桩身轴力测试中“固定弹性模量”与“变弹性模量”算法比较研究.doc

桩身轴力测试中“固定弹性模量”与“变弹性模量”算法比较研究 【摘要】通过单桩静载荷试验测试桩身预埋应变元件在荷载作用下不同截面的应变，计算桩身截面的轴力及桩周土侧摩阻力，目前均引用“固定弹性模量”方法计算，该算法计算结果误差较大，本文通过工程实例，引入“变弹性模量”的概念来计算桩身轴力，试图找到一种与工程实践较接近的桩身轴力及桩周土侧摩阻力的计算方法。 【关键词】弹性模量；轴力；摩阻力；荷载 1 前言 计算桩身轴力及桩周土的摩阻力，是通过测试桩身不同截面（地层分界面）埋设传感器在荷载作用下产生的内力而计算得出的，其桩身材料的弹性模量（e）是计算桩身轴力及桩周土侧摩阻力的重要参数，目前均取e为“固定弹性模量”，它是由某一荷载作用下桩顶附近的应力和应变确定，且同一荷载作用下，不同桩身截面取值不变。但钢筋混凝土是弹塑性体，其弹性模量是应力应变的函数，在桩顶荷载下，沿桩身向下各截面上的应力和应变不是成比例变化的，弹性模量不是固定不变的，而我们在工程应用中仍然采用“固定弹性模量”来计算桩身轴力及桩周土侧摩阻力，计算误差是不言而喻的。该文引入“变弹性模量”的概念，通过工程实例，对比采用“固定弹性模量”与“变弹性模量”两种方法计算桩身截面的轴力及桩周土侧摩阻力，并与相关规范比较，得出确实可行符合工程实际的桩身轴力及桩周土侧摩阻力的计算方法。 2 桩身轴力计算的基本假定和计算方法 2.1 基本假定 同一土层为均质、各向同性；假定桩身直径为一常数；桩的存在不影响地基土的特性；忽略由于各种原因使桩身偏心受力的影响。 2.2 计算方法 在单桩竖向抗压静载试验过程中，桩身的内力测试可计算桩身截面的轴力，进而计算桩周土侧摩阻力，我们知道，某段桩身摩阻力的大小为该段桩身上、下两个截面的轴力之差值。如图2-1所示，在△li段桩身上，i-1截面的轴力为 ，i截面的轴力为 ，则该段桩身的摩阻力 可由下式表示： （2-1） 该段桩身的单位摩阻力 则为: （2-2） 式中 为△li段桩身的侧表面积（m2）。 图2-1桩身δli段上内力示意 我们知道，在桩身i截面上 （2-3） 式中： --i截面上钢筋的应变； -- i截面上混凝土的应变； -- i截面上桩身的总应变。 （2-3）可变换成如下等式： （2-4） 由（2-4）式可得： （2-5） 又因为 ，则公式（2-5）变换为： （2-6） 式中： --i截面上钢筋的内力；--i截面上钢筋的面积； --i截面上钢筋的弹性模量； --i截面上混凝土的内力； --i截面上混凝土的面积； --i截面上混凝土的弹性模量； --i截面上桩身的轴力； --i截面上桩身的面积； --i截面上桩身的弹性模量。 3 轴力计算中弹性模量的选用 由公式（2-6）可知，计算桩身i截面的轴力，就要知道该截面的应变 ，该截面桩身材料（钢筋混凝土混合体）的弹性模量 、和桩身截面的横截面积 。 可由试验得到， 可用测孔资料或直接利用设计直径计算，下面的关键问题是 的取值。 3.1 “固定弹性模量”算法 的取值 现阶段相关文献均用固定弹性模量来计算桩身截面轴力，第i截面处桩身材料弹性模量 一般按标定断面处的应力与应变的比值确定，公式为： （3-1） 式中： --标定断面桩身材料的弹性模量(kpa);--标定断面的轴力（桩顶荷载）（kn）;--标定断面桩身应变值。 “固定弹性模量”法计算轴力，以标定断面的弹性模量（ ）代替桩身各截面的弹性模量（ ），即在同一荷载作用下，桩身各截面的弹性模量均取同一值--标定断面的弹性模量（ ）。 3.2 “变弹性模量”算法 的取值 桩身材料不是完全意义上的弹性体，在桩顶荷载的作用下，呈现弹塑性体的特征，桩身各截面的弹性模量是不等的，因此引入“变弹性模量”的概念。 我们知道，标定断面应露出试桩基坑底面，没有摩阻力的影响，此时： （3-2） 式中--桩顶荷载。 于是可得： （3-3） 式中 、 、都是已知数，因此（4-3）式可由简明的 双曲线来表示，其中 为标定断面的应变值，由试验得到。 综上所述，计算桩身截面轴力及桩周土层摩阻力的步骤可归纳如下： 3.2.1 根据桩顶不同荷载下标定断面的实测应变值 ，绘制 曲线，由实测 值，从 曲线中查得相应的 值； ② 再由（2-6）式计算相应于第i个截面的轴力 及第i-1截面的轴力 ； ③ 按（2-1）和（2-2）式求得该段桩身的摩阻力 和该段桩身的单位摩阻力 。 4 工程应用 4.1 工程及地层概况 某工程采用后压浆钻孔灌注桩，试桩长78.0m、桩径1000mm，单桩极限承载力预估为23000kn。 该场地100m以上的地基土层均属于第四系全新统、上更新统及中更新统沉积物。 4.2 轴力测试的试验过程 试桩在以下桩身截面埋设钢筋应变计：-0.5m（标定断面）、-10.5m、-24