CN108470106B - 一种桩基的贯入度的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本申请的目的是提供一种桩基的贯入度的计算方法,其包括以下步骤:根据获取的桩基锤击参数和土质参数,得到桩基在落锤锤击后的贯入度,并将贯入度与预设贯入度进行比对;当贯入度大于预设贯入度时,根据获取的桩基锤击参数得到桩基在锤击后的初始动能;根据获取的土质参数和桩基参数及初始动能,得到桩基的下沉距离;当桩基的下沉深度到达沉桩设计深度时,停止锤击,否则继续锤击;在停止锤击后,基于贯入度确定最终贯入度。与现有技术相比,能够提升最终贯入度的计算精度,直接计算下沉深度和锤击次数,以便于后续的打桩工作。
Description
技术领域
本发明涉及建筑领域,尤其涉及一种桩基的贯入度的计算方法。
背景技术
桩基作为一种建筑领域常用的基础结构,其在构造、施工时的建筑指标高低对于位于基础结构上的建筑结构的质量好坏起着至关重要的作用。
贯入度,作为桩基沉桩可行性的重要评价指标,是指在一次锤击下,桩基贯入土中的深度,通常可通过锤击能量与土阻力来估算。土阻力,是指桩基贯入土层一定深度后,地基土对桩提供的反力,由于不同贯入深度的土阻力不一定相同,因此工程师可通过桩基贯入不同深度产生的土阻力来判定贯入度、桩基所在土层是否满足施工的要求。
现有技术中,通常采用海利公式来估算桩基的贯入度,其主要是基于动量守恒原理和能量守恒原理,对自由落锤打桩过程进行分析,把锤击过程分为四个阶段:撞击前阶段,即锤由静止位置下落到桩顶表面前的阶段;锤与桩撞击后的压缩阶段;锤与桩未脱离接触前的弹性回复阶段;锤与桩脱离接触后的回弹阶段,并计算出桩基的最终贯入度,以用于单桩承载力和打桩验收的参考依据,如公式(1.1)所示:
其中,ξ—所述落锤在非自由降落状态下的撞击折减系数;h—所述落锤在锤击所述桩基前的落锤距离;Wr—所述落锤的锤重;c—所述土层的总弹性变形量;e—贯入度(m);Pu—所述桩基的极限承载力。另外,由于ξWrhη相当于桩基受到落锤的冲击能量Emax,因此公式(1.1)可以改写成公式(1.2),即
其中,Emax可通过设置在桩基顶部的力传感器和加速度传感器,测得桩基顶部的冲击力和速度,并根据微积分公式(1.3)求得,即
其中,式中Fi(t)——由力传感器测得的桩基顶部所受的冲击力;
v(t)——由加速度传感器测得的桩基顶部的速度;
ta——桩基顶部速度下降至0时所用的时间。
从公式(1.1)~和(1.3)中可以看出,现有的海利公式在计算中存在以下缺陷:其在计算中没有考虑桩基的长径比、贯入过程中土层参数变化等因素对计算出桩基的最终贯入度的影响,从而影响了单桩贯入深度和承载力的估算精度,无法直接计算下沉深度和对应锤击次数,计算效率较低。此外,在通过力传感器和加速度传感器测量相应的参数并通过微积分公式计算得到桩基的最终贯入度的方式,需要进行实地测试,极大的浪费了时间,增加了测试成本,极易出现浪费桩基材料的现象。
发明内容
针对上述现有技术的缺点或不足,本发明要解决的技术问题是提供一种桩基的贯入度的计算方法,能够提升最终贯入度的计算精度,可直接计算下沉深度和锤击次数,以便于后续的打桩工作。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种桩基的贯入度的计算方法,包括以下步骤:
步骤S1:根据获取的桩基锤击参数和所述土质参数,得到所述桩基在落锤第N次锤击后的贯入度,并将所述贯入度与所述预设贯入度进行比对,其中,N为正整数;
步骤S2:当所述贯入度大于预设贯入度时,根据获取的桩基锤击参数得到所述桩基在锤击后的初始动能;
步骤S3:根据获取的土质参数和所述桩基参数及所述初始动能,得到所述桩基的下沉距离,并将所述下沉距离替换所述贯入度,且根据锤击次数和对应的贯入度确定所述桩基的下沉深度;
步骤S4:当所述桩基的下沉深度到达沉桩设计深度时,停止所述锤击,并将替换后的贯入度作为最终贯入度,否则继续所述锤击,并进入步骤S1。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本申请涉及桩基在落锤锤击后的贯入度的计算方法是根据获取的桩基锤击参数和土质参数模拟计算而得到的,因此无需对桩基进行实际的打桩检验,从而可极大的降低桩基的测试成本。并且由于整个模拟计算是根据获取的桩基锤击参数和土质参数进行综合模拟得出的,并且在得到的贯入度大于预设贯入度时,即传统方法中计算的贯入度超出误差合理范围时,可以根据获取的桩基锤击参数得到桩基在锤击后的初始动能以及获取的土质参数和桩基参数来计算桩基的下沉距离来替换贯入度,并在桩基的下沉深度到达沉桩设计深度时,停止锤击,并根据桩基在最后一次锤击后的贯入度来确定最终贯入度,因此使得模拟计算得到的最终贯入度的精度得到了极大的提升,同时得到对应的锤击次数,克服了传统海利公式不考虑土质参数变化而存在计算误差较大的现象,并且,可以作为后续评估桩基承载力的参考依据,以便于后续的打桩验收工作。
作为优选的,还包括以下步骤:当所述贯入度小于预设贯入度时,则停止所述锤击,并将所述贯入度或所述下沉距离确定为最终贯入度。
进一步的,在步骤S1中还包括以下步骤:
根据获取的桩基锤击参数和土质参数确定所述桩基的土阻力;
将获取的桩基锤击参数输入海利迭代公式得到所述贯入度。
进一步的,在步骤S3中还包括以下步骤:根据获取的土质参数和所述桩基参数及所述初始动能,得到所述桩基在每次锤击后的下沉距离中还包括以下子步骤:根据获取的桩基参数和土质参数确定对应的土阻力公式和土阻力;根据所述土阻力公式确定所述桩基在自重作用下的初始下沉深度;根据所述初始动能、所述初始下沉深度、所述土阻力及能量守恒关系,得到所述桩基的下沉距离;将桩基的下沉距离替换上述桩基在落锤锤击后的贯入度,且根据锤击次数和对应的贯入度确定所述桩基的下沉深度;
所述土阻力公式为其中,i为整数;pi为所述土质参数中不同土层中的桩基侧面的单位面积阻力;Li为所述桩基贯入第i土层中的深度;qi为所述土质参数中不同土层中的桩基端面的单位面积阻力;A为所述桩基参数中桩基端面面积。
进一步的,根据所述初始动能、所述初始下沉深度、所述土阻力及能量守恒关系,得到所述桩基的下沉距离的步骤中还包括以下子步骤:所述初始下沉深度和所述贯入度,确定所述桩基贯入第i土层中的深度;设定所述桩基在所述第i土层中每下降设定距离dL,所述土阻力在所述设定距离内保持恒定不变;根据下降所述设定距离dL的次数进行累加各设定距离dL对应的所述土阻力所做的功,以确定土阻力总功,并判断所述土阻力总功是否等于所述桩基的重力所做的功与所述桩基的动能之和;若是则停止累加,并确定桩基的下沉距离,否则继续累加。
进一步的,在步骤S3中还包括以下步骤:根据累加桩基N次锤击后的下沉距离和初始下沉深度得到桩基在第N次锤击后的下沉深度。
进一步的,所述撞击恢复系数为根据所述预设规则中的线性回归公式,对获取的超大直径单桩实测样本数据中的所述桩基锤击参数、所述土质参数和所述桩基参数进行线性回归拟合而成。
进一步的,所述线性回归公式为:
进一步的,所述总弹性变形量为根据所述预设规则中的线性拟合公式,对获取的实测样本数据中的所述桩基锤击参数、所述土质参数和所述桩基参数进行线性回归拟合而成。
进一步的,所述线性拟合公式为:
以上线性拟合参数公式基于超大直径单桩基础的沉桩实例,对类似超大直径单桩的沉桩工程具有参考意义,提高了海利公式计算精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1:本发明第一实施例中桩基的贯入度的计算方法的工作原理图;
图2:本发明第一实施例中步骤S3中的流程图;
图3:本发明第一实施例中步骤S33中的流程图;
图4:本发明第一实施例中桩基在落锤锤击时流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
如图1至图4所示,本发明的第一实施例提供了一种桩基的贯入度的计算方法,其包括以下步骤:
步骤S1:根据获取的桩基锤击参数和所述土质参数,得到所述桩基在落锤第N次锤击后的贯入度,并将所述贯入度与所述预设贯入度进行比对,其中,N为正整数;
步骤S2:当贯入度大于预设贯入度时,根据获取的桩基锤击参数得到桩基在锤击后的初始动能;
步骤S3:根据获取的土质参数和桩基参数及初始动能,得到桩基的下沉距离,并将所述下沉距离替换所述贯入度,且根据锤击次数和对应的贯入度确定所述桩基的下沉深度;
步骤S4:当所述桩基的下沉深度到达沉桩设计深度时,停止所述锤击,并将替换后的贯入度作为最终贯入度,否则继续所述锤击,并进入步骤S1,以根据获取的桩基锤击参数和所述土质参数,得到所述桩基在落锤第N+1次锤击后的贯入度,并将桩基在落锤第N+1次锤击后的贯入度与预设贯入度进行判定。
通过上述内容可知,由于本申请涉及桩基在落锤锤击后的贯入度的计算方法是根据获取的桩基锤击参数和土质参数模拟计算而得到的,因此无需对桩基进行实际的打桩检验,从而可极大的降低桩基的测试成本。
并且由于整个模拟计算是根据获取的桩基锤击参数和土质参数进行综合模拟得出的,并且在得到桩基每次锤击后的贯入度大于预设贯入度时,即按照传统方法中计算的贯入度超出误差合理范围时,可以根据获取的桩基锤击参数得到桩基在锤击后的初始动能就以及获取的土质参数和桩基参数来计算桩基的下沉距离来替换该贯入度,并在桩基的下沉深度到达沉桩设计深度时,停止锤击,并根据桩基在最后一次锤击后的贯入度来确定最终贯入度,因此使得模拟计算得到的最终贯入度的精度得到了极大的提升,同时得到对应的锤击次数,克服了传统海利公式不考虑土质参数变化而存在计算误差较大的现象,并且,可以作为后续评估桩基承载力的参考依据,以便于后续的打桩验收工作,如判定桩基在实际打桩后最终的贯入深度、桩基所在土层是否满足施工的要求等。
具体地,本申请在步骤S1之后还包括以下步骤S5:
当贯入度小于预设贯入度时,则停止锤击,并将贯入度或下沉距离确定为最终贯入度,将当前所述下沉深度确定为桩基的最终下沉深度,并确定对应的锤击次数。
详细地,为了确保模拟计算桩基的最终贯入度最大限度地接近真实的桩基的最终贯入度,在步骤S3中还包括以下子步骤:
步骤S31:根据获取的桩基参数和土质参数确定对应的土阻力公式和土阻力;
步骤S32:根据土阻力公式确定桩基在自重作用下的初始下沉深度;
步骤S33:根据初始动能、初始下沉深度、土阻力及能量守恒关系,得到桩基的下沉距离;
步骤S34:将桩基的下沉距离替换上述桩基在落锤锤击后的贯入度,且根据锤击次数和对应的贯入度确定桩基的下沉深度。
Li为桩基贯入第i土层中的深度;
qi为土质参数中不同土层中的桩基端面的单位面积阻力;
A为桩基参数中桩基端面面积。
由上可知,通过该方式,使得桩基的初始下沉深度和桩基的下沉距离在模拟计算时充分考虑了土质参数及桩基的端面和侧面等各因素的影响,提高了桩基的初始下沉深度及贯入度的计算精度。
更为详细地,在步骤S33中还包括以下子步骤:
步骤S331:根据初始下沉深度和贯入度,确定桩基贯入第i土层中的深度;
步骤S332:设定桩基在第i土层中每下降设定距离dL,所述土阻力恒定不变,所述土阻力在所述设定距离内保持恒定不变;
步骤S333:根据下降所述设定距离dL的次数进行累加各设定距离dL对应的所述土阻力所做的功,以确定土阻力总功,并判断所述土阻力总功是否等于所述桩基的重力所做的功与所述桩基的动能之和;
步骤S334:若是,则停止累加,并确定桩基的下沉距离,否则继续执行步骤S333进行累加。
另外,值得一说的,本实施例中的设定距离dL为根据实际需求设定的微小距离,如1mm~2mm等,因此,本实施例对于dL设定为多少不作具体的限定和过多的阐述。
具体地,在上述步骤S1中还包括以下步骤:
步骤S11:根据获取的桩基锤击参数和土质参数确定桩基的土阻力;
步骤S12:将获取的桩基锤击参数和桩基的土阻力输入海利迭代公式得到贯入度;
其中,本申请中的海利迭代公式为(2)和(3)
其中,ξ为桩基锤击参数中的撞击折减系数;;
n为桩基锤击参数中的撞击恢复系数;
h为桩基锤击参数中的落锤的落距;
Wr为桩基锤击参数中的落锤的锤重;
η为锤击效率系数;
Wp为桩基锤击参数中的桩基重量;
c为桩基锤击参数中的土层总弹性变形量;
e为贯入度(m);
Ftemp为桩基的当前土阻力。
由上可知,由于本申请中通过对海利迭代公式的改进,使得在计算桩基的贯入度时,不仅考虑了传统变量的影响,还由于考虑了不同土层及桩基的端面积、桩基的下沉深度等因素综合对桩基所受到的土阻力的影响,降低了桩基贯入度的误差。
为了更好的说明上述步骤,在本实施例中对上述步骤的工作过程作如下说明,在模拟计算落锤开始锤击桩基前,模拟计算桩基在自重作用下下沉的距离,在这一过程中,桩基是逐渐下沉至静止的,可以看作桩基的受到的土阻力等于桩基的重量,即桩基受到的承载力等于桩基的重量,如公式(4)所示:
Ftemp=Wpg (4)
其中,Wp—桩基的重量(kg);
g—重力加速度(m/s2)。
并且,在本实施例中,作为优选的一种方式,上述桩基的土阻力可以为桩基侧摩擦阻力和桩基端摩擦阻力之和,即通过如下公式(5)~(7)所示:
Q=qiA (6)
Ftemp=P+Q (7)
其中,P—桩基侧摩擦阻力;
Q—桩基端摩擦阻力;
假设桩基在自重作用下从土层表面处开始下沉,依次下沉距离dL后,桩基贯入土层中的初始下沉深度为:
Hp=∑dL (8)
其中,dL—设定距离(m);
Hp—桩机在自重作用下的初始下沉深度(m)。
当桩基下沉至初始下沉深度并停止下沉后,通过上述模拟计算第一次锤击,其步骤如下所示:
利用上述海利迭代公式(2)计算当前落锤第一次锤击桩基时,桩基的贯入度:
若判定桩基的贯入度小于或等于预设贯入度,也就是桩基的在落锤第一次锤击后,桩基无须再进行锤击测试,即可将落锤第一次锤击后的贯入度确定为最终贯入度。
若判定桩基的贯入度大于预设贯入度,则表明当前锤击能量足够使桩基穿透当前土层,因此,需要根据获取的桩基锤击参数得到桩基在锤击后的初始动能,并进入步骤S3,以将模拟计算的桩基的下沉距离替换贯入度,且根据第一次锤击次数和对应的贯入度确定桩基的下沉深度,然后进入步骤S4,以判定桩基此时的下沉深度是否达到沉桩设计深度;
在步骤S4中,若判定桩基的下沉深度未达到沉桩设计深度,则继续锤击,并将锤击次数N加1后,进入步骤S1,并根据上述海利迭代公式继续模拟落锤第二次对桩基的锤击,得到桩基在落锤第二次锤击后的贯入度。
在步骤S1中,若判定桩基在落锤第二次锤击后的贯入度小于预设贯入度或此时桩基的下沉深度大于沉桩设计深度,则进入步骤S5,停止锤击测试,并将桩基在落锤第二次锤击后的贯入度作为最终贯入度。
在步骤S1中,若判定桩基在落锤第二次锤击后的贯入度大于预设贯入度,则进入步骤S2获得桩基在落锤第二次锤击后的初始动能,然后进入步骤S3,以获得桩基在落锤第二次锤击后的下沉距离,并将该下沉距离替换桩基在落锤第二次锤击后的贯入度,且根据锤击次数和对应的贯入度,确定桩基在落锤第二次锤击后的下沉深度,然后再次进入步骤S4中,以判定桩基在落锤第二次锤击后的下沉深度是否达到沉桩设计深度。
若到达沉桩设计深度时,则停止所述锤击,停止锤击测试,并将桩基在落锤第二次锤击后的下沉距离替换的贯入度作为最终贯入度。
若未到达沉桩设计深度,则继续锤击测试,并将锤击次数N再次加1后,再次进入步骤S1中,从而模拟落锤第三次对桩基的锤击后击,并依次类推进行循环锤击,直至桩基的贯入度小于预设贯入度或桩基的下沉深度大于等于沉桩设计深度时,停止锤击和模拟计算,并确定锤击次数N。
另外,需要说明的是,在步骤S3中还包括以下步骤:根据累加桩基N次锤击后的下沉距离和初始下沉深度得到桩基在第N次锤击后的下沉深度,以便于桩基的下沉深度到达沉桩设计深度之间的判定,提升下沉深度的计算精度。
上述步骤S3的模拟计算过程可如公式(9)和公式(10)所示。
H=Hp+∑dL (10)
其中,Fi—桩基在下沉dL范围内所受的土阻力,即认为在桩基下沉设定距离dL内时,其受到的土阻力保持恒定不变;
vp—落锤与桩基开始分离时,桩基的速度(m/s)。
另外,值得一提的是,在本实施例中,为了进一步提升桩基贯入度的计算精度,克服传统海利公式中撞击恢复系数n仅通过人工经验估计取值的缺陷,本申请中的落锤在撞击桩基时的撞击恢复系数n根据线性回归公式(11)对获取的实测样本数据中的桩基锤击参数、土质参数、桩基参数和初始土阻力进行线性回归拟合而成。
作为优选的一种方式,本实施例中所拟合的线性回归公式(11)为:
其中,n—落锤在撞击桩基时的撞击恢复系数;
D为桩基参数中桩基直径;
L为桩基参数中桩基长度;
Fz—桩基的初打最终土阻力,即桩基在在初次打桩试验时下沉至沉桩设计深度时受到的土阻力。
进一步,为了保证更进一步提升桩基贯入度的计算精度,提高对超大直径单桩的适用性,本申请中土层的总弹性变形量根据线性拟合公式(12),对获取的超大直径单桩实测样本数据中的桩基锤击参数、土质参数和桩基参数进行线性回归拟合而成。
作为优选的一种方式,本实施例中所拟合的线性拟合公式(12)为:
另外,值得一提的是,本实施例中,在步骤S4或步骤S5后还包括步骤
S6:在确定最终贯入度后,输出最终贯入度、锤击次数、最终下沉深度、桩基侧摩擦阻力、桩基端摩擦阻力、桩基的土阻力等锤击模拟计算参数的数值,以便于工作人员根据相关锤击模拟计算参数综合评估桩基的极限承载力和土层状况,比便于后续的打桩验收。
以上线性拟合公式和线性回归公式基于超大直径单桩基础的沉桩实例,对类似超大直径单桩的沉桩工程具有参考意义,提高了海利公式计算精度。
另外,值得一提的是,本申请中桩基在落锤N次锤击后动能为根据海利转换公式(13)~(15)所获知:
vri——落锤在撞击前的初速度;
vc——桩基和落锤在撞击后压缩阶段的速度;
vr——落锤在恢复阶段结束时的速度;
vp——桩基在恢复复阶段结束时的速度;
其中,桩基在第N次锤击后的动能根据桩基在第N次锤击后并处于恢复阶段结束时的速度vp和桩基的重量及动能公式而计算得到。
此外,本实施例中列举实测样本数据文本如下表1所示:
表1输入的实测样本数据
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定,仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围。
Claims (9)
1.一种桩基的贯入度的计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:根据获取的桩基锤击参数和土质参数,得到所述桩基在落锤第N次锤击后的贯入度,并将所述贯入度与预设贯入度进行比对,其中,N为正整数;
步骤S2:当所述贯入度大于预设贯入度时,根据获取的桩基锤击参数得到所述桩基在锤击后的初始动能;
步骤S3:根据获取的土质参数和所述桩基参数及所述初始动能,得到所述桩基的下沉距离,并将所述下沉距离替换所述贯入度,且根据锤击次数和对应的贯入度确定所述桩基的下沉深度;
步骤S4:当所述桩基的下沉深度到达沉桩设计深度时,停止所述锤击,并将替换后的贯入度作为最终贯入度,否则继续所述锤击,并进入步骤S1;
在步骤S3中还包括以下步骤:
根据获取的桩基参数和土质参数确定对应的土阻力公式和土阻力;
根据所述土阻力公式确定所述桩基在自重作用下的初始下沉深度;
根据所述初始动能、所述初始下沉深度、所述土阻力及能量守恒关系,得到所述桩基的下沉距离;
将桩基的下沉距离替换上述桩基在落锤锤击后的贯入度,且根据锤击次数和对应的贯入度确定所述桩基的下沉深度;
pi为所述土质参数中不同土层中的桩基侧面的单位面积阻力;
Li为所述桩基贯入第i土层中的深度;
qi为所述土质参数中不同土层中的桩基端面的单位面积阻力;
A为所述桩基参数中桩基端面面积。
2.根据权利要求1所述的桩基的贯入度的计算方法,其特征在于,还包括以下步骤:当所述贯入度小于预设贯入度时,则停止所述锤击,并将所述贯入度或所述下沉距离确定为最终贯入度。
3.根据权利要求1所述的桩基的贯入度的计算方法,其特征在于,在步骤S1中还包括以下步骤:
根据获取的桩基锤击参数和土质参数确定所述桩基的土阻力;
将获取的桩基锤击参数输入海利迭代公式得到所述贯入度。
4.根据权利要求1所述的桩基的贯入度的计算方法,其特征在于,在根据所述初始动能、所述初始下沉深度、所述土阻力及能量守恒关系,得到所述桩基的下沉距离的步骤中还包括以下步骤:
根据所述初始下沉深度和所述贯入度,确定所述桩基贯入第i土层中的深度;
设定所述桩基在所述第i土层中每下降设定距离dL时,所述土阻力在所述设定距离内保持恒定不变;
根据下降所述设定距离dL的次数进行累加各设定距离dL对应的所述土阻力所做的功,以确定土阻力总功,并判断所述土阻力总功是否等于所述桩基的重力所做的功与所述桩基的动能之和;
若是则停止累加,并确定所述桩基的下沉距离,否则继续累加。
5.根据权利要求3所述的桩基的贯入度的计算方法,其特征在于,在步骤S3中还包括以下步骤:
根据累加桩基N次锤击后的下沉距离和初始下沉深度得到桩基在第N次锤击后的下沉深度。
6.根据权利要求3所述的桩基的贯入度的计算方法,其特征在于,所述海利迭代公式中的撞击恢复系数为根据线性回归公式,对获取的超大直径单桩实测样本数据中的所述桩基锤击参数、所述土质参数、所述桩基参数和初打最终土阻力进行线性回归拟合而成。
8.根据权利要求5所述的桩基的贯入度的计算方法,其特征在于,所述海利迭代公式的总弹性变形量为根据线性拟合公式,对获取的超大直径单桩实测样本数据中的所述桩基锤击参数、所述土质参数和所述桩基参数进行线性回归拟合而成。
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