CN107229810B - 一种跨海大桥主墩基础受竖向荷载桩土损伤分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁桩基损伤分析技术领域，具体涉及一种跨海大桥主墩基础受竖向荷载桩土接触面损伤分析方法，本发明利用桩侧土相对位移量指标来定义桩土接触面损伤指数，从而进行桩土损伤作用分析，并可以计算桩侧土摩阻力，其结果与实际测量结果相近，具有较高的可靠性，采用该方法分析桩侧土摩擦阻力，能够大大简化桩基复杂受力损伤分析过程，提高分析效率。

Description

一种跨海大桥主墩基础受竖向荷载桩土损伤分析方法

技术领域

本发明属于桥梁桩基损伤分析技术领域，具体涉及一种跨海大桥主墩基础受竖向荷载桩土接触面损伤分析方法。

背景技术

跨海大桥主墩基础受到竖向荷载作用时，桩基会产生相对于桩侧土体向下方向的位移，即发生沉降，而桩侧土体会阻止桩基的下沉对桩基产生向上的摩阻力，桩基下沉量大，桩侧土体提供的摩阻力就越大，当桩土相对位移量达到一定程度，桩侧土体摩阻力就不会再增加了，桩便发生急剧的下沉而破坏说明桩土作用达到了极限。作者通过调研分析了解竖向荷载作用下桩土接触损伤研究现状，对竖向荷载作用下桩土作用进行受力分析和公式推导，提出了适用于跨海大桥主墩基础在竖向荷载作用下的桩土接触面损伤模型，先后进行了土—混凝土剪切试验23组，桩—土摩擦损伤试验6组，深入研究了跨海大桥主墩基础在竖向荷载作用下桩土接触面损伤机理，并将试验测试数据与损伤模型计算分析所得数值进行对比分析，验证了本研究提出的损伤模型的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用桩侧土相对位移量来计算桩侧土摩阻力从而对桩侧土损伤程度进行分析的跨海大桥主墩基础受竖向荷载桩土损伤分析方法。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种跨海大桥主墩基础受竖向荷载桩土损伤分析方法，包括如下步骤：

步骤1：建立桩土损伤分析模型，设立桩侧任意深度Z处桩土损伤指数D(z)，并使：

其中：

S(z)为桩土相对位移量；

S_cu(z)为桩侧土体极限位移量；

则桩侧土摩阻力的双曲线损伤荷载传递函数为：

式中：

S₀(z)为桩侧土的初始相对位移量；

为双曲线中S₀(z)→0时的斜率；

τ_m(z)为桩侧土极限摩阻力；

步骤2：通过计算和测量，获取深度Z处的桩土相对位移量S(z)、桩侧土体极限位移量S_cu(z)、桩侧土的初始相对位移量S₀(z)、双曲线中S₀(z)→0时的斜率桩侧土极限摩阻力τ_m(z)；

步骤3：将步骤2中获取的参数S(z)、S_cu(z)代入公式计算出D(z)，然后将D(z)以及步骤2中测得的参数S_cu(z)、S₀(z)、τ_m(z)代入公式：

得到深度Z处，相对位移量为S(z)的桩侧土的摩阻力τ_m(z)；

步骤4：将计算所得的桩侧土摩阻力τ(z)与桩侧土极限摩阻力τ_m(z)进行比较，判断桩侧土损伤情况。

本发明的技术效果在于：利用桩侧土相对位移量指标来定义桩土接触面损伤指数，从而进行桩土损伤作用分析，并可以计算桩侧土摩阻力，其结果与实际测量结果相近，具有较高的可靠性，采用该方法分析桩侧土摩擦阻力，能够大大简化桩基复杂受力损伤分析过程，提高分析效率。

附图说明

图1是本发明的实施例所提供的级配良好砂土与混凝土接触面各工况测试τ-S曲线；

图2是本发明的实施例所提供的级配良好砂土与混凝土接触面各工况测试D-S曲线；

图3是本发明的实施例所提供的级配良好砂土与混凝土接触面各工况测试与接触面损伤模型计算值对比图；

图4是本发明的实施例所提供的级配不良砂土与混凝土接触面各工况测试τ-S曲线；

图5是本发明的实施例所提供的级配不良砂土与混凝土接触面各工况测试D-S曲线；

图6是本发明的实施例所提供的级配不良砂土与混凝土接触面各工况测试与接触面损伤模型计算值对比图；

图7是本发明的实施例所提供的亚粘土与混凝土接触面各工况测试τ-S曲线；

图8是本发明的实施例所提供的亚粘土与混凝土接触面各工况测试D-S曲线；

图9是本发明的实施例所提供的亚粘土与混凝土接触面各工况测试与接触面损伤模型计算值对比图；

图10是本发明的实施例所提供的粘性土与混凝土接触面各工况测试τ-S曲线；

图11是本发明的实施例所提供的粘性土与混凝土接触面各工况测试D-S曲线；

图12是本发明的实施例所提供的粘性土与混凝土接触面各工况测试与接触面损伤模型计算值对比图；

图13是本发明的实施例所提供的亚砂土与混凝土接触面各工况测试τ-S曲线；

图14是本发明的实施例所提供的亚砂土与混凝土接触面各工况测试D-S曲线；

图15是本发明的实施例所提供的亚砂土与混凝土接触面各工况测试与接触面损伤模型计算值对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

一种跨海大桥主墩基础受竖向荷载桩土损伤分析方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：建立桩土损伤分析模型，设立桩侧任意深度Z处桩土损伤指数D(z)，并使：

其中：

S(z)为桩土相对位移量；

S_cu(z)为桩侧土体极限位移量；

则桩侧土摩阻力的双曲线损伤荷载传递函数为：

式中：

S₀(z)为桩侧土的初始相对位移量；

为双曲线中S₀(z)→0时的斜率；

τ_m(z)为桩侧土极限摩阻力；

步骤2：通过计算和测量，获取深度Z处的桩土相对位移量S(z)、桩侧土体极限位移量S_cu(z)、桩侧土的初始相对位移量S₀(z)、双曲线中S₀(z)→0时的斜率桩侧土极限摩阻力τ_m(z)；

步骤3：将步骤2中获取的参数S(z)、S_cu(z)代入公式计算出D(z)，然后将D(z)以及步骤2中测得的参数S_cu(z)、S₀(z)、τ_m(z)代入公式：

得到深度Z处，相对位移量为S(z)的桩侧土的摩阻力τ_m(z)；

步骤4：将计算所得的桩侧土摩阻力τ(z)与桩侧土极限摩阻力τ_m(z)进行比较，判断桩侧土损伤情况。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

土－混凝土摩擦损伤机理试验

一、试验概况

为研究桩与桩侧土体受力损伤机理，本研究进行了土－混凝土摩擦试验，分别模拟了不同深度土—混凝土间的相对摩擦损伤作用。本模型试验采用固结快剪试验方法实施测试工作。

剪切试验根据对剪切盒内土体竖向应力与相应深度土体侧向压应力相等的原则模拟不同深度土体。选取5种土样：级配良好砂土、级配不良砂土、粘土、亚粘土、亚砂土进行测试，试验前先对各土样进行含水率测试。

二、试验结果分析

(1)级配良好砂土—混凝土接触面测试结果

级配良好砂土—混凝土接触面损伤模型试验各工况测试τ-S曲线见图1，各工况测试D-S曲线见图2，各工况下实测值和接触面损伤模型计算值见图3。

(2)级配不良砂土—混凝土接触面测试结果

级配不良砂土—混凝土接触面损伤模型试验各工况测试τ-S曲线见图4，各工况测试D-S曲线见图5，各工况下实测值和接触面损伤模型计算值见图6。

(3)亚粘土—混凝土接触面测试结果

亚粘土—混凝土接触面损伤模型试验各工况测试τ-S曲线见图7，各工况测试D-S曲线见图8，各工况下实测值和接触面损伤模型计算值见图9。

(4)粘性土—混凝土接触面测试结果

粘性土—混凝土接触面损伤模型试验各工况测试τ-S曲线见图10，各工况测试D-S曲线见图11，各工况下实测值和接触面损伤模型计算值见图12。

(5)亚砂土—混凝土接触面测试结果

亚砂土—混凝土接触面损伤模型试验各工况测试τ-S曲线见图13，各工况测试D-S曲线见图14，各工况下实测值和接触面损伤模型计算值见图15。

三、土－混凝土摩擦损伤机理试验结论

通过以上5种土样(级配良好砂土、级配不良砂土、粘土、亚粘土、亚砂土)的23组土—混凝土体摩擦损伤机理试验结果表明：

(1)各组土样测试结果表明土—混凝土体τ-S曲线呈现双曲线性状明显；

(2)土—混凝土体摩擦作用开始处于弹性阶段，但很快就进入弹塑性阶段，最后达到极限发生剪切破坏；

(3)各组土样在不同深度工况测试D-S曲线结果表明，同一土样在不同深度状况下其最大损伤对应的剪切位移比较接近；

(4)各组土样实测τ-S曲线与本研究提出的损伤模型计算值吻合较好，验证了本研究损伤模型的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种跨海大桥主墩基础受竖向荷载桩土损伤分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立桩土损伤分析模型，设立桩侧任意深度Z处桩土损伤指数D(z)，并使：

其中：

S(z)为桩土相对位移量；

S_cu(z)为桩侧土体极限位移量；

则桩侧土摩阻力的双曲线损伤荷载传递函数为：

式中：

S₀(z)为桩侧土的初始相对位移量；

为双曲线中S₀(z)→0时的斜率；

τ_m(z)为桩侧土极限摩阻力；

步骤2：通过计算和测量，获取深度Z处的桩土相对位移量S(z)、桩侧土体极限位移量S_cu(z)、桩侧土的初始相对位移量S₀(z)、双曲线中S₀(z)→0时的斜率桩侧土极限摩阻力τ_m(z)；

步骤3：将步骤2中获取的参数S(z)、S_cu(z)代入公式计算出D(z)，然后将D(z)以及步骤2中测得的参数S_cu(z)、S₀(z)、τ_m(z)代入公式：

得到深度Z处，相对位移量为S(z)的桩侧土的摩阻力τ(z)；

步骤4：将计算所得的桩侧土摩阻力τ(z)与桩侧土极限摩阻力τ_m(z)进行比较，判断桩侧土损伤情况。