CN111985029A - 一种螺纹桩单桩承载力的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种螺纹桩单桩承载力的估算方法，包括：S01、获取非螺纹桩的现场施工参数以及现场静载荷数据；S02、建立非螺纹桩与土体的数值分析模型；S03、调整S02得到的数值分析模型中土体的参数，以使非螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、非螺纹桩在入土施工过程中的位移沉降与静载荷的数据曲线的拟合度大于92％；S04、将S03得到的数值分析模型中的非螺纹桩替换成螺纹桩，以得到螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、以及螺纹桩的单桩承载力。本申请提供的螺纹桩单桩承载力的估算方法，通过结合非螺纹桩的施工数据以及数值分析软件来估算螺纹桩的单桩承载力，估算结果准确且操作简单方便。

Description

一种螺纹桩单桩承载力的估算方法
技术领域
本申请涉及桩基工程技术领域，尤其涉及一种螺纹桩单桩承载力的估算方法。
背景技术
钢筋混凝土预制桩是一种高效的地基处理技术，钢筋混凝土预制桩成桩深度一般不超过20m，桩径由于受到成桩深度的限制，如何在不改变桩深和桩径的前提下提高钢筋混凝土预制桩的单桩承载力一直是基础工程的一个热点问题，钢筋混凝土预制螺纹桩就是其中的一种解决方法。然而，预制螺纹桩单桩承载力的估算比较复杂，这给预制螺纹桩的设计带来困难，影响预制螺纹桩的推广。
发明内容
本申请提供一种，通过结合非螺纹桩的施工数据以及数值分析软件来估算螺纹桩的单桩承载力，估算结果准确且操作简单方便。
本申请提供了一种螺纹桩单桩承载力的估算方法，包括：
S01、获取非螺纹桩在入土施工过程中的现场施工参数以及现场静载荷数据；
S02、基于数值分析软件，根据所述S01得到的所述现场施工参数以及所述现场静载荷数据建立所述非螺纹桩与土体的数值分析模型；
S03、调整所述S02得到的数值分析模型中所述土体的参数，以使所述非螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、所述非螺纹桩在入土施工过程中的位移沉降与静载荷的数据曲线的拟合度大于92％；
S04、在所述数值分析软件中，将所述S03得到的数值分析模型中的所述非螺纹桩替换成螺纹桩，以得到所述螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、以及所述螺纹桩的单桩承载力。
在其中一些实施例中，所述现场施工参数包括所述非螺纹桩的桩径、桩长，所述现场静载荷数据包括分级加载的静荷载、位移沉降。
在其中一些实施例中，所述土体的参数包括：弹性模量、粘聚力、内摩擦角、重力密度、土层厚度。
在其中一些实施例中，还包括：
S05、在所述数值分析软件中，调整所述S04得到的数值分析模型中的所述螺纹桩的设计参数，以得到对应设计参数下所述螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、以及所述螺纹桩的单桩承载力。
在其中一些实施例中，还包括：
S06、在保持入土深度值以及地质环境不变的情况下，重复所述S05，以得到不同所述设计参数下所述螺纹桩的单桩承载力，进而生成所述螺纹桩的单桩承载力修正。
在其中一些实施例中，所述设计参数包括桩径、螺宽、螺距、螺高。
在其中一些实施例中，还包括：
S07、在所述数值分析软件中，根据所述S05中所述螺纹桩对应的设计参数以及得到的所述螺纹桩的单桩承载力，拟合所述单桩承载力与所述设计参数对应的函数以及曲线。
在其中一些实施例中，所述S04的数值分析模型中所述土体采用欧拉体流体单元，地表为厚度1m的空单元，所述螺纹桩为拉格朗日线弹性连续介质单元。
在其中一些实施例中，还包括：
S08、在所述数值分析软件中，调整所述S04得到的数值分析模型中的入土深度值，以得到所述入土深度值对应的所述螺纹桩在施工过程中所需的预压反力。
在其中一些实施例中，所述数值分析软件为ABAQUS。
本申请提供的螺纹桩单桩承载力的估算方法，通过结合非螺纹桩的施工数据以及数值分析软件来估算螺纹桩的单桩承载力，估算结果准确且操作简单方便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的激光雷达的立体示意图；
图2为本申请实施例提供的实验值下的非螺纹桩、以及厚度为0.5m、0.1m以及0.15m的螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线图；其中，实验值下，非螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝0.0128x-0.9，R2＝0.9934；0.5m厚度下，螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝1.883e0.0016x，R2＝0.937；0.1m厚度下，螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝0.0137x-1.6028，R2＝0.9683；0.15m 厚度下，螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝1.8858e0.0015x，R2＝0.9207。
图3为本申请实施例提供的0.3m厚度的非螺纹桩、0.4m厚度的非螺纹桩以及 0.4m厚度的螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线图；其中，0.3m厚度的非螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝0.0398x-10.546，R2＝0.9663；0.4m厚度的非螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝0.0248x-5.8641，R2＝0.9801； 0.4m厚度的螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝1.899e0.0016x，R2＝0.9241。
图4为本申请实施例提供的螺距分别为0.35m、0.525m、0.7m以及0.175m的螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线图。其中，螺距为0.35m的螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝0.0145x-2.2618，R2＝0.9363；螺距为0.525m的螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝0.0136x-1.4495，R2＝0.9883；螺距为 0.7m的螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝1.8951e0.0017x，R2＝0.9583；螺距为0.175m的螺纹桩的单桩承载力与位移的曲线函数为：y＝0.9522e0.004x， R2＝0.9711。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
钢筋混凝土预制桩是一种高效的地基处理技术，钢筋混凝土预制桩成桩深度一般不超过20m，桩径由于受到成桩深度的限制，如何在不改变桩深和桩径的前提下提高钢筋混凝土预制桩的单桩承载力一直是基础工程的一个热点问题，钢筋混凝土预制螺纹桩就是其中的一种解决方法。
目前，一般桩的单桩承载力的设计值通常采用侧阻+端阻的形式计算。非螺纹桩的侧阻采用单位侧摩擦阻力与桩侧面积的乘积表示。但是预制螺纹桩的侧阻力估算比较复杂，这给预制螺纹桩的设计带来困难，影响预制螺纹桩的推广。预制螺纹桩属于挤土型桩，从力学角度看，挤土型桩成桩过程是一个大变形问题，而桩体刚度相较于桩周土体大很多，这种力学模型符合拉格朗日-欧拉体耦合假定。因此，基于拉格朗日单元-欧拉体单元流固耦合理论的钢筋混凝土预制桩入土成桩规程的数值仿真模型能在较大程度上反映钢筋混凝土预制桩的实际受力状态，进而能够较准确的估算钢筋混凝土预制桩的单桩承载力。通过变换预制螺纹桩的结构设计参数，就可以获得相似地质条件下，预制螺纹桩单桩承载力与结构设计参数之间的关系，进而得到一定地质条件下，钢筋混凝土预制螺纹桩单桩承载力的修正系数表，为预制螺纹桩的结构设计提供参考依据。
螺纹桩边界形态复杂，桩-土相互作用机理较非螺纹桩复杂，对螺纹桩竖向承载特性的研究已成为岩土工程界的一大学术难点。基于此，本估算方法采用大型商用有限元软件Abaqus对螺纹桩竖向承载特性进行研究。
估算方法主要通过对预制非螺纹桩的现场静载荷试验及桩入土施工过程数值模拟，反演出计算模型的物理力学参数，在此基础上，将模型中的非螺纹桩变换成预制螺纹桩重新进行桩入土施工过程数值模拟，反算出预制螺纹桩单桩竖向承载力。
具体地，本实施例提供了一种螺纹桩单桩承载力的估算方法。螺纹桩单桩承载力的估算方法包括：
S01、获取非螺纹桩在入土施工过程中的现场施工参数以及现场静载荷数据。
S02、基于数值分析软件，根据所述S01得到的所述现场施工参数以及所述现场静载荷数据建立所述非螺纹桩与土体的数值分析模型。在其中一些实施例中，所述数值分析软件为ABAQUS。
S03、调整所述S02得到的数值分析模型中所述土体的参数，以使所述非螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、所述非螺纹桩在入土施工过程中的位移沉降与静载荷的数据曲线的拟合度大于92％。
上述的S01、S02、S03的步骤即：跟据预制非螺纹桩施工现场监测数据，进行三维数值模型建立。根据预制非螺纹桩现场实验曲线，对运用ABAQUS建立的三维数值模型进行参数调整，使得数值模拟下的曲线和实验曲线基本吻合，从而论证模型的正确性。在正确模型的基础上，能够得到土体的侧摩擦系数，得到各项土体的参数。
S04、在所述数值分析软件中，将所述S03得到的数值分析模型中的所述非螺纹桩替换成螺纹桩，以得到所述螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、以及所述螺纹桩的单桩承载力。
上述的S01、S02、S03、S04的步骤即：跟据预制非螺纹桩施工现场监测数据，进行三维数值模型建立。根据预制非螺纹桩现场实验曲线，对运用ABAQUS 建立的三维数值模型进行参数调整，使得数值模拟下的曲线和实验曲线基本吻合，从而论证模型的正确性。在正确模型的基础上，能够得到土体的侧摩擦系数，得到各项土体的参数。基于各项正确的参数，将非螺纹桩改为螺纹桩，其他参数不变，对螺纹桩进行三维数值分析。
本申请提供的螺纹桩单桩承载力的估算方法，通过结合非螺纹桩的施工数据以及数值分析软件来估算螺纹桩的单桩承载力，估算结果准确且操作简单方便。模拟结果显示，本申请可以较容易地估计螺纹桩单桩承载力，能提高经济性、实用性。建立预制螺纹桩入土施工过程和静载荷试验的数值仿真模型，估算单桩承载力时，会自动考虑周螺纹与周边土体之间的相互作用关系，只需要设置一个接触摩擦系数，大大简化了预制螺纹桩单桩承载力的估算模型。
在其中一些实施例中，所述现场施工参数包括所述非螺纹桩的桩径、桩长，所述现场静载荷数据包括分级加载的静荷载、位移沉降。所述土体的参数包括土层厚度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、重力密度。
通过将非螺纹桩所得单桩承载力与螺纹桩单桩承载力进行对比分析，发现螺纹桩可以提高单桩承载力。
在其中一些实施例中，螺纹桩单桩承载力的估算方法还包括：S05、在所述数值分析软件中，调整所述S04得到的数值分析模型中的所述螺纹桩的设计参数，以得到对应设计参数下所述螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、以及所述螺纹桩的单桩承载力。根据非螺纹桩与螺纹桩进行对比，所得结果可知，螺纹对单桩承载力有一定的影响，改变螺纹桩的设计参数可以得到不同的单桩承载力。改变螺纹桩的设计参数，其他土体参数不变，循环计算得到模拟的不同单桩承载力进行结果比对，能够得到最佳单桩承载力曲线。
在其中一些实施例中，螺纹桩单桩承载力的估算方法还包括：S06、在保持入土深度值以及地质环境不变的情况下，重复所述S05，以得到不同所述设计参数下所述螺纹桩的单桩承载力，进而生成所述螺纹桩的单桩承载力修正。通过单桩承载力修正能够对S04中得到的单桩承载力进行修正，以使模拟出的单桩承载力更接近于实际施工过程中螺纹桩的单桩承载力。
在其中一些实施例中，所述设计参数包括桩径、螺宽、螺距、螺高。具体地，如，在保持其它参数不变的情况下，将螺距依次设置为a、1.5a以及2a并获取螺距为a、1.5a以及2a时对应的单桩承载力，基于各个螺距的数值及其对应的单桩承载力的数值能够拟合出螺距与单桩承载力的数据曲线，之后可基于该数据曲线能够对不同螺距下的单桩承载力进行修正。在保持其它参数不变的情况下，将螺宽依次设置为b、1.5b以及2b并获取螺宽为b、1.5b以及2b时对应的单桩承载力，基于各个螺宽的数值及其对应的单桩承载力的数值能够拟合出螺宽与单桩承载力的数据曲线，之后可基于该数据曲线能够对不同螺宽下的单桩承载力进行修正。在保持其它参数不变的情况下，将螺高依次设置为c、1.5c 以及2c并获取螺距为c、1.5c以及2c时对应的单桩承载力，基于各个螺高的数值及其对应的单桩承载力的数值能够拟合出螺高与单桩承载力的数据曲线，之后可基于该数据曲线能够对不同螺高下的单桩承载力进行修正。
在其中一些实施例中，螺纹桩单桩承载力的估算方法还包括：S07、在所述数值分析软件中，根据所述S05中所述螺纹桩对应的设计参数以及得到的所述螺纹桩的单桩承载力，拟合所述单桩承载力与所述设计参数对应的函数以及曲线。
在其中一些实施例中，所述S04的数值分析模型中所述土体采用欧拉体流体单元，地表为厚度1m的空单元，所述螺纹桩为拉格朗日线弹性连续介质单元。传统耦合的连续介质单元只能选用刚体单元，这和预制桩的线弹性属性差异较大，影响位移荷载条件下，预压反力的计算和静载荷试验的模拟精度，通过设计算法，建立拉格朗日线弹性连续介质单元与欧拉体流体单元耦合的预制螺纹桩的入土施工过程和静载荷试验的数值模拟，大大提高了计算精度。
在其中一些实施例中，螺纹桩单桩承载力的估算方法还包括：S08、在所述数值分析软件中，调整所述S04得到的数值分析模型中的入土深度值，以得到所述入土深度值对应的所述螺纹桩在施工过程中所需的预压反力。在其中一些实施例中，也可以通过螺纹桩截面结点的竖向应力反算螺纹桩在设计入土深度值处的预压反力，预压反力可以作为判断单桩承载力的重要参考依据。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，包括：
S01、获取非螺纹桩在入土施工过程中的现场施工参数以及现场静载荷数据；
S02、基于数值分析软件，根据所述S01得到的所述现场施工参数以及所述现场静载荷数据建立所述非螺纹桩与土体的数值分析模型；
S03、调整所述S02得到的数值分析模型中所述土体的参数，以使所述非螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、所述非螺纹桩在入土施工过程中的位移沉降与静载荷的数据曲线的拟合度大于92％；
S04、在所述数值分析软件中，将所述S03得到的数值分析模型中的所述非螺纹桩替换成螺纹桩，以得到所述螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、以及所述螺纹桩的单桩承载力。
2.如权利要求1所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，所述现场施工参数包括所述非螺纹桩的桩径、桩长，所述现场静载荷数据包括分级加载的静荷载、位移沉降。
3.如权利要求1所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，所述土体的参数包括：弹性模量、粘聚力、内摩擦角、重力密度、土层厚度。
4.如权利要求1所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，还包括：
S05、在所述数值分析软件中，调整所述S04得到的数值分析模型中的所述螺纹桩的设计参数，以得到对应设计参数下所述螺纹桩的数值模拟的位移沉降与静载荷的数据曲线、以及所述螺纹桩的单桩承载力。
5.如权利要求1所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，还包括：
S06、在保持入土深度值以及地质环境不变的情况下，重复所述S05，以得到不同所述设计参数下所述螺纹桩的单桩承载力，进而生成所述螺纹桩的单桩承载力修正。
6.如权利要求4所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，所述设计参数包括桩径、螺宽、螺距、螺高。
7.如权利要求4所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，还包括：
S07、在所述数值分析软件中，根据所述S05中所述螺纹桩对应的设计参数以及得到的所述螺纹桩的单桩承载力，拟合所述单桩承载力与所述设计参数对应的函数以及曲线。
8.如权利要求1所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，所述S04的数值分析模型中所述土体采用欧拉体流体单元，地表为厚度1m的空单元，所述螺纹桩为拉格朗日线弹性连续介质单元。
9.如权利要求1所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，还包括：
S08、在所述数值分析软件中，调整所述S04得到的数值分析模型中的入土深度值，以得到所述入土深度值对应的所述螺纹桩在施工过程中所需的预压反力。
10.如权利要求1至9中任一项所述的螺纹桩单桩承载力的估算方法，其特征在于，所述数值分析软件为ABAQUS。
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