中国石油大学船舶与海洋工程王腾课程设计

1、1、桩基设计目录一.设计任务1二.设计依据与具体计算11.桩的轴向承载能力21)极限承载能力22)粘性土中桩的表面摩阻力和端部承载力23)非粘性土中的桩表面摩阻力和端部承载力22.轴向荷载桩的土反力31)轴向荷载传递曲线(t-z曲线)42)桩端荷载位移(Q-z)曲线73.侧向荷载桩的土反力91)软粘土的侧向承载力92)硬粘土的侧向承载力133)砂土的侧向承载力13三.ANSYS模型计算171、桩基设计一. 设计任务导管架平台桩腿插入土层中，设计土层参数如表1所示，依据相关理论依据和规范中的相关公式计算桩基轴向荷载-位移关系（t-z曲线）（得到极限承载力），桩端载荷-位移曲线（Q-z曲线）和水平

2、荷载-位移关系（p-y曲线）进行桩基设计，并用ANSYS软件计算，校核桩体强度。假设泥线处桩顶作用载荷：竖直荷载：Q=300+10×2+4×1000×9.8=3175200N水平荷载：F=50+2×28×1000×9.8=568400N 弯 矩：M=10×4×1000=40000N.m 假设桩体许用弯曲应力=358MPa，桩腿外径D=0.889米，壁厚t=0.030米。二. 设计依据与具体计算由规范可知1. 桩的轴向承载能力1) 极限承载能力包括扩脚桩在内，桩的极限承载能力QD应由下式确定; QD=Qf+Qp=fA

3、s+qAp式中: Qf表面摩擦阻力，kN;Qp端部总承载力，kN;f 单位侧摩阻力，kPa; As桩侧表面积，m2;q单位桩端承载力，kPa;Ap桩端总面积，m2.2) 粘性土中桩的表面摩阻力和端部承载力对于粘性土中的管桩，沿桩长度上任一点的轴向摩阻力f(应力单位)，可按下式计算:f=ac 式中: a 无量纲系数; c 所讨论点的土的不排水剪切强度(以应力单位计)。系数a可由下式计算:a=0.5-0.5 1.0a=0.5-0.25 >1.0=cP0'限制条件是a1 式中: 对所讨论点; P0'所讨论点的有效上覆土压力，kPa; 对于端部支承在粘性土中的桩，单位端部承载力q

4、可由下式计算，其单位为kPa:q=9c3) 非粘性土中的桩表面摩阻力和端部承载力非粘性土中管桩的轴向侧摩阻力可按下式计算:f=KP0'tan 式中: K 无因次侧向土压力系数(水平与垂直有效正应力之比); P0'计算点的有效上覆土压力，kPa ; 土和桩壁之间的摩擦角。对于非堵塞的开口打人桩，通常假设拉伸和压缩荷载的K值均为0.8是合适的。对于充分排的桩(形成土塞或端部封闭的桩)，可假设其K值为1.0。如果没有其它资料，可用表2来选择。对于长桩，f不可能按上面公式随上覆土压力无限地线性增加。在这种情况下，将f限制在表2给出的值内是恰当的。表2非粘性硅质土的设计参数密度土的类别土

5、桩摩擦角/度极限表面摩擦力值/kPaNq极限单位端承力值/Mpa极松松中密砂砂质粉土粉土1547.881.9松中密密实砂砂质粉土粉土2067122.9中密密实砂砂质粉土2581.3204.8密实极密砂砂质粉土3095.7409.6密实极密砂砾砂35114.85012 对于端部支承在非粘性土中部的桩，其单位端部承载力q可由下式计算，其单位为应力单位:q=P0'Nq 式中: P0' 桩尖处的有效上覆土压力，kPa;Nq 无量纲承载力系数，推荐的Nq的值可从表2查出。轴向摩擦力f作用于桩的内部和外部。然而，总的阻力除外部轴向摩擦力加端部环形面的承载力之外，还有内部轴向摩擦力或土塞的端

6、部承载力这两者中的较小值。对于形成土塞的桩，可假设其支承力作用于桩的整个横截面上。对于没有形成土塞的桩，其支撑力只作用于桩的环形面积上。可根据静力计算结果判定是否形成土塞。例如，在非堵塞条件下打人的桩，在静载荷下可能形成土塞。2. 轴向荷载桩的土反力桩基础的设计应能够承受设计轴向静力和循环荷载。土的轴向抗力是由轴向的桩土粘结或荷载沿桩侧面的传递和桩端的承载力组合而成的。在任一深度的动员的桩土的剪力传递和桩的局部位移的图形关系可以用t-z曲线来表示，同样，可动员的端部承载力和端部的轴向位移可以用Q-z曲线来表示。1) 轴向荷载传递曲线(t-z曲线)在没有更明确的准则以前，对非钙质土建议采用下列曲

7、线，这些曲线见图1图1 典型的桩的轴向荷载传递曲线(t-z曲线)z/Dt/tmax0.00160.30.00310.50.00570.750.0080.90.0110.020.700.900.700.90Z(in)t/tmax000.1001.001.00表3 粘土t-z关系表 表4 砂土t-z关系表式中:z桩的局部位移，mm;D桩的直径,mm;t可动员的桩土粘结力，kPa;tmax桩土的最大粘结力或由上面计算的桩的单位面积的表面摩擦力，kPa。算例a. 第二层和第四层粘土取7米处土层为例该层土的有效有效上覆土压力P0'=6.1×9.6+7-6.1×8.6+=66.

8、3kPa设计抗剪强度c=10kPa=cP0'=1066.3=0.151系数a=0.5-0.5=0.5×0.16-0.5=1.29>1 所以取a=1则桩长度上任一点的轴向摩阻力f(应力单位)，f=ac=10kPa设该点周围（以该点为中心0.3米范围内）轴向摩阻力不变，摩擦阻力作用面积为S=Dl=3.1415×0.889×0.3=0.838m2极限摩擦阻力tmax=fS=10×0.837=8.38kN所以粘土层各计算点的摩擦阻力如下表表5 粘土层各计算点的极限摩擦阻力表距离泥面处深度/米设计抗剪强度c/(kPa)有效上覆土压力P0/kPaa实际

9、a单位侧摩擦力f/kPa作用长度l/m摩擦力tmax /kN6.510620.161.241.0010.001.5041.8971066.30.151.291.0010.001.5041.891710154.780.360.840.8446.262.50323.011910171.580.350.850.8550.732.50354.222341.25205.980.290.930.9355.592.50388.112755.31240.380.251.001.0060.002.50418.933160274.780.221.071.0060.002.50418.933360291.980.2

10、11.101.0060.002.50418.933760325.180.260.980.9883.042.50579.794060350.080.260.990.9988.752.50619.68表6各层粘土t-z曲线表z/Dt/tmaxz/mt/N(X=6.5/7米)t/N (X=17米)t/N (X=19米)t/N (X=23米)t/N (X=27/31/33米)t/N (X=37米)t/N (X=40米)0.00000.000.0000000000000.00160.300.00142418896903 1062661164331256791739371859040.00310.500.

11、002766980161505 1771101940552094652898953098400.00570.750.0050710470242257.50 265665291082.5314197.5434842.54647600.00800.900.0071112564290709 3187983492993770375218115577120.01001.000.0088913960323010 3542203881104189305797906196800.02000.800.0177811168258408 2833763104883351444638324957440.03000.8

12、00.0266711168258408 2833763104883351444638324957440.04000.800.0355611168258408 283376310488335144463832495744 b.第一层和第三层砂土以8.5米处土层为例假定桩端部形成土塞，则无因次侧向土压力系数K=1由表2查得，土和桩壁之间的摩擦角=25°该层土处管桩的轴向侧摩阻力f=KP0'tan=1×80.1×tan25=32.5kPa 设该点周围（以该点为中心1.4米范围内）轴向摩阻力不变，摩擦阻力作用面积为S=Dl=3.1415×0.889

13、15;1.5=4.189m2极限摩擦阻力tmax=fS=32.5×4.189=121.98kN所以砂土层各计算点的摩擦阻力如下表表7 砂土层各计算点的极限摩擦阻力表距离泥面处深度/米有效上覆土压力P0/kPa单位侧摩擦力f/kPa土和桩壁之间的摩擦角作用长度l/m摩擦力tmax/kN00.000.002020.00219.26.9920.002.0039.03438.413.9820.002.0078.07657.620.9620.002.00117.108.580.129.1220.001.50121.981093.934.1420.001.50143.0211.5107.739.

14、1620.001.50164.0713121.1844.1920.001.50185.11表8各层砂土计算点处t-z数据表z/mt/tmaxt/kN(X=0米)t/kN(X=2米)t/kN(X=4米)t/kN(X=6米)t/kN(X=8.5米)t/kN(X=610米)t/kN(X=11.5米)t/kN(X=13米)00000000000.0003170.12504.889.7614.6415.2517.8820.5123.140.0006350.2509.7619.5229.2830.5035.7641.0246.280.001270.5019.5239.0358.5560.9971.5182

15、.0392.550.002541039.0378.07117.10121.98143.02164.07185.110.0041039.0378.07117.10121.98143.02164.07185.110.0081039.0378.07117.10121.98143.02164.07185.112) 桩端荷载位移(Q-z)曲线只有较大的桩端位移才能使整个端部的承载力起作用。桩端位移需要达到直径的10%，才能完全使粘土和砂土中的端部承载力起作用。在没有更明确的标准以前，对砂土和粘土，建议都采用图2所示曲线:图2 桩端荷载位移(Q-z)曲线式中;z桩端轴向位移，mm;D桩的直径，mm;Q可动

16、员的桩端承载力,N;QP计算的所有桩端承载力,N;z/DQ/QP0.0020.250.0130.500.0420.750.0730.900.1001.001.00表9 粘土Q-z曲线表本例中的桩端部支承在粘性土中，单位端部承载力qq=9c=9×10=10kPa假设端部形成土塞，可认为端部支承力作用于桩的整个横截面上Ap=4D2=4×0.8892=0.6207平方米Qp=qAp=502.78kN所以桩端Qz关系表如下表10 桩端荷载位移(Q-z)曲线表z/Dz/mQ/QPQP/kNQ/kN0.0000.0000 0.000502.780.0000 0.0020.0018 0.

17、25502.78125.6950.0130.0116 0.50502.78251.390.0420.0373 0.75502.78377.0850.0730.0649 0.90502.78452.5020.1000.0889 1.00502.78502.781.00502.78502.783. 侧向荷载桩的土反力桩基础应该设计成能承受静的和循环的侧向承载力的荷载。地面附近土的侧向抗力对桩的设计影响很大，因此应考虑在桩的安装作业中因冲刷和土受扰动对土抗力产生的可能影响。 在没有更明确的准则以前，可采用以下的方法来建立极限侧向承载力曲线和p-y曲线。1) 软粘土的侧向承载力对于侧向静荷载，除了浅层

18、土因上覆土压力极小，其破坏方式不同外，软粘土的极限单位侧向承载力pu在8c和12c之间变化。循环荷载作用下会使侧向承载力下降而低于静荷载下的数值。在缺乏更明确的准则前，推荐采用以下公式:当X从0增加到XR时，pu根据下式从3c增加至9c:pu=3c+X+JXcD当X>=XR时pu=9c 式中:pu极限抗力，kPa;C 未受扰动的粘土土样的不排水抗剪强度，kPa;D桩直径，mm; 土的单位有效重量，kN/m3;J 由现场试验确定的，变化范围为0.25-0.5的无量纲经验常数，墨西哥湾土壤为0.5,土较硬时取低值;X 泥面以下深度，mm ；XR泥面以下至土抗力减小区底部的深度，mm;对于强度

19、不随深度变化的情况，对两式联立求解，得出:XR=6DDc+J 对强度随深度变化的情况，可通过绘制两公式的曲线(即pu对深度)来求解方程式。两曲线的第一个交点就是XR。这个由经验得出的关系式不适用于强度变化不规则的情况。在一般情况下，XR的最小值约为桩直径的2.5倍。软粘土的荷载位移(p-y) 曲线 桩在软粘土中的侧向土抗力位移关系通常是非线性的。对于近海工程结构桩基来说，软粘土的p-y曲线如图3所示图3 软粘土的p-y曲线软粘土的p-y曲线OCDE段为曲线，其方程式为ppu=0.5(yYc)1/3 其余部分为直线。其中OCDEF曲线用于短期静载，OCDG曲线用于X>=XR时的循环载荷，O

20、CDHI曲线用于X<XR时的循环载荷。 在图中，各个物理量含义如下p 实际桩侧土抗力，kPa;pu桩侧极限土抗力，kPa;y 实际桩侧位移，mm; Yc达到极限土抗力一半时的位移值，mm，可用下式表示Yc=2.5D原状土不排水实验在1/2最大应力时出现的应变。D桩直径，mm;粘土的典型值如下表11粘土的典型值Consistency of ClaySoft0.020Medium0.010stiff0.005算例：第二层和第四层土属于此种类型管外径D=35英寸=889mm=0.889米以深度为X=6.5处的土层为例在缺少应力应变曲线时，假定=0.02,所以Yc=2.5D=2.5×0

21、.02×889=44.45毫米=0.04445米其未受扰动的粘土土样的不排水抗剪强度C=10 kPa土体的有效容重=9.54kN/m3无因次系数取J=0.5所以其临界深度为XR=6DDc+J=6×8899.54×88910+0.5=6.287米因为X=6.5XR=6.287米所以桩侧极限土抗力pu=9c=9×10=90kPa=90000Papu乘以作用面积，即得到桩侧极限土抗力pun=pulD=90×0.5×0.889=40005N所以第二层和第四层土所取各点处的桩侧极限土抗力如下表表12 粘土层各点处的桩侧极限土抗力距离泥面处深度/

22、米设计抗剪强度c/(kPa)平均有效重度/( kN/m3 )作用长度/m粘土临界深度XR/m粘土极限土抗力pu/(kPa)粘土极限土抗力pu/(kN)6.5109.58 0.56.97290.00040.0057109.54 0.56.97290.00040.00517109.50 2.539.361497.7901106.58719109.50 2.542.686540.0001200.1502341.259.20 2.541.697540.0001200.1502755.319.07 2.541.697540.0001200.15031608.99 2.541.697540.0001200

23、.15033608.94 2.541.697540.0001200.15037608.90 2.560.965763.3801696.61240608.87 2.564.666810.0001800.225软粘土的p-y曲线，其方程式为ppu=0.5(yYc)1/3 yYC8 ppu=1 yYC>8 所以第二层和第四层土所取各点处的p-y曲线如下图，且第二层土的两个分层的曲线相同。2) 硬粘土的侧向承载力 对于侧向静荷载，硬粘土（c>96kPa）的极限承载力pu，同软粘土一样，在8c和12c之间变化。由于它在周期性荷载作用下迅速退化，因此，在周期性荷载的设计时应降低极限静抗力。硬粘

24、土的荷载位移(p-y) 曲线 虽然硬粘土也具有非线性的应力应变关系，但比软粘土具有更大的脆性。在建立硬粘土的应力应变曲线，以及在周期性荷载作用下的p-y曲线时，应对大变形情况下硬粘土承载力的迅速退化作出恰当的判断。3) 砂土的侧向承载力 砂土的极限侧向承载力，在下面两个式子所确定的值间变化，前者为浅层的数值，而后者为深层的数值。在给定的深度处，应使用给出pu最小值的公式来计算极限承载力。pus=C1X+C2Dxpud=C3DX 式中:pu极限土抗力，N/m ;(s=浅层，d=深层)；浅层土和深层土的极限土抗力转折点深度XR按下式计算XR=C3-C2DC1 有效土重量，N/m3 X 土表面下计算

25、点深度，mm;C1，C2，C3系数，与内摩擦角有关，见图6D从泥面至给定深度的平均桩直径，mm;图6 系数C1，C2，C3与内摩擦角关系图砂土的的荷载位移(p-y) 曲线 砂土的侧向土抗力位移(p-y) 曲线关系，也是非线性的，在缺乏更可靠的资料时，可按如下表达式近似地确定任何给定深度X的近似值:p=AputanhkXApuy式中:A考虑周期性的或持续静荷载的系数, 可按下式取值 A=0.9 对于周期性荷载 A=3.0-0.8XD 对于静荷载pu深度X处的极限承载力,N/m ;K 地基反力的初始模量kN/m3，由图7确定，是内摩擦角的函数;Y 侧向位移，mm;X深度，mm。图7 地基反力的初始

26、模量K与内摩擦角的关系图算例第一层和第三层土属于此种类型以深度为X=5处的土层为例内摩擦角=25°由图6查的系数C1，C2，C3分别为C1=1.2，C2=2.1，C3=16由图7查的桩基的初始模量k=1500kN/m3所以临界深度XR=C3-C2DC1=(15.38-2.08)1.23×0.889=9.613米因为X=5米<XR=9.613米所以该层属于浅层土极限土抗力为pu=C1X+C2DX=29.56kN/m假设该点附近的砂土极限土抗力等于该点的砂土极限土抗力，即假设该点土抗力的作用长度l=2米则该点附近的极限土抗力为pus=pul=29.56×2=81

27、.924kN所以第一层和第三层土所取各点处的桩侧极限土抗力如表13表13 砂土土层各点处的桩侧极限土抗力表距离泥面处深度/米平均有效重度/( kN/m3 )C1C2C3砂土临界深度XR/m砂土极限土抗力pu/(kN/m)作用长度l/m砂土极限土抗力pus/(kN)01.22.1169.610.0002 0.00029.60 1.22.1169.6129.5602 81.9244849.60 1.22.1169.6182.7352256.0089669.60 1.22.1169.61159.5272 522.253448.59.60 1.22.1169.61259.9341.5 943.6315

28、8109.60 1.22.1169.61383.9581.5 1275.754811.59.60 1.22.1169.61531.5971.51657.558139.43 1.22.1169.61910.5431.5 1679.3163考虑短期静载作用，A=3.0-0.8XD=3.0-0.8×50.889=-1.5<0.9所以取A=0.9砂土层的侧向土抗力位移(p-y) 曲线关系，可按如下表达式近似地确定任何给定深度X的近似值:p=AputanhkXApuy砂土层的侧向土抗力位移(p-y) 曲线图如下图三. ANSYS模型计算1) 修改工作标题。Utility Menu：Cha

29、nge Title,弹出对话框后，填入工作标题：海工1302 严晓扬 1302020204;2) 定义单元类型a. 选择单元类型是：1号单元Pipe16，2号单元COMBIN39，3号单元COMBIN39。b. 设置单元类型选项为了模拟土对桩产生的不同方向的作用力，需要设置COMBIN39单元的自由度类型。Main Menu: Preprocessor àElement Type àAdd/Edit/Delete,选中1号单元COMBIN39，单击Options,打开COMBIN39 elements type options对话框，在Elem degree(s) of f

30、reedom 1D K3的下拉选项中选择UZ(即设置2号COMBIN39单元的只能沿X向运动)，如图10所示，单击OK，再选中2号单元COMBIN39，单击Options,在在Elem degree(s) of freedom 1D K3下拉选项中选择UX(即设置3号COMBIN39单元的只能沿Z向运动)，单击OK。图10为了输出单元坐标系下构件的力与弯矩，需要设置PIPE16单元的输出选项。 Main Menu: Preprocessor à Element TypeàAdd/Edit/Delete，选中定义的Pipe16单元，单击Options,打开PIPE16 ele

31、ments type options对话框3) 定义单元实常数定义131号实常数来描述模拟土体各点处的弹簧的F-D曲线。实常数号与各点处弹簧的F-D曲线对应关系如下表。设置桩腿外径0.889米，壁厚0.030米Main Menu: Preprocessor à Real Constants àAdd/Edit/Delete，选择 Add . . .，单击 OK 定义，弹出Real Constant Set Number 16,for PIPE16对话框，具定义桩直径和厚度4) 定义材料属性：a. 定义弹性模量与泊忪比Preprocessor à Material

32、Props à Material Models 弹出Define Material Model Behavior对话框，在右边的Material Models Available窗口，依次单击Structural à Linear à Elastic àIsotropic,弹出对话框Linear Isotropic Propertiea For Material Number 1对话框，定义材料的弹性模量为2.1e11,泊忪比为0.3；b. 定义材料密度在Define Material Model Behavior对话框，单击Structural 

33、24;Density, 弹出对话框,在DENS文本框中输入7850,表示材料密度为7850kg/m3,选择OK 定义材料属性并关闭对话框。5) 创建桩腿模型a. 创建单元节点MainMenu: Preprocessor àModeling àCreate àNodes àIn Active CS,打开对话框后，在Node number 中输入节点编号1，在X,Y,Z Location in active CS文本框中分别输入（0,0,0）单击apply，创建第一个节点，接着创建5个节点，节点编号和坐标分别为7（0,0,-6）,11（0,0,-7）, 12

34、（0,0,-12）,15（0,0,-39），16（0,0,-40）b. 由已建节点生成其他节点Main Menu: Preprocessor àModeling à Nodes àFill between Nds,拾取节点1和7，单击OK，弹出对话框后在NFILL文本框中输入填充节点个数为5。同样在节点7和节点11插入3个节点，在节点11和节点15插入3个节点，节点15和节点18插入7个节点c. 复制节点MainMenu:Preprocessor àModeling àCopy àNodes àCopy,弹出对话框后，单击P

35、ick All,弹出Copy nodes对话框，在DX文本框中输入1，表示将所有节点沿X轴正向平移1，单击OK。MainMenu:Preprocessor àModeling àCopy àNodes àCopy,弹出对话框后，单击选择节点1到24,弹出Copy nodes对话框，在DX文本框中输入-1，表示将所选节点沿X轴负向平移1，单击OK。d. 通过节点创建单元MainMenu:Preprocessor àModeling à Create àElements àElem Attributes,弹出Eleme

36、nts Attributes对话框，在TYPE选项后下拉框中选中3 PIPE16,在REAL选项后下拉框中选中38号实常数，其余默认。MainMenu:Preprocessor àModeling àCreate àElementsàAuto Numbered àThru Nodes,弹出节点拾取对话框，通过鼠标选中节点1和节点2，单击Apply,继续选中节点2和3，节点3和4节点22和23,单击OK。MainMenu:Preprocessor à Modeling à Create à Elements 

37、4;Elem Attributes,弹出Elements Attributes对话框，在TYPE选项后下拉框中选中1 COMBIN39,在REAL选项后下拉框中选中1号实常数，其余默认，单击OK按钮。MainMenu:Preprocessor àModeling àCreate àElementsàAuto Numbered àThru Nodes,弹出节点拾取对话框，通过鼠标选中节点23和节点24，单击OK。MainMenu:Preprocessor àModeling àCreate àElements 

38、24;Elem Attributes,弹出Elements Attributes对话框，在TYPE选项后下拉框中选中2 COMBIN39,在REAL选项后下拉框中选中2号实常数，其余默认，单击OK按钮。MainMenu:Preprocessor àModeling àCreate àElementsàAuto Numbered àThru Nodes,弹出节点拾取对话框，通过鼠标选中节点2和节点26，单击OK。 按上述方法选择单元类型号和实常数号，拾取节点并创建单元，对应关系如下表e. 显示单元Utility Menu: PlotCtrls &

39、#224;Style àSize and Shape 弹出对话框在/ESHAPE选择on,单击OK关闭对话框,Utility Menu: Plot àElement,显示结果施加载荷及约束：a. 定义分析类型为静态分析Main Menu: Solution à Analysis Type àNew Analysis在弹出的对话框中选择static，单击OKb. 设定重力加速度Main Menu: Solution àDefine Loads àApplyà Structuralà Inertia à Gr

40、avity àGlobal弹出对话框后，在ACELZ文本框中输入9.8，如图19所示，单击OK关闭对话框。图19c. 施加位移约束Main Menu àSolution àDefine Loads àApply àStructuralDisplacement àOn Nodes， 弹出“Apply U，ROT on Nodes”节点拾取对话框，用鼠标在图形显示区域选中24号节点和所有非线性弹簧模型不与桩腿连接的节点，单击OK按钮，在“DOFs to be constrained”中选择ALL DOF，单击OK按钮退出。Main Menu àSolution àDefine Loads àApply àStructuralDisplacement àOn Nodes， 弹出“Apply U，ROT on Nodes”节点拾取对话框，用鼠标在图形显示区域选中16号节点，单击OK按钮，在“DOFs to be constrained”中选中UX,UY,ROTX,ROTY,ROTZ(即只允许桩端产生轴向位移)，单击OK按钮退出。d. 定义桩顶载荷Main Menu àSolution àDefine Loads àApply àStruc