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1、桩土相互作用分析,桩土相互作用分析,桩基础的设计,经过计算、比较、修改，以保证承台、基桩和地基在强度、变形及稳定性方面满足安全和使用上的要求，同时考虑技术和经济上的可能性与合理性，最后确定较理想的设计方案。,搜集必要的资料,拟定出设计方案,基桩和承台以及桩基础整体的强度、稳定、变形验算。,设计桩基础的一般程序：,桩土相互作用分析,一、桩基础类型的选择,（一）承台底面标高的考虑,低桩承台：稳定性较好，但在水中施工难度较大，因此可用于季节性河流、冲刷小的河流或旱地上其它结构物的基础。当作用在桩基础上的水平力和弯矩较大，或桩侧土质较差时，为减少桩身所受的内力，可适当降低承台底面标高。高桩承台：对于常
2、年有流水，冲刷较深，或水位较高，施工排水困难，在受力条件允许时，应尽可能采用高桩承台。有时为节省墩台身圬工数量，则可适当提高承台底面标高。当承台埋设于冻胀土层中时，为了避免由于土的冻胀引起桩基础损坏，承台底面应位于冻结线以下不少于0.25m，承台如在水中或有流冰的河道，承台底面也应适当放低，以保证基桩不会直接受到撞击，否则应设置防撞装置。,桩土相互作用分析,（二）柱桩桩基和摩擦桩桩基的考虑,柱桩和摩擦桩的选择主要根据地质和受力情况确定。,柱桩：柱桩桩基础承载力大，沉降量小，较为安全可靠，因此当基岩埋深较浅时，应考虑采用柱桩桩基。,摩擦桩：若岩层埋置较深或受施工条件的限制不宜采用柱桩，则可采用摩
3、擦桩。,在同一桩基础中不宜同时采用柱桩和摩擦桩，同时也不宜采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩，以避免桩基产生不均匀沉降或丧失稳定性。,注意：,桩土相互作用分析,（三）桩型与施工方法的考虑,桩型与施工方法的选择应按照基础工程的方案选择原则根据地质情况、上部结构要求、桩的使用功能和施工技术设备等条件来确定。,桩土相互作用分析,二、桩径、桩长的拟定,桩径与桩长的设计，应综合考虑荷载的大小、土层性质与桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比以及施工设备与技术条件等因素后确定，力争做到既满足使用要求，又造价经济，最有效地利用和发挥地基土和桩身材料的承载性能。,设计时，首先拟定尺寸，然后通过基
4、桩计算，验算所拟定的尺寸是否经济合理，再作最后确定。,桩土相互作用分析,（一）桩径拟定,桩的类型选定后，桩的横截面（桩径）可根据各类桩的特点与常用尺寸选择确定。,（一）桩径拟定,（二）桩长拟定,确定桩长的关键在于选择桩端持力层，因为桩端持力层对于桩的承载力和沉降有着重要影响。一般应将桩底置于岩层或坚硬的土层上，以得到较大的承载力和较小的沉降量。如在施工条件容许的深度内没有坚硬土层存在，应尽可能选择压缩性较低、强度较高的土层作为持力层，要避免使桩底坐落在软土层上或离软弱下卧层的距离太近，以免桩基础发生过大的沉降。,桩土相互作用分析,三、确定基桩根数及其平面布置,（一）桩的根数估算,一个基础所需桩
5、的根数可根据承台底面上的竖向荷载和单桩承载力容许值按下式估算：,式中：桩的根数；作用在承台底面上的竖向荷载，kN；单桩承载力容许值，kN；考虑偏心荷载时各桩受力不均而适当增加桩数的经验系数，可取=1.11.2。,（4-129）,桩土相互作用分析,（二）桩间距的确定,为了避免桩基础施工可能引起土的松弛效应和挤土效应对相邻基桩的不利影响，以及桩群效应对基桩承载力的不利影响，布设桩时，应该根据桩的类型及施工工艺和排列方式确定桩的最小中心距。,桩土相互作用分析,（三）桩的平面布置,多排桩:稳定性好，抗弯刚度较大，能承受较大的水平荷载，水平位移小，但多排桩的设置将会增大承台的尺寸，增加施工困难，有时还影
6、响航道；,单排桩:能较好地与柱式墩台结构形式配用，可节省圬工，减小作用在桩基的竖向荷载。,因此，当桥跨不大、桥高较矮时，或单桩承载力较大，需用桩数不多时常采用单排排架式基础。公路桥梁自采用了具有较大刚度的钻孔灌注桩后，选用盖梁式承台双柱或多柱式单排墩台桩柱基础也较广泛，对较高的桥台、拱桥桥台、制动墩和单向水平推力墩基础则常需用多排桩。,桩土相互作用分析,多排桩的排列形式：常采用行列式（下图 a）和梅花式（下图 b），在相同的承台底面积下，后者可排列较多的基桩，而前者有利于施工。,桩土相互作用分析,四、桩基础设计计算与验算内容,（一）单根基桩的验算1单桩轴向承载力验算1）按地基土的支承力确定和验
7、算单桩轴向承载力,目前通常仍采用单一安全系数即容许应力法进行验算。首先根据地质资料确定单桩轴向承载力容许值，对于一般性桥梁和结构物，或在各种工程的初步设计阶段可按经验（规范）公式计算；而对于大型、重要桥梁或复杂地基条件还应通过静载试验或其他方法，作详细分析比较，较准确合理地确定。检算单桩承载力容许值，应以最不利作用效应组合计算出受轴向力最大的一根基桩进行验算。要求：,桩土相互作用分析,2）按桩身材料强度确定和验算单桩承载力,验算时，把桩作为一根压弯构件，按概率极限状态设计方法以承载能力极限状态验算桩身压屈稳定和截面强度，以正常使用极限状态验算桩身裂缝宽度参见公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计
8、规范（JTG D62-2004）。对单桩轴向力承载力的验算，如果不能满足要求，则应增加桩数n或调整桩的平面布置，或减少Pmax值，也可加大桩的截面尺寸，重新确定桩数、桩长和布置，直到符合验算要求为止。,桩土相互作用分析,当有水平静载试验资料时，可以直接验算桩的水平承载力容许值是否满足地面处水平力的要求。无水平静载试验资料时，均应验算桩身截面强度。对于预制桩还应验算桩起吊、运输时的桩身强度。,2单桩横向承载力验算,桩土相互作用分析,3单桩水平位移及墩台顶水平位移验算,现行规范未直接提及桩的水平位移验算，但规范规定需作墩台顶水平位移验算。在荷载作用下，墩台水平位移值的大小，除了与墩台本身材料受力变
9、位有关外，还取决于桩柱的水平位移及转角，因此墩台顶水平位移验算包含了对单桩水平位移的检验。墩台顶的水平位移按下式计算：,式中：a0承台底面中心处的水平位移；承台底面中心处的转角；l墩台顶至承台底的距离；由承台底到墩台顶面间的弹性挠曲所引起的墩台顶部的水平位移。,桩土相互作用分析,4弹性桩单桩桩侧土的水平土抗力验算,此项需否验算目前尚无一致意见，考虑其验算的目的在于保证桩侧土的稳定而不发生塑性破坏，予以安全储备，并确保桩侧土处于弹性状态，符合弹性地基梁法理论上的假设要求。验算时要求桩侧土产生的最大土抗力不应超过其容许值。,桩土相互作用分析,当摩擦型群桩基础的基桩中心距小于6倍桩径时，需验算群桩基
10、础的地基承载力，包括桩底持力层承载力验算及软弱下卧层的强度验算；必要时还须验算桩基沉降量，包括总沉降量和相邻墩台的沉降差（见本章第三节）。,（三）承台强度验算,（二）群桩基础承载力和沉降量的验算,承台作为构件，一般应进行局部受压、抗冲切、抗弯和抗剪强度验算。,桩土相互作用分析,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,桩土相互作用,1桩土相互作用机理2.桩土相互作用研究方法3.桩土相互作用存在的问题4.桩土相互作用研究方向,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,1桩土相互作用机理,通常情况下，桩、土的支承刚度存在数量级的差异，因此在相同荷载水平下，桩土变形并不协调。也正是基于上
11、述原因，目前常规桩基是按将上部结构荷载全部交由桩基来承担进行设计的，这样做不仅容易使建筑物筏板与地基土脱空，给建筑物基础的耐久性和安全性造成一定的隐患，更重要的是地基土的承载力无法得到发挥，造成较大的浪费。地基承载力越高，浪费越巨大。桩土相互作用问题属于固体力学中不同介质的接触问题，表现为材料非线性（混凝土、土为非线性材料）、接触非线性（桩土接触面在复杂受荷条件下有黏结、滑移、张开、闭合$形态）等，是典型的非线性问题。,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,2桩土相互作用研究方法,经典理论分析法(a）弹性理论法：假定桩和土为弹性材料，土的杨氏模量E或为常数或随深度按某一规律变化。由轴
12、向荷载下桩身的压缩求得桩的位移，由荷载作用于半无限空间内某一点所产生的位移解求得桩周土体的位移。假定桩土界面不发生滑移，即可求得桩身摩阻力和桩端力的分布，进而求得桩的位移分布。,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,经典理论分析法(b）剪切位移法：根据线性问题的叠加原理，可将剪切位移法推广到群桩的桩土相互作用分析中。剪切位移法的优点是在竖向引入一个变化矩阵，可方便考虑层状地基的性况，均质土不需对桩身模型进行离散，分析群桩时不依赖于许多共同作用系数，便于计算。,2桩土相互作用研究方法,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,经典理论分析法(c）荷载传递法：荷载传递法本质为地基反
13、力法。荷载传递法可较好地模拟单桩性状。由于没有考虑土体的连续性，荷载传递法一般不能直接用于群桩，除非经分层积分位移迭代或与有限元耦合。,2桩土相互作用研究方法,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,数值分析法 随着计算机技术的不断发展，计算机处理非线性问题的能力有了极大的提高，以有限元法为主的数值分析方法逐渐成为桩土相互作用分析的最有效方法。,2桩土相互作用研究方法,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,室内模型试验法(a）常规模型试验：通过试验，调整试验条件研究桩土的相互作用。(b）离心模型试验：离心模型试验可在高重力场条件下全仿真模拟施加荷载及挖方、填方等施工过程，但试
14、验费用较高，试验规模很大，周期较长。,2桩土相互作用研究方法,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,经典理论分析法 经典理论分析法发展较为完善，目前已经进入群桩分析研究阶段，可以用于桩筏基础分析，是目前数值方法无法处理大范围问题时的必要替代。但必须注意到使用经典理论分析法分析桩土相互作用时，不能很好地描述对桩相互作用影响很大的桩土接触面的力学特性。,3桩土相互作用存在的问题,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,数值分析法（a）接触面问题：为了更好地反映桩与土间的相互作用，真实模拟桩与土体接触面上的力学行为，需要在桩土之间设置接触面单元。虽然接触面单元较多，但有的单元并不能
15、完全反映桩土间的相互作用力学机理，因此需要针对所要研究的桩型选用恰当的单元形式来描述桩土间的接触特性，必要时通过专门试验，确定接触面单元的本构。,3桩土相互作用存在的问题,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,数值分析法（b）材料本构问题：由于土的突出非线性，到目前为止，还没有哪个本构模型可以体现土的各种特性。不同土的本构，往往针对某个问题才具有合理性，因此要根据所研究的问题灵活选用土体本构!较土而言，混凝土材料的本构要简单的多。混凝土的本构，在低应力情况下，通常采用线弹性模型；在进行桩的极限状态分析时可选用损伤本构模型。,3桩土相互作用存在的问题,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土
16、相互作用分析,数值分析法（c）计算参数的选用问题：现场土体的性质很不均匀，且各向异性，选取计算参数比较困难。实际计算时，往往对某一段范围内土体进行简化。另外，用仪器很难测定地基的侧压力系数，其一般按经验公式取值，带有随意性!计算参数取值不同，计算结果也不同，这将影响数值分析的可信度。,3桩土相互作用存在的问题,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,数值分析法（d）计算容量有限:无论是有限元法还是其他的数值计算方法，计算模型大多比较简单，这是因为目前的计算机内存容量还不足以处理大规模的非线性三维模拟问题，严重制约着复合地基的三维分析。,3桩土相互作用存在的问题,五、桩基础设计计算步骤与
17、程序,桩土相互作用分析,试验方法 由于不能模拟自重应力条件，桩的小比例尺模型试验无法准确地观测到桩基深处土层在实际应力条件下的性状及其与桩的相互作用。室内试验存在着尺寸效应。而桩的现场静载荷试验，因影响因素过多，必须经过大量的试验积累，才能找出规律。,3桩土相互作用存在的问题,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,接触面本构的完善 桩土作为整体进行数值建模时，关键是桩土接触面的处理问题。虽然接触面单元较多，但有的单元并不能正确反映桩土间的相互作用力学机理，因此需要针对所研究的桩型选用恰当的单元形式来描述桩土间的接触特性，寻找一个恰当的接触面本构。,4桩土相互作用研究方向,五、桩基础设
18、计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,计算方法的改进 计算方法的改进方式主要有：（a）有限元法自身完善，如广义位移法在土!结构相互作用问题分析中的应用。（b）有限元法与其他方法相结合，如有限元与无界元耦合，有限元与有限层耦合，以及有限元法同经典理论分析方法相结合等。（c）新方法不断涌现，如目前备受岩土工程界注意的神经网络，十分适合处理类似于桩土相互作用这种非线性十分突出的力学问题。虽然还没有神经网络用于桩土相互作用研究的报道，但可以相信其前景十分广阔。,4桩土相互作用研究方向,五、桩基础设计计算步骤与程序,桩土相互作用分析,数值分析方法与室内外试验相结合 模型试验和数值分析相结合，进行优势互补，是桩土相互作用分析领域的发展方向之一，其最终目的是提出和验证更为简单有效的计算方法。例如，将离心试验与数值分析相结合，参照离心模型试验的加载过程，采用数值方法模拟模型的应力和变形，将结果与离心试验结果进行比较，以验证数值分析方法的合理性，再采用数值分析方法计算原型的应力和变形。,4桩土相互作用研究方向,
