[发明专利]一种预测干砂中单桩受水平循环荷载沉降的方法

说明书

本发明公开了一种预测干砂中单桩受水平循环荷载沉降的方法，是基于MATLAB计算干砂中水平循环荷载作用下桩沉降值，主要包括：建立桩体沉降运动的理论模型；确定上述理论模型的基本参数，并输入至MATLAB中；使用MATLAB计算截止到增量步结束时的桩体总沉降值，包括计算桩侧正应力、计算桩侧的不平衡力和竖向剪切刚度、计算桩体沉降和分配桩侧表面不平衡力，到总的桩侧不平衡力等于零为止，此时所得的桩体沉降即为桩体此时的总沉降；直到运动周期达到指定次数并输出最终沉降值。本发明实现了干砂中水平循环荷载作用下桩的沉降自动化计算，为解决相似工况的工程问题和相关领域的科研问题提供了有效的计算工具。

技术领域

本发明涉及一种基础设施建设中桩体的受力分析方法，尤其涉及一种预测干砂中单桩受水平循环荷载沉降的方法。

背景技术

桩基础广泛用于各种基础设施的建设，例如高架桥、高层建筑和海上结构。桩作为支撑上部结构的基本构件，在其服役期间不可避免地要承受水平循环载荷(例如，作用在高架桥上的车辆启动和制动力、作用在高层建筑上的地震力、作用在海上的风或波浪载荷)。尽管针对水平荷载作用下桩变形及承载力等行为的研究已有大量文献记载，并且相关行业标准也较为完备，但大多数文献和行业标准都集中在水平荷载作用下桩的水平响应(变形和承载力)，而针对桩基在水平循环荷载作用下竖向沉降现象的研究很少。

关于桩在水平循环荷载作用下的沉降现象，一种主流观点认为，土体的震动失效导致桩身下沉。最典型的情况是土壤液化，其被认为是地震期间桩过度沉降的原因，然而这一观点与1985年墨西哥地震的调查结果并不相符。另一个典型的反例是在粘土中打桩的建筑物也会因循环水平荷载作用而表现出明显的沉降，但粘土是一种典型的非液化土壤。因此，土壤液化导致土体强度降低并不是桩在水平循环荷载作用下产生沉降的合理解释。

更为合理的观点认为桩在循环水平荷载作用下产生沉降现象的主要原因是桩土界面的作用力在地震载荷下会降低。桩的受力平衡被破坏，从而导致了桩基的沉降。然而，目前关于水平循环荷载作用下桩的沉降研究较少，相关计算理论相对匮乏，在解决相似工况的工程问题和相关领域的科研问题时缺少有效的计算方法。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种预测干砂中单桩受水平循环荷载沉降的方法，主要是基于MATLAB计算干砂中水平循环荷载作用下桩沉降值，包括：建立桩体沉降运动的理论模型；确定上述理论模型的基本参数，并输入至MATLAB中；使用MATLAB计算截止到增量步结束时的桩体总沉降值，直到运动周期达到指定次数并输出最终沉降值。

进一步讲，本发明所述的预测干砂中单桩受水平循环荷载沉降的方法，其中：

所述的桩体沉降运动的理论模型如下：桩在水平循环荷载作用下呈周期性运动，总的运动周期数为N；将桩体的运动过程分解为多个小幅度移动，每个小幅度移动称为一个增量步且每个增量步的水平移动距离为da；通过荷载传递法描述桩侧表面和土体间应力和位移关系，将桩侧表面沿竖向和圆周方向划分为多个单元，桩体竖向单元数量为N_z，圆周方向单元数量为N_c；分别设置i,j,p,o四个下标参数用于表示各单元面和桩的运动过程，其中i和j分别表示桩侧单元面沿周向和竖向的编号，p表示运动方向，o表示桩体所处位置。

所述理论模型的基本参数包括：桩的相关参数和砂土相关参数，其中：桩的相关参数包括：桩的埋深L，桩的直径D，桩顶竖向荷载F_v，水平循环荷载位移幅值a及水平循环荷载偏心距e_L，初始桩端阻力与总荷载的比值R_ini；砂土的相关参数包括：土体重度γ，内摩擦角泊松比υ，弹性模量计算参数m，桩土间摩擦系数μ。

使用MATLAB计算截止到增量步结束时的桩体总沉降值包括：1)计算桩侧正应力；2)计算桩侧的不平衡力和竖向剪切刚度；3)计算桩体沉降；4)分配桩侧表面不平衡力；重复上述过程，直到总的桩侧不平衡力等于零为止，此时所得的桩体沉降即为桩体截止到该增量步结束时的总沉降。