基于位移限值控制的抵抗大水平推力的群桩设计分析方法与流程

1.本发明涉及群桩计算机辅助设计技术领域，特别涉及基于位移限值控制的抵抗大水平推力的群桩设计分析方法。


背景技术：

2.群桩桩筏结构常用作承担大水平推力构筑物基础，在现有技术中是将群桩均匀布置与筏板下方，同时假定筏板为不可压缩的刚体，进而认为各桩平均分担水平推力产生的剪力，在水平推力较小的情况下，使假定与实际相符。
3.但在大水平推力作用下，筏板在群桩基础的约束下其自身压缩不可忽略，且筏板前端与群桩的前排桩基共同变形，削弱的前排桩基的整体刚度，加剧了前排桩基的变形，从而易引发前排桩基优先破坏，群桩各桩受力很不均匀。
4.因此，如何调节群桩刚度，从而充分发挥各桩的承载能力，使其均匀受力成为本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供基于位移限值控制的抵抗大水平推力的群桩设计分析方法，实现的目的是以桩基位移限值控制为基础，调节各排桩基的直径、间距，达到调节群桩刚度的目的，从而充分发挥各桩的承载能力，使其均匀受力。
6.为实现上述目的，本发明公开了基于位移限值控制的抵抗大水平推力的群桩设计分析方法；包括如下步骤:
7.步骤1、将根据现行设计规范确定的地基土水平向抗力系数的比例系数m输入计算机，根据以下公式计算第i桩身节点的约束弹簧刚度ki，其中i＝1,2,3
…
，具体公式如下：
8.ki＝m
×
hi
×b×
δh；
9.其中，m为地基土水平向抗力系数的比例系数；
10.hi为桩身第i节点相对于等代地面线的埋深；
11.b为桩身计算宽度；
12.δh为桩身单元长度，δh＝1m；
13.步骤2、确定单桩参数，具体包括如下步骤：
14.步骤2.1、确定桩长；
15.分别按不同桩长的类型，即l1＝6、l2＝8、l3＝10、l4＝12
…
lj＝(j 2)*2，建立若干单桩模型；其中j表示不同桩长的类型编号；
16.采用直径为d，单元长度δh＝1m的梁单元进行模拟，在桩身各节点侧向约束刚度ki，桩顶施加单位水平力f0＝1kn，基于通用杆系有限元程序分析，得到不同桩长的桩顶水平位移uj；
17.当0.999≤uj 1/uj≤1.001，则可认为uj所对应的桩长lj为最优桩长，计作l；
18.步骤2.2、确定单桩初始刚度；
19.以所述最优桩长l为模型，在桩顶施加单位水平力f0＝1kn，基于通用杆系有限元程序分析，得到桩顶水平位移u0，计单桩初始刚度为k0＝f0/u0；
20.步骤3、根据以下公式确定桩数n：
21.n＝max(n1,n2)；
22.n1＝f/(k0
×
[u])；
[0023]
n2＝f/([v])；
[0024]
其中，f为结构所承担的水平推力；
[0025]
[u]为根据所述比例系数m所对应的位移限值或满足结构自身使用需要的位移限值；
[0026]
[v]为单桩抗剪承载力；
[0027]
步骤4、确定初始桩间距s＝3d；
[0028]
步骤5、确定群桩参数，具体包括以下步骤：
[0029]
步骤5.1、根据所述约束弹簧刚度ki、所述最优桩长l、所述桩数n和所述桩间距s建立群桩模型；
[0030]
筏板纵横向尺寸bl
×
bb应满足n根桩布置的构造要求，bl方向上布置nl排桩，bb方向上布置nb排桩，n＝nl
×
nb，以结构所承担的水平推力f平行的方向为bl方向；
[0031]
步骤5.2、沿bl方向将筏板平均分为三个区域，每个所述区域均占bl/3，分别为近f端、中端、远f端；
[0032]
三个所述区域按初始桩间距s＝3d均匀布置，然后基于通用杆系有限元程序分析，可得到近f端、中端、远f端桩顶的初始水平位移分别压力uj、uz、uy；
[0033]
步骤5.3、计τ＝uj/[u],δ＝uy/[u]，则所述近f端的桩基直径调整为d’＝τd，桩间距调整为s’＝s/τ，所述远f端的桩基直径调整为d”＝δd，桩间距调整为s”＝s/δ；
[0034]
然后，按所述近f端调整后的桩基直径d’及相应桩间距s’和所述远f端调整后的桩基直径d”及相应桩间距s”调整所述步骤5.1中的所述群桩模型；
[0035]
调整完成后，再次基于通用杆系有限元程序分析，再次得到所述近f端、所述中端和所述远f端调整后的桩顶水平位移分别压力uj’、uz’、uy’；
[0036]
当满足uj’《[u]、uz’《[u]、uy’《[u]时，则相应的所述近f端调整后的桩基直径d’及相应桩间距s’和所述远f端调整后的桩基直径d”及相应桩间距s”为所述群桩参数的最优值；
[0037]
当不满足时，所述近f端、所述中端和所述远f端调整后的桩顶水平位移分别压力uj’、uz’、uy’替换将初始水平位移分别压力uj、uz、uy循环执行步骤5.3，直至满足为止。
[0038]
优选的，在所述步骤5.3中，所述近f端调整后的桩基直径d’所对应的桩间距s’和所述远f端调整后的桩基直径d”所对应的桩间距s”均在2.5d至5d之间。
[0039]
本发明的有益效果：
[0040]
本发明以桩基位移限值控制为基础，通过调节各排桩基的直径、间距，达到调节群桩刚度的目的，从而充分发挥各桩的承载能力，使其均匀受力。
[0041]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0042]
图1示出本发明一实施例的流程图。
[0043]
图2示出本发明一实施例中单桩模型的示意图。
[0044]
图3示出本发明一实施例中群桩模型的示意图。
具体实施方式
[0045]
实施例
[0046]
如图1所示，基于位移限值控制的抵抗大水平推力的群桩设计分析方法；包括如下步骤:
[0047]
步骤1、将根据现行设计规范确定的地基土水平向抗力系数的比例系数m输入计算机，根据以下公式计算第i桩身节点的一约束弹簧刚度ki，其中i＝1,2,3
…
，具体公式如下：
[0048]
ki＝m
×
hi
×b×
δh；
[0049]
其中，m为地基土水平向抗力系数的比例系数；
[0050]
hi为桩身第i节点相对于等代地面线的埋深；
[0051]
b为桩身计算宽度；
[0052]
δh为桩身单元长度，δh＝1m；
[0053]
步骤2、确定单桩参数，具体包括如下步骤：
[0054]
步骤2.1、确定桩长；
[0055]
分别按不同桩长的类型，即l1＝6、l2＝8、l3＝10、l4＝12
…
lj＝(j 2)*2，建立若干单桩模型；其中j表示不同桩长的类型编号；
[0056]
采用直径为d，单元长度δh＝1m的梁单元进行模拟，在桩身各节点侧向约束刚度ki，桩顶施加单位水平力f0＝1kn，基于通用杆系有限元程序分析，得到不同桩长的桩顶水平位移uj；
[0057]
当0.999≤uj 1/uj≤1.001，则可认为uj所对应的桩长lj为最优桩长，计作l；
[0058]
步骤2.2、确定单桩初始刚度；单桩模型如图2所示。
[0059]
以最优桩长l为模型，在桩顶施加单位水平力f0＝1kn，基于通用杆系有限元程序分析，得到桩顶水平位移u0，计单桩初始刚度为k0＝f0/u0；
[0060]
步骤3、根据以下公式确定桩数n：
[0061]
n＝max(n1,n2)；
[0062]
n1＝f/(k0
×
[u])；
[0063]
n2＝f/([v])；
[0064]
其中，f为结构所承担的水平推力；
[0065]
[u]为根据比例系数m所对应的位移限值或满足结构自身使用需要的位移限值；
[0066]
[v]为单桩抗剪承载力；
[0067]
步骤4、确定初始桩间距s＝3d；
[0068]
步骤5、确定群桩参数，群桩模型如图3所示，具体包括以下步骤：
[0069]
步骤5.1、根据约束弹簧刚度ki、最优桩长l、桩数n和桩间距s建立群桩模型；
[0070]
筏板纵横向尺寸bl
×
bb应满足n根桩布置的构造要求，bl方向上布置nl排桩，bb方向上布置nb排桩，n＝nl
×
nb，以结构所承担的水平推力f平行的方向为bl方向；
[0071]
步骤5.2、沿bl方向将筏板平均分为三个区域，每个区域均占bl/3，分别为近f端、中端、远f端；
[0072]
三个区域按初始桩间距s＝3d均匀布置，然后基于通用杆系有限元程序分析，可得到近f端、中端、远f端桩顶的初始水平位移分别压力uj、uz、uy；
[0073]
步骤5.3、计τ＝uj/[u],δ＝uy/[u]，则近f端的桩基直径调整为d’＝τd，桩间距调整为s’＝s/τ，远f端的桩基直径调整为d”＝δd，桩间距调整为s”＝s/δ；
[0074]
然后，按近f端调整后的桩基直径d’及相应桩间距s’和远f端调整后的桩基直径d”及相应桩间距s”调整步骤5.1中的群桩模型；
[0075]
调整完成后，再次基于通用杆系有限元程序分析，再次得到近f端、中端和远f端调整后的桩顶水平位移分别压力uj’、uz’、uy’；
[0076]
当满足uj’《[u]、uz’《[u]、uy’《[u]时，则相应的近f端调整后的桩基直径d’及相应桩间距s’和远f端调整后的桩基直径d”及相应桩间距s”为群桩参数的最优值；
[0077]
当不满足时，近f端、中端和远f端调整后的桩顶水平位移分别压力uj’、uz’、uy’替换将初始水平位移分别压力uj、uz、uy循环执行步骤5.3，直至满足为止。
[0078]
本发明主要针对作承担大水平推力构筑物基础，尤其当基础面积较大时，其自身压缩不可忽略，以桩基位移限值控制为基础，通过调节各排桩基的直径、间距，达到调节群桩刚度的目的，从而充分发挥各桩的承载能力，使其充分受力，使群桩能够抵抗大水平推力。
[0079]
在实际应用中，根据现行设计规范确定的地基土水平向抗力系数的比例系数m是指根据地质勘察报告土层地质条件，或结合《建筑桩基技术规范(jgj94)》、《公路桥涵地基与基础设计规范(jtg 3363)》等规范，确定地基土水平向抗力系数的比例系数m的取值。
[0080]
单桩抗剪承载力[v]通常根据《混凝土结构规范(gb 50010)》计算获得。
[0081]
在某些实施例中，在步骤5.3中，近f端调整后的桩基直径d’所对应的桩间距s’和远f端调整后的桩基直径d”所对应的桩间距s”均在2.5d至5d之间。
[0082]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。