[发明专利]一种倒阶梯形变截面单桩竖向承载性状分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，更具体涉及一种倒阶梯形变截面单桩竖向承载性状分析方法。

技术背景

随着桩基础在实际工程中的应用越来越多，桩基础的变形问题、承载力问题以及工程造价也逐渐成为建筑领域中非常令人关注的问题。在这种背景下，众多的学者和工程技术人员对桩基础的研究与应用进行了不断地探索与创新，许多新桩型也不断涌现出来，变截面桩就是其中一种。变截面桩在减小沉降、增加桩基安全性、降低基础工程造价等方面都取得了较为显著的社会效益和经济效益，但日前关于变截面桩的理论研究成果还相对较少。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供一种倒阶梯形变截面单桩竖向承载性状分析方法，该分析方法是一种科学的、精确度高的分析方法。

具体是，一种倒阶梯形变截面单桩竖向承载性状分析方法，此分析方法为根据桩体、桩体周围土体随负荷逐渐增大得到的不同桩尖沉降量，计算出桩体不同临界位置在土体支承力在桩体侧摩阻力的变化大小，求得在不同负荷状态下桩体—土体系的内力和变形的临界状态。

优选的，该分析方法按照如下分析步骤进行，

步骤一，根据不同桩顶荷载P0的大小计算出桩尖沉降Δh；

步骤二，增大荷载，上段桩体桩周土壤剪力呈梯形分布，连续求出桩顶周围土体侧摩阻力，计算出桩—土体系的内力和变形达到第一临界状态，此时桩顶周围土体达到侧摩阻力最大；

步骤三，继续增大负荷，上段桩体的桩-土表层产生相对滑移，连续求出上段桩体桩周表层以下土体侧摩阻力，根据计算出的土体侧摩阻力，计算出桩—土体系的内力和变形达到第二临界状态，此时上段桩体桩周土体侧摩阻力最大，

步骤四，再次增大负荷，下段桩体桩—土间相对滑移增大，连续求出变截面处端承力，根据变截面处端承力推算出下段桩体桩周土体的侧摩阻力，计算出桩—土体系的内力和变形达到第三临界状态，此时变截面处端承力逐渐增大且桩侧摩阻力达到最大值；

步骤五，荷载进一步增大，连续求出变截面以下土体侧摩阻力，当下段桩体桩周土体超过步骤四的临界值，出现桩尖端承力，计算出桩—土体系的内力和变形达到第四临界状态，此时桩体达到承载力最大。

优选的，步骤一至步骤五满足如下计算方程，

根据桩身所受轴压力，假设在桩顶处为P₀，在上段桩身任意深度y处轴力P_y1为：

式中：τ₁、τ_h1分别为上段桩体压缩和桩尖沉降引起的上段桩体桩周土壤剪应力；

由于T₁＝U₁τ₁l₁、T_h1＝U₁τ_h1l₁，因而上段桩身压缩变形Δ₁为：

当下段桩体桩顶荷载P₁为：

P₁＝P₀-T₁-T_h1-R₁(3)

下段桩体任意深度y以上桩周承受的剪力T_y2为：

式中：τ₂、τ_h2分别为下段桩体压缩和桩尖沉降引起的下段桩体桩周土壤剪应力；

由T_h2＝U₂τ_h2l₂，得下段桩身压缩变形Δ₂为：

因为P₀＝Τ₁+Τ₂+Τ_h1+Τ_h2+R₁+R₂，所以

上、下段桩体桩周土壤极限剪切应力分别为：[τ]₁＝τ₁+τ_h1、[τ]₂＝τ₂+τ_h2，其中[τ]₁、[τ]₂可采用实测数据或查规范；

假设桩体变截面以下桩身侧阻力以θ角扩散至桩尖，形成一个面积为A_h的圆面受力区，上部桩身轴压力在此圆面内均匀分布；θ角为桩体范围内地基压力扩散角；