CN104850730B - 一种季节冻土区单桩水平承载性状数值分析方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种季节冻土区单桩水平承载性状数值分析方法。

背景技术

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，水平受荷桩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，较大的改变了桩水平承载力，而春季冻土层融化后桩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桩承载力特征值偏大很多，产生了较大误差，不利于工程建设。由于桩身参数和桩侧土力学性质均影响水平受荷桩承载力，因此国内外不少学者通过理论计算、数值分析、试验等于段研究了桩水平承载力特性，揭示了水平受荷桩承载机理，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桩承载力影响的研究文献尚少，影响黄上地区冬季水平受荷桩检测时承载力的判断。

发明内容

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桩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桩，通过数值分析，开展冻土层对桩水平承载力影响规律研究，提出黄土地区不同冻土层厚度、不同桩径的修正系数，为冬季水平受荷桩的检测提供依据，具有一定的工程意义。

其具体技术方案为：

一种季节冻土区单桩水平承载性状数值分析方法，包括如下步骤：

步骤1：数值计算模型的建立

取桩身为弹性体，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，桩侧土体直径取为桩径的20倍，桩底土体厚度为桩径的10倍，桩长25m，桩身混凝土强度等级取C30，配筋率取0.72％，桩身几何参数根据所研究问题分别选取，桩土界面采用硬接触，摩擦系数μ＝0.25，桩体、土体采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2杆单元，然后将钢筋嵌入到桩体中，模型底部完全固定端约束，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，靠近桩土界面处网格最密，距界面越远网格越稀疏；

步骤2：季节冻土区桩径对水平受荷桩承载力的影响

冻土的抗剪强度与温度、含水量、围压和时间有关，温度越低，冻土的抗剪强度越大；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，弹性模量越大；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；根据建立的计算模型选择合理的参数计算不同桩径的水平承载力特征值，得到季节冻土区桩径对水平受荷桩承载力的影响规律；

步骤3：季节冻土区水平受荷桩承载力的修正

季节冻土区冬季冻土层对水平受荷桩产生影响，在冬季检测季节冻土区水平受荷桩会产生误差，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桩承载力进行修正。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)在黄土地基中，单桩水平承载力H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D的增大而近似线性地增加，且冻土层厚度越大，随桩径D增大的幅度越大。

(2)基于变形控制提出不同冻土层厚度、不同桩径的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，可为冬季水平受荷桩的检测提供依据。

附图说明

图1是不同桩径的水平受荷桩承载力特征值的计算结果，其中，

图1(a)是水平受荷桩承载力随桩径的变化；

图1(b)是水平受荷桩承载力随冻土层厚度的变化；

图2是两层土地基的m值，其中，1∶m₁＝3.5m₂2∶m₁＝5m₂

图3是修正系数k。

具体实施方式

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。

1数值计算模型的建立

单桩水平承载力问题属于空间问题，取桩身为弹性体，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，桩侧土体直径取为桩径的20倍，桩底土体厚度为桩径的10倍，桩长25m，桩身混凝土强度等级取C30，配筋率取0.72％。桩身几何参数根据所研究问题分别选取，桩土界面采用硬接触，摩擦系数μ＝0.25。桩体、土体采用C3D8R实体单元，钢筋(包括纵筋和箍筋)采用T3D2杆单元，然后将钢筋嵌入到桩体中。模型底部完全固定端约束，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，靠近桩土界面处网格最密，距界面越远网格越稀疏。

2季节冻土区桩径对水平受荷桩承载力的影响

冻土的抗剪强度与温度、含水量、围压和时间有关，温度越低或含水量越大，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，弹性模量越大，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。

选取黄土、冻土层、桩、钢筋变形和强度参数如表1所示。桩身混凝土强度等级取C30，配筋率取0.72％。桩身几何参数根据所研究问题分别选取，加载位置位于桩顶。取典型黄土进行计算分析，取桩顶位移为10mm对应的荷载值为单桩水平承载力特征值，并依据结果对季节冻土区水平受荷桩承载力进行修正，可为冬季检测水平受荷桩承载力提供参考。

表1不同材料参数汇总表

Table4Parameter index of different meterial

根据上述模型及参数，取桩顶位移为10mm对应的荷载值为单桩水平承载力特征值，计算不同桩径的水平受荷桩承载力特征值，计算结果如图1所示。

从图1可看出，在黄土地基中，单桩水平承载力H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，且增加的幅度减小；随桩径D的增大而近似线性地增加，且冻土层厚度越大，随桩径D增大的幅度越大。

分析其原因可从单桩水平承载力特征值计算公式可知。根据《建筑桩基技术规范》，当桩的水平承载力由水平位移控制时可按式(1)确定桩身配筋率不小于0.65％的灌注桩单桩水平承载力特征值：

式中EI为桩身抗弯刚度；为桩顶允许水平位移；为桩顶水平位移系数；α

为桩的水平变形系数，可按式(2)计算。

式中m为桩侧土水平抗力系数的比例系数；为桩身计算宽度。当基桩侧面为两

层土时，m值用当量m值，按式(3)计算

式中h_m＝2(d+1)为主要影响深度h₂为主要影响深度内两层土的厚度。m₁，m₂为两侧土的桩侧土水平抗力系数的比例系数。

从式(1)(2)(3)可知，m值对桩水平承载力影响很大，而m值的大小又取决于m₁，m₂，h₁，h₂。例如取m₁＝20MN/m⁴，m₂分别取3倍，5倍，10倍的m₁时，不同厚度下的m值如图2所示。

从图2可以看出m值随着第一层土的厚度增加而增加，尤其当m1比m2大较多时，第一层土对m值的影响更大。冻土层的m值要远大于黄土地基，因此在含有冻土层的黄土地基上桩的水平承载力提高很多。

3季节冻土区水平受荷桩承载力的修正

从上述分析可看出季节冻土区冬季冻土层对水平受荷桩影响较大，在冬季检测季节冻土区水平受荷桩会产生较大误差，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，即可用k对冬季检测季节冻土区水平受荷桩承载力进行修正，修正系数k值的大小如图3和表2所示。

表2黄土地基修正系数k

为了使修正系数使用更方便，对修正系数与桩径和冻土层厚度进行拟合，首先对不同冻土层厚度的修正系数和桩径进行拟合，从图3可看出，修正系数k与桩径采用如下关系可具有较高的相关系数

k＝aD+b (4)

式中：k是修正系数；D为桩径(m)；a，b均为参数。拟合结果见表3，表中r²为根据拟合参数计算结果与实测结果的相关系数。拟合结果表明，式(4)拟合修正系数与桩径的关系曲线结果是较好的。

表3黄土地基拟合参数结果

Table 3Fitting results of parameters

从表3可看出参数a，b均随冻土厚度而变化，进一步拟合参数a，b与冻土层厚度的关系，分析发现a～h，b～h的关系均符合抛物线关系，拟合公式如式(5)(6)所示，拟合结果如表4所示。

a＝ch²+dh+e (5)

b＝fh²+gh+I (6)

式中：c，d，e，f，g，i为拟合参数，h为冻土层厚度(m)

表4拟合参数

将拟合结果式(5)、(6)带入式(4)可得季节冻土区黄土地基水平受荷桩承载力修正系数表达式如下：

k＝(0.03h²-0.18h+0.26)D+0.05h²-0.19h+0.48 (7)

采用式(7)对含有不同厚度冻土的黄土地基承载力特征值修正系数进行计算，将计算结果与表2进行对比分析，得到二者相关系数如表5所示。从表5可以看出，采用式(7)拟合测试结果是比较合适的。

表5相关系数

Table 5 Correlation coefficients

4.工程应用

针对黄土地区冬季检测桩水平承载力产生的误差进行修正。首先，按照《建筑基桩检测技术规范》中单桩水平静载试验得到桩的水平承载力特征值；其次测量试验场地的冻土层厚度与桩径，将该值带入公式(7)得到对应的修正系数k；最后将单桩水平静载试验得到承载力特征值乘以对应的修正系数即为试验场地实际设计使用的单桩水平承载力特征值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种季节冻土区单桩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

取桩身为弹性体，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，桩侧土体直径取为桩径的20倍，桩底土体厚度为桩径的10倍，桩长25m，桩身混凝土强度等级取C30，配筋率取0.72％，桩身几何参数根据所研究问题分别选取，桩土界面采用硬接触，摩擦系数μ＝0.25，桩体、土体采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2杆单元，然后将钢筋嵌入到桩体中，模型底部完全固定端约束，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，靠近桩上界面处网格最密，距界面越远网格越稀疏；

步骤2：季节冻土区桩径对水平受荷桩承载力的影响

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；根据建立的计算模型选择合理的参数计算不同桩径的水平承载力特征值，得到桩径对水平受荷桩承载力的影响规律；

步骤3：季节冻土区水平受荷桩承载力的修正

季节冻土区冬季冻土层对水平受荷桩产生影响，在冬季检测季节冻土区水平受荷桩会产生误差，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对冬季检测季节冻上区水平受荷桩承载力进行修正。