一种适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算方法、装置、设备以及介质与流程

1.本发明属于桩基础技术领域，尤其是涉及一种适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算方法、装置、电子设备以及存储介质。


背景技术：

2.大型钢管桩以其较高的承载能力、较强的抗弯能力以及相对简单的施工工艺等无可替代的优势，在海洋风电、港口码头、跨海大桥等重大工程得到大量应用。钢管桩不仅能承受竖向压力作用，在风电单桩基础、高压输电线塔、石油钻釆平台等工程中还需要承受竖向的上拔荷载。然而一直以来，人们对桩的抗压承载特性研究要远远多于抗拔承载特性，大型钢管桩的抗拔承载特性的现场试验研究资料非常有限，为数不多的研究资料也是基于抗压桩。
3.目前，对于钢管桩的竖向抗拔承载力主要是按api rp 2a：2000《recommended practicefor planning,designing and constructing fixed offshore platforms—working stress design》(简称api规范)和按《建筑桩基技术规范》(jgj 94-2008)(简称《建规》)进行估算的，api 规范建议通过减少10-30％的抗压承载力来估算抗拔承载力。前人研究成果表明钢管桩端阻力在抗拔的情况下比抗压的情况下小12～25％，而watson等人(2000)认为抗压承载力等于不排水条件下的抗拔承载力。由于这些不一致性，导致了大直径钢管桩设计时的模糊性。


技术实现要素：

4.本发明的第一个目的在于，针对现有技术中存在的问题，提供一种现实可行的大型钢管桩的抗拔/抗压承载力比值计算方法，使得大型钢管桩在计算拔荷载时更加符合工程实际情况，以提高初期设计的准确性。
5.为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
6.钢管桩基础的抗拔/抗压承载力差别主要由三个方面的原因引起的：第一是由于土体泊松比效应，钢管桩周围径向有效应力的变化；第二是土体中平均应力水平在压缩时倾向于增加，而在拉伸时倾向于减小；第三是主应力方向的旋转并且改变了平均有效应力。
7.由于通常第二和第三原因引起的抗拔和抗压承载力差值较小，通常可以忽略不计。因此，本发明重点考虑到土体泊松比效应引起的有效应力变化，进而导致钢管桩在抗压和抗拔两种情况下的承载力差异。
8.一种适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算方法，其特征在于：所述适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算方法包括如下步骤：
9.s1、计算土体泊松效应引起的有效应力的变化：
10.11.其中，δτ为土体泊松效应引起的有效应力的变化；g是钢管桩周围土体的剪切模量；ν
p
是钢管桩的泊松比；ε
p
是钢管桩的轴向应变；e
p
和a
p
分别是钢管桩的杨氏模量和截面面积；δ钢管桩与土接触界面的摩擦角；p为钢管桩受到的竖向荷载；
12.s2、考虑力的平衡，垂直方向的作用力由钢管桩的端部承载力q和侧摩擦力(τ0 δτ)共同承担：
[0013][0014]
其中，p为钢管桩受到的竖向荷载；δq为端部承载力的变化值；τ0为初始侧摩擦力；d 是钢管桩的直径，z是垂直方向的坐标；l是钢管桩嵌入长度；
[0015]
s3、结合步骤s1和s2，并进行微分运算，得到如下公式：
[0016][0017]
假设土体的剪切模量和初始的侧摩擦力沿钢管桩深度方向呈指数分布，则土体的剪切模量和初始的侧摩擦力可以分别表示为和g＝mz
α
和τ0＝tz
α
，其中，0《α≤1，t和m是系数，公式 (3)可以求解，其通解为：
[0018][0019]
其中，η＝ν
p
tanδ(g
avg
/e
p
)(l/d)，g
avg
为沿钢管桩嵌入深度范围内土体的平均剪切模量；
[0020]
s4、对公式(4)进行积分运算，可以得到钢管桩承载力的变化δq为：
[0021][0022]
其中，q0初始状态下钢管桩的承载力；
[0023]
钢管桩在抗拔和抗压情况下的承载力比值可以表示为：
[0024][0025]
其中，q
t
为钢管桩在抗拔情况下的承载力；qc为钢管桩在抗压情况下的承载力；
[0026]
s5、对公式(5)中的指数项进行展开，并利用布辛尼斯克解(boussinesq solution)可以得到，钢管桩在抗拔和抗压情况下的承载力比值为：
[0027][0028]
其中，o为误差函数；
[0029]
该海洋风电钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算方法，通过考虑钢管桩周围径向有效应力，分别计算了端部承载力和侧摩擦力变化量对钢管桩承载力的影响，从而得到钢管桩承载力的变化δq，并利用布辛尼斯克解(boussinesq solution)得到钢管桩在抗拔和抗压情况下的承载力比值。
[0030]
本发明第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算装置。
[0031]
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0032]
一种适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算装置，其特征在于：所述适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算装置包括：
[0033]
有效应力变化计算单元，所述有效应力变化计算单元用于计算土体泊松效应引起的有效应力的变化；
[0034]
垂直方向作用力计算单元，所述垂直方向作用力计算单元用于计算作用在钢管桩上垂直方向作用力；
[0035]
微分运算单元，所述微分运算单元结合有效应力变化计算单元和垂直方向作用力计算单元的结果，进行微分运算；
[0036]
积分运算单元，所述积分运算单元用于对微分运算单元进行积分运算，以得到钢管桩承载力的变化；
[0037]
指数展开单元，所述指数展开单元用于对积分运算单元的结果中的指数项进行展开，并利用布辛尼斯克解(boussinesq solution)可以得到钢管桩在抗拔和抗压情况下的承载力比值。
[0038]
本发明第三个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种电子设备。
[0039]
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0040]
一种电子设备，包括：
[0041]
存储器，以及
[0042]
处理器，
[0043]
其特征在于，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行计算机程序以执行前文所述的适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算方法。
[0044]
本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种计算机可读存储介质。
[0045]
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0046]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现前文所述的适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算方法。
[0047]
本发明提供一种适用于大型钢管桩基础的抗拔/抗压承载力比值计算方法、装置、电子设备以及存储介质，具有如下有益效果：
[0048]
在设计中未有甲、乙级建筑桩基的抗拔极限承载力估算方法，api规范中对抗拔极限承载力估算方法过于粗糙，该计算方法很好的弥补了这一点，可在进行现场单桩上拔静载荷试验前对极限抗拔承载力进行估算，为海洋风电中钢管桩基础的设计制作施工提供了保障。
附图说明
[0049]
图1为钢管桩典型截面受力图。
[0050]
图2为试桩现场布置图。
[0051]
图3为竖向压缩和拉拔荷载下钢管桩的侧摩阻力分布图。
[0052]
图4为竖向极限抗压和抗拔荷载下侧摩阻力比值分布图。
具体实施方式
[0053]
下面对本发明的一般性使用方法作进一步描述，用以解释本发明的计算方法的使用方式，但并不作为对本发明的限定。
[0054]
如图1所示，为本发明的钢管柱界面受力图，图内标注出了计算参数及管桩和内部土体的受力平衡情况，本发明的计算方法主要采用上述发明的计算装置，其主要包括：(1)有效应力变化计算单元、(2)垂直方向作用力计算单元、(3)微分运算单元、(4)积分运算单元以及(5)指数展开单元。
[0055]
在本发明中，首先需要已知计算工程中，所采用钢管桩材料的泊松比ν
p
、杨氏模量e
p
和截面面积a
p
，根据原位试验或室内土工试验得到钢管桩周围土体的剪切模量g，进而可以确定钢管桩与土接触界面的摩擦角δ，运用(1)有效应力变化计算单元计算由于土体泊松效应引起的有效应力的变化量δτ，其理论计算公式如下：
[0056][0057]
其中，钢管桩受到的竖向荷载p为待定系数。
[0058]
钢管桩受到的竖向荷载p由(2)垂直方向作用力计算单元计算完成，需要已知钢管桩的直径d、所需计算的垂直方向的坐标z、钢管桩嵌入长度l以及根据土工试验结果中确定的初始土的侧摩擦力τ0，其理论计算公式如下：
[0059][0060]
其中，端部承载力的变化值δq和桩侧摩擦力变化值δτ为待定系数。
[0061]
结合上述两个步骤可消去待定系数p及δq，采用(3)微分运算单元进行微分运算得到如下理论计算公式：
[0062][0063]
同时假设土体的剪切模量和初始的侧摩擦力沿钢管桩深度方向呈指数分布，此时土体的剪切模量和初始的侧摩擦力可以分别表示为和g＝mz
α
和τ0＝tz
α
，其中，0《α≤1，t和m为系数，则上式通解为：
[0064][0065]
其中，η＝ν
p
tanδ(g
avg
/e
p
)(l/d)，g
avg
为沿钢管桩嵌入深度范围内土体的平均剪切模量；采用(4)积分运算单元对上式进行积分运算，可以得到钢管桩承载力的变化δq为：
[0066]
[0067]
其中，q0初始状态下钢管桩的承载力，由一般性方法计算得出；
[0068]qt
为钢管桩在抗拔情况下的承载力，qc为钢管桩在抗压情况下的承载力，则钢管桩在抗拔和抗压情况下的承载力比值可以表示为：
[0069][0070]
采用(5)指数展开单元对上式进行指数项展开，并利用布辛尼斯克解(boussinesq solution) 即可以得到，钢管桩在抗拔和抗压情况下的承载力比值：
[0071][0072]
其中，o为误差函数；
[0073]
至此为本发明的大型钢管桩的抗拔/抗压承载力比值计算方法，通过本发明计算方法可以得到更加符合工程实际情况的大型钢管桩计算抗拔、抗压荷载，以提高初期设计的准确性。
[0074]
下面结合具体实施案例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施案例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0075]
本实施例中，专门针对海洋风电桩基础中钢管桩抗拔荷载计算，通过考虑钢管桩的压缩引起的泊松效应，计算出有效应力的变化通过本计算方法计算得出的竖向抗拔极限承载力与基桩静载荷试验测试值进行比较。
[0076]
建成的海上风电场位于第四纪沉积物混合沉积的地区，主要的土壤类型包含淤泥，海洋粘土，粉砂和粘土。风电场地区，断层发育，构造的走向主要为北东，北西和近东西向三个方向。测试地点位于中国黄海象湖海上风电场。离岸风电场距离海岸线10公里，总面积34.7 平方公里，长13.4公里，宽2.6公里。本项实验项目涉及两台仪表桩，分别为zk01和zk28。
[0077]
各土层实验室试验结果如表1所示。
[0078]
表1
[0079][0080][0081]
如图2所示，测试桩(test pile)为中心桩，由6个对称的锚定桩(m1-m6)和2个对称的参考桩(j1和j2)包围。表2为图2中各桩的详细参数。测试桩(test pile)开口直径为 2.0m，长度分别为71.5m和77.5m。试桩的厚度为30mm。在试验过程中使用锚定桩提供反作用
力。
[0082]
表2
[0083][0084]
在现场基桩静载荷试验中，通过使用液压千斤顶系统，并且由周围的锚定桩(即桩m1 ～m6)提供的反作用力来控制试验载荷。液压千斤顶系统包括14个液压千斤顶，高压液压泵，力和位移传感器和数据记录器系统。每个液压千斤顶的最大压力为5000kn。抗压和抗拔荷载以估计荷载大小的10％(即两桩的41mn)的增量施加。因此，以每阶段4100kn施加压力荷载。当总负载超过30mn时，以每阶段205kn施加压力荷载。每个阶段保持60分钟的加载时间。
[0085]
如图3所示，图中(a)、(b)分别为zk01和zk28在现场基桩静载荷试验中得出的不同深度下的测摩阻力图，及其抗压承载力qc分别为32.8mn和34.85mn，最大抗拔承载力q
t
分别为22.8mn和22mn，图4为两个钢管桩在现场基桩静载荷试验中抗压承载力和抗拔承载力的比值。
[0086]
在本计算方法中，根据本发明的公式(7)，钢管桩在抗拔和抗压情况下的承载力比值：
[0087][0088]
其中，η＝ν
p tanδ(g
avg
/e
p
)(l/d),g
avg
为沿钢管桩嵌入深度范围内土体的平均剪切模量。
[0089]
在本次试验中，钢管桩的参数列于表3中。假设土体的剪切模量随嵌入深度线性增加(即 g＝18z，mpa)。将计算结果与表4中列出的uma-05(lehane等，2005)和ngi-99(clausen 等人，2005)方法进行比较。
[0090]
表3
[0091][0092]
表4
[0093][0094]
从计算结果与实际测试值对比可以看出，uma-05和ngi-99方法高估了试管桩的抗拔能力，本计算方法的理论分析结果与测量结果非常接近。单桩的抗拔承载力为抗压承载力的 60～70％。
[0095]
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加和替换，也属于本发明的保护范围。