基础工程PPT(附动画)第四章桩基础的设计计算.ppt

第四章 桩基础的设计计算,第四章 桩基础的设计计算,第一节 单桩承载力,单桩承载力容许值：是指单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力及弯矩作用，因此须分别研究和确定单桩轴向承载力和横轴向承载力。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,一、单桩轴向荷载传递机理和特点,（一）荷载传递过程与土对桩的支承力,基本概念：当轴向荷载逐步施加于单桩桩顶，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，与此同时桩侧表面就会受到土的向上摩阻力。桩顶荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移等于零处，其摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着荷载增加，桩身压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，桩底土层也因受到压缩而产生桩端阻力。桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻力进一步发挥到极限值。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度：桩端极限阻力的发挥需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来。当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（二）桩侧摩阻力的影响因素及其分布,桩侧摩阻力除与桩土间的相对位移有关，还与土的性质、桩的刚度、时间因素和土中应力状态以及桩的施工方法等因素有关。土的影响：桩侧土极限摩阻力值随着桩侧土的抗剪强度的增大而增加。,桩身刚度的影响：桩的刚度较小时，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较大时，土的抗剪强度也较大，以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,时间的影响：在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、状态在一定范围内会有变化，影响桩侧摩阻力，并且往往也有时间效应。,影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要因素。在分析基桩承载力时，各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响，应分别情况予以注意。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,a）沉桩（预制桩）b）钻孔灌注桩图4-1 桩侧摩阻力分布曲线,桩侧摩阻力沿深度分布的情况：,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（三）桩底阻力的影响因素及其深度效应,桩底阻力与土的性质、持力层上覆荷载（覆盖土层厚度）、桩径、桩底作用力、时间及桩底进入持力层深度等因素有关，其主要影响因素仍为桩底地基土的性质。,深度效应：桩的承载力（主要是桩底阻力）随着桩的入土深度(特别是进入持力层的深度而变化)的特性。临界深度：桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度hc。,由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩底硬层的厚度。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式,轴向受压荷载作用下，单桩的破坏是由地基土强度破坏或桩身材料强度破坏所引起。而以地基土强度破坏居多。破坏模式分为如下3种情形：,纵向挠曲破坏（图a）：桩在轴向受压荷载作用下，如同一受压杆件呈现纵向挠曲破坏。桩的承载力取决于桩身的材料强度。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,整体剪切破坏（图b）：桩在轴向受压荷载作用下，由于桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏。桩的承载力主要取决于桩底土的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。,刺入式破坏（图c）：当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向受压荷载作用下，将出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同承担，一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏，且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,二、按土的支承力确定单桩轴向承载力容许值,单桩轴向承载力容许值，系指单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极限承载力（极限桩侧摩阻力与极限桩底阻力之和）考虑必要的安全度后求得。单桩轴向承载力容许值的确定往往需选用几种方法作综合考虑和分析，以合理确定单桩轴向承载力容许值。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（一）静载试验法,概念：在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向承载力容许值。,试桩要求：试桩可在已打好的工程桩中选定，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。,静载试验法的特点：确定单桩承载力容许值直观可靠，但费时、费力，通常只在大型、重要工程或地质较复杂的桩基工程中进行试验。它还能较直接了解桩的荷载传递特征，提供有关资料。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,1、试验装置 加载系统：主要有堆载法与锚桩法两种（图4-3）。,图4-3 锚桩法试验装置,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,堆载法：在荷载平台上堆放重物，一般为钢锭或砂包，也有在荷载平台上置放水箱，向水箱中充水作为荷载。堆载法适用于极限承载力较小的桩。锚桩法：在试桩周围布置46根锚桩，常利用工程桩群。锚桩深度不宜小于试桩深度，且与试桩有一定距离，一般应大于3d且不小于1.5m(d为试桩直径或边长)，以减少锚桩对试桩承载力的影响。,观测系统：主要有桩顶位移和加载数值的观测。位移通过安装在基准梁上的位移计或百分表量测。加载数值通过油压表或压力传感器观测。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,锚桩法静载试验,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,千斤顶及位移传感器,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,2、试验方法,分级加载：试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏荷载的1/10-1/15；有时也采用递变加载方式，开始阶段每级荷载取预估破坏荷载的1/2.5-1/5，终了阶段取1/10-1/15。,测读沉降时间：在每级加荷后的第一小时内，按2、5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。沉降稳定的标准，通常规定为对砂性土为30min内不超过0.1mm；对黏性土为1h内不超过0.1mm。待沉降稳定后，方可施加下一级荷载。循此加载观测，直到桩达到破坏状态，终止试验。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,破坏荷载的确定：当出现下列情况之一时，一般认为桩已达破坏状态，所相应施加的荷载即为破坏荷载：（1）桩的沉降量突然增大，总沉量大于40mm，且本级荷载下的沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍。（2）本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉降量的2倍，且24h桩的沉降未趋稳定。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,3、极限荷载和轴向承载力容许值的确定,破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，从而确定单桩轴向承载力容许值。,试验曲线法：（1）P-S曲线明显转折点法,在P-S曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的荷载作为极限荷载，若P-S曲线转折点不明显，可用对数坐标绘制lgP-lgS曲线，可能使转折点显得明确些。,图4-4 单桩荷载沉降(P-S)曲线,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（2）S-lgt法（沉降速率法）,将相应于S-lgt线型由直线变为折线的那一级荷载定为该桩的破坏荷载，其前一级荷载即为桩的极限荷载。,图4-5 单桩S-lgt曲线,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（二）经验公式法,公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）规定了以经验公式计算单桩轴向承载力容许值的方法，这是一种简化计算方法。规范根据全国各地大量的静载试验资料，经过理论分析和统计整理，给出不同类型的桩，按土的类别、密实度、稠度、埋置深度等条件下有关桩侧摩阻力及桩底阻力的经验系数、数据及相应公式。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,1、摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值计算,（1）钻（挖）孔灌注桩：,式中：,单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；,桩身周长（m）；（公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）中规定按桩的设计直径计算桩的桩身周长，而通常情况下，施工时选用的钻头直径与桩的设计直径相同，由于施工中钻头的摆动和碰撞，而实际的成孔直径稍大于设计直径，因此，按设计直径计算单桩轴向受压承载力容许值偏于安全.）,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,式中：,桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；,n 土的层数；,承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m），扩孔部分不计；,与 对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验确定，当无试验条件时按表4-1选用；,桩端处土的承载力容许值（kPa），当持力层为砂土、碎石土时，若计算值超过下列值，宜按下列值采用：粉砂1000 kPa；细砂1150 kPa；中砂、粗砂、砾砂1450 kPa；碎石土2750 kPa；,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（2）沉桩的轴向受压承载力容许值计算：,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,当采用静力触探试验测定时，沉桩承载力容许值计算中的 和 取为：,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,上列综合修正系数计算公式不适合城市杂填土条件下的短桩；综合修正系数用于黄土地区时，应做试桩校核。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,土的类别和性状以及桩土共同作用过程都较复杂，有些土的试桩资料也较少。因此，对重要工程的桩基础在运用规范法确定单桩轴向承载力容许值的同时，应以静载试验或其他方法验证其承载力；经验公式中有些问题也有待进一步探讨研究，实际上由于桩侧摩阻力和桩底阻力是不是同步发挥，且其发生极限状态的时效也不同，因此各自的安全度是不同的，单桩轴向承载力容许值宜用分项安全系数表示为：,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,采用分项安全系数确定单桩承载力容许值要比单一安全系数更符合桩的实际工作状态。但要付诸应用，还有待积累更多的资料。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,钢管桩因需考虑桩底端闭塞效应及其挤土效应特点，钢管桩单桩轴向极限承载力，可按下式计算：,当 时,当 时,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（3）桩端后压浆灌注桩单桩轴向受压承载力容许值确定,桩端后压浆灌注桩单桩轴向受压承载力容许值，应通过静载试验确定。在符合公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）附录N后压浆技术规定的条件下，后压浆单桩轴向受压承载力容许值可按下式计算：,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（4）管柱管柱轴向受压承载力容许值计算：,管柱轴向受压承载力容许值可按沉桩计算，也可由专门试验确定。,（5）单桩轴向受拉承载力容许值确定,最有效的单桩受拉承载力容许值的确定方法是进行现场拔桩静载试验。对于非重要的建筑物，无当地经验时按公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）规定，摩擦桩单桩轴向受拉承载力容许值按下式计算：,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,注意：计算作用于承台底面由外荷载引起的轴向力时，应扣除桩身自重值。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,2、端承桩,支承在基岩上或嵌入基岩内的钻（挖）孔桩、沉桩的单桩轴向受压承载力容许值，可按下式计算：,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（三）动测试桩法,动测法是指给桩顶施加一动荷载（用冲击、振动等方式施加），量测桩土系统的响应信号，然后分析计算桩的性能和承载力，可分为高应变动测法与低应变动测法两种。低应变不宜作桩承载力测定，但可估算和校核基桩的承载力。高应变可以分析土体对桩的外来抗力和测定桩的承载力，也可检验桩体质量。高应变动测单桩承载力的方法主要有锤击贯入法和波动方程法。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,1锤击贯入法（简称锤贯法）,原理：桩在锤击下入土的难易，在一定程度上反映对桩的抵抗力。因此，桩的贯入度（桩在一次锤击下的入土深度）与土对桩的支承能力间存在有一定的关系，即贯入度大表现为承载力低，贯入度小表现为承载力高；且当桩周土达到极限状态后而破坏，则贯入度将有较大增加。锤贯法根据这一原理，通过不同落距的锤击试验来分析确定单桩的承载力。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,2波动方程法,波动方程法是将打桩锤击看成是杆件的撞击波传递问题来研究，运用波动方程的方法分析打桩时的整个力学过程，可预测打桩应力及单桩承载力。普遍认为波动方程理论为基础的高应变动力试桩法（尤为其中采用的实测波形拟合法），是较先进地确定桩承载力的动测方法，但在分析计算中还有不少桩土参数仍靠经验决定，尚待进一步深入研究来完善。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（四）静力分析法,静力分析法是根据土的极限平衡理论和土的强度理论，计算桩底极限阻力和桩侧极限摩阻力，也即利用土的强度指标计算桩的极限承载力，然后将其除以安全系数从而确定单桩承载力容许值。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,1桩底极限阻力的确定,把桩作为深埋基础，并假定地基的破坏滑动面模式（如图4-6是假定地基为刚塑性体的几种破坏滑动面形式，除此，还有多种其它有关地基破坏滑动面的假定），运用塑性力学中的极限平衡理论，导出地基极限荷载（桩底极限阻力）的理论公式。各种假定所导的桩底地基的极限荷载公式均可归纳为下式所列一般形式。,（4-14）,图4-6 桩底地基破坏滑动面图形a)太沙基理论；b)梅耶霍夫理论；c）别列选采夫理论,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,2桩侧极限摩阻力的确定,桩侧单位面积的极限摩阻力取决于桩侧土间的剪切强度。按库仑强度理论得知,(4-15),4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,式（4-15）的计算仍有总应力法和有效应力法两类。在具体确定桩侧极限摩阻力时，根据各家计算表达式所用系数不同，人们将其归纳为法、法和法，下面简要介绍前两种方法。,（1）法 对于黏性土，根据桩的试验结果，认为桩侧极限摩阻力与土的不排水抗剪强度有关，可寻求其相关关系，即,（4-16）,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（2）法有效应力法,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,三、按桩身材料强度确定单桩承载力,当桩穿过极软弱土层，支承（或嵌固）于岩层或坚硬的土层上时，单桩竖向承载力往往由桩身材料强度控制。此时，基桩将像一根受压杆件，在竖向荷载作用下，将发生纵向挠曲破坏而丧失稳定性，而且这种破坏往往发生于截面承压强度破坏以前，因此验算时尚需考虑纵向挠曲影响，即截面强度应乘上稳定系数。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004），对于钢筋混凝土桩，当配有普通箍筋时，可按下式确定基桩的竖向承载力：,（4-19）,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,四、关于桩的负摩阻问题,（一）负摩阻力的意义及其产生原因,负摩阻力：当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部成一部分面积上将出现向下作用的摩阻力，称其为负摩阻力。,图4-7 桩的正、负摩阻力,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,负摩阻力的危害：负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若有负摩力发生，则；桩的外荷载增大 桩的承载力相对降低 桩基沉降加大,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,桩的负摩阻力产生的原因有：1在桩附近地面大量堆载，引起地面沉降；2土层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土层产生自重固结下沉；3桩穿过欠压密土层（如填土）进入硬持力层，土层产生自重固结下沉；4桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土中产生很大的超孔隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉；5在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（二）中性点及其位置的确定,图4-8 中性点位置及荷载传递a)位移曲线；b)桩侧摩阻力分布曲线；c)桩身轴力分布曲线Sd地面沉降；S桩的沉降；Ss桩身压缩；Sh桩底下沉；Nhf由负摩阻力引起的桩身最大轴力；Nf总的正摩阻力,中性点,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（三）负摩力的计算,目前，国内外对负摩阻力的计算方法研究尚不够完善，计算方法较多，且差异较大，而现场试验则投入大、周期长。因此，多根据有关资料按经验公式进行估算。建议按以下方法计算单桩负摩阻力：,（4-20）,（4-21）,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,注意，按式(4-20)计算得单桩负摩阻力值不应大于单桩所分配承受的桩周下沉土重（以桩为中心，水平方向1/2桩间距、竖向ln深度范围内土体的重量）。对于群桩的负摩阻力问题，建议按照单桩负摩阻力计算方法进行群桩中任一单桩的下拉荷载计算。在桩基设计中，可采用某些措施（如预制桩表面涂沥青层等）来降低或消除负摩阻力。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,五、单桩横轴向承载力容许值的确定,桩的横向承载力：是指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。桩在横向力（包括弯矩）作用下的工作情况较轴向受力时要复杂些，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的横轴向承载力。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（一）在横向荷载作用下，桩的破坏机理和特点,桩在横向荷载作用下，桩身产生横向位移或挠曲，并与桩侧土协调变形。桩身对土产生侧向压应力，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力。桩土共同作用，互相影响。为了确定桩的横轴向承载力，应对桩在横向荷载作用下的工作性状和破坏机理作一分析。通常有下列两种情况：,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,第一种情况，当桩的刚度远大于土层刚度，桩的相对刚度较大时，受横向力作用时桩身挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一点转动，如图4-9a)所示。基桩的横轴向承载力容许值可能由桩侧土的强度及稳定性决定。,图4-9 桩在横向力作用下变形示意图 a)刚性桩；,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,第二种情况，桩的相对刚度较小时，由于桩侧土有足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度增大而逐渐减小，以至达到一定深度后，几乎不受荷载影响。形成一端嵌固的地基梁，桩的变形呈图4-9b所示的波状曲线。基桩的横轴向承载力容许值将由桩身材料的抗剪强度或侧向变形条件决定。,图4-9 桩在横向力作用下变形示意图b)弹性桩,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（二）单桩横向承载力容许值的确定方法,1、单桩水平静载试验,桩的水平静载试验是确定桩的横轴向承载力的较可靠的方法，也是常用的研究分析试验方法。试验是在现场进行，所确定的单桩横轴向承载力和地基土的水平抗力系数最符合实际情况。如果预先已在桩身埋有量测元件，则可测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（1）试验装置,图4-10 桩水平静载试验装置示意,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,（2）试验方法,试验方法主要有两种：单向多循环加卸载法 慢速连续法 一般采用前者，对于个别受长期横向荷载的桩也可采用后者。,4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算,2、分析计算法 此法是根据某些假定而建立的理论（如弹性地基梁理论），计算桩在横向荷载作用下，桩身内力与位移及桩对土的作用力，验算桩身材料和桩侧土的强度与稳定以及桩顶或墩台顶位移等，从而可评定桩的横轴向承载力容许值。,第二节 单排桩基桩内力和位移计算,一、基本概念,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（一）文克尔地基模型与弹性地基梁,文克尔地基模型是由文克尔（E.Winkler）于1867年提出的。该模型假定地基土表面上任一点处的变形si与该点所承受的压力强度pi成正比，而与其他点上的压力无关，即,pi=Csi,（4-22）,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,文克尔地基模型是把地基视为在刚性基座上由一系列侧面无摩擦的土柱组成，并可以用一系列独立的弹簧来模拟，如图4-14所示。其特征是地基仅在荷载作用区域下发生与压力成正比例的变形，在区域外的变形为零。基底反力分布图形与地基表面的竖向位移图形相似。显然当基础的刚度很大，受力后不发生挠曲，则按照文克尔地基的假定，基底反力成直线分布，如图4-14所示。受中心荷载时，则为均匀分布。将设置在文克尔地基上的梁称为弹性地基梁。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,侧面无摩阻力的土柱弹簧体系 柔性基础下的弹簧地基模型 刚性基础下的弹簧地基模型 图4-14 文克尔地基模型示意,现在较普遍采用的是将桩视为弹性地基上的梁。这是因为在桩顶受到轴向力、横轴向力和弯矩作用时，如果略去轴向力的影响，桩就可以看作一个设置在弹性地基中的竖梁（若作用于杆的力或弯矩均与杆的轴线相垂直，并使该杆发生弯曲，这杆就称为梁）。求解其内力的方法有三种：一种是直接用数学方法解桩在受荷后的弹性挠曲微分方程，再从力的平衡条件求出桩各部分的内力和位移（这是当前广泛采用的一种）；另一种是将桩分成有限段，用差分式近似代替桩的弹性挠曲微分方程中的各阶导数式而求解的有限差分法；再一种则是将桩划分为有限单元的离散体，然后根据力的平衡和位移协调条件，解得桩的各部分内力和位移的有限元法。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（二）桩的弹性地基梁解法,本节主要介绍当前较普遍采用的第一种方法。以文克尔假定为基础的弹性地基梁解法从土力学的观点认为是不严密的，但由于其概念明确，方法较简单，所得的结果一般较安全，故国内外使用得较为普遍，我国铁路、水利、公路在桩的设计中常用“m”法以及“K”法、“C值”法、“常数”法等都属于此种方法。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（三）土的弹性抗力及地基系数分布规律,1土的弹性抗力,在桩基础计算中，首先应确定桥梁上部荷载通过承台传递给每根基桩桩顶（或地面处，或局部冲刷线处）的外力（包括轴向力、横轴向力和力矩），如图4-15所示，然后再计算各桩的内力及其分布规律。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,图4-15 基桩桩顶所受外力,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,由于桩基础在荷载作用下要产生位移（包括竖向位移、水平位移及转角），桩的竖向位移已如前述，引起桩侧土的摩阻力和桩底土的抵抗力；桩身的水平位移及转动挤压桩身侧向土体，侧向土体必然对桩产生一横向土抗力pzx（图4-16），它起抵抗外力和稳定桩基础的作用，土的这种作用力称为土的弹性抗力。pzx即指深度为z处的横向（x轴向）土抗力，其大小取决于：土体的性质、桩身的刚度大小、桩的截面形状、桩与桩的间距、桩的入土深度及荷载大小等因素。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,图4-16 地基系数变化规律,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,因此土弹性抗力的分布规律也是较为复杂的。为了便于分析，将地基土视作弹性变形介质，而把桩视为置于这种弹性变形介质中的梁，并认为土的横向抗力pzx与土的横向变形成正比，如图4-16所示。桩基中第i根桩在荷载Pi、Qi、Mi作用下产生弹性挠曲，若已知深度z处桩的横向位移为xz（也等于该点土的横向变形值），按上述假定该点土的弹性抗力pzx即为：,（4-23）,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,式中:pzx土的横轴向弹性抗力（kN/m2）；C横轴向地基系数（它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），它的大小与地基土的类别、物理力学性质有关，因此如能测得xz并知道C值，pzx值即可解得；xz深度z处桩的横向位移（m）。,2地基系数的分布规律,基本概念：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要的力。它的大小与地基土的类别、物理力学性质有关。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xz及pzx后反算得到。,C值随深度的分布规律：地基系数C值不仅与土的类别及其性质有关，而且也随深度而变化。由于实测的客观条件和分析方法不尽相同等原因，所采用的C值随深度的分布规律也各有不同。目前国内采用的地基系数分布规律的几种不同图式如图4-16所示。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,图4-16 地基系数变化规律,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,1）认为地基系数C 随深度呈正比例增加,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,如图4-16a）所示，即 C=mz（4-24）式中：m非岩石地基水平抗力系数的比例系数（kN/m4）。其值可根据试验实测决定，无实测数据时，可参考表4-14中的数值选用。对于岩石地基抗力系数C0，认为不随岩层面的埋藏深度而变，可参考表4-15采用。按此图式来计算桩在外荷载作用下，桩各截面内力的方法通常简称为“m”法。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,2）认为地基系数C自地面沿深度成曲线增加,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,当深度达到桩挠曲曲线第一个零点（即图4-16b）所示）后，地基系数不再增加而为常数。在深度t以下时：C=K（4-25）式中：K（kN/m3）值可按实测确定。按此假定计算桩在外荷载作用下各截面内力的方法，通常简称为“K”法。,3）认为地基系数C随深度呈抛物线规律增加,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,当无量纲入土深度达4后为常数，如图4-16c）所示，即=cz0.5（4-26）式中：c地基系数的比例系数（kN/m3.5），其值可根据试验实测确定。按此假定计算桩在外荷载作用下各截面内力的方法，通常简称为“C”法。,4）认为地基系数C随深度为均匀分布，不随深度变化,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,如图4-16d）所示，即=K0（4-27）式中：K0（kN/m3）为常数。按此假定计算桩在外荷载作用下各截面内力的方法，通常简称为“常数”法。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,上述四种方法各自假定的地基系数随深度分布规律不同，其计算结果有所差异。实测资料分析表明，对桩的变位和内力主要影响的为上部土层，故宜根据土质特性来选择恰当的计算方法。对于超固结黏土和地面为硬壳层的情况，可考虑选用“常数”法；对于其他土质一般可选用“m”法或“C”法；当桩径大、容许位移小时宜选用“C”法。由于“K”法误差较大，现较少采用。,3.关于“m”值 的说明,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少，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，对位移敏感的结构及桥梁结构为6mm。位移较大时，应适当降低表列m值。2）当基础侧面为数种不同土层时，将地面或局部冲刷线以下hm深度内各土层的mi，根据换算前后地基系数图形面积在深度hm内相等的原则，换算为一个当量m值，作为整个深度的m值。,3）桩底面地基土竖向地基系数C0为：,C0=m0h,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（四）单桩、单排桩与多排桩,计算基桩内力先应根据作用在承台底面的外力N、H、M计算出作用在每根桩顶的荷载Pi、Qi、Mi值，然后才能计算各桩在荷载作用下的各截面的内力与位移。桩基础按其作用力H与基桩的布置方式之间的关系可归纳为单桩、单排桩与多排桩两类来计算各桩顶的受力，如图4-19所示。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,图4-19 单桩、单排桩及多排桩,单桩、单排桩：指在与水平外力H作用面相垂直的平面上，由单根或多根桩组成的单根（排）桩的桩基础，如图4-19a）、b）所示，对于单桩来说，上部荷载全由它承担。对于单排桩（如图4-20所示桥墩作纵向验算时），若作用于承台底面中心的荷载为N、H、My，当N在承台横桥向无偏心时，则可以假定它是平均分布在各桩上的，即,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（4-34）,式中：n 桩的根数。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,图4-20 单排桩的计算,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,当竖向力N在承台横桥向有偏心距e时，如图4-20b）所示即Mx=Ne，因此每根桩上的竖向作用力可按偏心受压计算，即,（4-35）,当按上述公式求得单排桩中每根桩桩顶作用力后，即可以单桩形式计算桩的内力。多排桩如图4-19c），指在水平外力作用平面内有一根以上的桩的桩基础（对单排桩作横桥向验算时也属此情况），不能直接应用上述公式计算各桩顶作用力，须应用结构力学方法另行计算（见后述），所以另列一类。,（五）桩的计算宽度,桩在水平外力作用下，除了桩身宽度范围内桩侧土受挤压外，在桩身宽度以外的一定范围内的土体都受到一定程度的影响（空间受力），且对不同截面形状的桩，土受到的影响范围大小也不同。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，将桩的设计宽度（直径）换算成相当实际工作条件下，矩形截面桩的宽度b1,b1称为桩的计算宽度。根据已有的试验资料分析，现行规范认为计算宽度的换算方法可用下式表示：,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,当d1.0m时,当d1.0m时,（六）刚性桩与弹性桩,弹性桩：当桩的入土深度 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。其中 称为桩的变形系数，（详见后述）。一般情况下，桥梁桩基础的桩多属弹性桩。刚性桩：当桩的入土 深度时，则桩的相对刚度较大，可按刚性桩计算（第五章介绍的沉井基础就可看作刚性桩构件），其内力位移计算方法详见第五章。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,二、“m”法弹性单排桩基桩内力和位移计算,考虑到桩与土共同承受外荷载的作用，为便于计算，在基本理论中做了一些必要的假定，如下：将土视作弹性变形介质，它具有随深度成比例增长的地基系数（）；土的应力应变关系符合文克尔假定；计算公式推导时，不考虑桩与土之间的摩擦力和黏结力；桩与桩侧土在受力前后始终密贴；桩作为一弹性构件。下面先讨论单桩在地面或局部冲刷线处受水平外力及弯矩作用下桩的内力计算方法。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（一）桩的挠曲微分方程的建立及其解,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,图4-25 桩身受力图示,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,如图4-25所示，桩的入土深度为h，桩的宽度为b（或直径），桩的计算宽度为b1。桩顶若与地面（或局部冲刷线）平齐，且已知桩顶在荷载为水平力 及弯矩 作用下，产生横向位移、转角。我们对桩因、作用，在不同深度处产生的、的符号规定为：横向位移（挠度）顺轴正方向为正值；转角逆时针方向为正值；弯矩当左侧纤维受拉时为正；横向力顺轴正方向为正值，如图4-26所示。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,图4-26 力与位移的符号规定,在此情况下，桩产生弹性挠曲，由材料力学可知，梁轴的挠曲与梁上分布荷载q之间的关系式，即梁的挠曲微分方程为：,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（4-40）,由图4-25可知，在深度z处,而，且假定地基系数，代入式（4-40）则得：,（4-41）,上式中：E、I桩的弹性模量及截面惯矩；pzx桩侧土抗力pzx=Cxz=mzxz，C为地基系数；b1桩的计算宽度；xz桩在深度z处的横向位移（即桩的挠度）。,将上式整理可得：,或,式中：桩的变形系数，,从上式中不难看出：桩的横向位移与截面所在深度、桩的刚度（包括桩身材料和截面尺寸）以及桩周土的性质等有关，是与桩土变形相关的系数。,（4-42）,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（4-43）,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,并知道当，即地面处（或局部冲刷线）：,（4-44）,式（4-43）这样的一个四阶线性变系数常微分方程，可以利用高等数学幂级数展开的方法求解。,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,设：,（4-45）,式中,为待定系数。对式（4-45）求一阶导数，得：,（4-46）,对式（4-45）求二阶导数，得：,（4-47）,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,对式（4-45）求三阶导数，得：,对式（4-45）求四阶导数，得：,（4-48）,（4-49）,因为假定方程式（4-43）之解为一幂级数，因此可将式（4-49）及式（4-45）代入式（4-43）而得如下恒等式：,（4-50）,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,展开式(4-50)得：,对此恒等式两边 之幂相同的项，其系数应该相等。因此比较两边系数可得：,（4-51）,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,由此可见除外，其他各系数的通式为：,（4-52）,式中：,根据式（4-51）及式（4-52），各系数可改写为：,（因为 是 的倍,而，故 亦等于零）,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,4-2 单排桩基桩内力和位移计算 第四章 桩基础的设计计算,（4-54）,4-2 单排桩基桩