CN116720414B - 一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法 - Google Patents
一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及海洋岩土工程技术领域，公开了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，本发明通过对不同桩土刚度比分别对应的三维有限元模型进行数值分析，得到不同桩土刚度比对应的抗力组分，通过对桩土刚度比和抗力组分进行回归分析，得到桩土刚度比和抗力组分之间的第一映射关系。通过获取目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系，即可快速确定出目标桩桩土水平抗力的最大值，从而基于目标桩的桩土刚度比，结合第一映射关系和第二映射关系即可快速确定出目标桩的水平承载力。解决了相关技术中水平承载力计算不准确的问题，同时，通过结合第一映射关系，保证了单桩水平承载力的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋岩土工程技术领域，具体涉及一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法。
背景技术
现有海上风电大直径单桩的设计方法主要采用American Petroleum Institute（美国石油协会，简称API）规范所推荐的p（桩侧土抗力）-y（桩侧土水平位移）曲线法，但其来源于海上油气平台中的小直径柔性变形桩，表现出典型细长柔桩的变形特性，故理论上使用API推荐的p-y曲线进行大直径单桩设计时会低估土体的极限水平抗力，导致设计结果的桩径和桩长过大。
现有研究者针对该问题提出了不同的解决方案，可大致分为两种。
一部分学者主张通过修正API规范推荐的p-y曲线以达到准确估计土体的极限水平抗力的目的，例如2013年朱斌等发表在《岩土工程学报》上的“砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验”一文中通过离心机模型试验结果，基于API规范推荐的p-y曲线提出了砂土中的双曲线形p-y曲线，但该类方法只适用于纯砂土地层，对于黏土-砂土互层的实际土层情况的适用性有待检验。
另一部分学者则从大直径单桩的受力机制入手，重建了大直径水平受荷单桩的设计模型，例如2020年Byrne 等发表在《Géotechnique》上的“PISA design model formonopiles for offshore wind turbines: application to a stiff glacial claytill”一文中通过现场大比尺试桩试验和有限元数值分析，并在此基础上考虑了除桩-土水平抗力外的桩-土侧壁摩阻力、桩-土基底水平摩阻力、桩-土基底竖向抗力后建立了大直径单桩设计的四弹簧模型。该四弹簧模型极大程度上丰富了大直径单桩设计思路的理论体系，但由于该设计流程中的参数过多，且参数的确定跟地质条件也有关系，所以整体流程过于复杂，不便于工程应用。
因此提出一种流程简便且准确性较高的大直径单桩水平承载力的计算方法成为目前亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，以解决大直径单桩水平承载力评估结果准确性差的问题。
第一方面，本发明提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，方法包括：
对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力；基于各桩土刚度比、各桩土水平抗力、预获取的与各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系；获取目标桩的桩土刚度比、目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系；基于第一映射关系、第二映射关系以及目标桩的桩土刚度比确定目标桩的水平承载力。
本实施例提供的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，通过对不同桩土刚度比分别对应的三维有限元模型进行数值分析，得到不同桩土刚度比对应的抗力组分，通过对桩土刚度比和抗力组分进行回归分析，得到桩土刚度比和抗力组分之间的第一映射关系。由于数值分析结果的准确性，使得回归得到的第一映射关系也准确表示出桩土刚度比和抗力组分之间的对应关系。通过获取目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系，即可快速确定出目标桩桩土水平抗力的最大值，从而基于目标桩的桩土刚度比，结合第一映射关系和第二映射关系即可快速确定出目标桩的水平承载力。解决了相关技术中水平承载力计算不准确的问题，同时，通过结合第一映射关系，保证了单桩水平承载力的准确性，也进一步完善了现有大直径单桩设计规范，提高了实用性。
在一种可选实施方式中，与桩土刚度比对应的三维有限元模型的构建过程，包括：
获取目标位置处各土层分别对应的分布数据和土体数据；基于分布数据、土体数据和预选择的多个桩土刚度比，构建与每一个桩土刚度比分别对应的三维有限元模型。
在一种可选实施方式中，基于各桩土刚度比、各桩土水平抗力、预获取的与各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系，包括：
获取预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力，预设桩土刚度比为多个桩土刚度比中的任一个；基于预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力，确定预设桩土刚度比对应的抗力组分；对桩土刚度比和每一个桩土刚度比分别对应的抗力组分进行回归分析，得到第一映射关系。
本实施例提供的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，通过对不同刚度比分别对应的三维有限元模型分别进行数值分析，得到准确的不同刚度比分别对应的桩土水平抗力和水平承载力，从而使得基于桩土水平抗力和水平承载力确定的抗力组分也具有较高准确性，进而使得最终通过回归分析得到的第一映射关系可以准确的描述桩土刚度比与抗力组分之间的对应关系，为后续计算单桩水平承载力提供了准确的数据来源。
在一种可选实施方式中，第一映射关系通过如下方式体现：
其中，为桩土刚度比为/>时的抗力组分，/>、/>、/>为回归参数。
在一种可选实施方式中，获取目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系，包括：
获取桩侧土抗力与桩侧土水平位移之间的第三映射关系；基于第三映射关系，在预构建的一维梁模型的第一预设位置处设置弹簧，一维梁模型为目标桩的简化模型；在一维梁模型的第二预设位置处施加水平荷载，得到弹簧作用下一维梁模型移动的位移；基于水平荷载和水平荷载对应的位移，构建第二映射关系。
在一种可选实施方式中，基于第一映射关系、第二映射关系以及目标桩的桩土刚度比确定目标桩的水平承载力，包括：
基于目标桩的桩土刚度比和第一映射关系，确定桩土刚度比对应的抗力组分；从第二映射关系中确定桩土水平抗力的最大值；基于抗力组分和最大值确定水平承载力。
本实施例提供的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，基于目标桩的桩土刚度比，通过将第一映射关系和第二映射关系相结合的方式，确定出目标桩的水平承载力。通过第二映射关系可以快速确定出目标桩桩土水平抗力的最大值，通过桩土刚度比可以快速从第一映射关系中确定出准确的抗力组分，因此，通过桩土水平抗力的最大值和抗力组分可以快速确定出准确的水平承载力。
在一种可选实施方式中，目标桩的桩土刚度比的确定方式包括：
获取目标桩的物理参数，物理参数包括单桩的截面抗弯刚度和入土桩长；基于单桩的截面抗弯刚度和入土桩长对应的土体平均刚度，确定目标桩的桩土刚度比。
第二方面，本发明提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算装置，装置包括：
分析模块，用于对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力；构建模块，用于基于各桩土刚度比、各桩土水平抗力、预获取的与各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系；获取模块，用于获取目标桩的桩土刚度比、目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系；确定模块，用于基于第一映射关系、第二映射关系以及目标桩的桩土刚度比确定目标桩的水平承载力。
在一种可选实施方式中，分析模块中与桩土刚度比对应的三维有限元模型通过如下子模块构建，包括：
第一获取子模块，用于获取目标位置处各土层分别对应的分布数据和土体数据；第一构建子模块，用于基于分布数据、土体数据和预选择的多个桩土刚度比，构建与每一个桩土刚度比分别对应的三维有限元模型。
在一种可选实施方式中，构建模块，包括：
第二获取子模块，用于获取预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力，预设桩土刚度比为多个桩土刚度比中的任一个；第一确定子模块，用于基于预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力，确定预设桩土刚度比对应的抗力组分；回归子模块，用于对桩土刚度比和每一个桩土刚度比分别对应的抗力组分进行回归分析，得到第一映射关系。
在一种可选实施方式中，构建模块中的第一映射关系通过如下方式体现：
其中，为桩土刚度比为/>时的抗力组分，/>、/>、/>为回归参数。
在一种可选实施方式中，获取模块，包括：
第三获取子模块，用于获取桩侧土抗力与桩侧土水平位移之间的第三映射关系；设置子模块，用于基于第三映射关系，在预构建的一维梁模型的第一预设位置处设置弹簧，一维梁模型为目标桩的简化模型；第二确定子模块，用于在一维梁模型的第二预设位置处施加水平荷载，得到弹簧作用下一维梁模型移动的位移；第二构建子模块，用于基于水平荷载和水平荷载对应的位移，构建第二映射关系。
在一种可选实施方式中，确定模块，包括：
第三确定子模块，用于基于目标桩的桩土刚度比和第一映射关系，确定桩土刚度比对应的抗力组分；第四确定子模块，用于从第二映射关系中确定桩土水平抗力的最大值；第五确定子模块，用于基于抗力组分和最大值确定水平承载力。
第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是根据本发明实施例的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法的流程示意图；
图2是根据本发明实施例的另一分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法的流程示意图；
图3是根据本发明实施例的第一映射关系对应的回归曲线示意图；
图4是根据本发明实施例的又一分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法的流程示意图；
图5是根据本发明实施例的再一分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法的流程示意图；
图6是根据本发明实施例的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算装置的结构框图；
图7是本发明实施例的计算机设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
相关技术中，通常通过两种方式确定单桩的水平承载力。一种是通过模型进行计算，该方法虽然准确性高，但存在计算过程复杂的缺陷。另一种是使用API规范推荐的p-y曲线进行单桩水平承载力的确定。这种方法虽然确定过程简便，但得到的水平承载力准确性较低，尤其是对大直径单桩而言，准确性变差更大。因此，本发明实施例提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，通过桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系和目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系结合的方式，以简单准确的确定出单桩的水平承载力。
在本实施例中提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，可用于计算机设备，图1是根据本发明实施例的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
步骤S101，对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力。
具体的，桩土刚度比与三维有限元模型一一对应。
具体的，桩土刚度比即桩身刚度与桩侧土刚度之比，桩土刚度比与插入分层土海床的深度以及单桩自身的截面抗弯刚度有关，用于反映加载过程中桩体变形的刚柔性。
具体的，三维有限元模型即桩土互相作用的模型。
步骤S102，基于各桩土刚度比、各桩土水平抗力、预获取的与各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系。
具体的，单桩水平承载力包括：桩土水平抗力、桩土侧壁摩阻力、桩土基底水平摩阻力、桩土基底竖向抗力等。
具体的，抗力组分即桩土水平抗力占水平承载力的份额。
具体的，桩土刚度比不同，对应的桩土水平抗力不同，因此，抗力组分也不相同。
步骤S103，获取目标桩的桩土刚度比、目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系。
具体的，目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系基于API规范推荐的p-y曲线得到的。
具体的，目标桩为大直径单桩。
步骤S104，基于第一映射关系、第二映射关系以及目标桩的桩土刚度比确定目标桩的水平承载力。
具体的，基于目标桩的桩土刚度比和第一映射关系，确定出目标桩对应的抗力组分；基于第二映射关系，确定出目标桩对应的桩土水平抗力；基于桩土水平抗力和抗力组分确定目标桩的水平承载力。
本实施例提供的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，通过对不同桩土刚度比分别对应的三维有限元模型进行数值分析，得到不同桩土刚度比对应的抗力组分，通过对桩土刚度比和抗力组分进行回归分析，得到桩土刚度比和抗力组分之间的第一映射关系。由于数值分析结果的准确性，使得回归得到的第一映射关系也准确表示出桩土刚度比和抗力组分之间的对应关系。通过获取目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系，即可快速确定出目标桩桩土水平抗力的最大值，从而基于目标桩的桩土刚度比，结合第一映射关系和第二映射关系即可快速确定出目标桩的水平承载力。解决了相关技术中水平承载力计算不准确的问题，同时，通过结合第一映射关系，保证了单桩水平承载力的准确性，也进一步完善了现有大直径单桩设计规范，提高了实用性。
本实施例对步骤S101中，与桩土刚度比对应的三维有限元模型的构建过程进行详细描述。
首先，获取目标位置处各土层分别对应的分布数据和土体数据。
具体的，各土层分别对应的分布数据和土体数据可通过预设位置的岩土工程勘察报告得到。上述数据的具体获取方式，本实施例不作具体限定，任何可获得数据的途径都可采用。
具体的，目标位置即海上风电站的站点处。
具体的，分布数据包括：各土层的厚度（m）、各土层的埋深（m）（埋深即土层距离海床表面的深度）；土体数据包括：土层弹性模量（kpa）、土体有效重度/>、泊松比/>、不排水抗剪强度/>（kpa）、内摩擦角/>（°）。需要说明的是，土体数据与土层相对应。
其次，基于分布数据、土体数据和预选择的多个桩土刚度比，构建与每一个桩土刚度比分别对应的三维有限元模型。
具体的，首先，基于各土层分别对应的分布数据和土体数据，采用摩尔-库伦土体本构模型，构建各土层对应的砂土模型或黏土模型。然后，得到的所有砂土模型和粘土模型构建对应的海床模型。最后，在预设范围内选取具有代表性的桩土刚度比，利用有限元分析软件，构建不同桩土刚度比分别对应的三维有限元模型。有限元分析软件此处不作具体限定，如限元分析软件可以采用ABAQUS。
示例性地，本实施例中，预设范围为0.0001至10，在该数值范围内合理选取具有代表性的桩土刚度比，一般建议在（0.0001，0.01）分为内至少选取2个桩土刚度比，在（0.1，10）范围内至少选取2个桩土刚度比，在（0.01，0.1）范围内至少选取5个桩土刚度比，以保证回归分析的可靠性。
在本实施例中提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，可用于计算机设备，图2是根据本发明实施例的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：
步骤S201，对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力。详细请参见图1所示实施例的步骤S101，在此不再赘述。
步骤S202，基于各桩土刚度比、各桩土水平抗力、预获取的与各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系。
具体地，上述步骤S202包括：
步骤S2021，获取预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力。
具体的，预设桩土刚度比为多个桩土刚度比中的任一个。
具体的，对与预设桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，即可得到预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力。桩土水平抗力和水平承载力的获取方式此处不作具体限定，任何可实现的方式均可采用。
步骤S2022，基于预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力，确定预设桩土刚度比对应的抗力组分。
具体的，抗力组分通过如下方式确定：
其中，为抗力组分，/>为桩土水平抗力，/>为水平承载力，水平承载力为当泥面处桩身的水平位移达到 0.1D 时所对应的水平荷载，D为桩径。
步骤S2023，对桩土刚度比和每一个桩土刚度比分别对应的抗力组分进行回归分析，得到第一映射关系。
具体的，对各桩土刚度比和各刚度比分别对应的抗力组分进行回归分析后，得到桩土刚度比和抗力组分之间的第一映射关系，通过第一映射关系即可得到任一桩土刚度比对应的抗力组分。
示例性地，第一映射关系通过如下方式体现：
其中，为桩土刚度比为/>时的抗力组分，/>、/>、/>为回归参数。第一映射关系对应的回归曲线如图3所示，图3中的三角图标为步骤S2022中得到的不同刚度比分别对应的抗力组分。
步骤S203，获取目标桩的桩土刚度比、目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系。详细请参见图1所示实施例的步骤S103，在此不再赘述。
步骤S204，基于第一映射关系、第二映射关系以及目标桩的桩土刚度比确定目标桩的水平承载力。详细请参见图1所示实施例的步骤S104，在此不再赘述。
本实施例提供的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，通过对不同刚度比分别对应的三维有限元模型分别进行数值分析，得到准确的不同刚度比分别对应的桩土水平抗力和水平承载力，从而使得基于桩土水平抗力和水平承载力确定的抗力组分也具有较高准确性，进而使得最终通过回归分析得到的第一映射关系可以准确的描述桩土刚度比与抗力组分之间的对应关系，为后续计算单桩水平承载力提供了准确的数据来源。
在本实施例中提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，可用于计算机设备，图4是根据本发明实施例的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法的流程图，如图4所示，该流程包括如下步骤：
步骤S401，对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力。详细请参见图1所示实施例的步骤S101，在此不再赘述。
步骤S402，基于各桩土刚度比、各桩土水平抗力、预获取的与各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系。详细请参见图2所示实施例的步骤S202，在此不再赘述。
步骤S403，获取目标桩的桩土刚度比、目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系。
具体的，确定目标桩的桩土刚度比的方式为：首先，获取目标桩的物理参数，物理参数包括单桩的截面抗弯刚度和入土桩长。其次，基于单桩的截面抗弯刚度和入土桩长对应的土体平均刚度，确定目标桩的桩土刚度比。
示例性地，目标桩的桩土刚度比通过如下方式确定：
其中，为桩土刚度比，/>为单桩的截面抗弯刚度，/>为单桩的弹性模量（），/>为单桩的截面惯性矩（/>），/>为入土桩长范围内土体平均刚度，/>为单桩埋深范围内土层平均弹性模量（/>），/>为入土桩长。
具体地，上述步骤S403包括：
步骤S4031，获取桩侧土抗力与桩侧土水平位移之间的第三映射关系。
具体的，第三映射关系即API规范推荐的p-y曲线，p-y曲线即桩侧土抗力p与桩侧土水平位移y的映射关系对应的曲线，该曲线反映了加载过程中土体水平刚度的变化。需要注意的是，黏土和砂土对应的p-y曲线并不相同。
API规范推荐的黏土中的p-y映射关系表示为：
其中，为水平土抗力，/>为极限土抗力，/>为水平位移，/>，/>为不排水压缩试验中，出现0.5倍最大应力时的应变，/>为桩径。
黏土中极限土抗力的确定方式为：
其中，为土体不排水抗剪强度，/>为土体有效重度，/>为泥面以下的深度，/>为经验常数，/>通常根据试验和工程经验，取值范围在0.25~0.5，/>为泥面以下到土抗力减少区域底部的深度。
可表示为：
API规范推荐的砂土中的p-y映射关系表示为：
其中，为泥面下的深度，/>为考虑静力或循环荷载条件的系数，静力条件下，循环荷载下/>，/>为地基反力初始模量，可根据API规范取值，/>为极限土抗力。
具体的，砂土中极限土抗力的确定方式为：
其中，、/>、/>为内摩擦角的函数值，可根据API规范进行取值。
步骤S4032，基于第三映射关系，在预构建的一维梁模型的第一预设位置处设置弹簧。
具体的，一维梁模型为目标桩的简化模型。本实施例对目标桩简化为一维梁模型的方式不作具体限定，本领域技术人员可以自行选择。
示例性地，在一实施例中，一维梁模型的构建方式为：获取目标桩的单桩材料和物理参数，即单桩的截面抗弯刚度（）、桩径D（m）、入土桩长L（m）、壁厚t（m），加载高度e（m）。采用自编写的构建程序，根据单桩材料和物理参数建立一维梁单元简化模型，由此，即可将目标桩简化为一维梁模型。
具体的，将p-y曲线中的桩土水平抗力简化为一系列分布在一维梁模型桩侧第一预设位置处的不连续非线性弹簧。基于第三映射关系设置弹簧的操作属于现有技术，此处不再赘述。
具体的，第一预设位置为至少一个，第一预设位置即各土层上边界分别与一维梁模型接触的位置，第一预设位置的数量和目标桩入土部分土层的数量保持一致。
步骤S4033，在一维梁模型的第二预设位置处施加水平荷载，得到弹簧作用下一维梁模型移动的位移。
具体的，第二预设位置为一维梁模型的荷载加载处。如，荷载加载处可以为一维梁模型的桩顶处。
具体的，一维梁模型移动的位移是施加水平荷载后，一维梁模型某一位置处移动的位移，该位置可以是一维梁模型与海床面的交界位置。
步骤S4034，基于水平荷载和水平荷载对应的位移，构建第二映射关系。
具体的，第二映射关系即荷载-位移曲线。如，荷载-位移曲线可以是桩顶加载点的水平荷载与海床面处桩身的水平位移之间的关系曲线。
步骤S404，基于第一映射关系、第二映射关系以及目标桩的桩土刚度比确定目标桩的水平承载力。详细请参见图1所示实施例的步骤S104，在此不再赘述。
在本实施例中提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，可用于计算机设备，图5是根据本发明实施例的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法的流程图，如图5所示，该流程包括如下步骤：
步骤S501，对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力。详细请参见图1所示实施例的步骤S101，在此不再赘述。
步骤S502，基于各桩土刚度比、各桩土水平抗力、预获取的与各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系。详细请参见图2所示实施例的步骤S202，在此不再赘述。
步骤S503，获取目标桩的桩土刚度比、目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系。详细请参见图4所示实施例的步骤S403，在此不再赘述。
步骤S504，基于第一映射关系、第二映射关系以及目标桩的桩土刚度比确定目标桩的水平承载力。
具体的，上述步骤S504包括：
步骤S5041，基于目标桩的桩土刚度比和第一映射关系，确定桩土刚度比对应的抗力组分。
具体的，可将目标桩的桩土刚度比代入至第一映射关系中，即可得到桩土刚度比对应的抗力组分。
如，目标桩的桩土刚度比为，那么，将/>代入至/>中，得到抗力组分/>。
步骤S5042，从第二映射关系中确定桩土水平抗力的最大值。
具体的，桩土水平抗力的最大值即桩身水平位移达到最大值时对应的桩土水平抗力。
步骤S5043，基于抗力组分和最大值确定水平承载力。
具体的，抗力组分为桩土水平抗力在水平承载力中所占的份额。因此，水平承载力即桩土水平抗力的最大值与抗力组分的比值。
本实施例提供的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，基于目标桩的桩土刚度比，通过将第一映射关系和第二映射关系相结合的方式，确定出目标桩的水平承载力。通过第二映射关系可以快速确定出目标桩桩土水平抗力的最大值，通过桩土刚度比可以快速从第一映射关系中确定出准确的抗力组分，因此，通过桩土水平抗力的最大值和抗力组分可以快速确定出准确的水平承载力。
在本实施例中还提供了一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本实施例提供一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算装置，如图6所示，包括：
分析模块601，用于对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力。
构建模块602，用于基于各桩土刚度比、各桩土水平抗力、预获取的与各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系。
获取模块603，用于获取目标桩的桩土刚度比、目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系。
确定模块604，用于基于第一映射关系、第二映射关系以及目标桩的桩土刚度比确定目标桩的水平承载力。
在一些可选实施方式中，分析模块601中与桩土刚度比对应的三维有限元模型通过如下子模块构建，包括：
第一获取子模块，用于获取目标位置处各土层分别对应的分布数据和土体数据。
第一构建子模块，用于基于分布数据、土体数据和预选择的多个桩土刚度比，构建与每一个桩土刚度比分别对应的三维有限元模型。
在一些可选实施方式中，构建模块602，包括：
第二获取子模块，用于获取预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力，预设桩土刚度比为多个桩土刚度比中的任一个。
第一确定子模块，用于基于预设桩土刚度比对应的桩土水平抗力和水平承载力，确定预设桩土刚度比对应的抗力组分。
回归子模块，用于对桩土刚度比和每一个桩土刚度比分别对应的抗力组分进行回归分析，得到第一映射关系。
在一些可选实施方式中，构建模块602中的第一映射关系通过如下方式体现：
其中，为桩土刚度比为/>时的抗力组分，/>、/>、/>为回归参数。
在一些可选实施方式中，获取模块603，包括：
第三获取子模块，用于获取桩侧土抗力与桩侧土水平位移之间的第三映射关系。
设置子模块，用于基于第三映射关系，在预构建的一维梁模型的第一预设位置处设置弹簧，一维梁模型为目标桩的简化模型。
第四获取子模块，用于在一维梁模型的第二预设位置处施加水平荷载，得到弹簧作用下一维梁模型移动的位移。
第二构建子模块，用于基于水平荷载和水平荷载对应的位移，构建第二映射关系。
在一些可选实施方式中，确定模块604，包括：
第二确定子模块，用于基于目标桩的桩土刚度比和第一映射关系，确定桩土刚度比对应的抗力组分。
第三确定子模块，用于从第二映射关系中确定桩土水平抗力的最大值。
第四确定子模块，用于基于抗力组分和最大值确定水平承载力。
在一些可选实施方式中，第二确定子模块中，目标桩的桩土刚度比的确定包括如下单元：
获取单元，用于获取目标桩的物理参数，物理参数包括单桩的截面抗弯刚度和入土桩长。
确定单元，用于基于单桩的截面抗弯刚度和入土桩长对应的土体平均刚度，确定目标桩的桩土刚度比。
上述各个模块和单元的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。
本实施例中的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算装置是以功能单元的形式来呈现，这里的单元是指ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）电路，执行一个或多个软件或固定程序的处理器和存储器，和/或其他可以提供上述功能的器件。
本发明实施例还提供一种计算机设备，具有上述图6所示的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算装置。
请参阅图7，图7是本发明可选实施例提供的一种计算机设备的结构示意图，如图7所示，该计算机设备包括：一个或多个处理器10、存储器20，以及用于连接各部件的接口，包括高速接口和低速接口。各个部件利用不同的总线互相通信连接，并且可以被安装在公共主板上或者根据需要以其它方式安装。处理器可以对在计算机设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置(诸如，耦合至接口的显示设备)上显示GUI的图形信息的指令。在一些可选的实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。同样，可以连接多个计算机设备，各个设备提供部分必要的操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器、或者多处理器系统)。图7中以一个处理器10为例。
处理器10可以是中央处理器，网络处理器或其组合。其中，处理器10还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路，可编程逻辑器件或其组合。上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件，现场可编程逻辑门阵列，通用阵列逻辑或其任意组合。
其中，存储器20存储有可由至少一个处理器10执行的指令，以使至少一个处理器10执行实现上述实施例示出的方法。
存储器20可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据等。此外，存储器20可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非瞬时存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非瞬时固态存储器件。在一些可选的实施方式中，存储器20可选包括相对于处理器10远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
存储器20可以包括易失性存储器，例如，随机存取存储器；存储器也可以包括非易失性存储器，例如，快闪存储器，硬盘或固态硬盘；存储器20还可以包括上述种类的存储器的组合。
该计算机设备还包括通信接口30，用于该计算机设备与其他设备或通信网络通信。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，上述根据本发明实施例的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可记录在存储介质，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程存储介质或非暂时机器可读存储介质中并将被存储在本地存储介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件的存储介质上的这样的软件处理。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体、随机存储记忆体、快闪存储器、硬盘或固态硬盘等；进一步地，存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件，当软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现上述实施例示出的方法。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (11)
1.一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法，其特征在于，所述方法包括：
对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力；
基于所述各桩土刚度比、各所述桩土水平抗力、预获取的与所述各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系；
获取目标桩的桩土刚度比、所述目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系；
基于所述第一映射关系、所述第二映射关系以及所述目标桩的桩土刚度比确定所述目标桩的水平承载力；
其中，所述基于所述各桩土刚度比、各所述桩土水平抗力、预获取的与所述各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系，包括：
获取预设桩土刚度比对应的所述桩土水平抗力和所述水平承载力，所述预设桩土刚度比为多个所述桩土刚度比中的任一个；
基于所述预设桩土刚度比对应的所述桩土水平抗力和所述水平承载力，确定所述预设桩土刚度比对应的抗力组分；
对所述桩土刚度比和每一个所述桩土刚度比分别对应的抗力组分进行回归分析，得到所述第一映射关系；
所述获取所述目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系，包括：
获取桩侧土抗力与桩侧土水平位移之间的第三映射关系；
基于所述第三映射关系，在预构建的一维梁模型的第一预设位置处设置弹簧，所述一维梁模型为所述目标桩的简化模型；
在所述一维梁模型的第二预设位置处施加水平荷载，得到所述弹簧作用下所述一维梁模型移动的位移；
基于所述水平荷载和所述水平荷载对应的位移，构建所述第二映射关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与桩土刚度比对应的三维有限元模型的构建过程，包括：
获取目标位置处各土层分别对应的分布数据和土体数据；
基于所述分布数据、所述土体数据和预选择的多个桩土刚度比，构建与每一个所述桩土刚度比分别对应的三维有限元模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一映射关系通过如下方式体现：
其中，为桩土刚度比为/>时的抗力组分，/>、/>、/>为回归参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一映射关系、所述第二映射关系以及所述目标桩的桩土刚度比确定所述目标桩的水平承载力，包括：
基于所述目标桩的桩土刚度比和所述第一映射关系，确定所述桩土刚度比对应的抗力组分；
从所述第二映射关系中确定桩土水平抗力的最大值；
基于所述抗力组分和所述最大值确定所述水平承载力。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标桩的桩土刚度比的确定方式包括：
获取所述目标桩的物理参数，所述物理参数包括单桩的截面抗弯刚度和入土桩长；
基于所述单桩的截面抗弯刚度和所述入土桩长对应的土体平均刚度，确定所述目标桩的桩土刚度比。
6.一种分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算装置，其特征在于，所述装置包括：
分析模块，用于对预构建的与桩土刚度比对应的三维有限元模型进行数值分析，得到分别与各桩土刚度比对应的桩土水平抗力；
构建模块，用于基于所述各桩土刚度比、各所述桩土水平抗力、预获取的与所述各桩土刚度比分别对应的水平承载力，构建桩土刚度比与抗力组分之间的第一映射关系；
获取模块，用于获取目标桩的桩土刚度比、所述目标桩对应的荷载与位移之间的第二映射关系；
确定模块，用于基于所述第一映射关系、所述第二映射关系以及所述目标桩的桩土刚度比确定所述目标桩的水平承载力；
其中，所述构建模块，包括：
第二获取子模块，用于获取预设桩土刚度比对应的所述桩土水平抗力和所述水平承载力，所述预设桩土刚度比为多个所述桩土刚度比中的任一个；
第一确定子模块，用于基于所述预设桩土刚度比对应的所述桩土水平抗力和所述水平承载力，确定所述预设桩土刚度比对应的抗力组分；
回归子模块，用于对所述桩土刚度比和每一个所述桩土刚度比分别对应的抗力组分进行回归分析，得到所述第一映射关系；
所述获取模块，包括：
第三获取子模块，用于获取桩侧土抗力与桩侧土水平位移之间的第三映射关系；
设置子模块，用于基于所述第三映射关系，在预构建的一维梁模型的第一预设位置处设置弹簧，所述一维梁模型为所述目标桩的简化模型；
第二确定子模块，用于在所述一维梁模型的第二预设位置处施加水平荷载，得到所述弹簧作用下所述一维梁模型移动的位移；
第二构建子模块，用于基于所述水平荷载和所述水平荷载对应的位移，构建所述第二映射关系。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分析模块中与桩土刚度比对应的三维有限元模型通过如下子模块构建，包括：
第一获取子模块，用于获取目标位置处各土层分别对应的分布数据和土体数据；
第一构建子模块，用于基于所述分布数据、所述土体数据和预选择的多个桩土刚度比，构建与每一个所述桩土刚度比分别对应的三维有限元模型。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述构建模块中的第一映射关系通过如下方式体现：
其中，为桩土刚度比为/>时的抗力组分，/>、/>、/>为回归参数。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定模块，包括：
第三确定子模块，用于基于所述目标桩的桩土刚度比和所述第一映射关系，确定所述桩土刚度比对应的抗力组分；
第四确定子模块，用于从所述第二映射关系中确定桩土水平抗力的最大值；
第五确定子模块，用于基于所述抗力组分和所述最大值确定所述水平承载力。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1至5中任一项所述的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至5中任一项所述的分层土海床中大直径单桩水平承载力的简化计算方法。
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