CN111553002B - 一种桩基的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木建筑工程技术领域，尤其是一种桩基的优化设计方法，包括以下步骤：建立符合工程特点的复合地层桩基受力分析模型并确定各分层土体的几何参数、物理力学参数；计算桩基的轴力受力分布并进行桩基结构强度判断；计算桩基中性面深度；根据桩基的中性面深度判断桩基的承载模式，并确定桩基荷载的计算方法；在桩端不承载条件下，根据桩基的中性面位置进行桩基的设计参数优化；在桩端承载条件下，分别计算桩基的桩侧承载轴力分布、桩底受载大小及其分布，并根据上述参数优化桩基的设计参数满足安全要求。本发明的优点是：通过建立符合工程特点的复合软土地层桩基承载模式、设计计算方法，建立了复合地层桩基设计过程技术经济合理优化。

Description

一种桩基的优化设计方法

技术领域

本发明涉及土木建筑工程技术领域，尤其是一种桩基的优化设计方法。

背景技术

软土复合地层桩基设计是一个非常复杂的工程力学问题。涉及桩基的承载模式、桩土共同作用、安全性以及技术经济合理性等，现行设计规范中采用工程类比和摩擦承载模型设计桩基参数，并结合现场抽样试桩检验桩基工程的安全性。缺乏对桩基承载模式及其动态转化规律的正确判断及符合工程实际的桩体位移计算方法，设计中往往缺少桩基技术经济合理性优化，造成经济上的浪费或安全方面的不确定性和技术风险。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种桩基的优化设计方法，通过建立符合工程特点的复合软土地层桩基承载模式、设计计算方法，解决了桩基承载模式的定量评价、桩基受力及位移的合理计算模型和计算方法，从而建立了复合地层桩基设计过程技术经济合理优化。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种桩基的优化设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：建立符合工程特点的复合地层桩基受力分析模型并确定各分层土体的几何参数、物理力学参数；计算所述桩基的轴力受力分布并进行桩基结构强度判断；计算桩基中性面深度；根据所述桩基的中性面深度判断桩基的承载模式，并确定桩基荷载的计算方法；

在桩端不承载条件下，根据所述桩基的中性面位置进行所述桩基的设计参数优化；

在桩端承载条件下，分别计算所述桩基的桩侧承载轴力分布、桩底受载大小及其分布，并根据上述参数优化所述桩基的设计参数满足安全要求。

所述桩基的轴力受力分布通过下式计算：

式中，N _zm 为桩基轴向受力、P为桩基的桩顶荷载、D为桩基的桩体直径、μ为泊松比、ψ _m 为第m层内摩擦角、γ为容重、ΔH为土层厚度、E为桩底下部土体平均弹性模量、△H _i 为第i层土体的厚度、γ _i 和γ _m 分别为第i层和第m层地层的土体密度、C _m 为第m层土体粘聚力。

所述桩基的中性面的深度通过下式计算：

式中，Z⁰为所述中性面的深度、η，ξ为中间变量，P为桩基的桩顶荷载。

根据所述桩基的中性面深度判断桩基的承载模式指的是，当所述桩基的长度大于中性面深度时，所述桩基为桩侧摩擦承载模式；当所述桩基的长度小于中性面深度时，所述桩基为桩侧摩擦承载结合桩底抗力的共同承载模式。

基于位移等效原则建立由地层刚度系数表征的桩基桩底竖向位移等效弾性模型并计算等效刚度k _s ，从而根据等效刚度计算所述桩基的底部位移。

所述桩基的底部位移通过下式计算：

式中，U _d 为所述桩底相对于下部土体的位移即桩底位移、N _H 为所述桩基的桩底轴力、k _s 为所述桩基桩底竖向位移等效弾性模型的弹性系数、β为应力扩散角，S _d 为桩底竖向坐标值、R ₀为桩底与土体接触面半径、S _d 为桩底到基底的距离、E为桩底下部土体弹性模量。

所述桩基桩底竖向位移等效弾性模型的弹性系数通过下式计算：

式中，β为应力扩散角、R ₀为桩底与土体接触面半径、S _d 为桩底到基底的距离、E为桩底下部土体弹性模量。

本发明的优点是：通过建立符合工程特点的复合软土地层桩基承载模式、设计计算方法，解决了桩基承载模式的定量评价、桩基受力及位移的合理计算模型和计算方法，从而建立了复合地层桩基设计过程技术经济合理优化；适用于任意软土地层桩基工程的设计及技术经济合理性优化分析。

附图说明

图1为本发明中任意深度土体微元体受力状态图；

图2为本发明中桩体受力及其中性面示意图；

图3为本发明中工程桩的桩端荷载分布图；

图4为本发明中基于应力扩散的桩底位移等效模型图；

图5为本发明的实施流程图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：本实施例中的桩基的优化设计方法通过以下设计思路实现：

不考虑桩基施工及成桩过程土与桩基（灌注及养护期桩基）的相互作用，只考虑桩基满龄后的承载能力及其与土体的相互作用。忽略桩体自重对下端部土体的荷载及压缩位移。并假定：

计算区域内地层可处理为水平分布；

同一层土体可处理为均值同性介质；

地层之间为整合接触且不存在非连续面。当土体分成n层，每层对应厚度分别为ΔH _i 。任意深度z处微元体及其受力如图1所示。

桩基轴向受力可由下式（1）计算。

(1)

式中，式中，N _zm 为桩基轴向受力、P为桩基的桩顶荷载、D为桩基的桩体直径、μ为泊松比、ψ为内摩擦角、γ为容重、△H _i 为第i层土体的厚度、γ _i 和γ _m 分别为第i层和第m层地层的土体密度、C _m 为第m层土体粘聚力。

定义外部结构荷载作用下桩体轴力为零的横断面为桩基的桩体中性断面。如图2所示。由于桩体的轴向变形位移从上端部受载点开始，逐步向下传递，当桩基长度足够大时，总存在一个轴力为零的临界断面（上面定义的中性断面）。z=0-z⁰桩长范围内的侧摩阻力平衡了桩顶端面的荷载，从而荷载没有继续向下传递。

桩基中性面深度可由式(2)计算。

(2)

，

式中，Z⁰为所述中性面的深度、η，ξ为中间变量、P为桩基的桩顶荷载。

如果把桩基底部荷载分为施工荷载和结构荷载，则只有在桩长H小于z ⁰时，才有可能出现桩基的端部承载。中性断面以下部分桩体作为桩基冗余承载力存在。当桩基长度H大于中性面深度z ⁰时，桩体抗压承载力（抗拔力）全部由桩侧摩阻力承担，桩端荷载为零；当桩长小于中性面深度z ⁰时，桩顶荷载将分别由桩侧摩阻力和桩底抗力共同承担。取桩基长度为H，桩端受载的临界条件为：

(3)

桩端荷载分布比较复杂且与地层力学参数有关。考虑桩体及作用形态的对称性特点，为便于计算分析，取分布形式为旋转抛物面。如图3所示。

取三维曲面方程：

(4)

可推导出桩端荷载分布可表达式：

(5)

式中，N _H 为所述桩基的桩底轴力，d为桩体直径。

桩端荷载将一定扩散角向下部呈衰减式传播，形成基于荷载作用点为圆心、任意曲率半径的等应力曲面。考虑到桩底竖直下方范围内，水平面与曲面的应力分布差异不大，为便于建模，将等应力面近似为水平面。从而建立等效计算模型如图4所示。为避免繁杂的弹性理论推导，便于工程应用，基于位移等效原则建立由地层刚度系数表征的桩底竖向位移等效弾性模型并提出等效刚度k _s 的一般化计算方法。

等效刚度及桩基底部位移计算方法如下：

式中，U _d 为所述桩底相对于下部土体的位移即桩底位移、N _H 为所述桩基的桩底轴力、k _s 为所述桩基桩底竖向位移等效弾性模型的弹性系数、β为应力扩散角，S _d 为桩底竖向坐标值、R ₀为桩底与土体接触面半径。

本实施例在具体实施时，如图5所示，包括以下步骤：

1）建立符合工程特点的复合地层桩基受力分析模型并确定各分层土体的几何参数、物理力学参数。

2）计算桩基的轴力受力分布并进行桩基结构强度判断，该结构强度判断指的是其结构强度是否满足安全需要。

3）计算桩基中性面深度；根据桩基的中性面深度判断桩基的承载模式，并确定桩基荷载的计算方法。

4）在桩端不承载条件下，根据所述桩基的中性面位置进行所述桩基的设计参数优化。此处的桩基参数优化可以是经济合理性分析，具体指的是，由于中性断面以下部分桩体作为桩基的冗余承载力存在，因此在满足其结构强度及安全性的前提下，例如可适当减少桩基的桩长，从而节约施工材料，降低施工成本。

5）在桩端承载条件下，分别计算所述桩基的桩侧承载轴力分布、桩底受载大小及其分布，并根据上述参数优化所述桩基的设计参数满足安全要求。

通过上述方法，可实现：1）桩基承载模式的判断；2）桩基侧摩阻分布计算；3）桩基轴向应力分布计算；4）桩基底部荷载分布计算。从而可对桩基进行设计优化，提高技术经济效益。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (1)

1.一种桩基的优化设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：建立符合工程特点的复合地层桩基受力分析模型并确定各分层土体的几何参数、物理力学参数；计算所述桩基的轴力受力分布并进行桩基结构强度判断；计算桩基中性面深度；根据所述桩基的中性面深度判断桩基的承载模式，并确定桩基荷载的计算方法；

在桩端不承载条件下，根据所述桩基的中性面位置进行所述桩基的设计参数优化；

在桩端承载条件下，分别计算所述桩基的桩侧承载轴力分布、桩底受载大小及其分布，并根据上述参数优化所述桩基的设计参数满足安全要求；

所述桩基的轴力受力分布通过下式计算：

式中，N _zm 为桩基轴向受力、P为桩基的桩顶荷载、D为桩基的桩体直径、μ为泊松比、ψ为内摩擦角、γ为容重、ΔH _i 为第i层土体的厚度、γ _i 和γ _m 分别为第i层和第m层地层的土体密度、C _m 为第m层土体粘聚力；

所述桩基的中性面的深度通过下式计算：

式中，Z⁰为所述中性面的深度、η，ξ为中间变量，P为桩基的桩顶荷载；

根据所述桩基的中性面深度判断桩基的承载模式指的是，当所述桩基的长度大于中性面深度时，所述桩基为桩侧摩擦承载模式；当所述桩基的长度小于中性面深度时，所述桩基为桩侧摩擦承载结合桩底抗力的共同承载模式；

基于位移等效原则建立由地层刚度系数表征的桩基桩底竖向位移等效弾性模型并计算等效刚度k _s ，从而根据等效刚度计算所述桩基的底部位移；

所述桩基的底部位移通过下式计算：

式中，U _d 为所述桩底相对于下部土体的位移即桩底位移、N _H 为所述桩基的桩底轴力、k _s 为所述桩基桩底竖向位移等效弾性模型的弹性系数、β为应力扩散角，S _d 为桩底竖向坐标值、R ₀为桩底与土体接触面半径；

所述桩基桩底竖向位移等效弾性模型的弹性系数通过下式计算：

式中，β为应力扩散角、S _d 为桩底竖向坐标值、R ₀为桩底与土体接触面半径、E为桩底下部土体弹性模量。

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