CSU基础工程讲稿7-1.ppt

第 6 章 桩 基 础 Chapter 6 Pile Foundation,第1节 概述 第2节 桩的分类及构造 第3节 竖向荷载下的单桩 第4节 横向荷载下的单桩 第5节 单桩承载力的确定 第6节 桩基础的荷载传递 第7节 群桩基础内力和位移计算分析 第8节 群桩作用和桩基的竖向承载力 第9节 桩基础设计,基础的类型,第6章 桩基础 Chapter 6 Pile Foundation,基 础 面 积 加 大,基 础 加 深,第1节 概 述,当场地浅层土质不满足地基承载力和变形的要求；不宜采取地基处理措施时，考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深基础方案，而桩基础是应用最为广泛的一类深基础。 深基础与浅基础的区别: 深度（相对于支撑面积）；侧摩阻力(由于非基坑开挖所致);施工方法（非基坑方法）,概念 桩土层中/垂直或微倾杆件/荷载传递到侧壁深部的基础 单桩独立的单一的一根桩,群桩中性能不受相邻桩影响的一根桩 基桩群桩中相互影响的一根桩 桩基础由基桩和连接于桩顶的承台共同组成基础。承台把桩联结起来并承受上部结构的荷载，通过基桩传递到桩侧和桩底的地基中,第1节 概 述,优越性 承载力高 沉降小而均匀 用料较省 机械化程度高 广泛适用于各类地层条件,第1节 概 述,应用范围 (1)软弱特殊土上的永久建筑物，不允许过大沉降和沉降差； (2)高重建筑物，地基承载力不能满足设计需要； (3)桥梁、烟囱、输电塔等，承受较大水平和上拔力； (4)精密或大型设备，需要减小基础振动对结构的影响； (5)地震区，桩基作为结构抗震措施或穿越可液化地基； (6)水上基础，当施工水位较高或河床冲刷较大，采用浅基础施工困难或不能保证基础安全。,第1节 概 述,1 按桩身材料分类,第2节 桩的分类及构造,桩的材料分类,木桩,混凝土桩,钢桩,组合桩,预制混凝土桩,现场灌注桩混凝土桩,一、桩的分类,2 按桩承载性能（土对桩的支撑特点）分类 (1)摩擦桩 Shaft friction (2)端承桩 End bearing (3)摩擦端承桩 (4)端承摩擦桩,第2节 桩的分类及构造,第2节 桩的分类及构造,第2节 桩的分类及构造,3 按成桩（地点）方式分类,(VEDIO1),(VEDIO2),(1).非挤土桩：钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩 (2).部分挤土桩：冲击成孔、预钻孔打入式预制桩、混凝土管桩、H型钢桩、敞口钢管桩等 (3).挤土桩：沉管灌注桩、打入、静压实心预制桩、闭口钢管桩,4、按设置效应（成桩方式对土层的影响）分类,第2节 桩的分类及构造,第2节 桩的分类及构造,5、按设置方向分类,(1) 竖直桩vertical piles (2) 斜 桩 raking piles,第2节 桩的分类及构造,6、 按承台底面位置分类,(1).小桩d250mm (2).中等直径桩 250mmd800mm (3).大直径桩d800mm,7、 按桩径大小分类,第2节 桩的分类及构造,二、各类桩的主要特点 1. 振动、噪声-锤击或振桩、沉管灌注桩钻孔桩静压桩 2. 挤土效应_钢筋混凝土桩、沉管灌注桩钻孔挖孔灌注桩 3. 沉桩能力_钻孔灌注桩钢桩预制钢筋混凝土桩 4. 施工应力_ 预制桩的配筋灌注桩 5. 质量稳定性_预制桩的接头的薄弱环节，沉桩的挤土效应可使先打设的桩被抬起，如果接桩不牢固，会使上下两节桩脱开。沉管灌注桩的挤土效应也可能使混凝土桩被剪断，对策是采取“跳打”,第2节 桩的分类及构造,第3节 单桩轴向荷载,第3节 单桩轴向荷载,单桩 承载力,上部 结构 荷载,桩顶 荷载,桩顶 荷载 Q H M,承 台,地基,桩顶轴向 位移,传递方程,桩顶位移,侧摩 阻力,桩底土 变形,桩身轴向 弹性变形,=,+,桩顶 轴向 荷载Q,桩身 位移,桩端 阻力,桩身材料强度 土对桩的支撑,+,边界条件,桩身弯矩 剪力M Q,第3节 单桩轴向荷载(书中第四节）,单桩轴向荷载的传递 桩侧摩阻力和桩端阻力影响因素 桩的轴向刚度系数变形 桩侧负摩阻力 单桩承载力确定方法 （第四节）,机理,承载力,第3节 单桩轴向荷载,T,桩基础上承受的荷载的种类,一般而言，上部结构由承台传给基桩的荷载分为： (1) 竖向荷载（Q、T） (2) 横向荷载（H、M）,第3节 单桩轴向荷载,第3节 单桩轴向荷载,横向荷载（H、M）下桩的内力与变位分析，主要涉及弯矩和剪力的计算，将在第5节讲述,+,H,M,Q,=,第3节 单桩轴向荷载,单桩轴向荷载的传递 桩身轴力与侧摩阻力和端阻力 桩侧摩阻力和端阻力关系 荷载传递基本方程,主要内容,单桩轴向荷载的传递,桩侧摩阻力和桩端阻力影响因素,桩的轴向刚度系数,桩侧负摩阻力,桩的抗拔力,1 单桩轴向荷载的传递 桩身轴力 截面位移 轴向荷载向下传递 桩侧摩阻力 传递到下部轴力减小 桩底 底土层压缩变形 两部分压缩变形 构成桩顶轴向位移,一 单桩轴向荷载的传递,第3节 单桩轴向荷载,单桩轴向荷载的传递 桩身轴力与侧摩阻力和端阻力 桩侧摩阻力和端阻力关系 荷载传递基本方程,nh,P,FX,FX,第3节 单桩轴向荷载,elastic plastique,elastic plastique,elastic plastique,elastic plastique,elastic plastique,elastic plastique,h1,limited plastique,elastic plastique,elastic plastique,plastique,plastique,end point élastique,h1=h,h1,y0,P,P0,P1,P2,P3,h1= 0,h1= h,土对单桩轴向荷载支撑,桩侧摩阻力Qsu Side friction,桩端阻力Qpu Toe bearing,摩擦力f Friction force,粘聚力c Cohesion,第3节 单桩轴向荷载,0,15.0,26.7,43.7,60.1,Q(kN),D(m),第3节 单桩轴向荷载,2 桩身轴力与侧摩阻力和端阻力 桩顶荷载 桩身压缩变形 桩土界面相对位移 产生摩阻力 桩身截面的轴向力随深度逐渐减小 传至桩底截面的轴向力与桩底支承反力（即桩端阻力）大小相等、方向相反,第3节 单桩轴向荷载,3 桩侧摩阻力和端阻力关系 桩身上部土层的摩阻力先于下部土层发挥出来，桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来. 桩底土层压缩变形 桩端位移 加大桩侧摩阻力,第3节 单桩轴向荷载,第3节 单桩轴向荷载,4 荷载传递基本方程,任一深度z桩身截面的荷载为,竖向位移为,第3节 单桩轴向荷载,桩侧摩阻力是桩侧与桩周土相对位移的函数，可用曲线OCD表示，常简化为折线OAB。一旦桩土界面相对滑移超过某一极限值，侧摩阻力保持极限值不变,桩端阻力发挥效应,由于桩端持力层的大量压缩和塑性变形，位移增加速度显著增大，直至桩端阻力达到极限，位移增大至破坏。此时，桩达到其极限承载力。,二 桩侧摩阻力和桩端阻力影响因素,第3节 单桩轴向荷载,桩截面位移,桩侧摩阻力,O,C,D,A,B,由此可见，桩侧和桩端阻力的发挥，需要一定的桩土相对位移，即桩侧和桩端阻力是桩土相对位移的某种函数，这种特定的函数关系，通常称之为荷载传递函数。实际的荷载传递函数比较复杂，与土层性质、埋深、桩径等有关，一般需要对其进行简化。荷载传递函数主要的特征参数是极限摩阻力和对应的极限位移。,第3节 单桩轴向荷载,桩侧摩阻力得到充分的发挥-相对位移小 一般认为粘性土中为46mm，砂性土中为610mm,1 桩侧极限摩阻力与对应的桩侧极限位移,2 桩端阻力与对应的桩端极限位移 桩底阻力充分发挥-位移值大 在粘性土中约为桩底直径的25，在砂性土中约为810，对于钻孔桩，由于孔底沉渣压缩的影响，发挥端阻极限值所需位移更大。,第3节 单桩轴向荷载,第3节 单桩轴向荷载,3. 桩侧、桩端阻力的荷载分担比与桩的分类 桩侧、桩端阻力的荷载分担情况，除了与桩侧、桩端土的性质有关以外，还与桩土相对刚度、长径比l/d有关。 按桩侧阻力与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比，将桩分为摩擦型桩和端承型桩两大类和四个亚类。,（1） Nb随长径比l/d增大而减小，桩身下部侧阻的发挥相应降低 （2）桩端土与桩侧土相对刚度Rbs（Rbs定义为桩端土与桩侧土的压缩模量或变形模量之比）的增大而增大 （3）桩与桩侧土的相对刚度大，桩端阻力大 （4）对扩底桩，增大扩底直径与桩身直径之比D/d，桩端分担的荷载可以提高,第3节 单桩轴向荷载,4、桩侧、桩端阻力的荷载分担比影响因素,第3节 单桩轴向荷载,三 桩的轴向刚度系数（Axial stiffness of pile）,s0=se+sb,桩顶轴向位移 S0,桩身弹性压缩变形se 桩底处地基土的沉降sb,桩土界面导致侧摩阻力扩散，在桩底处的扩散面积为A0,第3节 单桩轴向荷载,A0,Ap,Q,C0=m0h为竖向地基抗力系数，按m法取值，对端承桩A0=A,l0,l,第3节 单桩轴向荷载,桩底面地基土竖向抗力系数c0=m0h m0桩底地基土竖向抗力系数的比例系数，kN/m4，取m0=m ； h桩的入土深度(m)，h小于10m时，按10m计算。,第3节 单桩轴向荷载,负摩阻力的概念 负摩阻力的分布特性 负摩阻力的确定 减小负摩阻力的工程措施,四、桩侧负摩阻力 Negative Skin Friction,第3节 单桩轴向荷载,桩负摩阻力，就是当桩身穿越软弱土层支承在坚硬土层上，当软弱土层因某种原因发生地面沉降时，桩周围土体相对桩身产生向下位移，这样使桩身承受向下作用的摩擦力，软弱土层的土体通过作用在桩侧的向下的摩擦力而悬挂在桩身上;这部分作用于桩身的向下摩擦力，称为负摩阻力。,1. 负摩阻力的概念与原因,第3节 单桩轴向荷载,桩周土沉降速率或沉降量大于桩下沉速率或沉降量，桩侧土体对桩产生与桩的位移方向一致的摩擦力。 1）桩侧地下水位下降使土层产生固结下沉； 2）桩侧附近大面积堆载使桩侧土层压缩； 3）桩侧有较厚的欠固结土层或新填土，因固结产生下沉； 4）饱和软土中打入桩群，产生超孔隙水压力，随超孔隙水压力消散，因固结引起桩侧土体下沉； 5）湿陷性黄土、季节性冻土或可液化土层内的桩，因重新固结原因引起下沉。,第3节 单桩轴向荷载,2. 负摩阻力的分布特性,中性点 在深度ln以上，桩受负摩阻力作用；在ln深度以下，桩受正摩阻力。在ln处，既无负摩阻力也无正摩阻力，该点为中性点。中性点截面处桩身轴力最大,第3节 单桩轴向荷载,第3节 单桩轴向荷载,桩侧下沉量可能在某一深度处与桩身的位移量相等。在此深度以上桩侧土下沉大于桩的位移，桩身受到向下作用的负摩阻力；在此深度以下，桩的位移大于桩侧土的下沉，桩身受到向上作用的正摩阻力。正、负摩阻力变换处的位置，即称中性点。中性点位置取决于桩与桩侧土的相对位移，与作用荷载和桩周土性质有关。精确计算出中性点位置是比较麻烦和困难的,可按经验值确定。,3. 中性点及其位置的确定,影响中性点深度ln的主要因素： 1）桩端持力层的刚度越大，则ln愈大； 2）桩周土层的变形性质和应力历史； 3）当负摩阻力系由沉桩后外部条件变化所致，则条件变化幅度和范围愈大，ln愈大； 4）桩的长径比愈小、截面刚度愈大，则ln愈大； 5）在桩承受荷载过程中，随承受荷载及沉降的增加，ln逐渐变小。,第3节 单桩轴向荷载,负摩擦力大小的确定关键在于确定中性面，计算按模型假设和常规的侧阻力计算一样，国内、外规范一般只提有效应力法 （a）总应力法法 （b）有效应力法法,第3节 单桩轴向荷载,4. 单桩负摩阻力的计算,4. 单桩负摩阻力的计算,当降低地下水位时，位于降水后地下水位以下第i 层土平均竖向有效压力：,当降低地下水位时，位于降水后地下水位以上第i 层土平均竖向有效压力：,当地面作用满布均布荷载时：,建筑桩基技术规范（JGJ94-94）推荐采用有效应力法计算单桩负摩阻力标准值：,桩侧总的负摩阻力Qn为：,软土或中等强度粘土可按下式估算负摩阻力标准值,第3节 单桩轴向荷载,砂类土也可按下式估算负摩阻力标准值 ：,4. 消减负摩阻力的工程措施 原则：,第3节 单桩轴向荷载,桩土截面位移,桩侧摩阻力,O,C,D,A,B,（1）桩侧涂层法：在可能产生负摩阻力范围的桩段，桩侧涂沥青等降低土与桩身摩擦。,第3节 单桩轴向荷载,第3节 单桩轴向荷载,什么地方错了？,（2）预钻孔法：在桩位预钻孔，然后桩插入，在桩周围灌入膨润土混合浆，一般适用于黏性土地层 （3）双重套管法：在桩外侧设置套管，用套管承受负摩阻力的方法 （4）设置消减负摩阻桩群,第3节 单桩轴向荷载,（5）地基处理：对于松散填土、欠固结土层，采用预固结法、强夯法等使土层密实、充分固结；对于湿陷性黄土采用浸水、强夯方法消除湿陷 （6）其他方法：在饱和软土地区，选择非挤土桩或部分挤土桩，对挤土型桩，适当增加桩距，选择合理的打桩流程，控制沉桩速率及打桩根数，打桩后休止一段时间后再施工基础及上部结构；对于周边有大面积抽吸地下水或降水情况时，在桩群周围采取回灌等方法来达到消减或避免负摩阻力的产生,第3节 单桩轴向荷载,作用：当地下结构的重量小于所受浮力(地下车库、水池放空时)，或高耸结构(输电塔等)受到较大的倾覆弯矩时，需要设置抗拔桩基础。 拔极限承载力标准值确定：可通过现场单桩上拔载荷试验确定，单桩上拔静载荷试验方法与抗压静载荷试验方法相似。如无当地经验时，群桩基础及基桩的抗拔极限承载力标准值可计算。,五 桩基的抗拔承载力计算,第3节 单桩轴向荷载,第3节 单桩轴向荷载,单桩或群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算：,抗拔系数，砂土0.500.70，粘性土、粉土0.70.8 。,按材料强度确定 按单桩竖向抗压静载试验法确定 按土的抗剪强度指标确定 按静力触探法确定 按经验公式法确定 按动力试桩法确定 （略） 桩的抗拔承载力（略） 单桩竖向承载力特征值,第4节 单桩承载力的确定（书中第八节）,五 单桩承载力确定方法,桩的承载力取决于桩身材料的强度和土对桩的支撑,对于摩擦型桩，桩端持力层地基反力系数ks值很小，23直线段近似于竖直线，一般属整体破坏,Qs曲线在点2处不出现明显拐点 ； 对于端承型桩，桩端阻力占承载力的比例较大，ks值较大，一般属刺入破坏,Qs曲线陡降;,单桩的破坏模式,对于端承桩和桩身有缺陷的桩，在土阻力尚未充分发挥情况下，出现桩身材料破坏，Qs曲线也呈陡降型。,第4节 单桩承载力的确定,按材料强度计算单桩竖向承载力时，将桩视为一轴向受 压构件，混凝土桩单桩竖向承载力设计值公式： 式中： 单桩竖向承载力设计值； 混凝轴心受压构件的稳定系数； 混凝土轴心抗压强度设计值； 纵向受力钢筋的抗压强度设计值； 桩身横截面面积； 纵向受力钢筋的截面面积。,第4节 单桩承载力的确定,(a) 锚桩横梁反力装置； (b) 压重平台反力装置,第4节 单桩承载力的确定,静载荷试验(Static load test) 试验设备(Test device)反力设备、加载设备和记录 终止加荷条件(Condition for stop to load) 极限承载力的确定(Determination of ultimate bearing capacity),第4节 单桩承载力的确定,第4节 单桩承载力的确定,国外广泛采用基于土力学原理的单桩极限承载力公式 Pu Psu Ppu (GApl) G桩的重力；Apl与桩同体积土重，当=Apl时 ： Pu Psu Ppu Psu与Ppu的计算，国外学者提出了计算公式,第4节 单桩承载力的确定,静力触探与桩打入土中的过程基本相似，可把静力触探视为小尺寸打入桩模拟试验。建筑桩基规范提出，当按双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值Puk时，无当地经验时可按下式计算 Puk qcAp Uli i fsi 粘性土和粉土 i 10.04（fsi）-0.55 砂性土 i 5.05（fsi）-0.45 各符号的含义见P. 273,第4节 单桩承载力的确定,一般预制桩及中小直径灌注桩 对预制桩和直径d800mm的灌注桩，单桩竖向极限承载力标准值Puk可按下式计算： 大直径灌注桩 大直径桩的侧阻及端阻要考虑尺寸效应 各符号的含义见P.273。对于混凝土护壁的大直径挖孔桩，计算单桩竖向承载力时，其设计桩径取护壁外直径。,第4节 单桩承载力的确定,地基基础设计规范要求 （1）荷载效应基本组合,（2）地震作用效应基本组合,铁路桥涵地基和基础设计规范TB10002.5-2005要求,单桩竖向承载力特征值单桩承载力检算,N-桩竖向承载力特征值,建筑桩基规范要求 正在修订中,第4节 单桩承载力的确定,地基基础设计规范的单桩竖向承载力特征值是表示正常使用极限状态下的单桩竖向承载力值。 单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值N应按单桩竖向抗压极限承载力统计值的一半取值 铁路桥涵地基和基础设计规范TB10002.5-2005采用，不同桩型不同的允许承载力P的计算公式,第4节 单桩承载力的确定,单桩 承载力,上部 结构 荷载,桩顶 荷载,桩顶 荷载 Q H M,承 台,地基,桩顶轴向 位移,传递方程,桩顶位移,侧摩 阻力,桩底土 变形,桩身轴向 弹性变形,=,+,桩顶 轴向 荷载Q,桩身 位移,桩端 阻力,桩身材料强度 土对桩的支撑,+,边界条件,桩身弯矩 剪力M(z),Q(z),第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),土抗力,在力学图示下，求解Z处的XZ,Z,MZ和QZ,H,M,ü,û,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),x,z,H,M,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),基本概念,m法计算桩的内力和位移,基本概念 土的弹性抗力及其分布规律 单桩、单排桩与多排桩 桩的计算宽度 刚性桩与弹性桩 “m”法计算桩的内力和位移 计算参数 分析问题的方法 结果分析 算例,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),桩在横向荷载作用下桩身的内力和位移计算，桩侧土普遍采用文克尔假定，通过求解挠曲微分方程，结合力平衡条件，求出桩内力和位移，称为弹性地基梁法,一 基本概念,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（一）土的弹性抗力及其分布规律 1土抗力 在荷载作用下桩产生位移及转角，使桩挤压桩侧土，桩侧土必然对桩产生一横向土抗力，它起抵抗外力和稳定桩基础的作用，称为土的弹性抗力 横向土抗力，kN/m2 c地基系数，kN/m3 深度Z处桩的横向位移，m,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),2影响土抗力的因素 （1）土体性质 （2）桩身刚度 （3）桩的入土深度 （4）桩的截面形状 （5）桩距及荷载,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),3地基系数及确定方法 地基系数c表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所 需施加的力，单位为kN/m3或N/m3。 地基系数大小与地基土的类别、物理力学性质有关，地基系 是通过对试桩在不同类别土质和深度，进行实测及后反算得到,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（二）单桩、单排桩与多排桩 1单排桩的概念与力的分配 与水平外力H作用面相垂直的平面上，仅有一根或一排桩的 桩基础。 对于单排桩，桥墩作纵向验算时，若作用于承台底面中心的 荷载为N、H、My ，当在单排桩方向无偏心时，可以假定它平均 分布在各桩上,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),2多排桩概念及力的分配 在水平外力作用垂直平面内有一根以上桩 的桩基（对单排桩作横桥向验算时也属此情 况） 不能直接应用单排桩公式计算各桩顶上的 作用力，须应用结构力学方法另行计算,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（三）桩的计算宽度 1定义 计算桩的内力与位移时不直接采用桩的设计宽度（直径）， 而是换算成实际工作条件下相当于矩形截面桩的宽度b1，b1称 为桩的计算宽度 2采用计算宽度的原因 为了将空间受力简化为平面受力，并综合考虑桩的截面形状 及多排桩桩间的相互遮蔽作用,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),3计算方法 现行规范认为计算宽度的换算方法可用下式表示 b0=Kf×Ko×K×b(或d) 分别考虑了形状、受力和各桩间的相互影响 b(或d)-与外力H作用方向垂直平面上桩的宽度（或直径） Kf-形状换算系数。即在受力方向将各种不同截面形状的 桩宽度，乘以Kf 换算为相当于矩形截面宽度 Ko-受力换算系数。即考虑到实际上桩侧土在受水平荷载时为空间受力问题，简化为平面受力时所给的修正系数,·,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),K各桩间的相互影响系数。当水平力作用平面内有多根桩 时，桩柱间会产生相互产生影响。为了考虑这一影响，可将 桩的实际宽度（直径）乘以系数K，其值按下式决定： L10.6h1时 K=1.0； L10.6h1时,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),L1与外力作用方向平行的一排桩的桩间净距 h1地面或局部冲刷线以下桩的计算埋入深度，h1值不得 大于桩的入土深度（h） h1=3(d+1) d 桩的直径，m 根据与外力作用方向平行的所验算的一排桩的桩数而定的系数。当n=1，2，3和4时， =1,0.6,0.5和0.45,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（四）刚性桩与弹性桩 按桩与土的相对刚度，桩分为刚性桩和弹性桩。 1弹性桩 当桩的入土深度 时，这时桩的相对刚度小，必须考虑桩的实际刚度，按弹性桩来计算。 称为桩的变形系数,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),2刚性桩 当桩的入土深度 h 时，则桩的相对刚度较大，计算时认为属刚性桩 按照沉井方法进行承载能力和稳定性设计,（m-1）,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（一）计算参数 地基土水平抗力系数的比例系数m值宜通过桩的水平静 载试验确定。但由于试验费用、时间等原因，某些建筑物不 一定进行桩的水平静载试验，可采用规范提供的经验值。,二 “m”法计算桩的内力和位移,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),非岩石类土的比例系数m值,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),1、由于桩的水平荷载与位移关系是非线性的，即m值随荷载与位移增大而有所减小。因此，m值的确定要与桩的实际荷载相适应。一般结构在地面处最大位移不超过10mm，对位移敏感的结构、桥梁工程为6mm。位移较大时，应适当降低表列m值。,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),2.基桩侧面由2种土层组成时，从地面或局部冲刷线起，由面积等效法，求主要影响深度hm=2(d+1)米内的平均m值作为整个深度内的m值,对于刚性桩，hm采用整个深度h。,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),3承台侧面地基土水平抗力系数cn cn=mhn m承台埋深范围内地基土的水平抗力系数，N/m4 hn承台埋深，m,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),4地基土竖向抗力系数c0、cb和地基土竖向抗力系数的比 例系数m0 （1）桩底面地基土竖向抗力系数c0 c0=m0h m0桩底面地基土竖向抗力系数的比例系数，kN/m4，近似取m0=m ； h桩的入土深度(m)，h小于10m时，按10m计算。,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（2）承台底地基土竖向抗力系数cb cb=m0hn 式中：hn承台埋深(m)，当hn小于1m时，按1m计算。,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（二）符号规定（力和位移的符号规定）： （1）横向位移顺x轴正方 向为正值； （2）转角逆时针方向为正 值； （3）弯矩当左侧纤维受拉 时为正值,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（三）桩的挠曲微分方程的建立及其解,桩顶与地面平齐（Z=0），桩顶作用水平荷载H0及弯矩M0，桩发生弹性挠曲，桩侧土将产生横向抗力zx。挠度与分布荷载q之间的挠曲微分方程为,E、I分别为梁的弹性模量及截面惯矩,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),分布荷载是桩侧土的抗力,可以得到桩的挠曲微分方程为 E、I分别为桩的弹性模量及截面惯矩 桩侧土抗力， ，C为地基系数 b1 桩的计算宽度 xz桩在Z深度处的横向位移,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),将上式整理可得 桩的变形系数或特征值（1/m），,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),运用材料力学中有关梁的挠度与转角、弯矩和剪力之间 的关系,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),用幂级数展开的方法求出桩挠曲微分方程的解。若地面处即z=0处，桩的水平位移、转角、弯矩和剪力分别以 、 、 和 表示，则桩身任一截面的水平位移为,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),对xz求导计算，并通过归纳整理后，便可求得桩身任截 面的转角、弯矩及剪力的计算公式：,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),根据土抗力的基本假定，可求得桩侧土抗力的计算公式：,Ai、Bi、Ci、Di（i=14）为16个无量纲系数，根据不同的换算深度 已将其制成表格可查,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),在桩的内力、位移和土抗力的五个基本公式中均含 有 、 、 、 这四个参数。其中 、 可由已知 的桩顶受力情况确定，而另外两个参数则需根据桩底边界条 件确定 由于不同类型桩的桩底边界条件不同，应根据不同的边 界条件求解,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),摩擦桩、端承桩在外荷作用下，桩 底将产生转角 时，桩底的抗力情况如图 所示，与之相应的桩底弯矩值为(边界条件 1),。,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),由于忽略桩与桩底土之间的摩阻力,另一个边界条件: Qh=0， 将两个边界条件代入微分方程得到,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),解以上联立方程即得桩顶的位移和转角,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩), 对于桩底嵌固于未风化岩层内有足够的深度时，可根 据桩底位移和转角等于零这两个边界条件，联立求解得,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),大量计算表明，h4.0时，桩身在地面处的位移、转 角与桩底边界条件无关，因此h4.0时，嵌岩桩与摩擦桩 （或端承桩）计算公式均可通用。 求得 、 后，便可连同已知的 、 一起求得 桩在地面以下任一深度的内力、位移及桩侧土抗力,、,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（四）简捷计算方法 按上述方法，用基本公式计算其计算工作量相当繁重。 当桩的支承条件入土深度符合一定要求时,可利用比较简捷 计算方法来计算,即所谓的无量纲法。,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),对于h2.5的摩擦桩或h3.5的端承桩,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),Ax、Bx、A、B、Am、Bm、AQ、BQ为无量纲系数，均为h和z的函数,对于h2.5的嵌岩桩，整理得,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),由上式可简捷地求得桩身各截面的水平位移、转角、弯 矩、剪力以及桩侧土抗力。由此便可验算桩身强度，决定配 筋量，验算桩侧土抗力及其墩台位移等,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（五）桩身最大弯矩位置和最大弯矩的确定 为检验桩的截面强度和配筋，需要找出弯矩最大的截面所在的位置相应的最大弯矩值，将各深度处的Mz值求出后绘制z-MZ图 在最大弯矩截面处，其剪力等于零，因此QZ=0处的截面为最大弯矩所在位置,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),令,CH及DH也为与 有关的系数，当 4.0时，按表查得,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),桩身最大弯矩为,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),（六）桩顶位移的计算 对于出露地表以上的桩 需要计算地表以上的桩 的内力与位移,逆时针为正，所以式中 用负号,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),H1,M1,H1,M1,M1,H1,考虑剪切力的平移，,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),露出段作为下端嵌固、跨度为lo的悬臂梁计算而得,第5节 横向荷载下的单桩 (单排桩),一、单排桩情况,第6节 桩基础荷载传递,当竖向力N在单排桩方向（y轴方向上）有偏心距e时，便产生绕X轴的附加弯矩，即Mx=Ne，因此每根桩上的竖向作用力可按偏心受压计算,第6节 桩基础荷载传递,第6节 桩基础荷载传递,方法：一般将外力作用平面内的桩作为一平面框架，用结构位移法解出各桩顶上的作用力Pi、Qi、Mi后，即可应用单桩的计算方法来进行桩的承载力与强度验算。 目标：计算群桩在外荷载N、H、M作用下各桩桩顶的Pi、Qi、Mi的数值。 思路：先要求得承台的变位，并确定承台变位与桩顶变位的关系然后再由桩顶的变位来求得各桩顶受力值。,二、多排桩情况,第6节 桩基础荷载传递,找出基础（形心）重心位置，荷载向基础（形心）重心平移，建立平衡方程，找出各桩变形协调条件,第7节 群桩基础内力与位移计算,计算假定条件： ()多排桩基础外力作用于承台对称平面内(空间问题简化为平面问题) ()承台与桩头为刚性联结,各桩的相对位置不尽相同，桩顶在外荷载作用下的变位 就会不同，外荷载分配到各个桩顶上的荷载Pi、Qi、Mi也就 不同。 因此，不能再用单排桩的办法计算多排桩中基桩桩顶的荷载Pi、Qi、Mi值,第7节 群桩基础内力与位移计算,一般将外力作用平面内的桩看作平面框架，用结构位移法解出各桩顶上的荷载Pi、Qi、Mi值。就可以应用单桩的计算方法解决多排桩的问题了，也就是说，把多排桩的问题化成单排桩,第7节 群桩基础内力与位移计算,三 承台变位及桩顶变位,假设承台为一绝对刚性体，承台底面中心点O在外荷载 N、H、M 作用下产生横轴向位移a0、竖向位移b0及转角0。 其中a0 、 b0以坐标轴正向为正，0以顺时针转动为正,第7节 群桩基础内力与位移计算,四 单桩桩顶的刚度系数,定义:当桩顶仅仅发生B种单位变位时，在桩顶引起的A种内力,单位转角,单位横轴向位移,桩顶单位轴向位移,引起桩顶的弯矩,引起桩顶的横轴向力,引起桩顶的轴向力,第7节 群桩基础内力与位移计算,桩的竖向刚度系数外, 其余的单桩桩顶刚度系数均为基桩受单位横轴向力（包括弯矩）作用的结果，可以由单桩m法求得,其结果为,第7节 群桩基础内力与位移计算,单桩桩顶的刚度系数的由来:,第7节 群桩基础内力与位移计算,五 桩群刚度系数,为了建立承台变位和荷载之间的关系，还必须引入整 个桩群的刚度系数。 定义: 当承台发生单位B种变位时，所有桩顶 （必要时包括承台侧面）引起的A种反力之和。共有9 个，具体意义及算式如下,第7节 群桩基础内力与位移计算,第7节 群桩基础内力与位移计算,根据结构力学的位移法，沿承台底面取脱离体。承台上作用的荷载应当和各桩顶（需要时考虑承台侧面土抗力）的反力相平衡，可列出位移法的方程如下：,第7节 群桩基础内力与位移计算,可按单桩的m法计算多排桩身内力和位移。当桩柱布置不对称时，坐标原点可任意选择；当桩柱布置对称时，将坐标原点选择在对称轴上，如果是竖直桩，可直接求出,第7节 群桩基础内力与位移计算,第7节 群桩基础内力与位移计算,当各桩直径相同时，则,第7节 群桩基础内力与位移计算,因为此时桩均为竖直且对称，可写成,第7节 群桩基础内力与位移计算,第8节 群桩作用和桩基的竖向承载力,一、群桩的共同作用 群桩的共同作用承台桩群土的共同工作。端承桩桩底处为岩层，轴力作用下桩身只有弹性压缩而无整体位移，侧摩阻力小，在桩底平面处所受压力可认为只分布在桩底面积范围内，基桩的工作情况与单桩相同。摩擦桩侧摩阻力发生传递，桩底平面处地基所受压力扩散分布到较大的面积上，当桩间距较小时，桩底平面处相邻桩的压力将引起压力叠加。这种现象常称为群桩作用效应。,Pu = n Qu n = Number of Piles = Group Efficiency,第8节 群桩作用和桩基的竖向承载力,单桩受力,群桩受力,当桩距较小时，桩间 摩擦力叠加，承载作 用相互削减 桩端应力叠加，地基 受力大 结论：群桩承载力小 于单桩承载力之和,第8节 群桩作用和桩基的竖向承载力,第8节 群桩作用和桩基的竖向承载力,二、桥梁桩基的竖向承载力及沉降计算 (一) 地基承载力验算,第8节 群桩作用和桩基的竖向承载力,(二) 桩基沉降验算 摩擦桩群桩基础，当桩底平面处桩的中心距小于或等于6倍桩径时，应视桩基为实体基础，按照明挖基础沉降验算的原则和要求，验算桩基的沉降量或相邻基础的沉降差。铁路桥规规定，计算桩基作为实体基础的沉降量时，可以采用建筑地基基础设计规范GBJ7-89建议的计算方法。,第8节 群桩作用和桩基的竖向承载力,第9节 桩基础设计,设计步骤 搜集资料(上部结构型式与使用要求，荷载性质与大小，地质和水文资料，材料供应和施工条件) 拟定设计方案（选择桩基类型、桩长、桩径、桩数、桩布置、承台位置与尺寸） 基桩和承台及桩基础整体的强度、稳定、变形验算 考虑技术和经济上的可能与合理的设计方案,一 桩基础类型的选择,（一）承台底面标高的考虑 承台低稳定性好，水中施工难度大，用于季节性河流、冲刷 小的河流或旱地基础。水中或有流冰的河道，承台底面应适当 放低，保证基桩不会直接受到撞击。水平力和弯矩较大、桩侧 土较差时，应降低承台底面标高 （二）端承桩和摩擦桩的考虑 根据地质和受力确定。端承桩承载力大，沉降量小，安全可靠，当基岩埋深较浅时，应考虑采用端承桩 （三）桩型与成桩工艺 考虑结构类型、荷载性质、使用功能、土层、地下水位、施工设备、环境、材料供应条件,第9节 桩基础设计,二 桩参数的拟定,（一）桩径拟定:桩型、施工方法等 （二）桩长拟定 先选择适宜持力层初步确定桩长，并考虑施工的可行性。 摩擦桩桩长与桩数相互牵连，选择合理桩长，桩长不应小于4m，桩长过短必然增加桩数很多,第9节 桩基础设计,（三）桩的根数估算 由竖向荷载和单桩容许承载力估算桩数： 考虑偏心荷载时适当增加桩数，可取=1.11.2。 桩数的确定还须满足桩基础水平承载力要求，同时与承台 尺寸、桩长及桩的间距的确定相关联。,第9节 桩基础设计,（四）桩间距的确定 挤土桩，中心距最大；大面积桩群，间距适当加大。桩的排数为12排、桩数小于9根的摩擦桩，桩最间距可适当减小 摩擦桩间距，最好使桩端平面处压力分布范围不相重叠，充分发挥其承载能力。间距很大导致承台面积过大。 为防止土体挤密而使桩挤不下去，打入桩的中心距不小于3d、震动下沉桩不小于4d,第9节 桩基础设计,第9节 桩基础设计,（五）桩的平面布置 根据桩基受力情况选用单排桩或多排桩桩基。 桩群横截面的重心与荷载合力作用点重合或接近，通常桥墩桩基础中的基桩采取对称布置，而桥台多排桩桩基础视受力情况在纵桥向采用非对称布置。 当作用于桩基的弯矩较大时，尽量将桩布置在离承台形心远