CN110241865A - 一种裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以用于实际工程的计算裙式桶形吸力基础水平承载力的方法。公式计算步骤：(1)确定桶基结构各尺寸参数。(2)测得地基土的饱和重度γ′。(3)由材料与土的直剪试验确定桶体与土体之间的摩擦系数f。(4)根据“m”法确定水平向地基系数k_h。(5)计算朗肯主动土压力系数K_a。(6)计算作用在桶基上的竖向作用力之和V。(7)利用本发明公式计算桶基水平极限承载状态时的转角ω，将计算得到的ω值代入得到桶基极限水平荷载计算值P。(8)桶基极限水平荷载设计值P_u＝αP(α＜0.75)，其中α为安全系数。本发明对裙式吸力桶形基础水平承载模式分析清晰，简化合理，得到的水平承载力计算公式形式简单易用，且准确性较好。

Description

一种裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法

技术领域

本发明涉及一种裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法，应用于海上工程，属于海洋工程锚固基础技术领域。

背景技术

吸力式桶形基础是一种应用于海上工程的新型基础，是一种下端开口、上端闭合的圆柱形薄壁结构，施工安装时通过抽水使桶内形成负压实现下沉，安装完成之后桶内的负压可起到抗拔承载作用，并可以利用土反力和摩擦力提供水平承载力。这种新型基础以其施工简单、效率高和成本较低等优势在近年被大量采用。

裙式吸力桶形基础是吸力式桶形基础的一种改进形式，即在吸力基础上附加设置“裙”结构。改进后的裙式吸力基础水平承载能力得到显著提高，同时侧移得到有效限制，特别适合作为主控荷载为水平荷载的海上风电塔架等结构的基础。这种基础发展前景良好，但是相关研究尚停留在室内模型试验阶段，理论分析和结构计算尚不成熟，并且没有相关的实际工程技术资料可以参考。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法。在试验数据和有限元计算的基础上，分析桶体与土的相互作用，基于经典朗肯土压力理论和温克尔地基理论，应用极限平衡法推导得到基础的水平承载力计算公式并进行修正，该方法对桶基的实际工程应用和设计有重要的参考意义。

为了达到以上的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法，包括以下步骤：

1)确定裙式吸力桶形基础结构各尺寸参数，包括主桶半径d₁、桶裙半径d₂、主桶高度L、桶裙高度L₁；

2)测得地基土的饱和重度γ′；

3)由直剪试验确定桶体与土体之间的摩擦系数f；

4)根据“m”法确定水平向地基系数k_h，即k_h＝mz，其中m为常数系数，z为土体深度；

5)计算朗肯主动土压力系数K_a：

6)计算作用在桶基上的竖向作用力之和V，包括作用在桶体和桶裙的力；

7)利用以下公式计算桶基水平极限承载状态时的转角ω：

式中：k_v为竖向地基系数，k_v＝m₀z，其中m₀为常数系数，z为土体深度；

8)将计算得到的ω值代入下式，得到桶基极限水平荷载计算值P：

9)桶基极限水平荷载设计值P_u＝αP，其中α为安全系数，取值应小于0.75。

所述步骤4)中的m值确定方法，具体步骤为：根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093—2017)参考值确定，或通过水平静载试验确定；水平静载试验过程为：在地面处对桩体施加水平荷载，量测位移绘制荷载—位移关系曲线，在曲线上找出对应地面处桩的水平位移为6mm的荷载值，然后反复假定m的取值，直到地面水平位移计算结果为6mm，此时假定的m值即为该地基土的m值。

所述步骤7)中的k_v值确定方法，具体步骤为：根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093—2017)参考值确定m₀值。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明对裙式吸力桶形基础水平承载模式分析清晰，简化合理，得到的水平承载力计算公式形式简单易用，且准确性较好。本发明得到的裙式吸力桶形基础水平承载计算公式，可为其实际工程应用和设计计算提供有价值的参考。

附图说明

图1为本发明针对的裙式吸力桶形基础剖面示意图。

图2为本发明中裙式吸力桶形基础水平承载模型示意图。

图3为本发明中土体的径向水平抗力沿桶周分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明。

某工程基础主桶直径及桶高分别为240cm及480cm，桶壁厚4cm，基础顶板厚度为20cm，裙宽和裙高度分别为100cm和120cm。地基土为密实海砂，重度为18kN/m³，内摩擦角为30.8°。

如图1所示，一种裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法，实施步骤如下：

1)确定裙式吸力桶形基础结构各尺寸参数，主桶半径d₁＝2.4m、桶裙半径d₂＝1m、主桶高度L＝4.8m、桶裙高度L₁＝1.2m；

2)测得地基土的饱和重度γ′为18kN/m³；

3)由直剪试验确定桶体与土体之间的摩擦系数f，取为0.3；

4)根据“m”法确定水平向地基系数k_h，即k_h＝mz，其中z为土体深度，m根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093—2017)参考值取为1.5×10⁴kPa/m²；

5)计算朗肯主动土压力系数K_a：

6)计算作用在桶基上的竖向作用力之和V，包括作用在桶体和桶裙的力；

V＝π×[2.88²×0.2+(1.24²-1.2²)×4.8+(2.24²-2.2²)×1.2]×7850＝7.34×7850＝57657kg

7)利用以下公式计算桶基水平极限承载状态时的转角ω：

竖向地基系数k_v＝m₀z，m₀根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093—2017)参考值取为1.5×10⁴kPa/m²

8)将计算得到的ω值代入下式，得到桶基极限水平荷载计算值P：

9)安全系数α取0.75，桶基极限水平荷载设计值P_u＝αP＝1021×0.75＝765.75kN。

步骤7)、8)中公式推导说明如下：

1)分析试验数据及有限元计算结果得到裙式吸力桶形基础简化的水平极限承载模型，如图2所示。

2)根据简化的水平极限承载模型得到各作用力的平衡方程：

式中：σ_zp为主桶受力方向前侧的土压力，σ_za1、σ_za2为主桶受力方向后侧的土压力，σ′_zp为桶裙受力方向前侧的土压力；

τ₁、τ₂分别为主桶受力方向前侧和后侧处土的摩擦力，τ′为桶裙受力方向前侧处土的摩擦力；

σ_z、σ′_z分别为主桶和桶裙顶盖处基底土反力；

τ_b、τ′_b分别为主桶和桶裙顶盖处土的摩擦力；

V为作用在桶盖中心处的竖向作用力总和；

P为作用在桶盖中心处的水平作用力总和；

M为作用在桶盖中心处的力矩总和；

h为作用点距转动中心高度。

各分量求解：

定义以原点O为起点以桶体外壁任意计算点为终点的矢量，其在XOY平面上的投影与X轴正向夹角为θ，则XOZ平面内(即θ＝0时)，桶体前侧径向土体水平抗力沿桶高呈抛物线型分布(见图3)，其形式为：

σ_x0＝k_h(z-z₀)ω (4)

式中：k_h为水平向地基系数，可根据“m”法确定，即k_h＝mz。

在XOY平面内，土体的径向水平抗力沿桶周呈三角函数分布(图3)，其形式为：

σ_r＝σ_x0cosθ (5)

土体径向水平抗力沿x轴方向的分量为

σ_zp＝σ_rcosθ＝σ_x0cos²θ (6)

将式(4)代入式(6)，可得任意深度处土体的x向水平抗力为

σ_zp＝ωmz(z-L)cos²θ (7)

而桶体后侧土体抗力为：

任意深度处土体的x向水平抗力为

式中：K_a为郎肯主动土压力系数；γ′为土体饱和重度。

根据Winkler假定，作用在桶盖上的基底反力

σ_z＝k_vxω(0＜x≤d₁) (10)

σ′_z＝k_vxω(d₁＜x≤d₁+d₂) (11)

认为作用于外侧桶壁上的竖向土体摩擦力与该处径向水平土体压力成正比，即在深度z处，竖向剪应力为τ_z＝fσ_r，各项剪应力为

τ₁＝fωmz(z-L)cosθ (12)

τ′₁＝fωmz(z-L)cosθ，z≤L₂ (13)

τ_b＝fσ_z＝fk_vxω，(0＜x≤d₁) (15)

τ′_b＝fσ′_z＝fk_vxω，(d₁＜x≤d₁+d₂) (16)

由于只考虑水平承载力，竖向力V作为已知量。z₀根据计算分析取近似值3/4L。各分量代入方程式组(1)(2)(3)中，得到

将式(17)求得的ω代入式(18)，可得到竖向作用力V已知时，裙式桶形结构极限水平荷载值P。

工程算例结果对比发现，该公式作设计应用时偏于危险，计算得到的荷载值P误差约在20％左右，故应乘以一个较小的安全系数α，即设计值P_u＝αP(α＜0.75)。

Claims (3)

1.一种裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定裙式吸力桶形基础结构各尺寸参数，包括主桶半径d₁、桶裙半径d₂、主桶高度L、桶裙高度L₁；

2)测得地基土的饱和重度γ′；

3)由直剪试验确定桶体与土体之间的摩擦系数f；

4)根据“m”法确定水平向地基系数k_h，即k_h＝mz，其中m为常数系数，z为土体深度；

5)计算朗肯主动土压力系数K_a：

6)计算作用在桶基上的竖向作用力之和V，包括作用在桶体和桶裙的力；

7)利用以下公式计算桶基水平极限承载状态时的转角ω：

式中：k_v为竖向地基系数，k_v＝m₀z，其中m₀为常数系数，z为土体深度；

8)将计算得到的ω值代入下式，得到桶基极限水平荷载计算值P：

9)桶基极限水平荷载设计值P_u＝αP，其中α为安全系数，取值应小于0.75。

2.根据权利要求1所述的裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法，其特征在于，所述步骤4)中的m值确定方法，具体步骤为：根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093—2017)参考值确定，或通过水平静载试验确定，水平静载试验过程为：对桩进行水平静载试验，地面处对桩体施加水平荷载，绘制荷载—位移关系曲线，在曲线上找出对应地面处桩的水平位移为6mm的荷载值，然后反复假定m的取值，直到地面水平位移计算结果为6mm时，此时假定的m即为该种土的m值。

3.根据权利要求1所述的裙式吸力桶形基础的水平承载力计算方法，其特征在于，所述步骤7)中的m₀值确定方法，具体步骤为：根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093—2017)参考值确定或根据试验实测值确定。