斜陡坡桥梁桩基竖向承载力修正系数及承载力计算方法与流程

本发明属于土木工程桥梁设计与施工
技术领域：
，具体涉及斜陡坡桥梁桩基竖向承载力修正系数及承载力计算方法。
背景技术：
：随着高速公路行业不断发展，桥梁在公路建设中作用日趋显著，桥梁桩基础是桥梁工程中主要的基础形式之一。桥梁上部荷载通过桩基础传递至地基中，桥梁桩基础承载力主要由桩侧摩阻力和桩端阻力共同提供，桩基础承载力根据其桩侧摩阻力分担多少分为摩擦桩和端承桩。当桩基础承载力主要由桩侧摩阻力提供时，此时称其为摩擦型桩基础，当桩基础承载力主要由桩端阻力提供时，称其为端承桩。现有公路桥梁桩基础中大多数深长桩基础以摩擦桩为主，对于摩擦桩其侧摩阻力主要通过桩身侧表面积与桩周岩土体相互作用，桩基础由于桩顶荷载作用相对于桩周土体会产生一个向下的趋势，桩基础受到桩周岩土体提供的向上的侧摩阻力来支撑桩基础承受上部荷载。对于平面地表桥梁桩基础其桩侧摩阻力以桩中心轴线呈中心对称形式，相互之间是等大相互平衡的，此时桩基础的承载力是完整无缺失的，承载能力按照公路桥梁桩基础手册以及相关设计规范计算即可，另外根据工程实际经验桩基础还有其相关经验公式计算承载力，总而言之在平地桥梁桩基础承载力计算方面其理论已经比较成熟。近年来公路桥梁不断发展，山区斜陡坡桥梁建设逐渐展开，斜陡坡地段修建桥梁桩基础在施工、设计、理论计算等方面均比平面桥梁桩基础复杂，如图1所示，由于斜陡坡地段临空面1的存在，桩基础2桩侧摩阻力不能得到有效发挥，在相同桩基础埋深下，平地桩侧岩土体4土体完整，山区斜陡坡地段桥梁桩基础由于斜陡坡3的存在，临空面外侧土体缺失，则桩侧岩土体侧摩阻力相比于平地桩基础低，此时桩基础承载力会相对于平面桩基础承载力降低，而目前并没有针对斜陡坡桥梁桩基础提供专门计算承载力理论公式，依然采用平面桩基础竖向承载力计算公式。桩基础包括两种，一种是摩擦桩，一种是嵌岩桩。(1)摩擦桩的平面桩基础竖向承载力[ra1]计算公式如下：(2)嵌岩桩的平面桩基础竖向承载力[ra2]计算公式如下：但是采用这种平地桥梁桩基础极限承载力计算公式计算斜陡坡桥梁桩基础极限承载力，其承载力是不合实际的，通过该平地桥梁桩基础承载力计算公式求得的理论值存在如下缺点：(1)求出的计算值比实际承载能力高，使斜陡坡桥梁桩基础承载力安全系数降低，容易引起交通事故。(2)对桥梁桩基础设计带来困难，根据传统桩基础承载力计算公式计算求得承载力偏高，没有一个相对准确的承载力值，在桥梁桩基础承载力设计过程中不便于桩基础设计。(3)容易造成材料的浪费，增加设计和施工成本。在设计中根据常规公式计算得出承载力比实际的大，则究竟大多少没有一个相对准确值，则设计人员则会为安全起见将桩基础尺寸、配筋等盲目增加(可能实际用不了那么多材料)，容易造成工程成本增加。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提供了斜陡坡桥梁桩基竖向承载力修正系数及承载力计算方法，更加准确的计算桥梁桩基础承载力。为达到上述目的，斜陡坡桥梁桩基竖向承载力修正系数的计算方法，包括以下步骤：步骤1、计算不同坡度下的桩基础承载力影响度αv，式中，p0为相同工况下的平坡桩基础竖向极限承载力，p表示某坡度的桩基竖向极限承载力；步骤2、根据步骤1得到的桩基础承载力影响度αv计算桩基侧摩阻力折减系数ζv，ζv＝1-αv。进一步的，步骤1中，通过竖向荷载作用下试验，测量出不同桩长的摩擦桩在不同坡度下的桩基竖向极限承载力p，当坡度为0°时即同桩长的摩擦桩在平坡桩基础竖向极限承载力p0。进一步的，取桩顶位移为1.5mm对应的荷载作为桩基础极限承载力p。进一步的，步骤1中，测量n个坡度xj下的桩基竖向极限承载力pj，0≤j≤n-1，n≥2，并计算出该坡度下的折减系数ζvj，当坡度x在xj～xj+1之间时，桩基竖向极限承载力ζv＝ζvj+k(pj+1-pj),k＝(xj+1-xj)/(ζvj+1-ζvj)。进一步的，n＝6，测量坡度为0°，30°、45°、60°、75°以及90°。一种斜陡坡桥梁桩基竖向承载力计算方法，摩擦桩的斜陡坡桥梁桩基承载力[ra1]的计算公式为：嵌岩桩的斜陡坡桥梁桩基承载力[ra2]的计算公式为：上式中，桩基侧摩阻力折减系数ζv根据权利要求1所述的方法得到，[ra1]—摩擦桩单桩竖向受压承载力容许值，[ra2]—嵌岩桩单桩竖向受压承载力容许值；u—桩身周长；ap—桩端截面面积；n—土的层数；li—各土层的厚度；qik—与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值；[fa0]—桩端处土的承载力基本容许值；h—桩端的埋置深度；k2—容许承载力随深度的修正系数；γ2—桩端以上各个土层加权平均重度；λ—修正系数；m0—清底系数；c1—端阻力发挥系数；frk—桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值；c2i—第i层岩层的侧阻发挥系数；hi—桩嵌入各岩层部分的厚度；m—岩层层数；ζs—覆盖层土的侧阻力发挥系数。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：本发明通过设定斜陡坡桥梁桩基础竖向承载力修正系数，并将承载力修正系数与承载力影响度αv建立联系，其影响度是可以通过比较简单的计算可以计算得出的，通过求出的影响度进而求出承载力修正系数；通过模型试验和数值模拟两种方法求出不同坡度和桩长下的桩基础承载力修正系数，两种方法求得其修正系数基本一致，可以使桥梁桩基础承载力更加客观和准确，更加接近实际。进一步的，取桩顶位移为1.5mm对应的荷载作为桩基础极限承载力p，1.5mm是行业内部比较认可而且比较符合实际的。进一步的，步骤1中，测量n个坡度xj下的桩基竖向极限承载力pj，0≤j≤n-1，n≥2，并计算出该坡度下的折减系数ζvj，当坡度x在xj～xj+1之间时，桩基竖向极限承载力ζv＝ζvj+k(pj+1-pj),k＝(xj+1-xj)/(ζvj+1-ζvj)，不需要进行大量的数据测量，可方便的计算出不同坡度下的桩基竖向极限承载力。进一步的，由于在0-30°这个区间桩基竖向极限承载力变化趋势接近，坡度大于30°时，桩基竖向极限承载力变化较为明显，所以取n＝6，测量坡度为0°，30°、45°、60°、75°以及90°。一种山区斜陡坡桥梁桩基竖向承载力计算方法，将计算所得到的承载力乘以该修正系数后，其桩基础竖向承载力更加接近斜陡坡地区桥梁桩基础实际承载力，避免工程事故的发生率。考虑该修正系数以后，斜陡坡桥梁桩基础竖向承载力更加准确，在桩基础设计中可以提高设计的精度，减少了工程中不确定性因素带来的设计变更。乘以修正系数后，桩基础设计更加接近实际值，降低材料浪费，减少桩基础施工成本。附图说明图1a为斜陡坡桩基础示意图；图1b为平地桩基示意图；图2a为长40cm的桩随斜陡坡坡度变化的p-sv曲线；图2b为长60cm的桩随斜陡坡坡度变化的p-sv曲线；图2c为长80cm的桩随斜陡坡坡度变化的p-sv曲线；图2d为长100cm的桩随斜陡坡坡度变化的p-sv曲线；图3为度变化对桩基承载力的影响示意图；图4为坡度变化对桩基承载力影响度αv的影响示意图；图5a为斜陡坡桩基有限元计算几何模型；图5b为45°的斜陡坡桩基有限元计算模型网格划分剖面图。附图中：1、临空面，2、桩基础，3、山体斜陡坡，4、平地桩侧岩土体。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。1.桩基础承载力折减系数提出桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题，桩侧土极限摩阻力值与桩侧土的剪切强度有关，随着土的抗剪强度的增大而增加。而土的抗剪强度又取决于其类别、性质、状态和剪切面上的法向应力。不同类别、性质、状态和深度处的桩侧土将具有不同的桩侧摩阻力。斜陡坡桥梁桩基桩侧土由于一侧一定深度范围内缺失或桩周土体强度不足，使坡体桩基两侧所受摩阻力与平地桩基所受摩阻力有一定的差异，对斜陡坡桥梁桩基按常规平地桩设计显然不适合，因此，对斜陡坡桥梁桩基在设计时，应对其承载力进行折减，以确保桩基承载力满足使用要求。桩基侧摩阻力折减系数ζv的计算公式如下：ζv—某坡率下的折减系数；f1—靠近山体一侧桩摩阻力值；f2—外侧桩基侧摩阻力值。桩基础承载力影响度αv计算公式如下：式中：p0表示对应的平坡桩基础竖向极限承载力/轴力/摩阻力，p表示某坡度的桩基竖向极限承载力/轴力/摩阻力，当p0表示对应的平坡桩基础竖向极限承载力/时，p表示某坡度的桩基竖向极限承载力；当p0表示对应的平坡桩基础竖向极限轴力时，p表示某坡度的桩基竖向极限承载力/轴力/摩阻力；当p0表示对应的平坡桩基础竖向极限摩阻力时，p表示某坡度的桩基竖向极限承载力/轴力/摩阻力，。对应用此处提到的桩侧摩阻力来表示桩基础承载力影响度则对应公式为：在桩侧摩阻力中p0相当于2f1，p相当于f1+f2，则此时将相应变量代入影响度计算公式得出：由上式可以看出直接对桩基础承载力折减系数计算时不容易计算，但可以通过计算其承载力影响度，间接求出折减系数。考虑桩基础承载力折减系数后其桩基础承载力计算公式，采用斜陡坡桥梁桩基承载力计算公式如下：(1)摩擦桩竖向承载力[ra1]计算公式如下：(2)嵌岩桩竖向承载力[ra2]计算公式如下：式中：ζv—桩基侧摩阻力折减系数；[ra1]—摩擦桩单桩竖向受压承载力容许值(kn)，[ra2]—嵌岩桩单桩竖向受压承载力容许值(kn)，桩身自重与置换土重(当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力)的差值作为荷载考虑；u—桩身周长(m)；ap—桩端截面面积(m2)，对于扩底桩，取扩底截面面积；n—土的层数；li—各土层的厚度(m)；qik—与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值(kpa)，可以根据表1取值；[fa0]—桩端处土的承载力基本容许值(kpa)，该值一般由设计资料给出；h—桩端的埋置深度(m)，对于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后地面线算起；h的计算值不大于40m，当大于40m时，按照40m计算；k2—容许承载力随深度的修正系数，根据桩端处持力层土类来按照表2选取；γ2—桩端以上各个土层加权平均重度(kn/m3)；λ—修正系数，按照表3选用；m0—清底系数，按照表4选用；c1—根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻力发挥系数，按照表5采用；frk—桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值(kpa)，黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，当frk小于2mpa时按照摩擦桩计算；frki为第i层的frk值；c2i—根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数，按照表1.5采用；hi—桩嵌入各岩层部分的厚度(m)，不包括强风化层和全风化层；m—岩层层数，不包括强风化层和全风化层；ζs—覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端frk确定：当2mpa≤frk＜15mpa时，ζs＝0.8；当15mpa≤frk＜30mpa时，ζs＝0.5；当frk＞30mpa时，ζs＝0.2；表1桩侧摩阻力标准值qik表2地基土承载力宽度深度修正系数k1、k2表3修正系数λ值表4清底系数m0值t/d0.3～0.1m00.7～1.0注：1.t、d为桩端沉渣厚度和桩的直径。2.d≤1.5m时，t≤300mm；d＞1.5m时，t≤500mm，且0.1＜t/d＜0.3。表5系数c1、c2值岩石层情况c1c2完整、较完整0.60.05较破碎0.50.04破碎、极破碎0.40.032桩基础承载力折减系数求解通过上述分析可以看出，斜陡坡桩基础承载力与平地桥梁桩基础承载力是有差别的，因此求其承载力折减系数可以方便计算桩基础在斜陡坡地区的实际承载力。设计斜陡坡桥梁桩基础模型试验，求出其桩基础承载力影响度，进而根据公式1-3求出其不同坡度下桥梁桩基础折减系数。2.1竖向荷载作用下试验分析方案利用室内模型试验对不同坡度、不同桩长桩基础的竖向承载特性展开分析，为斜陡坡地区桥梁桩基础设计承载力合理确定提供科学依据。试验方案如下：(1)坡度变化对桥梁桩基础的变形特性及荷载传递机理的影响分析坡度：0°、30°、45°、60°、75°、90°；(2)桩长变化对桥梁桩基础的变形特性及荷载传递机理的影响分析上述每个坡度下均设计4个桩长，分别为：40cm、60cm、80cm、100cm。2.2试验成果与分析斜陡坡坡度变化对桩基础竖向承载力的影响分析，同一桩长在不同坡度桩基础的p-sv曲线变化规律如图2a至图2d所示。从图2a至图2d中可以看出，在相同竖向荷载作用下，同桩长下的桩顶位移sv随着斜陡坡坡度增加逐渐增大。取桩顶位移为1.5mm对应的荷载作为桩基础极限承载力p，不同坡度、不同桩长的承载力计算成果见表6—不同坡度的极限承载力。其中αv为承载力影响度，其中p0表示对应的平坡桩基础竖向极限承载力，p表示任意坡度的桩基础竖向承载力。表6图3和图4是坡度变化对桩基承载力及影响度αv的影响变化。从表6、图3以及图4可以看出：不同桩长，同一坡度对桩承载力影响度变化不大，可近似为恒值。例如在60°坡度时，桩长在40cm、60cm、80cm、100cm时的影响度为18.76％、18.43％、17.97％、17.66％。随着坡度的增加，同一桩长斜陡坡桩基的极限承载力呈下降趋势，在坡度为30°时，桩基极限承载力较平坡桩基的承载力下降6％左右，相对其它坡度，极限承载力受坡度变化影响最小，承载力下降不大；在坡度为45°、60°、75°时，桩基极限承载力较平坡桩基的承载力下降依次为10％、18％、23％左右，承载力降低程度明显增大；在坡度为90°时，桩基极限承载力较平坡桩基的承载力下降27％左右，极限承载力下降最大。随着坡度的增大其承载力的影响度αv增大，以60cm桩长为例，在斜陡坡坡度30°到90°的变化过程中，影响度从6.32％增长到27.62％，说明坡度的增加改变了桩侧阻力的传递效应，使得桩基承载力随着坡度的增加有着不同程度的降低。随着坡度的增大，极限承载力受坡度影响越大，以上分析表明，在斜陡坡地区桥梁桩基的设计应充分考虑斜陡坡坡度的影响。极限承载力随坡度增加与平坡相比的承载力折减系数ζv(ζv＝1-αv)变化，见表7。表7随坡度变化的折减系数表7可以看出，随着坡度的增大，同桩长时的桩基承载力折减系数呈降低趋势，坡度在0°和30°变化时，承载力折减系数降低程度不大；当坡度大于30°时，承载力降低程度明显增大，当坡度为90°时，折减仅为平地桩的73％左右。3桩基础承载力折减系数验证前文针对山区斜陡坡地区桥梁桩基础竖向承载力折减系数通过建立室内模型试验，提出并求解了不同坡度下斜陡坡桥梁桩基础承载力折减系数，并详细阐述了其求解过程，但是该折减系数与实际工程中斜陡坡桩基础承载能力是否一致，需要进一步验证。因此在熟悉调研现场工程性质条件的基础上，建立数值仿真分析模型，通过仿真模拟得到的承载力与考虑折减系数得到的承载力相对比，来证明该折减系数的可靠性。4针对未进行测量的坡度的折减系数，通过以下两种方式得到。一是改变坡度，并重复上述试验过程，得到该坡度下的折减系数；二是根据已经测量得到的不同坡度的折减系数计算所需坡度的折减系数。计算过程如下：设测量得到的n个坡度xj下的桩基竖向极限承载力为pj，0≤j≤n-1，n≥2，根据pj计算出该坡度下的折减系数ζvj，当坡度x在xj～xj+1之间时，桩基竖向极限承载力ζv＝ζvj+k(pj+1-pj),k＝(xj+1-xj)/(ζvj+1-ζvj)。3.1模型建立(1)几何模型及单元划分结合桩基础结构受力的特点和有限元计算对计算资源的要求，通过大量试算，确定在计算中桩侧和桩底岩土体取10倍的桩径范围，斜陡坡桩基的几何模型如图5a所示。marc非线性有限元程序中提供了多种计算单元类型，考虑到研究的需要，选用八节点六面体单元进行网格划分，在将实体离散成有限元单元时，尽可能的加密桥梁桩基及其周围土体单元，由近到远，由密到疏的过渡，这样既可确保计算精度，又易于收敛，节省运算时间。最密0.2m一个单元，最大2m一个单元，有限元计算模型如图5b所示。(2)边界条件确定计算模型近似为半空间无限体，对于计算模型边界条件，将模型下部底面及侧面的x、y、z方向位移固定，对桩顶施加分级荷载，500kn一级。(3)本构模型选取有限元数值计算结果精度主要取决于本构模型的合理性和计算参数的准确性。本研究中桥梁桩基结构采用混凝土材料，分析中采用理想弹性本构模型，斜陡坡岩土体主要为岩土质材料，是地表岩体经风化、剥蚀、搬运、沉积后的产物，具有松散、多相、多变等特性，且受到应力水平、应力历史、应力路径、应力状态以及应力速率的影响，因此采用弹塑性本构模型进行分析。桩周岩土体在变形过程中，应力应变关系呈非线性关系，为跟踪加载历史求位移、应变和应力的全量，因此采用mohr-coulomb屈服准则，本构关系采用增量形式来描述。(4)参数选取为保证数值仿真模拟结果与实际工程的一致性和科学性，数值仿真分析中的计算参数根据实际工程地勘资料来选取，具体见表8。表8材料物理力学参数3.2方案设计桥梁桩基承受的竖向荷载主要包括自身重力以及上部结构产生的荷载等。桩基穿过软弱地层或不稳定岩层将竖向荷载传递到深部较坚硬、压缩性小的土层或岩层，通过有效利用作用于桩端的地层阻力和桩侧岩体的侧摩阻力来支承竖向荷载。利用有限元分析软件marc对不同斜陡坡坡度、不同桩长、桩径、桩距临空面的不同距离、桩底相对坡脚所处不同位置以及坡脚坡形变化对桥梁桩基受力情况的影响进行仿真分析，研究山区斜陡坡地段桥梁桩基的承载特性，为该类型桥梁桩基的设计提供理论依据。取桩径1.5m、桩长15m，采用不同的竖向荷载分级加载，分析不同坡度下桥梁桩基的承载特性，计算工况详见表9。表9斜陡坡坡度变化计算工况注：1.坡度为0°的工况，即为平坡桩基，作为对比分析工况(下同)；3.3计算结果与分析通过分析，桩基竖向承载力主要由桩侧岩体的变形特性和上部结构容许的最大变形决定。桩长和桩径一定时，通过对处于不同斜陡坡坡度中的桥梁桩基进行有限元计算，分析桩基承载力的变化规律。下表为桩径为1.5m桩长和斜陡坡坡度变化下桩基础承载力。根据数值模型分析结果得出不同桩长在不同坡度处对应的桩基础承载力见表10。表10表11计算得出的承载力折减系数求得承载力(根据表7计算得出)表12注：αv＝p表6/p表7以上表格中：表6是根据数值仿真分析计算得出的斜陡坡桥梁桩基础承载力值，表11是基于平地桩基础承载力值，通过模型试验提出的桩基础承载力折减系数求解得出的，表12是表10中承载力值与表11中承载力值的比值。分析表12中的数据基本都在1左右，其误差在1％左右，完全满足工程要求10％，由此可以看出本发明提出的桩基础承载力折减系数是可以在工程实际中应用的。本发明提出的山区斜陡坡桥梁桩基础竖向承载力折减系数ζv，具体应用为：首先根据桩基础承载力计算公式(式1-1或1-2)计算得出无陡坡时的桩基础竖向承载力p0，以此计算值为基准值，需要计算对应以上讨论的工况下的摩擦桩的桩基础承载力pi，则有pi＝p0×ζv。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。当前第1页12