文摘
考虑到桩基础是广泛应用于软土,为了提高预测准确性的垂直极限抗压单桩的承载力,提出了桩侧摩擦阻力的计算模型在均匀土壤中基于之前的研究,进一步推导出桩身内力的计算方法分层土壤重力场的影响下。在这个研究中,荷载沿桩身的传播与先前的研究在终极阻力,并分析计算单桩的垂直极限抗压能力。新奇的方法是极限承载力是解决从力的角度转移,同时考虑其自身的重力,使结果更准确。为了验证该方法的可靠性,四个工程测试桩在软土地区的苏州,中国,被选中,并表明,静载荷试验的结果和有限元模拟方法是一致的,证明本文提出的方法对于预测单桩的垂直极限抗压承载力在软土地区有良好的效果。
1。介绍
作为承重结构,桩广泛应用于地基加固、和预测桩承载力是必不可少的工作。前人所做的研究(1- - - - - -4]。孔蒂et al。5)提出了一个简单的方法来评估倾斜荷载作用下桩的承载力。刘等人。6]推导出单支盘桩的承载力计算方法基于荷载传递方法。郭等人提出了一个计算方法最终SDRN桩垂直承载力考虑两种破坏模式(7]。聚氨酯等人提出了一个计算方法提高桩的极限承载力岩土体(8]。上述方法的进步促进monopiles极限承载力的预测水平,但不充分考虑桩的重力的影响。此外,一些研究人员也使用人工智能技术建立极限承载力预测模型(9- - - - - -14),这些方法不需要特定的公式,从而方便的特性。然而,预测模型的建立和发展需要收集足够数量的有效的测试数据。
数值模拟也是一个重要的方法来研究桩的承载力(15- - - - - -17]。香港等人使用FLAC 3 d数值模拟技术来洞察楔形桩的负荷能力18),结果表明,扩大底楔形桩是一种具有成本效益的桩,可以改善垂直压下负荷能力和撤军负载。Elsherbiny和Naggar评估抗压能力和螺旋桩的荷载传递机制砂和粘土使用验证有限元模型(19]。Saggu Chakraborty调查能源桩之间的相互作用和土壤砂质土壤使用有限元软件有限元分析探讨影响承载力的因素(20.]。Nowkandeh Choobbasti使用有限元(FE)模型来研究螺旋桩的轴向压缩性能和桑迪粘性土壤,获得了桩的破坏机理组,并提供建议的设计使用分析螺旋桩组方程(21]。尽管数值模拟方法可以提供更全面的数据成堆被加载时,建模通常是复杂的,需要一个合理的内在模型分配给每个实体(22- - - - - -25]。
静载荷试验是常见和有效的预测承载力在建筑工地26,27]。Mishra [28)总结和比较的结果荷载沉降曲线在孟买地区的静态负载测试方法预测嵌岩桩的极限承载力,如德啤酒的方法(1967)(29日),Chin-Kondner外推法(1970)(30.],Decourt的方法(1999)[31日]。Alielahi和Adampira32)比静载荷试验的结果荷载沉降曲线基于Shahid Rajaee伊朗南部的港口复杂的开发项目案例研究之间的API (33)方法和AASHTO (34]预测monopiles的承载力的方法。一般来说,静载荷试验是一项成本高昂、延迟预测方法。极限承载力的预测基于负载的monopiles CPT和CPTU测试是一个简单和快速预测方法(35- - - - - -38]。两个参数,锥尖阻力和侧壁阻力,获得CPT测试,可用于土壤分类层和估计的强度和变形特征在不同深度土壤为极限承载力预测提供数据支持。然而,最终极限承载力预测结果来源于经验方程,生成和经验值往往是误差的主要来源。
软土是一种不可避免的土壤。软土地区地基承载力差一些工程事故的一个重要原因。一些上面的方法是否能满足预测精度要求monopile承载力在软土地区需要进一步验证。本文的目的是提出一种方法预测monopiles适合的极限承载力预测精度在软土地区从力的角度转移和考虑桩自身的重力的影响。
本文的研究路线从负载传输模式的特点和桩端损伤。伦道夫的方法(39)可以表达的转移规律的桩顶荷载沿桩身。在此基础上,作者认为极限桩侧摩擦阻力限制,考虑重力的影响,提出了桩侧摩擦阻力计算模型桩部分均匀土壤中。在这篇文章中,该计算模型引入到层压土壤,从而进一步揭示了转移法的桩顶荷载沿桩身夹层土壤。当桩在软土地区遭受极限负荷,在桩端土发生严重挤压的倾向,和Janbu40)提出了桩端变形特性相匹配。其终极阻力计算方法可以加上的力特征上软土地区桩发生整体剪切变形。作者建立了一个统一的联系上述转让法律桩顶加载和终极耐药性的研究,提出了一种分析方程计算的垂直极限抗压承载力monopiles在软土地区。
分析方程的优点提出了计算的垂直极限抗压承载力monopile软土地区是它可以从顶部的负载转移的角度桩沿桩身的考虑最终的限制桩侧摩擦阻力,考虑桩自身的重力的影响,再加上以前的作者提出的极限端阻力计算方法根据桩的变形特性,使得最后monopile垂直极限承载力预测的结果更准确。
如图1,为了测试的可靠性预测方法在这篇文章中,四个工程测试桩在苏州,被选出的中国,进行现场静载荷测试。可靠的承载力检测方法,静载试验可以得到单桩的承载力荷载沉降曲线的特征,而结果是一致的预测价值。最后,基于领域工程情况下,有限元方法模拟了四个测试桩的加载过程,结果是进一步与数据输出的预测方法相比,变形特性和结构方面的压力。发现周围的土壤桩的变形特点和沿桩身轴力的变化趋势得到的仿真与相应的预测结果相一致。一般来说,两种研究方法,选择静载荷试验和数值模拟,证实了新提出的可靠性分析方程计算的垂直极限抗压承载力monopiles在软土地区。确证的事实表明,本文提出的方法是一种简单、经济、和准确的方法预测的垂直极限抗压承载力monopiles在软土地区,为类似工程提供了宝贵的经验。
2。垂直极限抗压承载力的计算单桩在软土地区
方法的近似推导线如图2。monopiles垂直极限抗压承载力预测方法提出了由两部分组成,其中一个是进一步推导地貌成因的荷载传递法的土壤在伦道夫的研究基于桩体的内力在均匀土壤,另一部分是Janbu极限桩端阻力的研究目的。本文的分析方程两部分有关和单桩的垂直极限压缩负荷能力。
2.1。计算桩侧摩擦阻力和桩端阻力在分层土壤
在均匀土壤,兰多夫(41)提出了一种方法来计算桩端阻力。
在这里, 在哪里是桩上的负载,桩的长度,桩的影响半径,桩的半径,是桩的半径,土层的泊松比,是桩周围的土壤不均匀性系数,平均剪切模量桩长度、内是在深度土壤的剪切模量吗 , 杨氏模量的土层,是在桩端土的剪切模量,然后呢桩的弹性模量。
圆柱桩, , ,和 。本文在考虑桩重力的影响 ,方程(1)可以进一步转化为
因此,桩侧摩擦阻力计算如下。
桩侧摩擦阻力随桩顶部上的负载,但局限于最终的桩侧摩擦阻力。在方程(4),桩侧极限的极限不考虑摩擦阻力,这将被认为是在本文的下一部分并纠正。
本文的计算模型选择理想弹塑性双折线来描述之间的关系单位桩侧摩擦阻力和桩和土的相对位移,如下所示。 在哪里单位长度是桩侧摩擦阻力相对位移,是身体剪切变形参数,是桩土相对位移,是最终的弹性位移,桩周围的土壤,是最终的桩侧摩擦阻力。计算模型如图3。
根据先前的研究[31日),单位限制桩侧摩擦阻力可以使用以下公式计算。 在哪里侧压力系数;是原位土压力系数,它可以通过方程估计 ; 是在桩土界面摩擦角;是土的有效内摩擦角在桩端;有效上覆岩层重量是在给定深度;是土壤容量。的价值 ,Kulhawy [42]建议的价值 应该在0.7至1.2的范围内平滑h型的桩,混凝土桩钢管桩和小位移。光滑的h型的桩、钢管桩和大排量混凝土桩的价值 应该在1到2的范围。
关于 ,另一种计算方法是由研究人员如下(47]:
在均匀土壤,当桩段受到终极桩侧摩擦阻力,如图4,桩侧摩擦阻力单位长度的桩段也到达了终极价值。
因此,对于桩段,最终桩侧摩擦阻力 在哪里是桩部分的起始高度;是结束桩截面的高度。让
在考虑桩的极限侧摩阻力阻力极限部分,然后本文的修改后的桩侧摩阻力计算如下。 在哪里在桩顶加载对应的极限桩侧摩擦阻力,和它的价值可以从方程(back-calculated4),即: 。该模型计算桩的桩侧摩擦阻力部分如图5。
因此,这桩的桩侧摩擦阻力比部分
桩的桩端阻力修正本文后部分
因此,这桩的桩端阻力比部分
本文介绍的方法是分层土壤,和每层土的桩被视为一个新的桩,桩的桩端阻力部分在前一层被认为是那里的轴向力和桩上的负载下一层。荷载传递示意图如图6。
如图6,负载桩节吗 ; 桩侧摩阻力的部分吗 ; 是桩的桩端力部分 。假设桩与土层层,后转移的桩顶荷载沿桩身、桩端阻力所获得 在哪里是桩的桩端阻力比部分 。
2.2。极限桩端阻力
Janbu [40单位终极耐药性]提出了一种计算方法基于球孔扩张理论。 在哪里是在桩端土的内聚力;是侧面的平均有效压力在桩端平面。如研究者所述48),和的无量纲承载力系数是反映土壤的凝聚力和侧向土压力的影响在桩端平面,分别。他们可以通过下面的方法计算。 在哪里是有效的垂直压力在桩端;是桩端压实芯边界之间的角度和水平面桩端土的破坏模式。土的压缩系数可以由原位渗透测试等测试方法。一般来说,它是关于软粘土和密集的沙质土壤[48]。
结合上面的讨论中,极限桩端阻力计算方法推导出摘要如下:
2.3。分析单桩垂直极限抗压承载力方程
桩的顶部上的负载从桩的桩身向下传播。当桩端阻力达到终极价值,桩端会发生滑动剪切破坏,其形状如图7。在这个时候,桩顶部上的负载是单桩的极限承载力。
结合方程(14)和方程(17),垂直极限抗压承载力的分析方程建立了分层土壤中的单桩如下。
为负载 ,如果有一个对应的桩端阻力比率 ,…,每个桩的截面,使方程(18)成立,方程的解是垂直极限抗压单桩的承载力。
3所示。应用工程实例
本文四个工程试验堆不同长度,TS1, TS2, TS3, TS4,被选为应用程序方法在软土地区的苏州,中国;其中,TS1, TS2, TS4 nondestructible测试桩,当TS3易损坏的测试桩。桩是螺旋桩的类型。水下C30混凝土设计强度等级。所有四个测试桩的直径是0.6米。如表所示2各土层的计算参数,本文从工程地质调查报告和总结如下:其中,泊松比 ,凝聚力 ,和内摩擦角可以测量土的三轴试验;密度和弹性模量可以测量土的室内岩土试验。
计算四个测试桩的桩端参数表进行了总结3。其中的价值 ,由于桩端土主要由粘土、张所显示(48),是70度拍摄。
表中的数据被替换为该方法预测四个工程测试桩的承载力。其中,最终桩侧摩擦阻力每个桩的截面图所示8。垂直线代表的大小限制每个桩的摩擦阻力,可以实现在每个深度段。从图表的趋势线,表明最终的桩侧摩擦阻力会增加随着深度的增加,变化趋势是相同的为每个测试桩。
最后测试桩的承载力TS1, TS2, TS3,和TS4用这种方法计算1856.337 kN, 2179.249 kN, 2362.212 kN,分别和3102.119 kN。当测试桩极限抗压承载力,底部轴向力和桩端阻力的土层从上到下表所示4。
4所示。单桩静载荷试验
为了测试方法的可靠性,进行了静载荷测试领域的上述四个工程测试桩。现场静载荷试验的安装图所示9。
4.1。测试方法
垂直极限的测试方法测试桩的抗压承载力在这个项目中采用缓慢维护负载的方法。测试是基于建筑基桩的技术代码进行测试(49]。采用的负载的反作用力反作用力无谓平台的设备,和堆栈负载需要应用于载重平台不小于1.2倍桩顶荷载的最大负荷值。分级加载每个试验桩的桩顶荷载值如表所示5。
以下4.4.1。阅读方法
经过每一层的负载应用于桩顶、桩顶沉降的读数被5日,15日,30日,45、60分钟。此后,桩顶沉降数据每隔30分钟。
4.1.2。判断标准结算的稳定性
解决稳定性评判以下准则:在每个级别的负载,解决桩顶部发现每小时不超过0.1毫米在两个连续的测试。当桩顶的沉降速率到达相对稳定性判据,然后下一个级别的负载应用。
4.1.3。终止加载条件
构建基础桩的技术代码测试规定以下5个终止加载条件(49]:(1)一定程度的载荷作用下,如果桩体的顶部是大于5倍结算之前的水平荷载作用下,桩体顶部的总超过40毫米,装运应该终止(2)一定程度的载荷作用下,如果桩体的顶部大于两倍结算之前的水平荷载作用下,和沉降稳定性的标准没有达到24小时后,装运应该终止(3)如果桩顶加载载荷值已达到所需的最大加载值设计和桩顶沉降已达到的标准结算的稳定性(4)如果使用锚桩锚桩,装载应终止,如果锚桩已经达到允许的值(5)当荷载沉降曲线缓慢变化时,它可以被加载到顶部的总沉降桩是60 mm ~ 80 mm;阻力在桩结束时没有完全开发,它可以加载到桩体顶部的累积超过80毫米
4.2。分析的结果
获得的荷载沉降曲线的静载荷试验在图所示10。可以看出,相对应的曲线TS1, TS2,和TS4属于缓慢变形,TS3属于陡峭的结算类型。根据建筑基桩的技术代码进行测试(49),加载负载TS1, TS2, TS4测试桩时应终止设计达到最大荷载和桩顶的沉降满足相对稳定的标准。TS3,当负载达到最大加载值2400 kN,荷载沉降曲线显示明显急剧下降的特征,这意味着试桩已损坏。因此,垂直极限抗压承载力TS3试桩应采取之前的试验桩的荷载值没有损伤,即。,负载值对应的起点一个显而易见的急剧下降,这是2160 kN。
(一)
(b)
(c)
(d)
表6总结了垂直极限抗压承载能力得到的静载荷试验,本文的预测方法。从预测结果的比较,极限承载力静载试验的保守,而桩实际上并没有达到轴承极限状态。因此,在理论上,本文方法计算出的结果应该大于静载荷试验的结果,也充分反映在桌子上。数据的进一步分析表明,垂直极限压缩负荷能力之间的差异从静载荷试验和方法获得本文并不多,这充分体现了高精度的计算方法。此外,它也获得了桩的长度越长,越强的法律垂直极限压缩负荷能力。因此,字段的静态负载测试的结果TS1, TS2, TS3, TS4可以配合的结果的方法。
如图11,本文还将比较结果的方法没有考虑桩本身的重力的影响。从图可以清楚地观察到11垂直极限抗压承载能力的结果,该方法没有考虑桩的星体的影响通常大于考虑它的星体,这是更加明显与静载荷试验检测的结果相比,大大提高了预测结果的误差。因此,它是必要的考虑桩的星体计算垂直极限抗压承载能力。
此外,静载荷试验结果同时包含损坏的测试桩工程,包括未损坏的测试桩,相比之下更有价值。如果受损的结果测试桩用于评估计算结果的准确性在静载荷试验,TS3试桩的荷载值是2400 kN,和垂直极限抗压承载力计算的提出是2362.212 kN,它们之间的误差很小,估计只有1.57%左右。因此,垂直极限抗压承载力的预测方法对单桩在软土地区提出了一个很好的方法。
5。试验桩的有限元模拟加载过程
为了进一步测试的可靠性预测方法,加载过程的有限元模拟进行了四维数相同的测试桩长20米,宽20米,50米高。堆材料本体模型采用弹性模型,考虑到桩水下C30混凝土材料,其弹性模量作为30 Gpa,电容是27 kN / m3和泊松比是0.16。土壤本体采用莫尔-库仑模型的关系。土壤材料参数定义的模型包括土壤厚度、土壤泊松比、土壤内聚力、内摩擦角、土壤重力,从表和土壤弹性模量2。模型应根据经验设置桩和土之间的接触界面,和接口可以模拟桩侧阻力之间的关系,通过嵌入式displacement-friction相对位移函数。模式已经固定X-directional限制左和右,固定Y-directional限制前后,三个底部固定XYZ约束。有限元模拟重力场的影响,并仿真过程分为三个阶段,包括初始应力阶段,打桩阶段,加载阶段。为了适应的加载过程最大程度的静载荷试验,前两个阶段的位移被清除为零。有限元模型如图12。
从图可以看出13壹空间的定居点,TS2, TS3, TS4从有限元模拟获得所有级别的桩顶加载不上静载荷试验获得的定居点。总的来说,有限元模拟结果略大。这表明有限元模拟沉降预测是可靠和安全的方法。此外,这一事实的荷载沉降曲线得到的静载荷试验和有限元模拟可以安装也表明这四个测试桩的有限元模拟是一种有效的模拟,可以提供更全面的信息在内力和桩端变形作为参考来验证该方法的可靠性。
(一)
(b)
(c)
(d)
z方向的沉降变形为每个工程试桩得到相应的负载如图14。结果表明,解决桩周边附近的土壤是最大的,和一个新的压实致密核心区域将形成在桩端,和土壤的一部分将会定居在压实致密核心面积相对较小。结合图7每一桩端附近,土壤沉降变形趋势是一致的,由Janbu透露。因此,极限桩端阻力计算方法分析方程提出了引用的是适当的。
(一)
(b)
(c)
(d)
图15显示的变化沿桩身轴力的加载值1750 kN, 2100 kN, 2160 kN,为测试桩壹空间和2700 kN, TS2, TS3, TS4从有限元模型中提取,分别,也显示了沿桩身轴力的变化在每个试验桩的垂直极限抗压承载力计算方法获得的。从单个测试桩,桩的每个部分的轴向力计算的方法通常是更大的与有限元模拟的结果相比,这与实际情况是一致的,因为顶部加载的桩的有限元模拟这个时候没有达到极限承载力桩可以承受。然而,沿桩身轴力的趋势是相同的,和沿桩身轴力逐渐降低。原因是浅土的桩侧摩擦阻力对桩身小,和一个更大的轴向力使桩身的力量平衡。沿桩身轴力的趋势进一步说明垂直极限抗压承载力计算方法提出了一个实际的方法在软土地区结构力的特征。
(一)
(b)
(c)
(d)
6。局限性和未来的工作
分析方程的可靠性提出了计算的垂直极限抗压承载力在软土地区monopiles验证数值模拟和有限元素。本文的结果表明,该方法是一种简单而精确的方法。这意味着该方法可广泛用于极限承载力的预测monopiles在软土地区,从而使它可以减少静态负载测试的数量,这可以减少一定的成本项目。然而,该方法也有一定的局限性。(1)从方程的基本原理,该方法可以扩展到其他类型的土壤区域。然而,它也需要考虑是否桩的破坏变形特点以其他类型的土壤区域类似在软土地区,和足够的测试数据是需要验证该方法的可靠性(2)本文选择理想弹塑性双褶模型来描述之间的关系单位桩侧摩擦阻力和桩土相对位移,这是一个基本和常见模型,但该模型没有考虑桩和土之间的软化效应。在未来的研究中,我们可以试着表达之间的关系单位桩侧摩擦阻力和桩土相对位移模型,考虑更多的影响因素
因此,新的分析方程提出了用于计算的垂直极限抗压承载力monopiles在软土地区与某些工程价值,但有必要做进一步的研究,使其产生更多的应用价值。
7所示。结论
基于所有的研究内容和结果在这项研究中,可以得出以下结论:(1)基于伦道夫的研究桩的内力,摩擦阻力的计算模型桩段均匀土壤中考虑星体的影响提出了本文和桩的内力计算方法进行层压土壤进一步派生。结合Janbu极限端阻力,研究分析方程,提出了计算的垂直极限抗压承载力monopiles在软土地区。为了验证该方法的可靠性,静载荷测试和有限元模拟进行了四个工程测试桩在软土地区的苏州,中国(2)结果表明,壹空间的结果,TS2, TS3,和TS4预测monopiles的极限承载力在软土地区与静载试验结果有很好的一致性,出错率只有1.57%,如果受损的结果测试桩TS3测量结果的偏差。有限元模拟了桩端变形两个方面的特点和负荷转移。极限承载力预测方法提出了基于Randolp研究桩内力和Janbu终极阻力的研究符合实际情况,是一种准确、可靠的方法,为其他类似工程具有重要的参考意义
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由工业和信息化部支持中华人民共和国的中国物联网集成创新和融合应用程序项目基金(批准号。2018470)和陕西省重点研发项目2020号(sf - 373)。