桩基础的设计计算.ppt

《桩基础的设计计算.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《桩基础的设计计算.ppt（133页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1,第 四 章,桩基础的设计计算,2,本章主要内容,单排桩内力和位移计算多排桩内力和位移计算群桩基础的竖向分析及验算承台的计算桩基础设计,重点,3,本章的核心,桩受横轴向力时的内力计算常用计算方法：m法,4,第一节 单排桩基桩内力和位移计算,一、基本概念（一）土的弹性抗力及其分布规律1概念：桩基础在荷载（包括轴向荷载、横轴向荷载和力矩）作用下产生位移及转角，使桩挤压桩侧土体，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。,5,2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）桩距及荷载等因素,6,3地基系数的概念及确定方法,概念：地基系

2、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。确定方法：地基系数C值是通过对试桩在不同类别土质及不同深度进行实测及后反算得到。,7,地基系数变化规律,8,典型的弹性地基梁法,9,（二）单桩、单排桩与多排桩,1单排桩的概念与力的分配（1）概念 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。如图4-4a、b所示。,10,图4-4 单桩、单排桩及多排桩,11,（2）力的分配,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，可以假定它是平均分布在各桩上的，即,12,图4-5 单排桩的计算,13,当竖向力N在单排桩方向有偏心距e时，如上图所示

3、，即Mx=Ne，因此每根桩上的竖向作用力可按偏心受压计算，即,14,2多排桩概念基力的分配,概念 在水平外力作用平面内有一根以上桩的桩基础（对单排桩作横桥向验算时也属此情况）。力的分配 不能直接应用上述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。,15,（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。,16,3计算方法,Kf形状换算系数;K0受力换算系数;K 各桩间的相互影响系数

4、,17,18,桩间的相互影响系数K,L10.6h1时：K=1.0；L10.6h1时：,19,（四）刚性桩与弹性桩,桩的变形系数a：弹性桩：刚性桩：,20,二、“m”法计算桩的内力和位移,基本假设：桩侧土为文克尔离散线性弹簧，不考虑桩土之间的粘着力和摩阻力，桩作为弹性构件考虑。当桩受到水平外力作用后，桩土协调变形，任一深度z处所产生的桩侧水平抗力与该点水平位移xz成正比，且地基系数随深度线性增长。即：,21,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。非岩石类土的比例系数m值,22,查表注意事项,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，

5、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。,23,2多层土地基,当基桩侧面由几种土层组成时，从地面或局部冲刷线起，应求得主要影响深度hm=2(d+1)米范围内的平均m值作为整个深度内的m值，如图所示。对于刚性桩，hm采用整个深度h。,24,当hm深度内存在两层不同土时：当hm深度内存在三层不同土时：,25,3承台侧面地基土水平抗力系数Cn,Cn=mhn式中：m承台埋深范围内地基土的水平抗力系数，MN/m4；hn承台埋深，m。,26,4地基土竖向抗力系数C0、Cb,（1）桩底面地基土竖向抗力

6、系数C0 C0=m0h式中：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桩入土深度(m)，当h10m时，按10m计。（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hn1m时，按1m计算。,27,符号规定,横向位移顺x轴正方向为正值；转角逆时针方向为正值；弯矩当左侧纤维受拉时为正值；横向力顺x轴方向为正值。,28,（一）桩的挠曲微分方程的建立及其解,桩顶若与地面平齐（Z=0），且已知桩顶作用水平荷载及弯矩M0，此时桩将发生弹性挠曲，桩侧土将产生横向抗力zx。梁的挠曲微分方程：,29,桩的挠曲微分方程,式中：E、I桩的弹性模量及截面惯矩；z

7、x桩侧土抗力，;C为地基系数；b1桩的计算宽度；xz桩在深度处的横向位移（即桩的挠度）。,30,整理得：,梁的挠度xz与转角jz、弯矩Mz和剪力Qz之间的关系:,或,31,令z=0处，桩的水平位移、转角、弯矩和剪力分别以x0、j0、M0和Q0表示，则：,32,1、摩擦桩、支承桩,边界条件：解得：,33,2、嵌岩桩,边界条件解得：,34,（二）无量纲法,特点：利用边界条件求x0、j0时，系数采用简化公式；因为x0、j0都是M0、Q0的函数，代入基本公式整理后，无须再计算桩顶位移x0、j0，而直接由已知的M0、Q0求得。,35,ah2.5的摩擦桩、ah3.5的支承桩,36,ah2.5的嵌岩桩,37

8、,(三)桩身最大弯矩及位置,目的：检验桩的截面强度和配筋计算 最大弯矩截面：Qz=0则：,38,最大弯矩：,式中：,39,（四）桩顶位移的计算,桩顶的水平位移组成：桩在地面处的水平位移x0、地面处转角j0所引起的桩顶的水平位移j0l0、桩露出地面段作为悬臂梁桩顶在水平力Q作用下产生的水平位移xQ以及在M作用下产生的水平位移xM,40,桩顶转角j1则由地面处的转角j0、桩顶在水平力Q作用下引起的转角jQ及弯矩作用引起的转角jM组成，即 上两式中x0、j0：,41,上两式中xQ、xM、jQ、jM：,整理得：,42,桩露出部分为变截面时：,上部截面抗弯刚度E1I1(直径d1、高h1)：上部截面抗弯刚

9、度EI(直径d、高h2)：式中：,43,（五）桩顶弹性嵌固,边界条件：jA=0，xA0代入得：等截面桩墩：,44,三、单排桩算例,（一）设计资料,45,1、地质资料,46,2、桩墩尺寸与材料,墩帽顶标高为346.88m，桩顶标高为339.00m，墩柱顶标高为345.31m。墩柱直径1.50m，桩直径1.65m。桩身混凝土强度等级为C20，其受压弹性模量 Eh=2.6 XI04MPa。,47,3、荷载情况,桥墩为单排双柱式，桥面宽 7m，设计荷载汽车-15级，挂-80，人行荷载 3kN/m2，两侧人行道各宽1.5m。上部为30m预应力钢筋砼梁，每一根柱承受的荷载为：两跨恒载反力N11376.00

10、kN；盖梁自重反力 N2256.50kN；系梁自重反力 N376.40kN；一根墩柱(直径1.5m)自重N4279.00kN。桩(直径1.65m)自重32.1kN/延m(已扣除浮力)；,48,两跨活载反力 N5558.00kN；一跨活载反力 N6403.00kN;车辆荷载反力已按偏心受压原理考虑横向分布的分配影响。N6在顺桥向引起的弯矩M120.90kN；制动力：H30.00kN。纵向风力：盖梁部分Wl3.00kN，对桩顶力臂7.06m；墩身部分W22.70kN，对桩顶力臂3.15m；桩基础采用冲抓锥钻孔灌注桩基础，为摩擦桩。,49,(二)计算,1桩长的计算当两跨活载时：,50,桩承载力计算,

11、已知：桩径1.65m，桩孔径1.80m，桩周长U=*1.8=5.65m；桩截面积：A=2.14m2。查P95表3-8得：=0.7;查P95表3-9得：m0=0.8；查P33表2-6得：K2=4.0已知：0=400kPa;=11.80kN/m3(已扣除浮力)；=70kPa。将上数据代入公式3-11(P94)得：,51,解得：h=9.40m现取h=10m，桩底标高320.66；,一般冲刷线到最大冲刷线的高度335.34-330.66=4.68,52,2.桩的内力及位移计算,(1)确定桩的计算宽度b1(2)计算桩一土变形系数a,因为,所以按弹性桩计算,53,（3）计算墩柱顶外力Pi、Qi、Mi及最大

12、冲刷线处桩上外力P0、Q0、M0,墩帽顶的外力（按一跨活载计算）最大冲刷线处桩上外力,54,(4)桩身最大弯矩位置及最大弯矩计算,由Qz=0得：,55,（5）配筋计算及桩身材料截面强度验算,最大弯矩发生在最大冲刷线以下z=1.42m处，该处Mmax=719.62kNm配筋控制截面的轴力：,56,57,偏心矩增大系数,58,若桩身采用C20混凝土，I级钢筋，则Ra=11MPa，Rg240MPa。按公路桥涵设计手册 墩台与基础圆截面配筋表进行配筋设计：偏心距系数：轴力系数：弯矩系数：,59,取g=0.9，查公路桥涵设计手册 墩台与基础表E-2、N-2、EN-2得,60,由上表得：在g=0.9，u=

13、0.002，=0.69时，N=15212Nr，EN=6027.2 ENr所以，桩身只需按构造要求进行配筋。若取u=0.002，桩身材料足够安全，桩身裂缝宽不需进行验算。,61,（6）桩在最大冲刷线以下各截面的横向土抗力计算,无量纲系数 Ax、Bx由附表1、5查得，计算结果如表4-4、图4-14所示,62,63,图4-14,64,（7）桩顶纵向水平位移验算,最大冲刷线处：,65,应为14.65,66,故由得：水平位移容许值：墩顶位移符合要求！,67,68,第二节 多排桩内力与位移计算,形状特点：有一个对称面的承台，且外力作用于此对称平面内。设计假定：承台与桩头为刚性联结。变形特点：因各桩与荷载的

14、相对位置不尽相同，桩顶在外荷载作用下的变位就不同 计算方法：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荷载后，再用单桩的计算方法计算。,69,一、桩顶荷载计算,（一）计算公式及推导计算假定：承台为刚体，桩头嵌固，承台变形时桩位不变，桩顶转角与承台相同。,70,1、承台变位及桩顶变位,i排桩桩顶(与承台联结处)沿x轴方向的线位移为ai0，z轴方向的线位移为bi0，桩顶转角为bi0,xi:桩顶x坐标,71,若基桩为斜桩，如图所示，那么，就又有三种位移。设bi为第i排桩桩顶处沿桩轴线方向的轴向位移，xi为垂直于桩轴线的横轴向位移，bi为桩轴线的转角，根据投影关系则有,72,2、单桩桩

15、顶的刚度系数rAB,设第i根桩桩顶作用有轴向力Pi、横轴向力Qi、弯矩Mi，如图所示，则定义rAB为当桩顶仅仅发生B种单位变位时，在桩顶引起的A种内力。,73,单位轴向位移(bi=1)，桩顶轴向力为r1，即rPP,74,单位横轴向位移(ai=1)，桩顶横轴向力r2，即rQQ,75,单位横轴向位移(ai=1)，桩顶弯矩r3，即rMQ；单位转角(bi=1)，桩顶横轴向力r3，即rQM,76,单位转角(bi=1)，桩顶弯矩r4，即rMM,77,第i根桩桩顶变位所引发的桩顶内力分别为,78,（1）r求解,桩顶承受轴向力P而产生的轴向位移包括桩身材料的弹性压缩变形dc及桩底处地基土的沉降dk两部分。在对

16、桩侧摩阻力作理想化假设之后，可得到：设外力在桩底平面处的作用面积为A0，则根据文克尔假定得：桩顶的轴向变形bi,79,单桩的底面面积A0计算,式中：j桩周各土层内摩擦角的加权平均值；d桩的计算直径；S桩的中心距；,A0=min,80,令上式中bi=1，所求得P的即为r1。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：,81,(2)桩群刚度系数gAB,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,82,承台产生单位横轴向位移(a0=1)，所有桩顶对承台作用的竖轴向反力之和、横轴向反力之和、反弯矩之和为gb

17、a、gaa、gba：,83,承台产生单位竖向位移时(b0=1)，所有桩顶对承台作用的竖轴向反力之和、横轴向反力之和及反弯矩之和为gbb、gab、gbb：,84,当承台绕坐标原点产生单位转角(b0=1)时，所有桩顶对承台作用的竖轴向反力之和、横轴向反力之和及反弯矩之和为gbb、gab、gbb：,85,根据结构力学的位移法，沿承台底面取脱离体，如图所示。平衡方程：,（3）a0、b0、b0求解,86,（4）竖直桩a0、b0、b0求解,87,（4）竖直等直径桩a0、b0、b0求解,88,桩顶作用力,89,二、多排桩算例,（一）设计资料,90,91,2、荷载,上部为等跨 30m的钢筋混凝土预应力梁桥，荷

18、载为纵向控制设计，作用于混凝土桥墩承台顶面纵桥向的荷载如下：恒载及一孔活载时：SN=6791.4kN；SH=358.6kN(制动力及风力)SM=4617.3kNm(竖直反力偏心距、制动力、风力等引起的弯矩)恒载及二孔活载时:SN=7798.0kN,92,承台用 C20混凝土，尺寸为作用在承台上的荷载：恒载加一孔活载（控制桩截面强度荷载）时：恒载加二孔活载（控制桩入土深度荷载）时,93,采用高桩承台式摩擦桩；桩径1m；冲抓锥施工；桩群6根桩；竖直双排桩；桩底标高50.54m,94,(二)计算,1、桩的计算宽度b1：已知：,95,2、桩土变形系数a,桩在最大冲刷线以下深度h=10.31m，计算长度

19、：按弹性桩计算,96,3、桩顶刚度系数r计算,按桩心距算面积：,97,查表17、18、19得由式4-39d得：,98,4、承台底O点位移a0、b0、b0,由式4-44、45、46得,99,100,5、桩顶作用力Pi、Qi、Mi（式4-50）,竖向力：水平力：弯矩：,101,校核：,59.77,358.60,书中错误,102,6.最大冲刷线处桩身内力：,103,三、基桩自由长度承受土压力时的计算（略）,104,四、考虑桩-土-承台共同作用的计算(略),105,五、桩作为弹性地基梁的有限元解法(略),基本原理：将连续的桩身划分为有限个单元的离散体，然后根据力的平衡和位移协调建立方程。,106,10

20、7,群桩效应,承载力效 应变 形效 应,群桩效率系数变形比,第三节 群桩基础的竖向分析及验算,108,群桩效应影响因素,桩间距、桩数、桩长、群桩排列形式承台刚度地基土性质桩间距为主要影响因素桩间距小于3倍桩径时，群桩效率系数低而变形比大；桩间距大于6倍桩径时，群桩效率系数较高而变形比较小；,109,二、群桩基础承载力验算,1、群桩破坏模式,110,2、桩底持力层验算,摩擦群桩基础当桩间中心距小于6倍桩径时，如图所示，将桩基础视为相当于cdef范围内的实体基础，桩侧外力认为以/4角向下扩散。,111,桩底承载力验算公式,式中：smax桩底平面处的最大压应力，kPa；g桩底以上土的平均容重,kN/

21、m3；g承台底面以上土的容重，kN/m3；N作用于承台底面合力的竖直分力，kN；e作用于承台底面合力的竖直分力对桩底平面处计算面积重心轴的偏心距，m；,112,A实体基础在桩底平面处计算面积，即ab，m2；W实体基础在桩底平面处的截面模量，m3；L、B承台的长度、宽度，m；sh+L桩底平面处的容许承载力，或承载力设计值，应经过埋深(h+l)修正；l承台底面到桩端的距离，m；h承台底面到地面(或最大冲刷线)的距离。,113,三、群桩基础沉降验算,方法：分层总和法要求：,114,第四节、承台计算,一、桩顶处的局部受压验算,115,如验算结果不符合上式要求，应在承台内桩的顶面以上设置12层钢筋网，钢

22、筋网的边长应大于桩径的2.5倍，钢筋直径不宜小于12mm，网孔为100100mm,116,二、桩对承台的冲剪验算,混凝土抗剪极限强度（kN/m2）,117,三、承台抗弯及抗剪强度验算,（一）承台抗弯验算 图中:m1=3;m2=5,118,（二）承台抗剪切强度验算,承台应有足够的厚度，防止沿墩身底面边缘A-A、B-B截面处产生剪切破坏。在各截面剪切力分别为m1P1及m2P2，按此验算承台厚度，必要时在承台纵桥向及横桥向配置抗剪钢筋网或加大承台厚度。在验算承台强度时，承台厚度可自顶面算至承台底层钢筋网。,119,公桥基规相关条文,承台厚度、配筋和混凝土标号，一般应按受力确定。但承台受力情况比较复杂

23、,目前还没有较成熟的计算方法，按现有的设计经验，承台厚度不宜小于 1.5m，混凝土标号不低于15号，并在承台底部布置一层钢筋网。当桩顶主筋伸入承台连接时，此项钢筋网须全长通过桩顶，并与桩的主筋绑扎在一起，如图所示，以承受承台底面在桩顶压力作用下的张拉力，使承台受力较为均匀。,120,当桩顶不破头直接埋入承台内时，在计算桩顶传给承台的压力中不考虑桩与承台间的粘结力。当桩顶面对承台的压应力超过承台混凝土容许压应力的30%时，则应在承台内桩的顶面以上设置12层钢筋网，钢筋网的边长不小于桩径的2.5倍，钢筋直径不宜小于12mm，网孔为1010至1515cm,121,当边桩的桩顶中心位于墩台身底面以外时

24、，由于基桩承受的轴向力有时很大，可能引起承台的破坏，故应对承台襟边的竖向截面进行验算。验算时，将承台的襟边部分视作悬臂梁，位于墩台底的竖向截面以外的基桩视为作用于承台底面的向上的集中力，按材料力学方法计算襟边（悬臂部分）的受力强度。当桩径较大时，可视为分布在桩顶截面积范围内的均布荷载来计算。对于空心的墩台身，则把承台视为周边支承来计算。,122,铁桥基规相关条文,承台板的厚度、配筋和混凝土强度等级，一般按受力确定，目前还没有较好的用于分析承台板的计算方法，虽然有一些资料可供参考如原铁道部大桥工程局主编的桥梁建设附刊国外桥梁第11期(1977)(关于桩顶承台内钢筋的细节问题和大桥工程局摘译第六届

25、国际预应力混凝土会议基础板设计、构造的建议，深梁设计与构造的建议(草案)(I975年)，但还有待进一步研究。根据经验，承台板的厚度不宜小于1.5m，混凝土的强度等级不应低于C30。,123,承台板计算中一般按刚性结构处理，为此承台板的厚度应满足承台板底面处桩顶的外缘位于自承台板顶面处墩台身外缘向下按45o角扩散的范圈内。当承台板过厚时亦可做成台阶式。为了防止承台板因桩顶荷载作用发生压碎和断裂等情况，在混凝土承台板的底部应设置一层钢筋网如有水下封底混凝土时，则在此封底混凝土之上)，此项钢筋网在顺桥方向和垂直桥方向每1m宽度可采用15002000mm2的钢筋。,124,第五节 桩基础设计,收集设计

26、资料选择桩型、桩端持力层及桩长等基本参数和承台埋深确定单桩承载力(抗压、抗拔及水平承载力)确定群桩的桩数及布桩，并确定承台类型及尺寸桩基承载力与变形验算单桩受力与结构设计承台结构设计,125,一、桩基础类型的选择,（一）承台底面标高的考虑 承台底面的标高应根据桩的受力情况，桩的刚度和地形、地质、水流、施工等条件确定。低：稳定性好，施工难度大；高：受水平荷载时弯矩大，稳定性差；,126,（二）柱桩桩基和摩擦桩桩基的考虑,嵌入岩层的最小深度,圆形截面柱桩,127,（三）桩型与成桩工艺,桩型与工艺选择应根据结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境、施工

27、经验、桩的材料供应条件等，选择经济、合理、安全适用的桩型和成桩工艺。,128,二、桩径、桩长的拟定,考虑因素：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。设计步骤：首先拟定尺寸，然后通过基桩计算和验算，视所拟定的尺寸是否经济合理，再行最后确定。,129,（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。（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。设计时，可先根据地质条件选择适宜的桩端持力层初步确定桩长，并应考虑施工的可行性,130,三、确定基桩根数及其平面布置,（一）桩的根数估算（二）桩间距的确定（三）桩的平面布置,131,四、桩基础设计计算与验算内容,（一）单桩验算 竖向承载力 水平承载力 桩、墩水平位移 桩侧土抗力（二）群桩基础承载力和沉降量验算（三）承台强度验算,132,五、桩基础设计计算步骤与程序,133,本讲结束,