考慮受荷過程影響的服役橋梁樁基礎側摩阻力計算方法與流程

2023-07-13 05:21:06

本發明涉及工程建設領域，特別涉及一種考慮受荷過程影響的服役橋梁樁基礎側摩阻力計算方法。

背景技術：

如何確定既有基樁軸向承載力是一直尚未解決的技術難題。樁基礎在承擔豎向荷載後，樁和樁側土之間會產生側摩阻力。樁和樁側土之間的側摩阻力可視為半無限彈性體內部軸向力，並在樁側土體內形成附加應力。樁和樁側土之間的側摩阻力的發揮程度在樁基礎的施工、運營、改造等受荷階段存在差異，導致施工、運營、改造等受荷階段樁側土體內形成的附加應力也存在差異。不同階段樁側土中附加應力的差異，會引起樁側土壓縮模量發生變化，壓縮模量的變化可引起樁周土側摩阻力標準值發生變化，目前還沒有很好的方法確定改造後樁周土側摩阻力。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種考慮受荷過程影響的服役橋梁樁基礎側摩阻力計算方法，

為實現以上目的，本發明採用的技術方案為：一種考慮受荷過程影響的服役橋梁樁基礎側摩阻力計算方法，包括如下步驟：（A）根據地層深度將樁基分為N段，樁段i對應的地層記為地層i，其中i={1，2，…，N}；（B）根據樁基受荷的不同分為成樁階段、運營階段和改造階段，分別計算成樁階段、運營階段和改造階段的第i層樁周土總應力P0i、P1i、P2i；（C）對地層i取樣測定土體初始孔隙比e0i，然後進行壓縮試驗，得到與P1i、P2i對應的地層i樁周土體孔隙比e1i、e2i；（D）分別計算運營階段、改造階段地層i樁側土體壓縮模量Es1i、Es2i；（E）根據成樁階段地層i側摩阻力初始標準值τ0i、運營階段地層i側摩阻力發揮值τ1i以及壓縮模量Es1i、Es2i計算得到改造階段地層i側摩阻力標準值τ2i。

與現有技術相比，本發明存在以下技術效果：根據基樁運營期實際承擔的荷載，計算基樁樁側土在運營期的土體附加應力和總應力，根據橋梁在改造後樁頂力的增量，通過荷載試驗的方法確定橋梁在改造後的土體附加應力和總應力，然後對土體取樣，根據運營期、改造后土體總應力，進行土體壓縮試驗，然後計算運營期、改造后土體的壓縮模量，建立樁周土壓縮模量變化與服役橋梁樁基礎樁側土摩阻力標準值的變化之間的關係，根據運營、改造等受荷階段服役橋梁樁基礎樁側土的壓縮模量的變化，評估沉降穩定的服役橋梁樁基礎在改造等受荷階段樁側摩阻力的標準值，通過一系列處理，保證最後計算出的側摩阻力標準值的精確性。

附圖說明

圖1是本發明的流程示意圖；

圖2是樁周土受荷情況示意圖，其中圖2a為成樁階段，圖2b為試樁階段，圖2c為運營階段，圖2d為上部結構不拆除的改造階段，圖2e為上部結構拆除的改造階段；

圖3是步驟E中各坐標示意圖。

具體實施方式

下面結合圖1至圖3，對本發明做進一步詳細敘述。

參閱圖1，一種考慮受荷過程影響的服役橋梁樁基礎側摩阻力計算方法，包括如下步驟：（A）根據地層深度將樁基分為N段，樁段i對應的地層記為地層i，其中i={1，2，…，N}；（B）根據樁基受荷的不同分為成樁階段、運營階段和改造階段，分別計算成樁階段、運營階段和改造階段的第i層樁周土總應力P0i、P1i、P2i；（C）對地層i取樣測定土體初始孔隙比e0i，然後進行壓縮試驗，得到與P1i、P2i對應的地層i樁周土體孔隙比e1i、e2i；（D）分別計算運營階段、改造階段地層i樁側土體壓縮模量Es1i、Es2i；（E）根據成樁階段地層i側摩阻力初始標準值τ0i、運營階段地層i側摩阻力發揮值τ1i以及壓縮模量Es1i、Es2i計算得到改造階段地層i側摩阻力標準值τ2i。根據基樁運營期實際承擔的荷載，計算基樁樁側土在運營期的土體附加應力和總應力，根據橋梁在改造後樁頂力的增量，通過荷載試驗的方法確定橋梁在改造後的土體附加應力和總應力，然後對土體取樣，根據運營期、改造后土體總應力，進行土體壓縮試驗，然後計算運營期、改造后土體的壓縮模量，建立樁周土壓縮模量變化與服役橋梁樁基礎樁側土摩阻力標準值的變化之間的關係，根據運營、改造等受荷階段服役橋梁樁基礎樁側土的壓縮模量的變化，評估沉降穩定的服役橋梁樁基礎在改造等受荷階段樁側摩阻力的標準值，通過一系列處理，保證最後計算出的側摩阻力標準值的精確性。

參閱圖2，成樁階段、運營階段和改造階段的第i層樁周土總應力P0i、P1i、P2i可以通過多種方式來進行計算，本實施例中優選地，所述的步驟B中，成樁階段第i層樁周土總應力式中γk為第k層樁周土平均重度，重度即密度乘以重力加速度，Zk為第k層樁周土平均厚度；運營階段第i層樁周土總應力P1i=σczi+σ1i，式中σ1i為運營階段第i層樁周土平均附加應力；改造階段，上部結構不拆除重建時第i層樁周土總應力P2i記為P′2i，上部結構拆除重建時第i層樁周土總應力P2i記為P″2i；P′2i=σczi+σ1i+σ2i，式中σ2i為上部結構不拆除重建時，第i層樁周土在改造階段承擔的改造後增加的附加應力；P″2i=σczi+σ2i=σczi+σ1i+Δσ2i，式中Δσ2i為上部結構拆除重建時，第i層樁周土在改造階段承擔的附加應力增量。對於改造階段，通過區分是拆除重建還是不拆除重建兩種方式的改造，通過不同的公式進行計算，過程更簡潔。實際上，不拆除重建的公式P′2i=σczi+σ1i+σ2i中的σ2i也可以理解為拆除重建時的Δσ2i。

具體地，壓縮模量可以按照如下的公式進行計算，所述的步驟D中，運營階段地層i樁側土體壓縮模量Es1i=(1+e0i)(P1i-P0i)/(e0i-e1i)；改造階段，上部結構不拆除重建時地層i樁側土體壓縮模量Es2i記為E′s2i，上部結構拆除重建時地層i樁側土體壓縮模量Es2i記為E″s2i，式中E′s2i=(1+e1i)(P2i-P1i)/(e1i-e2i)，E″s2i=(1+e1i)(P2i-P0i)/(e1i-e2i)。

前面說到上部結構不拆除重建時的σ2i相當於上部結構拆除重建時的Δσ2i，σ1i和Δσ2i的有很多種方式可以進行計算，本實施例中優選地，所述的步驟B中，運營階段第i層樁周土平均附加應力σ1i按如下步驟求得：（B1）根據實測運營期樁頂位移S1和基樁長期穩定承擔的荷載P1計算各地層的側摩阻力發揮值τ1i和樁周土的樁土相對位移S1i；（B2）根據側摩阻力發揮值τ1i計算τ1i對地層i產生的附加應力並求和得到σ1i；（B3）在上部結構改造前，通過在樁基上方以適當方式加載，加載量不小於橋梁改造後或通行荷載等級提高後樁頂力的增量，測試加載後樁頂下沉量，根據加載量P2、加載後樁頂下沉量S2計算各地層側摩阻力發揮值的增量Δτ2i；（B4）根據側摩阻力發揮值Δτ2i計算Δτ2i對地層i產生的附加應力並求和得到Δσ2i。這樣一方面可以計算出各地層的側摩阻力發揮值τ1i，方便步驟E中進行下一步計算，另一方面也能夠很準確的計算出σ1i的值。

具體地，所述的步驟B1和步驟B3中，按如下步驟計算得到各地層的側摩阻力發揮值τ1i或各地層側摩阻力發揮值的增量Δτ2i；（S21）建立樁土計算模型；（S22）樁土初始剛度沿深度變化率p取0～25任意數值，將p代入樁土計算模型中並假設各樁段初始剛度與埋深呈線性關係、各樁段的側摩阻力與樁段頂部沉降量呈線性關係計算該p值對應的加載載荷Pp和沉降量Sp；（S23）通過比較Pp/Sp和P/S的值，不斷的對p的取值進行調整，直到Pp/Sp和P/S的差值小於設定閾值；（S24）將最終的p值代入樁土計算模型中並假設各樁段初始剛度與埋深呈線性關係計算各樁段荷載傳遞參數；（S25）根據各樁段載荷傳遞參數代入樁土計算模型中計算得到各地層的側摩阻力發揮值τ1i或各地層側摩阻力發揮值的增量Δτ2i；上述步驟中，P、S取P1、S1時，步驟S25最後計算得到的結果為各地層的側摩阻力發揮值τ1i，P、S取P2、S2時，步驟S25最後計算得到的結果為各地層側摩阻力發揮值的增量Δτ2i。根據加載載荷P和其對應的沉降量S計算側摩阻力發揮值τ1i或側摩阻力發揮值的增量Δτ2i的具體方案，在本公司申請的發明專利《採用小位移加載確定樁基豎向承載力的方法》（申請號：201610285979.0；申請日：2016年05月03日）中已經有詳細的記載，這裡就不再贅述。

具體地，所述的步驟B2和步驟B4中，按如下步驟計算得到σ1i或Δσ2i；（S11）記τ1～τm-1引起的第i層樁周土底面環帶上任一點j的附加應力為σzmij，τ1～τm在該點引起的附加應力為σ′zmij，σzmij和σ′zmij根據樁段m側摩阻力發揮值，採用Geddes解計算，這個計算方法在《樁基工程手冊》（中國建築工業出版社出版，1995年9月出版）的178～181頁有詳細的介紹，這裡就不再贅述；（S12）樁段m側摩阻力引起的第i層樁周土底面環帶上任一點j的附加應力σ″zmij=σzmij-σ′zmij；（S13）將第i層樁周土底面各點的σ″zmij取平均值得到樁段m側摩阻力引起的第i層樁周土底面環帶平均附加應力σ″zmi；（S14）重複步驟S1-S3計算樁段m側摩阻力引起的第i層樁周土頂面環帶平均附加應力σ′zmi；（S15）樁段m側摩阻力引起的第i層樁周土環帶平均附加應力σ′mi=(σ′zmi+σ″zmi)/2；（S16）對σ′mi求和即得到的結果即為σ1i或Δσ2i；上述步驟中，{τ1、τ2、…、τm、…、τN}取{τ11、τ12、…、τ1N}時，步驟S16中計算得到σ1i；{τ1、τ2、…、τm、…、τN}取{Δτ21、Δτ22、…、Δτ2N}時，步驟S16計算得到Δσ2i。

參閱圖3，作為本發明的優選方案，所述的步驟E包括如下步驟：（E1）建立直角坐標系，橫坐標代表樁土相對位移，縱坐標代表樁周土側摩阻力值，直角坐標系原點記為O；（E2）自坐標軸原點為起點，以Es1i為斜率做直線段，記直線段終點為X，X點的縱坐標值為成樁階段地層i側摩阻力初始標準值τ0i，τ0i根據設計文件或勘察報告確定，則X點對應的橫坐標值S0i=τ0i/Es1i；（E3）在OX線段中，以運營階段地層i側摩阻力發揮值τ1i為縱坐標值確定點Y，X點對應的橫坐標值S1i=τ1i/Es1i；（E4）以Y點為起點、Es2i為斜率做直線段，記直線段的終點為Z，Z點的橫坐標值S2i與X點的橫坐標值S0i相等，Z點的縱坐標值τ2i滿足方程：τ2i-τ1i=Es2i(S2i-S1i)，將S2i=S0i=τ0i/Es1i、S1i=τ1i/Es1i代入方程求得τ2i。實際計算時，無需按照步驟，直接按照步驟E4中的方程就可以得出τ2i。通過這些步驟的處理，最後算得的τ2i與實際值非常的接近，誤差非常小，可以作為改造後的標準值使用。