(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111357228.2 (22)申请日 2021.11.16 (71)申请人 中国长江三峡集团有限公司 地址 100038 北京市海淀区玉渊潭南路1号 申请人 建研科技股份有限公司 (72)发明人 于光明　陈美合　王卫　张泽超　 张博　代加林　祝文龙　 (74)专利代理 机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 代理人 余山 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于有限元软件与荷载传递法联合的 单桩计算方法 (57)摘要 一种基于有限元软件与荷载传递法联合的 单桩计算方法， 它包括以下步骤： 步骤1： 根据地 勘报告建立土体几何模型， 计算地表 堆载作用下 各土层的应力变化过程； 步骤2： 从有限元计算结 果中提取某一时刻对应的土体有效应力和沉降 数据； 步骤3： 通过荷载传递曲线法对给定时刻下 桩基轴向承 载响应进行计算。 本发 明的目的是为 了解决现有技术中堆载作用下土体应力、 沉降变 化的短期效应和长期效应对单桩轴向承载力影 响的计算难题。 权利要求书3页 说明书8页 附图7页 CN 114154213 A 2022.03.08 CN 114154213 A 1.一种基于有限元软件与荷载传递法联合的单桩计算方法， 其特征在于， 它包括以下 步骤： 步骤1： 根据地勘报告建立土体几何模型， 计算地表堆载作用下各土层的应力变化过 程； 步骤2： 从有限元计算结果中提取某一时刻对应的土体有效应力和沉降数据； 步骤3： 通过荷载传递曲线法对给定时刻下桩基轴向承载响应进行计算。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 在步骤1中， 根据工程现场地质勘查报告， 通过有限元软件建立几何模型， 赋予不同地层相应的本构模型、 渗透系 数、 孔隙比等， 计算 堆载作用下土体内部响应。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特 征在于， 在步骤1中， 具体包括以下步骤： 步骤1)根据工程现场地质勘查报告， 考虑堆载作用下土体的固结、 蠕变等特性， 在有限 元软件中建立土体的数值模型进行计算， 软件可采用Abaqus、 Flac3D及Plaxis3D等有限元 程序， 此处以Abaqus软件计算土体固结行为为例阐述， 在Abaqus软件Part模块中建立二维 或三维几何模型， 在Property模块中赋予不同土层相应的本构模型， 并给定固结分析所需 参数， 然后对 模型进行组装； 步骤2)在Abaqus分析步Step模块 中分别建立地应力平衡、 堆载施加、 固结分析步， 在菜 单栏Output下选中Fieldoutputrequests， 设定计算所需输出变量， 然后建立位移边界条件 和孔压边界条件， 施加地表堆载并在预定义场中设置 土体孔隙比； 步骤3)划分土体几何模型为六面体网格， 土层深度 方向网格划分厚度与后续荷载传递 程序中桩段划分数 须一致， 建立Job并提交计算， 获取堆载作用下土体内部响应。 4.根据权利要求1至3其中之一所述的方法， 其特征在于， 在步骤1中， 若考虑堆载作用 下桩周土体的蠕变效应， 进行土体响应分析， 建立土体几何模型， 对土体赋予蠕变本构模 型， 设置边界条件， 划分六面体网格， 提交计算获得 结果文件。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 在步骤2中， 具体包括以下步骤： 步骤1)打开计算结果文件， 输出所需位置沿深度每个节点的土体竖向有效应力和节点 沉降变形， 分列保存在.csv格式的输入文件； 步骤2)打开基于Python语言编制的单桩轴向承载力计算程序， 调用.csv输入文件， 将 土体竖向有效应力和土体沉降变形数据分别指定给计算程序对应的竖向有效应力和土体 沉降变形两个 变量。 6.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 在步骤3中， 对于任意给定时刻， 通过迭代 求解算法获得 所有桩节点的轴力、 侧摩阻力、 桩身变形， 具体步骤如下： 1)根据土层的分层情况将嵌入土体的桩划分为k段， 每个桩段再划分M个微段， 同时桩 顶施加上部结构传递的竖向荷载； 2)假定微小量作为第一段桩桩头变形 初始值， 对应节点编号i＝0， 该节点剪应力 按照如下双曲线模型计算： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114154213 A 2式中： 为第一段桩第i节点在第一轮迭代获得的桩侧剪应力； 为第一段桩第 i节点在第一轮迭代中的桩土相对位移， 按 计算； 为第一段桩第i节点 在第一轮迭代的桩身变形； St1(i)为第一段桩第i节点相邻土体沉降； ks1(i)为第一段桩第i 节点桩侧剪切刚度， 按照ks1(i)＝Gsoil1(i)/(r0ln(rm/r0))计算， Gsoil(i)为桩周土的剪切模 量； r0为桩的半径； rm为最大影响半径； 3)计算相邻节点桩身轴力 按照公式 计算， 编号为1 的桩节点沉降按照公式 计算， 该节点摩阻力按 公式 计算； 4)将第一桩段由桩顶向下按照公式 依次计算第2节 点至第n节点的桩身轴力、 桩身变形以及桩侧剪应力； 5)随后计算第二桩段的内力和变形， 第二桩段第0节点沉降和轴力与第一桩段最后一 节 点 相 等 ，将 第 二 个 桩 段 由 上 向 下 按 照 公 式 依次计算其余 节点的桩身轴力、 桩身变形以及 桩侧剪应力； 运用同样的方法将第三至第k所有桩段计算完 毕， 最后可获得第一轮迭代后的桩端轴力 和桩端沉降 6)根据上一步计算获得的桩端轴力按照桩端边界条件公式 计算获得新的桩端沉降 式中： Gb为桩端土剪切模量； vs为桩端土泊松比； wcb(1)为桩端相 邻节点桩周土体沉降； αb为桩端承载力水平系数； 7)若基于假定桩顶变形计算的桩端沉降 和按照桩端边界条件计算的桩端沉降 两者之间误差小于容许误差， 即 说明在第一步中假定的桩顶变 形 是满足要 求的； 否则， 需假定新的桩顶 变形 并重复多次迭代直到第i轮迭代 计 算的沉降误差 即停止迭代， 输出桩身各节点轴力、 侧摩阻力、 桩身变 形等数据。 7.一种对 桩基轴向承载响应进行计算的方法， 其特 征在于， 它包括以下步骤： 1)根据土层的分层情况将嵌入土体的桩划分为k段， 每个桩段再划分M个微段， 同时桩 顶施加上部结构传递的竖向荷载； 2)假定微小量作 为第一段桩桩头变形 初始值， 对应节点编号i＝0， 该节点剪应力权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114154213 A 3