一种确定桩基础桩周土强度参数的反分析方法
【专利摘要】本发明一种确定桩基础桩周土强度参数的反分析方法，属于土木工程【技术领域】，本发明包括桩侧土强度参数的反分析方法和桩端土强度参数的反分析方法，即桩侧土和桩端土内部的弹性力学解、桩侧土的应力传递衰减系数、桩侧土极限平衡状态位置判定的主应力差突变原则及应力路径突变点确定方法、桩侧土强度参数确定的莫尔应力圆图解法和桩端土强度参数确定的莫尔应力圆图解法；该反分析方法是通过弹性理论、岩土力学理论、突变理论建立，反分析得到的强度参数更接近于客观情况，具有较为广泛的适用性，减少了试验偶然性因素带来的误差。
【专利说明】一种确定粧基础粧周土强度参数的反分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土木工程【技术领域】，具体涉及一种确定桩基础桩周土强度参数的反分 析方法。
【背景技术】
[0002] 桩基础的承载能力主要取决于桩周土的极限承载能力，土的强度主要体现在抗剪 强度上，因此，土的抗剪强度指标是决定桩基础承载力的主要因素，土的强度参数包括黏聚 力C和内摩擦角I目前，这两个参数的取得通常是通过土工试验完成，由于土工试验需要 将试样脱离其工作环境，而且无法精确地模拟真实工作条件下土的破裂面，因此土工试验 得到的强度参数存在较大误差，国内外专家通过一系列改进的试验来模拟土的真实工作状 态，但仍未能完全达到预期目标。
[0003] 目前，桩基础坚向静载荷试验是现有确定单桩承载力方法中必须采用的一种方 法，土工压缩试验是确定土强度参数的一种比较可靠的手段；但将土试样脱离工作环境必 然会导致土的密实度等性质发生变化，从而对强度参数的测定产生影响，从而使试验所测 得强度参数的可信度及可用性降低；现有的原位试验亦无法模拟桩体受到荷载条件下土的 真实破裂面，单纯的桩基础坚向静载荷试验又无法直接测得土的强度参数；因此，通过单纯 的试验方法确定土的强度参数很难成功。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种反分析方法确定桩周土的强度参数， 以达到通过力学分析结合试验数据得到较为真实可靠的土强度参数的目的。
[0005] -种确定桩基础桩周土强度参数的反分析方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1、选取被测桩，对其进行静荷载实验，绘制被测桩的荷载位移曲线；
[0007] 步骤2、根据绘制的荷载位移曲线，采用切线法或回零图解法获得桩侧总摩阻力和 桩端阻力；
[0008] 步骤3、根据获得的桩侧总摩阻力、桩侧土单元体距离桩侧表面的水平距离和桩侧 土单元体距离桩顶表面的深度，确定桩侧土单元体正应力的坚直分量、桩侧土单元体正应 力的水平分量和桩侧土单元体的切应力；
[0009] 桩侧土单元体正应力的坚直分量计算公式如下：
[0010]
【权利要求】
1. 一种确定桩基础桩周土强度参数的反分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、选取被测桩，对其进行静荷载实验，绘制被测桩的荷载位移曲线； 步骤2、根据绘制的荷载位移曲线，采用切线法或回零图解法获得桩侧总摩阻力和桩端 阻力； 步骤3、根据获得的桩侧总摩阻力、桩侧土单元体距离桩侧表面的水平距离和桩侧土单 元体距离桩顶表面的深度，确定桩侧土单元体正应力的坚直分量、桩侧土单元体正应力的 水平分量和桩侧土单元体的切应力； 桩侧土单元体正应力的坚直分量计算公式如下：
其中，σz表示桩侧土单元体正应力的坚直分量；qi表示桩体受到坚向荷载时，作用在 桩侧的切向应力，即桩侧总摩阻力；q2表示桩体受到坚向荷载时作用在桩侧的正应力；X表 示桩侧土单元体距离桩侧表面的水平距离；z表示土单元体距离桩顶表面的深度； 桩侧土单元体正应力的水平分量计算公式如下：
其中，σχ表示桩侧土单元体正应力的水平分量； 桩侧土单元体的切应力计算公式如下：
其中，τχζ是桩侧土单元体的切应力； 步骤4、根据获得的桩端阻力、土的泊松比、桩长和桩体到土单元体的水平距离，确定 桩端土单元体正应力的坚直分量、桩端土单元体正应力的水平分量和桩端土单元体的切应 力； 桩端土单元体正应力的坚直分量计算公式如下：
其中，σzSj表示桩端土单元体正应力的坚直分量；Fsj表示作用在桩顶荷载传递到桩 端时的桩端阻力值，即桩端阻力；V表示土的泊松比；h表示桩长成表示桩端到计算土单 元的距离，& +(Z-Ii)2 ;R2表示以地面为对称面的桩端对称点到计算土单元的距离； R1=」r2+(z+h)2 ,r表示桩体到土单元体的水平距离； 桩端土单元体正应力的水平分量计算公式如下： *-1\- -f - /
其中，σxSj表示桩端土单元体正应力的水平分量； 桩端土单元体的切应力计算公式如下：
其中，τχζ--?表示桩端土单元体的切应力，即桩端土单元的剪应力； 步骤5、根据桩侧土单元体正应力的水平分量、桩侧土单元体正应力的坚直分量、桩侧 土单元体的切应力、桩端土单元体正应力的水平分量、桩端土单元体正应力的坚直分量和 桩端土单元体的切应力，确定桩侧和桩端土单元体的第一应力和第三应力； 步骤6、获取桩侧土的强度参数，包括黏聚力和内摩擦角，具体如下： 步骤6-1、对桩侧土单元体应力状态的衰减系数进行修正，获得修正后的桩侧土单元体 的第一应力和第三应力； 步骤6-2、将获得修正后的桩侧土单元体的第一应力与第三应力做差，获得应力差值， 获取同深度所对应的应力差值，并形成关系曲线，选取深度差为〇. 1?〇. 2m，其应力差值小 于20%的桩侧土层，将该土层确定为桩侧土的极限平衡状态深度； 步骤6-3、在桩侧土的极限平衡状态深度土层上，等距离选取若干个点，在同一坐标系 下分别作该若干点的莫尔应力圆和应力路径线，将应力路径线与各莫尔应力圆的交点进行 连接，并加大荷载，当应力路径斜率发生变化时，确定此时该处的土体为极限平衡状态； 步骤6-4、在极限平衡状态下，采用莫尔应力圆图解法确定桩侧土的强度参数； 步骤7、获取桩端土的强度参数，包括黏聚力和内摩擦角，具体如下： 步骤7-1、在桩端1倍至1. 5倍桩径有效压缩层深度范围内，且弹性土核作用区域以外， 选取若干个深度平面绘制莫尔应力圆，确定土材料内摩擦角和黏聚力，计算不同深度的内 摩擦角和黏聚力的平均值； 步骤7-2、在同一深度平面内等距离选取若干个点，在同一坐标系下分别作该若干点的 莫尔应力圆和应力路径线，将应力路径线与各莫尔应力圆的交点进行连接，并加大荷载，当 应力路径斜率发生变化时，确定此时该处的土体为极限平衡状态； 步骤7-3、在极限平衡状态下，采用莫尔应力圆图解法确定桩端土的强度参数； 步骤8、根据获得的桩侧和桩端土的强度参数，确定桩周土的极限承载能力，指导施工。
2.根据权利要求1所述的反分析方法，其特征在于，步骤6-1所述的对桩侧土单元体应 力状态的衰减系数进行修正，具体如下： 计算桩侧土单元应力衰减系数的公式如下： d, ,χ( Ιη(2:::7；) ,_Λ cx ---(χ,-d)- (7) X1ν 1η(1+ 2η 其中，α表示桩侧土单元应力衰减系数；d表示桩体的直径；X1表示土单元体所在位置 到桩心的水平距离；η为X1与d的比值；η表示该层土与标准模量土的弹性模量之比； 计算桩侧土单元第一主应力修正值的公式如下： 0 I = α 0 1(0) (8) 其中，〇i表示修正后的桩侧土单元第一主应力；〇 1((1)表示修正前的桩侧土单元第一 主应力； 计算桩侧土单元第三主应力修正值的公式如下： σ3 =ασ3(〇) (9) 其中，〇 3表示修正后的桩侧土单元第三主应力；〇 _表示修正前的桩侧土单元第三 主应力。
3. 根据权利要求1所述的反分析方法，其特征在于，步骤6-4所述的采用莫尔应力圆图 解法确定桩侧土的强度参数的过程与步骤7-3所述的采用莫尔应力圆图解法确定桩端土 的强度参数的过程相同，具体如下： 步骤a、判断土材料类型，即黏性土或无黏性土，若为黏性土，则执行步骤b，若为无黏 性土，则执行步骤e; 步骤b、在莫尔应力圆坐标系中，从每个莫尔应力圆的小主应力点作与坐标系横轴面成 45°角的斜线，确定该斜线与各自莫尔圆的交点； 步骤c、将上述交点进行连接，寻找连线的斜率发生突变的点，过该点做起所在莫尔应 力圆的切线，获得切线与坐标系纵轴的交点，该交点到坐标轴原点的距离即为黏性土的黏 聚力； 步骤d、确定切线与坐标系横轴的夹角，该夹角即为黏性土的内摩擦角； 步骤e、在莫尔应力圆坐标系中，从每个莫尔应力圆的小主应力点作与坐标系横轴面成 45°角的斜线，确定该斜线与各自莫尔圆的交点； 步骤f、将上述交点进行连接，寻找连线的斜率发生突变的点，过该点所在莫尔应力圆 做所有莫尔应力圆的拟合公切线，获得该公切线与坐标系纵轴的交点； 步骤g、将突变点与距离桩体最近的莫尔应力圆顶点相连，将连线延长获得该连线与坐 标系纵轴的交点； 步骤K获得两交点之间的距离，即获得无黏性土黏聚力，过公切线与坐标系横轴之间 的夹角即为无黏性土的内摩擦角。
4. 根据权利要求1所述的的反分析方法，其特征在于，所述的坐标系纵坐标为剪应力， 横坐标为正应力。
5. 根据权利要求2所述的的反分析方法，其特征在于，所述的标准模量土是指相同密 实度的粉土和细砂土的弹性模量标准值，其取值根据桩基础所在地区岩土材料弹性模量选 取。
【文档编号】E02D33/00GK104314108SQ201410559555
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】董天文, 谢鲁齐, 郑颖人, 梁力, 谢欣, 王笑二, 孙首印, 王家伟 申请人:中冶沈勘工程技术有限公司, 东南大学