考虑安装效应的螺旋钢桩沉降量计算方法

本发明涉及考虑螺旋钢桩安装效应和土刚度非线性变化的螺旋钢桩沉降量计算方法，属于海洋和交通工程技术领域。

背景技术：

螺旋钢桩主要通过旋转压入方式进行安装，安装过程中存在着低噪音、对环境友好、费用相对低廉的优点，在海洋工程领域和交通岩土工程领域具有巨大的应用潜力。现有技术中，对螺旋钢桩的研究大多集中在轴向承载力和安装扭矩的设计上，而海上结构及高速交通的设计理念已逐渐转向位移设计，螺旋钢桩基础的设计需要快速可靠的桩沉降预测方法，以保证合理的结构性能和使用性能。

然而，现有的桩基沉降主要集中在等直常规桩，而螺旋钢桩是具有强烈的几何非线性的异型桩，施工方式及作用机理与等直常规桩有很大的差异，因此有必要提出一种考虑螺旋钢桩安装效应和土刚度非线性变化的螺旋钢桩沉降确定方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑螺旋钢桩安装效应和土刚度非线性的螺旋钢桩沉降量计算方法，以提高对螺旋钢桩沉降预测结果的准确性，使螺旋钢桩基础的设计更加可靠，保证其合理的结构性能和使用性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：考虑安装效应和土刚度非线性的螺旋钢桩沉降量计算方法，包括以下步骤：

s1、将土层初始剪切刚度简化为随深度线性变化函数，得到不同深度下土层初始剪切刚度。

s2、考虑螺旋钢桩安装效应和土刚度非线性退化，根据安装螺旋钢桩试验数据反分析得到在各土层中的归一化gl(op)/gl(max)预测公式：

式中，gl(op)为桩底部叶片处土的有效剪切刚度，单位mpa，gl(max)为桩底部叶片处初始剪切刚度，单位mpa，a、b为随峰值摩擦角变化的拟合参数，γp为伪应变，γp-ref为参考伪应变，取值为0.01。

s3、将归一化gl(op)/gl(max)预测公式带入沉降-荷载曲线计算公式：

计算得到不同荷载条件下的桩顶沉降值。

式中，st为桩顶沉降，单位m，qt为桩顶轴向荷载，单位kn，r0为桩身半径，单位m，η为考虑桩端扩底的因子，νs为土层平均泊松比，ξ(op)为考虑端土层对桩端支承作用因子，ρe(op)为土刚度沿深度变化因子，(μl)(op)为评估桩压缩性的系数，l为桩的底部叶片嵌入土层深度，单位m，ζ(op)为评估桩周围受剪应力影响土体平均半径范围的因子，λ(op)为有效桩土刚度比。

进一步的，所述的归一化gl(op)/gl(max)预测公式中拟合参数a、b的计算公式为：

式中，为峰值摩擦角，单位°。

进一步的，所述的考虑端土层对桩端支承作用因子ξ(op)的计算公式为：

ξ(op)＝gl(max)/gb(max)；

式中，gb(max)为桩底部叶片以下受影响区域土体(z＝l至z＝l+0.5dh，z为土层深度，dh为螺旋叶片直径)的初始剪切刚度，单位mpa。

进一步的，所述的土刚度沿深度变化因子ρe(op)的计算公式为：

ρe(op)＝gm(max)/gl(max)；

式中，gm(max)为桩底部叶片嵌固深度中间位置处土层初始剪切刚度，单位mpa。

进一步的，所述的桩底部叶片嵌固深度中间位置处土层初始剪切刚度gm(max)的计算公式为：

gm(max)＝(g0(max)+gl(max))/2；

式中，g0(max)为桩顶初始剪切刚度，单位kpa。

进一步的，所述的评估桩压缩性的系数(μl)(op)的计算公式为：

(μl)(op)＝[2/(ζ(op)λ(op))]0.5(l/r0)。

进一步的，所述的评估桩周围受剪应力影响土体平均半径范围的因子ζ(op)的计算公式为：

ζ(op)＝ln(rm/r0)；

式中，rm是极限径向距离，单位m。

进一步的，所述的有效桩土刚度比λ(op)的计算公式为：

λ(op)＝ep/gl(op)；

式中，ep为桩体等效模量，单位kpa。

本发明的有益效果是：相较于现有等直桩技术中通过对荷载-位移曲线中不同的极限承载力准则进行分析讨论确定极限承载力的位移，本发明的方法通过考虑螺旋钢桩独特施工方法产生的安装效应，无需经过试验测试得到荷载位移曲线，有利于降低试验测试所耗费的时间和费用，可推广性强，预测精度高。

附图说明

图1为本发明螺旋钢桩及桩周土层参数示意图。

图2为本发明现场试验实测数据与预测值拟合曲线示意图。

图3为本发明离心机试验实测数据与预测值拟合曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：考虑安装效应和土刚度非线性的螺旋钢桩沉降量计算方法，图1中，g0指桩顶处的剪切刚度，gm指桩嵌固深度中间位置处土层的剪切刚度，gl指桩端土处的剪切刚度，gb指桩端以下受影响区域的剪切刚度，qs指桩侧摩阻力，ds指桩身直径，qb指螺旋叶片底部阻力。本发明的方法包括以下步骤：

s1、将土层初始剪切刚度gmax简化为随深度线性变化函数，得到不同深度下土层初始剪切刚度，根据对应土层剪切波速vs进行计算：

gmax＝ρvs²(1)

公式(1)中vs根据标准贯入击数在不同土层中的计算方法为：

公式(2)中n为对应土层深度的标准贯入次数。

公式(1)中vs根据静力触探试验结果在粘性土和砂土中估算方法为：

vs＝[10.1*lgqc-11.4]^1.67[fs/qc*100]^0.3(3)

公式(3)中qc为根据cpt测试数据的锥尖阻力，单位kn，fs为根据cpt测试数据的侧摩阻力，单位kn。

s2、考虑螺旋钢桩安装效应和土刚度非线性退化，根据螺旋钢桩离心机安装试验数据反分析得到在各土层中的归一化gl(op)/gl(max)预测公式：

式中，gl(op)为桩底部叶片处土的有效剪切刚度，单位mpa，gl(max)为桩底部叶片处初始剪切刚度，单位mpa，a、b为随峰值摩擦角变化的拟合参数，γp为伪应变，γp-ref为参考伪应变，取值为0.01。

公式(4)中随峰值摩擦角变化的拟合参数a、b的计算公式为：

式中，为峰值摩擦角，单位°。

s3、将归一化gl(op)/gl(max)预测公式带入沉降-荷载曲线计算公式，得到不同荷载条件下的桩顶沉降值。

式中，st为桩顶沉降，单位m，qt为桩顶轴向荷载，单位kn，r0为桩身半径，单位m，η为考虑桩端扩底的因子，νs为土层平均泊松比，ξ(op)为考虑端土层对桩端支承作用因子，ρe(op)为土刚度沿深度变化因子，(μl)(op)为评估桩压缩性的系数，l为桩的底部叶片嵌入土层深度，单位m，ζ(op)为评估桩周围受剪应力影响土体平均半径范围的因子，λ(op)为有效桩土刚度比。

公式(7)中考虑端土层对桩端支承作用因子ξ(op)的计算公式为：

ξ(op)＝gl(max)/gb(max)(8)

式中，gb(max)为桩底部叶片以下受影响区域土体(z＝l至z＝l+0.5dh，z为土层深度，dh为螺旋叶片直径)的初始剪切刚度，单位mpa。

公式(7)中土刚度沿深度变化因子ρe(op)的计算公式为：

ρe(op)＝gm(max)/gl(max)(9)

式中，gm(max)为桩底部叶片嵌固深度中间位置处土层初始剪切刚度，单位mpa。

公式(9)中桩底部叶片嵌固深度中间位置处土层初始剪切刚度gm(max)的计算公式为：

gm(max)＝(g0(max)+gl(max))/2(10)

式中，g0(max)为桩顶初始剪切刚度，单位kpa。

公式(7)中评估桩压缩性的系数(μl)(op)的计算公式为：

(μl)(op)＝[2/(ζ(op)λ(op))]0.5(l/r0)(11)

公式(11)中评估桩周围受剪应力影响土体平均半径范围的因子ζ(op)的计算公式为：

ζ(op)＝ln(rm/r0)(12)

式中，rm是极限径向距离，单位m，在此范围外桩周土剪应力为零。

公式(11)中有效桩土刚度比λ(op)的计算公式为：

λ(op)＝ep/gl(op)(13)

式中，ep为桩体等效模量，单位kpa。

公式(13)中桩体等效模量ep的计算方法为：

ep＝4[(ea)s+(ea)h·(th/l)]/πds²(14)

式中(ea)s为中心钢轴的实际轴向刚度，(ea)h为螺旋叶片的实际轴向刚度，th是螺旋叶片的厚度。

实施例一

安装单叶片螺旋钢桩的现场试验场地位于加拿大阿尔伯塔省北部，桩体参数和部分土体参数如表1所示，桩轴和螺旋叶片用钢的弹性模量为200gpa，根据公式(14)可得桩的等效模量为26.3gpa，试验场地原位测试为标准贯入试验，得到标准贯入击数n随深度的分布，场地土层的剪切波速通过公式(2)估算。土层初始剪切刚度通过公式(1)估算，将土层初始剪切刚度简化为随着深度线性变化函数，得到不同深度下土层初始剪切刚度计算公式，如等式(15)所示：

gmax＝13.4989z+35.869(15)

式中，z为土层深度，单位m，根据等式(15)可计算得到gm(max)、gl(max)和gb(max)如表1所示。

表1现场试验结果及计算数据

将表1中的数据代入公式(4)至(13)可得到本发明预测的荷载沉降曲线如图2所示，由可看出，本发明建立有效模量退化曲线计算得到的荷载-沉降曲线基本上与现场实测荷载-沉降曲线相吻合，能够较好的考虑土刚度的非线性变化，准确地预测螺旋钢桩沉降。

实施例二

采用邓迪大学实施的单叶片螺旋钢桩轴向压缩试验结果，离心机模型试验的桩结构和试验砂土参数如表2所示，桩轴和螺旋叶片用钢的弹性模量为200gpa，中心钢轴可等效为实体桩，根据公式(14)可得桩的等效模量为15.7gpa，对试验所用砂土进行静力触探测试，根据测试结果得到锥尖阻力qc和侧摩阻力fs，代入公式(3)得到对应土层剪切波速vs，将vs代入公式(1)并进行线性拟合，得到砂土的初始剪切模量为：

gmax＝13.3835z(15)

根据公式(15)可得出在桩中间位置，桩端位置和桩底以下dh范围内的土初始剪切模量，计算结果如表2所示。

表2离心机试验结果及计算数据

将表2中的数据代入公式(4)至(13)可得到荷载-沉降曲线，由图3可以看出荷载-沉降行为预测曲线与实测曲线基本上能达到较好的吻合，能够较好的考虑土刚度的非线性变化，准确地预测螺旋钢桩沉降。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。