桩基础的设计计算PPT课件

1、第四章桩基的设计计算、横向荷载作用下桩基内力和位移的计算方法国内外很多，在我国一般采用桩基作为弹性地基上的梁，根据benkel假设(与梁体任意点的土阻力和该点的位移成正比)求解，简称弹性地基梁法。 求解的方法通常包括半解析法(幂级补救解、积分方程解、微分算子解等)、有限差分法和有限元解等。 基于文车假设的弹性地基梁解法从土力学的观点来看并不严密。 但其基本概念明确，方法比较简单，所得结果一般安全，因此在国内外使用比较普遍。 我国铁路、水利、公路、房屋建筑等领域常用的桩设计“m”法、k”法、“常数”法(或张有龄法)、“c”法等属于此法。2、第一节单排桩的内力和位移计算；(1)、土的弹性阻力及其分布规律；1 .土的弹性阻力；桩基因载荷(包括轴向载荷、横轴向载荷和力矩)而位移(包括纵向位移、水平位移和角)；桩的纵向位移引起桩侧土的摩擦阻力和桩底土的阻力。 桩体的水平位移和角压迫桩侧土体，桩侧土必定在桩上产生横向土阻力zx，它起到抵抗外力、稳定桩基的作用，土的这种作用力称为土的弹性阻力。 zx是指在深度z的横向(x轴方向)的土阻力，其大小取决于土体的性质、桩的刚性、桩的入土深度、桩的截面形状、桩的距离、载荷等因素。 另一方面，假定基本概念，3，土的横向土阻力匹配文本车辆的假定，即，在表达式中： zx横向土阻力(kN/m2) C地基系数(kN/m3)xz深度z处的桩的横向位移(m )。 4、2 .地基系数、基本概念：地基系数c表示单位面积的土在弹性限度内发生单位变形所需的力。 其大小与地基土的种类、物理力学性质有关。 如果测量xz并知道c的值，则zx的值被解。 地基系数c的值是通过用不同种类的土质和深度对试验桩进行实测xz和zx的逆运算而得到的。 c值遵循深度的分布规律：地基系数c值不仅随土的种类和性质而变化，也随深度而变化。 由于实测的客观条件和分析方法不同等原因，采用的c值根据深度的不同分布规律也不同。 常用的几种地基系数分布规律如下所示。5，地基系数变化规律，6，相应的基桩内力和位移的计算方法为：1)“m”法：假定地基系数c随深度线性增长，则C=mZ，上述图a )。 m被称为地基系数随深度变化的比例系数(kN/m4)。 2)“K”法：假定地基系数c随深度呈折线状变化，即地基系数c随深度呈凹形抛物线状增加，大于等于地基第一挠曲变形零点(上图b所示的深度t )，在这一点下，地基系数C=K(kN/m3 )为常数。 3)“c”法：假设地基系数c随深度呈抛物线状增加，则C=cZ0.5，无量纲入土深度达到4时成为常数，如上述图c )。 c是地基系数的比例系数(kN/m3.5 )。 4 )“常数”法也称为“张有龄法”:地基系数c沿深度均匀分布，假设不随深度变化，则C=K0(kN/m3)为常数，如上述图d )。 7、上述4种方法分别假定的地基系数因深度分布规律而异，其计算结果不同。 本节介绍现在广泛应用的公桥基规的“m”法。 用“m”法计算时，地基系数的比例系数m值可以根据试验实测来决定，没有实测数据时可以参考下表的数值来选定，关于非岩石系土的比例系数m的值、8、m的值的说明如下：1)桩的水平载荷与位移的关系为非线性，即，m的值随载荷与位移的增大而减小一般结构地面最大位移在10mm以下，位移敏感结构和桥梁结构为6mm。 位移较大时，请适当降低工作台列m的值。2 )基础侧面为多种不同土层时，将地面或局部清洗线以下hm深度内的各土层的mi换算成1当量m的值，使换算前后的地基系数图形面积在深度hm内相等，作为深度整体的m的值。 3 )桩底面地基土的垂直地基系数Co为：C0=m0h，9，(2)单桩、单列桩和多列桩、单列桩、单列桩：在垂直于水平外力h的作用面的平面上，指的是由单根或多根桩构成的单根(列)桩的桩基，如下图a )、b )所示，对单桩来说上部负荷全部由其承担。 对于单排桩，作用于承台底面中心的载荷为n、h、My，n在横桥方向不偏心时，可以假定平均分布于各桩，即式中： n桩的根数。 另外，当垂直力n在承台横桥方向上具有偏心距离e时，由于Mx=Ne，因此各桩的垂直力可通过偏心受压来计算，即、10、单桩、单列桩及多列桩、11、多列桩在水平外力作用平面内具有一根以上的桩基(在横桥方向上管理单列桩的情况下也是这种情况) 意味着不能照搬上述公式计算各桩的向上力，必须适用结构力学方法另行计算(参照后述)。12、(3)桩的计算宽度、桩因水平外力而受到桩宽范围内的桩侧土的压迫，除桩宽以外的一定范围内的土体受到一定程度的影响(空间受力)，并且对于截面形状不同的桩，土受到的影响范围的大小也不同。 为了将空间受力简化为平面受力，综合考虑桩的截面形状和多排桩之间的相互遮蔽作用，将桩的设计宽度(直径)换算为实际工作条件时，矩形截面桩的宽度b1、b1称为桩的计算宽度。 根据现有的试验资料的分析，现行的规范中认为计算宽度的换算方法可以用下式表示：13，上式中： b (或d)在与外力h的作用方向垂直的平面上的桩的宽度(或直径)。 Kf形状换算系数。 即，将受力方向上的各种截面形状的桩宽乘以Kf，换算为相当于矩形截面宽度的桩宽，将其值表示为K0受力换算系数。 也就是说，考虑到实际桩侧土承受水平荷载时空间受力的问题，简化了平面受力时给出的修正系数，其值如下表所示，14、(4)刚性桩和弹性桩、弹性桩：桩的入土深度时，桩的相对刚性小，考虑到桩的实际刚性，必须用弹性桩计算此处称为桩-土变形系数(详见后文)。 一般来说，桥梁桩基桩多属于弹性桩。 刚性桩：桩入土深度大时，桩的相对刚性大，可通过刚性桩计算(第五章介绍的沉箱基础可视为刚性桩构件)，其应力位移的计算方法详见第五章。 如上所述，“、15、2、“m”法弹性单排桩的内力和位移计算表明，“m”法的基本假设是桩侧土为文车离散直线弹簧，不考虑桩土之间的粘合力和摩擦阻力，将桩作为弹性部件考虑，桩承受水平外力时，桩土协调变形， 在任何深度z处产生的桩侧土的水平阻力与该点的水平位移xz成正比，zx=Cxz，地基系数c随深度线性增加，即C=mz。 基于此基本假设，推导和计算桩内力和位移的理论公式。 在式的导出和计算中，脱离图1和图2所示的坐标系，如下规定力和位移的符号：横向位移顺序x轴正方向为正值、横向位移顺序x轴正方向为正值、横向位移顺序x轴正方向为正值角逆时针方向为正值的弯矩，在左侧的纤维被拉伸时为正值的横向力.16、图1的桩的力图、图2的力和变位的符号的规定、17、(1)桩的挠曲微分方程式的制作及其解，可知若桩的顶部与地面平行(Z=0)，则水平荷重Q0和弯矩M0作用于桩的顶部。 此时，桩弹性挠曲，桩侧土产生横向抗力zx。根据材料力学，梁轴的挠曲与梁上分布载荷q的关系式，即梁的挠曲微分方程式，式中： e，I梁的弹性模量和截面惯性矩。 因而，图1所示桩的挠曲微分方程为、18、上式： e、I桩的弹性模量及截面惯性矩zx桩侧土阻力zx=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(即桩的弯曲)。 整理上式：式中： 桩-土变形系数、式中，桩的横向位移与截面深度、桩的刚性(包括桩基材料和截面尺寸)、桩周土的性质等有关，是与桩土变形有关的系数。 (1)、19、式(1)是四阶线性变量的一次常微分方程式，求解过程中梁的挠曲xz与拐角z、弯矩Mz与剪切力Qz的关系，即地面(Z=0)的桩的水平位移、拐角、弯矩和剪切力分别用x0、0、M0和Q0表示可以获得桩基的任意横截面的拐角z，弯矩Mz以及剪切力QZ的计算公式：20，(2)，(3)，(4)，(5)，A1，b1，c4，D416个无量纲系数可以按照不同的无量纲深度建立和检查表(参见公桥基规 )。根据土阻力的基本假定，(6)、21、求桩的内力位移和土阻力的式(2)(6)的5个基本式中包含x0、0、M0、Q0这4个参数。 其中，M0、Q0可由已知的桩上施加力的情形决定，但其他两个参数x0、0需要由桩底的边界条件决定。 由于不同类型的桩，桩底边界条件不同，目前根据不同边界条件求x 0，0如下。 1 .摩擦桩、支承桩x0、0的计算中，摩擦桩、支承桩在外载荷的作用下，在桩底产生位移xh、h。 当桩底产生角位移h时，桩底的土阻力状况如右图所示，与其对应的桩底弯矩值Mh为，22，式中： A0桩底面积； 相对于I0桩底面积重心轴的惯性矩C0基础土的垂直地基系数，Co=m0h。 由于这是边界条件，并忽略了桩与桩基土之间的摩擦阻力，因此认为Qh=0，这是另一个边界条件。 通过分析分别代入方程式(4)、(5)而获得的、或、23，解开上述联立方程式并且对、给出的结果表明，如果ah2.5或ah3.5用摩擦桩表示，则Mh基本为零，其中Kh对.等的影响极小，Kh=0 、全部可简化为z的函数，已基于z的值制作，表格可参照公桥基规。 (7)、24、2 .嵌岩桩的计算还可以基于、和z值控制、表达式来检查关系规范。 (8)、25、(2)计算桩基应力和位移的无量纲法，用上述方法，用基本式(2)、(3)、(4)、(5)计算xz、z、Mz、Qz，计算工作量相当大。 桩支撑条件和入土深度满足一定要求，可采用无量纲法计算，即从已知的M0、Q0直接求解。 将式(7)代入式(2)时，相同地，将式(7)分别代入式(3)、(4)、(4-5)来进行整理，(9b )、(9c )、(9d )、27、2.h2.5嵌岩桩将式(8)代入式(2)、(3)、(4) 分别代表、以用于钢筋的截面强度和钢筋计算(用于钢筋的具体计算方法) 通常，如果求出各深度z处的Mz值并描绘Z-Mz图，则能够从图中求出。数学解法：在最大弯矩截面中，剪力q为零，因此Qz=0时的截面是最大弯矩所在的位置。29、(四)桩顶位移的计算式，右图为放置在非岩石地基上的桩，已知桩露出地面长度l0。 如果桩顶自由，则q和m作用于其上，尖端位移可应用叠加原理计算。 设桩的水平位移为x1，则由桩在地面的水平位移x0、由地面的旋转角0引起的桩的位移0l0、桩在地面露出的部分作为悬臂梁的桩由水平力q产生的水平位移xQ、m产生的水平位移xm构成。 即，在桩位移的计算中，30，桩的旋转角为1，在地面的旋转角为0桩的顶部由水平力q引起的角q和由弯矩引起的角m的组成经过计算和整理，得到以下计算结果：31、(5)单桩、单列桩的计算步骤和管理要求，如上所述， 单桩和单排桩基础的设计计算，首先根据上部结构类型、荷载性质和大小、地质和水文资料、施工条件等，初步建立桩直径、承台位置、桩根数和排列等，进行以下计算：1.计算各桩2 .确定桩在最大冲刷线上的入土深度(桩长的确定)； 3 .管理单桩轴向承载力4 .决定桩计算宽度b1的5 .计算桩-土变形系数的数值6 .计算桩截面在地面上的力Q0、M0，将桩在地面或最大清洗线上的横向位移x0管理在6mm以下。 并求桩身各断面的内力，管理桩身配筋和桩身的断面强度和稳定性，32，7 .计算和管理桩顶位移和墩台位移8 .弹力桩侧的最大土阻力是否受到管理，目前意见不一致，目前公桥基规也没有要求。33，第二节多排桩的内力和位移的计算，如右图所示，是多排桩基，具有对称面的承台，外力作用于该对称平面内，在外力作用面内由数根桩构成，假定承台与桩头的连接为刚性。 由于各桩与荷载的相对位置不同，桩顶部随外荷载的不同而位移不同，外荷载分配到桩顶部的Pi、Qi、Mi也不同，因此Pi、Qi、Mi的值不能用简单的单排桩计算方法来计算。 在这种情况下，将外力作用的平面内的桩作为一个平面框架，用结构位移法解开各桩上的力Pi、Qi、Mi后，可以应用单桩的计算方法进行桩的承载力和位移管理。 省略计算过程。34、第三节组桩基础的垂直分析及其管理，1 .端承型组桩基础、端承型桩基础平面的应力分布，端承型组桩基础通过承台分配给各基础桩基础的载荷，绝对的大部分或全部直接传递给桩基础层(或硬土层)并由桩基础层(或硬土层)支撑。 桩底保持力层较硬，桩贯入变形小，低桩承台底面的地基反作用力比桩侧摩擦阻力和桩底反作用力所占比例小，可忽略不计。 群桩基础中各基桩工作状态与独立单桩基本相同，端承型群桩基础承载力等于各单桩承载力之和，其沉降量等于单桩沉降量。35、2 .摩擦型组桩基础、摩擦型桩基础平面应力分布、摩擦桩组成的组桩基础、垂直荷载作用下，桩基荷载主要通过桩侧土的摩擦阻力传递到桩周和桩端土层。 桩侧摩擦阻力作用下土中的附加应力在桩周土体扩散作用下，桩底部压力分布范围远大于桩体截面积(如右图所示)，群桩中各桩传递至桩底部的应力可能重叠，群桩底部地基土