基于Excel规划求解和宏命令实现刚性桩单桩承载力验算的快速方法

2021-07-15孙洪月

黑龙江交通科技 2021年6期

孙洪月，李清

(浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江杭州 310000)

1 前言

Excel电子表格软件是一款功能强大的办公处理软件，具有强大的数据处理和分析、图表生成和绘制能力，且界面友好、编辑灵活自由、数据输入、输出清晰透明，内置丰富的计算公式和函数，在工程建设领域已成为工程师处理工程数据不可或缺的工具。同时，其内置Excel VBA二次开发编程语言，可通过编程实现复杂运算，诸如岩土工程领域边坡稳定分析、溃坝洪水分析等复杂的分析运算和图表绘制。

在公路工程软土地基处理方法中，管桩、素混凝土桩等刚性桩是常用的一种处理方法。在刚性桩设计中，桩顶荷载及单桩承载力的验算是必要的步骤，目前国内虽然已开发有非常成熟的商业计算软件可以完全实现上述功能的验算，但商业软件对比于Excel电子表格而言均有一个数据透明度相对不高的弊端，无法清楚的追溯其计算过程，特别是对于岩土工程师而言，分析计算过程是非常重要一环，因此使用Excel编制一个数据可追溯、计算过程透明的程序，对岩土工程师而言更容易接受和使用。在刚性桩桩顶荷载及单桩承载力的计算公式中，最主要的是有待定系数α的求解，采用Excel常规功能需要通过不断试算求出，计算过程繁琐。本文在编制一个标准Excel计算书基础上，介绍通过Excel规划求解和ExcelVBA宏命令实现一键求解的方法。

2 刚性桩桩顶荷载和单桩承载力计算方法

刚形桩桩顶荷载和单桩承载力一般根据规范《JTG/T D31-02-2013公路软土地基路堤设计规范与施工技术细则》中的规定，计算公式如下。

2.1 桩顶上的荷载压力Fcap。

Fcap=

(1)

(2)

γS2H=Fcap(α)+σsu(α)(S2-b2)

(3)

2.2 刚形桩桩体荷载分担比Rp。

(4)

式中:当α<1时，按α实际计算值带入计算，当α|1时，取α=1计算。η为与桩布置形式有关的系数，取1或0.866。

2.3 刚形桩承载力验算

γ0Fcap

(5)

(6)

式中:γ0为建筑物桩基重要性系数，取1.1；R为单桩竖向承载力设计kN；Qsk、Qpk为单桩总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值kN；γs、γp为侧阻抗力分项系数和端阻抗力分项系数，γs=γp，可按规范给出的γs、γp取值表取值。

单桩承载力的验算主要是通过式(5)，验算桩顶荷载压力Fcap是否超过单桩承载力设计值R。其中，单桩承载力设计R根据单桩静载试验或根据土的物理指标与承载力经验公式确定；桩顶荷载压力Fcap的计算，需先根据公式(3)求解待定系数α，而公式(3)是α的非线性代数方程，采用常规方法难以求得。

3 基于规划求解功能实现求解的方法

一个程序是否易被接受和使用，其操作和阅读界面的友好性至关重要，对于Excel使用者来说，更是如此。笔者首先介绍一个刚性桩单桩承载力计算的标准Excel电子表格计算书，并再此基础上说明规划求解的实现方法。

3.1 标准化Excel电子表格计算书的编制

电子表格计算书分为项目信息区、计算参数输入区、计算过程区、计算结果输出区。项目信息区说明项目名称，工点概况等信息。计算参数输入区明桩身直径、桩长、桩型布置、桩间距，路基填高、填料容重、内摩擦角，以及其他必要的计算参数等信息。计算过程区说明单桩承载力计算有关的土层物理指标，桩顶荷载压力计算过程和相关计算公式等。计算结果输出区说明桩顶荷载压力、荷载分担比和单桩承载力设计值等计算结果，并判断桩基设计是否满足设计要求。该电子表格计算书输入输出清晰简单，计算过程透明，同时以A4纸张大小进行布局，打印美观、方便。