[發明專利]一種膨脹土地區樁基極限脹切力數值分析方法

有效

• 申請號: 201810475601.6
• 申請日: 2018-05-17
• 公開（公告）號: CN108661089B
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 呂璽琳;錢建固;蘇征
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23;E02D33/00;E02D27/12;E02D27/32
• 代理公司: 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

本發明公開了一種膨脹土地區樁基極限脹切力數值分析方法，首先基于膨脹土室內試驗結果，獲得膨脹土的參數指標，包括強度參數、膨脹率參數以及基本物理參數指標，如密度、模量等；之后，利用有限元數值分析軟件建立輸電線路鉆孔灌注樁基礎及膨脹土地基模型，通過設置材料屬性及樁土接觸、建立地應力平衡分析步及膨脹計算分析步，并在膨脹計算分析步中改變膨脹土地基地表大氣影響層深度范圍內土體的含水率，從而模擬膨脹土由于吸濕膨脹而對樁身產生的脹切力。本發明借助數值分析方法，基于室內試驗獲取的計算參數，簡單有效地計算并分析了不同樁長、不同樁徑、不同含水率、不同大氣影響層深度條件下的樁基極限脹切力變化規律，從而為樁基設計及優化提供參考依據。

技術領域

本發明屬于工程應用及膨脹土地區樁基設計領域，尤其是涉及一種膨脹土地基樁基極限脹切力數值分析方法。

背景技術

膨脹土是一種具有很強吸水膨脹體積增大強度降低、失水收縮體積縮小強度提高的高塑性粘性土。膨脹土在我國廣泛及其分布，相關研究資料顯示，從河北、河南、到四川、云南、貴州等地均不同程度的分布著強弱不同的膨脹土。而這些地區深處祖國內陸，氣候、降雨季節分明，因此自然狀態下的膨脹土常處于非飽和狀態，并在一定含水率范圍內波動。而膨脹土具有極強的水敏性，含水率的波動將對膨脹土地基上的建筑物和構筑物造成及其嚴重的損壞，甚至引起工程事故，造成人員傷亡和財產損失。

現階段在膨脹土地區的工程建設中，應對膨脹土脹縮效應對工程構筑物危害的主要方法是采用樁基礎。樁基礎具有施工方便、對各種地質條件適應性強等特點，是實際工程中經常采用的一種基礎形式。而現行《建筑樁基技術規范》中規定，對于膨脹土地區的短樁基礎，在工程設計時應驗證其抗拔力滿足要求，而在該計算方法中的一個重要設計參數便是極限脹切力。規范中規定極限脹切力應由樁基現場浸水試驗獲得，但由于現場試驗費時費力、影響因素多等等，不便于工程大規模應用，且對于樁基脹切力的影響因素的分析，亦不易單純依據現場試驗成果，不然那樣將造成巨大的工程成本支出。

近些年，隨著科學技術及計算機技術的發展和應用，數值計算方法在工程應用、科研研究等方面的應用日益成熟，獲得了廣大科研工作者和工程技術人員的認可。因此，可基于有限元數值分析方法，對于膨脹土地區樁基脹切力的分布規律及影響因素等問題進行研究，從而為膨脹土地區的樁基設計、優化提供參考依據。

根據基本力學原理可知，當膨脹土地區地表大氣影響層深度(如附圖1中h_a)范圍內的土體吸濕膨脹時，會造成在大氣影響層深度范圍內的土體對樁身產生向上的側摩阻力q_ei，而大氣影響層以下的土體則產生向下的側摩阻力q_si，從而抵消一部分上部的抗脹拔力。在此種情況下，假如不約束樁頂的位移的話，樁身將產生豎向隆起，假如約束樁頂的豎向位移，便可得到樁頂的反力，從而可根據式(1)計算出極限脹切力:

式中：q_ei為樁側大氣影響層深度范圍內的極限脹切力；F_ef為樁頂極限脹拔力，可通過現場浸水試驗或數值模擬獲得；D為樁身直徑；h_a為大氣影響層深度。

綜上所述，本發明可基于有限元數值分析軟件ABAQUS建立膨脹土土體模型及樁基模型，通過約束樁頂豎向位移、改變膨脹土土體地表大氣影響層深度范圍內的含水率分布情況，借助溫度場等效濕度場理論，模擬出膨脹土由于含水率變化而產生的膨脹量，從而模擬出樁頂的反力，再根據式(1)便可計算得到極限脹切力。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種針對膨脹土地區樁基極限脹切力的數值模擬方法，解決了在實際工程中，由于地表大氣影響層深度范圍內膨脹土吸濕膨脹而導致樁身上拔，從而對樁頂建筑物和構筑物產生豎向上拔力的計算問題，并可借助此方法，進一步分析不同樁長、不同含水率、不同樁徑、不同地區(不同大氣影響層深度)時樁基受到的脹拔力及極限脹切力的變化規律，從而為膨脹土地區的樁基設計、優化提供參考依據。