桩基础的设计计算 "PnYa)?1
EYMwg_
1.本章的核心及分析方法 Cf8(Jk`v|
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。 TlAY=JwW
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。 Jd/5Kx
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。 ;`@DQvVZ:
2.学习要求 4AUY8Pxp
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。 (S1$g ~t;
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第一节 单排桩基桩内力和位移计算 8={(Vf6
k|a{|2p
一、基本概念 ;Mw9}Reh@
(一)土的弹性抗力及其分布规律 hnH:G`[F
1.土抗力的概念及定义式 b-%7@j
(1)概念 x4Eq5"F7}
桩基础在荷载(包括轴向荷载、横轴向荷载和力矩)作用下产生位移及转角,使桩挤压桩侧土体,桩侧土必然对桩产生一横向土抗力 ,它起抵抗外力和稳定桩基础的作用。土的这种作用力称为土的弹性抗力。 [ *R8XXuL
(2)定义式 N4'b]:`n
(4-1) ^ !E;+o' t
式中: --横向土抗力,kN/m2; mn4j#-
--地基系数,kN/m3; EGU?54
--深度Z处桩的横向位移,m。 Yb414 K
2.影响土抗力的因素 \fh.D/@
(1)土体性质 S ^2'O7uj
(2)桩身刚度 m,qU})
(3)桩的入土深度 Wf>UI)^n
(4)桩的截面形状 T3wR0,
(5)桩距及荷载等因素 Po9 3&qE
3.地基系数的概念及确定方法 *Cj]j-
(1)概念 O:pQf/Xn
地基系数C表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需施加的力,单位为kN/m3或MN/m3。 K\=bpc"Fy
(2)确定方法 cb|`)"<HN
地基系数大小与地基土的类别、物理力学性质有关。 %[;<'s5e~
地基系数C值是通过对试桩在不同类别土质及不同深度进行实测 及 后反算得到。大量的试验表明,地基系数C值不仅与土的类别及其性质有关,而且也随着深度而变化。由于实测的客观条件和分析方法不尽相同等原因,所采用的C值随深度的分布规律也各有不同。常采用的地基系数分布规律有图下所示的几种形式,因此也就产生了与之相应的基桩内力和位移的计算方法。 LlnIn{C
V|<qO-#.
图4-1 地基系数变化规律 T\. 8og
现将桩的几种有代表性的弹性地基梁计算方法概括在表下中。 g)xzy^2e
桩的几种典型的弹性地基梁法 表4-1 sRt|G
计算方法 图 号 地基系数随深度分布 地基系数C表达式 说 明 '^lrGO6
z7
m法 4-50a) 与深度成正比 C=mZ m为地基土比例系数 v;jrAND
K法 4-50b) 桩身第一挠曲零点以上抛物线变化,以下不随深度变化 C=K K为常数 hq(3%- 7&
C值法 4-50c) 与深度呈抛物线变化 C=cZ0.5 c为地基土比例系数 dax|4R
张有龄法 4-50d) 沿深度均匀分布 C=K0 K0为常数 I\`:(V
e Hd{'J<
上述的四种方法各自假定的地基系数随深度分布规律不同,其计算结果是有差异的。实验资料分析表明,宜根据土质特性来选择恰当的计算方法。 Br1JZHgA
(二)单桩、单排桩与多排桩 ojtc Kw
1.单排桩的概念与力的分配 ,Lox?}t
(1)概念 _17c}o#`5w
是指与水平外力H作用面相垂直的平面上,仅有一根或一排桩的桩基础。 \MK)dj5uUJ
(2)力的分配 D[:7B:i
对于单排桩,如下图所示桥墩作纵向验算时,若作用于承台底面中心的荷载为N、H、My ,当 在单排桩方向无偏心时,可以假定它是平均分布在各桩上的,即 ||9f@9
(4-2) Ba!`x<wa
式中: --桩的根数。 8t0i
j
当竖向力N在单排桩方向有偏心距e时,如图所示,即Mx=Ne,因此每根桩上的竖向作用力可按偏心受压计算,即 C'*1w
^EZ)NG=e5
图4-2 单桩、单排桩及多排桩 图4-3 单排桩的计算 !Z<Z"R/
(4-2) D;d'ss;
由于单桩及单排桩中每根桩桩顶作用力可按上述简单公式计算,所以归成一类。 +-
c#UO>
2.多排桩概念基力的分配 KDg!Y(m{
(1)概念 z8vFQO\I"
是指在水平外力作用平面内有一根以上桩的桩基础(对单排桩作横桥向验算时也属此情况)。 i|.!*/qF
(2)力的分配 QF!K$?EU[
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。 ft:/-$&H
(三)桩的计算宽度 + +D(P=4hi
1.定义 qd!$ nr
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。 3l5q?" $
2.采用计算宽度的原因 bZERh:%o
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。 kZPj{^c:
3.计算方法 Eu1s
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: i&Xr+Zsec"
zSDiJ$Xk
· · · ( ) (4-3) q\d'}:kfu
式中: ( )--与外力H作用方向相垂直平面上桩的边长(宽度或直径); "2Js[uf
--形状换算系数,即在受力方向将各种不同截面形状的桩宽度乘以 HPtaW:J
,换算为相当于矩形截面宽度,其值见表; q+|Dm<Ug
--受力换算系数,即考虑到实际桩侧土在承受水平荷载时为空间受力 O_(J',++
问题,简化为平面受力时所采用的修正系数,其值见表; :m@(S6T m
K--各桩间的相互影响系数。如图所示,当水平力作用平面内有多 dRas9g
根桩时,桩柱间会产生相互产生影响。为了考虑这一影响,可将桩的实际宽度(直径)乘以系数K,其值按下式决定:L1≥0.6h1时K=1.0; /ExnW >wT
当L1<0.6h1时 dKZffDTZ
计算宽度换算 表4-2 ikyvst>O
名 称 符号 基 础 形 状 Z+I[
@ iao"&
形状换算系数 Kf 1.0 0.9 mZMLDs:
0.9 c>=[|F{{e
受力换算系数 K0 vHJ ~~if
(4-4) j31
Sc3vG
式中:L1--与外力作用方向平行的一排桩的桩间净距(图3-53); ;t[<!
h1--地面或局部冲刷线以下桩柱的计算埋入深度,可按下式计算,但h1值不得大于桩的入土深度( ),h1=3(d+1) m; jO!!. w
d--桩的直径,m; dwB-WF%k
--根据与外力作用方向平行的所验算的一排桩的桩数 而定的系数。当 =1时 =1,当 =2时 =0.6,当 =3时 =0.5,当 ≥4时 =0.45。 ?Za1
b
但桩基础中每一排桩的计算总宽度 不得大于( +1),当nb1大于( +1)时,取( +1)。 为边桩外侧边缘的距离。 .CwMxuW
当桩基础平面布置中,与外力作用方向平行的每排桩数不等,并且相邻桩中心距≥(b+1)时,可按桩数最多一排桩计算其相互影响系数K值,并且各桩可采用同一影响系数。 ^J@Y?CQl\
为了不致使计算宽度发生重叠现象,要求以上综合计算得出的b1≤2b。 E83{4A4
以上的计算方法比较复杂,理论和实践的根据也是不够的,因此国内有些规范建议简化计算。圆形桩:当d≤1m时,b1=0.9(1.5d+0.5);当d>1m时,b1=0.9(d+1)。方形桩:当边宽b≤1m时,b1=1.5b+0.5;当边宽>1m时,b1=b+1。而国外有些规范更为简单:柱桩及桩身尺寸直径0.8m以下的灌注桩,b1=d+1(m);其余类型及截面尺寸的桩,b1=1.5d+0.5(m)。 d=H C;T)
(四)刚性桩与弹性桩 4+ yd/^S
为计算方便起见,按照桩与土的相对刚度,将桩分为刚性桩和弹性桩。 [$-y8`~(
1.弹性桩 jc)D*Cf
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, a8A8?:
2.刚性桩 0'RSl~QvqS
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, |w:7).P
Ql
[=
二、"m"法计算桩的内力和位移 AR/`]"'
J}%&;uv
(一)计算参数 j.AAY?L
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。 t6s#19g
非岩石类土的比例系数m值 o`h F1*yp
序 号 土 的 分 类 m或m0(MN/m4) Eh8.S)E
1 流塑粘性土IL>1、淤泥 3~5 80axsU^H0
2 软塑粘性土1>IL>0.5、粉砂 5~10 #{i\t E
3 硬塑粘性土0.5>IL>0、细砂、中砂 10~20 J"I{0>@
4 坚硬、半坚硬粘性土IL<0、粗砂 20~30 m|=/|Hm
5 砾砂、角砾、圆砾、碎石、卵石 30~80 #}e)*(
6 密实粗砂夹卵石,密实漂卵石 80~120 '1/uf;OXIH
q$>At}4
在应用上表时应注意以下事项 )[G5qTO
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。 mA3C)V
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。 UT]LF#.(
当hm深度内存在两层不同土时: 3ef]3
(4-5) /,GDG=ra
当hm深度内存在三层不同土时: @/B&R^aVZ
(4-6) 7lf*
v qG
3.承台侧面地基土水平抗力系数Cn dM#\h*:=
Cn=m·hn (4-7) >`8i=ZpCOS
式中:m--承台埋深范围内地基土的水平抗力系数,MN/m4; 60^dzi!vs
hn--承台埋深,m。 oy#Qj3M8=
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 #pE:!D
(1)桩底面地基土竖向抗力系数C0 cFD(Ap
C0=m0h (4-8) RzFv``g
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; <E!M<!h
h--桩的入土深度(m),当h小于10m时,按10m计算。 G|IO~o0+
(2)承台底地基土竖向抗力系数Cb *,@dt+H!y
Cb=m0hn (4-9) 5A:b
\
式中:hn--承台埋深(m),当hn小于1m时,按1m计算。 8]'qJ;E2
岩石地基竖向抗力系数C0 表 3-17 F0+ u#/#
单轴极限抗压强度标准值RC(MPa) C0(MN/m3) T+N%KRl
1 6\/C]![%
≥25 300 >%'|@75K
15000 !NjC+ps]
注:当RC为表列数值的中间值时,C0采用插入法确定。 ZU7,=B=
JEs?Rm1^.
(二)符号规定 |f?tyQ
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。 X0Xs"--}
Da)9s %_4
图4-6 桩身受力图示 DY0G;L3
Ej8EQ%P
(三)桩的挠曲微分方程的建立及其解 q%8,@xg
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 1[:?oEI
(4-9) qZG "{8
式中:E、I--分别为梁的弹性模量及截面惯矩。 ^szCf|SM
因此可以得到桩的挠曲微分方程为 *<"xF'C
(4-10) )TBBYCL3
式中:E、I--分别为桩的弹性模量及截面惯矩; yzgDdAM
--桩侧土抗力, ,C为地基系数; '@ (WT~g
--桩的计算宽度; ~t.*B& A
--桩在深度 处的横向位移(即桩的挠度)。 1^b-J0
将上式整理可得 ,eF}`
4}gqtw:
或 (4-11) =Y?M#3P.I
式中: --桩的变形系数或称桩的特征值(1/m), '
DCrSa>
_<yJQ|[z~i
其余符号意义同前。 al(t-3`<
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。 p\WW~qD
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 tTX2>8Gmr
(4-12) NYm2fFPc
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 y4w{8;Mh
(4-13) Wg3y
y8vIW
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: 'Oyz/P(p
(4-14) 8^CL:8lI^\
(4-15) A<ur20
(4-16) )lTkqz8v
根据土抗力的基本假定 ,可求得桩侧土抗力的计算公式: 27<~m=`}d
(4-17) &CV%+
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。 hdXdz aNS
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 、 。 am]$`7R5d
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 >MauuL,.j
soRt<