一种确定桩基础桩周土强度参数的反分析方法

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。

主权项

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竖直分量、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竖直分量计算公式如下：${\sigma }_z=\frac{2}{3}{q}_{1}arctan\frac{x}{z}-\frac{1}{3}{q}_1\pi +\frac{4q_{1}xz}{3(x^2+z^2)}---\left(1\right)$其中，σ_z表示桩侧土单元体正应力的竖直分量；q₁表示桩体受到竖向荷载时，作用在桩侧的切向应力，即桩侧总摩阻力；q₂表示桩体受到竖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：${\sigma }_x=\frac{2}{3}{q}_{1}arctan\frac{x}{z}-q_2-\frac{4q_{1}xz}{3(x^2+z^2)}---\left(2\right)$其中，σ_x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：${\tau }_{xz}=\frac{q_1(x^2-3z^2)}{3(x^2+z^2)}---\left(3\right)$其中，τ_xz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竖直分量、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竖直分量计算公式如下：其中，σ_z端表示桩端土单元体正应力的竖直分量；F_端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；R₁表示桩端到计算土单元的距离，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；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：其中，σ_x端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，τ_xz端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竖直分量、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竖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；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：$\alpha =\frac{d}{x_1}-(x_1-d){\left(\frac{ln(2*\eta )}{\ln (1+2n*\eta )}\right)}^2---\left(7\right)$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；n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：σ₁＝ασ₁₍₀₎   (8)其中，σ₁表示修正后的桩侧土单元第一主应力；σ₁₍₀₎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₍₀₎   (9)其中，σ₃表示修正后的桩侧土单元第三主应力；σ₃₍₀₎表示修正前的桩侧土单元第三主应力；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0.1～0.2m，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。