單樁荷載傳遞雙曲線模型的

單樁荷載傳遞雙曲線模型的研究1引言隨著我國城鄉(xiāng)建設(shè)的發(fā)展,樁基礎(chǔ)作為大型建筑物、構(gòu)筑物中運(yùn)用最多的一種深基礎(chǔ)形式,其在工程中的運(yùn)用越來越廣泛。樁基設(shè)計中必須正確合理的估計樁的受力與變形特性。樁在軸向荷載作用下的承載力與沉降計算已成為國內(nèi)外巖土工程學(xué)者共同關(guān)心的課題。但樁土系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng),其工程設(shè)計方法仍處于半理論半經(jīng)驗狀態(tài)。目前,代表性的計算方法主要有:荷載傳遞分析法、彈性理論法、分層總和法、剪切變形傳遞法、有限元分析法等[1,2]。荷載傳遞法因具有概念明確,計算簡單,實用性強(qiáng)的特點,適合工程中的單樁計算。2荷載傳遞法的原理及計算方法荷載傳遞法是用既定的荷載傳遞函數(shù)來分析樁的承載機(jī)理。其基本概念是:將樁離散成為一系列樁段(彈性單元),每一樁段與土體之間的聯(lián)系用非線性彈簧來模擬,樁端處土體也用非線性彈簧與樁端聯(lián)系。這些非線性彈簧的應(yīng)力2應(yīng)變關(guān)系,即樁側(cè)摩阻力τ(或樁端阻力σ)與位移s之間的關(guān)系(τ2s或σ2s關(guān)系),這一關(guān)系一般就稱為傳遞函數(shù)(如圖1所示)。利用已知的樁側(cè)(樁底)土的荷載傳遞函數(shù),求解傳遞函數(shù)法的基本微分方程dP/dz=-Uτ(z)ds/dz=-P/ApEp(1)式中:P為樁身軸力;U為樁截面周長;Ap為樁的截面積;Ep為樁的彈性模量;τ(z)為樁側(cè)摩阻力。圖1荷載傳遞法樁2土相互作用模型方程(1)的求解取決于傳遞函數(shù)τ(z)的具體形式。求解主要有以下兩種方法。其一為假定傳遞函數(shù)為線性或易于積分的函數(shù)形式,代入微分方程,利用所給邊界條件直接積分求解;其二為利用實測或試驗的方法得到傳遞函數(shù),一般為非線性,無法直接積分,只能根據(jù)平衡條件和位移協(xié)調(diào)原則,采用數(shù)值解。3荷載傳遞函數(shù)的選取及參數(shù)的確定3.1荷載傳遞函數(shù)的確定用荷載傳遞法分析單樁承載力與沉降的關(guān)鍵在于選擇能真實反映樁2土共同作用機(jī)理的傳遞函數(shù)。由于土體的非線性與成層非均質(zhì)性,大量的靜載試驗表明,其應(yīng)力2應(yīng)變關(guān)系與雙曲線相似,故可采用如圖2所示的雙曲線模型作為傳遞函數(shù)。對于淺層土,由于打入土中時的擠土作用,在地表淺部形成隆起,產(chǎn)生徑向裂隙。且打樁會引起側(cè)向振動,樁土之間形成間隙。因此,在地表下15m范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力達(dá)到峰值后有所降低,表現(xiàn)為應(yīng)變軟化的性質(zhì)。故對淺層土,采用改進(jìn)的模型:τ(z)=a1s/b1+s2(2)對于深層的樁周土,樁側(cè)摩阻力采用雙曲線模型:τ(z)=a2s/b2+s(3)樁端土:搞σ泄=a3水s公/云b3+些s(4廁)游三式中撓:齊τ蠶(畜z)埋為樁身駛z真截面處的熄樁側(cè)摩阻寄力匯;s腔為樁身捕(顯樁端拼)押沉降慢;側(cè)σ未為樁端土廉反力村;ai團(tuán)掌、劉bi(汪i=踐1絮、論2臘、苗3)掘為土的荷蛋載傳遞函幣數(shù)。燈圖場2幕樁命2灑土荷載傳館遞函數(shù)的袖雙曲線模連型巖3.2跳舍參數(shù)排a勞、勻b色的確定揮用荷載傳醋遞函數(shù)的慎雙曲線?；晷痛_定傳帶遞函數(shù)的響關(guān)鍵是要被確定不同災(zāi)土層的參古數(shù)野a架、本b暖。對于淺摟層土飼,沈?qū)酵?欄2)柔求極大值褲,直得出極限蒼摩阻力鐮fu駁=a1虜/霸,偶此時先s=飲,頸一般旱s享可取端2浴～搶5mm沃。原點處膏的初始剪翅切剛度脫Ksi央=籃=-療。賴對于深層朝的樁側(cè)土挑,痰由畜(鄰3)妥式可得送,而剪切位移趟趨于無限而大時的漸鋸進(jìn)本值取τ克ult蘋=夫=靜a2圖。初始剪倒切剛度蹈Ksi致=業(yè)=因根據(jù)試驗餡研究診,才τ巴ult何值略大于真樁土界面問處的極限踢摩阻力洞fu妻。旗fu禽與罰τ粗ult旁之間的關(guān)赴系為侍:f爬u=暴Rf窩τ鹽ult足。亂Rf朝為破壞比什。一般沾取皇0誦.醫(yī)75骨～懶0黃.洽95愉。蝶極限摩阻惹力澡f吃u酸的取值可購根據(jù)靜力這觸探比貫霉入阻力值席結(jié)合土工謊試驗資料圈、土層埋尚深與性質(zhì)掃確定。對達(dá)地表以下才6m施范圍內(nèi)的近淺層土體玩,限取暴f催u=蘿15k旺Pa;裕對粘性土請,童當(dāng)捷p令s染≤籮100通0kP史a爭時潤,培f筐u=日(冤kPa)灑,使p麻s熱≥蒙100將0kP靜a表時篩,晉f完u=需0侍.晴025錢p件s+三25(洋kPa)攀;妥對粉土與逮砂土虧,羞f潤u=晉(辯kPa)舒。截p稼s轟為各土層游比貫入阻荒力平均值應(yīng)(隨kPa)屆彎。估樁側(cè)土的啦初始剪切派剛度角K駁si,婆效根據(jù)你Rand享olph鞠奔等人的研編究妄[5]李,嘆K臨si=角。式中嗽,丈G動為小應(yīng)變妖時的土的才剪切模量瓶,測r告0份為樁的半固徑肢,脆r縫m景為土的剪惹切變形可墊忽略的范朱圍濤,氧一般的療,ln純值的范圍糖為旨3館～澆5擾。制對于樁端奧土兔,窩由公式羊(悉4)辰得吼,恥位移趨于太無窮大時水樁端土反燈力的漸進(jìn)標(biāo)值抖σ視ult洪=壘σ賠=蠶a智3瞧。同樣約,瞇σ凳ult漸略大于樁演端土極限魔承載力值澡q肆u,敵σ淡ult制=饒R筐f織q頓u薪。房R閥f毯的定義與貝取值可參丑照樁側(cè)土兆。由深基秤礎(chǔ)極限承劫載力公式違可得炮,托q組u=遞9通c閑u,粱c砌u旗為樁端處遺土的不排學(xué)水剪切強(qiáng)巖度。曉樁端土的瓦初始壓縮償剛度若K擇b=暢=撫,冰而樁底土挎的抗壓剛鵲度系數(shù)可偶由彈性半?yún)强臻g上的芽剛性基礎(chǔ)可解答給出躺估計值嫁K冶b=耐。唇v圾為土的泊革松比跌,刊一般可取洲0洋.蔬35執(zhí)。蔬這樣壁,砌由原位測咱試和室內(nèi)凡實驗確定衣了透f扛u(密q您u)賴和處K潮si(減重K希b)巨等參數(shù)后墓,榆即可計算惰得出雙曲籌線模型中院的灘a逮、條b漸值。搭4偉巖土參剖數(shù)的優(yōu)化旁實際工程顛中的樁基缸,外由于受到扎土層、土伍性、樁的車施工等因串素的影響身,洗因此砌,革需要對荷猾載傳遞函辰數(shù)中的巖犯土參數(shù)進(jìn)捷行優(yōu)化。助首先哭,愿根據(jù)工程牢地質(zhì)勘測輩報告癢,誕確定樁周襯各土層與黨樁端土挽a鐵、選b遼參數(shù)得初進(jìn)始值與合距理范圍。嶺然后茶,擾利用樁基垂靜載荷試麥驗中實測揚(yáng)得到的樁夫頂荷載猜2駱沉降曲線滑與樁身軸編力值眼,陰對樁周各巨土層及樁集端土的計馳算參數(shù)進(jìn)倦行優(yōu)化。究具體算法謊為魂:桿將導(dǎo)τ扭(臘脊z智)鳴和遲σ應(yīng)的具體形音式代入傳代遞函數(shù)法拼的基本微貌分方程信(眉1),革根據(jù)樁頂威位移值槐s縮0各與樁頂荷濾載工P朋0,過采用標(biāo)準(zhǔn)永的四階括Rung葡e2Ku共tta站法計算各突段的軸力丑值薯,敬與相應(yīng)位租置的實測孝軸力值相脂比較門,島根據(jù)最小反二乘法原駝理時,倘建立目標(biāo)丸函數(shù)肝:獎f鋼=安(5)事式中位:渾Pij錫為第英j掀級荷載下袋第業(yè)i耕段實測的等軸力值決;缸P去′偶ij個為第鍵j急級荷載下想第今i坦段計算的煌軸力值。絲當(dāng)目標(biāo)函寬數(shù)久f柄的值達(dá)到押最小牢f惡min肝時疼,挽待定參數(shù)株a鍵、充b海即為優(yōu)化腐值。關(guān)于餐Rung陵e酒-話Kutt月a搜法和目標(biāo)許函數(shù)的優(yōu)殿化均已編汽制程序在銷MATL額AB堪上實現(xiàn)。居5全工程實貿(mào)例爭5.1聲海工程概沸況禍上海船廠討擬在崇明娛基地建造圖7默萬噸船臺械,匹廠區(qū)位于創(chuàng)上海崇明撤縣咱,競緊靠長江撇南河道北比岸。根據(jù)撞地質(zhì)勘察潮報告千,競擬建場區(qū)焰土的物理親力學(xué)性質(zhì)蛋指標(biāo)如表惜1馬。該工程旱采用鋼筋耀混凝土預(yù)錫制方樁基體礎(chǔ)石,呀樁徑為言600到mm煙×啞800婚mm,鐮試驗樁長煌5311附m,滲根據(jù)設(shè)計喂方要求洲,屈進(jìn)行單樁臟靜載荷試慨驗。在試勝樁樁身內(nèi)慌不同部位燭埋設(shè)測試剝元件否,蘿量測設(shè)計鉆樁長的單換樁承載力連、側(cè)摩阻到力和樁端厭阻力。層表遙1聾試驗場悄地地層物宗理力學(xué)性杜質(zhì)指標(biāo)錯層序態(tài)土層名稱桐一般層面第標(biāo)高陸(姐m)警C撈(嘗kPa)箏Φ確(憤°抄)竊a句0條.1-0泰.2本(珠MPa)長E違S0紗.志1吸-涌0現(xiàn).績2回(鮮MPa)題Q撒u臭(短kPa)折P喊s案(魄MPa)嘗①仍1扶填土伏4窮.密67孟-懲6.99凱12即24.0路0.26波7.32效0.98派①朵2帽粘質(zhì)粉土頌與淤泥質(zhì)腸粘土互層種3.16陽～殼7.30迎11搶17.5伴0.46刊4.54拍0.67蒸②臭1泄粉質(zhì)粘土轉(zhuǎn)2.21臂～抄3.66態(tài)19終19.5信0.35叢5.43蓄0.89腥②慢2慎粘質(zhì)粉土墻-4.9縮5末～搬2.56仰10庭24.5獨(dú)0.25攪7.78該1.48蹲②恒3蹲砂質(zhì)粉土趨-8.8眾0餡～攀5.38財7趟28.5屠0.21頭9.00壓3.44細(xì)④嶼淤泥質(zhì)粘寄土煉-13.純60巧11壽11.5懇0.93城2.60泥44據(jù)0.83押⑤誓1駕淤泥質(zhì)粘刺土雞-21.苦70主12語12.0鵝0.81登2.87撓51碌1.00耀⑤墳2旺粉質(zhì)粘土位-27.稱85毫16竄19.5摔0.39闖5.19惑70煮3.40蚊⑤量3紋.刷1陳粉質(zhì)粘土茫與砂質(zhì)粉戀土互層辨-38.半40亞16忍21.5號0.29陪6.70周69粗5.44擾⑤強(qiáng)3撕.型2臂砂質(zhì)粉土間與粉質(zhì)粘啟土互層貌-42.愁85紡10多30.0茶0.16漂11.4熊0眠8.80律⑦貸1場粉質(zhì)粘土歌-46.說15糾8派31.5野0.14仔13.4輕4漁10.3敘8粗⑦威2摔粉砂理-49.聚40聲5聞34.0補(bǔ)0.10功17.5糧9選15.8燕2鉤⑨終含礫粉砂碑-60.妹65憂4柱35.5于0.08向20.6詠7胳17.1徑5殖5.2凝倚傳遞函呢數(shù)的選取楚根據(jù)表棗1亮所示的各皂土層物理頁力學(xué)性質(zhì)者,彎采用本文閑提出的雙往曲線模型攻,它首先確定券各土層計會算參數(shù)曾a登、稿b蔬的初始值柜,粘再進(jìn)行優(yōu)伏化瞇,粱優(yōu)化后的睡傳遞函數(shù)仙,鉤如表致2浩所示。勾表取2鉗樁略2寇土荷載傳厭遞函數(shù)共深度踢(喉m)息荷載傳遞是函數(shù)往0殲～慎4.25竿τ廢(弓z)=8當(dāng)1.06炮s津/確8.65扛+s2晨4.25部～詳12.2芹5定τ課(黃z)=2炭75.1孔7s餓/洗57.7駕8+s2申12.2荷5吐～儀20.1千5浸τ忽(漠z)=4寄37.2險0s蝶/出62.9尼3+s2慎20.1橫5匙～緣32.9基5難τ施(慢z)=5擱0.04躺s腿/魂3.56閑+s蹈32.9功5拆～妥49.2她5挪τ蹤(旅z)=7尤3.23佳s禽/束4.02遮+s嫩49.2垮5譽(yù)～止53.1必τ鮮(堆z)=1粘21.3乏7s吧/音4.53映+s晉樁端沫σ丑(約z)=8拔179.爪2s養(yǎng)/傅1.85沾+s欄5.3簽糟計算結(jié)扣果分析埋由圖什3剃、圖捆4聲可看出歪,蘋用荷載傳卵遞函數(shù)法梯能較好的還反映樁的嚇承載機(jī)理尋。按計算鉤得到的荷灑載蠻2盞位移曲線腸和樁身軸鋪力變化線插與實測值辣非常接近弄,龜其精度完輩全能夠滿乓足工程應(yīng)甲用需要。噸圖柿3凱朋樁頂荷載驅(qū)2夕位移曲線索實測值與巴計算值比木較譜棄窗脖圖纏4俯樁身軸象力實值與比計算值比泄較貝6揉結(jié)論吩a)鞠用傳遞函富數(shù)的雙曲岸線模型分關(guān)析樁的仇Q濱2蜓s戚曲線驚,爹只要土參盆數(shù)選取適更當(dāng)屈,悄實測值隙與計算值味就能較為們吻合研,蝕能達(dá)到令身人滿意的鴨效果。塵b)薄針對淺層丈土的應(yīng)變謎軟化性質(zhì)幸,款在由通用冊的雙曲線凳模型建立膛荷載傳遞教關(guān)系時浙,嘆需進(jìn)行必兆要的改進(jìn)祝。辣c)愁由原位測迎試與室內(nèi)頂土工試驗峽確定荷載盆傳遞雙曲紐線模型的滋計算參數(shù)細(xì),度再利用樁晚基靜載荷勤試驗資料羊優(yōu)化荷載置傳遞函數(shù)院,炮更為符合返工程實際亮。參考文獻(xiàn)欺1貧樁基工悄程手冊編領(lǐng)寫委員會淡.鑒樁基工程決手冊覽[M]幸.犁北京鑼:剝中國建筑垮工業(yè)出版佩社態(tài),199第5,1叔3921丹44朵2孟林天健倦,霉熊厚金艇,赴王利群矩.斯樁基礎(chǔ)設(shè)柳計指南柏[M]侍.答北京浮:濤中國建筑寒工業(yè)出版狗社喂,199黎9,2銳9623浮04倡3神潘時聲包.緞樁基礎(chǔ)分樣層位移迭仗代法計算驕理論及其板應(yīng)用麗[D]洪.點上海嚷:鍵同濟(jì)大學(xué)代,199腰3輝4欠何思明著.凝樁豎向荷陡載利2刷沉降特性靈的傳遞函艦數(shù)法綜述售[J]夢.路地基處理蝴.199串7,8醒(12卡)舅5Ra笑ndol嘩phM診F,獅W