CN114154213A - 一种基于有限元软件与荷载传递法联合的单桩计算方法 - Google Patents

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CN114154213A CN202111357228.2A CN202111357228A CN114154213A CN 114154213 A CN114154213 A CN 114154213A CN 202111357228 A CN202111357228 A CN 202111357228A CN 114154213 A CN114154213 A CN 114154213A
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soil
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settlement
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于光明
陈美合
王卫
张泽超
张博
代加林
祝文龙
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CABR Technology Co Ltd
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China Three Gorges Corp
CABR Technology Co Ltd
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Abstract

一种基于有限元软件与荷载传递法联合的单桩计算方法，它包括以下步骤：步骤1：根据地勘报告建立土体几何模型，计算地表堆载作用下各土层的应力变化过程；步骤2：从有限元计算结果中提取某一时刻对应的土体有效应力和沉降数据；步骤3：通过荷载传递曲线法对给定时刻下桩基轴向承载响应进行计算。本发明的目的是为了解决现有技术中堆载作用下土体应力、沉降变化的短期效应和长期效应对单桩轴向承载力影响的计算难题。

Description

一种基于有限元软件与荷载传递法联合的单桩计算方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，涉及一种基于有限元软件与荷载传递法联合的单桩计算方法。
背景技术
桩基础作为最为广泛使用的深基础形式，可以将上部结构的荷载逐级传递到深层土质较硬、强度较高的持力层中，以较小横截面和较低代价实现穿越深厚软粘土地层并使桩端支撑在硬土层的目的。
由于土地资源日趋紧张，各种建筑工程、桥梁工程向富含软土的滨海地区延伸，软土具有高含水率、高压缩性以及低渗透性等特点，往往由于工程建设需要地表存在大面积吹填土或其他原因产生的局部范围堆载、地下水位下降、湿陷性黄土，以及为治理海上风电场冲刷问题在超大直径钢管桩周围大面积抛填石块，桩基础周围形成大面积堆载或有限面积堆载，地基在额外的荷载作用下发生固结沉降以及蠕变沉降，桩侧产生负摩阻力，负摩阻力不仅会降低桩身承载能力，还会作为附加荷载增大桩身轴力，准确考虑该部分荷载作用是工程设计的重要一环。由于桩基础计算理论的不足，对于桩基础长期承载计算方法目前还没有成套而实用的计算体系供大家使用。
堆载作用下土体地应力变化较为复杂，很难通过理论计算的方法实现，特别是不规则有限面积堆载，在现有国家规范中指出了考虑负摩阻力问题的原则以及对不均匀沉降的控制标准进行规定，未能给出具体的计算方法，并且没有考虑桩基础承载性能的时间效应，该问题的理论研究远远滞后于工程实践。桩周软土沉降由于土体的固结、蠕变特性而存在时间效应，计算过程难免要考虑基础受力的时间变化，荷载传递τ-Δ曲线法是目前工程设计中桩基轴向承载力计算最普遍的方法之一，可以实现桩基轴向承载力的快速设计，计算收敛性好，通过Python语言编制完成后可重复使用，但单桩轴向承载力计算程序较难考虑包含固结、蠕变效应等土体复杂特性的本构模型，即使考虑也需要重新推导公式，其过程繁琐，时间成本和入门门槛较高。常用模拟岩土工程问题的有限元软件有Abaqus、Flac3D、Plaxis3D、Midas、Ansys等，其中Abaqus有限元软件通过有限元的方法可以方便求解土体的固结、蠕变效应，但是若将桩基础也考虑在计算模型中，建模过程复杂，且由于接触面建立等多种原因，容易出现模型计算出错或不收敛的情况，调整校核模型需花费大量的时间，计算成本较高；另外Flac3D软件采用有限差分方法求解土体的变形受力特性，软件岩土本构模型种类丰富，包含Maxwell模型、Burgers模型、WIPP等九种蠕变模型，同时也可进行渗流场的计算分析，是一款功能强大的岩土专用分析软件，亦可用于各种岩土工程土体变形受力计算。
发明内容
本发明的目的是为了克服有限元软件建立桩土复杂相互作用分析模型的繁琐过程以及计算效率较低、单桩轴向承载力计算程序难以考虑土体复杂的固结、蠕变特性的技术缺陷，充分发挥有限元软件和单桩轴向承载力计算程序的优势，解决现有技术中堆载作用下土体应力、沉降变化的短期效应和长期效应对单桩轴向承载力影响的计算难题。
一种基于有限元软件与荷载传递法联合的单桩计算方法，它包括以下步骤：
步骤1：根据地勘报告建立土体几何模型，计算地表堆载作用下各土层的应力变化过程；
步骤2：从有限元计算结果中提取某一时刻对应的土体有效应力和沉降数据；
步骤3：通过荷载传递曲线法对给定时刻下桩基轴向承载响应进行计算。
在步骤1中，根据工程现场地质勘查报告，通过有限元软件建立几何模型，赋予不同地层相应的本构模型、渗透系数、孔隙比等，计算堆载作用下土体内部响应。
在步骤1中，具体包括以下步骤：
步骤1)考虑土体在堆载作用下的固结行为，根据工程现场地质勘查报告，在Abaqus有限元软件Part模块中建立二维或三维几何模型，在Property模块中赋予不同土层相应的本构模型，并给定固结分析所需参数，然后对模型进行组装；
步骤2)在Abaqus分析步Step模块中分别建立地应力平衡、堆载施加、固结分析步，在菜单栏Output下选中Fieldoutputrequests，设定计算所需输出变量，然后建立位移边界条件和孔压边界条件，施加地表堆载并在预定义场中设置土体孔隙比；
步骤3)划分土体几何模型为六面体网格，土层深度方向网格划分厚度与后续荷载传递程序中桩段划分数须一致，建立Job并提交计算，获取堆载作用下土体内部响应。
在步骤1中，若考虑堆载作用下桩周土体的蠕变效应，进行土体响应分析，建立土体几何模型，对土体赋予蠕变本构模型，设置边界条件，划分六面体网格，提交计算获得结果文件。
在步骤2中，具体包括以下步骤：
步骤1)打开计算结果文件，输出所需位置沿深度每个节点的土体竖向有效应力和节点沉降变形，分列保存在.csv格式的输入文件；
步骤2)打开基于Python语言编制的单桩轴向承载力计算程序，调用.csv输入文件，将土体竖向有效应力和土体沉降变形数据分别指定给计算程序对应的竖向有效应力和土体沉降变形两个变量。
在步骤3中，对于任意给定时刻，通过下述迭代求解算法获得所有桩节点的轴力、侧摩阻力、桩身变形，步骤3的具体步骤如下：
1)根据土层的分层情况将嵌入土体的桩划分为k段，每个桩段再划分M个微段，同时桩顶施加上部结构传递的竖向荷载；
2)假定微小量作为第一段桩桩头变形
Figure BDA0003357889920000031
初始值，对应节点编号i＝0，该节点剪应力
Figure BDA0003357889920000032
按照如下双曲线模型计算：
Figure BDA0003357889920000033
式中：
Figure BDA0003357889920000034
为第一段桩第i节点在第一轮迭代获得的桩侧剪应力；
Figure BDA0003357889920000035
为第一段桩第i节点在第一轮迭代中的桩土相对位移，按
Figure BDA0003357889920000036
计算；
Figure BDA0003357889920000037
为第一段桩第i节点在第一轮迭代的桩身变形；St1(i)为第一段桩第i节点相邻土体沉降；ks1(i)为第一段桩第i节点桩侧剪切刚度，按照ks1(i)＝Gsoil1(i)/(r0ln(rm/r0))计算，Gsoil(i)为桩周土的剪切模量；r0为桩的半径；rm为最大影响半径；
3)计算相邻节点桩身轴力
Figure BDA0003357889920000038
按照公式
Figure BDA0003357889920000039
计算，编号为1的桩节点沉降按照公式
Figure BDA00033578899200000310
计算，该节点摩阻力按公式
Figure BDA00033578899200000311
计算；
4)将第一桩段由桩顶向下按照公式
Figure BDA00033578899200000312
Figure BDA00033578899200000313
依次计算第2节点至第n节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；
5)随后计算第二桩段的内力和变形，第二桩段第0节点沉降和轴力与第一桩段最后一节点相等，将第二个桩段由上向下按照公式
Figure BDA0003357889920000041
Figure BDA0003357889920000042
依次计算其余节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；运用同样的方法将第三至第k所有桩段计算完毕，最后可获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure BDA0003357889920000043
和桩端沉降
Figure BDA0003357889920000044
6)根据上一步计算获得的桩端轴力按照桩端边界条件公式
Figure BDA0003357889920000045
计算获得新的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000046
式中：Gb为桩端土剪切模量；vs为桩端土泊松比；wcb (1)为桩端相邻节点桩周土体沉降；αb为桩端承载力水平系数；
7)若基于假定桩顶变形计算的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000047
和按照桩端边界条件计算的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000048
两者之间误差小于容许误差，即
Figure BDA0003357889920000049
说明在第一步中假定的桩顶变形
Figure BDA00033578899200000410
是满足要求的；否则，需假定新的桩顶变形
Figure BDA00033578899200000411
并重复多次迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差
Figure BDA00033578899200000412
即停止迭代，输出桩身各节点轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
迭代收敛标准建议值取容许误差ζ＝1×10-6m。
Abaqus软件自带岩土体本构模型非常有限，但该有限元软件具有强大的子程序二次开发功能，可以在计算过程中调用已有的二次开发本构模型等子程序来考虑土体特定的力学特性。
τult1(i)为第一段桩第i节点桩土界面极限剪应力，按照τult1(i)＝τf1(i)/Rf计算；桩土界面剪应力
Figure BDA00033578899200000413
需小于等于桩土界面极限剪应力τult1(i)；Rf为破坏比；τf1(i)为第一层土i节点界面抗剪强度，按照τf1(i)＝k01(i)tanδ1·σ′1(i)计算，式中：k01为第一层土的静止土压力系数；σ′1(i)为第一层土i节点的竖向有效应力；δ1为第一层土桩土界面摩擦角，按照δ1＝κ·φ′1计算；κ为强度折减因子；φ′1为第一层土的内摩擦角；
桩侧剪应力
Figure BDA00033578899200000414
也可按照理想弹塑性模型进行计算，即公式
Figure BDA00033578899200000415
当
Figure BDA00033578899200000416
大于τult1(i)时取
Figure BDA00033578899200000417
在进行桩土微单元数量划分时，应遵循同一土层对应的桩土微单元厚度相等，不同土层对应的桩土微单元厚度接近原则进行划分。
一种对桩基轴向承载响应进行计算的方法，它包括以下步骤：
1)根据土层的分层情况将嵌入土体的桩划分为k段，每个桩段再划分M个微段，同时桩顶施加上部结构传递的竖向荷载；
2)假定微小量作为第一段桩桩头变形
Figure BDA0003357889920000051
初始值，对应节点编号i＝0，该节点剪应力
Figure BDA0003357889920000052
按照如下
Figure BDA0003357889920000053
双曲线模型计算；
3)计算所有桩段各个节点桩身轴力
Figure BDA0003357889920000054
计算桩身轴力、桩身变形、桩侧剪应力，获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure BDA0003357889920000055
和桩端沉降
Figure BDA0003357889920000056
4)将上一步获得的桩端轴力代入桩端边界条件算得新的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000057
若该值与上一步迭代获得的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000058
误差小于容许误差，说明假定的桩顶变形满足要求；否则，重新假定桩顶变形并重复迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差满足要求结束计算，打印输出桩身各节点轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
在步骤4)中，具体包括以下步骤：
(1)将第一桩段由桩顶向下按照公式
Figure BDA0003357889920000059
Figure BDA00033578899200000510
依次计算第2节点至第n节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；
(2)随后计算第二桩段的内力和变形，第二桩段第0节点沉降和轴力与第一桩段最后一节点相等，将第二个桩段由上向下按照公式
Figure BDA00033578899200000511
Figure BDA00033578899200000512
依次计算其余节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；运用同样的方法将第三至第k所有桩段计算完毕，最后可获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure BDA00033578899200000513
和桩端沉降
Figure BDA00033578899200000514
(3)根据上一步计算获得的桩端轴力按照桩端边界条件公式
Figure BDA00033578899200000515
计算获得新的桩端沉降
Figure BDA00033578899200000516
式中：Gb为桩端土剪切模量；vs为桩端土泊松比；wcb (1)为桩端相邻节点桩周土体沉降；αb为桩端承载力水平系数；
(4)若基于假定桩顶变形计算的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000061
和按照桩端边界条件计算的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000062
两者之间误差小于容许误差，即
Figure BDA0003357889920000063
说明在第一步中假定的桩顶变形
Figure BDA0003357889920000064
是满足要求的；否则，需假定新的桩顶变形
Figure BDA0003357889920000065
并重复多次迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差
Figure BDA0003357889920000066
即停止迭代，输出桩身各节点轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明主要基于Abaqus等有限元软件对土体在堆载作用下的应力场和位移场进行计算分析，形成单桩轴向承载力计算程序输入文件，通过Python程序调用输入文件，再结合荷载传递法达到计算单桩轴向短期承载力和长期承载力的目的，该技术操作简便，自动化程度高，计算效率高，避免了复杂的桩土有限元模型建模及计算过程。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1有限元与荷载传递法耦合分析单桩轴向承载力计算流程图；
图2土体有限元网格图；
图3桩土单元离散示意图；
图4桩土界面双曲线模型图；
图5超孔隙水压力消散曲线图；
图6土体沉降随时间变化曲线图；
图7桩身轴力随深度变化曲线图；
图8桩土变形随深度变化曲线图。
具体实施方式
一种基于有限元软件与荷载传递法联合的单桩计算方法，它包括以下步骤：根据地勘报告建立土体几何模型，通过通用有限元软件计算地表堆载作用下各土层的应力变化过程，从有限元计算结果文件中提取某一时刻对应的土体有效应力和沉降数据形成输入文件，在基于Python语言编制的单桩轴向承载力计算程序中调用输入文件，最后通过荷载传递τ-Δ曲线法对给定时刻桩基轴向承载响应进行计算。
如图1所示，为本发明的计算方法流程示意图，具体计算步骤如下：
(1)根据工程现场地质勘查报告，在Abaqus有限元软件Part模块中几何模型，若考虑堆载作用下土体固结行为，在Property模块中赋予不同土层相应的本构模型，并给定渗透系数、孔隙比等固结分析所需参数，由于Abaqus软件自带岩土体本构模型非常有限，可以借助该软件强大的子程序二次开发功能，在计算过程中调用已有的二次开发本构模型来考虑土体特定的力学特性，然后对模型进行组装；
(2)在Abaqus分析步Step模块中分别建立地应力平衡、堆载施加、固结分析步，在菜单栏Output下选中Fieldoutputrequests，设定计算所需输出变量，然后建立位移边界条件和孔压边界条件，施加地表堆载并在预定义场中设置土体孔隙比；
(3)划分土体几何模型为六面体网格，土层深度方向网格划分厚度与后续荷载传递程序中桩段划分数须一致，图2为土体有限元网格，建立Job并提交计算，获取堆载作用下土体内部响应。
(4)若考虑堆载作用下桩周土体的蠕变效应，也可使用Flac3D等其他分析软件进行土体响应分析，Flac3D自带的土体蠕变本构模型非常丰富，通过Abaqus或Flac3D软件建立建立土体几何模型，对土体赋予蠕变本构模型，设置边界条件，划分六面体网格，提交计算获得结果文件。
(5)有限元模型计算完成后打开计算结果文件，输出所需位置沿深度每个节点的土体竖向有效应力和节点沉降变形，分列保存在.csv格式的输入文件；
(6)打开基于Python语言编制的单桩轴向承载力计算程序，调用.csv输入文件，将土体竖向有效应力和土体沉降变形数据分别指定给计算程序对应的竖向有效应力和土体沉降变形两个变量；
(7)根据土层的分层情况将嵌入土体的桩划分为k段，每个桩段再划分与有限元网格相同的M个微段，图3为桩土单元离散示意图。在进行桩土微单元数量划分时，应遵循同一土层对应的桩土微单元厚度相等，不同土层对应的桩土微单元厚度接近原则进行划分，随后在桩顶施加上部结构传递的竖向荷载；
(8)假定微小量作为第一段桩桩头变形
Figure BDA0003357889920000071
初始值，对应节点编号i＝0，该节点剪应力
Figure BDA0003357889920000072
按照如下双曲线模型计算：
Figure BDA0003357889920000073
图4为桩土界面双曲线模型图；式中：
Figure BDA0003357889920000074
为第一段桩第i节点在第一轮迭代获得的桩侧剪应力；
Figure BDA0003357889920000075
为第一段桩第i节点在第一轮迭代中的桩土相对位移，按
Figure BDA0003357889920000076
计算；
Figure BDA0003357889920000077
为第一段桩第i节点在第一轮迭代的桩身变形；St1(i)为第一段桩第i节点相邻土体沉降；ks1(i)为第一段桩第i节点桩侧剪切刚度，按照ks1(i)＝Gsoil1(i)/(r0ln(rm/r0))计算，Gsoil(i)为桩周土的剪切模量；r0为桩的半径；rm为最大影响半径；τult1(i)为第一段桩第i节点桩土界面极限剪应力，按照τult1(i)＝τf1(i)/Rf计算；Rf为破坏比；τf1(i)为第一层土i节点界面抗剪强度；
(9)然后计算相邻节点桩身轴力
Figure BDA0003357889920000081
按照公式
Figure BDA0003357889920000082
计算，编号为1的桩节点沉降按照公式
Figure BDA0003357889920000083
计算，该节点摩阻力按公式
Figure BDA0003357889920000084
计算；
(10)再将第一桩段由桩顶向下按照公式
Figure BDA0003357889920000085
Figure BDA0003357889920000086
依次计算第2节点至第n节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；
(11)随后计算第二桩段的内力和变形，第二桩段第0节点沉降和轴力与第一桩段最后一节点相等，将第二个桩段由上向下按照公式
Figure BDA0003357889920000087
Figure BDA0003357889920000088
依次计算其余节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；运用同样的方法将第三至第k所有桩段计算完毕，最后可获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure BDA0003357889920000089
和桩端沉降
Figure BDA00033578899200000810
(12)根据上一步计算获得的桩端轴力按照桩端边界条件公式
Figure BDA00033578899200000811
计算获得新的桩端沉降
Figure BDA00033578899200000812
式中：Gb为桩端土剪切模量；vs为桩端土泊松比；wcb (1)为桩端相邻节点桩周土体沉降；αb为桩端承载力水平系数；
(13)若基于假定桩顶变形计算的桩端沉降
Figure BDA00033578899200000813
和按照桩端边界条件计算的桩端沉降
Figure BDA00033578899200000814
两者之间误差小于容许误差，即
Figure BDA00033578899200000815
说明在第一步中假定的桩顶变形
Figure BDA00033578899200000816
是满足要求的；否则，需假定新的桩顶变形
Figure BDA00033578899200000817
并重复多次迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差
Figure BDA00033578899200000818
即停止迭代，输出桩身轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
本发明还包括一种对桩基轴向承载响应进行计算的方法，具体步骤如下：
1)根据土层的分层情况将嵌入土体的桩划分为k段，每个桩段再划分M个微段，同时桩顶施加上部结构传递的竖向荷载；
2)假定微小量作为第一段桩桩头变形
Figure BDA0003357889920000091
初始值，对应节点编号i＝0，该节点剪应力
Figure BDA0003357889920000092
按照如下
Figure BDA0003357889920000093
双曲线模型计算；
3)计算所有桩段各个节点桩身轴力
Figure BDA0003357889920000094
，计算桩身轴力、桩身变形、桩侧剪应力，获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure BDA0003357889920000095
和桩端沉降
Figure BDA0003357889920000096
4)将上一步获得的桩端轴力代入桩端边界条件算得新的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000097
若该值与上一步迭代获得的桩端沉降
Figure BDA0003357889920000098
误差小于容许误差，说明假定的桩顶变形满足要求；否则，重新假定桩顶变形并重复迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差满足要求结束计算，打印输出桩身各节点轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
在步骤4)中，具体包括以下步骤：
(1)将第一桩段由桩顶向下按照公式
Figure BDA0003357889920000099
Figure BDA00033578899200000910
依次计算第2节点至第n节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；
(2)随后计算第二桩段的内力和变形，第二桩段第0节点沉降和轴力与第一桩段最后一节点相等，将第二个桩段由上向下按照公式
Figure BDA00033578899200000911
Figure BDA00033578899200000912
依次计算其余节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；运用同样的方法将第三至第k所有桩段计算完毕，最后可获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure BDA00033578899200000913
和桩端沉降
Figure BDA00033578899200000914
(3)根据上一步计算获得的桩端轴力按照桩端边界条件公式
Figure BDA00033578899200000915
计算获得新的桩端沉降
Figure BDA00033578899200000916
式中：Gb为桩端土剪切模量；vs为桩端土泊松比；wcb (1)为桩端相邻节点桩周土体沉降；αb为桩端承载力水平系数；
(4)若基于假定桩顶变形计算的桩端沉降
Figure BDA00033578899200000917
和按照桩端边界条件计算的桩端沉降
Figure BDA00033578899200000918
两者之间误差小于容许误差，即
Figure BDA00033578899200000919
说明在第一步中假定的桩顶变形
Figure BDA0003357889920000101
是满足要求的；否则，需假定新的桩顶变形
Figure BDA0003357889920000102
并重复多次迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差
Figure BDA0003357889920000103
即停止迭代，输出桩身各节点轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
为验证本发明方法的可行性，对某一地表堆载作用下钢管桩工程案例进行分析，模型水平方向40m，深度方向28m，共划分44800个单元。钢管桩为端部闭口，振动锤击将钢管桩打入黏土地基，桩径2m，桩长28m，桩外径为2000mm，壁厚为20mm，内径为1960mm，桩身弹性模量E为70GPa，桩端支撑在砂卵石层，在桩体打入完成后在地表回填4m厚砂子作为表面堆载并作排水面，回填砂重度为15kN/m3，黏土的密度为1.8g/cm3，初始孔隙比1.050，压缩模量3.41Mpa，泊松比0.42，有效粘聚力23kpa，有效内摩擦角27.5°，黏土初始渗透系数为4.12×10-9m/s，砂卵石参数压缩模量60Mpa，重度为21.5kN/m3，泊松比0.27，内摩擦角42°。
本发明将土层网格沿竖向划分为28层，计算了堆载作用下土体固结对直径为2m钢管桩承载力的影响，计算结果见图5～图8。土体中超孔隙水压力随时间逐渐消散，土体沉降随时间增大，且土层越浅沉降越大，桩身轴力也因土体的固结作用逐渐变大，由于桩段持力层较好，桩端反力较大，中性点距离桩端位置较近。

Claims (8)

1.一种基于有限元软件与荷载传递法联合的单桩计算方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤1：根据地勘报告建立土体几何模型，计算地表堆载作用下各土层的应力变化过程；
步骤2：从有限元计算结果中提取某一时刻对应的土体有效应力和沉降数据；
步骤3：通过荷载传递曲线法对给定时刻下桩基轴向承载响应进行计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，根据工程现场地质勘查报告，通过有限元软件建立几何模型，赋予不同地层相应的本构模型、渗透系数、孔隙比等，计算堆载作用下土体内部响应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，具体包括以下步骤：
步骤1)根据工程现场地质勘查报告，考虑堆载作用下土体的固结、蠕变等特性，在有限元软件中建立土体的数值模型进行计算，软件可采用Abaqus、Flac3D及Plaxis3D等有限元程序，此处以Abaqus软件计算土体固结行为为例阐述，在Abaqus软件Part模块中建立二维或三维几何模型，在Property模块中赋予不同土层相应的本构模型，并给定固结分析所需参数，然后对模型进行组装；
步骤2)在Abaqus分析步Step模块中分别建立地应力平衡、堆载施加、固结分析步，在菜单栏Output下选中Fieldoutputrequests，设定计算所需输出变量，然后建立位移边界条件和孔压边界条件，施加地表堆载并在预定义场中设置土体孔隙比；
步骤3)划分土体几何模型为六面体网格，土层深度方向网格划分厚度与后续荷载传递程序中桩段划分数须一致，建立Job并提交计算，获取堆载作用下土体内部响应。
4.根据权利要求1至3其中之一所述的方法，其特征在于，在步骤1中，若考虑堆载作用下桩周土体的蠕变效应，进行土体响应分析，建立土体几何模型，对土体赋予蠕变本构模型，设置边界条件，划分六面体网格，提交计算获得结果文件。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，具体包括以下步骤：
步骤1)打开计算结果文件，输出所需位置沿深度每个节点的土体竖向有效应力和节点沉降变形，分列保存在.csv格式的输入文件；
步骤2)打开基于Python语言编制的单桩轴向承载力计算程序，调用.csv输入文件，将土体竖向有效应力和土体沉降变形数据分别指定给计算程序对应的竖向有效应力和土体沉降变形两个变量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，对于任意给定时刻，通过迭代求解算法获得所有桩节点的轴力、侧摩阻力、桩身变形，具体步骤如下：
1)根据土层的分层情况将嵌入土体的桩划分为k段，每个桩段再划分M个微段，同时桩顶施加上部结构传递的竖向荷载；
2)假定微小量作为第一段桩桩头变形
Figure FDA0003357889910000021
初始值，对应节点编号i＝0，该节点剪应力
Figure FDA0003357889910000022
按照如下双曲线模型计算：
Figure FDA0003357889910000023
式中：
Figure FDA0003357889910000024
为第一段桩第i节点在第一轮迭代获得的桩侧剪应力；
Figure FDA0003357889910000025
为第一段桩第i节点在第一轮迭代中的桩土相对位移，按
Figure FDA0003357889910000026
计算；
Figure FDA0003357889910000027
为第一段桩第i节点在第一轮迭代的桩身变形；St1(i)为第一段桩第i节点相邻土体沉降；ks1(i)为第一段桩第i节点桩侧剪切刚度，按照ks1(i)＝Gsoil1(i)/(r0ln(rm/r0))计算，Gsoil(i)为桩周土的剪切模量；r0为桩的半径；rm为最大影响半径；
3)计算相邻节点桩身轴力
Figure FDA0003357889910000028
按照公式
Figure FDA0003357889910000029
计算，编号为1的桩节点沉降按照公式
Figure FDA00033578899100000210
计算，该节点摩阻力按公式
Figure FDA00033578899100000211
计算；
4)将第一桩段由桩顶向下按照公式
Figure FDA00033578899100000212
Figure FDA00033578899100000213
依次计算第2节点至第n节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；
5)随后计算第二桩段的内力和变形，第二桩段第0节点沉降和轴力与第一桩段最后一节点相等，将第二个桩段由上向下按照公式
Figure FDA00033578899100000214
Figure FDA00033578899100000215
依次计算其余节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；运用同样的方法将第三至第k所有桩段计算完毕，最后可获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure FDA00033578899100000216
和桩端沉降
Figure FDA00033578899100000217
6)根据上一步计算获得的桩端轴力按照桩端边界条件公式
Figure FDA0003357889910000031
计算获得新的桩端沉降
Figure FDA0003357889910000032
式中：Gb为桩端土剪切模量；vs为桩端土泊松比；wcb (1)为桩端相邻节点桩周土体沉降；αb为桩端承载力水平系数；
7)若基于假定桩顶变形计算的桩端沉降
Figure FDA0003357889910000033
和按照桩端边界条件计算的桩端沉降
Figure FDA0003357889910000034
两者之间误差小于容许误差，即
Figure FDA0003357889910000035
说明在第一步中假定的桩顶变形
Figure FDA0003357889910000036
是满足要求的；否则，需假定新的桩顶变形
Figure FDA0003357889910000037
并重复多次迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差
Figure FDA0003357889910000038
即停止迭代，输出桩身各节点轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
7.一种对桩基轴向承载响应进行计算的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1)根据土层的分层情况将嵌入土体的桩划分为k段，每个桩段再划分M个微段，同时桩顶施加上部结构传递的竖向荷载；
2)假定微小量作为第一段桩桩头变形
Figure FDA0003357889910000039
初始值，对应节点编号i＝0，该节点剪应力
Figure FDA00033578899100000310
按照如下
Figure FDA00033578899100000311
双曲线模型计算；
3)计算所有桩段各个节点桩身轴力
Figure FDA00033578899100000312
计算桩身轴力、桩身变形、桩侧剪应力，获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure FDA00033578899100000313
和桩端沉降
Figure FDA00033578899100000314
4)将上一步获得的桩端轴力代入桩端边界条件算得新的桩端沉降
Figure FDA00033578899100000315
若该值与上一步迭代获得的桩端沉降
Figure FDA00033578899100000316
误差小于容许误差，说明假定的桩顶变形满足要求；否则，重新假定桩顶变形并重复迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差满足要求结束计算，打印输出桩身各节点轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，具体包括以下步骤：
(1)将第一桩段由桩顶向下按照公式
Figure FDA00033578899100000317
Figure FDA00033578899100000318
依次计算第2节点至第n节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；
(2)随后计算第二桩段的内力和变形，第二桩段第0节点沉降和轴力与第一桩段最后一节点相等，将第二个桩段由上向下按照公式
Figure FDA00033578899100000319
Figure FDA0003357889910000041
依次计算其余节点的桩身轴力、桩身变形以及桩侧剪应力；运用同样的方法将第三至第k所有桩段计算完毕，最后可获得第一轮迭代后的桩端轴力
Figure FDA0003357889910000042
和桩端沉降
Figure FDA0003357889910000043
(3)根据上一步计算获得的桩端轴力按照桩端边界条件公式
Figure FDA0003357889910000044
计算获得新的桩端沉降
Figure FDA0003357889910000045
式中：Gb为桩端土剪切模量；vs为桩端土泊松比；wcb (1)为桩端相邻节点桩周土体沉降；αb为桩端承载力水平系数；
(4)若基于假定桩顶变形计算的桩端沉降
Figure FDA0003357889910000046
和按照桩端边界条件计算的桩端沉降
Figure FDA0003357889910000047
两者之间误差小于容许误差，即
Figure FDA0003357889910000048
说明在第一步中假定的桩顶变形
Figure FDA0003357889910000049
是满足要求的；否则，需假定新的桩顶变形
Figure FDA00033578899100000410
并重复多次迭代直到第i轮迭代计算的沉降误差
Figure FDA00033578899100000411
即停止迭代，输出桩身各节点轴力、侧摩阻力、桩身变形等数据。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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