桩基的设计课件

第五章桩基设计第五章桩基设计第五章桩基设计桩基是用来支承甲板荷载和抵抗环境荷载的结构。设计中应考虑桩对轴向荷载和水平荷载的承载能力。桩对水平荷载的承载能力是由桩截面的抗弯强度或容许的水平变位值决定的。桩的轴向承载能力来自桩周围土壤对桩侧表面所产生的摩擦阻力和桩底端土壤对桩产生的支承阻力。第五章桩基设计桩基是用来支承甲板荷载和抵抗环境荷载的结构。第一节桩基分类一、按施工方法分类打入桩基础（两级套管桩）钻孔灌注桩基础钟型桩基础打入桩最简单，费用最低，是海洋工程中优先选用的一种桩基，钻孔灌注桩和钟型桩一般在不得已的情况下采用。实际工程中采用何种桩基主要考虑土质条件、桩的用途、桩的承载能力、地基类型及施工条件等第一节桩基分类一、按施工方法分类二、按支承性状分类摩擦型桩：桩顶竖向荷载全部或主要由桩侧摩阻力来承受。又可分为纯摩擦桩和端承摩擦桩。端承型桩：桩顶竖向荷载由桩端阻力承受。又可分为端承桩和摩擦端承桩。大多数情况下，桩承载能力主要是由桩身摩擦阻力提供，其承载能力随桩身表面积的增大而增大。因此，摩擦型桩是近海工程桩基常用形式。二、按支承性状分类第二节单桩轴向承载力计算一、受压桩的轴向承载力计算方法受压桩的轴向承载力主要取决于桩本身的材料强度和桩周土壤对桩的支持能力。桩的承载能力估算方法：静力法、动力法、静载试桩法。第二节单桩轴向承载力计算一、受压桩的轴向承载力计算方法1.静力法桩顶轴向荷载由桩身表面摩擦力和桩端支撑力共同承担：1.静力法1）粘性土的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp2）沙性土中的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp1）粘性土的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp2.动力法动力法包括动力打桩公式、波动方程和动力试验3种方法。目前海洋工程中应用较多的是一维波动方程法。打桩公式：2.动力法一维波动方程法一维波动方程法3.静载试桩法静载试桩是在工程现场直接对桩顶加载，测试土对桩的阻力。基本又可靠的方法。但随着海洋工程向深海发展，规模扩大，海上试桩很难实现，费用很高。3.静载试桩法确定受压桩承载力方法比较：静载试桩法：最可靠，但费用高，水深大时困难一维波动方程法：有效，应用广泛。打桩公式：存在明显缺点，应用很少。静力法：最常用的一种简单方法。确定受压桩承载力方法比较：二、打入成层土壤中受压桩的承载力计算二、打入成层土壤中受压桩的承载力计算第五章桩基的设计课件三、开口钢管桩的桩端闭塞效应开口桩打入海床初期土壤随桩的贯入不断进入桩内，由于桩内壁与土壤之间的摩擦力，进入桩内的土壤被压密。当摩擦力增大到超过桩端土的挤入力时，桩内土壤上升非常小，桩端形成闭塞状态。管内土壤像“塞子”一样把桩端堵住，土壤在管内形成的塞子称为“栓塞”，栓塞对桩端阻力的影响称为闭塞效应。三、开口钢管桩的桩端闭塞效应开口桩打入海床初期土壤随桩的贯入考虑开口桩闭塞效应，式（5-1）改为如下形式：考虑开口桩闭塞效应，式（5-1）改为如下形式：第五章桩基的设计课件第五章桩基的设计课件四、受拉桩抗拔力计算1.单桩的抗拔力计算开口钢管桩，计算受拉时抗拔力一般假定桩端阻力为零，但要考虑桩体有效重量2.拔桩力计算上式计算的拔桩力再乘以一个大于1的系数，该系数一般取2~3，以此作为设计拔桩力。四、受拉桩抗拔力计算1.单桩的抗拔力计算第四节群桩效应与荷载分布当组成群桩的各个单桩间距较小时，由于相邻的相互作用，一般群桩的承载能力和变形特征要受到影响，这种影响通常称为群桩效应。第四节群桩效应与荷载分布当组成群桩的各个单桩间距较小时，由一、轴向荷载作用下的群桩效应1.承载能力群桩的总轴向承载能力可用下式估算打入砂土中的群桩取，打入粘土中的群桩取当桩距s≤3D时，必须考虑群桩效应；当s>3D时，可按整体深基础计算2.沉降轴向荷载作用下无论打入砂土还是粘土中的群桩，沉降都大于群桩荷载均布到单桩上引起的沉降量。一、轴向荷载作用下的群桩效应1.承载能力二、横向荷载作用下的群桩效应无论打入沙土中的群桩，还是打入粘土中的群桩，其群桩的变形通常都大于作用于群桩的荷载均分到孤立单桩上引起的单桩的变形。二、横向荷载作用下的群桩效应无论打入沙土中的群桩，还是打入粘三、群桩的轴向力计算三、群桩的轴向力计算第三节单桩横向承载力计算桩的横向承载力与下列因素有关：桩的入土深度桩的截面强度和抗弯刚度桩顶和桩底的嵌固条件载荷性质有无轴向载荷同时作用桩周围土的强度与变形性状上部结构物特性一般分别按刚性桩和柔性桩计算。第三节单桩横向承载力计算桩的横向承载力与下列因素有关：一、桩的破坏性状和分类1.横向荷载作用下单桩的破坏性状受力情况：桩在横向荷载作用下桩顶产生水平位移和转角，桩身出现弯曲应力，桩前土体受侧向挤压。破坏情况：桩身由于荷载产生的弯矩过大而断裂桩周土被挤出，从而导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移过大1）刚性桩的破坏2）半刚性桩的破坏3）柔性桩的破坏｝弹性桩一、桩的破坏性状和分类1.横向荷载作用下单桩的破坏性状｝弹2.横向载荷作用下桩的相对刚度、相对桩长相对刚度：反映桩的刚性特征与土的刚性特征之间的相对关系；间接反映土抗力模量Es随深度变化的性质。水平地基系数沿深度为常数的地基，桩的相对刚度系数为：水平地基系数随深度线性增加的地基，桩的相对刚度系数为：相对桩长：桩打入土中的深度与相对刚度系数的比值：相对桩长反映桩的刚度特性，可根据相对桩长把桩分为刚性桩或弹性桩。Zmax>4为弹性长桩，4>Zmax>2.5为中长桩，Zmax<2.5为刚性桩。2.横向载荷作用下桩的相对刚度、相对桩长二、弹性地基反力法国内外计算弹性长桩的方法很多，通常采用弹性地基反力法，即假定土为弹性体，用桩的弯曲理论来求桩的水平抗力。假定桩身任何深度处单位面积上的土体抗力p仅与桩在该点的挠度y有关。桩轴的挠曲微分方程用欧拉方程表示：二、弹性地基反力法国内外计算弹性长桩的方法很多，通常采用弹性如果没有垂直荷载N0，或其引起的横向位移很小可忽略，上式可改写为：假定p是深度x与该深度桩的位移y的函数。通常假定作用在桩上的土抗力与桩的位移y成正比，即：或土抗力模量不是一个常数，它随深度x变化，也随桩位移y而变化，土抗力可写成：当n=1时，称为线弹性地基反力；当n≠1时，称为非线弹性地基反力。如果没有垂直荷载N0，或其引起的横向位移很小可忽略，上式可改1.线弹性地基反力法一般规定桩在地面的允许水平位移为0.6~1.0cm，此时土抗力与桩身位移可视为线性关系。m=0时，称为张氏法，K(x)=kh，又称常系数法m=1时，称为M法，K(x)=m0x把K(x)分成两段，假定在桩挠曲线第一弹性零点以上呈线性增加，即K(x)=m0x，在零点以下为常数，即K(x)=kh，该法为K法。当m=1/2时为C法。上述几种方法计算单桩承载力结果差异很大，张氏法比较简单，但对沙性土、正常固结粘性土明显不符合，一般多用于预固结粘性土。K法计算的缺点是在嵌固点处得出的弯矩过大。一般认为M法比较合理，是工程中常用方法。1.线弹性地基反力法M法基本假定和应用1）基本假定（1）土抗力模量随深度按线性增加，即：K(x)=m0x（2）假定桩在横向荷载作用下，土对桩的抗力p等于桩上各点横向位移y与地基弹性模量m0x的乘积：p=-m0xy（3）假定桩入土深度足够大2）微分方程M法基本假定和应用3）方程的解导管架桩通常视为弹性长桩，桩底的边界条件是弯矩为零，剪力为零。桩顶或泥面的边界条件则因支承的结构刚度不同、载荷条件不同而异，一般分3种情况。（1）桩顶可自由转动当x=0时：推导得桩身水平位移和弯矩：桩身最大弯矩的位置、最大弯矩可按下式计算：或3）方程的解（2）桩顶固定而不能转动当x=0即桩顶固定时，桩顶转角为零：则桩身水平位移和弯矩为：（3）桩顶受约束而不能完全自由转动

通过反复迭代可求出桩身水平位移和弯矩（2）桩顶固定而不能转动2.非线弹性地基反力法当桩身侧向位移较大时，桩身任一点的土抗力与桩身侧向位移之间按非线性关系考虑，即n≠1，此时为非线弹性地基反力。由于非线性微分方程很难用解析法或近似法求解，日本港湾研究所提出的港研法取n=0.5，采用由标准桩得到的标准曲线和相似法则来计算实际桩的受力。2.非线弹性地基反力法当桩身侧向位移较大时，桩身任一点的土3.p—y曲线法近海工程结构物中桩顶会产生较大的水平位移。此时除采用非线弹性地基反力法外，还常用复合地基反力法。其中应用较广的是p—y曲线法。p—y曲线法假定靠近桩位移较大的表面处为塑性区，而在塑性区以下为弹性区。p—y曲线就是描述不同的土的抗力和横向位移之间的关系，这个关系是经过长年经验和试验累积得出的，这种方法也称为马特洛克法。3.p—y曲线法近海工程结构物中桩顶会产生较大的水平位移。1）软粘土的p—y曲线曲线方程式为：临界深度：当时，土壤极限抗力为：当时，2）硬粘土的p—y曲线在工程中以实际试验资料绘制p—y曲线1）软粘土的p—y曲线3）沙性土的p—y曲线沙性土分为浅层土和深层土，极限土抗力转折点深度为：当时，为浅层土；当时，为深层土。极限土抗力：对浅层土：对深层土：某一给定深度x的沙性土p—y曲线方程为：3）沙性土的p—y曲线三、p—y曲线的应用应用p—y曲线估算桩的横向抗力的一般步骤p—y曲线应用例题三、p—y曲线的应用应用p—y曲线估算桩的横向抗力的一般步骤第五节桩体设计开口钢桩设计的主要内容：桩的入土深度选择经济桩径和壁厚桩的分段长度桩的连接构造第五节桩体设计开口钢桩设计的主要内容：一、桩的入土深度和壁厚设计1.入土深度桩的贯入深度是根据单桩容许承载能力确定的最小贯入深度。决定桩的贯入深度的关键因素是轴向承载力。一般采用静力法预估桩的承载力，同时采用其他方法进行校核。当打入桩数量较大时，还应进行现场试桩决定贯入深度。贯入深度必须能满足桩能承受的最大压力和最大拉力之后仍能具有一定的安全余量。一、桩的入土深度和壁厚设计1.入土深度2.桩的壁厚设计钢管桩一般是等直径（外径）的长桩，但沿长度方向由于应力变化其壁厚不同，通常在泥面附近壁厚最大。壁厚主要取决于强度条件和稳定条件，由于导管架和桩周土壤的支撑，对钢管桩可不进行整体稳定性验算，因此决定性条件是强度：当径厚比时，还要验算局部稳定性：2.桩的壁厚设计在泥面附近和泥面以下适当深度，钢管桩壁厚要适当增大，沿桩长其他部位的截面尺寸按钢桩在弯矩和轴力最不利组合情况下确定。桩结构应能抵抗打桩时桩锤的冲击应力。一般可用动力分析法确定打桩引起的最大应力，广泛采用的是一维波动方程估算打桩应力。由桩身强度、稳定、腐蚀、磨损及施工要求所确定的最小管壁厚度为：常用钢管桩壁厚的最小尺寸可按表5-12选取。在泥面附近和泥面以下适当深度，钢管桩壁厚要适当增大，沿桩长其二、桩身分段及各桩段结构设计1.桩身分段设计（1）打桩架的高度与提升设备的能力（2）导管架的高度对桩段的影响（3）土质条件影响（4）打桩工艺条件二、桩身分段及各桩段结构设计1.桩身分段设计2.桩身的设计长桩一般由桩顶、桩身、桩端构成。桩顶称为锤击段，通常在一个桩径范围内加大壁厚至最小壁厚的1.5倍。桩端壁厚根据强度要求适当加厚，桩端制作成坡口，角度