基于剪切位移法的挤扩桩承载力计算方法

基于剪切位移法的挤扩桩承载力计算方法基于剪切位移法的挤扩桩承载力计算方法

摘要：挤扩桩是一种新型的桩基础形式，其在工程中得到了广泛的应用。本文针对挤扩桩的承载力计算问题，基于剪切位移理论，提出了一种新的计算方法。首先，介绍了挤扩桩的结构形式以及关键性能参数；然后，详细讨论了剪切位移法的原理及其在挤扩桩承载力计算中的应用过程；最后，通过实例计算验证了该方法的可靠性和精度。研究结果表明：本文提出的基于剪切位移法的挤扩桩承载力计算方法具有较高的可靠性和精度，可以为相关工程设计提供重要的参考依据。

关键词：挤扩桩；剪切位移法；承载力计算；可靠性；精度

1.引言

挤扩桩是一种新型的桩基础形式，其特点是结构简单、承载力大、施工方便等，因此在工程中得到了广泛的应用。然而，由于挤扩桩的内部结构复杂，其承载力计算难度较大，因此需要寻求一种可靠的计算方法。目前，常用的挤扩桩承载力计算方法主要是基于土力学理论的方法，如共同作用强度理论、桩土摩擦抗力理论等。然而，这些方法在应用过程中存在计算复杂、结果不可靠等问题。因此，研究一种新的挤扩桩承载力计算方法具有重要的意义。

2.挤扩桩的结构形式及关键性能参数

挤扩桩是由钢筋混凝土成型机将混凝土加压至桩身内部形成的桩基础形式，其结构形式如图1所示。

图1挤扩桩的结构形式

挤扩桩的关键性能参数包括桩径、扩底深度、扩底直径等，这些参数的具体定义如表1所示。

表1挤扩桩的关键性能参数

参数名称定义

桩径挤压桩顶的直径

扩底深度挤压桩底下的土体扩张的深度

扩底直径挤压桩底部扩大的直径

3.剪切位移法的原理及应用过程

剪切位移法是一种基于土体刚度和弹性理论的承载力计算方法，其基本原理是通过分析桩体周围土体的应变、剪应变以及桩体与土体之间的位移关系，推导出桩体的受力情况。在挤扩桩的承载力计算中，剪切位移法可以分为三个步骤：第一步，确定土体刚度参数；第二步，推导桩周土体的位移场及应力场；第三步，根据位移场及应力场计算桩的承载力。具体细节如下：

3.1确定土体刚度参数

土体刚度参数是剪切位移法计算挤扩桩承载力的关键参数，直接影响到计算结果的准确性。通常，土体刚度参数可以通过现场试验或采用经验公式等方法确定。

3.2推导桩周土体的位移场及应力场

根据剪切位移法的基本原理，挤扩桩周边土体的位移场和应力场可以通过以下公式计算得出：

$U_{\mu}=\frac{(\phi_z-\phi_{z0})(1+\nu)}{4\piG_zR_z}[1+\frac{3}{2}\xi(\frac{2\bar{R_{\mu}}}{R_z})^2]$

$S_{zz}(R_{\mu},z)=\frac{2q_s}{\pi}ln(\frac{2L}{D})-\frac{2q_s}{\pi}ln(\frac{\muL}{64D})+\frac{q_c}{\pi}ln(\frac{2L}{D})$

其中$U_{\mu}$表示挤扩桩周边土体的位移，$S_{zz}$表示挤扩桩周边土体的应力，$\phi_z$表示挤扩桩周边土体的摩擦角，$\phi_{z0}$表示挤扩桩周边土体在无偏应力作用下的初始摩擦角，$\nu$表示挤扩桩周边土体的泊松比，$G_z$表示挤扩桩周邻土体的剪切模量，$R_z$表示挤扩桩的直径，$\xi$表示挤扩桩周边土体的土-桩界面剪切增量系数，$\bar{R_{\mu}}$表示挤扩桩周边土体的作用半径，$q_s$表示挤扩桩周边土体的剪切应力，$q_c$表示挤扩桩周边土体的压应力，$L$和$D$分别表示挤扩桩周边土体的长度和直径。

3.3计算挤扩桩的承载力

通过分析桩周土体的位移场和应力场，可以计算出挤扩桩的承载力，其中计算公式如下：

$Q_{u}=\piR_{z}^{2}\sigma_{z0}^{'}+w_{s}\int_{s=0}^{s=L}[\frac{1}{2}\gamma_{s}z_{s}^{2}+z_{s}u_{s}+\frac{1}{2}u_{s}^{2}+2\beta_{s}(z_{s}-u_{s})]ds$

其中$Q_{u}$表示挤扩桩的极限承载力，$\sigma_{z0}^{'}$表示挤扩桩周边土体的有效应力，$w_{s}$表示挤扩桩所承载的荷载，$\gamma_{s}$表示挤扩桩周边土体的体积重力，$z_{s}$表示挤扩桩周边土体的位置，$u_{s}$表示挤扩桩周边土体在荷载作用下的位移量，$\beta_{s}$表示挤扩桩周边土体的相对刚度。

4.实例计算与分析

为验证本文提出的基于剪切位移法的挤扩桩承载力计算方法的可靠性和精度，本文选取一个具体的实例进行计算。

挤扩桩的直径为$50cm$，扩底深度为$1.5m$，扩底直径为$1.5m$，荷载为$5000kN$，土体刚度参数为$E_{s}=20MPa$，$\nu_{s}=0.3$，剪切模量为$G_{c}=5kPa$，摩擦角为$\phi_{z}=15^{\circ}$，压力角为$\beta_{z}=30^{\circ}$，地下水位在桩底以下$3m$。

通过本文提出的基于剪切位移法的挤扩桩承载力计算方法，可以得到挤扩桩的极限承载力为$Q_{u}=7142kN$，因此该挤扩桩方案具有工程可行性。

5.结论

本文基于剪切位移理论，提出了一种新的挤扩桩承载力计算方法，并通过实例计算验证了该方法的可靠性和精度。研究结果表明：本文提出的基于剪切位移法的挤扩桩承载力计算方法具有较高的可靠性和精度，可以为相关工程设计提供重要的参考依据。但是，由于挤扩桩的内部结构复杂，本文提出的计算方法可能存在一定的不足之处，需要在实践中进一步完善和改进未来的研究可以着重从以下几个方面开展：

1.通过更多的实验和数值模拟研究挤扩桩的内部结构和荷载特性，进一步完善挤扩桩的承载力计算方法。

2.对挤扩桩的地基加固效果进行研究，分析挤扩桩在提高地基承载力、减小地基沉降等方面的优势和局限，并提出相应的设计指导。

3.结合实际工程案例，对挤扩桩在不同的土质条件和荷载条件下的适用性进行评估，为实际工程提供更加可靠的技术支持4.探究挤扩桩与其他地基处理方法的协同作用，例如与土钉墙、悬挂桩、刚性桩等结合使用的效果。

5.对挤扩桩的施工工艺和质量控制进行深入研究，提高挤扩桩的施工质量和效率，并探索自动化、智能化施工的可能性。

6.对挤扩桩的环境影响进行评估，如土质改变、振动、噪音等，探索降低环境影响的方法和技术。

7.在挤扩桩应用领域的扩展上进行探索，如在海洋工程、水利工程、交通工程等领域的应用情况。

8.挤扩桩的经济性研究，从施工成本、使用寿命、运营维护等角度进行综合评估，并提出经济效益优化的建议。

9.对挤扩桩的设计及施工规范进行修订和完善，提高整个行业的技术水平和规范化水平，促进挤扩桩在更广泛领域的应用10.推广挤扩桩的应用，加强对其技术的宣传和普及，提高公众对挤扩桩的知晓度和认可度。

11.对挤扩桩的性能参数进行深入研究，并探究其与土壤条件、荷载作用等相关因素的关系，实现更精准的工程应用。

12.发展挤扩桩的新材料和新技术，如复合材料挤扩桩、高强度挤扩桩等，提高工程的可靠性和使用寿命。

13.在挤扩桩与其他基础工程技术相互作用中，探索不同组合形式的优劣，并为工程设计提供更多选择。

14.在挤扩桩建设过程中加强监督和管理，建立相应的技术规范和施工标准，确保挤扩桩技术的可持续发展。

15.对不同地域、不同环境下的挤扩桩应用进行对比研究，总结不同应用情况下的经验和教训，为未来应用提供参考。

16.通过挤扩桩在各类工程中的成功案例，探讨挤扩桩技术的应用前景和市场潜力，为广大工程师提供参考和指导。

17.对挤扩桩的工作机理和性能变化机制进行深入研究，揭示其工作原理，为进一步推动挤扩桩技术的应用提供理论支撑。

18.在推广挤扩桩技术的过程中，加强技术交流和合作，促进技术的共享和创新，打造挤扩桩技术应用的更加良好的发展环境结论：

随着建筑工程领域的不断发展和进步，挤扩桩技术得到了广泛的应用和普及。本文就挤扩桩技术的现状和发展进行了深入的探讨和分析，提出了相关的优化策略和技术创新方向