一种获取复合地基桩土承载比的方法、装置

1.本发明涉及一种获取复合地基桩土承载比的方法、装置，属于地基处理技术领域。。


背景技术：

2.复合地基是一种被广泛采用的地基处理型式，其加固地基的基本原理是：天然地基在中的部分土体得到人为的增强或置换，或在天然地基中设置加筋材料，复合地基由天然地基土体和增强体两部分共同承担上部荷载，承载性能以及沉降控制较好。在工程中最常见的是设置竖向增强体的复合地基，竖向增强体复合地基有：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基三种。由于施工技术和成本的要求，近年来在地基处理过程中采用混凝土柔性桩复合地基的工程较多，其具有施工方便、施工质量容易控制、取材便利以及性价比高等特点。
3.复合地基的承载力计算是复合地基设计的重要内容，其中复合地基的桩土承载比是设计复合地基的重要指标，其是决定复合地基经济性和安全性的重要因素。复合地基的传力机理较为复杂，其主要过程是：上部建筑物将基底荷载传递给褥垫层，褥垫层将基底荷载按一定比例分配给桩和桩间土，实现桩与土按桩土承载比共同承载，随着应力向地基深部传递桩与桩间土协调变形，将部分应力扩散到周边土体。
4.在工程界，计算复合地基的桩土承载比主要依据我国现行的《复合地基技术规范》gb/t50873进行，其主要思想是：根据复合地基的面积置换率、桩土应力比、桩土模量比等参数进行等效简化计算。规范规定的这种方法忽略了应力扩散效应、桩长效应、荷载水平等等因素的影响，计算误差较大。由于传力机理的复杂性，在现有关于复合地基承载力的研究中，还没有能够有效计算复合地基桩土承载比的方法。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种获取复合地基桩土承载比的方法、装置，以通过建立复合地基的三维有限元模型，计算复合地基的初始地应力场和工作地应力场，采用截面数值积分法求解混凝土桩和桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，进而计算复合地基的桩土承载比。
6.本发明的技术方案是：一种获取复合地基桩土承载比的方法，包括：
7.拟定复合地基的桩土承载比计算的基本参数；
8.依据拟定的基本参数，建立复合地基的三维有限元模型；
9.求解混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力；
10.求解桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力；
11.依据混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力、桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力进行复合地基的桩土承载比计算，确定复合地基的桩土承载比。
12.所述基本参数，包括：复合地基场地的地层分布信息、地基中每一地层的土体的物理力学参数、混凝土桩的参数、褥垫层的几何参数、褥垫层的土体的物理力学参数、复合地
基荷载信息。
13.所述复合地基场地的地层分布信息，包括：地层的分层数量、每一层地层的厚度；所述地基中每一地层的土体的物理力学参数，包括：土体的密度、土体的弹性模量、土体的泊松比；所述混凝土桩的参数，包括：混凝土桩的布置形式，混凝土桩的数量，混凝土桩的桩径、桩间距、桩长，混凝土桩的密度、混凝土桩的弹性模量、混凝土桩的泊松比；所述褥垫层的几何参数，包括：褥垫层的厚度、长度、宽度；所述褥垫层的土体的物理力学参数，包括：褥垫层土体的密度、褥垫层土体的弹性模量、褥垫层土体的泊松比；所述复合地基荷载信息，包括：上部结构作用在褥垫层顶部的基底压力。
14.所述求解混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，包括：基于建立的复合地基的三维有限元模型，计算混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力及混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力；依据混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力及混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力进行混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力计算，获得混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力。
15.所述求解混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，包括：
16.求解混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力：
17.基于建立的复合地基的三维有限元模型，以自重作为外荷载，计算复合地基的初始地应力场；然后根据复合地基的初始地应力场采用截面数值积分法计算混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力，具体公式如下：
[0018][0019]
式中：是混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力，是初始地应力场条件下混凝土桩的桩顶高程截面的竖直向正应力，是混凝土桩的桩顶高程截面的面积；
[0020]
求解混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力：
[0021]
基于建立的复合地基的三维有限元模型，以自重、上部结构作用在褥垫层顶部的基底压力作为外荷载，计算复合地基的工作地应力场；然后根据复合地基的工作地应力场采用截面数值积分法计算混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力，具体公式如下：
[0022][0023]
式中：是混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力，是工作地应力场条件下混凝土桩的桩顶高程截面的竖直向正应力；
[0024]
计算混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力：
[0025][0026]
式中：是混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力。
[0027]
所述求解桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，包括：基于建立的复合地基的三维有限元模型，计算桩间土的桩顶高程横截面的桩顶高程截面的初始轴力及桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力；依据桩间土的桩顶高程横截面的桩顶高程截面的初始轴力及桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力进行桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力计算，获得桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力。
[0028]
所述求解桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，包括：
[0029]
求解桩间土的桩顶高程横截面的桩顶高程截面的初始轴力：
[0030]
基于建立的复合地基的三维有限元模型，以自重作为外荷载，计算复合地基的初始地应力场；然后根据复合地基的初始地应力场采用截面数值积分法计算桩间土的桩顶高程横截面的桩顶高程截面的初始轴力，具体公式如下：
[0031][0032]
式中：是桩间土的桩顶高程截面的初始轴力，是初始地应力场条件下桩间土的桩顶高程截面的竖直向正应力，是桩间土的桩顶高程截面的面积；
[0033]
求解桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力：
[0034]
基于建立的复合地基的三维有限元模型，以自重、上部结构作用在褥垫层顶部的基底压力作为外荷载，计算复合地基的工作地应力场；然后根据复合地基的工作地应力场采用截面数值积分法计算桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力，具体公式如下：
[0035][0036]
式中：是桩间土的桩顶高程截面的工作轴力，是工作地应力场条件下桩间土的桩顶高程截面的竖直向正应力；
[0037]
计算桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力：
[0038][0039]
式中：是桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力。
[0040]
所述复合地基的桩土承载比按照下式计算：
[0041][0042]
式中：λ复合地基的桩土承载比，是混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，是桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力。
[0043]
本发明还提供了一种获取复合地基桩土承载比的装置，包括：
[0044]
第一模块，用于拟定复合地基的桩土承载比计算的基本参数；
[0045]
第二模块，用于依据拟定的基本参数，建立复合地基的三维有限元模型；
[0046]
第三模块，用于求解混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力；
[0047]
第四模块，用于求解桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力；
[0048]
第五模块，用于依据混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力、桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力进行复合地基的桩土承载比计算，确定复合地基的桩土承载比。
[0049]
本发明的有益效果是：本发明根据复合地基的桩土承载比计算的基本参数，采用三维有限元方法建立复合地基的力学模型；接着计算混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，然后计算桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，最后通过混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力除于桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，获得复合地基的桩土承载比，实现了通过复合地基的三维有限元分析获得复合地基的桩土承载比。
附图说明
[0050]
图1为本发明的技术路线图；
[0051]
图2为复合地基的竖直剖面示意图；
[0052]
图3为复合地基的平面示意图；
[0053]
图4为实施例复合地基的竖直剖面示意图；
[0054]
图5为实施例复合地基的平面示意图；
[0055]
图6为复合地基的整体三维有限元模型图；
[0056]
图7为复合地基中心剖面的整体三维有限元模型图
[0057]
图8为复合地基的混凝土桩的有限元模型图；
[0058]
图9为复合地基的桩间土的有限元模型图；
[0059]
图10为复合地基的褥垫层的有限元模型图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
[0061]
实施例1：如图1-图10所示，一种获取复合地基桩土承载比的方法，包括：拟定复合地基的桩土承载比计算的基本参数；依据拟定的基本参数，建立复合地基的三维有限元模型；求解混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力；求解桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力；依据混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力、桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力进行复合地基的桩土承载比计算，确定复合地基的桩土承载比。
[0062]
可选地，所述复合地基的桩土承载比计算的基本参数，包括：复合地基场地的地层分布信息、地基中每一地层的土体的物理力学参数、混凝土桩的参数、褥垫层的几何参数、褥垫层的土体的物理力学参数、复合地基荷载信息。
[0063]
可选地，所述复合地基场地的地层分布信息，包括：地层的分层数量、每一层地层的厚度；所述地基中每一地层的土体的物理力学参数，包括：土体的密度、土体的弹性模量、土体的泊松比；所述混凝土桩的参数，包括：混凝土桩的布置形式，混凝土桩的数量，混凝土桩的桩径、桩间距、桩长，混凝土桩的密度、混凝土桩的弹性模量、混凝土桩的泊松比；所述褥垫层的几何参数，包括：褥垫层的厚度、长度、宽度；所述褥垫层的土体的物理力学参数，包括：褥垫层土体的密度、褥垫层土体的弹性模量、褥垫层土体的泊松比；所述复合地基荷载信息，包括：上部结构作用在褥垫层顶部的基底压力。
[0064]
可选地，所述建立复合地基的三维有限元模型，具体为：根据复合地基场地的地层分布信息、地基中每一地层的土体的物理力学参数、混凝土桩的参数、褥垫层的几何参数以及褥垫层的土体的物理力学参数，建立复合地基的三维有限元模型；根据土体、混凝土桩和褥垫层土体的密度、弹性模量、泊松比，设置复合地基的有限单元的密度、弹性模量、泊松比。
[0065]
可选地，所述求解混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，包括：基于建立的复合地基的三维有限元模型，计算混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力及混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力；依据混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力及混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力进行混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力计算，获得混凝土桩的桩顶高程
横截面的附加轴力。
[0066]
可选地，所述求解混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，包括：
[0067]
求解混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力：
[0068]
基于建立的复合地基的三维有限元模型，以自重作为外荷载，计算复合地基的初始地应力场；然后根据复合地基的初始地应力场采用截面数值积分法计算混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力，具体公式如下：
[0069][0070]
式中：是混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力，是初始地应力场条件下混凝土桩的桩顶高程截面的竖直向正应力，是混凝土桩的桩顶高程截面的面积；
[0071]
求解混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力：
[0072]
基于建立的复合地基的三维有限元模型，以自重、上部结构作用在褥垫层顶部的基底压力作为外荷载，计算复合地基的工作地应力场；然后根据复合地基的工作地应力场采用截面数值积分法计算混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力，具体公式如下：
[0073][0074]
式中：是混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力，是工作地应力场条件下混凝土桩的桩顶高程截面的竖直向正应力，是混凝土桩的桩顶高程截面的面积；
[0075]
计算混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，即混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力等于其工作轴力减去其初始轴力：
[0076][0077]
式中：是混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，是混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力，是混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力。
[0078]
可选地，所述求解桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，包括：基于建立的复合地基的三维有限元模型，计算桩间土的桩顶高程横截面的桩顶高程截面的初始轴力及桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力；依据桩间土的桩顶高程横截面的桩顶高程截面的初始轴力及桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力进行桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力计算，获得桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力。
[0079]
可选地，所述求解桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，包括：
[0080]
求解桩间土的桩顶高程横截面的桩顶高程截面的初始轴力：
[0081]
基于建立的复合地基的三维有限元模型，以自重作为外荷载，计算复合地基的初始地应力场；然后根据复合地基的初始地应力场采用截面数值积分法计算桩间土的桩顶高程横截面的桩顶高程截面的初始轴力，具体公式如下：
[0082][0083]
式中：是桩间土的桩顶高程截面的初始轴力，是初始地应力场条件下桩间土的桩顶高程截面的竖直向正应力，是桩间土的桩顶高程截面的面积；
[0084]
求解桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力：
[0085]
基于建立的复合地基的三维有限元模型，以自重、上部结构作用在褥垫层顶部的基底压力作为外荷载，计算复合地基的工作地应力场；然后根据复合地基的工作地应力场采用截面数值积分法计算桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力，具体公式如下：
[0086][0087]
式中：是桩间土的桩顶高程截面的工作轴力，是工作地应力场条件下桩间土的桩顶高程截面的竖直向正应力，是桩间土的桩顶高程截面的面积；
[0088]
计算桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，即桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力等于其工作轴力减去其初始轴力：
[0089][0090]
式中：是桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力，是桩间土的桩顶高程截面的初始轴力，是桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力。
[0091]
可选地，所述复合地基的桩土承载比按照下式计算，即桩土承载比等于混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力除于桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力：
[0092][0093]
式中：λ复合地基的桩土承载比，是混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力，是桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力。
[0094]
本发明还提供了一种获取复合地基桩土承载比的装置，包括：
[0095]
第一模块，用于拟定复合地基的桩土承载比计算的基本参数；
[0096]
第二模块，用于依据拟定的基本参数，建立复合地基的三维有限元模型；
[0097]
第三模块，用于求解混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力；
[0098]
第四模块，用于求解桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力；
[0099]
第五模块，用于依据混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力、桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力进行复合地基的桩土承载比计算，确定复合地基的桩土承载比。
[0100]
本发明采用三维有限元方法建立复合地基的力学模型，根据基底的荷载水平模拟的桩间土的应力扩散效应和混凝土桩应力传递规律，通过三维有限元数值分析获得较为精确的桩土承载比计算结果。
[0101]
进一步地，上述实施例的方法给出如下实施步骤：
[0102]
复合地基的桩土承载比计算的基本参数，包括：
[0103]
实施例复合地基的竖直剖面示意图如图4所示，实施例复合地基的平面示意图如图4所示；
[0104]
①
实施例复合地基场地的地层分布信息，地层的分层数量为4层，每一层地层的厚度详见表1；
[0105]
②
实施例地基中每一地层的土体的物理力学参数，土体的密度、土体的弹性模量、土体的泊松比详见表1；
[0106]
③
实施例的混凝土桩的参数，混凝土桩的布置形式为矩形布置，横向5排、纵向5列，混凝土桩的数量为25棵，混凝土桩的桩径为0.8m、桩间距为2.4m
×
2.4m、桩长为30m，混凝土桩的密度、混凝土桩的弹性模量、混凝土桩的泊松比详见表2；
[0107]
④
实施例的褥垫层的几何参数，褥垫层的厚度为1.0m、长度为12.0m、宽度为12.0m；
[0108]
⑤
实施例的褥垫层的土体的物理力学参数，褥垫层土体的密度、褥垫层土体的弹性模量、褥垫层土体的泊松比详见表3；
[0109]
⑥
实施例的复合地基荷载信息，上部结构作用在褥垫层顶部的基底压力为400kpa。
[0110]
表1复合地基地层分布情况和土体参数表
[0111]
序号土体名称土层厚度(m)密度(kg/m3)弹性模量(mpa)泊松比1粉质粘土3.01900500.322卵石4.02200800.283含角砾粉质粘土30.018001000.324中风化灰岩12.0240020000.28
[0112]
表2复合地基的混凝土桩参数表
[0113]
序号名称长度(m)密度(kg/m3)弹性模量(gpa)泊松比1混凝土桩302400250.27
[0114]
表3褥垫层土体参数表
[0115]
序号土体名称土层厚度(m)密度(kg/m3)弹性模量(mpa)泊松比1褥垫层土体1.021006000.30
[0116]
复合地基的整体三维有限元模型如图6所示；其中，复合地基中心剖面的整体三维有限元模型如图7所示、复合地基的混凝土桩的有限元模型如图8所示、复合地基的桩间土的有限元模型如图9所示、复合地基的褥垫层的有限元模型如图10所示；按表1、表2、表3中的设置复合地基的有限单元的密度、弹性模量、泊松比。
[0117]
通过前述步骤求解，混凝土桩的桩顶高程截面的初始轴力为-28387.2kn，混凝土桩的桩顶高程横截面的工作轴力为-221.7kn，混凝土桩的桩顶高程横截面的附加轴力等于-28165.5kn。
[0118]
通过前述步骤求解，桩间土的桩顶高程截面的初始轴力为-2385.5kn，桩间土的桩顶高程横截面的工作轴力为-30743.2kn，桩间土的桩顶高程横截面的附加轴力等于-28357.7kn。
[0119]
通过前述步骤求解，复合地基的桩土承载比λ等于0.98。
[0120]
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。