一种层状地基被动桩桩身内力变形计算方法技术

本发明专利技术公开了一种层状地基被动桩桩身内力变形计算方法，包括：确定被动桩桩长范围内的地基土层桩侧摩阻、桩端阻以及各土层水平地基系数、土层总层数、土体重度以及黏聚力、内摩擦角强度指标等参数；计算路基荷载引起的被动桩位置水平附加应力深度方向分布，利用水平土拱理论计算桩身侧向分布荷载；确定桩身轴力分布形式并拟合为二次抛物方程；建立考虑桩身轴力影响的层状地基被动桩内力变形分析模型，形成基于差分格式的关于桩身侧向位移的线性方程组，得到被动桩桩身侧向变形分布；计算被动桩转身转角、弯矩、剪力，确定被动桩桩身内力及侧向变形在深度方向上的分布。该方法提高了整个求解过程计算效率和精度。个求解过程计算效率和精度。个求解过程计算效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种层状地基被动桩桩身内力变形计算方法


[0001]本专利技术涉及路基工程被动桩结构工程设计领域，特别是涉及一种层状地基被动桩桩身内力变形计算方法。

技术介绍

[0002]工程桩根据桩体同桩周土体的相互作用，可以分为主动桩和被动桩两大类。其中，桩基直接承受外荷载并主动向桩周土体传递应力的为主动桩；而不承受荷载，只是由于桩周土体在自重和外荷载作用下产生水平运动而受到影响的为被动桩。隔离桩本质上属于一种被动桩，通过桩体与桩周土体的变形协调和相互作用力传递，有效限制新建路基荷载引起的附加沉降和水平位移的影响范围。被动隔离桩在既有高铁附加沉降控制中应用广泛，通过被动隔离桩对水平附加应力的隔离和阻断效应，在有效隔离新建路基引起的地基土体中附加应力的同时，有效保护既有路基，防止既有路基出现过大沉降变形，威胁高铁列车的正常运营。此外，桩承式路基中靠近坡脚区域的边桩除承担桩顶荷载外，同时承担路堤填土引起的水平附加应力荷载，表现为被动桩承载变形特征。被动隔离桩虽然在临近既有高铁工程中应用广泛，但是关于被动隔离桩的作用机理、桩土作用机制、荷载传递机制、关键设计参数等方面的研究并不深入，也无法有效反映地基层状分布与桩身轴力非线性分布对被动桩承载的影响。因此，有必要开展层状地基条件下普遍适用的被动桩桩身内力分析计算方法研究，为被动桩结构选型、设计参数优化等奠定基础。
[0003]现阶段，被动桩内力变形分析方法总体分为试验方法和理论方法两大类，针对被动桩的受力变形特征，应用两阶段法进行被动桩的变形及内力求解也是目前较为主流的方法。其中，被动桩现场试验成果较少，采用土工离心模型试验对于被动桩更为有效，离心模型试验可以直观地模拟原型土工结构物的变形和应力变化过程，具有其他试验手段无法比拟的优点。但模型试验存在显著的缩尺效应，无法真实反映被动桩受力状态。理论研究方法以两阶段法最为直观有限，第一阶段设基坑开挖引起的土体水平位移是一定值，该位移是在无桩条件下的土体自由水平位移，第二阶段将自由土体位移作为已知条件，施加于被动桩并计算被动桩的反应，自由土体位移可以采用实测或通过有限元计算得到。但是，两阶段理论分析方法并不能有效反映桩身轴力分布以及层状地基影响，实际工程中的被动桩工程设计仍存在较大的盲目性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种层状地基水平荷载和桩身轴力非线性分布的层状地基被动桩桩身内力计算方法，该方法求解过程更为程序化和智能化、适用更为复杂的工程应用场景、计算效率和计算精度均较高。
[0005]为此，本专利技术采用以下技术方案：一种层状地基被动桩桩身内力变形计算方法，包括以下步骤：S1，确定被动桩桩长L范围内的地层参数：
所述地层参数包括桩侧摩阻深度方向分布参数f
s
(z)和桩端阻q
b
，z为附加应力计算点深度；S2，确定路基荷载引起的被动桩桩身侧向分布荷载q(z)：以路基填筑土体的左坡脚为断面坐标零点，得到路基荷载分布范围；根据边桩被动桩相对于路基左端点处的相对距离确定边桩被动桩断面位置坐标；进而得到被动桩深度方向上的水平附加应力σ(z)分布；确定不同水平附加应力σ(z)作用下的桩体和桩间土体分担荷载，进而得到被动桩桩身深度方向上的桩身荷载q(z)分布曲线；S3，计算被动桩桩身轴力拟合方程：根据路基荷载分布范围与被动桩相对位置，确定被动桩单桩等效面积范围内的桩顶荷载N0；根据S1得到的桩侧摩阻f
s
(z)与桩端阻q
b
，计算桩身轴力N(z)分布；，式中，D为被动桩桩径；z为附加应力计算点深度，以桩顶为坐标零点，向下为正；根据上式确定桩身上不少于五个位置处的被动桩桩身轴力，应用多点二次抛物线拟合方法，得到被动桩桩身轴力二次抛物线拟合方程式：，式中，a0、a1和a2分别为被动桩桩身轴力拟合方程系数；S4，建立考虑桩身轴力影响的层状地基被动桩桩身内力变形分析模型：采用弹性地基梁理论，根据S3得到的方程式和S2得到的桩身荷载q(z)建立下式：，式中，EI为被动桩截面刚度；b为被动桩等效宽度；y为被动桩侧向位移；k
s
为水平地基系数；S5，构建被动桩桩身内力变形差分求解方程：将被动桩等间距离散为桩身微段，将S4中的公式进行差分离散为线性方程组后求解，得到被动桩桩身侧向变形y(z)在深度方向上的分布；S6，确定被动桩桩身内力及变形：根据上述步骤S5得到的桩身侧向变形y(z)，求得被动桩桩身内力和侧向变形在深度方向上的分布，所述被动桩桩身内力包括弯矩M(z)和剪力Q(z)，所述侧向变形包括水平位移和转角θ(z)。
[0006]上述的步骤S1中，确定地层参数的步骤如下：S11，确定被动桩桩长范围内的土层数目I，确定各土层范围内的桩侧摩阻f
si
和桩端阻q
bi
（1≤i≤I）；S12，根据地基土层地勘报告获取相应土层的水平地基系数k
si
、土体重度γ
i
、黏聚力c
i
和内摩擦角φ
i
；S13，根据地基土层范围，进一步得到桩侧摩阻深度方向分布参数f
s
(z)和桩端阻q
b
。
[0007]在步骤S2中，对于天然地基或能等效为均质体复合地基群桩基础时，采用点荷载作用下的Boussinesq理论公式，得到被动桩深度方向上的水平附加应力σ(z)分布：，式中，P
1i
为地表位置的等效点荷载，由路基分布荷载离散为一系列的n个连续分布点荷载；x为附加应力计算点同点荷载作用位置间的水平距离；z为附加应力计算点深度；R为附加应力计算点同点荷载作用位置间的距离；v为土体泊松比。
[0008]在步骤S2中，当地基为疏桩基础时，采用Mindlin理论公式得到被动桩深度方向上的水平附加应力σ(z)分布：，式中，R1=[r2+(z
‑
c)2]1/2
，R2=[r2+(z+c)2]1/2
，r2=x2+y2，v为土体泊松比；P
2i
为所有支撑桩体的桩身等效点荷载；n为桩身等效点荷载数目；r为荷载作用点同附加应力计算点间距离；c为荷载作用点的深度坐标。
[0009]优选的是，在步骤S2中，采用水平土拱理论，考虑土拱轴线为二次抛物线形式的合理拱轴线，根据拱顶、拱脚位置处的极限应力状态，确定不同水平附加应力σ(z)作用下的桩体和桩间土体分担荷载，进而得到被动桩桩身深度方向上的桩身荷载q(z)分布曲线。
[0010]步骤S3中，在确定桩侧摩阻f
s
(z)的分布形式时，通过进一步考虑三角线性分布或分段矩形分布对桩侧摩阻f
s
(z)参数进行等效调整。
[0011]在S3中，应用二次抛物线拟合方法确定轴力分布方程时，分别取桩顶、0.25L、0.5L、0.75L以及桩端5点的被动桩桩身轴力，采用最小二乘法确定抛物线拟合系数。
[0012]步骤S5中，根据一~四阶差分格式的表达式： ，对所述被动桩桩身内力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状地基被动桩桩身内力变形计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，确定被动桩桩长L范围内的地层参数：所述地层参数包括桩侧摩阻深度方向分布参数f
s
(z)和桩端阻q
b
，z为附加应力计算点深度；S2，确定路基荷载引起的被动桩桩身侧向分布荷载q(z)：以路基填筑土体的左坡脚为断面坐标零点，得到路基荷载分布范围；根据边桩被动桩相对于路基左端点处的相对距离确定边桩被动桩断面位置坐标；进而得到被动桩深度方向上的水平附加应力σ(z)分布；确定不同水平附加应力σ(z)作用下的桩体和桩间土体分担荷载，进而得到被动桩桩身深度方向上的桩身荷载q(z)分布曲线；S3，计算被动桩桩身轴力拟合方程：根据路基荷载分布范围与被动桩相对位置，确定被动桩单桩等效面积范围内的桩顶荷载N0；根据S1得到的桩侧摩阻f
s
(z)与桩端阻q
b
，计算桩身轴力N(z)分布；，式中，D为被动桩桩径；z为附加应力计算点深度，以桩顶为坐标零点，向下为正；根据上式确定桩身上不少于五个位置处的被动桩桩身轴力，应用多点二次抛物线拟合方法，得到被动桩桩身轴力二次抛物线拟合方程式：，式中，a0、a1和a2分别为被动桩桩身轴力拟合方程系数；S4，建立考虑桩身轴力影响的层状地基被动桩桩身内力变形分析模型：采用弹性地基梁理论，根据S3得到的方程式和S2得到的桩身荷载q(z)建立下式：，式中，EI为被动桩截面刚度；b为被动桩等效宽度；y为被动桩侧向位移；k
s
为水平地基系数；S5，构建被动桩桩身内力变形差分求解方程：将被动桩等间距离散为桩身微段，将S4中的公式进行差分离散为线性方程组后求解，得到被动桩桩身侧向变形y(z)在深度方向上的分布；S6，确定被动桩桩身内力及变形：根据上述步骤S5得到的桩身侧向变形y(z)，求得被动桩桩身内力和侧向变形在深度方向上的分布，所述被动桩桩身内力包括弯矩M(z)和剪力Q(z)，所述侧向变形包括水平位移和转角θ(z)。2.根据权利要求1所述的层状地基被动桩桩身内力变形计算方法，其特征在于：S1中确定地层参数的步骤如下：S11，确定被动桩桩长范围内的土层数目I，确定各土层范围内的桩侧摩阻f
si
和桩端阻q
bi
（1≤i≤I）；S12，根据地基土层地勘报告获取相应土层的水平地基系数k
si
、土体重度γ
i
、黏聚力c
i
和内摩擦角φ
i
；S13，根据地基土层范围，进一步得到桩侧摩阻深度方向分布参数f
s
(z)和桩端阻q
b
。3.根据权利要求1所述的层状地基被动桩桩身内力变形计算方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭帅杰，宋绪国，齐春雨，闫穆涵，张海洋，
申请(专利权)人：中国铁路设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：