CN115935528A - 一种砂土中大直径桩基p-y曲线修正方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种砂土中大直径桩基P‑Y曲线修正方法及系统，所述方案包括：将砂土地基划分成若干份细分土层，基于地质勘探获取每个细分土层的砂土内摩擦角、土体有效重度以及每个细分土层中间高度处距泥面的竖直深度；基于获得的内摩擦角以及API规范P‑Y曲线法中的表达式进行相关系数计算；基于所述土体有效重度、竖直深度及相关系数，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值；基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，并基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量；基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P‑Y曲线；基于获得的P‑Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析。
Description
技术领域
本公开属于岩土工程技术和海上风电设备技术领域，尤其涉及一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近海风电机组及塔架体型大，且受风、浪等复杂荷载的耦合作用，因而对支撑风电机组和塔架结构的基础提出了更高的要求。国内外常见的近海风电机组桩基型式包括超大直径单桩基础、三脚架基础、导管架基础和群桩基础等，其中超大直径单桩基础的直径可达5～9m。
发明人发现，目前桩基础水平受荷的分析多采用美国石油协会(API)规范所建议的P-Y曲线法(P为作用在沿桩长单位长度上的桩周土反力，Y为桩身水平挠度)。P-Y曲线法考虑了土的非线性特征，可用于水平承载桩的大变形分析。虽然P-Y曲线能够考虑桩土之间的相互作用、较为客观地反映水平受荷桩的承载变形性状，但API规范P-Y曲线是基于有限循环次数下桩径小于1.5m的小直径桩试验数据提出的，无法反映出大直径桩基在外部环境荷载作用下的受力特性，所以需要对大直径桩基的P-Y曲线进行相应的修正。
同时，提出合理的大直径桩基P-Y曲线对于海洋桩基础设计意义重大。对于砂土中的大直径桩基，API规范P-Y曲线在桩身小变形时的初始刚度明显偏大，由此导致API规范P-Y曲线法计算得到的桩顶水平位移比实际情况明显偏小，这将导致工程设计的不安全性。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法及系统，所述方案通过对地基反力初始模量以及循环载荷作用下的修正系数进行相应调整，有效解决了API规范P-Y曲线法中存在的大直径桩基在砂土中的桩身水平挠度计算结果可靠性差的技术问题。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，包括：
将砂土地基划分成若干份细分土层，基于地质勘探获取每个细分土层的砂土内摩擦角、土体有效重度以及每个细分土层中间高度处距泥面的竖直深度；
基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算；
基于所述土体有效重度、第一系数、第二系数、第三系数以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值；
基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，并基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量；
基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线；
基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析。
进一步的，所述基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，其中，所述修正系数A具体表示如下：
其中，z为竖直深度，D为桩基直径,N为循环次数。
进一步的，基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线，具体采用如下公式：
其中，A为修正系数，pu为极限水平土抗力标准值，nh为地基反力初始模量，z为竖直深度，D为桩基直径，y为当前深度z处计算点的桩身水平挠度。
进一步的，所述基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算。
进一步的，所述基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量，具体采用如下公式：
其中，为内摩擦角。
进一步的，所述基于所述土体有效重度以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值，具体采用如下公式：
pu＝min{(C1z+C2D)γz,C3Dγz}
其中，C1为第一系数，C2为第二系数，C3为第三系数，γ为土地有效重度。
进一步的，所述基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析，具体为：基于获得的P-Y曲线，采用有限元分析软件进行分析，获得在桩顶施加水平载荷作用后各深度处的桩身挠度。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正系统，包括：
数据获取单元，其用于将砂土地基划分成若干份细分土层，基于地质勘探获取每个细分土层的砂土内摩擦角、土体有效重度以及每个细分土层中间高度处距泥面的竖直深度；
系数计算单元，其用于基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算；
极限水平土抗力标准值获取单元，其用于基于所述土体有效重度、第一系数、第二系数、第三系数以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值；
地基反力初始模量计算单元，其用于基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，并基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量；
P-Y曲线计算单元，其用于基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线；
变形分析单元，其用于基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析。
根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法。
根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开提供了一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法及系统，所述方案通过对地基反力初始模量以及循环载荷作用下的修正系数进行相应调整，有效解决了API规范P-Y曲线法中存在的大直径桩基在砂土中的桩身水平挠度计算结果可靠性差的技术问题。
(2)本公开所述方案通过将API规范P-Y曲线法计入了长期循环荷载下对桩基水平位移累积和内力变化的影响，考虑了尺寸效应在大直径桩基水平受荷分析的影响，能够更加真实地表现大直径桩基在长期水平循环荷载下的受力特性，而且使用方法简单，便于工程计算。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例中所述的P-Y曲线法分析示意图；
图2为本公开实施例中所述的大直径桩基的水平荷载-位移曲线；
图3为本公开实施例中所述的修正算法计算流程图；
图4为本公开实施例中所述的初始地基反力模量nh和砂土内摩擦角的拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法。
一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，包括：
将砂土地基划分成若干份细分土层，基于地质勘探获取每个细分土层的砂土内摩擦角、土体有效重度以及每个细分土层中间高度处距泥面的竖直深度；
基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算；
基于所述土体有效重度、第一系数、第二系数、第三系数以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值；
基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，并基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量；
基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线；
基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析。
进一步的，所述基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，其中，所述修正系数具体表示如下：
其中，z为竖直深度，D为桩基直径,N为循环次数。
进一步的，基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线，具体采用如下公式：
其中，A为修正系数，pu为极限水平土抗力标准值，nh为地基反力初始模量，z为竖直深度，D为桩基直径，y为当前深度z处计算点的桩身水平挠度。
进一步的，所述基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算。
进一步的，所述基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量，具体采用如下公式：
其中，为内摩擦角。
进一步的，所述基于所述土体有效重度以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值，具体采用如下公式：
pu＝min{(C1z+C2D)γz,C3Dγz}
其中，C1为第一系数，C2为第二系数，C3为第三系数，γ为土地有效重度。
进一步的，所述基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析，具体为：基于获得的P-Y曲线，采用有限元分析软件进行分析，获得在桩顶施加水平载荷作用后各深度处的桩身挠度。
具体的，为了便于理解，以下结合附图对本实施例所述方案进行详细说明：
本实施例提供了一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，通过对地基反力初始模量nh、循环载荷作用下的修正系数A提出相应调整方法，解决了API规范P-Y曲线法中存在的大直径桩基在砂土中的桩身水平挠度y计算结果可靠性差的技术问题，其主要技术构思是对现有API规范P-Y曲线法计算公式进行了调整，具体修正方法如下。
(1)地基反力初始模量nh取值后要乘以修正系数y为当前深度z处计算点的桩身水平挠度，D为桩基直径。
(2)在长期水平循环载荷作用下的修正系数A从固定值0.9改为计算式N为载荷循环次数。
(3)按照公式根据内摩擦角计算地基反力初始模量nh。
如图1所示，P-Y曲线法假定桩为垂直放置于土体内的Winkler弹性地基梁，与弹性地基反力法不同的是，该法将土体离散成一系列互相独立的非线性弹簧，即桩周土反力p大小与该深度下的桩身挠度y呈非线性关系。
API规范推荐的桩基在砂土中受到水平荷载的P-Y曲线法表达式如下。
pu＝min{(C1z+C2D)γz,C3Dγz} (4)
上式中，p为作用在桩身单位长度的土体抗力，pu为单位桩长的极限水平土抗力标准值，y为桩身水平挠度，A为考虑荷载特性的修正系数，z为桩基当前计算点距泥面的竖直深度，D为桩基直径，γ为土体的有效重度，为砂土内摩擦角；C1、C2、C3都是与砂土内摩擦角相关的系数，式中nh为地基反力初始模量，可参考表1线性内插取值。
表1 nh取值参考表
如图2所示，对于大直径桩基，API规范P-Y曲线在桩身小变位时的初始刚度明显比实际情况偏大，由此导致API规范P-Y曲线法计算得到的桩顶水平位移明显偏小，这将导致工程设计的不安全性。提出合理的大直径桩基P-Y曲线对于海洋桩基础设计意义重大。
在风、波浪等低频水平循环荷载的长期作用下，砂土会发生循环刚度弱化进而引起桩基承载力的下降以及侧向位移的累积，严重时会危及海上结构物的安全。由于API规范推荐的P-Y曲线法无法考虑桩径D对初始地基反力模量nh的影响，并且体现循环效应的修正系数A也无法考虑循环次数、荷载特性等因素的影响，难以满足长期循环荷载下对桩基水平位移累积和内力变化的分析要求。
为了解决上述技术问题，通过查询相关技术文献、对大量的仿真分析数据和实验数据进行整理统计和回归分析，最终确定本实施例所述方案的改进点，具体为对现有API规范P-Y曲线法计算公式进行了调整，具体修正方法如下。
(1)修正地基反力初始模量nh。上述公式(1)中nh取值后要乘以修正系数y为当前深度z处计算点的桩身水平挠度，D为桩基直径。本方法考虑桩径D对初始地基反力模量nh的影响，考虑了尺寸效应在大直径桩基水平受荷分析的影响，能够更加真实地表现大直径桩基在长期水平循环荷载下的受力特性。
(2)调整循环荷载作用下的修正系数A。上面公式(3)中新的A计算式为N为载荷循环次数，用于代替原有的固定值0.9。本修正方法体现了循环次数N对循环效应的修正系数A的影响，满足长期循环荷载下对桩基水平位移累积和内力变化的分析要求。
(3)按照公式根据内摩擦角计算地基反力初始模量nh。将表1中的离散数据点通过数据拟合方式就能得到更加准确的nh计算公式，可以更加快速地根据内摩擦角获取更加精确的nh值。
如图3所示，本实施例提供了一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：将砂土地基划分成若干份细分土层，通过地质勘探获取每个细分土层的砂土内摩擦角土体有效重度γ，手动计算出每个细分土层中间高度处距泥面的竖直深度z；
步骤S2：按照以下公式分别计算第一系数C1、第二系数C2、第三系数C3，式中
步骤S3：按照pu＝min{(C1z+C2D)γz,C3Dγz}公式求各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值pu，式中D为桩基直径。
步骤S4：根据荷载特性和循环次数N，按照以下公式确定修正系数A。在风、波浪等低频水平循环荷载的长期作用下，25年的海洋结构设计寿命一般对应107次载荷循环，其他结构设计寿命(L年)可按照式计算载荷循环次数。
步骤S5：按照公式根据内摩擦角计算地基反力初始模量nh，然后按照公式求各细分土层中作用在桩身单位长度的土体抗力p＝f(y)函数，即各细分土层的P-Y曲线。
步骤S6，借助有限元仿真软件等工具，就能获知在桩顶施加水平载荷H作用后各深度处的桩身挠度y。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正系统。
一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正系统，包括：
数据获取单元，其用于将砂土地基划分成若干份细分土层，基于地质勘探获取每个细分土层的砂土内摩擦角、土体有效重度以及每个细分土层中间高度处距泥面的竖直深度；
系数计算单元，其用于基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算；
极限水平土抗力标准值获取单元，其用于基于所述土体有效重度、第一系数、第二系数、第三系数以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值；
地基反力初始模量计算单元，其用于基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，并基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量；
P-Y曲线计算单元，其用于基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线；
变形分析单元，其用于基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析。
进一步的，本实施例所述系统与实施例一中所述方法相对应，其技术细节在实施例一中已经进行了详细说明，故此处不再赘述。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例一中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一中所述的方法。
实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。
上述实施例提供的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，其特征在于，包括：
将砂土地基划分成若干份细分土层，基于地质勘探获取每个细分土层的砂土内摩擦角、土体有效重度以及每个细分土层中间高度处距泥面的竖直深度；
基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算；
基于所述土体有效重度、第一系数、第二系数、第三系数以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值；
基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，并基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量；
基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线；
基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析。
2.如权利要求1所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，其特征在于，所述基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，其中，所述修正系数具体表示如下：
其中，z为竖直深度，D为桩基直径,N为循环次数。
3.如权利要求1所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，其特征在于，基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线，具体采用如下公式：
其中，A为修正系数，pu为极限水平土抗力标准值，nh为地基反力初始模量，z为竖直深度，D为桩基直径，y为当前深度z处计算点的桩身水平挠度。
4.如权利要求1所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，其特征在于，所述基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算。
5.如权利要求1所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，其特征在于，所述基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量，具体采用如下公式：
其中，为内摩擦角。
6.如权利要求1所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，其特征在于，所述基于所述土体有效重度以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值，具体采用如下公式：
pu＝min{(C1z+C2D)γz,C3Dγz}
其中，C1为第一系数，C2为第二系数，C3为第三系数，γ为土地有效重度。
7.如权利要求1所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法，其特征在于，所述基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析，具体为：基于获得的P-Y曲线，采用有限元分析软件进行分析，获得在桩顶施加水平载荷作用后各深度处的桩身挠度。
8.一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正系统，其特征在于，包括：
数据获取单元，其用于将砂土地基划分成若干份细分土层，基于地质勘探获取每个细分土层的砂土内摩擦角、土体有效重度以及每个细分土层中间高度处距泥面的竖直深度；
系数计算单元，其用于基于获得的内摩擦角以及API规范P-Y曲线法中的表达式进行第一系数、第二系数和第三系数的计算；
极限水平土抗力标准值获取单元，其用于基于所述土体有效重度、第一系数、第二系数、第三系数以及竖直深度，获得各细分土层中单位桩长的极限水平土抗力标准值；
地基反力初始模量计算单元，其用于基于载荷特性及预设的循环次数，确定修正系数，并基于所述内摩擦角计算地基反力初始模量；
P-Y曲线计算单元，其用于基于所述极限水平土抗力标准值、修正系数以及地基反力初始模量，获得修正后的各细分土层的P-Y曲线；
变形分析单元，其用于基于获得的P-Y曲线以及有限元仿真分析软件，实现水平承载桩的变形分析。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种砂土中大直径桩基P-Y曲线修正方法。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117973159A (zh) * | 2024-04-01 | 2024-05-03 | 中交(天津)轨道交通投资建设有限公司 | 一种基坑预制桩支护受力特性分析方法及系统 |
| CN117973165A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-03 | 湖南大学 | 一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法 |
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2022
- 2022-09-28 CN CN202211191034.4A patent/CN115935528A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117973159B (zh) * | 2024-04-01 | 2024-06-11 | 中交(天津)轨道交通投资建设有限公司 | 一种基坑预制桩支护受力特性分析方法及系统 |
| CN117973165A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-03 | 湖南大学 | 一种深厚软土区水平受荷桩桩体内力及位移计算方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |