CN117313220B - 一种高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，属于桩基工程领域。该方法包括以下步骤：收集工程所在地同类桩的高频免共振沉桩方式的承载力数据；根据公式(1)，对步骤S1收集的数据进行非线性拟合，求出参数A和B，公式(1)为；将求出的参数A和B代入公式(1)，根据公式(1)求出打桩结束后的具体时刻的桩基承载力。该方法同时考虑桩周土强度恢复和超孔压消散的桩基承载力增大因素，还能保证桩基承载力随时间发展有上界，并能快速计算高频免共振打桩结束后任意时刻的桩基承载力，与桩基长期承载力发展吻合度好。
Description
技术领域
本发明涉及一种高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，属于桩基工程领域。
背景技术
振动沉桩是由电力或液压驱动桩锤内的一对或多对偏心块体旋转，由此产生的离心力在水平方向上相互抵消、垂直方向相互叠加而形成简谐激振力来沉桩的。随着城市高架快速路的大量建设，近几年高频免共振沉桩工艺因为拥有效率高、影响低、污染小的优势而被引入国内进行沉桩施工。高频免共振沉桩工艺同样是在桩顶施加周期动荷载，但所用加载设备为免共振锤，采用高振动频率且在启停阶段无振动输出以避免共振现象，进而对土体振动影响大为降低，减少了土体对桩的侧摩阻力，从而使桩体顺利沉至设计标高。
有学者将桩基承载力随时间发展的现象，主要归因于打桩引起的超孔隙水压力消散。实际上承载力的量化影响与沉桩方式和土体性质密切相关，比如静压和锤击沉桩过程中对桩周土体的扰动程度不同，粘土和砂土的排水效率相差很大，这些会极大影响沉桩后桩基承载力的恢复速率。实际上振动沉桩方式下，土的结构受到破坏而强度降低，随后因为触变性强度逐渐恢复，这会使沉桩完成后的桩基承载力增加。然而对于高频免共振沉桩方式，沉桩过程中土的结构会根本性破坏而利于沉桩至设计标高，对于饱和土层地区，承载力恢复是桩周土强度恢复和超孔隙水压力消散的共同作用导致的。土强度恢复与超孔压消散共同作用使桩基承载力随时间增大，在没有土强度恢复时超孔压消散呈对数型或双曲线型增长，因此，当考虑桩周土强度恢复因素后，桩基承载力恢复规律曲线理论上应该低于对数型或双曲线型曲线，不符合对数型或双曲线型的承载力恢复规律。此外，桩基承载力随时间发展并不是无上限的，随着超孔压消散至正常水平，桩基承载力会达到一个极限值。而传统的对数型函数不是有界的，因此对数型函数不符合桩基承载力恢复规律的描述。
发明内容
针对传统的对数型或双曲线型的承载力恢复规律与桩基承载力随时间发展并不能较好吻合的问题，本发明提出了一种高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，能够克服现有技术中存在的缺陷，对高频免共振沉桩方式的桩基承载力进行预测，为工程桩基设计提供借鉴和指导。
为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：
一种高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，包括以下步骤：
步骤S1，收集工程所在地同类桩的高频免共振沉桩方式的承载力数据；
步骤S2，根据公式(1)，对步骤S1收集的数据进行非线性拟合，求出参数A和B；
——(1)；
式中，Q t 表示沉桩结束时间后t天的桩基承载力，Q 0表示沉桩结束时的桩基初始承载力，A、B表示模型参数；
步骤S3，将求出的参数A和B代入公式(1)，根据公式(1)求出打桩结束后的具体时刻的桩基承载力。
进一步，当步骤S1中收集的数据能够确定初始承载力Q 0和最终承载力Q max时，根据式(2)求出参数B，然后对步骤S1收集的数据进行非线性拟合，求出参数A；
—— (2)；
当t→无穷大时，Q t =Q max。
进一步，根据式(3)求出参数A，
——(3)。
进一步，计算t→无穷大时的Q t→∞，并与桩基承载力设计值Q s 进行比较，当Q t→∞≥Q s 时，桩基承载力满足设计要求。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提出的高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，同时考虑桩周土强度恢复和超孔压消散的桩基承载力增大因素，还能保证桩基承载力随时间发展有上界，并能快速计算高频免共振打桩结束后任意时刻的桩基承载力，与桩基长期承载力发展吻合度好。
附图说明
图1为本发明一实施例中的Q t /Q 0曲线示意图；
图2为本发明一实施例中的承载力Q t 拟合曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法作进一步详细说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
一种高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，包括以下步骤：
步骤S1，收集工程所在地同类桩的高频免共振沉桩方式的承载力数据，包括打桩结束后的桩基初始承载力、桩基承载力随时间发展的数据；
步骤S2，根据公式(1)，在数学计算软件上对步骤S1收集的数据进行非线性拟合，求出参数A和B；
——(1)；
式中，Q t 表示沉桩结束时间后t天的桩基承载力，Q 0表示沉桩结束时的桩基初始承载力，A、B表示模型参数；
步骤S3，将求出的参数A和B代入公式(1)，根据公式(1)求出打桩结束后的具体时刻的桩基承载力。根据公式(1)能够计算出打桩结束后的任意时刻的桩基承载力，及承载力变化曲线。
需要说明的是，公式（1）以双曲线型函数为原型，考虑高频免共振沉桩过程中的桩周土强度恢复因素，引入一个指数因子（e-1/t）来弱化桩基承载力恢复速率，同时能保证最终承载力值不变，该类双曲线型函数有明确的上限，所以用来描述桩基承载力恢复规律是符合的。如图1所示，考虑高频免共振沉桩过程中的桩周土强度恢复因素，图中曲线为引入指数因子e-1/t来弱化桩基承载力恢复速率的类双曲线型，参数A = 20、参数B = 2。
在一个具体实施例中，当步骤S1中收集的数据能够确定初始承载力Q 0和最终承载力Q max时，根据式(2)求出参数B，然后对步骤S1收集的数据进行非线性拟合，求出参数A；
—— (2)；
当t→无穷大时，Q t =Q max，即Q max = (1/B+1)Q 0，有明确的极限值。参数B能被最终承载力和初始承载力确定，而最终承载力和初始承载力与桩几何参数和土强度参数有关，因此参数B的取值受到桩和土的共同影响。一般来讲桩越长、桩径越大、土侧摩阻和端摩阻系数越大，桩最终承载力越大，参数B取值越小。
在一个具体实施例中，根据式(3)求出参数A；
——(3)。
当t→无穷大时，承载力恢复速率也是个固定值，且与参数A和B有关，而参数B是能够被最终承载力和初始承载力确定的，也就是说参数A能够被最终承载力恢复速率确定，而承载力恢复速率与土灵敏度和渗透系数相关，因此参数A的取值受到土性质影响。一般来讲，粘土中承载力恢复速率小，参数A取值偏大，而砂土中承载力恢复速率大，则参数A取值偏小。
在一个具体实施例中，计算t→无穷大时的Q t→∞，并与桩基承载力设计值Q s 进行比较，当Q t→∞≥Q s 时，桩基承载力满足设计要求。还可以根据Q t =Q s ，计算出时间t，预测桩基承载力达到设计值的时间。
下面结合具体工程对高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法作进一步介绍。如图2所示，本案例试桩位于上海某工地，对8根桩径为700 mm的钢管桩进行高频免共振沉桩，单桩的设计极限承载力为5200 kN。沉桩结束后进行不同时间段的高应变和静载承载力试验，具体见表1。该案例缺少沉桩结束时的初始承载力值，根据现有数据估计其为1000 kN，采用公式(1)进行非线性拟合。拟合结果为参数A=8.28±0.80、参数B=0.14±0.01、R 2=0.98，拟合效果比较理想，其中的R 2是平方相关系数，表示实测值和拟合值之间的相关程度，取值范围为0到1，R 2越接近1吻合度越高，越接近0吻合度越低。当参数B=0.14时，根据公式(2)可算出最终承载力为初始承载力的8.14倍，约为8140kN，超过设计值。反代入参数根据公式(1)计算，达到设计值5200kN需要88d，也就是说需要三个月左右承载力才能至恢复设计值，这与实际的结论是一致的。因此用公式(1)来计算高频免共振沉桩的桩基长期承载力是合理的。
表1 上海某项目钢管桩承载力检测结果
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，收集工程所在地同类桩的高频免共振沉桩方式的承载力数据；
步骤S2，根据公式(1)，对步骤S1收集的数据进行非线性拟合，求出参数A和B；
——(1)；
式中，Q t 表示沉桩结束时间后t天的桩基承载力，Q 0表示沉桩结束时的桩基初始承载力，A、B表示模型参数；
步骤S3，将求出的参数A和B代入公式(1)，根据公式(1)求出打桩结束后的具体时刻的桩基承载力。
2.如权利要求1所述的高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，其特征在于，
当步骤S1中收集的数据能够确定初始承载力Q 0和最终承载力Q max时，根据式(2)求出参数B，然后对步骤S1收集的数据进行非线性拟合，求出参数A；
—— (2)；
当t→无穷大时，Q t =Q max。
3.如权利要求2所述的高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，其特征在于，
根据式(3)求出参数A，
——(3)。
4.如权利要求1-3任一项所述的高频免共振沉桩方式的桩基长期承载力计算方法，其特征在于，
计算t→无穷大时的Q t→∞，并与桩基承载力设计值Q s 进行比较，当Q t→∞≥Q s 时，桩基承载力满足设计要求。
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