深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法技术

本申请提供的深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法，以有限元模型提供大量的数据作为随机森林模型的输入，对现场测试数据的需求量较小，同时，有限元模型和随机森林模型仅仅用于辅助改进公式的推导，并不参与后续临界荷载的计算过程，使得临界荷载的计算过程仍能保持较高的简化性，不需要开发复杂的程序或软件进行计算；同时，由于改进公式考虑了多个对临界荷载有影响的参数，使得计算过程更贴近于实际的现场环境条件，可以极大的提升计算精度，为桩基设计提供理论的指导依据。为桩基设计提供理论的指导依据。为桩基设计提供理论的指导依据。

【技术实现步骤摘要】
深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法


[0001]本申请属于桩体荷载计算
，具体涉及一种深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法。

技术介绍

[0002]桥梁桩基压屈问题是桥梁设计中不可避免的关键问题之一，对于深厚软土地区尤其如此。深厚软土区的地层有其分布特点，可以概况为：上层的软土层（包括淤泥、淤泥质土、流塑性黏土,软塑黏性土），中层的硬土层（包括砂层、粉砂层、硬塑黏土层、卵石层等），下层的岩石层。一般深厚软土层中的桩要穿过软土层，到达硬土层，当硬土不是很厚时，桩基要奠基到岩石层。由于深厚软土层的存在，使得软土地区桩基存在压屈破坏的风险。
[0003]自20世纪20年代以来，学者对桩基稳定性问题进行了大量的理论、试验和数值分析研究，得到了丰富的成果。其中，《建筑桩基技术规范》提供的基于欧拉公式导出的计算桩长简化公式是目前设计中最常用的计算方法，其具有计算量小的优点，不需要开发复杂的程序或软件进行计算，易于在实际施工场景中推广使用。但是其在计算过程中仅仅考虑了柱高和桩土变形系数两个参数，忽略了其他对临界荷载有影响的参数，因此其存在计算精度不够的缺点。
[0004]桩柱式桥墩是桥梁工程中最常见的桥墩形式，深厚软土区又是最容易发生桩基屈曲的地质区域。因此，实有必要提供一种深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法，在规范简化法确定计算桩长的基本式的基础上，通过有限元计算以及随机森林回归分析，拟合得到了计算桩长的修正公式，再通过计算桩长与临界荷载的转换关系得到临界荷载，修正公式中考虑了多个对临界荷载有影响的参数，其相比于基本式可以大幅增加计算的精度。
[0006]为解决上述技术问题，本申请的技术方案在于：一种深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法，包括如下步骤：S1：提供通过规范简化法确定计算桩长的基本式，所述基本式表示为：；式中，表示计算桩长，表示柱高，表示桩土变形系数，其中，桩土变形系数的计算公式为：
；式中，表示桩弹性模量；表示桩横截面极惯性矩；m1表示软土层水平抗力系数的比例系数；b1表示桩的计算宽度；S2：构建基于特征值屈曲分析的有限元模型，采用现场实验测得的实际数据对有限元模型进行标定；S3: 选择多个对临界荷载有影响的参数，采用标定后的有限元模型计算任意参数组合下的临界荷载，通过临界荷载与计算桩长的转换关系，得到不同参数组合下的计算桩长，以多组参数组合和参数组合下的计算桩长构建数据集；S4：将所述数据集送入随机森林模型进行训练，直至模型收敛，然后根据Gini指数计算各个参数的重量性指数，以步骤S1中的基本式为基本函数形式，以重要性指数排名靠前的参数作为自变量，对所述数据集内的数据进行拟合，得到计算桩长的修正公式，计算桩长的修正公式表示为：；式中，表示桩在软土中的长度；表示桩在硬土中的长度；S5：针对任意深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载的计算，采用步骤S4得到的修正公式完成计算过程。
[0007]优选的，所述有限元模型的构建过程包括如下步骤：S21：建立桩土体系模型，将桩身划分为若干单元，考虑每个单元所受的节点荷载、桩侧土抗力、自重及摩阻力，建立该单元的桩土体系总势能方程，基于势能驻值原理，获取任意单元的刚度矩阵，将所有单元的刚度矩阵组成与桩顶荷载有关的总刚度方程：式中， [K]表示总刚度矩阵，由所有单元的刚度矩阵组装而成；{δ}表示结构在荷载作用下的位移；{P}表示结构上的荷载；S22：构建桩身屈曲稳定的n阶有限元特征方程，表示为：；S23：求解所述有限元特征方程，得到n个特征值，取最小特征值为桩身的临界荷载Pcr。
[0008]优选的，步骤S2中所述“采用现场实验测得的实际数据对有限元模型进行标定”具体包括：将荷载分级加于桩顶，得到各级荷载下桩身轴力，绘制深度
‑
轴力曲线；将现场实验测得的深度
‑
轴力数据以散点的形式在深度
‑
轴力曲线图上的对应位置标出，根据散点的分布情况初步标定所述有限元模型；
将现场实验测得的临界荷载与所述有限元模型计算得到的临界荷载进行比对，再次标定所述有限元模型。
[0009]优选的，步骤S3中，所述参数包括柱高、桩在不同土层中的长细比、桩土变形系数α以及各土层水平抗力系数的比例系数m
i
，其中，表示桩在不同土层中的长度，表示桩径。
[0010]优选的，在所述有限元模型中，将各弹性模量下桩的水平荷载试验产生的桩顶水平位移与规范简化法中各土层水平抗力系数的比例系数m
i
下计算的桩顶水平位移进行对比，将计算结果非常接近的弹性模量E与各土层水平抗力系数的比例系数m
i
对应起来，形成若干组数据，运用最小二乘法进行回归分析，得到弹性模量E与土层水平抗力系数的比例系数m
i
的对应关系，通过弹性模量E与土层水平抗力系数的比例系数m
i
的对应关系转换得到土层水平抗力系数的比例系数m
i
。
[0011]优选的，计算桩长与临界荷载的转换关系表示为：；式中，表示临界荷载。
[0012]本申请的有益效果在于：选择多个对临界荷载有影响的参数，采用基于特征值屈曲分析的有限元模型预测不同参数组合下的计算桩长，以参数组合和参数组合下的计算桩长构成数据集，将数据集送入随机森林模型进行训练，训练完成后得到各参数对计算桩长的重要性指数，选择重要性指数排名靠前的参数作为自变量，以规范简化法确定计算桩长的基本式为基础进行拟合，拟合得到改进后的计算桩长简化公式。本申请的技术方案以有限元模型提供大量的数据作为随机森林模型的输入，对现场测试数据的需求量较小，同时，有限元模型和随机森林模型仅仅用于辅助改进公式的推导，并不参与后续临界荷载的计算过程，使得临界荷载的计算过程仍能保持较高的简化性，不需要开发复杂的程序或软件进行计算；同时，由于改进公式考虑了多个对临界荷载有影响的参数，使得计算过程更贴近于实际的现场环境条件，可以极大的提升计算精度，为桩基设计提供理论的指导依据。
附图说明
[0013]图1表示桩柱式桥墩的结构示意图；图2表示桩土体系模型示意图；图3表示散点在有限元模型得到的深度
‑
轴力曲线的分布示意图；图4表示桩身屈曲模态示意图；图5表示各影响因素重要性示意图；图6表示修正公式的拟合结果；图7表示修正公式计算结果与有限元模型计算结果的对比图。
具体实施方式
[0014]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0015]请结合参阅图1
‑
7，本专利技术提供一种深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：提供通过规范简化法确定计算桩长的基本式，所述基本式表示为：；式中，表示计算桩长，表示柱高，表示桩土变形系数，其中，桩土变形系数的计算公式为：；式中，表示桩弹性模量；表示桩横截面极惯性矩；m1表示软土层水平抗力系数的比例系数；b1表示桩的计算宽度；S2：构建基于特征值屈曲分析的有限元模型，采用现场实验测得的实际数据对有限元模型进行标定；S3: 选择多个对临界荷载有影响的参数，采用标定后的有限元模型计算任意参数组合下的临界荷载，通过临界荷载与计算桩长的转换关系，得到不同参数组合下的计算桩长，以多组参数组合和参数组合下的计算桩长构建数据集；S4：将所述数据集送入随机森林模型进行训练，直至模型收敛，然后根据Gini指数计算各个参数的重量性指数，以步骤S1中的基本式为基本函数形式，以重要性指数排名靠前的参数作为自变量，对所述数据集内的数据进行拟合，得到计算桩长的修正公式，计算桩长的修正公式表示为：；式中，表示桩在软土中的长度；表示桩在硬土中的长度；S5：针对任意深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载的计算，采用步骤S4得到的修正公式完成计算过程。2.根据权利要求1所述的深厚软土区桩柱式桥墩临界荷载简化计算方法，其特征在于，所述有限元模型的构建过程包括如下步骤：S21：建立桩土体系模型，将桩身划分为若干单元，考虑每个单元所受的节点荷载、桩侧土抗力、自重及摩阻力，建立该单元的桩土体系总势能方程，基于势能驻值原理，获取任意单元的刚度矩阵，将所有单元的刚度矩阵组成与桩顶荷载有关的总刚度方程：式中， [K]表示总刚度矩阵，由所有单元的刚度矩阵组装而成；{δ}表示结构在荷载作用下的位移；{P}表示结构上的荷载；
S22：构建桩身屈曲稳定的n阶有限元特征方程，表示为：；S23：求解所述有限元特征方程，得到n个...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓明，李曦，何奇，杨刚，吕彦松，付豪，高琼，涂树杰，刘齐建，谭鑫，
申请(专利权)人：中交路桥华南工程有限公司广州市高速公路有限公司，
类型：发明
国别省市：