CN108560619A - 基桩动测承载力的分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基桩动测承载力的分析方法及系统，其中方法包括：构建各力学模型；对基桩进行锤击测试，获取每次的落锤高度数据以及对应测得的基桩被重锤锤击后的贯入度数据；确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，所述相关力学参数的类型包括桩尖最大弹性变形、桩尖阻尼常数和桩侧阻力常数；根据所述各力学模型、所述落锤高度数据、所述贯入度数据以及所述相关力学参数的标准值计算基桩动测承载力，输出计算结果；将计算结果与对基桩进行静载试验得到的测试结果进行对比，判断所述相关力学参数的标准值是否满足设定的误差要求，若不满足，调整相关力学参数的标准值，并根据调整后的相关力学参数的标准值重新计算基桩动测承载力。

Description

基桩动测承载力的分析方法及系统

技术领域

本发明涉及工程建设领域，具体涉及基桩动测承载力的分析方法及系统。

背景技术

一百年以前桩基动测技术就已经出现，利用牛顿撞击定理和能量守恒原理，人们开始了动测方法，其打桩的动力测试公式是依据打桩时测得的贯入度建立关系式来计算桩的承载力。近代，以应力波理论为基础的桩的动测技术开始迅速发展起来的，把桩视为土中的弹性杆件，打桩过程是弹性应力波传播的过程。随后，E.A.Smith发表了“打桩分析的波动方程法”，提出了波动方程在桩基中应用的差分数值解法，他把锤～桩～土系统简化为质量块、弹簧和阻尼器模型，用电子计算机进行迭代运算，从而使波动方程打桩分析进入实用阶段；Bowles采用有限差分代替描述冲击波沿桩传播的微分方程，对基桩受重锤锤击时的动力性能进行了分析，应用波动方程来求解并编写了分析程序。

目前，高应变法是唯一一种可以对桩身承载力与桩身结构完整性同时进行检测的试验方法。与静载试验相比，高应变法具有诸多优点，如：检测效率高、经济快捷、设备更易运输等，鉴于高应变法在基桩检测中的诸多优势和其专业特性，现已被工程界广泛认可并采用。但桩基动测自开始成熟并发展至今，理论的本质没有突破更深层次的进展。因此，目前，需要一套更合理的理论和方法来分析基桩动测承载力。

发明内容

针对上述问题，本发明提供基桩动测承载力的分析方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供了基桩动测承载力的分析方法，该方法包括以下步骤：

通过现有数值分析方法构建各力学模型，包括基桩力学模型、桩侧力学模型以及桩尖力学模型；

对基桩进行锤击测试，获取每次的落锤高度数据以及对应测得的基桩被重锤锤击后的贯入度数据；

确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，所述相关力学参数的类型包括桩尖最大弹性变形、桩尖阻尼常数和桩侧阻力常数；

根据所述各力学模型、所述落锤高度数据、所述贯入度数据以及所述相关力学参数的标准值计算基桩动测承载力，输出计算结果；

将所述计算结果与对基桩进行静载试验得到的测试结果进行对比，判断所述相关力学参数的标准值是否满足设定的误差要求，若不满足，调整所述相关力学参数的标准值，并根据调整后的相关力学参数的标准值重新计算基桩动测承载力。

在本发明第一方面的一种可选的方式中，对基桩进行锤击测试具体包括：

采用水准仪测量基桩桩顶被锤击前和经过设定次数锤击后的相对高程，根据测得的两相对高程计算基桩总的贯入度，得到第一总贯入度；

在基桩附近分别架设经纬仪和基准梁，并在所述基准梁上安装百分表；

对基桩进行锤击测试，每次锤击后采用所述经纬仪和百分表测量基桩被锤击后的贯入度，二者测得的贯入度之差不超过设定的第一阈值时，将所述百分表测得的贯入度作为当次锤击测试的最终贯入度，并对基桩进行下一次锤击测试；二者测得的贯入度之差超过设定的第一阈值内时，调整所述基准梁的位置并重新对基桩进行锤击测试；

最终贯入度的数量与所述设定次数对应时，将所有最终贯入度累加得到第二总贯入度；

将所述第一总贯入度与所述第二总贯入度进行比较，若二者差值不超过设定的第二阈值时，将每次得到的最终贯入度作为每次锤击后基桩的贯入度。

在本发明第一方面的一种可选的方式中，所述第一阈值为0.5mm；所述第二阈值为0.3mm。

在本发明第一方面的一种可选的方式中，所述确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，具体包括：

获取海量的对基桩进行高应变测试的历史测试数据，采用高应变曲线拟合法提取所述历史测试数据中的相关力学参数，并将提取到的所有相关力学参数按照土层类型进行分类存储入数据库；

对所述数据库中的数据进行统计分析，计算基桩所述土层类型的各类相关力学参数的标准值。

在本发明第一方面的一种可选的方式中，标准值的计算公式为：

式中，Φ_ij为第i种土层类型的第j类相关力学参数的标准值；n为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的个数；σ_ij为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的标准差；A_ij为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的平均值。

第二方面，本发明提供了一种基桩动测承载力的分析系统，该系统包括：

力学模型构建模块，用于通过现有数值分析方法构建各力学模型，包括基桩力学模型、桩侧力学模型以及桩尖力学模型；

基桩锤击测试模块，用于通过对基桩进行锤击测试，获取每次的落锤高度数据以及对应测得的基桩被重锤锤击后的贯入度数据；

相关计算参数确定模块，用于确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，所述相关力学参数的类型包括桩尖最大弹性变形、桩尖阻尼常数和桩侧阻力常数；

承载力计算模块，用于根据所述各力学模型、所述落锤高度数据、所述贯入度数据以及所述相关力学参数的标准值计算基桩动测承载力，输出计算结果；

参数调整模块，用于将所述计算结果与对基桩进行静载试验得到的测试结果进行对比，判断所述相关力学参数的标准值是否满足设定的误差要求，若不满足，调整所述相关力学参数的标准值，并根据调整后的相关力学参数的标准值重新计算基桩动测承载力。

本发明的有益效果为：

(1)基于数值分析方法的基础上，提出了一种新的基桩动测承载力的分析方法，方法便捷可靠，便于解决非线性问题，具有一定的工程应用参考价值，可作为研究基桩动测承载力的理论依据；

(2)根据以往对基桩进行高应变测试的历史测试数据来确定相关力学参数的取值，能够有效提高分析基桩动测承载力的精度；

(3)基桩的贯入度测量采用综合测试方法，避免了单独采用经纬仪方法测试时精度等级达不到要求，也避免了单独采用在基桩附近架设的基准梁测试时由于基准桩受振动的影响导致桩的贯入度测试结果不可靠，也避免了单独采用水准仪测试时每次测试需将锤架重新摆设所带来的不便和误差。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的基桩动测承载力的分析方法的流程示意图；

图2是本发明一个示例性实施例的基桩动测承载力的分析系统的结构示意图。

附图标记：

力学模型构建模块1、基桩锤击测试模块2、相关计算参数确定模块3、承载力计算模块4、参数调整模块5。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

图1示出了本发明一个示例性实施例的基桩动测承载力的分析方法的相关步骤。如图1所示，本发明实施例提供了基桩动测承载力的分析方法，该方法包括以下步骤：

S1通过现有数值分析方法构建各力学模型，包括基桩力学模型、桩侧力学模型以及桩尖力学模型。

在一种可选的方式中，建立基桩的力学模型时，采用有限差分代替描述冲击波沿基桩传播的微分方程，对基桩受重锤锤击时的动力性能进行分析，并应用波动方程来求解。其中利用有限元分析将基桩沿长度方向划分为多个设定长度的基桩单元。

其中，构建桩侧力学模型，包括构建桩侧的静阻力模型和动阻力模型。桩侧静阻力模型为弹塑性模型，函数形式如下：

式中，R_sm为桩侧土静阻力，K_m为基桩单元m的桩侧弹簧系数，K_m＝R_um/Q，R_um为基桩单元m桩侧阻力极限值，Q为土的最大弹性变形，D_m为基桩单元m土的变形。

桩侧动阻力模型函数如下：

R_dm＝R_sm×J_sm×v_m

式中，J_sm为基桩单元m的桩侧阻尼常数，v_m为基桩单元m的速度。

桩侧阻尼采用不同阻尼常数，根据本方案计算方法和实际工程试验结果对比，其取值范围可参照下表，其中J_s表示桩侧阻尼函数：

本实施例提出桩侧阻尼常数的合理取值范围，能够为理论计算提供较好的依据。

其中，构建桩尖力学模型，包括构建桩尖的静阻力模型和动阻力模型。桩尖静阻力模型为弹塑性模型，函数形式如下：

式中，R_sp为桩尖土静阻力，K_p为桩尖弹簧系数，K_p＝R_up/Q，R_up为桩尖阻力极限值，Q为土的最大弹性变形，D_p为土的变形。

桩尖动阻力模型函数如下：

R_dp＝R_sp×J_sp×v_p

式中，J_sp为桩尖土阻尼常数，v_p为桩尖的速度。

S2对基桩进行锤击测试，获取每次的落锤高度数据以及对应测得的基桩被重锤锤击后的贯入度数据。

在一种可能实现的方式中，对基桩进行锤击测试具体包括：

(1)采用水准仪测量基桩桩顶被锤击前和经过设定次数锤击后的相对高程，根据测得的两相对高程计算基桩总的贯入度，得到第一总贯入度；具体地，在基桩受到重锤锤击前，即基桩桩顶未摆设锤架前采用水准仪进行测量，测得桩顶锤击前相对高程，在基桩受到设定次数的重锤锤击后，即移走桩顶锤架后再采用水准仪进行测量，测得桩顶锤击后相对高程，将锤击后相对高程减去锤击前相对高程就可以得到第一总贯入度。

(2)在基桩附近分别架设经纬仪和基准梁，并在所述基准梁上安装百分表；其中，本实施例对经纬仪和基准梁的架设顺序不作限定。为避免基桩梁受到振动的影响，基桩的长度为1.5m时，基准梁的长度优选设置为6m。可采用螺栓固定的方式固定该基准梁。

(3)对基桩进行锤击测试，每次锤击后采用所述经纬仪和百分表测量基桩被锤击后的贯入度，二者测得的贯入度之差不超过设定的第一阈值时，将所述百分表测得的贯入度作为当次锤击测试的最终贯入度，并对基桩进行下一次锤击测试；二者测得的贯入度之差超过设定的第一阈值内时，调整所述基准梁的位置并重新对基桩进行锤击测试，直到测试的结果符合上述的阈值要求为止。其中，该第一阈值优选设置为0.5mm。

(4)当最终贯入度的数量与所述设定次数对应时，即最终贯入度的数量等于所述设定次数，将所有最终贯入度累加得到第二总贯入度。

(5)将所述第一总贯入度与所述第二总贯入度进行比较，若二者差值不超过设定的第二阈值时，将每次得到的最终贯入度作为对应每次锤击后基桩的贯入度。其中，该第二阈值优选设置为0.3mm。

本实施中，基桩的贯入度测量采用综合测试方法，避免了单独采用经纬仪方法测试时精度等级达不到要求，也避免了单独采用在基桩附近架设的基准梁测试时由于基准桩受振动的影响导致桩的贯入度测试结果不可靠，也避免了单独采用水准仪测试时每次测试需将锤架重新摆设所带来的不便和误差。

S3确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，所述相关力学参数的类型包括桩尖最大弹性变形、桩尖阻尼常数和桩侧阻力常数。在一种能够实现的方式中，确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值的具体方法为：

获取海量的对基桩进行高应变测试的历史测试数据，采用高应变曲线拟合法提取所述历史测试数据中的相关力学参数，并将提取到的所有相关力学参数按照土层类型进行分类存储入数据库；对所述数据库中的数据进行统计分析，计算基桩所述土层类型的各类相关力学参数的标准值。其中，在计算标准值时，可采用的计算公式为：

式中，Φ_ij为第i种土层类型的第j类相关力学参数的标准值；n为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的个数；σ_ij为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的标准差；A_ij为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的平均值。

例如，计算基桩在所属土层类型的桩尖最大弹性变形的标准值时，可将数据库中存储的所有属于该土层类型的桩尖最大弹性变形的相关数据作为原数据，计算出该原数据的平均值和标准差，从而根据上述的标准值计算公式，计算出该土层类型的桩尖最大弹性变形的标准值。

本实施例根据以往对基桩进行高应变测试的历史测试数据来确定相关力学参数的取值，能够有效提高分析基桩动测承载力的精度。

S4根据所述各力学模型、所述落锤高度数据、所述贯入度数据以及所述相关力学参数的标准值计算基桩动测承载力，输出计算结果。

具体地，进行程序编制和计算参数录入。该计算参数包括所述落锤高度数据、所述贯入度数据以及所述相关力学参数的标准值。该程序采用FORTRAN软件进行编制，其中，桩侧阻尼采用不同阻尼常数，桩侧阻力采用非线性分布方式。所输入的计算参数如下表所示：

S5将所述计算结果与对基桩进行静载试验得到的测试结果进行对比，判断所述相关力学参数的标准值是否满足设定的误差要求，若满足，采用该计算结果作为最终的基桩动测承载力分析结果；若不满足，调整所述相关力学参数的标准值，并根据调整后的相关力学参数的标准值重新计算基桩动测承载力。通过对所述相关力学参数的标准值进行调整，能够有效提高对基桩动测承载力进行分析的精度。

图2示出了基桩动测承载力的分析系统的结构示意图。如图2所示，该基桩动测承载力的分析系统包括：

力学模型构建模块1，用于通过现有数值分析方法构建各力学模型，包括基桩力学模型、桩侧力学模型以及桩尖力学模型；

基桩锤击测试模块2，用于通过对基桩进行锤击测试，获取每次的落锤高度数据以及对应测得的基桩被重锤锤击后的贯入度数据；

相关计算参数确定模块3，用于确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，所述相关力学参数的类型包括桩尖最大弹性变形、桩尖阻尼常数和桩侧阻力常数；

承载力计算模块4，用于根据所述各力学模型、所述落锤高度数据、所述贯入度数据以及所述相关力学参数的标准值计算基桩动测承载力，输出计算结果；

参数调整模块5，用于将所述计算结果与对基桩进行静载试验得到的测试结果进行对比，判断所述相关力学参数的标准值是否满足设定的误差要求，若不满足，调整所述相关力学参数的标准值，并根据调整后的相关力学参数的标准值重新计算基桩动测承载力。

本发明上述方法中的步骤可根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One-time Programmable Read-Only Memory，OTPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，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者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.基桩动测承载力的分析方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

通过现有数值分析方法构建各力学模型，包括基桩力学模型、桩侧力学模型以及桩尖力学模型；

对基桩进行锤击测试，获取每次的落锤高度数据以及对应测得的基桩被重锤锤击后的贯入度数据；

确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，所述相关力学参数的类型包括桩尖最大弹性变形、桩尖阻尼常数和桩侧阻力常数；

根据所述各力学模型、所述落锤高度数据、所述贯入度数据以及所述相关力学参数的标准值计算基桩动测承载力，输出计算结果；

将所述计算结果与对基桩进行静载试验得到的测试结果进行对比，判断所述相关力学参数的标准值是否满足设定的误差要求，若不满足，调整所述相关力学参数的标准值，并根据调整后的相关力学参数的标准值重新计算基桩动测承载力。

2.根据权利要求1所述的基桩动测承载力的分析方法，其特征是，对基桩进行锤击测试具体包括：

采用水准仪测量基桩桩顶被锤击前和经过设定次数锤击后的相对高程，根据测得的两相对高程计算基桩总的贯入度，得到第一总贯入度；

在基桩附近分别架设经纬仪和基准梁，并在所述基准梁上安装百分表；

对基桩进行锤击测试，每次锤击后采用所述经纬仪和百分表测量基桩被锤击后的贯入度，二者测得的贯入度之差不超过设定的第一阈值时，将所述百分表测得的贯入度作为当次锤击测试的最终贯入度，并对基桩进行下一次锤击测试；二者测得的贯入度之差超过设定的第一阈值内时，调整所述基准梁的位置并重新对基桩进行锤击测试；

最终贯入度的数量与所述设定次数对应时，将所有最终贯入度累加得到第二总贯入度；

将所述第一总贯入度与所述第二总贯入度进行比较，若二者差值不超过设定的第二阈值时，将每次得到的最终贯入度作为每次锤击后基桩的贯入度。

3.根据权利要求2所述的基桩动测承载力的分析方法，其特征是，所述第一阈值为0.5mm；所述第二阈值为0.3mm。

4.根据权利要求1所述的基桩动测承载力的分析方法，其特征是，所述确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，具体包括：

获取海量的对基桩进行高应变测试的历史测试数据，采用高应变曲线拟合法提取所述历史测试数据中的相关力学参数，并将提取到的所有相关力学参数按照土层类型进行分类存储入数据库；

对所述数据库中的数据进行统计分析，计算基桩所述土层类型的各类相关力学参数的标准值。

5.根据权利要求4所述的基桩动测承载力的分析方法，其特征是，标准值的计算公式为：

式中，Φ_ij为第i种土层类型的第j类相关力学参数的标准值；n为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的个数；σ_ij为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的标准差；A_ij为所述数据库中存储的所述第j类相关力学参数的平均值。

6.基桩动测承载力的分析系统，其特征是，该系统包括：

力学模型构建模块，用于通过现有数值分析方法构建各力学模型，包括基桩力学模型、桩侧力学模型以及桩尖力学模型；

基桩锤击测试模块，用于通过对基桩进行锤击测试，获取每次的落锤高度数据以及对应测得的基桩被重锤锤击后的贯入度数据；

相关计算参数确定模块，用于确定基桩在所属土层类型的相关力学参数的标准值，所述相关力学参数的类型包括桩尖最大弹性变形、桩尖阻尼常数和桩侧阻力常数；

承载力计算模块，用于根据所述各力学模型、所述落锤高度数据、所述贯入度数据以及所述相关力学参数的标准值计算基桩动测承载力，输出计算结果；

参数调整模块，用于将所述计算结果与对基桩进行静载试验得到的测试结果进行对比，判断所述相关力学参数的标准值是否满足设定的误差要求，若不满足，调整所述相关力学参数的标准值，并根据调整后的相关力学参数的标准值重新计算基桩动测承载力。