[發明專利]一種考慮土體非達西固結的單樁豎向承載時變效應計算方法

在審

• 申請號: 202110045040.8
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112883657A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 于光明;馬璐;張澤超;張煒;羅侖博;代加林;孫天歌
• 申請（專利權）人: 中國長江三峽集團有限公司
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;E02D33/00;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 李登橋

本發明提供了一種考慮土體非達西固結的單樁豎向承載時變效應計算方法，包括：基于非達西流動定律推導出土體非達西一維固結非線性方程；采用差分格式對固結方程中各變量的偏微分形式進行近似，得到固結控制方程解答，獲得超孔隙水壓力的數值解；基于孔隙比變化與沉降的關系建立了樁側土體固結沉降計算模型，同時結合樁土荷載傳遞模型，提出了固結土體中樁基長期承載時間效應計算方法；獲得樁土變形、樁身下拉荷載、樁側負摩阻力以及中性面隨時間變化規律。本發明中固結方程的解答非常簡潔，易于編程計算，并且很好地考慮了土體有效應力增加對樁土界面強度的影響，能夠更加準確地解決堆載作用下樁周土體在固結過程中樁基長期承載特性問題。

技術領域

本發明屬于土木工程領域，涉及一種考慮土體非達西固結的單樁豎向承載時變效應計算方法。

背景技術

樁基礎是深入土層的柱型構件，主要作用是將上部結構的荷載通過樁身穿越較軟土層或水傳遞至深層相對堅硬的持力層，降低上部結構沉降并保證安全，其承載力的發揮一般以豎向為主，在某些工程中也兼具水平承載的作用。樁基礎的豎向承載力來自樁側土體提供向上的摩阻力和樁端土體提供的端阻力，當地面受到大面積堆載或浸水等環境因素作用后，樁周土體將發生明顯的固結沉降，從而通過樁土界面摩擦作用引起樁基壓縮量增加，樁身軸力變大甚至引起樁端沉降，樁側原有部分正摩阻力變為負摩阻力，降低樁基礎原有的豎向承載能力，并且這一復雜的樁土相互作用是一個長期過程，樁基礎的負摩阻力問題在工程前期設計中應當充分考慮，因此準確計算固結土體中樁基承載時間效應顯得尤為重要。

目前，諸多學者已經開展了關于固結土體中樁基礎的離心模型試驗、室內試驗以及相關的有限元仿真計算并得出一些有價值的結論。但是這些研究成果只能反映特定情況下的樁身響應，并且沒有考慮隨著固結時間推移土體有效應力的動態變化特性。另外，當孔隙水的水力梯度較低時，流速與水力梯度呈非線性關系；當實際水力梯度超過流動孔隙水最大結合能所對應的水力梯度時，流速與水力梯度呈線性關系，而現有研究主要是基于達西定律的經典固結理論進行，非達西流動定律尚未得到考慮，這與實際情況存在差異。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種考慮土體非達西固結的單樁豎向承載時變效應計算方法，解決現有技術中大面積堆載作用下土體非達西流動固結的沉降計算問題以及樁基豎向承載力動態變化的計算問題。

為了實現上述的技術特征，本發明的目的是這樣實現的：一種考慮土體非達西固結的單樁豎向承載時變效應計算方法，包括以下步驟：

步驟1：根據非達西流動定律建立一維固結平衡微分方程，通過差分格式離散方程，獲得固結偏微分方程的差分形式；

步驟2：引入不同排水條件下初始邊界條件和成層土交界面處滲流連續條件，求解方程獲得土體的超孔隙水壓力、滲透系數、固結系數、孔隙比解答；

步驟3：由孔隙比的變化計算出固結過程中每一時刻樁側土體沉降，并通過超孔隙水壓力的變化計算土體有效應力以及土體平均固結度；

步驟4：引入樁土界面荷載傳遞曲線，結合樁身軸力位移平衡方程和樁側摩阻力平衡方程，加入樁端邊界條件，通過假定樁頂變形迭代求解獲得樁周土體固結過程中樁身變形、軸力、樁側負摩阻力的分布情況。

所述步驟1具體步驟如下：

步驟1.1：在較低水力梯度情況下，土體孔隙水流動遵守非達西流動準則，流速與水力梯度呈非線性關系，當水力梯度超過一定界限值呈現線性關系，孔隙水的流速與水力梯度的關系具體如下式所述：

式中：為水力梯度；i₀＝i_c(n-1)/n，為臨界水力梯度；i_c為啟動壓力梯度；n和α為非達西定律的擬合參數，其中，α＝i_c^(1-n)/n；v為流體通過土體介質的流速；當上式中α和n等于1時，非達西流動法則就退化為達西定律；