桩基础的设计计算 8:0l5cZE
aV>w($tdd
1.本章的核心及分析方法 _
-?)-L&g
本节将介绍考虑桩与桩侧土共同抵抗外荷载作用时桩身的内力计算,从而解决桩的强度问题。重点是桩受横轴向力时的内力计算问题。 QDgOprha
桩在横轴向荷载作用下桩身的内力和位移计算,国内外学者提出了许多方法。目前较为普遍的是桩侧土采用文克尔假定,通过求解挠曲微分方程,再结合力的平衡条件,求出桩各部位的内力和位移,该方法称为弹性地基梁法。 8, WQ}cC
以文克尔假定为基础的弹性地基梁法从土力学观点看是不够严密的,但其基本概念明确,方法简单,所得结果一般较安全,在国内外工程界得到广泛应用。我国公路、铁路在桩基础的设计中常用的"m"法、就属此种方法,本节将主要介绍"m"法。 gbI0?G6XN/
2.学习要求 ^Yn6kF
本章应掌握桩单桩按桩身材料强度确定桩的承载力的方法," "法计算单桩内力的各种计算参数的使用方法,多排桩的主要计算参数及其各自的含义。掌握承台计算方法,群桩设计的要点及注意事项,了解桩基设计的一般程序及步骤。本专科生均应能独立完成单排桩和多排桩的课程设计。 dXdU4YJX
^pg5o)M
+$v$P!),
第一节 单排桩基桩内力和位移计算 9VP|a-
b%v1]a[
一、基本概念 rW1>t+
(一)土的弹性抗力及其分布规律 9MGA#a
1.土抗力的概念及定义式 \x|(`;{
(1)概念 lSbAZ6
桩基础在荷载(包括轴向荷载、横轴向荷载和力矩)作用下产生位移及转角,使桩挤压桩侧土体,桩侧土必然对桩产生一横向土抗力 ,它起抵抗外力和稳定桩基础的作用。土的这种作用力称为土的弹性抗力。 ;w@:
(2)定义式 ~xXB
!K~C
(4-1) p?dMa_g
式中: --横向土抗力,kN/m2; v#nFPB=z
--地基系数,kN/m3; np)-Yzr
--深度Z处桩的横向位移,m。 9|OQHy
2.影响土抗力的因素 6}<PBl%qe
(1)土体性质 GLk7#Y
(2)桩身刚度 fEgZ/p!g
(3)桩的入土深度 KH@M &
>=^
(4)桩的截面形状 xeu] X|,
(5)桩距及荷载等因素 *emUQ/uvf
3.地基系数的概念及确定方法 AWf zMJ;VS
(1)概念 hL8QA!
地基系数C表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需施加的力,单位为kN/m3或MN/m3。 |1t30_ /gS
(2)确定方法 WQ6E8t)
地基系数大小与地基土的类别、物理力学性质有关。 X?1 :Z|pJ
地基系数C值是通过对试桩在不同类别土质及不同深度进行实测 及 后反算得到。大量的试验表明,地基系数C值不仅与土的类别及其性质有关,而且也随着深度而变化。由于实测的客观条件和分析方法不尽相同等原因,所采用的C值随深度的分布规律也各有不同。常采用的地基系数分布规律有图下所示的几种形式,因此也就产生了与之相应的基桩内力和位移的计算方法。 r3iNfY b
ZPMX19
图4-1 地基系数变化规律 !H.&"~w@
现将桩的几种有代表性的弹性地基梁计算方法概括在表下中。 mX "z$
桩的几种典型的弹性地基梁法 表4-1 7dW9i7Aj
计算方法 图 号 地基系数随深度分布 地基系数C表达式 说 明 6o{anHBB
m法 4-50a) 与深度成正比 C=mZ m为地基土比例系数 Q[g%((DL
K法 4-50b) 桩身第一挠曲零点以上抛物线变化,以下不随深度变化 C=K K为常数 VF6@;5p
C值法 4-50c) 与深度呈抛物线变化 C=cZ0.5 c为地基土比例系数 P=S)V
张有龄法 4-50d) 沿深度均匀分布 C=K0 K0为常数 ^]Gt<_
VT+GmS
上述的四种方法各自假定的地基系数随深度分布规律不同,其计算结果是有差异的。实验资料分析表明,宜根据土质特性来选择恰当的计算方法。 Q_@
Z.{
(二)单桩、单排桩与多排桩 N\xqy-L9
1.单排桩的概念与力的分配 ch< zpo:
(1)概念 ){gO b
是指与水平外力H作用面相垂直的平面上,仅有一根或一排桩的桩基础。 ty7a&>G
(2)力的分配 Ar>Om!]=v
对于单排桩,如下图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 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 hDz_BvE
(4-2) G19FSLrtA
式中: --桩的根数。 wV U(Du
当竖向力N在单排桩方向有偏心距e时,如图所示,即Mx=Ne,因此每根桩上的竖向作用力可按偏心受压计算,即 aY"qEH7]
<Q szmE
图4-2 单桩、单排桩及多排桩 图4-3 单排桩的计算 8n2*z
(4-2) C#vh2'
由于单桩及单排桩中每根桩桩顶作用力可按上述简单公式计算,所以归成一类。 ImvkB~8N
2.多排桩概念基力的分配 =0 m[
(1)概念 kQ4%J,7e4
是指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)。 @++
X H}
(2)力的分配 SX*os$
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。 N7Ne
(三)桩的计算宽度 N*@bJ*0
1.定义 "\>
<UJ
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。 } |sP;Rpu
2.采用计算宽度的原因 @$tQz
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。 hJaqW'S
3.计算方法 bt~-=\
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: lW7kBCsz#
J7mT&U&Ru
· · · ( ) (4-3) ~1}NQa(
式中: ( )--与外力H作用方向相垂直平面上桩的边长(宽度或直径); A0&~U0*(~
--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 9]hc{\
,换算为相当于矩形截面宽度,其值见表; {Y\hr+A
--受力换算系数,即考虑到实际桩侧土在承受水平荷载时为空间受力 LfF<wDvXf
问题,简化为平面受力时所采用的修正系数,其值见表; /T_tI R>
K--各桩间的相互影响系数。如图所示,当水平力作用平面内有多 UpB7hA
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:L1≥0.6h1时K=1.0; r:YAn^Lg
当L1<0.6h1时 rWa7"<`p
计算宽度换算 表4-2 $\0j:<o
名 称 符号 基 础 形 状 R=8!]Oi6
`W|2Xi=^5
形状换算系数 Kf 1.0 0.9 b_][Jye&P
0.9 '3|OgV
受力换算系数 K0 E%+V\ W%
(4-4) 1!=$3]l0Lj
式中:L1--与外力作用方向平行的一排桩的桩间净距(图3-53);
rro,AS}
h1--地面或局部冲刷线以下桩柱的计算埋入深度,可按下式计算,但h1值不得大于桩的入土深度( ),h1=3(d+1) m; 3,iL#_+t
d--桩的直径,m; #<se0CJB
--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 =1时 =1,当 =2时 =0.6,当 =3时 =0.5,当 ≥4时 =0.45。 B?TAS
但桩基础中每一排桩的计算总宽度 不得大于( +1),当nb1大于( +1)时,取( +1)。 为边桩外侧边缘的距离。 .R:eN&Y8y
当桩基础平面布置中,与外力作用方向平行的每排桩数不等,并且相邻桩中心距≥(b+1)时,可按桩数最多一排桩计算其相互影响系数K值,并且各桩可采用同一影响系数。 v*#Z{)r
为了不致使计算宽度发生重叠现象,要求以上综合计算得出的b1≤2b。 BNaZD<<
以上的计算方法比较复杂,理论和实践的根据也是不够的,因此国内有些规范建议简化计算。圆形桩:当d≤1m时,b1=0.9(1.5d+0.5);当d>1m时,b1=0.9(d+1)。方形桩:当边宽b≤1m时,b1=1.5b+0.5;当边宽>1m时,b1=b+1。而国外有些规范更为简单:柱桩及桩身尺寸直径0.8m以下的灌注桩,b1=d+1(m);其余类型及截面尺寸的桩,b1=1.5d+0.5(m)。 Sqfa,3?L
(四)刚性桩与弹性桩 +Mg^u-(A
为计算方便起见,按照桩与土的相对刚度,将桩分为刚性桩和弹性桩。 S, Oy}Nv
1.弹性桩 ZwG+ rTW
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。其中 称为桩的变形系数, @Z.Ne:*J
2.刚性桩 u}#rS%SF*
当桩的入土深度 ≤ 时,则桩的相对刚度较大,计算时认为属刚性桩, VX;u54hS
xcoYo
二、"m"法计算桩的内力和位移 (U-p&q>z
nw\p3
(一)计算参数 8l)l9;4 6
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如下表所示。 9:@os0^O
非岩石类土的比例系数m值 Jbs:}]2
序 号 土 的 分 类 m或m0(MN/m4) fpoH7Jd V
1 流塑粘性土IL>1、淤泥 3~5 {)F-US
2 软塑粘性土1>IL>0.5、粉砂 5~10 z*x6V0'yt
3 硬塑粘性土0.5>IL>0、细砂、中砂 10~20 ")Bf^DV
4 坚硬、半坚硬粘性土IL<0、粗砂 20~30 A7:
o q7b
5 砾砂、角砾、圆砾、碎石、卵石 30~80 F3 wRHq
6 密实粗砂夹卵石,密实漂卵石 80~120 BH*vsxe
xaSkn
在应用上表时应注意以下事项 $ar:5kif
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。 EiT
raWV"O
2.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(见图4-5)对于刚性桩,hm采用整个深度h。 uomFE(
当hm深度内存在两层不同土时: mM}|x~\R
(4-5) R]ppA=1*_l
当hm深度内存在三层不同土时: zBc7bbK
(4-6) EB\z:n5
3.承台侧面地基土水平抗力系数Cn $SXF>n{}
Cn=m·hn (4-7) xD_jfAH'
式中:m--承台埋深范围内地基土的水平抗力系数,MN/m4; 7<N X;Fx
hn--承台埋深,m。 cYGZZC8 |K
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 ]qpcA6%a|
(1)桩底面地基土竖向抗力系数C0 gg8T],s1!a
C0=m0h (4-8) hefV0)4K
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; %\-+SeC
h--桩的入土深度(m),当h小于10m时,按10m计算。 Vy(lyD<6
(2)承台底地基土竖向抗力系数Cb ;1eu8N8
Cb=m0hn (4-9) Ha 3XH_
式中:hn--承台埋深(m),当hn小于1m时,按1m计算。 bfa5X<8
岩石地基竖向抗力系数C0 表 3-17 [
BN2c
单轴极限抗压强度标准值RC(MPa) C0(MN/m3) #XmN&83_
1 h`n>6I
≥25 300 $p9XXZ"*
15000 .h*&$c/l
注:当RC为表列数值的中间值时,C0采用插入法确定。 X>Xpx<RY!
&[3!Lk`.0
(二)符号规定 EA8(_}
在公式推导和计算中,取4-6图所示的坐标系统,对力和位移的符号作如下规定: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,如4-7图所示。 V=S`%1dLN
eyo )Su
图4-6 桩身受力图示 V-X n&s
^?juY}rZ=|
(三)桩的挠曲微分方程的建立及其解 t+h"YiT
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σzx,如图3-55所示。从材料力学中知道,梁的挠度与梁上分布荷载q之间的关系式,即梁的挠曲微分方程为 huN(Q{fj
(4-9) SQt$-<>4\
式中:E、I--分别为梁的弹性模量及截面惯矩。 j*6!7u.,K
因此可以得到桩的挠曲微分方程为 z?7s'2w&{
(4-10) $G=\i>R.
式中:E、I--分别为桩的弹性模量及截面惯矩; WMI/Y9N
--桩侧土抗力, ,C为地基系数; T;FzKfT|
--桩的计算宽度; |-e=P9,
--桩在深度 处的横向位移(即桩的挠度)。 Q"Bgr&RJ
将上式整理可得 mCq*@1Lp9
q].C>R*ux8
或 (4-11) |\}f)Xp-
式中: --桩的变形系数或称桩的特征值(1/m), _IY)<'d
}!.7QpA$
其余符号意义同前。 |E?%Cj^W
从桩的挠曲微分方程中不难看出,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。 $~`(!pa:
式(4-11)为四阶线性变系数齐次常微分方程,在求解过程中注意运用材料力学中有关梁的挠度 与转角 、弯矩 和剪力 之间的关系,即 4/d#)6
(4-12) J4co@=AJ
就可用幂级数展开的方法求出桩挠曲微分方程的解(具体解法可参考有关专著)。若地面处即 =0处,桩的水平位移、转角、弯矩和剪力分别以 、 、 和 表示,则桩挠曲微分方程(式4-11)的解即桩身任一截面的水平位移 的表达式为 0 TS:o/{(a
(4-13) _l/6Qpf
利用式(4-13),对 求导计算,并通过归纳整理后,便可求得桩身任截面的转角 、弯矩 及剪力 的计算公式: {'vvE3iZ
(4-14) 3^`bf=R
(4-15) %/>_o{"hw
(4-16) -R\}Q"
根据土抗力的基本假定 ,可求得桩侧土抗力的计算公式: huR<+ =!
(4-17) rre;HJGEL
以上公式(4-14)、(4-15)、(4-16)、(4-17)中,Ai、Bi、Ci、Di(i=1~4)为16个无量纲系数,根据不同的换算深度 已将其制成表格, 由附表可查用。 =h&^X>!
以上求算桩的内力、位移和土抗力的式(4-13)~(4-17)等五个基本公式中均含有 、 、M0、 这四个参数。其中M0、 可由已知的桩顶受力情况确定,而另外两个参数 、 则需根据桩底边界条件确定。由于不同类型桩的桩底边界条件不同,应根据不同的边界条件求解 、 。 Q!|71{5U
摩擦桩、柱承桩在外荷作用下,桩底将产生转角位移 时,桩底的抗力情况如图4-8所示,与之相应的桩底弯矩值 为 n*;mFV0s
V];RQWs
-><_J4
式中:A0--桩底面积; K:9.fTCs*
--桩底面积对其重心轴的惯性矩; {+`ep\.$&
--基底土的竖向地基系数, 。 U'#{v7u
这是一个边界条件。此外,由于忽略桩与桩底土之间的摩阻力,所以认为 =0,即为另一个边界条件。 fc\hQXYv
将 = - 及 =0分别代入式(4-15)、(4-16)中得 ]_-$
")o.x7~N
= d3 N %V.w
=0 6zNN 8
又 8 zY)0
解以上联立方程即得 zd;xbH//)b
(4-18) d&U;rMEv
式中: 、 、 、 均为 的函数,可以由 、 、 、 计算得到。对于 h≥2.5的摩擦桩或 h≥3.5的支承桩, 几乎为零,此时这四个系数的计算公式可以简化,已制成由 值查用的表格,查看附录或参考《公路桥梁基础规范》。 RGxOb
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 、 等于零这两个边界条件,联立求解得 Y<M}'t
(4-19) x'
式中 、 、 、 也都是 的函数,根据 值制成表格,可查阅附录或有关规范。 c76^x
大量计算表明, ≥4.0时,桩身在地面处的位移 、转角 与桩底边界条件无关,因此 ≥4.0时,嵌岩桩与摩擦桩(或支承桩)计算公式均可通用。 4H " *.l
求得 、 后,便可连同已知的 、 一起代入式(4-12)~(4-17),从而求得桩在地面以下任一深度的内力、位移及桩侧土抗力。 k5PzY!N
(四)无量纲法(桩身在地面以下任一深度处的内力和位移的简捷计算方法) 6!gGWn5>}
按上述方法,用基本公式(4-14)、(4-15)、(4-16)、(4-17)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。其主要特点一是利用边界条件求x0、 时,系数采用简化公式;二是因为 、 都是 、 的函数,代入基本公式整理后,无须再计算桩顶位移x0、 ,而直接由已知的 、 求得。 Dic(G[
对于 >2.5的摩擦桩、 >3.5的柱承桩,将式(4-19)代入式(4-14)~(4-17)经过整理归纳即可得 Uz62!)
(4-19a) o@>5[2b4
(4-19b) T&0tW"r?
(4-19c) p4el9O&-tV
(4-19d) }u|0
对于 >2.5的嵌岩桩,将式(4-18)分别代入式(4-14)~(4-17),再经整理得 3g6R<Ez
(4-20a) FEP\5d>
(4-20b) K+GjJ8
(4-20c) 0
Q1}u@G
(4-20d) 'i@Y #F%D
式(4-19)、(4-20)即为桩在地面下位移及内力的无量纲法计算公式,其中 、 、 、 、 、 、 、 及 、 、 、 、 、 、A 、 为无量纲系数,均为 h和 的函数,已将其制成表格供查用。本书摘录了一部分,见附表1~附表12。使用时,应根据不同的桩底支承条件,选择不同的计算公式,然后再按 、 查出相应的无量纲系数,再将这些系数代入式(4-19)或式(4-20),就可以求出所需的未知量。当 ≥4时,无论采用哪一个公式及相应的系数来计算,其计算结果都是接近的。 Lv5AtZl}
由式(4-19)及(4-20)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。 koie
(五)桩身最大弯矩位置 和最大弯矩 的确定 7*4F-5G/
桩身各截面处弯矩 的计算,主要是检验桩的截面强度和配筋计算(关于配筋的具体计算方法,见结构设计原理教材内容)。为此,要找出弯矩最大的截面所在的位置 相应的最大弯矩值 ,一般可将各深度 处的Mz值求出后绘制 图,即可从图中求得。也可用数解法求得 及 值如下。 oF3#]6`;/
在最大弯矩截面处,其剪力 等于零,因此 =0处的截面即为最大弯矩所在位置 。 c''!&;[!
由式(4-19d)令 pFG~XW
则 |X_yL3`Zb
(4-21) Z2LG/R
式中:CQ及DQ也为与 有关的系数,当 ≥4.0时,可按附表13查得。CQ或DQ值按式(4-21)求得后即可从附表13中求得相应的 值,因为 为已知,所以最大弯矩所在的位置 即可求得。 RSkpf94`
由式(4-21)可得 '<@ PgO~
(4-22) "oTwMU
将式(4-22)代入(4-19)则得 $MR{3-
(4-23) $4eogI7N>w
式中: ; 20Rgw
由上式可知 与 为 的函数,当 ≥4.0时,即可由附表13查出。 fj"S|]e
综上所述,由式(4-74)算出CQ或DQ,由附表13查出 和 (或 ),代入式(4-23)即可得最大弯矩 值和所在位置 。当 ≥4.0时,可另查有关设计手册。 nGuF,0j
(六)桩顶位移的计算 BzgDhDj
图4-9所示的为置于非岩石地基中的桩,已知桩露出地面长 ,若桩顶为自由端,其上作用有Q及M,顶端的位移可应用叠加原理计算。设桩顶的水平位移为 ,它是由下列各项组成:桩在地面处的水平位移 、地面处转角 所引起的桩顶的水平位移 、桩露出地面段作为悬臂梁桩顶在水平力Q作用下产生的水平位移 以及在 作用下产生的水平位移 ,即 r<0.!j%c
(4-24) :`uo]B"
因 逆时针为正,所以式中用负号。 ricDP 9#a
桩顶转角 则由地面处的转角 、水平力 作用下引起的转角 及弯矩作用引起的转角 组成,即 CBF>157B
(4-25) VWNmqeP
上两式中的 及 可按计算所得的 及 分别代入式(4-19a)及式(4-19b)(此时式中的无量纲系数均用 时的数值)求得,即 ]IoS-)$Z/
(4-26) &XZ>}^lD^
(4-27) Zwq_&cJK
上式中的 、 、 、 是把露出段作为下端嵌固、跨度为lo的悬臂梁计算而得,即 7aU*7!U
(4-28) 7%F9.h
由上式算得 、 及 、 、 代入式(4-26)、(4-27)再经整理归纳,便可写成如下表达式: lc'Jn$O@
(4-29) .jRXHrK;
式中:Ax1、Bx1= 、 均为 及 的函数,现列于附表14~16中。 -MU^%t;-
对于桩底嵌固于岩基中、桩顶为自由端的桩顶位移计算,只要按相关公式计算出 时的 、 即可按上述方法求出桩顶水平位移 及转角 ,其中 、 、 、 仍可按式(4-28)计算。 fa!iQfr
露出地面部分为变截面的桩的计算,可参看有关规范。单桩、单排桩基础的设计计算,首先应根据上部结构的类型、荷载性质与大小、地质与水文资料,施工条件等情况,初步拟定出桩的直径和长度。承台位置。桩的根数及排列等,然后进行验算与修正,选出最佳方案。具体计算可参见下列算例。 &