CN113239427A - 既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑抗震技术领域，提供一种既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法其步骤如下：建立基于性能设计的桩基弹塑性本构模型；将桩基弹塑性本构模型编写入有限元程序，以获得桩身在无加固状态下的受力与变形的结果，确定桩身敏感部位；提出加固方案，并获取桩身在加固状态下的受力与变形的结果；对比分析桩基弹塑性本构模型中的桩身在无加固状态和加固状态下的受力与变形的结果，并且，对加固状态下的桩身进行加固效率分析；加固效率E＝加固体积V/桩顶位移抑制率R，其中，桩顶位移抑制率R为同样荷载条件下，加固状态下的桩顶位移相比未加固状态下的桩顶位移减小百分比。桩基设计过程中的设计精度，准确地获得桩基加固方案。

Description

既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强方法

技术领域

本发明涉及建筑抗震技术领域，尤其提供一种既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强方法。

背景技术

桩基用于建筑、桥梁、高速铁路与公路、港口、城市轨道等基础设施。近年来，桩基基础设计使用量成倍增加，施工中的问题导致桩基低于设计承载力且性能快速下降，未充分考虑抗风、抗浪、抗震、抗滑移，产生后果严重的事故且留下隐患。土壤环境的自然腐蚀、地下水离子、干湿循环、冻融循环等产生的损伤导致桩基础力学性能，尤其是极限承载力和抵抗侧向变形力学性能大幅度降低，地震桩基发生剪切和屈曲失稳破坏。

传统的桩基设计大多采用静态解析法，不能准确掌握整体系统在地震中各自的动态响应及相互共共同作用问题。强震作用下，桩-土的变形会超出弹性范围，把握结构进入塑性状态后最终产生的塑性变形，才能解决地基-基础-上部结构共共同作用问题。

发明内容

本发明的目的提供一种既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，旨在解决现有的桩基设计过程中存在的设计精度不足的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，所述方法的步骤如下：

建立基于性能设计的桩基弹塑性本构模型；

将所述桩基弹塑性本构模型编写入有限元程序，以获得所述桩基弹塑性本构模型中的桩身在无加固状态下的受力与变形的结果，并且，确定桩身敏感部位；

根据所述桩基弹塑性本构模型中的桩身敏感部位，提出加固方案，并获取所述桩基弹塑性本构模型的桩身在加固状态下的受力与变形的结果；

对比分析所述桩基弹塑性本构模型中的桩身在无加固状态和加固状态下的受力与变形的结果，并且，对加固状态下的桩身进行加固效率分析；所述加固效率E＝加固体积V/桩顶位移抑制率R，其中，所述桩顶位移抑制率R为同样荷载条件下，加固状态下的桩顶位移相比未加固状态下的桩顶位移减小百分比。

本发明的有益效果：本发明提供的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其步骤如下，根据实际施工场地设计对应的桩基设计参数，例如，根据具体的施工场以及施工环境，设计桩基的规格以及相对数量；对建立的桩基弹塑性本构模型编写入有限元程序，利用有限元程序对桩基弹塑性本构模型进行无加固条件约束下的测试，以获得对应桩身的受力与形变的结果，同时，也可模拟各类测试环境，例如，在模拟各类突发事件(地震、台风以及海啸等环境) 中进行测试；最终确定桩身的敏感部分；根据上述步骤中所确定的桩身敏感部，提出加固方案，并且，获取在加固状态下，桩基弹塑性本构模型的桩身的受力与变形结果；对比上述步骤中在无加固状态和加固状态下桩基弹塑性本构模型中的桩身的受力与变形结果，提出加固系数分析，其中，加固效率E＝加固体积 V/桩顶位移抑制率R，该桩顶位移抑制率R为同样荷载条件下，加固状态下的桩顶位移相比未加固状态下的桩顶位移减小百分比，即通过加固系数增益或减小加固约束条件，从而提高桩基设计过程中的设计精度，准确地获得桩基加固方案。

在一个实施例中，对所述加固状态下的桩身进行加固效率分析的步骤之后，还包括：优化所述加固效率E值，以确定实际工程既有桩基的抵抗侧向变形力学性能增强方案。

在一个实施例中，所述桩基弹塑性本构模型为将任意一个截面的钢筋混凝土结构划分为若干子截面，根据所述子截面对应的建筑材料进行不同的应力应变的描述。

在一个实施例中，所述有限元程序为地层、桩和上部结构共同作用的三维有限元程序。

在一个实施例中，所述有限元程序包括桩结构本构模型、地层土体本构模型、接触面模型。

在一个实施例中，所述有限元程序中的加载条件为桩身结构应力、土体应力、桩身结构应变、土体应变、孔压发展、力加载加速度以及加载位移中的任意一种或几种。

在一个实施例中，所述受力与变形的结果为桩身弯矩、桩身剪力、桩身轴力、桩身形变、桩周土体位移以及桩身应力。

在一个实施例中，所述加固体积V＝加固深度D*宽度L*厚度H。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法的另一流程图；

图3为本发明实施例提供的桩基弹塑性本构模型中桩身在加固状态下和未加固状态下的受力示意图。

其中，图中各附图标记：

桩身1、注浆加固2。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

请参考图1，本申请的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，方法的步骤如下：

S1、建立基于性能设计的桩基弹塑性本构模型；

例如，根据具体的施工场景设计桩基弹塑性本构模型，具体地，涉及桩基的规格、布局等。

S2、将桩基弹塑性本构模型编写入有限元程序，以获得桩基弹塑性本构模型中的桩身在无加固状态下的受力与变形的结果，并且，确定桩身敏感部位；

利用有限元程序对桩基弹塑性本构模型进行模拟，例如，可在有限元程序里模拟桩身在各类突发事件中，其自身的受力与变形情况，这里，各类突发事件可为地震、台风以及海啸等自然环境，最终，找到模型中桩身的敏感部位，这里，敏感部位是指桩身易发生形变的部位。

S3、根据桩基弹塑性本构模型中的桩身敏感部位，提出加固方案，并获取桩基弹塑性本构模型的桩身在加固状态下的受力与变形的结果；

针对桩身敏感部位，提出加固方案，即提高桩身敏感部位的力学性能。具体地，在对桩身进行加固后，再通过有限元程序对其进行相同荷载下的模拟，以获取桩基弹塑性本构模型的桩身在加固状态下的受力与变形的结果。

S4、对比分析桩基弹塑性本构模型中的桩身在无加固状态和加固状态下的受力与变形的结果，并且，对加固状态下的桩身进行加固效率分析；加固效率 E＝加固体积V/桩顶位移抑制率R，其中，桩顶位移抑制率R为同样荷载条件下，加固状态下的桩顶位移相比未加固状态下的桩顶位移减小百分比。

通过对比桩身在无加固状态和加固状态下的受力与变形的结果，提出加固效率概念，即在对桩身进行加固后，其力学性能在对应荷载下的改善程度，具体地，加固效率E＝加固体积V/桩顶位移抑制率R，加固体积V可以理解注浆加固的体积。由于桩底固定在地基之中，认定其在受到荷载后位移基本保持不变，而桩顶则发生相应的位置偏移，具体地，桩顶位移抑制率R为同样荷载条件下，桩顶在加固状态下的位移与未加固状态下的桩顶位移减小百分，如图3 所示，桩身1的桩顶在未加固状态下，其受到荷载的位移为S1，对桩身1进行注浆加固2后，桩顶受到荷载的位移为S2，桩顶位移抑制率R＝1-(S2/S1)。

本发明提供的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其步骤如下，根据实际施工场地设计对应的桩基弹塑性本构模型，例如，根据具体的施工场以及施工环境，设计桩基的规格以及相对数量；对建立的桩基弹塑性本构模型编写入有限元程序，利用有限元程序对桩基弹塑性本构模型进行无加固条件约束下的测试，以获得对应桩身的受力与形变的结果，同时，也可模拟各类测试环境，例如，在模拟各类突发事件(地震、台风以及海啸等环境)中进行测试；最终确定桩身的敏感部分；根据上述步骤中所确定的桩身敏感部，提出加固方案，并且，获取在加固状态下，桩基弹塑性本构模型的桩身的受力与变形结果；对比上述步骤中在无加固状态和加固状态下桩基弹塑性本构模型中的桩身的受力与变形结果，提出加固系数分析，其中，加固效率E＝加固体积V/桩顶位移抑制率R，该桩顶位移抑制率R为同样荷载条件下，加固状态下的桩顶位移相比未加固状态下的桩顶位移减小百分比，即通过加固系数增益或减小加固约束条件，从而提高桩基设计过程中的设计精度，准确地获得桩基加固方案。

请参考图2，在一个实施例中，对加固状态下的桩身进行加固效率分析的步骤之后，还包括：优化加固效率E值，以确定实际工程既有桩基的抵抗侧向变形力学性能增强方案。可以理解地，根据具体的施工要求，可对加固效率E 值进行优化选择，从而满足贴合施工现场实际的加固要求。这样，在面对不同的施工现场时，实现加固效率E值的最优化，同时，也有有利于施工现场对桩基的经济性评价。

在一个实施例中，桩基弹塑性本构模型为将任意一个截面的钢筋混凝土结构划分为若干子截面，根据子截面对应的建筑材料进行不同的应力应变的描述。具体地，桩结构截面上任一点P(x,y)的轴向应变为ε_a,它可以分成三部分；即由弯矩M_x引起的ε_m1，弯矩M_y引起的ε_m2及由轴力引起的ε₀。ε_a可由下式来表达：

ε_a＝ε_m1+ε_m2+ε₀＝(x{H_u″(z)}^T+y{H_v″(z)}^T-{H_w′(z)}^T)·[A]{δ}＝{F(z)}^T·[A]{δ} (1)

这里，{δ}＝{u_i v_i w_i θ_xi θ_yi u_j v_j w_j θ_xj θ_yj}^T是节点位移矢量。

{F(z)}^T＝(x{H_u″(z)}^T+y{H_v″(z)}^T-{H_w′(z)}^T) (2)

{H_u″(z)}^T＝{0 0 0 0 0 2 0 0 0 6z}

{H_v″(z)}^T＝{0 0 0 0 0 0 2 0 6z 0} (3)

{H_w′(z)}^T＝{0 0 0 0 0 0 0 1 0 0}

由梁的虚应变而产生的虚功可以由下式表示：

另一方面，由相应的虚位移引起的外力所做虚功为：W＝{dδ}^T{F}.因此，由虚功原理(W＝U)可以得到：

{F}＝∫∫∫E·[A]^T{F(z)}{F(z)}^T[A]dv·{δ}＝[K]·{δ} (6)

这里[K]为梁单元的刚度矩阵，并可改写为：

[K]＝∫∫∫E[A]^T[I][A]dv (7)

[I]＝{F(z)}·{F(z)}^T＝(x{H_u″(z)}+y{H_v″(z)}-{H_w′(z)}) ·(x{H_u″(z)}^T+y{H_v″(z)}^T-{H_w′(z)}^T) (8)

其中，[I]是由下面的式(9)来描述的，它不考虑轴力对弯矩·曲率关系(M-Φ)的影响。

[I]＝[I₁]＝x²{H_u″(z)}·{H_u″(z)}^T+y²{H_v″(z)}·{H_v″(z)}^T+{H_w′(z)}·{H_w′(z)}^T (9)

由式(8)及(9)，[I]可以改写为：

[I]＝[I₁]+[I₂] (10)

其中[I₂]可由下式来表达：

[I₂]是在个结构理论中新加入的一个项，用于考虑由轴力引起的M-Φ关系。利用上述各式，刚度矩阵[K]可以改写为：

其中：

及

EA，EI_x，EI_y，EI_xy，E_x，E_y，代表桩结构的轴向弯矩及剪切的刚度，它们是由式(14)积分得到的。模量E在不同的截面位置上可以取不同的值，主要是依据该点的应力·应变状态而定。对积分EI_y，可以将截面划分为n个小块，然后由式(15)的积分来求，分块越细，积分求和的精度越高。

在一个实施例中，有限元程序为地层、桩和上部结构共同作用的三维有限元程序。可以理解地，有限元程序可对桩基弹塑性本构模型进行模拟约束，具体地，其约束场景可为地层、桩和上部结构共同作用的约束场景，这样，更加贴近实际的施工现场的环境条件，同时，也能够大幅提高模拟测试结果的准确性。

在一个实施例中，有限元程序包括桩结构本构模型、地层土体本构模型、接触面模型。可以理解地，在有限元程序中，可对桩结构本构模型、地层土体本构模型、接触面模型进行设置与调整，同时，也包括边界条件和排水条件的设置与调整。

在一个实施例中，有限元程序中的加载条件为桩身结构应力、土体应力、桩身结构应变、土体应变、孔压发展、力加载加速度以及加载位移中的任意一种或几种。可以理解地，在应对不同的施工现场时，有限元程序还可对加载条件进行设置与调整，范围不仅限于桩身结构应力、土体应力、桩身结构应变、土体应变、孔压发展、力加载加速度以及加载位移中的任意一种或几种。

在一个实施例中，受力与变形的结果为桩身弯矩、桩身剪力、桩身轴力、桩身形变、桩周土体位移以及桩身应力。可以理解地，在加固状态和无加固状态下，桩身在荷载作用下，获得桩身弯矩、桩身剪力、桩身轴力、桩身形变、桩周土体位移以及桩身应力等相关的力学性能数据，为加固方案提供数据支撑。

在一个实施例中，加固体积V＝加固深度D*宽度L*厚度H。可以理解地，加固体积为重新注浆凝固后的体积。以下通过一个具体的施工现场进行说明：数值模型为试上层砂土(5-35m)，下层洪积粘土(0-5m)的典型地层，水位位于地表下1.5m处。采用3×3的9桩桩基，桩外径1.0m，长32.0m，中心距为 3m，桩端部进入密实洪积粘土层，采用钢筋混凝土桩。在不考虑成桩施工方式影响情况下地层仅考虑重力场，计算采用循环加卸载模型，桩头水平侧向单调加载到极限状态50MN，加载具体大小因桩基承载力极限情况而异。分别计算了17个工况，具体如下：

根据数值模型计算结果，Case1～Case17分析工况中，桩身侧向位移随着加固范围的增加而减小，桩身中上部分的结构内力及周围地层应力和位移也明显减小；Case6工况桩身侧向位移相较Case1工况减小了约50％，而桩身最大弯矩微微减小而分布差异不大；Case8工况桩身侧向位移相较Case1工况减小了约45％，而桩身弯矩微微减小而分布差异不大；Case14工况的桩身侧向位移相较Case1工况减小了约80％，而桩身弯矩明显变小而分布形式差异不大。

以水平抑制率、加固效率和桩身内力作为判断指标，在加固深度D和宽度 L关系曲线的基础上分析其与水平抑制率、加固效率的关系，在加固深度D和厚度H关系曲线的基础上分析其与水平抑制率、加固效率的关系，并分析各加固工况下的桩身位移和内力，最终确定最佳施工方案(H＝6m，D＝0～4.5m， L＝9m)。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：

建立基于性能设计的桩基弹塑性本构模型；

将所述桩基弹塑性本构模型编写入有限元程序，以获得所述桩基弹塑性本构模型中的桩身在无加固状态下的受力与变形的结果，并且，确定桩身敏感部位；

根据所述桩基弹塑性本构模型中的桩身敏感部位，提出加固方案，并获取所述桩基弹塑性本构模型的桩身在加固状态下的受力与变形的结果；

对比分析所述桩基弹塑性本构模型中的桩身在无加固状态和加固状态下的受力与变形的结果，并且，对加固状态下的桩身进行加固效率分析；所述加固效率E＝加固体积V/桩顶位移抑制率R，其中，所述桩顶位移抑制率R为同样荷载条件下，加固状态下的桩顶位移相比未加固状态下的桩顶位移减小百分比。

2.根据权利要求1所述的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其特征在于：对所述加固状态下的桩身进行加固效率分析的步骤之后，还包括：优化所述加固效率E值，以确定实际工程既有桩基的抵抗侧向变形力学性能增强方案。

3.根据权利要求1所述的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其特征在于：所述桩基弹塑性本构模型为将任意一个截面的钢筋混凝土结构划分为若干子截面，根据所述子截面对应的建筑材料进行不同的应力应变的描述。

4.根据权利要求1所述的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其特征在于：所述有限元程序为地层、桩和上部结构共同作用的三维有限元程序。

5.根据权利要求1所述的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其特征在于：所述有限元程序包括桩结构本构模型、地层土体本构模型、接触面模型。

6.根据权利要求1所述的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其特征在于：所述有限元程序中的加载条件为桩身结构应力、土体应力、桩身结构应变、土体应变、孔压发展、力加载加速度以及加载位移中的任意一种或几种。

7.根据权利要求1所述的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其特征在于：所述受力与变形的结果为桩身弯矩、桩身剪力、桩身轴力、桩身形变、桩周土体位移以及桩身应力。

8.根据权利要求1所述的既有桩基抵抗侧向变形力学性能增强的方法，其特征在于：所述加固体积V＝加固深度D*宽度L*厚度H。

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