CN111985032B - 一种桩基础地震失效模式的判别方法 - Google Patents

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Abstract

一种桩基础地震失效模式的判别方法，属于基础抗震技术领域。确定监测的目标桩体，沿所确定的目标桩体的长度方向设置多个传感器，设置传感器的采集频率，采集并记录桩体的响应，根据采集的桩体响应，分别计算桩体的弯矩、剪力以及位移速率，将弯矩、剪力以及位移速率分别带入弯曲破坏、剪切破坏以及屈曲失稳破坏判别公式，进行桩体实时状态判别，直至目标桩体破坏或监测结束，并给出桩体状态的判断。本发明提供了一种可以用于实际工程中的同时考虑弯曲破坏、剪切破坏和屈曲失稳破坏的桩基失稳模式判别方法，基于材料力学基本原理，可以有效的判断出桩基的破坏模式，对后续的工程设计和研究提供有效的数据及宝贵的经验。

Description

一种桩基础地震失效模式的判别方法
技术领域
本发明涉及一种桩基础地震失效模式的判别方法，属于基础抗震技术领域。
背景技术
随着国家的发展和社会的进步，我国的基础设施建设发展迅速，因此对于铁路工程、桥梁工程和港口工程等大型基础设施建设提出了更严格的要求。桩基础由于其经济性、耐久性和适用性的优势，成为目前各种工程中使用最为广泛的一种基础形式。通过历次地震灾害调查表明，地震会对桩基础产生多种破坏形式，常见的有剪切破坏、弯曲破坏和屈曲失稳破坏等。然而目前对于桩基础破坏模式的判别方法鲜有应用，尤其是桩基础的屈曲失稳破坏判别更是研究冷门，导致了现有的桩基础设计准则中很难合理的将桩基础屈曲失稳破坏考虑其中，使得桩基础设计存在设计缺陷，严重降低了铁路工程、桥梁工程和港口工程等大型基础设施的安全性，进而对国民经济造成不可估算的威胁。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种桩基础地震失效模式的判别方法。
实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种桩基础地震失效模式的判别方法，所述方法包括如下步骤：
S1：确定监测的目标桩体；
S2：沿S1所确定的目标桩体的长度方向设置多个传感器；
S3：设置S2中的传感器的采集频率；
S4：采集并记录桩体的响应；
S5：根据S4中采集的桩体响应，分别计算桩体的弯矩、剪力以及位移速率；
S6：将S5中的弯矩、剪力以及位移速率分别带入弯曲破坏、剪切破坏以及屈曲失稳破坏判别公式，进行桩体实时状态判别；
S7：重复S3-S6，直至目标桩体破坏或监测结束，并给出桩体状态的判断。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种可以用于实际工程中的同时考虑弯曲破坏、剪切破坏和屈曲失稳破坏的桩基失稳模式判别方法，基于材料力学基本原理，可以有效的判断出桩基的破坏模式，对后续的工程设计和研究提供有效的数据及宝贵的经验。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是实施例桩体位置图；
图3是实施例趋势曲线图；
图4是实施例位移速率图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：本发明公开了一种桩基础地震失效模式的判别方法，所述方法包括如下步骤：
S1：确定监测的目标桩体；
无论是港口工程还是桥梁工程，实际工程中桩基础多为群桩形式，并且由于场地条件的差异，使得桩体的受力状态有所不同，这就要求我们监测中应根据实际工程及研究需求，来确定需要监测的目标桩体；
S2：沿S1所确定的目标桩体的长度(埋深)方向依次设置多个传感器；
S3：根据需求设置S2中的传感器的采集频率；
S4：采集并记录桩体的响应(应变、位移、速率等)；
S5：根据S4中采集的桩体响应，分别计算桩体的弯矩、剪力以及位移速率；
S6：将S5中的弯矩、剪力以及位移速率分别带入弯曲破坏、剪切破坏以及屈曲失稳破坏判别公式，进行桩体实时状态判别；
S7：重复S3-S6，直至目标桩体破坏或监测结束，并给出桩体状态的判断。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，S2中所述多个传感器采用位移传感器、应变传感器以及加速度传感器中的至少一种。
传感器的选择可以是多样的，不仅仅局限于位移传感器，凡是可以直接或者间接的监测到桩体的位移时程的传感器即可，比如市面上常见的加速度传感器以及应变传感器，可以通过测得的加速度记录和应变记录基于力学知识可以反算得到桩体的位移时程记录而阵列式位移传感器则可以直接测得桩体的位移时程记录。无论是哪种传感器，都应该满足现场或者室内试验条件，应该具有一定的耐久性和可靠性，以便满足长期监测的目的。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二作出的进一步说明，S2中所述多个传感器的布置间距为桩长的1/8～1/5，传感器布置越密集，计算精度越高。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，S3中所述传感器采集频率分为静态频率和动态频率。
静态频率可根据需求自主设定采集频率。
动态频率时，主要是针对地震来临时桩体的响应判别。
地震荷载作为一种随机动荷载形式，地震荷载的频率对确定时间间隔来说是至关重要的，在确定动态时间间隔时，根据港口工程所在地，选取典型的地震动记录，确定最长的地震动持时(T)。根据地震动持时来估算动态时间间隔，见下式：
Figure BDA0002642630180000041
式中，
T为地震动持时，
Δt为采集时间间隔。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或四作出的进一步说明，S5中所述桩体弯矩的计算公式为：
Figure BDA0002642630180000042
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
Figure BDA0002642630180000043
为求偏导数符号，
M(x,t)为桩体的不同埋深处的弯矩时程记录，
Ep为桩体的弹性模量，
Ip为桩体最小惯性矩，
y(x,t)为桩体的不同埋深处的位移时程记录，
θ(x,t)为桩体的不同埋深处的转角时程记录。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或四作出的进一步说明，S5中所述桩体剪力的计算公式为：
Figure BDA0002642630180000051
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
Figure BDA0002642630180000052
为求偏导数符号，
y(x,t)为桩体的不同埋深处的位移时程记录，
V(x,t)为桩体的不同埋深处的剪力时程记录，
Ep为桩体的弹性模量，
Ip为桩体最小惯性矩。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或四作出的进一步说明，S5中所述桩体剪力的计算公式为：
Figure BDA0002642630180000053
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
Figure BDA0002642630180000054
为求偏导数符号，
M(x,t)为桩体的不同埋深处的弯矩时程记录，
V(x,t)为桩体的不同埋深处的剪力时程记录。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一或四作出的进一步说明，S5中所述桩体位移速率的计算公式为：
Figure BDA0002642630180000061
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
Figure BDA0002642630180000062
为求偏导数符号，
v(x,t)为桩体的不同埋深处的位移速率，
y(x,t)为桩体的不同埋深处的位移时程记录。
在连续性假设、均匀性假设、各向同性假设条件下，取桩体微段进行受力分析，根据力和弯矩的平衡方程可以推出，桩体的位移、弯矩、剪力等之间的关系式，其相互转换公式如下所示：
Figure BDA0002642630180000063
式中，
y(x,t)为不同埋深处桩体的位移时程记录，
θ(x,t)为不同埋深处桩体的转角时程记录，
M(x,t)为不同埋深处桩体的弯矩时程记录，
V(x,t)为不同埋深处桩体的剪力时程记录，
q(x,t)为不同埋深处桩体的外力荷载时程记录。
桩体失稳破坏往往是属于第二类失稳问题，与第一类失稳不同的是，第二类失稳问题往往表现为极值点失稳，即荷载和位移曲线会呈现出明显的上升与下降段，当桩体未发生屈曲失稳时，其位移呈现出较为规律的线性变化，一旦位移出现迅速增加的现象而此时的桩体弯矩又未达到屈服弯矩，则可以认为桩体发生了失稳。因此，通过对桩体的挠曲线时程求偏导，即可得到位移的变化速率，用来描述桩体位移的变化状态，一旦桩体变化状态发生了显著的改变，则极有可能发生了屈曲失稳。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八作出的进一步说明，本发明针对不同的破坏模式提出了不同的判断方法，对于弯曲破坏和剪切破坏通过引入比例因子来判断，而屈曲失稳破坏则通过位移速率波动来进行判断。S6中所述弯曲破坏判别的计算公式为：
Figure BDA0002642630180000071
式中，
Mmax为某一时刻处的桩体最大弯矩，
My为桩体的屈服弯矩，
km为弯矩因子。
当弯矩因子km≥1.0时，认为桩体发生了弯曲破坏，反之，桩体未发生弯曲破坏。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式一或九作出的进一步说明，S6中所述剪切破坏判别的计算公式为：
Figure BDA0002642630180000081
式中，
Vmax为某一时刻处的桩体最大剪切力，
Vy为桩体的屈服剪切力，
kv为剪力因子。
当剪力因子kv≥1.0时，认为桩体发生了剪切破坏，反之，桩体未发生剪切破坏。
具体实施方式十一：本实施方式是对具体实施方式十作出的进一步说明，S6中所述屈曲失稳破坏判别的计算公式为：
Figure BDA0002642630180000082
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
v为桩体位移速率，
Δt为采集时间间隔，
kb为屈曲因子，含义为某一时刻的位移速率远远大于前一时刻的位移速率时，即当t时刻的桩体位移速率远大于t-Δt时刻的桩体位移速率时，即可认为目标桩体可能发生屈曲失稳破坏。
具体实施方式十二：本实施方式是对具体实施方式十一作出的进一步说明，所述kb为1.5-2.0。
实施例1：
桩基弹性模量(Ep)为6.9×104MPa，屈服强度为276MPa，剪切强度为150Mpa，屈服弯矩为：1.0160MNm，屈服剪力为：19.782.0MN。
S1：选定靠近陆地一侧的中间的桩体为目标桩体，如附图2所示；
S2：沿所述桩体长度方向每隔3m布置一个应变传感器，并在桩顶布置LVDT位移传感器；
S3：地震作用属于动态情况，因此采集频率设置为0.1s；
S4：0.1s时采集的应变传感器数据见下表1，根据上述换算公式，可计算得到弯矩、剪力，如下表所示：
表1
Figure BDA0002642630180000091
S5：最大位移发生在桩顶，因此本案例仅对桩顶处的位移数据处理即可判断屈曲失稳模式，桩顶位移时程曲线经过处理后，其趋势曲线如附图3所示，根据上述换算公式，可计算得到位移速率，如附图4所示。
S6：将0.1s时的弯矩、剪力带入判别公式，km和kv都小于1.0，判断为未发生弯曲和剪切破坏。带入屈曲判别公式，kb小于1.5，判断为未发生屈曲失稳破坏。
S7：循环S3-S6，直至第351s左右，km大于1.0，而kv小于1.0，带入屈曲判别公式，kb小于1.5。因此可以推断出桩基发生了弯曲破坏。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (12)

1.一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：确定监测的目标桩体；
S2：沿S1所确定的目标桩体的长度方向设置多个传感器；
S3：设置S2中的传感器的采集频率；
S4：采集并记录桩体的响应；
S5：根据S4中采集的桩体响应，分别计算桩体的弯矩、剪力以及位移速率；
S6：将S5中的弯矩、剪力以及位移速率分别带入弯曲破坏、剪切破坏以及屈曲失稳破坏判别公式，进行桩体实时状态判别；
S7：重复S3-S6，直至目标桩体破坏或监测结束，并给出桩体状态的判断。
2.根据权利要求1所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S2中所述多个传感器采用位移传感器、应变传感器以及加速度传感器中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S2中所述多个传感器的布置间距为桩长的1/8～1/5。
4.根据权利要求3所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S3中所述传感器采集频率分为静态频率和动态频率。
5.根据权利要求1或4所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S5中所述桩体弯矩的计算公式为：
Figure FDA0003646284980000011
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
Figure FDA0003646284980000021
为求偏导数符号，
M(x,t)为桩体的不同埋深处的弯矩时程记录，
Ep为桩体的弹性模量，
Ip为桩体最小惯性矩，
y(x,t)为桩体的不同埋深处的位移时程记录，
θ(x,t)为桩体的不同埋深处的转角时程记录。
6.根据权利要求1或4所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S5中所述桩体剪力的计算公式为：
Figure FDA0003646284980000022
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
Figure FDA0003646284980000023
为求偏导数符号，
y(x,t)为桩体的不同埋深处的位移时程记录，
V(x,t)为桩体的不同埋深处的剪力时程记录，
Ep为桩体的弹性模量，
Ip为桩体最小惯性矩。
7.根据权利要求1或4所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S5中所述桩体剪力的计算公式为：
Figure FDA0003646284980000024
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
Figure FDA0003646284980000031
为求偏导数符号，
M(x,t)为桩体的不同埋深处的弯矩时程记录，
V(x,t)为桩体的不同埋深处的剪力时程记录。
8.根据权利要求1或4所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S5中所述桩体位移速率的计算公式为：
Figure FDA0003646284980000032
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
Figure FDA0003646284980000034
为求偏导数符号，
v(x,t)为桩体的不同埋深处的位移速率，
y(x,t)为桩体的不同埋深处的位移时程记录。
9.根据权利要求8所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S6中所述弯曲破坏判别的计算公式为：
Figure FDA0003646284980000033
式中，
Mmax为桩体最大弯矩，
My为桩体的屈服弯矩，
km为弯矩因子；
当弯矩因子km≥1.0时，认为桩体发生了弯曲破坏，反之，桩体未发生弯曲破坏。
10.根据权利要求1或9所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S6中所述剪切破坏判别的计算公式为：
Figure FDA0003646284980000041
式中，
Vmax为桩体最大剪切力，
Vy为桩体的屈服剪切力，
kv为剪力因子；
当剪力因子kv≥1.0时，认为桩体发生了剪切破坏，反之，桩体未发生剪切破坏。
11.根据权利要求10所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：S6中所述屈曲失稳破坏判别的计算公式为：
Figure FDA0003646284980000042
式中，
x为桩顶到桩身任意位置的距离，
t为监测时间内的任意时刻，
v为桩体位移速率，
Δt为采集时间间隔，
kb为屈曲因子；
当t时刻的桩体位移速率大于t-Δt时刻的桩体位移速率时，认为目标桩体发生屈曲失稳破坏。
12.根据权利要求11所述的一种桩基础地震失效模式的判别方法，其特征在于：所述kb为1.5-2.0。
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