[发明专利]桩土相互作用及桩端土本构模型和模型参数确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程和基础工程技术领域，具体的说是桩土相互作用及桩端土本构模型和模型参数确定方法，特别涉及基桩分析和设计，本发明实现了基桩力和变形全过程传递分析，对石灰桩、喷粉桩、旋喷桩、混凝土桩、钢桩、空心桩等设计与施工具有指导作用，应用范围广泛。

背景技术

随着建设的高度发展，基桩得到了广泛的应用，各种桩型应运而生，但是，迄今为止，描述桩土相互作用的力学模型大多数采用的是理想弹塑性模型或者分段线性化的软化模型，这些模型难以描述连续软化的力学特征。

发明内容

本发明的目的主要是为了解决桩土相互作用软化特性难以描述的难题，提出一种桩土相互作用及桩端土本构模型和模型参数确定方法，并指出了桩顶P～S关系曲线与岩土体力学特性的相互关系，从力学原理出发，指明了沿桩身可以划分为破坏区、临界状态区、欠稳定区和稳定区，提出了本发明模型及其参数的计算方法，对基桩计算提出了力法与位移法。

本发明的内容包括如下五个方面：

1：沿着桩身周边从上到下可以划分为：稳定区(弹性区)、欠稳定区(弹塑性区)和破坏区(破坏后区)；随着桩顶荷载的增加，破坏区、峰值应力区、欠稳定区和稳定区逐渐向桩端移动；

2：桩顶P～S曲线呈现出四种特征：在某一荷载(Pl)作用下，在桩身完整条件下，如桩端岩土体Ⅰ型应力～应变特征，桩顶P～S呈Ⅰp型曲线特征；如桩端岩土体遵循Ⅲ型应力～应变特征，桩顶P～S呈Ⅱp型曲线特征；如沿桩身断裂时，在桩身深部断裂，则P～S曲线呈Ⅲ_p,2的曲线特征，沿桩身浅部断裂，则P～S曲线呈Ⅲ_p,1的曲线特征；

3：桩土相互作用及桩端土本构模型，该模型可以连续描述破坏后区材料行为特征；

4：模型参数决定方法；

5：基桩的力和位移计算法。

一、具体地，本发明提出的桩土相互作用机理为：在各向均质地质材料中，基桩在某一桩顶荷载的作用下，桩身及与其接触土体之间发生变形，沿着桩身：上部剪切力与位移之间处于破坏后区、中部处于峰值应力区(该区域为一条曲线(即为桩的横断面曲线：如圆、四边形等))、下部局部处于比例极限应力与峰值应力之间区和局部处于比例极限应力区(如图1中，桩土相互作用遵循图1(a)的规律，桩端土应力～应变遵循图1(d)的基本规律，桩身应力～应变遵循图1(e)基本规律，桩顶P～S关系曲线遵循图1(b)的关系曲线，其中a1～a4破坏后区，a4为临界极限状态区，a4～a7为比例极限和峰值应力之间区，a7～a8比例极限应力区)，亦即沿着桩身周边可以划分为：稳定区(弹性区)、欠稳定区(弹塑性区)和破坏区(破坏后区)；随着桩顶荷载的增加，破坏区、峰值应力区、欠稳定区和稳定区逐渐向桩端移动；对于非均质地质材料，其区域的划分更加复杂，但划分的原理一致(见图2，桩土相互作用遵循图2(a,b,c)的规律，桩端土应力～应变遵循图2(f)的基本规律，桩身应力～应变遵循图2(g)基本规律，桩顶P～S关系曲线遵循图2(d)的关系曲线，其中：a1～a8破坏后区，a8为临界极限状态区，a8～a10为欠稳定区，a10～a11为稳定区，但是：如地质材料特性相差较大，在弹性区可能存在破坏区等)。在某一荷载(Pl)作用下，桩顶产生的位移(Sl)是桩身位移(Δ_p)和桩端位移(Δ_d)之和，桩顶的P～S关系曲线将遵循图(b)(见图1)或图(d)(见图2)的规律。在桩身完整条件下，如桩端岩土体遵循图1中(d)或图2中(f)Ⅰ型应力～应变特征，桩顶P～S呈Ⅰp型曲线特征；如桩端岩土体遵循图1中(d)或图2中(f)Ⅲ型应力～应变特征，桩顶P～S呈Ⅱp型曲线特征；在沿桩身断裂时，如沿桩身深部断裂，则P～S曲线呈Ⅲ_p,2的曲线特征，如沿桩身浅部断裂，则P～S曲线呈Ⅲ_p,1的曲线特征。

二、桩土相互作用及桩端土本构模型为：

τ＝Gγ[1+γ^m/S]^ρ，T＝GΛ[1+Λ^m/S]^ρ(1)

式中，τ,γ,T,Λ分别为剪应力和应变或压力和位移，G为剪切或弹性模量，S、m、ρ为在不同法向应力下的常系数，τ、G的单位为MPa或kPa或Pa，T的单位为kN，G的单位为kN/m或kN/cm或kN/mm，S、m、ρ为无量纲参数或S为m^m或cm^m或mm^m，且-1＜ρ≤0和1+mρ≠0；