一种复合地基加固区沉降的确定方法、装置、存

作者：张馨予

一种复合地基加固区沉降的确定方法、装置、存储介质

1.本发明涉及一种复合地基加固区沉降的确定方法、装置、存储介质，属于岩土工程复合地基技术领域。

背景技术：

2.复合地基沉降计算分为加固区沉降和下卧层沉降，诸多试验和工程显示，采用传统的分层总和法在计算下卧层沉降时较为准确，但在计算加固区沉降时存在较大的误差，因此有必要对加固区沉降计算方法进行探讨。
3.目前加固区沉降计算主要采用分层总和法，也即将桩和桩间土土等效为均质复合体，而后采用传统半无限空间体传力机制处理。现有方法主要围绕桩土复合体的模量展开研究，提出了大量的桩土复合体复合模量的计算方法，但始终未逃脱将复合地基加固区处理为均质复合体的局限性。
4.复合地基工作原理为桩土共同作用，桩土作用的显著特点为相互作用，伴随着桩土相互作用的摩擦力，加固区应力将在桩和桩间土之间相互传递，因此加固区的应力状态并不同于等效均质复合体的荷载传递方式，相应的，加固区沉降也不同于等效均质复合体的沉降，这也是目前采用等效均质复合体计算加固区沉降存在较大误差的主要原因。
5.可见，亟需一种复合地基加固区沉降的确定方法，用于解决上述提到的分层总和法计算加固区沉降误差较大的问题。

技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种复合地基加固区沉降的确定方法、装置、存储介质，可以通过等沉面位于加固区顶面时目标桩各处的应力值来确定桩的压缩量，以此确定加固区沉降，解决了分层总和法计算加固区沉降误差较大的问题。
7.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
8.第一方面，本发明提供了一种复合地基加固区沉降的确定方法，所述方法包括，
9.采集加固区中桩及各层桩间土的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标至少包括各层桩间土的承载力、各层桩间土的厚度、桩的弹性模量。
10.根据加固区中各层桩间土的承载力及各层桩间土的厚度计算桩间土承载力平均值。
11.计算基底压力作用下，加固区底面处的附加应力。
12.令桩间土底面应力等于桩间土承载力平均值、桩间土顶面应力等于0，计算褥垫层厚度为0时桩顶应力和桩底应力，并令等沉面处桩身应力等于桩顶应力。
13.根据桩顶应力、桩底应力、等沉面处桩身应力计算桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积。
14.根据预确定的桩的受力与变形之间的关系，利用闭合区间的面积、桩的弹性模量计算桩的压缩量，所述桩的压缩量即为加固区沉降值。
15.结合第一方面，进一步的，所述桩间土承载力平均值通过下式计算获取，
[0016][0017]
式中，f
spk
为桩间土承载力的平均值；f
spki
为第i层桩间土的承载力；li为第i层桩间土的厚度；l为桩间土总厚度，其大小也等于桩长。
[0018]
结合第一方面，进一步的，所述附加应力的确定方法包括，
[0019]
令加固区底面处附加应力等于桩底应力和桩间土底面应力总和，采用boussinesq解求解加固区底面处的附加应力。
[0020]
结合第一方面，进一步的，所述桩顶应力和桩底应力分别由公式(2)和公式(3)计算获取：
[0021]
mσ
p1
+(1-m)σ
s1
＝σ(2)
[0022]
mσ
p2
+(1-m)σ
s2
＝σ
′
(3)
[0023]
式中：m为桩土面积置换率；σ
p1
为桩顶应力；σ
s1
为桩间土顶面应力；σ为基底压力；σ
p2
为桩底应力；σ
s2
为桩间土底面应力；σ
′
为boussinesq解求解的加固区底面处的附加应力。
[0024]
结合第一方面，进一步的，所述桩身应力随深度变化的曲线的建立方法包括：
[0025]
以深度为x轴，桩身应力为y轴，等沉面与桩身应力的交点为原点构建坐标系；
[0026]
假设桩身应力随深度变化的曲线为抛物线，构建如公式(4)所示的抛物线方程：
[0027]
y＝ax2+bx+c(4)
[0028]
式(4)满足以下条件
[0029]
x＝0，y＝0；x＝-l1，y＝σ
p1
；x＝l2，y＝σ
p2
(5)
[0030]
得到
[0031][0032]
式中：σ
p1
为桩顶应力；σ
p2
为桩底应力；l1为等沉面至桩顶的长度；l2为等沉面至桩底的长度。
[0033]
结合第一方面，进一步的，桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积采用公式(7)计算获取：
[0034][0035]
其中，a
p
为桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积；σ
p0
为等沉面处桩身应力；l为桩长。
[0036]
结合第一方面，进一步的，所述桩的压缩量采用公式(8)计算获取：
[0037][0038]
式中，e
p
为桩的弹性模量；σ
p
为桩身应力。
[0039]
第二方面，本发明提供了一种复合地基加固区沉降的确定装置，包括，
[0040]
采集模块：用于采集加固区中桩及各层桩间土的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标至少包括各层桩间土的承载力、各层桩间土的厚度、桩的弹性模量。
[0041]
第一计算模块：用于根据加固区中各层桩间土的承载力及各层桩间土的厚度计算桩间土承载力平均值。
[0042]
第二计算模块：用于计算基底压力作用下，加固区底面处的附加应力。
[0043]
第三计算模块：用于令桩间土底面应力等于桩间土承载力平均值、桩间土顶面应力等于0，计算褥垫层厚度为0时桩顶应力和桩底应力，并令等沉面处桩身应力等于桩顶应力。
[0044]
第四计算模块：用于根据桩顶应力、桩底应力、等沉面处桩身应力计算桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积。
[0045]
第五计算模块：用于根据预确定的桩的受力与变形之间的关系，利用闭合区间的面积、桩的弹性模量计算桩的压缩量，所述桩的压缩量即为加固区沉降值。
[0046]
第三方面，本发明提供一种复合地基加固区沉降的确定装置，包括处理器及存储介质。
[0047]
所述存储介质用于存储指令。
[0048]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述的方法的步骤。
[0049]
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0050]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：根据所采集的各项物理力学性质指标，确定桩间土承载力的平均值以及附加应力；根据所确定的平均值以及附加应力来确定褥垫层厚度为0时目标桩各处的应力值，以此来确定桩的压缩量，所得桩的压缩量即为加固区的沉降值；使得加固区的沉降值可通过桩身的沉降来确定，不再依赖于将桩和桩间土土等效为均质复合体，解决了分层总和法计算加固区沉降误差较大的问题。
附图说明
[0051]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0052]
图1是本发明实施例一提供的一种复合地基加固区沉降的确定方法的流程图；
[0053]
图2是本发明实施例二提供的一种复合地基加固区沉降的确定装置的结构原理框图；
[0054]
图3是本发明实施例一中桩身应力随深度变化的示意图；
[0055]
图4是本发明实施例一中桩间土中应力随深度变化的示意图。
具体实施方式
[0056]
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0057]
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文
中字符"http://www.xjishu.com/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0058]
实施例一：
[0059]
如图1所示，是本发明实施例提供的一种复合地基加固区沉降的确定方法的流程图，本流程图仅仅示出了本实施例所述方法的逻辑顺序，在互不冲突的前提下，在本发明其它可能的实施例中，可以以不同于图1所示的顺序完成所示出或描述的步骤。参见图1，本实施的方法具体包括如下步骤：
[0060]
步骤a：采集加固区中桩及各层桩间土的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标至少包括各层桩间土的承载力、各层桩间土的厚度、桩的弹性模量。
[0061]
步骤b：根据加固区中各层桩间土的承载力及各层桩间土的厚度计算桩间土承载力平均值。
[0062]
步骤c：计算基底压力作用下，加固区底面处的附加应力。
[0063]
步骤d：令桩间土底面应力等于桩间土承载力平均值、桩间土顶面应力等于0，计算褥垫层厚度为0时桩顶应力和桩底应力，并令等沉面处桩身应力等于桩顶应力。
[0064]
步骤e：根据桩顶应力、桩底应力、等沉面处桩身应力计算桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积。
[0065]
步骤f：根据预确定的桩的受力与变形之间的关系，利用闭合区间的面积、桩的弹性模量计算桩的压缩量，所述桩的压缩量即为加固区沉降值。
[0066]
需要说明的是，在步骤a中，采集加固区桩及各层桩间土的物理力学性质指标时，需要采集的桩的物理力学性质指标还包括桩长、桩径和桩间距，基于桩长、桩径和桩间距，可以计算桩土面积的置换率m。
[0067]
在本发明实施例中，可选取水泥粉煤灰碎石桩(简称cfg桩)作为目标桩，可选择下表中的土层5-1为持力层，同时，各物理力学性质指标可以选择下表中的数据。
[0068]
表1加固区处目标桩的物理力学性质指标
[0069][0070]
其中，可以选择的场地长度为72m，宽度为45m，要求处理后地基承载力特征值达到150kpa(此值即为基底压力值)，地基的允许沉降为200mm，桩长l为20.7m，桩径r为0.5m，桩的弹性模量ep为900mpa，采用正方形布桩，桩间距d为2.6m。
[0071]
当采用正方形布桩时，复合地基桩的面积置换率式中，a1为桩的横截面积，a为桩的处理面积，r为桩径，d为桩间距。
[0072]
但不限于正方形布桩，还可采用等边三角形桩。
[0073]
当采用等边三角形桩时，复合地基桩的面积置换率式中，a1为桩的横截面积，a为桩的处理面积，r为桩径，d为桩间距。
[0074]
步骤ba：在采集完各层桩间土的承载力、各层桩间土的厚度等信息后，即可进行桩间土承载力平均值的计算，由于存在多个土层，桩间土承载力平均值可按照厚度加权的方式来求解，即所述桩间土承载力平均值通过下式计算获取，
[0075][0076]
式中，f
spk
为桩间土承载力的平均值；f
spki
为第i层桩间土的承载力；li为第i层桩间土的厚度；l为桩间土总厚度，其大小也等于桩长。
[0077]
由表1可知，桩长l为20.7m时，土层5-1为持力层，土层1-土层4为桩侧土，土层1-土层4对应的承载力特征值分别为72kpa、80kpa、40kpa、130kpa，其对应的土层厚度分别为1m、1.1m、17.4m、1.2m，由式(1)可得到加固区范围内桩间土承载力的平均值
[0078]
步骤ca：由于桩底应力和桩间土底面应力的总和为附加应力的取值，复合地基下卧层的沉降采用分层总和法计算时比较准确，因此，加固区底面处的桩和桩间土应力的总和可由boussinesq解求解，基于此，所述附加应力的确定方法包括，
[0079]
令加固区底面处的附加应力等于桩底应力和桩间土底面应力总和，采用boussinesq解求解加固区底面处的附加应力。
[0080]
根据表1提供的以及所采集的数据，可知基础长宽比为72/45＝1.6，对于加固区底面桩长深度的位置处，深度与1/2基础宽度的比值为20.7/22.5＝0.92，根据boussinesq解，可求得加固区底面位置处的附加应力系数为0.203，则基底压力σ为150kpa时，加固区底面20.7m深度处附加应力σ
′
＝150*4*0.203＝122kpa。
[0081]
步骤da：根据复合地基的受力平衡可知，桩顶应力σ
p1
和桩间土顶面应力σ
s1
应满足式(2)，桩底应力σ
p2
和桩间土地面应力σ
s2
应满足式(3)，基于此，所述桩顶应力和桩底应力分别由公式(2)和公式(3)计算获取：
[0082]
mσ
p1
+(1-m)σ
s1
＝σ(2)
[0083]
mσ
p2
+(1-m)σ
s2
＝σ
′
(3)
[0084]
式中：m为桩土面积置换率；σ
p1
为桩顶应力；σ
s1
为桩间土顶面应力；σ为基底压力；σ
p2
为桩底应力；σ
s2
为桩间土底面应力；σ
′
为boussinesq解求解的加固区底面处的附加应力。
[0085]
当褥垫层厚度为0时，可认为基底压力全部由桩承受，桩间土顶面应力为0，也即σ
s1
为0，随着深度的增加，在桩身向下摩擦力的作用下，加固区中桩间土中的应力不断增大，可
将桩间土的承载力的平均值作为桩间土底面应力的取值，即桩间土底面应力σ
s2
＝fspk；同时，在褥垫层为0时，等沉面位于加固区顶面，因此，等沉面处桩间土的应力值为0，即桩间土顶面应力σ
s0
＝0。
[0086]
将上述条件σ
s1
和σ
s2
分别代入式(2)和(3)中，可求得褥垫层为0时，桩顶应力值σ
p1
＝5172kpa，桩底的应力值σ
p2
＝2570kpa。同时，由于褥垫层为0，等沉面位于加固区顶面，等沉面处桩身应力可取桩顶应力的确定值，因此，等沉面处桩身应力σ
p0
＝σ
p1
＝5172kpa。
[0087]
步骤ea：传统的分层总和法是假设应力依赖于压缩变形进行传递，采用这种方法时，计算桩身变形是合适的，但在计算桩间土的变形时，容易出现误差较大的情况。因此对于加固区沉降的计算，宜通过计算桩身沉降的方式进行确定。桩身沉降计算的前提是搞清桩身应力的分布情况，以下是关于桩身应力的确定方法。
[0088]
桩身侧摩擦力的大小与桩土相对位移相关，等沉面以上，桩土相对位移从桩间土顶至等沉面处逐渐减小，在等沉面以下，桩土相对位移从等沉面至加固区底面处逐渐增大。当相对位移的变化为线性时，等沉面以上和以下的桩身摩擦力为线性分布。取任一桩身断面，根据平衡条件可知，桩身应力的变化为抛物线，因此可得出如下的桩身应力随深度变化的规律，如图3所示，根据力的相互作用原理，可得到桩间土中应力随深度变化的规律，如图4所示。
[0089]
等沉面以上和以下桩身应力随深度变化的曲线均为抛物线，考虑到应力的连续性变化，等沉面以上和以下的抛物线在等沉面处切线重合，且切线方向为垂直向下。因此桩身应力分布为一完整的抛物线。基于此，所述桩身应力随深度变化的曲线的建立方法包括：
[0090]
以深度为x轴，桩身应力为y轴，等沉面与桩身应力的交点为原点构建坐标系；
[0091]
假设桩身应力随深度变化的曲线为抛物线，构建如公式(4)所示的抛物线方程：
[0092]
y＝ax2+bx+c(4)
[0093]
式(4)满足以下条件
[0094]
x＝0，y＝0；x＝-l1，y＝σ
p1
；x＝l2，y＝σ
p2
(5)
[0095]
得到
[0096][0097]
式中：σ
p1
为桩顶应力；σ
p2
为桩底应力；l1为等沉面至桩顶的长度；l2为等沉面至桩底的长度。
[0098]
步骤eb：根据步骤ea中所得a与b的值，可知，桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积采用公式(7)计算获取：
[0099][0100]
其中，a
p
为桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积；σ
p0
为等沉面处桩身应力；l为桩长。
[0101]
将上述各步骤中得到的各项参数与应力值代入式(7)，可得到桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积a
p
＝89107kpa
·
m。
[0102]
同样的方法可得到，桩间土中应力随深度变化的曲线的面积as为
[0103][0104]
式中：σ
s1
为桩间土顶面应力；σ
s2
为桩间土底面应力；σ
s0
为等沉面处桩间土应力。
[0105]
将上述步骤da中得到的各项参数与应力值代入上式，可得到桩间土应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积as＝336.72kpa
·
m。
[0106]
步骤fa：根据桩的受力与变形之间的关系，所述桩的压缩量可以采用公式(8)计算获取：
[0107][0108]
式中，e
p
为桩的弹性模量；σ
p
为桩身应力。
[0109]
将采集信息过程中确定的桩的弹性模量值e
p
，与步骤ea中确定的桩身应力水深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积的值，代入式8中，即可求得该复合地基沉降量为99mm。
[0110]
根据数值计算分析，该复合地基最终沉降为94mm，与上述步骤fa中所确定的沉降量较为接近。
[0111]
需要指出的是，虽然桩间土的沉降也可参照上述方法进行计算，也即下式所示。
[0112][0113]
但根据步骤eb中确定的as的值，代入上式后得出沉降量为143mm，这与实际沉降量相比相差甚远，原因在于计算结果认为桩间土应力传递式依赖于压缩变形传递的结果，事实上，由于土拱的作用，桩间土以剪切变形为主，而剪切变形要远小于压缩变形，因此上式的计算结果并不能准确反映桩间土的压缩量。
[0114]
本发明实施例提供的确定方法，根据所采集的各项物理力学性质指标，确定桩间土承载力的平均值以及附加应力；根据所确定的平均值以及附加应力来确定褥垫层厚度为0时目标桩各处的应力值，以此来确定桩的压缩量，所得桩的压缩量即为加固区的沉降值；使得加固区的沉降值可通过桩身的沉降来确定，不再依赖于将桩和桩间土土等效为均质复合体，解决了分层总和法计算加固区沉降误差较大的问题。
[0115]
实施例二：
[0116]
如图2所示，是本发明实施例提供的一种复合地基加固区沉降的确定装置，可以用于实现实施例一所述的复合地基加固区沉降的确定方法，所述确定装置包括：
[0117]
采集模块：用于采集加固区中桩及各层桩间土的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标至少包括各层桩间土的承载力、各层桩间土的厚度、桩的弹性模量。
[0118]
第一计算模块：用于根据加固区中各层桩间土的承载力及各层桩间土的厚度计算桩间土承载力平均值。
[0119]
第二计算模块：用于计算基底压力作用下，加固区底面处的附加应力。
[0120]
第三计算模块：用于令桩间土底面应力等于桩间土承载力平均值、桩间土顶面应力等于0，计算褥垫层厚度为0时桩顶应力和桩底应力，并令等沉面处桩身应力等于桩顶应力。
[0121]
第四计算模块：用于根据桩顶应力、桩底应力、等沉面处桩身应力计算桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积。
[0122]
第五计算模块：用于根据预确定的桩的受力与变形之间的关系，利用闭合区间的面积、桩的弹性模量计算桩的压缩量，所述桩的压缩量即为加固区沉降值。
[0123]
本发明实施例所提供的确定装置可执行本发明任意实施例所提供的复合地基加固区沉降的确定方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
[0124]
实施例三：
[0125]
本发明实施例还提供了一种复合地基加固区沉降的确定装置，可以用于实现实施例一所述方法的步骤，其包括处理器及存储介质；
[0126]
所述存储介质用于存储指令；
[0127]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：
[0128]
采集加固区中桩及各层桩间土的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标至少包括各层桩间土的承载力、各层桩间土的厚度、桩的弹性模量。
[0129]
根据加固区中各层桩间土的承载力及各层桩间土的厚度计算桩间土承载力平均值。
[0130]
计算基底压力作用下，加固区底面处的附加应力。
[0131]
令桩间土底面应力等于桩间土承载力平均值、桩间土顶面应力等于0，计算褥垫层厚度为0时桩顶应力和桩底应力，并令等沉面处桩身应力等于桩顶应力。
[0132]
根据桩顶应力、桩底应力、等沉面处桩身应力计算桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积。
[0133]
根据预确定的桩的受力与变形之间的关系，利用闭合区间的面积、桩的弹性模量计算桩的压缩量，所述桩的压缩量即为加固区沉降值。
[0134]
对于本实施例中各步骤的详细内容可参见实施例一，在此不作赘述。鉴于本实施例与实施例一采用相同的技术构思，因此也具备诸如实施例一所述的技术效果。
[0135]
实施例四：
[0136]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：
[0137]
采集加固区中桩及各层桩间土的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标至少包括各层桩间土的承载力、各层桩间土的厚度、桩的弹性模量。
[0138]
根据加固区中各层桩间土的承载力及各层桩间土的厚度计算桩间土承载力平均值。
[0139]
计算基底压力作用下，加固区底面处的附加应力。
[0140]
令桩间土底面应力等于桩间土承载力平均值、桩间土顶面应力等于0，计算褥垫层厚度为0时桩顶应力和桩底应力，并令等沉面处桩身应力等于桩顶应力。
[0141]
根据桩顶应力、桩底应力、等沉面处桩身应力计算桩身应力随深度变化的曲线与桩身所围成的闭合区间的面积。
[0142]
根据预确定的桩的受力与变形之间的关系，利用闭合区间的面积、桩的弹性模量计算桩的压缩量，所述桩的压缩量即为加固区沉降值。
[0143]
对于本实施例中各步骤的详细内容可参见实施例一，在此不作赘述。鉴于本实施
例与实施例一采用相同的技术构思，因此也具备诸如实施例一所述的技术效果。
[0144]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0145]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0146]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0147]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0148]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。