一种多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法

1.本发明涉及桩基工程领域，特别涉及一种多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法。


背景技术：

2.开口管桩具有抗冲击、易打入、施工简单、竖向承载力强等优点，随着港口、码头等近海区域建设的蓬勃发展，开口管桩的应用愈加广泛，其承载机理与多种因素有关，比闭口桩复杂很多。
3.开口管桩在沉桩过程中，土体受到桩端的挤压，一部分土体进入管桩内部形成土塞，产生土塞效应，另一部分则被挤向桩周，产生径向(竖向)位移，对附近建(构)筑物产生影响。土塞效应和挤土效应是相互影响、相互作用的，土塞高度越高，挤土效应越弱，反之则挤土效应越强，对周边建(构)筑物的影响越大。桩管内土塞高度的变化是反映土塞性状的重要指标，在分析管桩挤土效应时，要想计算管桩在沉桩时对周边土体应力场、位移场的影响，需事先知道其土塞高度。由此可见，土塞高度的计算是管桩挤土效应的理论分析研究的重要突破口。
4.目前为止，土塞高度的确定以实测法为主，成本高，主观误差大，尤其对于多层土情况下，理论分析较为复杂。


技术实现要素：

5.本发明旨在发明一种多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，可计算在任意多层土中和任意沉桩深度下的管桩土塞高度，不需要对土塞高度进行实测，成本较低，解决现有技术中多层土中开口管桩沉桩土塞高度需要实测导致成本高、主观误差大的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，包括：
8.第一步，管桩进行沉桩，管桩沉桩过程中土塞受到向下的重力g、桩向下的摩擦力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用；管桩入土深度范围有n层土，i∈[1,n]，n为大于等于2的自然数，第i层土的厚度为hi，hn表示桩端进入第n层土的深度，第n层土的极限端阻力标准值为qn，第i层土的重度为γi，第i层土与管桩内壁的摩擦系数为μi，第i层土的侧向压力系数为ki，管桩内径为r，假设土塞呈圆柱形，土塞高度为h,管桩沉桩过程中土塞受到的土塞底面土层向上的支持力为n；
[0009]
第二步：用数值软件计算管桩沉桩过程中土塞受到的土塞底面土层向上的支持力n，所述土塞受到的土塞底面土层向上的支持力n与土塞底面土层性质及土塞横截面积有关，当土塞刚好达到受力平衡状态时，n等于塞底部土层对土塞的临界作用力，满足：
[0010]
n＝πr2qn[0011]
第三步：假设土塞只含第1层土，根据第1层土的重度γ1计算重力g和摩擦力f，根据土塞受力平衡公式计算土塞高度h，并将土塞高度h与桩端进入第1层土的深度h1比较大
小；
[0012]
g＝πγ1hr2[0013][0014]
当土塞受力刚好达到平衡状态时，满足土塞受力平衡公式
[0015]
g+f＝n
[0016]
将重力g和摩擦力f代入所述土塞受力平衡公式求得土塞高度h，土塞高度h取正值，
[0017][0018]
如果h≤h1，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h》h1，则本步假设错误，进行下一步；
[0019]
第四步：假设土塞只含第1层土和第2层土，根据第1层土的重度γ1和第2层土的重度γ2计算重力g和摩擦力f，并根据土塞受力平衡公式g+f＝n计算土塞高度h，并将土塞高度h与h1+h2比较大小
[0020]
g＝πr2[γ1h1+γ2(h-h1)]
[0021][0022]
联立方程得到
[0023][0024]
如果h≤h1+h2，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h》h1+h2，则本步假设错误，进行下一步；
[0025]
第五步：假设土塞只含第1层土、第2层土和第3层土，根据第1层土的重度γ1、第2层土的重度γ2和第3层土的重度γ3计算重力g和摩擦力f，并根据土塞受力平衡公式g+f＝n计算土塞高度h，并将土塞高度h与h1+h2+h3比较大小
[0026]
g＝πr2[γ1h1+γ2h2+γ3(h-h
1-h3)]
[0027][0028]
联立方程可得到
[0029][0030]
如果h≤h1+h2+h3，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h》h1+h2+h3，则本步假设错误，进行下一步；
[0031]
第六步：一直类似迭代计算下去，直到假设正确，计算的h值就是土塞高度。
[0032]
优选的，在上述的多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法中，参数第n层土的极限端阻力标准值qn，第i层土的重度γi，第i层土的粘聚力ci，第i层土的内摩擦角第i层土与管桩内壁的摩擦系数μi，第i层土的侧向压力系数ki，以及管桩内径r，通过直接测量的或者从勘察报告中获得。
[0033]
优选的，在上述的多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法中，所述第n层土的极限端阻力标准值qn采用专业数值软件工况模拟得到具体数值。对于多层土，不适用于承载力计算公式求解qn，可采用专业数值软件工况模拟得到具体数值。
[0034]
优选的，在上述的多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法中，
[0035]
所述第六步中，假设土塞只含第1层土、第2层土
…
和第i层土，如果h≤h1+h2+
…
+hi，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度，在将土塞高度h与h1+h2+
…
+hi比较大小时，土塞高度h的通用计算公式如下：
[0036]
。
[0037]
由以上公开的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0038]
综上所述，本发明提供的一种多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，通过对管桩进行沉桩；用数值软件计算管桩沉桩过程中土塞受到的土塞底面土层向上的支持力n；假设土塞只含第1层土，根据第1层土的重度γ1计算重力g和摩擦力f，根据土塞受力平衡公式计算土塞高度h，并将土塞高度h与桩端进入第1层土的深度h1比较大小，如果h≤h1，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h》h1，则假设土塞只含第1层土和第2层土；一直类似迭代计算下去，直到假设正确，计算的h值就是土塞高度，该方法可获取在任意多层土中和任意沉桩深度下的管桩土塞高度,为研究分析土塞效应和挤土效应提供基础，不需要对土塞高度进行实测，成本较低，解决现有技术中多层土中开口管桩沉桩土塞高度需要实测导致成本高、主观误差大的问题。
附图说明
[0039]
图1是多层土中开口管桩沉桩过程中土塞的受力示意图。
[0040]
图中：1-管桩、2-土塞。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。需另外说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。
[0042]
请参阅图1，本实施例公开了一种多层土中开口管桩管桩沉桩土塞高度计算方法，包括：
[0043]
第一步，管桩1进行沉桩，管桩1沉桩过程中土塞2受到向下的重力g、桩向下的摩擦
力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用；管桩1入土深度范围有n层土，i∈[1,n]，n为大于等于2的自然数，第i层土的厚度为hi，hn表示桩端进入第n层土的深度，第n层土的极限端阻力标准值为qn，第i层土的重度为γi，第i层土与管桩1内壁的摩擦系数为μi，第i层土的侧向压力系数为ki，管桩1内径为r，假设土塞2呈圆柱形，土塞高度为h，管桩1沉桩过程中土塞2受到的土塞底面土层向上的支持力为n；
[0044]
第二步：用数值软件计算管桩1沉桩过程中土塞2受到的土塞底面土层向上的支持力n，所述土塞2受到的土塞底面土层向上的支持力n与土塞底面土层性质及土塞横截面积有关，当土塞刚好达到受力平衡状态时，n等于塞底部土层对土塞的临界作用力，满足：
[0045]
n＝πr2qn[0046]
第三步：假设土塞2只含第1层土，根据第1层土的重度γ1计算重力g和摩擦力f，根据土塞受力平衡公式计算土塞高度h，并将土塞高度h与桩端进入第1层土的深度h1比较大小；
[0047]
g＝πγ1hr2[0048][0049]
当土塞2受力刚好达到平衡状态时，满足土塞2受力平衡公式
[0050]
g+f＝n
[0051]
将重力g和摩擦力f代入所述土塞2受力平衡公式求得土塞高度h，土塞高度h取正值，
[0052][0053]
如果h≤h1，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h》h1，则本步假设错误，进行下一步；
[0054]
第四步：假设土塞2只含第1层土和第2层土，根据第1层土的重度γ1和第2层土的重度γ2计算重力g和摩擦力f，并根据土塞2受力平衡公式g+f＝n计算土塞高度h，并将土塞高度h与h1+h2比较大小
[0055]
g＝πr2[γ1h1+γ2(h-h1)]
[0056][0057]
联立方程得到
[0058][0059]
如果h≤h1+h2，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h》h1+h2，则本步假设错误，进行下一步；
[0060]
第五步：假设土塞2只含第1层土、第2层土和第3层土，根据第1层土的重度γ1、第2层土的重度γ2和第3层土的重度γ3计算重力g和摩擦力f，并根据土塞2受力平衡公式g+f＝
n计算土塞高度h，并将土塞高度h与h1+h2+h3比较大小
[0061]
g＝πr2[γ1h1+γ2h2+γ3(h-h
1-h3)]
[0062][0063]
联立方程得到
[0064][0065]
如果h≤h1+h2+h3，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h》h1+h2+h3，则本步假设错误，进行下一步；
[0066]
第六步：一直类似迭代计算下去，直到假设正确，计算的h值就是土塞高度。
[0067]
优选的，在上述的多层土中开口管桩1沉桩土塞高度计算方法中，参数第n层土的极限端阻力标准值qn，第i层土的重度γi，第i层土的粘聚力ci，第i层土的内摩擦角第i层土与管桩1内壁的摩擦系数μi，第i层土的侧向压力系数ki，以及管桩1内径r，通过直接测量的或者从勘察报告中获得。
[0068]
优选的，在上述的多层土中开口管桩1沉桩土塞高度计算方法中，所述第n层土的极限端阻力标准值qn采用专业数值软件工况模拟得到具体数值。对于多层土，不适用于承载力计算公式求解qn，宜采用专业数值软件工况模拟得到具体数值。
[0069]
优选的，在上述的多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法中，所述第六步中，假设土塞只含第1层土、第2层土
…
和第i层土，如果h≤h1+h2+
…
+hi，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度，在将土塞高度h与h1+h2+
…
+hi比较大小时，土塞高度h的通用计算公式如下：
[0070]
。
[0071]
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种多层土中开口管桩管桩沉桩土塞高度计算方法作进一步详细说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0072]
本实施例就具体算例对一种多层土中开口管桩管桩沉桩土塞高度计算方法进行详细说明。假设某一工程管桩1沉桩过程中，入土深度为26m，3层土，具体参数见下面表一：
[0073][0074]
表一
[0075]
根据以上计算方法：土塞2包含3层土，h＝23.48m，管桩1土塞高度为23.48m。
[0076]
综上所述，本发明提供的一种多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，通过对管桩进行沉桩；用数值软件计算管桩沉桩过程中土塞受到的土塞底面土层向上的支持力n；假设土塞只含第1层土，根据第1层土的重度γ1计算重力g和摩擦力f，根据土塞受力平衡公式计算土塞高度h，并将土塞高度h与桩端进入第1层土的深度h1比较大小，如果h≤h1，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h》h1，则假设土塞只含第1层土和第2层土；一直类似迭代计算下去，直到假设正确，计算的h值就是土塞高度，该方法可获取在任意多层土中和任意沉桩深度下的管桩土塞高度,为研究分析土塞效应和挤土效应提供基础，不需要对土塞高度进行实测，成本较低，解决现有技术中多层土中开口管桩沉桩土塞高度需要实测导致成本高、主观误差大的问题；本发明用到的参数都可从常规测量或者勘察报告中获得，具有可实施性。
[0077]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

技术特征：
1.一种多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，其特征在于，包括：第一步，管桩进行沉桩，管桩沉桩过程中土塞受到向下的重力g、桩向下的摩擦力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用；管桩入土深度范围有n层土，i∈[1,n]，n为大于等于2的自然数，第i层土的厚度为h
i
，h
n
表示桩端进入第n层土的深度，第n层土的极限端阻力标准值为q
n
，第i层土的重度为γ
i
，第i层土与管桩内壁的摩擦系数为μ
i
，第i层土的侧向压力系数为k
i
，管桩内径为r，假设土塞呈圆柱形，土塞高度为h,管桩沉桩过程中土塞受到的土塞底面土层向上的支持力为n；第二步：用数值软件计算管桩沉桩过程中土塞受到的土塞底面土层向上的支持力n，所述土塞受到的土塞底面土层向上的支持力n与土塞底面土层性质及土塞横截面积有关，当土塞刚好达到受力平衡状态时，n等于塞底部土层对土塞的临界作用力，满足：n＝πr2q
n
第三步：假设土塞只含第1层土，根据第1层土的重度γ1计算重力g和摩擦力f，根据土塞受力平衡公式计算土塞高度h，并将土塞高度h与桩端进入第1层土的深度h1比较大小；g＝πγ1hr2当土塞受力刚好达到平衡状态时，满足土塞受力平衡公式g+f＝n将重力g和摩擦力f代入所述土塞受力平衡公式求得土塞高度h，土塞高度h取正值，如果h≤h1，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h>h1，则本步假设错误，进行下一步；第四步：假设土塞只含第1层土和第2层土，根据第1层土的重度γ1和第2层土的重度γ2计算重力g和摩擦力f，并根据土塞受力平衡公式g+f＝n计算土塞高度h，并将土塞高度h与h1+h2比较大小g＝πr2[γ1h1+γ2(h-h1)]联立方程得到如果h≤h1+h2，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h>h1+h2，则本步假设错误，进行下一步；第五步：假设土塞只含第1层土、第2层土和第3层土，根据第1层土的重度γ1、第2层土的重度γ2和第3层土的重度γ3计算重力g和摩擦力f，并根据土塞受力平衡公式g+f＝n计算土
塞高度h，并将土塞高度h与h1+h2+h3比较大小g＝πr2[γ1h1+γ2h2+γ3(h-h
1-h3)]联立方程可得到如果h≤h1+h2+h3，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度；如果h>h1+h2+h3，则本步假设错误，进行下一步；第六步：一直类似迭代计算下去，直到假设正确，计算的h值就是土塞高度。2.如权利要求1所述的多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，其特征在于，参数第n层土的极限端阻力标准值q
n
，第i层土的重度γ
i
，第i层土的粘聚力c
i
，第i层土的内摩擦角第i层土与管桩内壁的摩擦系数μ
i
，第i层土的侧向压力系数k
i
，以及管桩内径r，通过直接测量的或者从勘察报告中获得。3.如权利要求1所述的多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，其特征在于，所述第n层土的极限端阻力标准值q
n
采用专业数值软件工况模拟得到具体数值。4.如权利要求1所述的多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，其特征在于，第六步中，假设土塞只含第1层土、第2层土
…
和第i层土，如果h≤h1+h2+
…
+h
i
，则本步假设正确，计算的h值就是土塞高度，在将土塞高度h与h1+h2+
…
+h
i
比较大小时，土塞高度h的通用计算公式如下：。

技术总结
本发明提供一种多层土中开口管桩沉桩土塞高度计算方法，通过对管桩进行沉桩；用数值软件计算管桩沉桩过程中土塞受到的土塞底面土层向上的支持力N；假设土塞只含第1层土，根据第1层土的重度γ1计算重力G和摩擦力F，根据土塞受力平衡计算土塞高度H，并对H与h1比较大小，若H≤h1，则本步假设正确，计算的H值就是土塞高度；若H>h1，则假设土塞只含第1层土和第2层土；一直类似迭代计算下去，直到假设正确，计算的H值就是土塞高度，该方法可获取在任意多层土中和任意沉桩深度下的管桩土塞高度,为研究分析土塞效应和挤土效应提供基础，不需要对土塞高度进行实测，成本较低。成本较低。成本较低。


技术研发人员：李晓密 赵慧玲 陈峰军 周泉吉 李荣帅 杨仁维
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/9