季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法及系统

技术领域

本发明公开了一种季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法及系统，属于桩基工程技术领域。

背景技术

埋置于季节冻土区的桩基常受到切向冻胀力的作用而产生冻拔变形，发生整体拔起或拔断的现象，从而大幅度的削弱了桩基的承载性能，因此现有技术通常在季节冻土区采用扩底式桩基减轻桩的冻拔变形。

在切向冻胀力的作用下，扩底式桩基会产生上拔趋势，因此在扩大头位置会产生锚固力。目前，关于切向冻胀力的研究较多，但切向冻胀力作用下扩底式桩基锚固力的研究和计算方法较少，因此难以对扩底式桩基的抗冻拔性能进行准确的评价，进而难以形成扩大头优化的准则。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法及系统，以解决现有技术中难以对扩底式桩基的抗冻拔性能进行准确评价的技术问题。

本发明的第一方面提供了一种季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法，包括：

获取冻结深度范围内扩底式桩基在每一冻结深度点处受到的切向冻胀力；

根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头锚固力；

根据所述锚固力和所述切向冻胀力，确定季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能。

优选地，根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头锚固力，具体包括：

根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头上表面所受的附加应力；

根据所述附加应力，确定所述扩大头锚固力。

优选地，根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头上表面所受的附加应力，具体包括：

获取每一冻结深度点处的切向冻胀力对所述扩大头上表面每一点的第一附加应力；

获取所述扩底式桩基在所述切向冻胀力下的第一位移和虚功作用下的第二位移；

根据所述第一位移和所述第二位移，确定所述扩大头上表面每一点的第二附加应力。

优选地，获取每一冻结深度点处的切向冻胀力对所述扩大头上表面每一点的第一附加应力，具体包括：

获取每一冻结深度点处的切向冻胀力对所述扩大头上表面每一点的单位附加法向应力；

根据所述单位附加法向应力确定所述扩大头上表面每一点的第一附加应力。

优选地，根据所述附加应力，确定所述扩大头锚固力，具体包括：

根据所述第一附加应力，确定所述扩大头整个上表面所产生的锚固力第一部分力；

根据所述第二附加应力，确定所述扩大头整个上表面所产生的锚固力第二部分力；

根据所述第一部分力和所述第二部分力的和，确定所述扩大头锚固力。

优选地，根据所述锚固力和所述切向冻胀力，确定季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能，具体包括：

获取所述锚固力与所述切向冻胀力的比值，将所述比值作为所述季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价因子。

优选地，获取每一冻结深度点处的切向冻胀力对所述扩大头上表面每一点的第一附加应力，具体包括：

根据第一公式确定所述第一附加应力，所述第一公式为：

式中，σ

优选地，根据所述切向冻胀力下的第一位移和所述虚功作用下的第二位移，确定所述扩大头上表面每一点的第二附加应力，具体包括：

根据第二公式确定所述第二附加应力，所述第二公式为：

式中，

优选地，根据所述第一部分力和所述第二部分力的和，确定所述扩大头锚固力，具体包括：

根据第三公式确定所述扩大头锚固力，所述第三公式为：

式中，Q为所述扩大头锚固力；σ

优选地，获取所述锚固力与所述切向冻胀力的比值，将所述比值作为所述季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价因子，具体包括：

根据第四公式确定所述抗冻拔性能评价因子，所述第四公式为：

式中，k为所述述抗冻拔性能评价因子；Q为所述扩大头锚固力；r

本发明的第二方面提供了一种季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价系统，包括冻胀力获取模块、锚固力获取模块和性能评价模块；

所述冻胀力获取模块用于获取冻结深度范围内，扩底式桩基在每一冻结深度点处受到的切向冻胀力；

所述锚固力获取模块用于根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头锚固力；

所述性能评价模块用于根据所述锚固力和所述切向冻胀力，确定季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能。

优选地，所述锚固力获取模块包括附加应力获取单元和锚固力确定单元；

所述附加应力获取单元用于根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头上表面所受的附加应力；

所述锚固力确定单元用于根据所述附加应力，确定所述扩大头锚固力。

本发明的季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法及系统，相较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明为了解决季节冻土区扩底式桩基抗冻拔性能难以评价，以及对扩大头部位难以优化等问题，结合Mindlin解和虚位移原理，提出了一种季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法及系统。利用本发明的方法，可以根据冻结深度确定不同尺寸扩大头处的锚固力，在保证桩基的承载性能的前提下优化扩大头尺寸，可达到降本增效的目的。

附图说明

图1为本发明实施例中季节冻土区扩底式桩基受力示意图；

图2为本发明实施例季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法的流程图；

图3为本发明实施例中理论与实测锚固力随冻结深度变化趋势对比图；

图4为本发明实施例中理论与实测桩基抗冻拔性能评价因子随冻结深度变化趋势对比图；

图5为本发明实施例季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价系统的结构示意图。

图中：1为地表；2为冻结层；3为未冻层；4为冻结锋面；5为等截面桩身；6为扩大头；7为切向冻胀力；8为切向冻胀力沿冻结深度大小分布规律；9为摩阻力；10为锚固力；11为冻胀力获取模块；12为锚固力获取模块；13为性能评价模块。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

如图1所示，寒季随着气温降低，地表1的土层开始发生冻结，形成冻结层2和未冻层3。其中冻结层2和未冻层3的过渡面为冻结锋面4，冻结锋面4受气温的影响向下逐渐移动。

季节冻土层内扩底式桩基由等截面桩身5和扩大头6组成。随着冻结锋面4的下移及冻结层2内土体的冻胀作用，在冻结层2内等截面桩身5上作用平行于等截面桩身5向上的切向冻胀力7。切向冻胀力沿冻结深度(冻结锋面4距离地表1的距离)的大小分布规律为8，在切向冻胀力7的作用下，桩基产生向上变形的趋势，因此在未冻层3内等截面桩身5作用有平行于等截面桩身5向下的摩阻力9，以及垂直作用于扩大头6上的锚固力10。

基于上述桩基的受力分析，本发明的第一方面提供了一种季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法，如图2所示，包括：

步骤1、获取冻结深度范围内扩底式桩基在每一冻结深度点处受到的切向冻胀力。

本发明实施例中，切向冻胀力沿冻结深度大小分布规律8呈抛物线型分布，假定切向冻胀力7的最大值在一半冻结深度处，地表1和冻结锋面4处切向冻胀力7大小为0，切向冻胀力分布规律8的表达式为：

式中：τ

查阅相关规范，引入切向冻胀力的标准取值τ

τ＝2πr

式中：r

根据切向冻胀力7的合力相等原则，可得：

又可写成：

τ

将式(4)带入式(1)，可得：

根据上述公式(5)即可获得冻结深度范围内，扩底式桩基在每一冻结深度点处受到的切向冻胀力τ

步骤2、根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头上的锚固力，具体包括：

步骤2.1、根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头上表面所受的附加应力，具体包括：

步骤2.1.1、获取每一冻结深度点处的切向冻胀力对扩大头上表面每一点的第一附加应力；

本发明实施例在不考虑扩大头时，切向冻胀力7作用下扩大头上表面每一点处的第一附加应力由Mindlin公式给出，具体如公式(6)：

式中，σ

在切向冻胀力7的作用下，扩大头6有向上位移的趋势，此时考虑扩大头6对其上部土层的挤压作用，此时作用在扩大头6上表面的附加应力可根据虚功原理确定，具体如下：

步骤2.1.2、获取扩底式桩基在切向冻胀力下的第一位移

步骤2.1.3、根据切向冻胀力作用下的第一位移

式中，

步骤2.2、根据附加应力，确定扩大头处的锚固力，具体包括：

步骤2.2.1、根据第一附加应力，确定扩大头整个上表面所产生的锚固力第一部分力

步骤2.2.2、根据第二附加应力，确定扩大头整个上表面所产生的锚固力第二部分力

步骤2.2.3、根据第一部分力和第二部分力的和，确定扩大头锚固力，如公式(8)：

式中，Q为扩大头锚固力；σ

步骤3、根据锚固力和切向冻胀力，确定季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能，具体包括：

获取锚固力与切向冻胀力的比值，将比值作为季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价因子，具体如公式(9)：

式中，k为述抗冻拔性能评价因子；Q为扩大头锚固力；r

上述计算方法不仅仅针对等截面桩身和扩大头横截面为圆形的桩，还可应用于截面为其他形状的桩，例如截面为方形的桩，但对应的公式需稍作改动，仍在本发明的保护范围内。

另外，上述计算方法不仅针对扩大头表面为平整的桩，还可适用于斜面的桩，例如扩大头形状如圆锥台状，仍在本发明的保护范围之内。

下面将以更为具体的实施例详述上述方法。

某文献内试验采用一根独立扩底式桩基，桩身截面长×宽为10×10cm，底板长×宽为50×50cm，试验土层80cm，为粉质黏土，最大冻结深度为80cm。

通过本发明方法得到的理论与实测锚固力随冻结深度变化趋势对比图如图3所示，理论与实测桩基抗冻拔性能评价因子随冻结深度变化趋势对比图如图4所示。从图3和图4中可以看出，本发明理论计算得到的锚固力和抗冻拔性能评价因子大小与试验实测得到的数据差别很小，且沿冻结深度的变化规律基本一致。因此，本发明的方法可以较为准确的反应实际情况。

本发明的第二方面提供了一种季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价系统，如图5所示，包括冻胀力获取模块11、锚固力获取模块12和性能评价模块13；

其中冻胀力获取模块11用于获取冻结深度范围内，扩底式桩基在每一冻结深度点处受到的切向冻胀力；

锚固力获取模块12用于根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头锚固力；

性能评价模块13用于根据锚固力和切向冻胀力，确定季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能。

其中，锚固力获取模块包括附加应力获取单元和锚固力确定单元；

附加应力获取单元用于根据每一冻结深度点处受到的切向冻胀力，确定扩底式桩基扩大头上表面所受的附加应力；

锚固力确定单元用于根据所述附加应力，确定所述扩大头锚固力。

本发明为了解决季节冻土区扩底式桩基抗冻拔性能难以评价，以及对扩大头部位难以优化等问题，结合Mindlin解和虚位移原理，提出了一种季节冻土区扩底式桩基的抗冻拔性能评价方法及系统。利用本发明的方法，可以根据冻结深度确定不同尺寸扩大头处的锚固力，在保证桩基的承载性能的前提下优化扩大头尺寸，可达到降本增效的目的。

本发明的方法及系统，可以计算得到不同埋深、不同土质、不同扩大头形状的锚固力和评价因子，因此可实现不同冻结深度下扩底式桩基锚固性能的动态反馈，可实现季节冻土区扩底式桩基抗冻拔优化设计。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。