力的大小控制着桩的水平承载能力，其大小和分布与土质条件密不可分。目前对于深厚软土地层水平受荷桩的计算方法尚不明确，而桩基规范、公路桥涵地基与基础设计规范等引入的k法、m法均假定地基为弹性体，本质上都属于线弹性地基反力法，无法反映深厚软土地层桩土相互作用问题。

2、复合地基反力法又称p-y曲线法，综合考虑了桩土相互作用的非线性、复杂性，是目前应用最为广泛的单桩水平荷载计算方法，但是p-y曲线法获取桩周土体抗力比较困难，很难构造出反映真实软土地层的p-y曲线，而既有的现场试验方法所获得的p-y曲线具有地域特征的局限性，无法提供准确依据。目前，少有学者通过总结软土地层参数分布规律构建p-y曲线，且对于深厚软土层中超长桩基的理论分析方法研究较少，故研究深厚软土层中超长桩基水平承载特性对滨海等地区桩基计算具有重要参考意义。

技术实现思路

1、为了解决目前缺少深厚软土层中超长桩基的水平承载特性的相关研究，导致滨海等地区桩基相关计算存在空缺的技术问题。本发明提供一种能够准确获取深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移相关数据的深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法。

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

3、一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1，通过对待计算内力及位移的水平受荷桩所在的深厚软土地层的实验，获取深厚软土地层的基本参数；

5、步骤2，根据基本参数，建立深厚软土地层的软土变形指标与强度指标沿埋深分布的经验公式，从而确定地层参数沿埋深的分布规律；

6、步骤3，根据经验公式，建立反映水平受荷桩和深厚软土地层在不同桩径和不同埋深情况下的相互作用的数值模型，计算不同条件下地层反力与桩位移的关系；

7、步骤4，根据已有经验模型，通过步骤3的数字模型来进行数值模拟，从而建立反映桩型、实测深厚软土力学参数和埋深的统一地层反力—位移曲线即p-y曲线的经验公式；

8、步骤5，根据弹性地基梁原理建立深厚软土中水平受荷桩挠曲微分方程，基于有限差分法将水平受荷桩离散化为若干桩单元，再利用p-y曲线计算桩体承受的地基反力，反复迭代求解软土中水平受荷桩挠曲微分方程，从而求解得到桩体内力及位移。

9、所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，所述的步骤1中，基本参数是根据深层原位静力触探实验即cpt和室内土工实验获取的，其中基本参数包括软土的变形模量、不排水抗剪强度和摩擦角。

10、所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，所述的步骤3中，数值模型的底面与顶面采用应力边界来模拟不同深度处的深厚软土地层情况，其中竖向应力σz是根据σz=γh计算，γ为土体重度，h为桩的埋深，侧立面均采用简支约束；并将作用在桩基上的静力荷载作为桩侧土抗力p，其中静力荷载施加在过桩中轴线的对称面上，并在计算过程中记录桩基中心点处的水平向位移值，根据p值与桩基水平位移，来得到不同桩径和不同地层深度下的地层反力与桩位移的关系。

11、所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，所述的步骤4中，已有经验模型采用的是matlock软土p-y曲线经典公式：

12、

13、其中p为桩侧土抗力；a、m为曲线形态修正系数，基于matlock软土经典p-y曲线公式和数值模拟结果采取最优化拟合确定；pult为桩侧极限土抗力，由步骤3中的桩侧土抗力p计算过程中得到，r为控制地基反力模量的参数，随埋深变化而变化，y为桩的侧向位移。

14、所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，所述的步骤5中，根据弹性地基梁原理建立的深厚软土中水平受荷桩挠曲微分方程为：

15、

16、其中d为微分符号，e为桩体的弹性模量；i为桩体的横截面惯性矩；y为桩的侧向位移；h为桩的埋深；es为p-y曲线的割线模量。

17、所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，所述的步骤5中，基于有限差分法将水平受荷桩离散化为若干桩单元，再利用p-y曲线计算桩体承受的地基反力，反复迭代求解软土中水平受荷桩挠曲微分方程，从而求解得到桩体内力及位移包括：

18、1）将水平受荷桩沿全长均分为n等分，每段长为l；其中按桩顶至桩端，每一段的编号分别为0，1，……，n-1，n，并在桩顶及桩底各增加2个虚拟节点分别为-2，-1，以及n+1，n+2；

19、2）根据中心差分公式将水平受荷桩挠曲微分方程改为差分形式：

20、

21、其中i表示水平受荷桩的第i段，esi表示水平受荷桩第i段的p-y曲线割线模量；

22、3）根据桩顶的弯矩和剪力条件以及超长桩基的桩底弯矩和剪力为0，得到4个补充方程：

23、

24、其中q0、m0为桩顶的弯矩和剪力，qn、mn为桩底的弯矩和剪力；

25、4）联立以上各式得到线性方程组，并求解如下：先假定一组esi的值，根据方程组求得桩的水平位移yi；由p-y曲线求得yi值所对应的p值，再由公式求得一组新的esi值；通过反复迭代求解yi与esi，直至前后两次迭代求得的y值在允许的误差范围之内为止；在y值确定后，再通过下式计算桩体内力，包括弯矩mi、剪力qi和截面转角θi：

26、。

27、本发明的技术效果在于，本发明利用现场试验、原位实验、室内土工实验和数值模拟等方法，直接基于地层土体参数构建软土层p-y曲线，分析桩基础的受力、变形特征，克服了复合地基反力法（p-y曲线法）桩周土体抗力获取难的问题。

技术特征：

1.一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，其特征在于，所述的步骤1中，基本参数是根据深层原位静力触探实验即cpt和室内土工实验获取的，其中基本参数包括软土的变形模量、不排水抗剪强度和摩擦角。

3.根据权利要求1所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，其特征在于，所述的步骤3中，数值模型的底面与顶面采用应力边界来模拟不同深度处的深厚软土地层情况，其中竖向应力σz是根据σz=γh计算，γ为土体重度，h为桩的埋深，侧立面均采用简支约束；并将作用在桩基上的静力荷载作为桩侧土抗力p，其中静力荷载施加在过桩中轴线的对称面上，并在计算过程中记录桩基中心点处的水平向位移值，根据p值与桩基水平位移，来得到不同桩径和不同地层深度下的地层反力与桩位移的关系。

4.根据权利要求3所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，其特征在于，所述的步骤4中，已有经验模型采用的是matlock软土p-y曲线经典公式：

5.根据权利要求1所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，其特征在于，所述的步骤5中，根据弹性地基梁原理建立的深厚软土中水平受荷桩挠曲微分方程为：

6.根据权利要求5所述的一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，其特征在于，所述的步骤5中，基于有限差分法将水平受荷桩离散化为若干桩单元，再利用p-y曲线计算桩体承受的地基反力，反复迭代求解软土中水平受荷桩挠曲微分方程，从而求解得到桩体内力及位移包括：

技术总结
本发明公开了一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法，包括以下几个步骤：获得深厚软土地层基本参数；确定地层参数沿埋深的分布规律；建立反应地层特性的数值模型，计算不同条件下地层反力与桩位移的关系；建立统一地层反力—位移曲线（p‑y曲线）经验公式；依据p‑y曲线通过有限差分法迭代求解桩的挠曲微分方程；经验公式的合理性验证。本发明针对深厚软土层地区受水平荷载的桩基础，利用现场试验、原位实验、室内土工实验和数值模拟等方法，直接基于地层土体参数构建软土层p‑y曲线，分析桩基础的受力、变形特征，克服了复合地基反力法（p‑y曲线法）桩周土体抗力获取难的问题。

技术研发人员：谭鑫,孟园英,杨刚,吕彦松,周嘉威,尹心,刘晓明,刘齐建
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8