一种消除缩颈缺陷影响的水平受荷灌注桩设计方法

1.本发明属于灌注桩技术领域，尤其涉及一种消除缩颈缺陷影响的水平受荷灌注桩设计方法。


背景技术：

2.桩基础是不良地基中常用的基础形式，在工程建设领域中发着至关重要的作用。在饱和砂土地层中，灌注桩是一种常用的桩基础形式。然而，饱和砂土地层中的钻孔极易发生塌孔，导致混凝土灌注桩出现局部缩颈。灌注桩缩颈处截面尺寸减小、抗弯刚度和承载力降低，在桩顶水平荷载作用下，存在缩颈缺陷的灌注桩难以满足承载力和变形控制要求。饱和砂土地层中，灌注桩发生缩颈的位置及缩颈量具有高度随机性和难以预测的特点，只有通过成桩后的测试才能确定缩颈的具体参数，进而定量评估缩颈缺陷的影响，为工程处置提供参考。这种方法不仅费时费力，而且严重影响工程进度。因此，有必要在设计阶段考虑缩颈缺陷随机性的影响，建立有效的设计方法消除缩颈缺陷对灌注桩承载力和变形的影响。


技术实现要素：

3.在针对饱和砂土地层中灌注桩缩颈位置及缩颈量高度随机、难以预测的问题，本发明基于随机模拟方法，提出一种考虑水平受荷灌注桩安全性、经济性和鲁棒性的多目标设计方法。
4.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
5.一种消除缩颈缺陷影响的水平受荷灌注桩设计方法，其包括以下步骤：
6.步骤1、根据规范要求和设计经验，选定灌注桩的直径和长度作为设计参数，二者不同的组合形成m个备选设计方案；
7.步骤2、针对每一种设计方案，利用电子表格建立水平荷载作用下的灌注桩计算模型，模型采用差分方法对桩身进行离散，离散后桩单元的截面尺寸、抗弯刚度、承载力均在相应的单元格中输入，结合饱和砂土的力学参数，该方法可以高效计算灌注桩在水平荷载作用下的变形、弯矩和剪力；
8.步骤3、将缩颈发生的位置、缩颈量和饱和砂土参数作为三个随机变量，通过monte-carlo模拟生成n组缩颈位置、缩颈量(通过减小桩截面积)和饱和砂土力学参数，并赋值给对应的单元格，利用电子表格法计算该设计方案对应的n组灌注桩变形、弯矩和剪力；
9.步骤4、统计n组灌注桩变形、弯矩和剪力的平均值和标准差，当变形、弯矩和剪力的均值小于规范规定的限值时，该设计方案满足安全要求；
10.步骤5、对于满足安全要求的设计方案，利用统计的到的变形、全局和剪力的标准差评价灌注桩受力响应对不确定性因素(缩颈位置、缩颈量和饱和砂土参数)的敏感性，如果标准差越小，说明灌注桩的受力响应对不确定性因素的变化越不敏感，即对应的设计方
案稳健性越好。
11.步骤6、对每个备选设计方案重复上述过程，筛选出所有满足安全要求的设计方案，并计算响应的造价；
12.步骤7、以工程实践表明，灌注桩的造价越高(直径越大、桩长越长)，设计方案的稳健性越好，不可能以最低造价实现最好的稳健性。为平衡造价与稳健性，确定最优的灌注桩设计参数(桩长与直径)，在造价-变形标准差-弯矩标准差-剪力标准差四维空间中，对每个指标进行归一化处理，计算每个设计方案距离坐标原点的距离，距离最小的点对应的设计为平衡造价与各指标稳健性的最优设计。
13.本发明的有益效果：
14.1、本发明利用电子表格高效计算方法和随机模拟方法，实现了对缩颈发生位置、缩颈量和饱和砂土参数随机性的量化表征与定量计算，解决了缩颈缺陷难以预测的难题。
15.2、本发明在综合考虑了造价、安全性和稳健性优化目标，实现了不确定条件下灌注桩的设计参数的多目标优化。
16.3、本发明的设计方法的适用范围较广，尤其适用于综合考虑成本与其它因素的作用的情况。
附图说明
17.图1是本发明的设计方法流程图；
18.图2是本发明的具体实施方式中的电子表格sheet1；
19.图3是本发明的具体实施方式中的电子表格sheet2；
20.图4是本发明的具体实施方式中的电子表格sheet3；
21.图5是本发明的具体实施方式中的符合安全要求的设计组合；
22.图6是本发明的具体实施方式中的挠度标准差-弯矩标准差-cost三维图；
具体实施方式
23.为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
24.参考图1所示，本实施例涉及一种抗滑桩加固堆积层滑坡稳健性优化设计的方法，包括以下步骤：
25.首先需要选定灌注桩的参数组合，即桩长和半径。桩长的取值范围是[13,27]，递增量为1.0，单位m。半径的取值范围是[0.40,0.85]，递增量为0.05，单位m。则共有15*10＝150个设计组合方案。
[0026]
利用电子表格，在sheet1中建立灌注桩弯矩和挠度的计算模型，如图2所示，具体如下：
[0027]
首先对于灌注桩桩身的埋深长度l，采用差分的方法进行离散，可以分为不等长的30段δz。所述δz的节点坐标可以表示为：
[0028]
z1＝z0 δz
1 (1)
[0029]
式中，δz1为初始段长度，设置为0.3m；
[0030]
zi＝z
i-1
r
δz
(z
i-1-z
i-2
),i》2时 (2)
[0031]
式中，r
δz
为公比；
[0032]
在电子表格中利用goalseek函数可以计算，r
δz
为变化项，最后一个节点z＝l为目标项，得到离散化后的各段长度及节点坐标值；
[0033]
第3列为灌注桩在节点位置处的抗弯刚度：
[0034]epip
＝e*π*d4/64 (3)
[0035]
式中，e为混凝土的弹性模量，d为灌注桩的直径；
[0036]
c30混凝土的e为3.0*104mm2；
[0037]
第4列为灌注桩在水平荷载作用下的桩侧挠度：
[0038]
yi＝y
i 1
(δz
i 1
/δz
i 2
)2*(y
i 2-y
i 1
)-δz
i 1
*(1 δz
i 1
/δz
i 2
)*y’i 1 (4)
[0039]
式中，δz
i 1
＝δz
i 1-δzi，δz
i 2
＝δz
i 2-δz
i 1
，桩端最后两个节点yi初始值为0；
[0040]
第5列为各节点处的桩身斜率：
[0041][0042]
式中，当i为最后一个节点时，y’i
＝(y
i-y
i-1
)/(z
i-z
i-1
)；
[0043]
第6列为k
sec
d，即(割线k)*d。根据matlock的p-y曲线模型，利用vba程序可以编写关于k
sec
d的公式：
[0044]
ksecd(gammaz,cu,j,z,b,gammab,epsilon,y,)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0045]
式中gammaz＝γ’*zi，其中γ’＝11.8kn/m3。不排水抗剪强度cu＝150kn/m2，j＝0.25，b＝1.3m，gammab＝15.34kn/m3，epsilon＝0.01；
[0046]
第7列为土体对桩的反作用力：
[0047]
pi＝-khd*y
i (7)
[0048]
式中，负号代表土体对桩的反作用力和桩的挠度方向相反，khd代表节点处的割线模量；
[0049]
第8列为灌注桩在节点处承受的剪力：
[0050]
q＝q
i 1-0.5*(p
i 1
pi)*(z
i 1-zi) (8)
[0051]
式中，当i为最后1个节点时，q＝0；
[0052]
第9列为灌注桩在节点处承受的弯矩：
[0053]
mi＝m
i 1-q
i 1
δz
i 1
1/6*δz
i 12
(2p
i 1
pi) (9)
[0054]
式中，当i为最后1个节点时，m＝0；
[0055]
根据平衡条件，在z0处需要满足：
[0056]q0-ph＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0057]m0-m
z0
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0058]
式中，ph＝35kn，m
z0
＝910kn*m。式(10)，(11)需要根据式(4)～式(11)递推确定；
[0059]
第10列为yprev，利用vba程序重复调用solver：式(10)等于0，变化项为第4列最后两个节点yi，约束条件为式(11)等于0，迭代精度为0.000001。
[0060]
利用电子表格，在sheet2中建立灌注桩发生缩颈后的计算模型，如图3所示，具体如下：
[0061]
对于发生缩径的灌注桩，在未检测发生位置之前，它的位置相对于整个桩长来说
是随机的；对于发生缩径的位置处，未检测桩径之前，它的桩径相对于原桩径来说也是随机的。
[0062]
根据设计组合的参数范围，假设发生缩颈的节点是均匀分布的，假设发生缩颈后的半径也是均匀分布的。
[0063]
第1列为样本编号，编写vba程序，通过monte-carlo模拟生成100组样本；
[0064]
第2列为节点位置，发生缩颈的位置具有不确定性，随机范围[0,30]，取整数；
[0065]
第3列为缩颈位置处的半径，发生缩颈的程度具有不确定性，随机范围[0.7*r,0.9*r]；
[0066]
第4列为节点处发生缩颈后的截面面积：
[0067]
a＝πr
2 (12)
[0068]
第5列为节点处发生缩颈后的弯矩承载力：
[0069][0070]
式中，α1＝1.0，fc＝14.3*103kn/m2，混凝土受压区圆心角与2π的比值α＝1/3。
[0071]
第6列为节点处发生缩颈后的抗弯刚度，利用式(3)计算。
[0072]
第7列为节点处发生缩颈后的桩顶挠度，编写vba程序，将sheet2中的第6列的值代换入sheet1中对应的单元格，调用sheet1中的sub，得到发生缩颈后的新的桩顶挠度。
[0073]
通过vba程序，循环执行上述操作，得到monte-carlo模拟生成100组样本，以及这100组样本的弯矩(灌注桩所受内力最大弯矩)平均值、标准差和挠度(灌注桩顶部挠度)平均值、标准差。
[0074]
利用电子表格，在sheet3中建立灌注桩所有设计组合的计算模型，如图3所示，具体如下：
[0075]
第1列为桩长，桩长的取值范围是[13,27]，递增量为1.0，单位m；
[0076]
第2列为半径，半径的取值范围是[0.40,0.85]，递增量为0.05，单位m；
[0077]
第3列为弯矩标准差，第4列为挠度标准差，编写vba程序，将sheet2中的结果输入得到；
[0078]
第5列为灌注桩的造价cost，与桩长和桩径直接相关：
[0079]
cost＝l*d (14)
[0080]
式中，桩长为l，桩径为d；
[0081]
编写vba程序，调用sheet2中的sub，得到该设计组合在monte-carlo模拟下的弯矩标准差和挠度标准差；
[0082]
通过vba程序，循环执行上述操作，得到150个设计组合的弯矩标准差和挠度标准差，如图4所示；
[0083]
设置安全要求，弯矩平均值小于200，挠度平均值小于0.0015；
[0084]
最终得到符合安全要求的设计组合，如图5所示。
[0085]
如图6所示，在挠度标准差-弯矩标准差-cost三维空间中，对每个指标进行归一化处理，计算每个设计方案距离坐标原点的距离，以标准差评价各指标稳健性，距离最小的点对应的设计为平衡造价与各指标稳健性的最优设计。
[0086]
在电子表格中计算比较每个符合安全要求的设计组合距离坐标原点的距离，即可
得到最优设计组合，消除缩颈缺陷对灌注桩承载力和变形的影响。
[0087]
尽管上面结合实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，例如：考虑土体参数的随机性，考虑缩颈段长度的随机性，考虑不同或者更多个安全参数。这些均属于本发明的保护范围之内。
[0088]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。