[发明专利]附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的水平变形计算方法

说明书

本发明公开了一种附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的水平变形计算方法，包括：1将附加多层有限刚度梁的新型桩基基础分为柔性桩和刚性桩；2将桩周所受到的横向土反力，用离散的线性弹簧代替；3将柔性桩和刚性桩离散化为无有限刚度梁段节点和含有限刚度梁段节点；4在水平荷载、弯矩作用下，对柔性桩和刚性桩建立无有限刚度梁时桩基础的位移方程；5以m法为例，采用级数法求解位移方程；6对有限刚度梁进行受力分析，并将有限刚度梁所受的反力叠加到柔性桩和刚性桩中含有限刚度梁段节点，并根据边界条件重新求解位移方程。本发明能为桩基工程中通用计算理论，具有较强的工程适用性。

技术领域

本发明属于桩基基础结构领域，尤其涉及一种附加有限刚度梁的新型桩基基础的水平变形的理论计算方法，主要在于应用桩基基础的工程领域，包括桥梁工程、建筑工程及水利工程等。

背景技术

近年来我国统筹推进交通强国战略，构建以高铁、公路、长江水道为主的多层次综合交通网络，促进了跨江跨海大桥工程快速建设。大跨度桥梁多处于江河漫滩地区，覆盖层深厚，在重载荷下传统桩基础的承载效能随着桩长增加会大幅度降低，并且大跨度桥梁重荷载导致基础材料用量巨大，如马鞍山公铁大桥仅主桥上部荷载达120万吨，下部基础材料耗费60万吨，交通发展与资源节约矛盾激化已成为可持续发展的瓶颈。

传统桩基难以充分发挥桩-土共同作用，材料利用率低，不符合资源节约、环境友好型社会发展的需求。在重荷载条件下，传统的桩基不仅耗费大量的资源，甚至无法实施。为了节约资源，亟待开展大型桥梁新型基础形式。

一种附加有限刚度梁的新型桩基基础是一种新型桩基结构型式，新型桩基基础的竖向承载力计算式桩基础设计的关键。基于仿生学原理，它是在传统桩基结构上横向“嫁接”预制钢筋混凝土有限刚度梁，有限刚度梁可将荷载有效的传递到土体，由此提高基础的稳定性和承载力。这种附加有限刚度梁的新型桩基基础形式分为附加有限刚度梁的桩基基础、附加有限刚度梁的管桩基础和附加有限刚度梁的沉井基础。桩基施工时，在预制的钢筋笼上预留孔洞，钢筋笼下放后使用专门的设备将预制好的有限刚度梁顶入土体中，最后浇筑桩身混凝土，完成桩基基础的施工。

关于传统桩基水平承载力的计算方法已经趋于成熟，但附加有限刚度梁的桩基基础作为一种新型基础结构型式，目前尚未形成完善的水平变形理论计算方法。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的水平变形理论计算方法，以期通过建立组合荷载下附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的力学模型，有助于分析附加有限刚度梁的新型桩基基础的变形规律，从而能提高该新型桩基基础的理论应用水平，进而为桩基基础水平变形提供理论基础。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的水平变形计算方法的特点在于，包括以下步骤：

步骤1、将附加多层有限刚度梁的新型桩基基础分为柔性桩和刚性桩；

步骤2、利用温克尔地基梁理论，并将桩身横向所受的土反力用离散的线性弹簧代替，从而建立附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的力学模型；

步骤3、将新型桩基基础离散化为若干个桩身节点，并将节点分为含有限刚度梁的节点和不含有限刚度梁的节点；

步骤4、在水平荷载和弯矩作用下，利用式(1)建立附加多层有限刚度梁的新型桩基基础的位移方程；

式(1)中，EI表示桩身刚度，y表示桩身水平位移，x表示桩身深度，B表示桩基础的计算宽度，p(·)表示地基反力式，且p(x,y)＝k(x)y^s，k(·)为地基系数，s为待定系数；

步骤4.1、对式(1)进行简化，得到式(2)：