Thermal conductivity of calcareous sand and its prediction model
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摘要: 利用热探针法测得了不同含水率条件下珊瑚钙质砂的导热系数,采用Johansen模型和Chen模型对珊瑚钙质砂的导热系数进行了预测计算,并结合试验实测值对模型参数进行修正,尝试寻找出合适的预测模型对珊瑚钙质砂导热系数进行有效的模拟计算。研究结果表明:珊瑚钙质砂的导热系数随含水率的增加呈现出线性递增趋势;Johansen模型和Chen模型的预测值均与试验实测值存在较大偏差;改进的Johansen模型和Chen模型预测值均与试验实测值较为接近,均方根误差值(Root-mean-square error)小于0.05,可用来预测珊瑚钙质砂的导热系数,且计算精度较高。
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关键词:
- 珊瑚钙质砂 /
- 导热系数 /
- Johansen模型 /
- Chen模型 /
- 模型参数修正
Abstract: The thermal probe method is used to determine the thermal conductivity of calcareous sands with different water contents. Then the Johansen model and Chen model are selected to predict the thermal conductivity of calcareous sands, and the model parameters are modified by combining with the experimentally measured values to find a suitable prediction model to effectively simulate the thermal conductivity of calcareous sands. The results indicate that the thermal conductivity of calcareous sands shows a linear increasing trend with the increase of water content, and the predicted results by the Johansen model and Chen model both have large deviations from the measured values. The predicted values by the improved Johansen model and Chen model both fit better with the measured values, and they can be used to predict the thermal conductivity of calcareous sands with high accuracy.-
Keywords:
- calcareous sand /
- thermal conductivity /
- Johansen model /
- Chen model /
- model parameter correction
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0. 引言
在中国西北地区广泛分布着自重湿陷性黄土,而且很多重点工程建设项目位于自重湿陷性土层超过15 m的大厚度自重湿陷性黄土场地。针对此类场地上的桩基设计,既要充分考虑土层湿陷产生的桩基负摩阻力,又要结合桩侧摩阻力沿大厚度湿陷性土层分布的实际规律,提出经济合理的桩基负摩阻力计算方法。
目前,针对黄土场地上的桩基负摩阻力研究,仍以现场单桩载荷浸水试验为主[1-2],黄土场地桩基负摩阻力计算方法的研究较为匮乏。实现桩侧负摩阻力的合理计算,需要确定桩-土相对位移(主要是桩周土体的分层沉降量)和桩-土间的荷载传递函数。黄土的湿陷变形主要是利用湿陷性系数,采用分层总和法进行计算,《湿陷性黄土地区建筑标准》[3](以后,简称《黄土标准》)和陈正汉等[4]分别给出侧限条件和三轴应力状态下湿陷性系数的确定方法,但由于土层中水气运移规律的复杂性[5]和未湿陷土层所产生的约束作用[6],作用在土层上的压力并非是上覆土体饱和自重的叠加。对于大厚度自重湿陷性黄土场地,浸水湿陷过程中土体湿度和应力状态的变化更为复杂,虽然基于室内试验构建了较多原状黄土增湿变形本构模型,但在推广应用过程中仍存在一定的困难。
桩-土间的荷载传递函数,通常可以通过土-结构材料的接触面剪切试验来确定,但现有文献关于黄土-结构材料的接触面剪切试验较少,且研究的土体均为重塑黄土[7]。因此,利用接触面剪切试验确定桩-黄土间的荷载传递函数,试验数据积累尚显不足。Cooke等[8]认为桩基荷载是以桩周土体产生剪切位移的形式传递到土层当中,并基于弹性理论提出了荷载传递函数的剪切位移法。考虑到土体的非线性,Wong等[9]提出采用双曲线模型描述桩-土间的非线性荷载传递规律。这些成果可为桩-黄土间荷载传递函数的研究提供参考。
根据黄土场地沿深度土层自重湿陷量的变化规律,基于弹性力学解,提出桩周任意深度土层沉降量的计算方法;考虑土体剪应力-剪应变的非线性和桩侧摩阻力在较大相对位移下趋于极值,基于剪切位移法,提出可以同时兼顾土体非线性和极限抗剪强度的荷载传递函数表达式;基于荷载传递法,建立桩身荷载传递计算模型;通过将计算结果与现场桩基浸水实测值对比,验证该方法的有效性。
1. 桩周任意深度土层沉降量计算
1.1 地基总的自重湿陷量计算
《黄土标准》给出了相对简易的自重湿陷量计算方法,通过乘以地区修正系数能够获取与实测相符的地表总的自重湿陷量。本文首先采用《黄土标准》的方法计算出地基总的自重湿陷量s0:
s0=β0n∑i=1δzsihi, (1) 式中,δzsi为第i层土的自重湿陷系数,hi为第i层土的厚度,β0为不同地区土质修正系数。
1.2 基于弹性理论分层沉降量的计算方法
从现有文献[2]实测分层沉降量的变化曲线可以看出,其变化规律和Boussinesq的竖向位移解相似。因此,采用集中力F作用在弹性半空间体上Boussinesq解的竖向位移表达式,求解任意深度处的沉降量。对于自重湿陷性黄土,当饱和自重压力小于湿陷起始压力时,可认为不产生湿陷变形[6]。假定自重湿陷性系数δzs等于0.015时,为起始自重湿陷深度h0,在此深度以上范围的自重湿陷量为0,其沉降量均为地基总的自重湿陷量s0,集中力F作用的弹性半空间体从此处开始算起。自重湿陷计算的下限深度he按《黄土标准》确定,该处及其以下深度的沉降量均为0。
因此,集中力F作用下,任意点的Boussinesq竖向位移表达式可改为
s(z)′=F(1+ν)2πE[(z−h0)2(√(z−h0)2+R2)3+ 2(1−ν)1√(z−h0)2+R2], (2) 式中,ν为土的泊松比,E为土体弹性模量,两参数将在后续推导中约去。为避免s(z)′值趋于无穷大,式中计算点与集中力作用点的水平距离R,本文取桩的直径值为0.8 m。
已知z=h0处的竖向位移为s0,即可反推出集中力F为
F=s0πER(1−ν)(1+ν)。 (3) 把式(3)代入式(2),可得由地基总沉降量计算任意深度竖向位移的表达式:
s(z)′=s0R2(1−ν)[(z−h0)2(√(z−h0)2+R2)3+ 2(1−ν)1√(z−h0)2+R2]。 (4) 由于假定计算的下限深度he处沉降量为0。因此,z∈[h0,he]范围内任意深度处的沉降量可修正为
s(z)′=s(z)′−s(he)′。 (5) 综上,可知z≤h0范围内土层沉降量为s0,按式(1)来计算;z>he范围内土层沉降量为0,在两者之间的沉降量按式(5)计算。至此,可计算出桩周任意深度处土层沉降量。
2. 桩-黄土荷载传递函数
2.1 剪切位移法原理及存在问题
Cooke等[8]提出的剪切位移法,假定荷载以桩侧一定范围内土体剪切变形的形式传递到桩周土体中。
利用微单元竖向受力平衡,建立微分方程求解,得出桩侧摩阻力和桩周土体剪应力的关系式:
τ=τ0r0r。 (6) 式中τ0,r0分别为桩侧摩阻力和桩的半径;τ,r分别为桩周土中的剪应力和离桩轴心的距离。
由弹性理论的几何方程,略去径向方向的变形,给出剪应变的表达式:
γ=∂Δs∂r, (7) 式中,Δs为离桩轴r处,桩土的竖向相对位移。
剪应力与剪应变的物理本构方程为
γ=τGs。 (8) 联立式(6)~(8),即可得出由桩土相对位移求取的桩侧摩阻力表达式:
τ0=GsΔsr0lnrmr0, (9) 式中,Gs为土的剪切模量,rm为桩侧摩阻力对桩周土的最大影响半径,本文取rm=10r0。
由于剪切位移法是在弹性理论的基础上推得的,从式(9)中可以看出,桩-土间的荷载传递呈线性函数。桩土相对位移越大,桩侧摩阻力越大,这显然不符合实际桩-土间荷载传递的非线性关系。究其原因是理论的推导中,没有充分考虑桩周土体的非线性,不同剪应变下,土的剪切模量不同,并非是一个定值。
2.2 基于修正剪切位移法的荷载传递函数
对于黄土的剪应力–剪应变关系曲线,最常见的形式为双曲线,如图 1(a)所示,其表达式为
τ=γa+bγ。 (10) 物理本构方程式(8),表达式可转变为
τγ=Gs=1a+bγ, (11) 式中,a,b为试验常数,其物理意义分别为起始剪切模量Gs0的倒数和极限剪切应力τu的倒数,在γ/τ–γ坐标下,可线性拟合其对应关系如图 1(b)。
土体参数a,b随深度变化,参数a可根据文献[10]中的计算方法:
Gs0=1a=Kpatm(σ3patm)n, (12) 式中,K,n分别为K-G模型参数,patm为标准大气压;根据土体剪切的方向,围压可取土中的自重应力,即σ3=γsatz。
参数b的倒数为土体的极限抗剪强度:
τu=1b=c+K0σztanφ, (13) 式中c,φ分别为饱和土体的黏聚力和摩擦角,对于各向异性明显的土质,应取剪切方位与水平方向垂直时的土体强度参数;σz为土体的自重应力;静止土压力系数取K0=1−sinφ。
文献[11]的研究表明,任意深度z处,桩-土间的相对竖向位移Δs(z)与距桩轴心距离r的对应关系呈非线性关系,如图 2所示。
本文设其关系表达式为
Δs(z)=αr+β, (14) 式中,r的值域为[r0,rm],Δs(z)的值域为[0,ΔS(z)],Δs(z)为深度z处最大桩-土的相对位移,α,β为曲线参数。
已知边界条件为
0=αrm+β, (15) ΔS(z)=αr0+β。 (16) 将式(15),(16)代入到式(14)中,可求得参数:
α=S(z)/S(z)(1r0−1rm)(1r0−1rm), (17) β=S(z)/S(z)(1−rmr0)(1−rmr0)。 (18) 将式(17),(18),代入式(14),求导可得出离桩轴心距r处,桩周土体剪应变的表达式:
∂Δs(z)∂r=−αr2 = ΔS(z)r2(1rm−1r0)=−γ。 (19) 将式(19)代入式(11),可得出桩-土产生相对位移时,影响距离r处,桩周土体剪切模量Gs的表达式:
Gs=1a+bαr2。 (20) 将式(20)代入物理本构方程式(8)得
γ=τGs=τ0r0r(a+bαr2)。 (21) 将式(21)代入式(7),进行积分可得
τ0=ΔS(z)r0[aln(rmr0)+bΔS(z)2(1r0 + 1rm)]。 (22) 至此,便得出考虑桩周土体非线性变形的荷载传递函数。相较式(9)当桩土相对位移较大时,桩侧负摩阻力趋于极值,而不是一直增大,这显然更符合实际情况。
3. 桩身荷载传递计算方法
沿用Seed等[12]提出的桩身荷载传递假定。本文利用桩身单元的静力平衡,建立桩身荷载传递的计算方法。
3.1 桩身变形及沉降量计算
首先,将桩身划分n段。地表下任意深度z处的桩身沉降量sp(z)为:该点以下各分段桩身压缩变形dsi的累计值和桩端沉降量Sb之和,任意桩身沉降量即为
sp(zi)=Sb+dsn+dsn−1+⋯+dsi+1+dsi。 (23) 桩身可视为弹性材料,各分段桩身的受力其压缩变形的表达式为
dsi=Pi+Pi+12ApEpdz, (24) 式中,Ap为桩身截面面积,Ep为桩身材料的弹性模量。
桩端沉降量可按Randolph等[11]提出的计算公式:
Sb=Pn(1−νs)4r0Gs, (25) 式中,Pn为桩端轴力,νs和Gs分别为持力层土体的泊松比和剪切模量。
其中持力层土体剪切模量Gs,可根据其与压缩模量Es的关系推得
Gs=Es2(1+νs)(1−2μs21−νs)。 (26) 3.2 任意位置桩身轴力计算
对每一小段桩身的受力分析,可知:
Pi=Pi+1+τ0(zi)×2πr0×dz。 (27) τ0(zi)为该小段桩侧摩阻力,可利用式(22)进行计算。其中,桩-土相对位移ΔS(zi),可通过桩身沉降量式(23)和桩周土体沉降量式(5)两式求出桩土相对位移的计算公式:
ΔS(zi)=sp(zi)−s(zi)。 (28) 将式(25)和式(27)联立即可得出任意位置处桩身轴力的表达式:
Pi−1=4r0GsSb1−μs+2πr0×n∑i=iτ0(zi)×dz。 (29) 当i=1时,即可求出桩顶作用的载荷P0。利用式(29),通过调整Sb的数值进行迭代,当求得的P0和实际作用在桩顶的载荷相等时为止。
3.3 桩侧摩阻力及中性点位置的计算
利用3.2节迭代调整结束时的Sb值,在式(28)中ΔS(zi)=0时,对应的深度z即为中性点的位置。利用式(28)求得桩土相对位移,通过式(22)给出的荷载传递函数,即求得任意深度处的桩侧摩阻力。
至此,通过该计算方法可以计算出桩侧摩阻力、桩身轴力、桩顶沉降量和中性点的位置。
4. 工程实例验证
为验证该计算方法的合理性,选用文献[2]在自重湿陷性黄土场地开展的现场桩基浸水实测资料进行验证分析。选用未加载编号为S5的试验桩进行分析,该桩长60 m,桩径0.8 m,桩身混凝土强度等级为C35。桩端持力层为砂质黄土,孔隙比e0为0.83;压缩系数α1−2为0.14,其他计算参数文献中未知。通过文献[2]和[10],确定该区域土体的计算参数,列于表 1。
表 1 土体计算参数Table 1. Soil calculation parameters饱和重度ρsat/(kN⋅m−3) 泊松比ν 黏聚力c/kPa 摩擦角φ/(°) 参数k 参数n 18.9 0.4 25.4 23.5 19.3 0.733 通过计算得出中性点的深度为24.5 m,实测的深度为22 m,比实测值偏大,相对误差为11.4%。计算得出桩顶沉降量为7.5 mm,实测沉降量为8.2 mm,比实测值偏小,相对误差为8.5%。计算的桩侧摩阻力和实测摩阻力对比,如图 3所示。
从图 3可以看出,本文计算的桩侧负摩阻力与实测值较为接近;计算的桩侧正摩阻力比实测值偏大,主要原因在于假定计算下限深度he以下土层的沉降量为零,导致计算的桩土相对位移比实际偏大,另外桩周土体的剪切模量和极限抗剪强度随深度增加,较小的相对位移偏差即可导致计算值和实测值存在较大的偏离。综上,本文提出的计算方法,在桩侧负摩阻力和中性点位置计算方面具有一定的合理性。
5. 结论
本文充分考虑桩-土相互作用的非线性,从桩-土相对位移的计算和荷载传递函数的构建出发,通过理论分析给出桩身荷载传递的计算思路,并将计算结果与现场实测值进行对比,得出4点结论。
(1)根据自重湿陷性黄土沿深度分层沉降规律,提出从起始自重湿陷土层至计算下限深度范围内,可基于Boussinesq竖向位移解,利用地基总的沉降量,进行桩周任意深度土层沉降量的计算方法。
(2)通过假定桩-土相对位移沿径向的变化函数和土体剪应力–剪应变的双曲线关系,在剪切位移法的基础上,提出了考虑土的非线性变形和极限抗剪强度的荷载传递函数。
(3)根据荷载传递的思路,建立了桩身荷载传递的计算方法,可以计算出桩侧摩阻力和桩身轴力、桩顶沉降量和中性点位置。
(4)通过与现场桩基浸水试验的实测值进行对比,本文计算的结果与实测值接近,比较符合实际的变化规律。
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图 4 改进前后模型针对文献[1]中钙质砂试样导热系数预测值的对比
Figure 4. Comparison of predicted and measured values of models before and after improvement
表 1 珊瑚砂的颗粒组成
Table 1 Particle-size distribution of calcareous sands
单位:% < 0.075 mm < 0.25 mm < 0.5 mm < 1 mm 2 mm 2.9 29.8 67.8 94.6 100 表 2 改进前后模型对文献[1]中数据拟合的RMSE值
Table 2 RMSE values of models before and after improvement
预测模型 RMSE ρd=1.05 g/cm3 ρd=1.15 g/cm3 ρd=1.25 g/cm3 ρd=1.35 g/cm3 Johansen模型 0.0964 0.1046 0.1530 0.1883 改进的Johansen模型 0.0192 0.0303 0.0437 0.0549 Chen模型 0.1299 0.1477 0.1858 0.2041 改进的Chen模型 0.0439 0.0380 0.0420 0.0477 -
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