CN108062455A - 一种定量分析桩的承载性状的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定量分析桩的承载性状的方法，依据构建的单桩竖向受压轴力简化模型建立端阻和摩阻对抗压极限承载力占比的表达式，引入特征线参量，得到用特征线参量和桩身压缩量表示的侧阻和端阻占比表达式。特征线参量由桩的已知参数得出，桩身压缩量可在Q‑S曲线上依照与特征线的相对关系进行拟合法或延长作图法，进而获得与桩顶荷载对应的桩身压缩量数值，将该压缩量数值代入公式计算或直接几何量测与特征线之间的距离，从而得到桩的摩阻和端阻对单桩抗压极限承载力占比的具体量值，实现了对桩的承载性状的定量分析。本发明的方法属于间接法确定桩的承载性状，实现桩的承载性状定量分析，且不增加试验成本，易于大范围推广。

Description

一种定量分析桩的承载性状的方法
技术领域
本发明涉及一种确定桩的承载性状的方法，属于岩土工程检测技术领域。
背景技术
在工程设计和施工中，确定桩的承载性状常用的方法有两种，一种叫做直接法，即在桩身及桩底埋设测力传感器，然后获得桩的摩阻和端阻的量值，根据摩阻和端阻对极限承载力的占比确定桩的承载性状，该方法成本高，效率低。另一种方法称为间接法，是依据Q-S的形态，做必要的切线，依据切线交点(切线与坐标轴或切线之间)确定侧阻和端阻的量值，这种方法属经验法，精确性不高，一般仅用于定性分析。
发明内容
本发明的构思是这样的：依据构建的单桩竖向受压轴力简化模型建立端阻和摩阻对抗压极限承载力占比的表达式，引入特征线参量，得到用特征线参量和桩身压缩量表示的侧阻和端阻占比表达式。特征线参量由桩的已知参数得出，桩身压缩量可在Q-S曲线上依照与特征线的相对关系进行拟合法或延长作图法，进而获得与桩顶荷载对应的桩身压缩量数值，将该压缩量数值代入公式计算或直接几何量测与特征线之间的距离，从而得到桩的摩阻和端阻对单桩抗压极限承载力占比的具体量值，实现对桩的承载性状的定量分析。
具体的，本发明的分析方法包括以下步骤：
(1)构建简化的轴力模型
实践表明，单桩桩顶受压时，桩顶荷载通常由桩侧摩阻和桩端阻力共同承担，轴力曲线可由附图1所示的通用模型表示。
另外还存在两个特例，即：
桩顶荷载全部由桩侧摩阻承担，其轴力模型如附图2所示。
桩顶荷载全部由桩端阻力承担，其轴力模型如附图3所以。
附图2、附图3两种特例定义为界限型轴力模型。
(2)根据轴力模型推导侧阻和端阻占比的表达式
依照通用简化模型1，参考摩阻的概念和桩身压缩量的概念可得到如下两个公式。
式中：Qu---极限承载力(kN)；
Qp---与极限承载力对应的端阻力(kN)；
Qs---与极限承载力对应的平均摩阻力(kN)；
E---桩身弹性模量(MPa)；
L---桩长(mm)；
d---桩径(m)；
A---桩横截面积(m2)；
S0---桩身压缩量(mm)。
组合(式1)、(式2)，整理后得到如下侧阻(式3)和端阻(式4)占比的表达式：
(3)根据桩身轴力界限模型定义特征线参量
依据承载性状中的界限型轴力模型，引出如下特征线参量：
对于纯摩擦桩，端阻Qp＝0，桩顶沉降量S即桩身压缩量，S≤0.5L/(EA)*Q，定义Sc＝0.5L/(EA)*Q，称作特征线的侧阻线参量；
对于纯端承桩，Q＝Qp，桩身压缩量＝L/(EA)*Q，定义Sd＝L/(EA)*Q，称作特征线的端阻线参量；
对于中性桩，桩身压缩量＝0.75L/(EA)*Q，定义Sz＝0.75L/(EA)*Q，称作特征线的中性线参量。
(4)将特征线参量引入步骤(2)中侧阻和端阻占比表达式，得到特征线法分析桩的承载性状的理论公式。
引入特征线参量，将(式3)、(式4)做如下变换：
(式5)、(式6)即本发明确定桩的承载性状的理论公式，因为式中的主要变量均为定义的特征线参量，故命名为特征线法确定桩的承载性状。同时，还可得到与(式5)、(式6)相当的公式：
对于任意荷载，桩身的实际压缩量S0线与三条特征线的相对位置，决定了该荷载作用下桩的承载性状。
(5)确定桩的承载性状
①分别构造以Sc、Sd、Sz为函数以Q为自变量的三条线性特征线，即：
摩阻线参量Sc：斜率为0.5L/(EA)
端阻线参量Sd：斜率为L/(EA)
中性线参量Sz：斜率为0.75L/(EA)
则对于任意一根桩，其对应于某级荷载时桩的承载性状必定落于Sc之上(属界限型纯摩擦桩)或位于Sc与Sd之间(属过渡型摩擦型或端承型桩)。
②绘制桩身压缩量s0曲线
桩身混凝土材料的弹性模量是近似恒定的，即在应力应变关系图上，应该为一近似的直线，直线的斜率即桩身弹性模量E。载荷试验测到的是桩的沉降量S，S由两部分构成，桩身压缩量S0和桩底沉降量Sb。如果不考虑桩底沉降Sb，s0与Q的关系式为：
式中L’在荷载传递到桩底以前是个变值并小于L。也就是说，如果荷载还没有传递到桩底，Q-S曲线并非绝对直线。荷载传递到桩底时，S＝S0+Sb＝L/(2EA)*(Q+Qp),是由两条斜率相同的直线叠加而成，在Q-S曲线上表现为与侧阻线斜率相同的一段直线，与该段直线对应的荷载定义为端阻启动荷载，依据该特征可确定桩的压缩量S0线的走向，将该直线延长，可得到桩身压缩量S0曲线。
对S0线的处理可采用两种方法：
几何作图法，人为将端阻启动荷载后那段直线延长得到S0线；
定量计算法，拟合得到形如S0＝k*Q+a的表达式，计算得到S0。
③桩的承载性状的确定
如果S0-Q线在摩阻线Sc之上，属界限型摩擦桩，即纯摩擦桩；
如果S0-Q线位于摩阻线Sc和中性线Sz之间，属过渡型的端承摩擦桩，Qs/Qu＝(Sd-S0)/(Sd-Sc)；
如果S0-Q线位于端阻线Sd和中性线Sz之间，属过渡型的摩擦端承桩，Qp/Qu＝(S0-Sc)/(Sd-Sc)；
如果在极限承载力时S0-Q线交于端承线Sd，属界限型端承桩即纯端承桩。显然这种类型几乎不可能出现，因为桩顶的荷载总是从桩顶逐渐传递到桩底，摩阻不可能为0。
至此完成单桩侧阻和端阻的定量分析。
本发明通过构建单桩轴力的简化模型并引入特征线参量，给出了用特征线参量和桩身压缩量表示的单桩侧阻和端阻占比的公式和求解方法，实现了间接方法定量化。分析方法直接依据试验获得的Q-S数据，既可采用作图法确定S0线也可采用拟合法确定S0线，无需桩身应力测试，为快速、准确获得桩的侧阻、端阻提供了一种新的方法。
本发明取得的有益效果如下：
本发明的方法属于间接法确定桩的承载性状，通过简化的轴力模型推导出了用特征线参量和桩身压缩量表示的摩阻和端阻对单桩抗压极限承载力的占比的表达式，可实现定量分析，且不增加试验成本，易于大范围推广。
附图说明
图1：桩身轴力简化通用模型图(梯形)。
图2：桩身轴力简化模型特例纯摩擦桩(三角形)。
图3：桩身轴力简化模型特例纯端承桩(矩形)。
图4：实施例1确定的桩的承载性状图。
图5：实施例2确定的桩的承载性状图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明。
实施例1
该例为京沪高铁天津特大桥1#桩，桩径1m，桩长52.9m，强度C30，E＝30000MPa。
1.1准备工作
如附图4所示，绘制Q-S曲线，并绘制特征线(摩阻线Sc、端阻线Sd及中性线Sz)。考察Q-S的形态，与Sc线近似平行的那级荷载为端阻启动荷载，从这级荷载开始那段直线为桩身压缩量S0线，人工延长该直线称为几何作图法求S0，也可采用拟合法按照S0＝k*Q+a的形式得到其线性表达式。
1.2定性分析
S0线与三条特征线之间的相对位置决定了桩的大体承载性状：
S0线在中性线Sz和摩阻线Sc之间穿过，属摩擦型桩；在中性线Sz和端阻线Sd之间穿过，则属于端承型桩。该桩属摩擦型桩。
1.3定量分析
①几何作图法：量取与Qu对应的Sd线与Sc线的间距Sdc，量取该荷载下S0线与Sd线的间距S0d，侧阻占比Qs/Qu＝S0d/Sdc*100＝98％，端阻占比Qp/Qu＝1-Qs/Qu＝2％。
②拟合S0线法：选取端阻启动荷载以后线性段作线性拟合得到形如S0＝k*Q+a的表达式，本例为S0＝0.0016Q-5.11，代入公式Qs/Qu＝(Sd-S0)/(Sd-Sc)＝98％，端阻占比Qp/Qu＝1-Qs/Qu＝2％。
依据实际阻力占比值进行桩的承载性状的判定。该例近似为界限型的纯摩擦桩。
该桩应力观测结果：端阻1.7％，侧阻98.3％；本方法分析结果与实测结果基本一致。
实施例2
石家庄市地铁新世隆站试桩，桩长26米，桩径1.8米，C30，E＝30000MPa。
2.1准备工作
如附图5所示，绘制Q-S曲线，并绘制特征线(摩阻线Sc、端阻线Sd及中性线Sz)。考察Q-S的形态，该桩Q-S曲线无明显的与Sc线的近似平行段，端阻启动荷载小于第一级荷载，故Q-S曲线首的直线段即S0线，人工延长该直线称为几何作图法求S0，也可采用拟合法按照S0＝k*Q+a的形式得到其线性表达式。
2.2定性分析
S0线与三条特征线之间的相对位置决定了桩的大体承载性状：
S0线在中性线Sz和摩阻线Sc之间穿过，属摩擦型桩；在中性线Sz和端阻线Sd之间穿过，则属于端承型桩。该桩属摩擦型桩。
2.3定量分析
①几何作图法：量取与Qu对应的Sd线与Sc线的间距Sdc，量取该荷载下S0线与Sd线的间距S0d，侧阻占比Qs/Qu＝S0d/Sdc*100＝82.6％，端阻占比Qp/Qu＝1-Qs/Qu＝17.4％。
②拟合S0线法：选取端阻启动荷载以后线性段作线性拟合得到形如S0＝k*Q+a的表达式，本例为S0＝0.0002Q，代入公式Qs/Qu＝(Sd-S0)/(Sd-Sc)＝82.6％，端阻占比Qp/Qu＝1-Qs/Qu＝17.4％。
依据实际阻力占比值进行桩的承载性状的判定。该例为端承摩擦桩。
该桩应力观测结果：端阻16.6％，侧阻83.4％；本方法分析结果与实测结果基本一致。

Claims (1)

1.一种定量分析桩的承载性状的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)构建简化的轴力模型
构建如附图1、图2、图3所示的轴力模型；
(2)根据轴力模型推导侧阻和端阻占比的表达式
式中：Qu---极限承载力(kN)；
Qp---与极限承载力对应的端阻力(kN)；
Qs---与极限承载力对应的平均摩阻力(kN)；
E---桩身弹性模量(MPa)；
L---桩长(mm)；
d---桩径(m)；
A---桩横截面积(m2)；
S0---桩身压缩量(mm)；
组合(式1)、(式2)，整理后得到如下侧阻(式3)和端阻(式4)占比的表达式：
(3)根据桩身轴力界限模型定义特征线参量
依据承载性状中的界限型轴力模型，引出如下特征线参量：
对于纯摩擦桩，端阻Qp＝0，桩顶沉降量S即桩身压缩量，S≤0.5L/(EA)*Q，定义Sc＝0.5L/(EA)*Q，称作特征线的侧阻线参量；
对于纯端承桩，Q＝Qp，桩身压缩量＝L/(EA)*Q，定义Sd＝L/(EA)*Q，称作特征线的端阻线参量；
对于中性桩，桩身压缩量＝0.75L/(EA)*Q，定义Sz＝0.75L/(EA)*Q，称作特征线的中性线参量；
(4)将特征线参量引入步骤(2)中侧阻和端阻占比表达式，得到特征线法分析桩的承载性状的理论公式，
桩端阻和侧阻占比表达式如下：
(5)确定桩承载性状
①分别构造以Sc、Sd、Sz为函数以Q为自变量的三条线性特征线，即：
摩阻线参量Sc：斜率为0.5L/(EA)
端阻线参量Sd：斜率为L/(EA)
中性线参量Sz：斜率为0.75L/(EA)
②绘制桩身压缩量s0曲线
③桩的承载性状的确定
如果S0-Q线在摩阻线Sc之上，属界限型摩擦桩，即纯摩擦桩；
如果S0-Q线位于摩阻线Sc和中性线Sz之间，属过渡型的端承摩擦桩，Qs/Qu＝(Sd-S0)/(Sd-Sc)
如果S0-Q线位于端阻线Sd和中性线Sz之间，属过渡型的摩擦端承桩，Qp/Qu＝(S0-Sc)/(Sd-Sc)
如果在极限承载力时S0-Q线交于端承线Sd，属界限型端承桩即纯端承桩。
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