一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法技术

本发明专利技术涉及土木建筑工程技术领域，尤其是一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法，采用桩基的桩体变形及桩底位移叠加模式进行桩基位移预测，具体包括以下步骤：建立层状异性底层桩基承载力模型；对桩基的轴力进行计算；对桩基的中性断面计算；根据中性端面的位置判断桩基的承载模式，并根据桩基的承载模式的判断选择对应的分析计算路径；桩基的桩侧、桩底承载力计算；建立虚拟柱状结构位移等效模型及相应计算方程；计算桩基的位移。本发明专利技术的优点是：针对复合软土地层桩基承载位移的预测计算，采用桩体变形及桩底位移叠加模式，提出了基于桩底虚拟柱状结构等效位移模型与桩体弹性变形相结合的工程桩沉降位移预测方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法
本专利技术涉及土木建筑工程
，尤其是一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法。
技术介绍
桩基础是一种用于传递上部结构水平及竖直荷载到地基的结构形式，具有悠久的历史，随着人类生存空间的扩张，桩基础被大量应用于各类工业与民用建筑中。由于应用广泛，桩基础一直以来就是岩土工程界研究的热点。桩基础是一个宽泛的命题，桩的受力性能与受力方向、土层性质、成桩方法等条件密切相关，此外单桩与群桩的受力性能也有差别。缺乏对桩基的受力性能的全面了解将会导致两个极端：1）设计过于保守造成资源的浪费，抬高了工程造价；2）缺乏对问题的透彻考虑导致桩基无法承受设计荷载，影响建筑的正常使用，甚至威胁人们的生命财产安全。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法，采用桩体变形及桩底位移叠加模式，提出了基于桩底虚拟柱状结构等效位移模型与桩体弹性变形相结合的工程桩沉降位移预测方法，实现任意层状异性软土地层工程桩单桩承载及位移的计算。本专利技术目的实现由以下技术方案完成：一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法，其特征在于：采用桩基的桩体变形及桩底位移叠加模式进行桩基位移预测，具体包括以下步骤：建立层状异性底层桩基承载力模型；对所述桩基的轴力进行计算；对所述桩基的中性断面计算；根据所述中性面的位置判断所述桩基的承载模式，并根据所述桩基的承载模式的判断选择对应的分析计算路径；所述桩基的桩侧、桩底承载力计算；建立虚拟柱状结构位移等效模型及相应计算方程；计算所述桩基的位移。所述桩基的承载模式包括桩基摩擦承载以及桩侧摩擦承载结合桩端承载，且分别对应两种承载模式的沉降位移划分为桩基变形位移或桩底位移加桩基变形位移。两种所述承载模式所对应的沉降位移通过下式计算：式中，U(z)为所述桩基的沉降位移、Uz(z)为所述桩基的桩体的变形位移、Ud为所述桩底相对于下部土体的位移即桩底位移、Z0为所述桩基的中性面位置；所述桩基的中性面位置通过下式计算：式中，Z0为所述桩基的中性面位置、L为所述桩基的断面周长、C为所述桩基所受土体的粘结力、μ为泊松比、γ为容重、ψ为内摩擦角、P为所述桩基的桩顶所受的上部结构的荷载。当所述桩基为桩侧摩擦承载结合桩端承载的承载模式时，所述虚拟柱状结构位移等效模型为所述桩基的桩底竖向位移等效弹性模型，通过模型的受力和变形等效，获得所述桩基下方的虚拟柱状结构的弹性系数，并根据所述虚拟柱状结构的模型等效弹性系数计算所述桩基的桩底位移。所述桩基的桩底位移通过下式计算：式中，Ud为所述桩底相对于下部土体的位移即桩底位移，NH为所述桩基的桩底轴力、ks为所述虚拟柱状结构的弹性系数、Sd为基底深度、E为桩底下部土体平均弹性模量、A为α桩的截面积、αd和ξd为中间变量系数。所述模型等效弹性系数通过下式计算：式中，ks为所述虚拟柱状结构的弹性系数，NH为所述桩基的桩底轴力、Sd为基底深度、E为桩底下部土体平均弹性模量、A为桩的截面积、αd和ξd为中间变量系数。本专利技术的优点是：针对复合软土地层桩基承载位移的预测计算，采用桩体变形及桩底位移叠加模式，提出了基于桩底虚拟柱状结构等效位移模型与桩体弹性变形相结合的工程桩沉降位移预测方法。预测方法适用于任意层状异性软土地层工程桩单桩承载及位移的计算。并可方便地推广应用于复合地层群桩位移的预测计算。附图说明图1为本专利技术中层状异性底层桩基变形计算模型；图2为本专利技术中基于虚拟柱状结构的桩底沉降等效模型；图3为本专利技术的实施流程图。具体实施方式以下结合附图通过实施例对本专利技术特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：实施例：本实施例中基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地基桩基位移预测方法通过以下设计思路实现。为进行工程桩竖向位移预测计算，本实施例重点解决：1）建立层状异性地层桩基承载力模型并推导正交异性条件下桩基承载特性及其轴向受力计算公式；2）桩基承载模式的判断并依据判断选择对应的分析计算路径；3）建立虚拟柱状结构位移等效模型、对应于任意地层的等效模型参数及控制方程。具体地，为建立软土复合地层工程桩的位移预测计算方法，考虑弹性地基并作基本假定如下：1)桩基为端承桩或摩擦端承桩，即桩底一定程度上承担结构荷载；2)桩顶荷载（结构荷载）P在桩基成型且自重位移平衡后施加，计算中不考虑桩体自重的作用；3)地基土体弱渗透地层，孔隙水压力可以忽略不计；4)桩底下部地层处于弹性变形状态；5)工程区域内土体及基坑围护结构满足连续介质力学条件；6)工程区域内无动力荷载影响。为进一步拓展位移计算方法的适用性，不失一般性，设桩基穿越地层为m层，且具有正交异性力学特性，如图1所示。桩基的沉降位移可表达为：(1)式（1）中U(z)为桩基的沉降位移、Uz(z)为桩体的变形位移、Ud为桩底相对于下部土体的位移即桩底位移、Z0为所述桩基的中性面位置。按下式计算给定桩顶荷载条件下桩基中性面位置（设桩基断面周长为L）。式中，Z0为所述桩基的中性面位置、L为所述桩基的断面周长、C为所述桩基所受土体的粘结力、μ为泊松比、γ为容重、ψ为内摩擦角、P为所述桩基的桩顶所受的上部结构的荷载。此时，通过式（1）可以看出，桩基的沉降位移根据所计算得到的桩基中性面的位置划分为两种承载模式，具体为当桩基中性面的位置小于桩基的桩长H时，为1）桩基摩擦承载；当桩基中性面的位置大于桩基的桩长H时；为2）摩擦承载结合桩端承载，这两种承载模式；在特殊情况下，当桩基中性面的位置等于桩基的桩长H时则可通用两式进行计算。对应于1）桩基摩擦承载的承载模式，其沉降位移U(z)即为桩体的变形位移Uz(z)；而对应于2）桩基摩擦承载结合桩端承载的承载模式，其沉降位移U(z)即为桩体的变形位移Uz(z)与桩底位移Ud之和。为了提高预测精度，根据桩基的不同承载模式需要选择不同的计算模式来计算其对应的位移。桩体变形位移可以统一表达为：(2)式中，U(z)为桩基的沉降位移、P为桩基顶部荷载、E为桩底下部土体平均弹性模量、Aγ为桩的截面积、L为桩体横截面周长、△Hi为第i层土体的厚度、γi和γm分别为第i层和第m层地层的土体密度、Cm为第m层土体粘聚力、αm为中间变换系数（计算公式同αd，取第m层土体参数）桩顶的最大变形位移可表达为：(3)式中，E为桩底下部土体平均弹性模量、A为桩的截面积、L为桩体横截面周长、△Hi为第i层土体的厚度、γi和γm分别为第i层和第m层地层的土体密度、Cm为第m层土体粘聚力、αm为中间变换系数（计算公式同αd，取第m层土体参数）、H为桩基长度。当桩基为摩擦承载结合桩端承载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法，其特征在于：采用桩基的桩体变形及桩底位移叠加模式进行桩基位移预测，具体包括以下步骤：建立层状异性底层桩基承载力模型；对所述桩基的轴力进行计算；对所述桩基的中性断面计算；根据所述中性面的位置判断所述桩基的承载模式，并根据所述桩基的承载模式的判断选择对应的分析计算路径；所述桩基的桩侧、桩底承载力计算；建立虚拟柱状结构位移等效模型及相应计算方程；计算所述桩基的位移。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法，其特征在于：采用桩基的桩体变形及桩底位移叠加模式进行桩基位移预测，具体包括以下步骤：建立层状异性底层桩基承载力模型；对所述桩基的轴力进行计算；对所述桩基的中性断面计算；根据所述中性面的位置判断所述桩基的承载模式，并根据所述桩基的承载模式的判断选择对应的分析计算路径；所述桩基的桩侧、桩底承载力计算；建立虚拟柱状结构位移等效模型及相应计算方程；计算所述桩基的位移。


2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法，其特征在于：所述桩基的承载模式包括桩基摩擦承载以及桩侧摩擦承载结合桩端承载，且分别对应两种承载模式的沉降位移划分为桩基变形位移或桩底位移加桩基变形位移。


3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法，其特征在于：两种所述承载模式所对应的沉降位移通过下式计算：



式中，U(z)为所述桩基的沉降位移、Uz(z)为所述桩基的桩体的变形位移、Ud为所述桩底相对于下部土体的位移即桩底位移、Z0为所述桩基的中性面位置。


4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟柱状结构等效变形模型的复合地层桩基位移预测方法，其特征在于：所述桩基的中性面位置通过下式计算：



式中，Z0为所述桩基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立生，王仲平，杨光辉，杜冠群，徐伟忠，
申请(专利权)人：上海城建市政工程集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31