基于理论分析法的托底抗拔桩承载性能优势研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.2（上）-105-工 程 技 术抗拔桩作为有效的抗浮手段之一，因其具有承载力高、适应性好和施工简便的特点，广泛应用于相关工程。传统抗拔桩与建筑基础刚性连接，上浮荷载由桩顶传递至桩端，桩体呈现受拉状态；托底抗拔桩利用无黏结钢绞线将桩端与建筑基础连接，上浮荷载直接传递至桩端，桩侧摩阻力由桩端附近开始发挥，桩体呈现受压状态，可以较充分地发挥抗浮性能。邵光辉等1对多组室内模型进行试验，提出了关于抗拔桩极限承载力的计算公式，基于试验数据验证其有效性和合理性。在此基础上，聂永江和邵光辉2进一步分析桩土体系相互作用机理和荷载传递机制，建立了桩土多段线性荷载传递函数，进而推导托底抗拔桩荷载位移的解析解。包自成等3采用常规静载试验，对比研究了受压状态的新型复合预应力抗拔桩和常规钢筋笼抗拔桩的承载特性，验证了桩体受压更有利于承载性能的发挥。本文根据托底抗拔桩承载性能发挥机理，建立上浮荷载与桩体位移关系式，提出传统抗拔桩的荷载位移关系式，进而对比分析两种桩型在不同上浮荷载作用下的位移差，突出两者的承载性能差异。1 桩侧极限摩阻力抗拔桩主要利用桩侧摩阻力抵抗地下水对建筑物产生的上浮荷载，保障建筑物的安全。低于传统抗拔桩，桩顶处桩土体系的相对位移趋势最大，逐渐向桩端减少。而托底抗拔桩由于钢绞线的荷载传递作用，因此桩端处桩土相对位移最大，桩侧摩阻力发挥程度也最大。此外，托底抗拔桩桩端受钢绞线的拉力作用，产生向上的压缩效果，桩土产生相对位移，桩侧摩阻力开始发挥，此时，桩端位移大，桩顶位移小，如图 1（a）所示。传统抗拔桩由桩顶受拉力作用，桩侧摩阻力由桩顶附近开始发挥，桩土相对位移为桩顶大，桩端小，如图 1（b）所示。桩侧极限摩阻力是桩土界面发挥承载性能的极限值，主要方法包括总应力法、弹性理论法、有效应力法以及数值分析法4-5。经原位试验与理论计算值对比，有效应力法具有较好的适用性和准确性，能够较好地反映桩侧负摩阻力的实际情况，计算方法如公式（1）所示4。f=v （1）式中：f 为单位深度的侧摩阻力；为摩阻力系数；v为桩周土平均竖向有效应力。侧摩阻力系数 与桩体几何尺寸、桩周土性质以及深度有关，计算过程如公式（2）、公式（3）所示。正常固结土：=（1-sin）tan （2）超固结土：=（1-sin）OCR0.5tan （3）式中：为桩周土有效内摩擦角；为桩土接触面摩擦角；基于理论分析法的托底抗拔桩承载性能优势研究王坤1刘苏1王玉祥1陶思源1马露2（1.安徽水利开发有限公司，安徽 蚌埠 233000；2.安徽科技学院建筑学院，安徽 蚌埠 233000）摘 要：托底抗拔桩改变了传统抗拔桩承载特性，充分发挥了抗拔桩的承载性能。采用有效应力法计算抗拔桩极限承载力，根据摩阻力发挥机理，建立不同工况下托底抗拔桩荷载位移关系式，通过试验数据验证理论计算模型的适用性和准确性，进而与普通抗拔桩承载性能进行对比研究。研究表明，托底抗拔桩具有优越的承载特性，桩顶位移显著减少，建立的理论模型可以有效评估桩体承载力，为桩基础设计提供理论计算依据。关键词：托底抗拔桩；侧摩阻力；理论模型；承载性能中图分类号：TU473文献标志码：A基金项目：安徽水利开发有限公司科研项目“临河建筑工程托底抗拔桩承载特性与关键施工技术研究”（项目编号：KY2022-C55）；安徽省教育厅高校优秀拔尖人才培育项目“天然气水合物开采过程中储层力学响应规律及机理研究”（项目编号：gxyq2022052）；安徽省教育厅高校自然科学研究重大项目“考虑初始状态的水合物沉积物热-水-力耦合机理”（项目编号：2023AH040274）。（a）托底抗拔桩（b）普通抗拔桩 注：F为上拔荷载；Spb为桩端位移；Spt为桩顶位移；l为桩长；C为桩周长；A为桩截面积。图 1 桩土相对位移示意图FFSptSpbSpbSptll中国新技术新产品2024 NO.2（上）-106-工 程 技 术OCR 为超固结比。根据现场试验，黏土、粉土和砂土的摩阻力系数的 取值4分别为 0.20.25、0.250.35 和 0.250.5。基于有效应力法，单位桩极限侧摩阻力如公式（4）所示。f=v=z （4）式中：为桩周土有效重度；z 为深度。已有研究结果表明，桩土界面力学特性发挥与桩土相对位移有直接相关性，在上浮荷载作用下，托底抗拔桩受压并有上移趋势，普通抗拔桩受拉也有上移趋势，桩周土对桩体产生向下的侧摩阻力作用。本文利用理想弹塑性模型计算桩侧摩阻力 f，桩土摩阻力模型假设为理想弹塑性模型，如图 2 所示，Sm取值通常为 5mm5。注：k为桩土界面摩擦系数；fm为极限摩阻力；Sp为桩土相对位移；Sm为桩侧摩阻力达到极限值时的桩土相对位移值。图 2 理想弹塑性模型ffmSmf=kSpf=kSpSp2 抗拔桩侧摩阻力2.1 托底抗拔桩在上浮荷载作用下，桩土相对位移逐渐增加，根据工况不同，侧摩阻力分布主要为两种状态：1）相对位移较小，小于 Sm值，桩侧摩阻力未达到极限值。2）桩身位移较大，大于 Sm值，桩身摩阻力达到极限值。为简化计算，提出理论计算模型的 3 点假设：1）假设摩阻力发挥的范围为三角形区域。2）桩周土层为均质土。3）桩土接触面摩擦系数 k=fm/Sm。4）桩侧摩阻力沿桩身同时发挥，忽略仅有局部侧摩阻力发挥的情况。根据弹塑性模型原理，图 3 中桩侧摩阻力均未达到极限摩阻力值，此时，桩端侧摩阻力发挥最大，桩端桩土接触面摩擦系数为 kb，桩顶上浮荷载为 F。基于图 3 中桩侧摩阻力发挥范围和桩端桩土相对位移数据，在上浮荷载F 的作用下，竖直方向力学平衡方程如公式（5）所示。FkSSbz Cdzbpbpbl?0（5）展开公式（5）后得出公式（6）。FCk S lbpb=12（6）结合模型关于桩土接触面摩擦系数的假设，可表达为公式（7）。FSSClpbm?22?（7）当桩端桩土相对位移达到极限值时，桩侧摩阻力充分发挥，托底抗拔桩达到极限承载力。2.2 普通抗拔桩对普通抗拔桩来说，由于上浮荷载作用位置不同，因此与托底抗拔桩相比，桩土相对位移特征有显著区别，如图 4 所示。由于普通桩顶附近的桩土相对位移最大且此处桩土接触面摩擦系数较小，因此在上浮力 F 的作用下，很快达到极限侧摩阻力，深度为 a，即 a 深度以上桩土相对位移超过 Sm，a 深度以下，桩土相对位移较小，桩土极限摩阻力处于弹性区间。因此，桩体保持平衡的力学条件如公式（8）所示。FaCaak Sla Cbpb?1212?（8）进一步简化公式（8），得到公式（9）。FlC aSSlapbm?12?（9）显然，当桩侧摩阻力塑性发挥深度 a=l 时，桩侧摩阻力达到最大值，与托底抗拔桩理论极限承载力相同。根据桩体线性位移的假设，桩顶位移 Spt，a 处位移为Sm，可建立关系式如公式（10）所示。注：fm为极限摩阻力；l为桩长；kb桩端桩土接触面摩擦系数；Spb为桩端位移。图 3 托底抗拔桩侧摩阻力发挥示意图kbSpblfm中国新技术新产品2024 NO.2（上）-107-工 程 技 术SlSaSlaptmpb?（10）由此可知，在某一上浮荷载作用下，桩侧摩阻力发挥与之相当的承载力，达到平衡状态，此时，桩顶与桩端位移呈反比，表明了侧摩阻力的发挥主要范围。根据以上分析可知，托底抗拔桩的承载特征与传统抗拔桩承载特征的差异如下：1）桩侧摩阻力发挥起始位置不同，桩底与桩顶。2）桩体轴力产生的效果不同，受压与受拉状态。桩体受压的托底抗拔桩承载性能更优，研究结果与文献 6 结论一致。全桩身受压的抗拔桩极限承载力最大，承载性能发挥充分。3 算例验证与分析为验证本文推导的托底抗拔桩侧摩阻力计算公式的准确性和有效性，对文献 7 中室内模型试验桩进行计算，并将计算值与试验值进行对比验证。根据文献7的室内模型试验，托底抗拔桩桩身尺寸和桩土界面参数为l=1.1m，桩径D=50mm，桩端桩土侧摩阻力系数k=10560kN/m3，桩土相对位移约 1.2mm，上浮荷载为 1.2kN。模型试验值与理论公式（7）计算值如图 5 所示。理论计算值与模型试验值高度一致，说明本文提出的托底抗拔桩承载力计算数学模型是可行的。由图 5 可知，在桩端附近，室内模型的侧摩阻力突然减少，桩体在上浮荷载作用下向上移动，桩端下部出现空洞，桩端土体出现应力松弛现象，桩土侧摩阻力系数显著减少，因此出现侧摩阻力减少的现象。数学模型不考虑土体松弛现象，忽略了桩端侧摩阻力系数的变化。为进一步对比托底抗拔桩与普通抗拔桩的承载特性和差异性，在不同上浮荷载条件下，对公式（7）和公式（9）桩体位移数据进行对比分析，计算示例：桩长为 10m，桩周土重度为 18kN/m3，桩径为 1m，摩阻力系数取值 0.25，计算结果如图 6 所示。由图 6 可知，在相同上浮荷载作用下，托底抗拔桩的桩端位移更大，表明桩侧摩阻力主要由桩端提供，根据公式（10）可知，相同荷载作用下桩端位移越大，桩顶位移越小，建筑物更安全，因此，托底抗拔桩承载性能更优。4 结论托底抗拔桩改善了桩体受力状态，与普通抗拔桩相比，能充分利用材料性质，抗拔承载效果更佳。通过分析2 种桩型的受力模式，推导在上浮荷载作用下，桩侧摩阻力的发挥效果，建立理论计算模型，并进行验证和对比。研究成果如下：托底抗拔桩桩端摩阻力先发挥，初期抗拔效果最佳，桩顶位移较小；普通抗拔桩桩顶侧摩阻力先发挥，桩顶位移较大；托底抗拔桩改善了桩体变形特性。由普通抗拔桩的受拉状态变为受压状态，桩径扩大增加桩土侧摩阻力系数，提高极限抗拔承载力；假设托底抗拔桩桩端侧摩阻力发挥的边界范围为三角锥面，可以采用可视化试验结合数值对其进行模拟，分析桩周土塑性区的变化规律。本文研究成果为托底抗拔桩的承载力发挥机理研究和工程实践提供了参考。参考文献1 邵光辉，赵志峰，吴正余.托底抗拔桩承载特性的模型试验研究 J.岩土工程学报，2016，38（6）：1140-1146.2 聂永江，邵光辉.基于桩土剪切特性的托底抗拔桩承载力分析 J.林业工程学报，2020，5（6）：149-154.3 包自成，周晓波，辛军霞，等.北京城市副中心站综合交通枢纽工程新型抗拔桩静载试验分析 J.建筑技术开发，2022，49（12）：129-131.4JINYUAN LIU，HONGMEI GAO，HANLONG LIU.Finite element analyses of negative skin friction on a single pileJ.Acta（下转第132页）图 5 模型计算值与试验值对比02004006008001000深度/mm试验值 1.2kN 计算值 1.2kN02468101214侧摩阻力/kPa注：fm为极限摩阻力；l为桩长；a为侧摩阻力达到极限值的深度范围；kb为桩端桩土接触面摩擦系数；Spb为桩端位移。图 4 普通抗拔桩侧摩阻力发挥示意图fmlakbSpb中国新技术新产品2024 NO.2（上）-132-技 术 经 济 与 管 理商圈在日常生活中占据了重要的地位，它是城市商业活动的核心区域和促进消费升级的重要平台。商圈的繁荣与管理者的运营密切相关，数字化管理已成为实现商圈运营优化的重要环节。因此，合理的商圈规划愈加关键。在金融、医疗以及无人驾驶等领域，人工智能和机器学习已经得到深入应用1-3。在商圈店铺规划领域，以上技术尚未得到充分应用，仍然依赖于传统的统计分析方法和经验判断。因此，将人工智能和机器学习技术应用于商圈店铺分析，以提高运营效率和决策准确性，具有重要的研究意义和应用价值。常用的商圈店铺分类方法主要是基于 K-means 算法和 DBSCAN 算法的聚类方法。另外，层次聚类算法（Hierarchical Clustering）和基于密度的聚类算法（Density-based Clustering）在商圈店铺分类中也有一定的应用。目前，仍然存在一些挑战，例如，不同的聚类算法在商圈店铺聚类分析中孰优孰劣、不同聚类算法的适用场景、当数据量较大时如何提高模型的运行效率等问题。同时，大部分研究者在进行商圈分析的过程中一种面向商圈店铺管理规划的机器学习建模分析技术潘子豪（中山大学软件工程学院，广东 珠海 519082）摘 要：商圈在居民日常生活中占据重要的地位，而数字化管理已成为实现商圈运营优化的重要环节。目前，商圈店铺分类的研究仍然主要依赖于统计分析方法和人为经验判断，缺少较为准确、系统的模型方法作为决策支撑。针对此现状，本文提出一种基于聚类模型的店铺布局方法和基于关联规则模型的店铺引流方法。另外，本文还对当前比较流行的5种聚类算法在商圈店铺分类问题的使用效果进行对比。试验结果证明，当数据量波动时，与传统的 K-Means 算法相比，层次聚类算法的轮廓系数稳定在0.550.6，明显优于其余聚类算法；层次聚类算法平均运行时间与 K-Means 算法相比可缩短80%90%，运行效率和分类效果均为最优，因此最适合用于商圈店铺聚类分析。关键词：商圈决策；机器学习；聚类模型；关联规则模型中图分类号：TP391文献标志码：AGeotechnica，2012（7）：239-252.5 马露，王钰轲，于敏，等.基于有效应力法的单桩负摩阻力计算 J.水文地质工程地质，2017，44（1）：72-77.6 滑鹏林，杨生贵，杨鹏程，等.复合锚杆抗拔桩承载性能试验研究 J.建筑科学，2023，39（3）：52-56.7 包彦冉，马海龙，雷珊珊.桩侧摩阻力桩土相对位移试验曲线及其拟合分析 J.浙江理工大学学报（自然科学版），2020，43（1）：102-108.（上接第107页）图 6 两类抗拔桩荷载与桩端位移关系80070060050040030020010000123456Spt减少桩端位移Spb/mm荷载F/kN公式（7）公式（9）a=2 公式（9）a=4 公式（9）a=6 公式（9）a=8