CN105926687A - 采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁工程技术领域，特别涉及一种采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，包括如下步骤：(A)将桩基分为多段，建立桩土计算模型；(B)根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行加载得到加载载荷P和沉降量S；(C)任取p值并计算该p值对应的加载载荷P_p和沉降量S_p；(D)通过比较P_p/S_p和P/S的值，不断的对p的取值进行调整；(E)根据最终的p值确定q值，从而确定各桩段荷载传递参数；(F)绘制桩土P‑S曲线；(H)确定桩基极限承载力。由于桩基在不同土层中受力差异较大，这里先将桩基分为多段，保证模型建立的准确性，再不断的循环试算来求得合适的p值，这样求得的P‑S曲线与实际的P‑S曲线非常的接近，最后测得的桩基极限承载力精度非常高。

Description

采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，特别涉及一种采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法。

背景技术

服役桥梁桩基由于上部结构制约荷载试验加载等级及试验荷载作用下桩基竖向位移较小，无法用常规方法确定桩基极限承载力。按照《建筑基桩检测技术规范》要求，采用静力加载法确定桩基承载能力时，终止加载的条件为：(1)某级荷载作用下的，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下的沉降量的5倍，且桩顶总沉降量超过40mm；(2)某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到规范要求的稳定标准；(3)已经达到设计要求的最大加载值且桩顶沉降达到相对稳定标准；(4)工程桩做锚桩时，锚桩上拔量已经达到允许值；(5)荷载—沉降曲线程缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60mm～80mm；当桩端阻力尚未充分发挥时，可加载至桩顶累计沉降量超过80mm。从上述规定中可以看出采用静力加载法确定桩基承载能力加载位移要达到40mm以上。而服役桥梁在达到桥面最大容许加载能力时，桩基沉降一般都在10mm以内，远远小于规范要求的位移量，因而无法确定桩基极限承载力。静力加载法是最可靠的加载方法，如何根据小位移加载来准确推算桩基极限承载力成为本领域技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，能够根据小位移加载精确的推算出桩基极限承载力。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，包括如下步骤：(A)将桩基分为多段，建立桩土计算模型；(B)根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行加载，记录加载载荷P和沉降量S；(C)桩土初始刚度沿深度变化率p取0～25任意数值，将p代入桩土计算模型中并假设各桩段初始刚度与埋深呈线性关系、各桩段的侧摩阻力与桩段顶部沉降量呈线性关系计算该p值对应的加载载荷P_p和沉降量S_p；(D)通过比较P_p/S_p＞P/S的值，不断的对p的取值进行调整，直到P_p/S_p和P/S的差值小于设定阈值；(E)将最终的p值确定q值，并依据各桩段桩土初始刚度及极限侧摩阻力与埋深的关系，确定各桩段荷载传递参数；(F)根据各桩段载荷传递参数、桩土计算模型绘制桩土P-S曲线；(H)根据桩土P-S曲线确定桩基极限承载力。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：由于桩基在不同土层中受力差异较大，这里先将桩基分为多段，保证模型建立的准确性，再根据小位移加载情况下各桩段初始刚度与埋深基本呈线性关系、各桩段的侧摩阻力与桩段顶部沉降量基本呈线性关系进行不断的循环试算来求得合适的p值，这样求得的P-S曲线与实际的P-S曲线非常的接近，最后测得的桩基极限承载力精度在工程中可接受的范围内。

附图说明

图1为桩基加载示意图；

图2为各桩段模型；

图3为某个桩基的P-S曲线。

具体实施方式

下面结合图1至图3，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1、图2，一种采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，包括如下步骤：(A)将桩基分为多段，建立桩土计算模型；钻孔灌注桩的桩身一般较长，桩身穿过多层土层，各土层与桩基的桩土初始剪切刚度、桩侧极限侧摩阻力均不相同，这里对桩基进行分段后，将各桩段作为一个整体，其受到的桩侧极限侧摩阻力可以看成是相同的，保证计算的准确性。(B)根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行加载，记录加载载荷P和沉降量S；(C)桩土初始刚度沿深度变化率p取0～25任意数值，将p代入桩土计算模型中并假设各桩段初始刚度与埋深呈线性关系、各桩段的侧摩阻力与桩段顶部沉降量呈线性关系计算该p值对应的加载载荷P_p和沉降量S_p；(D)通过比较P_p/S_p和P/S的值，不断的对p的取值进行调整，直到P_p/S_p和P/S的差值小于设定阈值；(E)将最终的p值确定q值，并依据各桩段桩土初始刚度及极限侧摩阻力与埋深的关系，确定各桩段荷载传递参数；(F)根据各桩段载荷传递参数、桩土计算模型绘制桩土P-S曲线；(H)根据桩土P-S曲线确定桩基极限承载力。

由于步骤B中，加载载荷P与桩基的极限承载载荷相比小很多，通过分析可以得知，在加载载荷P比较小的时候，各桩段初始刚度与埋深近似呈线性关系，各桩段的侧摩阻力与桩段顶部沉降量也是近似呈线性关系，因此，步骤C中，假设这两种关系均为线性的进行处理。由于p值一开始是从0～25的范围内任意取的，其取值不一定满足该桩基的实际p值，通过假设的线性关系以及任意取得p值进行计算得到一个加载载荷P_p和沉降量S_p，通过比较P_p/S_p和P/S的值可以验证任意取得p值是否准确。这样，进行多次验证后，可以得到一个较为准确的p值。步骤D中，判定的P_p/S_p和P/S的差值小于设定阈值，这个设定阈值给的越小，计算出来的p值越准确。最后，根据最终的p值，将桩土计算模型中未知的各桩段荷载传递参数解出，这样就能根据桩土计算模型得出相应的P-S曲线了。根据P-S曲线，可以很直观的看出桩基的极限承载力。对于新建的桩基而言，完全可以按照《建筑基桩检测技术规范》中的要求来确定桩基的极限承载力，但对于服役中的桩基是不行的。本发明中的这种方法，只需要对桩基施加加载载荷P即可，不管是服役中的桩基还是新建的桩基，都能够精确的计算出桩基的极限承载力。同时，该方法加载过程简单，大幅降低加载过程中人力、物力的消耗。

当给桩基施加一个加载载荷P的时候，如果该加载载荷P所对应的沉降量S比较小，采用工具测量得到沉降量S会存在比较大的误差，由于p值的确定依赖加载载荷P和沉降量S的比值，因此如果沉降量S的测量出现误差，会导致后续的P-S曲线的不准确。因此，本发明中优选地：所述的步骤B中，根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行分级加载，记录各级载荷{P1，P2，P3，…，Pn}作用下对应的沉降量{S1，S2，S3，…，Sn}；所述的步骤D中，先将P_p/S_p和P1/S1的值进行比较，所述的步骤F后还包括如下步骤：(G)判断离散样点{P1，S1}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与P-S曲线的接近度，若离散样点接近P-S曲线，则进入步骤H，若离散样点远离P-S曲线，则依次以P2/S2、P3/S3、…、Pn/Sn为比较值重复步骤D～G。

这里，通过对分级加载，记录多组数据，引入验证步骤G，提高计算的精确度。比如第一组数据{P1，S1}，经过{P1，S1}计算得到的P-S曲线与实际的P-S曲线进行比较，由于我们没有实际的P-S曲线，因此将离散样点{P1，S1}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与计算的P-S曲线进行比较，如果各离散样点与计算得到的P-S曲线非常接近，那么可以认为该P-S曲线比较准确，如果各离散样点与计算得到的P-S曲线相差较大，那么可以认为该P-S曲线不够准确，很有可能是S1的测量误差导致的。此时，再使用第二组数据{P2，S2}来进行计算。需要指出的是，这里的{P1，P2，P3，…，Pn}是逐渐递增的，而在加载载荷越小的情况下，各桩段初始刚度与埋深越近似呈线性关系，各桩段的侧摩阻力与桩段顶部沉降量也越近似呈线性关系，因此在验证的时候，是从小的加载载荷P1逐渐向大的加载载荷P2、P3…、Pn进行验证的。在验证的时候，如果P2/S2＝P1/S1，那么可以直接跳过P2从P3开始进行验证。

这里之所以要规定“根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行分级加载”是防止对桥梁造成损坏，假设桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量为P_MAX，分为5级进行加载，那么加载载荷可以按如下的数据选取：P1＝0.1P_MAX，P2＝0.3P_MAX，P3＝0.5P_MAX，P4＝0.7P_MAX，P5＝0.9P_MAX。当然用户也可以根据需要选择合适的加载载荷。

对于桩基分段，可以有多种分段方式，本发明中优选地，所述的步骤A中，按照如下步骤将桩基分为多段：(A11)根据桩基所处的土层分布，以土层分界作为界限将桩基分为多段；(A12)根据各桩段的长度，将较长的桩段继续分段使得任一桩段的长度小于等于设定阈值；(A13)记录桩段个数m和各桩段的长度{L₁、L₂、…、L_m}。我们都知道各土层中桩基所受到的极限侧摩阻力差异较大，因此需要进行分段；相应地，如果某个土层中桩基的长度较长时，其上、下段所受到的力差异也比较大，也应当进行分段，提高结果的准确性。理论上来说，桩基的段数越多，结果越精确，但是其带来的计算量也大幅增加，因此，选择一个合适的段数也很重要。

具体地，所述的步骤A中，按如下步骤建立桩土计算模型：(A21)为各桩段建立模型，对于第i个桩段，其顶部受力为F_1i，桩侧摩阻力为τ_i，底部受力为F_2i，桩段顶部位移为S_1i，桩段底部位移为S_2i，各桩段的载荷传递参数为{a_i，b_i}；其中，i＝1，2，...，m，最上面桩段的i为1；(A22)根据各桩段参数建立如下关系式：

F_2i＝F_1(i+1)，

S_2i＝S_1(i+1)，

F_1i-F_2i＝τ_i，

S_2i-S_1i＝ΔS_i，这里的ΔS_i是桩段在力的作用下产生的压缩量；它可以按照如下公式计算：

其中Y为混凝土的弹性横量，X为桩基截面积，

其中a_b等于3-5倍的a_m，b_b取土地基承载力极限值倒数；

(A23)桩土计算模型建立完毕。

当桩土计算模型建立完毕后，模型中的部分参数是已知的，比如第一个桩段的顶部受力F₁₁即为加载载荷，第一个桩段的桩段顶部位移S₁₁即为沉降量，最下面一个桩段的底部受力F_2m即为桩端土承载力，最下面一个桩段的底部位移为S_2m即为整个桩基底部的沉降量，在施加的加载载荷较小的时候，S_2m为接近于0，可以任意选取一个较小的数值来代替。模型中的部分参数是未知的，比如桩侧摩阻力为τ_i，各桩段的载荷传递参数为{a_i，b_i}。

进一步地，根据上述模型中的已知量，计算未知量，完善桩土计算模型，这样就能解出未知的极限加载力、以及极限加载力所对应的位移。上述未知量的具体求解方法有很多，这里提供一种较为优选的实施方式：所述的步骤C中，按如下步骤计算p值对应的加载载荷P_p和沉降量S_p：(C1)记录各桩段的埋深z_i，z_i为第i个桩段中心距离地面的距离；(C2)第m个桩段的土层初始刚度k_m＝p·z_m，则第m个桩段的传递参数a_m＝1/k_i，S_2m可以根据经验值来取，一般是一个比较小的值，这里S_2m的取值对后续的计算不造成影响，因为后续比较的是P和S的比值，根据公式步骤A22中的公式求得F_2m；(C3)根据{F_2m，S_2m}的值以及如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{1m}-F_{2m}={\mathrm{\τ}}_m,\\ S_{2m}-S_{1m}=\frac{F_{1m}+F_{2m}}{2E\·X}\×L_m,\\ {\mathrm{\τ}}_m={\mathrm{pz}}_m{S}_{1m},\end{array}\right.$

求得{F_1m，S_1m}；(C4)根据步骤A22可知：F_2(m-1)＝F_1m，S_2(m-1)＝S_1m；(C5)重复步骤C3求得{F_1(m-1)，S_1(m-1)}；(C6)重复步骤C4、C5求得{F₁₁，S₁₁}，p值对应的加载载荷P_p＝F₁₁，沉降量S_p＝S₁₁。这个计算过程中，引入了方程τ_i＝pz_iS_1i，是因为在加载载荷较小的时候，可以认为τ_i和S_1i呈线性关系，减小计算的工作量。

由于p值和最后计算得到的P/S值呈正比例关系，因此，这里优选地，所述的步骤D中，若P_p/S_p＞P/S，则增大p的值重复步骤C2-C6，若P_p/S_p＞P/S，则减小p的值重复步骤C2-C6。

当计算到一个较为准确的p值后，就根据该p值来计算桩土计算模型中的未知量。这里优选地，所述的步骤E中，按如下步骤计算各桩段荷载传递参数{a_i,b_i}：(E1)根据桩土初始刚度沿深度变化率p、各桩段的埋深z_i计算土层初始刚度k_i＝p·z_i；(E2)将桩土初始刚度沿深度变化率p代入公式q＝0.28652p+1.6522中求得q值；(E3)按照公式τ_maxi＝C_i+qz_i求得极限桩侧摩阻力τ_maxi，式中C_i为各土层粘聚力；(E4)根据公式a_i＝1/k_i，b_i＝1/τ_maxi得到各桩段载荷传递参数{a_i，b_i}。

当桩土计算模型完善后，由于需要绘制出P-S曲线，曲线对应的加载载荷由小到大，最大时会超过桩基的极限承载力，因此，模型中的τ_i和S_1i不能认为呈线性关系，而应当采用更为精准的公式来计算。因此，所述的步骤F中，根据求得的各桩段载荷传递参数{a_i，b_i}，步骤A22中的关系式以及如下公式

${\mathrm{\τ}}_i=\frac{S_{1i}}{a_i\·S_{1i}+b_i}$

求得F₁₁和S₁₁之间的函数关系，并以S₁₁为纵坐标、F₁₁为横坐标绘制出来的曲线即为P-S曲线。图3所示的是某个桩基的P-S曲线，根据该曲线可以得出超过“桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量”的加载载荷所对应的沉降量，继而根据《建筑基桩检测技术规范》得出桩基极限承载力。

判断离散样点与曲线的接近度，有很多方法可以实现，本实施例中，采用方差进行判断。所述的步骤G中，按如下步骤判断离散样点{P1，S1}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与P-S曲线的接近度：(G1)将{P1，P2，…，Pn}代入P-S曲线中求得{S1′，S2′，…，Sn′}；(G2)根据公式ΔSj＝|Sj′-Sj|，式中j-1，2，...，n，求得{ΔS1，ΔS2，…，ΔSn}；(G3)求数组{ΔS1，ΔS2，…，ΔSn}的方差；(G4)若方差小于设定阈值，则进入步骤H，若方差大于设定阈值，则依次以P2/S2、P3/S3、…、Pn/Sn为比较值重复步骤D～G直到有方差小于设定阈值时进入步骤H，若所有的方差均大于设定阈值，则取方差最小的那个P-S曲线进入步骤H。通过方差判断的结果更为准确。

Claims (9)

1.一种采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，包括如下步骤：

(A)将桩基分为多段，建立桩土计算模型；

(B)根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行加载，记录加载载荷P和沉降量S；

(C)桩土初始刚度沿深度变化率p取0～25任意数值，将p代入桩土计算模型中并假设各桩段初始刚度与埋深呈线性关系、各桩段的侧摩阻力与桩段顶部沉降量呈线性关系计算该p值对应的加载载荷P_p和沉降量S_p；

(D)通过比较P_p/S_p和P/S的值，不断的对p的取值进行调整，直到P_p/S_p和P/S的差值小于设定阈值；

(E)将最终的p值代入p、q关系函数，确定q值，桩土计算模型中并假设各桩段桩土初始刚度与埋深呈线性关系，极限侧摩阻力随埋深增加值与埋深亦呈线性关系，计算各桩段荷载传递参数；

(F)根据各桩段载荷传递参数、桩土计算模型绘制桩土P-S曲线；

(H)根据桩土P-S曲线确定桩基极限承载力。

2.如权利要求1所述的采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，其特征在于：所述的步骤B中，根据桥梁最大支座反力或桥面最大容许加载量对桥墩进行分级加载，记录各级载荷{P1，P2，P3，…，Pn}作用下对应的沉降量{S1，S2，S3，…，Sn}；所述的步骤D中，先将P_p/S_p和P1/S1的值进行比较，所述的步骤F后还包括如下步骤：

(G)判断离散样点{P1，S1}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与P-S曲线的接近度，若离散样点接近P-S曲线，则进入步骤H，若离散样点远离P-S曲线，则依次以P2/S2、P3/S3、…、Pn/Sn为比较值重复步骤D～G。

3.如权利要求1或2所述的采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，其特征在于：所述的步骤A中，按照如下步骤将桩基分为多段：

(A11)根据桩基所处的土层分布，以土层分界作为界限将桩基分为多段；

(A12)根据各桩段的长度，将较长的桩段继续分段使得任一桩段的长度小于等于设定阈值；

(A13)记录桩段个数m和各桩段的长度{L₁、L₂、…、L_m}。

4.如权利要求3所述的采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，其特征在于：所述的步骤A中，按如下步骤建立桩土计算模型：

(A21)为各桩段建立模型，对于第i个桩段，其顶部受力为F_1i，桩侧摩阻力为τ_i，底部受力为F_2i，桩段顶部位移为S_1i，桩段底部位移为S_2i，各桩段的载荷传递参数为{a_i，b_i}；其中，i＝1，2，...，m，最上面桩段的i为1；

(A22)根据各桩段参数建立如下关系式：

F_2i＝F₁(i+1)，

S_2i＝S₁(i+1)，

F_1i-F_2i＝τ_i，

S_2i-S_1i＝ΔS_i，

其中Y为混凝土的弹性横量，X为桩基截面积，

其中a_b取3-5倍的a_m，b_b取土地基承载力极限值倒数，地基承载力可按规范取值；

(A23)桩土计算模型建立完毕。

5.如权利要求4所述的采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，其特征在于：所述的步骤C中，按如下步骤计算p值对应的加载载荷P_p和沉降量S_p：

(C1)记录各桩段的埋深z_i，z_i为第i个桩段中心距离地面的距离；(C2)第m个桩段的土层初始刚度k_m＝p·z_m，则第m个桩段的传递参数a_m＝1/k_i，S_2m取经验值，根据公式步骤A22中的公式求得F_2m；

(C3)根据{F_2m，S_2m}的值以及如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{1m}-F_{2m}={\mathrm{\τ}}_m,\\ S_{2m}-S_{1m}=\frac{F_{1m}+F_{2m}}{2E\·X}\×L_m,\\ {\mathrm{\τ}}_m={\mathrm{pz}}_m{S}_{1m},\end{array}\right.$

求得{F_1m，S_1m}；

(C4)根据步骤A22可知：F_2(m-1)＝F_1m，S_2(m-1)＝S_1m；

(C5)重复步骤C3求得{F_1(m-1)，S_1(m-1)}；

(C6)重复步骤C4、C5求得{F₁₁，S₁₁}，p值对应的加载载荷P_p＝F₁₁，沉降量S_p＝S₁₁。

6.如权利要求5所述的采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，其特征在于：所述的步骤D中，若P_p/S_p＜P/S，则增大p的值重复步骤C2-C6，若P_p/S_p＞P/S，则减小p的值重复步骤C2-C6。

7.如权利要求6所述的采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，其特征在于：所述的步骤E中，按如下步骤计算各桩段荷载传递参数{a_i，b_i}：

(E1)根据桩土初始刚度沿深度变化率p、各桩段的埋深z_i计算土层初始刚度k_i＝p·z_i；

(E2)将桩土初始刚度沿深度变化率p代入公式q＝0.28652p+1.6522中求得q值；

(E3)按照公式τ_maxi＝C_i+qz_i求得极限桩侧摩阻力τ_maxi，式中C_i为粘聚力；

(E4)根据公式a_i＝1/k_i，b_i＝1/τ_maxi得到各桩段载荷传递参数{a_i，b_i}。

8.如权利要求7所述的采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，其特征在于：所述的步骤F中，根据求得的各桩段载荷传递参数{a_i，b_i}，步骤A22中的关系式以及如下公式

${\mathrm{\τ}}_i=\frac{S_{1i}}{a_i\·S_{1i}+b_i}$

求得F₁₁和S₁₁之间的函数关系，并以S₁₁为纵坐标、F₁₁为横坐标绘制出来的曲线即为P-S曲线。

9.如权利要求2所述的采用小位移加载确定桩基竖向承载力的方法，其特征在于：所述的步骤G中，按如下步骤判断离散样点{P1，S1}、{P2，S2}、…、{Pn，Sn}与P-S曲线的接近度：

(G1)将{P1，P2，…，Pn}代入P-S曲线中求得{S1′，S2′，…，Sn′}；

(G2)根据公式ΔSj＝|Sj′-Sj|，式中j＝1，2，...，n，求得{ΔS1，ΔS2，…，ΔSn}；

(G3)求数组{ΔS1，ΔS2，…，ΔSn}的方差；

(G4)若方差小于设定阈值，则进入步骤H，若方差大于设定阈值，则依次以P2/S2、P3/S3、…、Pn/Sn为比较值重复步骤D～G直到有方差小于设定阈值时进入步骤H，若所有的方差均大于设定阈值，则取方差最小的那个P-S曲线进入步骤H。