文摘

研究限制桩的桩土相互作用机理,分析方法考虑的荷载作用下土壤提出了桩帽。使用剪切位移法推导出横向摩擦桩顶荷载下的桩身,布西涅斯克的解决方案是用来推导出桩侧摩擦身体考虑负载下的土壤帽。轴向力的理论表达式和荷载沉降曲线也实现了通过建立和求解桩体的平衡微分方程。比较普通的计算结果表明,桩周土的负载下帽减少了横向摩擦值;负载的影响深度大约四倍行动半径。轴向力和荷载沉降曲线数据验证了历史数据。结果表明,计算数据与实测数据吻合较好。该方法可以直接限制桩复合地基的设计。

1。介绍

限制桩是一种强化身体的基础;它是由放置一定大小的桩帽的一个普通的桩身。桩体通常是预应力管桩或坚实的混凝土桩。桩帽通常是圆的或方的混凝土板。限制桩已广泛应用于软土处理(1- - - - - -3]。设定一个上限的原始目的桩顶部是减少桩顶渗透上缓冲和调节负载共享比例的桩和土4,5]。随着工程应用中,桩帽发现提高桩的承载力和影响复合地基的工作行为,许多学者进一步研究[6- - - - - -10]。研究方法包括现场试验(11),模型试验(12- - - - - -16),实验测试(17- - - - - -19)和数值模拟方法(20.- - - - - -29日]。

竖向荷载下桩定居时,有一个位移的区别普通桩的桩身和土壤,虽然没有这样的限制桩的桩身位移差异和土壤由于协调帽。这导致了桩body-soil交互封顶桩和普通桩之间的区别。商等人分析了灵活的底土的交互矩阵和桩箱(筏)使用戈德斯应激因子(30.]。结果表明,该方法是可靠的。崔等人研究了桩的响应组织分层土壤假设pile-cap-soil交互是线性弹性(31日]。研究利用剪切位移法,荷载沉降曲线是一致的,但在测量和计算的。jin bo和Cong-xin分析了桩与桩的基于差动位移刚度矩阵方法和土壤。桩侧摩擦力和桩端荷载被认为是各自的位移成正比(32]。王等人认为皮肤摩擦的分布限制桩简化为两个力三角形;通过结合Mindlin-Geddes和布西涅斯克解决方案,额外的侧压力的方程为单个的桩基础是派生33]。陈等人使用滑块位移法考虑了桩的整体承载能力。失败在他们的研究中,Plandel剪切滑移模型上部地基土承载力分析,和荷载传递法用于分析下桩的承载力的身体。此法适用于短,刚性桩与大型承台光滑的土壤条件下的界面与桩帽(34]。

总之,桩的相互作用通常被认为是在复合地基的沉降计算。相比之下,大量的工程应用,限制桩相互作用的理论研究并不广泛。

在这篇文章中,我们提出一个分析方法进一步研究限制桩的桩-土相互作用机制与考虑的荷载作用下土壤帽。上部荷载传递到桩身,通过桩帽帽下的土壤。限制身体的横向摩擦阻力是由摩擦引起的叠加荷载在桩身和桩帽下土壤上的负载。通过建立微分平衡方程的桩身、桩轴力的理论表达式和荷载沉降曲线推导出。的可行性进行了比较,验证了该方法与其他方法计算结果和现场试验数据的历史。我们预计,目前的研究有助于更好地理解限制桩的桩-土相互作用的机制问题,如荷载的关系曲线和软土地基的处理,然后提供一些实践经验和启示的研究桩工程。

2。分析桩-土相互作用的方法

2.1。分析模型

当垂直荷载作用在桩帽,负载由桩帽向下传播。因为桩帽直接接触桩体和土壤,上部荷载转移到同时桩身和盖下的土壤。由于微分电阻刚度的桩体和土壤,他们每个人都支持不同的负载。现有的测试结果和有限元模拟结果证实了负载共享现象发生在桩体沉降过程。负载的影响下的土壤桩帽当分析桩-土相互作用不容忽视。适当简化分析,使用以下假设:(1)桩帽是刚性的,没有弯曲和剪切变形,(2)桩身是刚性的,没有径向变形,(3)负载传递给桩顶部相当于集中载荷,并且负载传送到帽下的土壤相当于均匀分布负载,(4)地基土中的应力计算根据弹性理论,和(5)计算桩端应力采用文克尔地基模型。

一桩帽的力学模型建立,如图1,在那里和的半径是桩顶和桩身,分别和是均匀载荷作用于桩顶帽和土壤,分别和等效集中荷载作用于桩的顶部。描述变量之间的关系:

根据图1和假设(3)、桩-土相互作用分析模型(图2)是建立在上述基础上,等效集中荷载在桩端和是底部的均布荷载下的土壤。

当一个集中负荷行动在桩身,将出现在桩端外侧摩擦。当一个均布荷载单独饰帽下的土壤上,还会有摩擦桩端的。当他们一起行动,上述两个国家可以叠加。然后,桩的侧向摩擦界面可以叠加的计算和 ,哪些是源自于集中负荷作用于桩的顶部和均布荷载作用于帽下的土壤,分别。

2.2。解决方案横向摩擦

首先,我们研究集中负荷的情况下一堆的顶部。Rondoloph和价值假设当集中荷载作用于单桩,桩周围的土壤只产生环形剪切位移,可近似视为一个平面问题[35]。因此,采用直角坐标系建立计算示意图(图3)和坐标轴的原点位于桩身中心。

根据剪切位移法,如果桩的长度,是桩身的横截面的面积,是桩周边,是桩体的弹性模量,土壤的剪切变形模量,土的泊松比,是桩端位移,是最大影响半径,可以指定为 ,桩身的侧向摩擦阻力的表达式 ,桩身位移 ,桩身轴力 ,和等效集中荷载在桩端分别显示如下: 在哪里的商和和k₁桩和土之间的剪切刚度,计算如下:

土壤的抗压刚度( )桩端下可以计算如下:

然后,我们研究了均布荷载作用于土下帽。采用相同的坐标系统建立计算示意图(图4)。桩土界面位于距离原点的垂直面 ; 之间的范围内是有效的吗和 ,和一个任意点的坐标地下桩界面上 。微观上的负载单元是取代了线性负载 。

根据平面应力的解决方案(36),额外的剪切应力线性负载引起的点在深度( )在桩土界面 在哪里连接的点之间的角度吗单位和桩界面( )。

用几何关系图4 (b)在方程(8)生产

最后,桩的侧向摩擦界面的总和和 :

考虑的方向和生产

2.3。轴向力和结算解决方案

当横向摩擦的表达,桩身在图2作为计算隔离器(图5)。

根据桩身的力平衡,建立了平衡方程:

通过求解积分,轴向力表达式得到: 在哪里是一个普通的桩身轴向力。

根据弹性桩身的压缩条件下,桩的位移和摩擦阻力的关系方面表示为方程(14),桩身轴向力和位移的关系表示为

用方程(2),(3)和(9)方程(10),获得了桩的侧向摩擦

用方程(11)方程(14),解决了桩的计算方法是:

然后用方程(17)方程(15),限制桩的轴向力计算:

当 ,桩顶的沉降等于 。

方程(18)和(19轴向力的理论表达式和限制桩的荷载沉降曲线,分别。基于上述分析,编制相应的计算程序,以便计算结果的比较和验证。

3所示。比较和验证

一个案例介绍了历史来验证该方法的计算结果。旁边的Su-Kun-Tai高速公路位于阳澄湖在中国,和大多数的路线进行深层构造,软土地基。层地基土的分布和物理参数如表所示1。

封顶成堆被用来减少路堤荷载下沉降。桩身是ptc - a400 - 65混凝土管桩的长度为25米(T2)和29米(T4)在两个不同的测试部分。帽子是预制1.5万平方混凝土板厚度40厘米。全面的测试执行的限制桩侧摩擦力,轴向力,T2和T4桩的承载力。轴向力是衡量预制应力计在不同深度对桩身钢筋,和桩帽下的土压力是由嵌入式测量桩帽下的土压力盒。限制桩的承载力是由负载测试(11]。T2和T4成堆的测量数据如表所示2,用于比较和验证该方法。

3.1。比较

为了比较的影响,桩帽上的横向摩擦力,限制桩和普通桩考虑在内。负载的影响作用在桩帽下的土壤被认为是外侧摩擦分析。剪切位移法(35]采用普通桩计算;该方法采用桩计算。两种类型的桩的侧向摩擦是在同等条件下,计算结果如图所示6。

两种类型的桩的侧向摩擦曲线在图6显示明显的差异在桩顶附近。限制桩的侧向摩擦小于普通桩。这一现象的原因是,桩帽下的土壤上的负载( )降低了土壤变形,导致桩侧摩擦就变小了。它们之间的价值差异的最大桩顶深度增大而减小。这表明负载( )影响横向摩擦在一定深度。在这种情况下,等效半径0.645米;最大影响深度是2.5米,荷载作用半径的4倍左右。超过这个深度,对横向摩擦的影响所致非常小,可以忽略。此外,对横向摩擦负载级别有很大的影响作用。负载级别越高,差异越大。例如,它是8.5 kPa, 19.5 kPa,和32.5 kPa时负载级别是500 kN, 1000 kN,和1500 kN,分别。

上述表明,当桩帽下的土壤带负载,外侧摩擦负载级别和行动的影响半径。

3.2。验证

3.2.1之上。轴向力和结算

为了验证该方法的可用性,轴向力的计算结果和解决与实测资料验证。计算中使用的参数如表所示3。

可以看到从图7轴向力的变化,计算了该方法与实测数据一致。随着负载增加,桩身轴力的均匀增加最多的阶段。但当负载变化从2000 kN - 2250 kN,在桩端轴向力的增加更小。在两个负载水平下,桩身开始解决更快,和实测沉降数据表2反映这一现象明显。这表明桩端下的土壤开始产生,产生了塑性变形,因此,轴向力的增加桩端很小。这时,桩身荷载增量下降,负载下土壤桩帽( )增加相应的总负载平衡。当增加,桩顶附近的横向摩擦减少,导致轴向力增加。总的来说,轴向力计算的结果用这种方法与实验现象和理论分析是一致的。

计算荷载沉降曲线(图8):

图8表明,荷载沉降曲线的变化计算该方法与实测曲线相一致,但计算定居点略低于测量数据。在两种情况下(T2和T4),结算错误的增加当土壤接近失败。这一现象的原因是,当桩接近极限载荷上限,差动位移逐渐增加,桩土等应变条件不能严格满足,从而导致更大的错误。

4所示。结论

与普通桩相比,限制桩的桩-土相互作用更加复杂。在这项研究中,我们提出了一个分析方法限制桩的桩-土相互作用考虑的荷载作用下的土壤桩帽。我们建立了一个分析模型桩的相互作用的力学特性限制侧向摩擦桩和分析结合剪切位移法和布西涅斯克的解决方案。横向摩擦的理论解析表达式,荷载沉降曲线得到轴向力,通过建立桩身的平衡微分方程和解决它。通过比较普通桩之间的横向摩擦力的变化曲线和限制桩,发现负载作用下的土壤上的限制减少了横向摩擦价值的深度约4倍负载作用半径。超过这个深度,影响可以忽略。这是不利于桩身承载力;短桩与大型承台,这一现象应充分考虑设计。轴向力的荷载沉降曲线,通过应用实例验证该方法计算的历史与限制桩加固路基。结果表明,轴力的变化同意实验日期和理论分析和荷载的变化曲线与实测曲线相一致。-错误的增加土壤接近失败时,这需要进一步研究。

数据可用性

是的,我们仔细检查和证实,所有数据,模型和代码生成的手稿可以获得相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

石林罗概念研究,负责方法和修正。Mingquan刘负责算法和分析和写了初稿。江看淡和Ailifeila Aierken负责数据管理和语言编辑。金Chang负责修订。Xuewen张和鲁伊·张负责软件和验证。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(42107166),湖南省自然科学基金(22021号jj40632和2021 jj30758),和从湖南省教育科学研究项目(21号c0753和21 c0740)。我们也感谢赵Yan-lin博士在他的帮助下提高文本的语言。