第五章 桩基设计课件

1、海洋工程钢结构设计海洋工程钢结构设计 机电工程学院机电工程学院主讲教师：马海峰邮箱：电话第五五章章第第五五章章 桩基设计桩基设计第一节桩基分类第一节桩基分类第二第二节单桩轴向承载力计算节单桩轴向承载力计算第三节第三节单桩横向单桩横向承载力承载力计算计算第四节群桩效应与荷载分布第四节群桩效应与荷载分布第五节桩体设计第五节桩体设计钢管桩钢管桩钢管桩的施工钢管桩的施工钢管桩就位钢管桩就位第二节第二节 桩的分类桩的分类钢板桩钢板桩第二节第二节 桩的分类桩的分类钢板桩的布设钢板桩的布设第二节第二节 桩的分类桩的分类钢板桩施工机钢板桩施工机导管架调平、打桩、灌浆起桩插桩打桩 桩基

2、是用来桩基是用来支承甲板荷载和抵抗环境荷载支承甲板荷载和抵抗环境荷载的结的结构。在设计中应考虑桩对构。在设计中应考虑桩对轴向载荷及水平载荷轴向载荷及水平载荷的承的承载能力。桩对水平载荷的承载能力，是由桩截面的载能力。桩对水平载荷的承载能力，是由桩截面的抗弯强度或容许的水平位置决定的。桩的轴向承载抗弯强度或容许的水平位置决定的。桩的轴向承载能力来自桩周围的土壤对桩侧表面产生的摩擦阻力能力来自桩周围的土壤对桩侧表面产生的摩擦阻力和桩的底端对桩生的支承阻力。和桩的底端对桩生的支承阻力。 桩基不仅要承受巨大的桩基不仅要承受巨大的轴向荷载，而且还要承轴向荷载，而且还要承受由于环境荷载在泥面附近引起的水平

3、力和最大弯受由于环境荷载在泥面附近引起的水平力和最大弯矩。矩。打入桩基础打入桩基础：可用用锤击法，把开口钢桩打入海床作为承：可用用锤击法，把开口钢桩打入海床作为承载基础。为满足深度要求，可以把桩设计成多节，随打入载基础。为满足深度要求，可以把桩设计成多节，随打入进度用焊接的方法把各节桩焊接起来。进度用焊接的方法把各节桩焊接起来。一、按一、按施工方法分类施工方法分类钻孔灌注钻孔灌注桩桩：直接在所设：直接在所设计桩位处成孔，然后在孔计桩位处成孔，然后在孔内下放内下放钢桩，钢桩，再浇灌混凝再浇灌混凝土而成。土而成。钟型桩基础钟型桩基础对钻孔灌注桩对钻孔灌注桩的发展，采用爆炸方法使桩的发展，采用爆炸方

4、法使桩端扩大成钟型，然后灌注水端扩大成钟型，然后灌注水泥砂浆泥砂浆第一节桩基分类第一节桩基分类 上述三种桩基础型式，上述三种桩基础型式，打入桩施工简单，费打入桩施工简单，费用最低，是海洋工程中优先选用的一种桩基用最低，是海洋工程中优先选用的一种桩基，钻，钻孔灌注桩和钟型桩是在不得已的情况下采用。在孔灌注桩和钟型桩是在不得已的情况下采用。在实际工程中到底采用何种桩基主要考虑实际工程中到底采用何种桩基主要考虑土质条件土质条件、桩的用途、桩的承载能力、地基类型及施工条、桩的用途、桩的承载能力、地基类型及施工条件等因素，件等因素，对这些因素的考虑主要取决于设计者对这些因素的考虑主要取决于设计者的经验及

5、对工程全貌的认识。的经验及对工程全貌的认识。工程地质工程地质工程钻孔工程钻孔P-YP-Y曲线曲线土层性质土层性质桩基承载力桩基承载力Q-ZQ-Z曲线曲线地基冲刷地基冲刷土壤分层土壤分层土层液化土层液化地层灾害因素地层灾害因素T-ZT-Z曲线曲线摩擦型桩摩擦型桩：当软弱土层较厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上：当软弱土层较厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上时，则桩的荷载主要靠桩身与周围土层之间的摩擦力来支承，时，则桩的荷载主要靠桩身与周围土层之间的摩擦力来支承，桩尖端处土层反力很小，可忽略不计桩尖端处土层反力很小，可忽略不计。又可分为：端。又可分为：端承摩擦承摩擦桩、摩擦桩桩、摩擦桩二二、按承载性状分类

6、、按承载性状分类 海上导管架平台主要是通过桩基来承受上部荷载。打海上导管架平台主要是通过桩基来承受上部荷载。打入海床的钢管桩穿过软弱的压缩地层，把来自海洋环境引入海床的钢管桩穿过软弱的压缩地层，把来自海洋环境引起的荷载及上部设施和设备荷载传递到持力的土层上。对起的荷载及上部设施和设备荷载传递到持力的土层上。对于受压桩，其承载能力主要来自桩身表面所发挥出来的摩于受压桩，其承载能力主要来自桩身表面所发挥出来的摩擦阻力和桩端阻力。大多数情况下，擦阻力和桩端阻力。大多数情况下，桩承载能力主要是由桩承载能力主要是由桩身摩擦力提供，其承载能力随着桩身表面积的增加而增桩身摩擦力提供，其承载能力随着桩身表面积

7、的增加而增大。摩擦型桩是近海工程桩基常用的形式大。摩擦型桩是近海工程桩基常用的形式。第二节单桩轴向承载力计算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一、受压桩的轴向承载力计算方法 受压桩的轴向承载能力，主要取决于桩本身材料的强受压桩的轴向承载能力，主要取决于桩本身材料的强度和度和桩周土壤对桩的支持能力桩周土壤对桩的支持能力。一般来讲，摩擦桩的承载。一般来讲，摩擦桩的承载能力通常是由后者决定的。能力通常是由后者决定的。 土壤对桩的支持能力不仅取决于土壤对桩的支持能力不仅取决于土层的性质、桩的尺土层的性质、桩的尺寸、桩的布置，也取决沉桩方法和其它一些因素寸、桩的布置，也取决沉桩方法和

8、其它一些因素。桩的承。桩的承载能力有各种估算方法，归纳起来主要有载能力有各种估算方法，归纳起来主要有静力法、动力法静力法、动力法和静载试桩法。和静载试桩法。 在分层土中，当与桩端所处土层相邻的下层在分层土中，当与桩端所处土层相邻的下层土是土是软土层时，则桩端所处土层的贯入软土层时，则桩端所处土层的贯入深深度应为度应为23倍桩径，并且桩端离该土层底面约倍桩径，并且桩端离该土层底面约3倍桩径倍桩径，以防桩端刺入软土层。如果达不到上述距离要求以防桩端刺入软土层。如果达不到上述距离要求，则对桩端阻力应做修正。，则对桩端阻力应做修正。(2)波动方程波动方程 1962年，年，Smith 提出了一个描述锤提

9、出了一个描述锤桩桩土系统的离散土系统的离散数学模型，用差分法数学模型，用差分法求得了求得了相应的相应的解答解答。式式中，中， d 是位移，是位移， v 是速度，是速度，c是弹簧的压缩量，是弹簧的压缩量， F 是弹簧作用力，是弹簧作用力，R 是是土阻力，土阻力，g是是重力加速度。上标重力加速度。上标n表示表示时间间隔的序号，时间间隔的序号，下标下标m表示表示重块、弹簧重块、弹簧和作用和作用在桩单元在桩单元上土阻力的序号上土阻力的序号。 在在求解之前求解之前还必须知道初始条件和边界条件还必须知道初始条件和边界条件。令锤体。令锤体与垫层接触的瞬间为与垫层接触的瞬间为计算计算的起始时刻。由于在起始时刻

10、之的起始时刻。由于在起始时刻之前，整个桩前，整个桩土系统处在静止状态，故在土系统处在静止状态，故在起始时刻起始时刻t时时，位移、速度、加速度、弹簧力、土阻力均为零位移、速度、加速度、弹簧力、土阻力均为零。以锤心的。以锤心的冲击冲击速度作为速度作为边界条件。一般，锤的额定能量由制造厂给边界条件。一般，锤的额定能量由制造厂给出，由此可计算锤的冲击速度。出，由此可计算锤的冲击速度。 整个整个计算过程是按计算过程是按时间间隔时间间隔t的的顺序逐步进行的，对顺序逐步进行的，对于每一个于每一个时间间隔时间间隔,按照按照五个基本方程的顺序进行计算五个基本方程的顺序进行计算。计算过程反复对持续时间间隔和每个单

11、元进行，直到同时计算过程反复对持续时间间隔和每个单元进行，直到同时满足下列两个条件为止：满足下列两个条件为止：（1）桩端已贯入土中某一最大值后，正向上回弹）桩端已贯入土中某一最大值后，正向上回弹（2）速度均同时为）速度均同时为0或为负。或为负。3、静载试桩法、静载试桩法通常被认为是确定单桩承载力通常被认为是确定单桩承载力的基本而又可靠的方法。静载试桩是的基本而又可靠的方法。静载试桩是在工程现场直接对桩顶加载，测试土在工程现场直接对桩顶加载，测试土对桩的阻力。测得的数据比较符合实对桩的阻力。测得的数据比较符合实际情况，是比较准确的方法。但海上际情况，是比较准确的方法。但海上试桩很难实现，费用也十

12、分昂贵。试桩很难实现，费用也十分昂贵。小结：小结：前面讨论的确定单桩承载力的前面讨论的确定单桩承载力的3种方法中，种方法中，采用静载采用静载试桩一般是最为可靠的，但费用高试桩一般是最为可靠的，但费用高，而且随着水深的增加，而且随着水深的增加，试桩设施安装十分困难。动力法中的，试桩设施安装十分困难。动力法中的一维波动方程是预一维波动方程是预测打桩性状和估算桩的承载能力的一种有效方法，目前得测打桩性状和估算桩的承载能力的一种有效方法，目前得到了广泛的应用到了广泛的应用。打桩公式由于存在。打桩公式由于存在明显的缺点，在海洋明显的缺点，在海洋工程中应用很少。工程中应用很少。静力法在研究方面得到了迅速进

13、展，对静力法在研究方面得到了迅速进展，对公式的应用积累了不少经验，可用于任何场地、各种打桩公式的应用积累了不少经验，可用于任何场地、各种打桩形式，是形式，是估算桩的承载力最常用的一种简单方法。估算桩的承载力最常用的一种简单方法。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打入打入粘土中的桩粘土中的桩，具有相当大的桩身侧摩阻力和较小，具有相当大的桩身侧摩阻力和较小的桩端阻力。打入的桩端阻力。打入沙土中的桩沙土中的桩恰恰相反，它具有较大的桩恰恰相反，它具有较大的桩端阻力和较小的桩身摩阻力。因此，选择桩端持力层是十端阻力和较小的桩身摩阻力。因此，选择桩端持力层是十分重要的

14、。分重要的。导管架平台的上部设施和设备荷载比较大，一般是采导管架平台的上部设施和设备荷载比较大，一般是采用深基础支承。打入桩往往要穿越几个不同类别的土层，用深基础支承。打入桩往往要穿越几个不同类别的土层，支承在土壤阻力较大且沉降较小的密实土层上，一般密实支承在土壤阻力较大且沉降较小的密实土层上，一般密实的沙层或砾石层是比较理想的持力层。的沙层或砾石层是比较理想的持力层。陈山码头研究表明，桩端带隔析的钢桩比不陈山码头研究表明，桩端带隔析的钢桩比不加隔板的钢桩承载力约加隔板的钢桩承载力约提高提高22%，其其桩端阻力，其其桩端阻力约约提高提高47%。我国在北仑港近海桩基施工中采用了半闭口我国在北仑港

15、近海桩基施工中采用了半闭口钢桩，使单桩承载能力从钢桩，使单桩承载能力从4116KN提高到提高到6958KN，共打了共打了583根桩未遇到任何困难，节省了大量的根桩未遇到任何困难，节省了大量的钢材和投资。钢材和投资。第三节第三节单桩横向单桩横向承载力计算承载力计算一、桩的破坏性状和分类一、桩的破坏性状和分类桩的横向承载力桩的横向承载力与桩的入土深度、桩的截面强度和抗与桩的入土深度、桩的截面强度和抗弯强度和抗弯刚度、桩顶和桩底的嵌固条件、荷载性质、弯强度和抗弯刚度、桩顶和桩底的嵌固条件、荷载性质、有无轴向载荷同时作用、桩周围土的强度与变形性状，以有无轴向载荷同时作用、桩周围土的强度与变形性状，以及

16、上部结构物特性等许多因素有关，及上部结构物特性等许多因素有关，常分别按刚性桩和柔常分别按刚性桩和柔性桩计算。性桩计算。一、横向载荷作用下单桩的破坏性状一、横向载荷作用下单桩的破坏性状1）刚性桩的破坏刚性桩的破坏绕靠近桩端的一点刚性转动。破坏时桩绕靠近桩端的一点刚性转动。破坏时桩前土体屈服。前土体屈服。2）半刚性桩的破坏半刚性桩的破坏桩身发生挠性变形，但桩身位移曲桩身发生挠性变形，但桩身位移曲线只出现一个位移零点桩身断裂或塑性屈服、过大水平线只出现一个位移零点桩身断裂或塑性屈服、过大水平位移位移3）柔性桩的破坏柔性桩的破坏桩身位移曲线只桩身位移曲线只出现两个出现两个位移零位移零点，点，且位移和弯

17、矩随桩身衰减很快。且位移和弯矩随桩身衰减很快。“M”法：法：（1）基本假定）基本假定（2）微分方程）微分方程（3）方程的解）方程的解1）桩顶可自由转动）桩顶可自由转动2）桩顶固定而不能转动）桩顶固定而不能转动3）桩桩顶受约束完全自由转动顶受约束完全自由转动目前，近海平台工程中，一般采用目前，近海平台工程中，一般采用K法。法。3、p-y曲线法曲线法 指指在水平荷载作用下，泥面下某一深度处的土体水平在水平荷载作用下，泥面下某一深度处的土体水平反力与该点桩的挠度之间的关系曲线，是一种可考虑土体反力与该点桩的挠度之间的关系曲线，是一种可考虑土体非线性效应的复合地基反力法非线性效应的复合地基反力法。p-

18、y曲线代表泥面以下任意深度土壤实际横向抗力与曲线代表泥面以下任意深度土壤实际横向抗力与水平位移关系。土壤变形时，就施加给桩的横向载荷可以水平位移关系。土壤变形时，就施加给桩的横向载荷可以从零一直加到土壤极限剪切屈服阶段土壤载荷不增加，而从零一直加到土壤极限剪切屈服阶段土壤载荷不增加，而变形继续增加。变形继续增加。优点：优点： 在在导管架平台桩基设计中，通常要考虑土的非线性特导管架平台桩基设计中，通常要考虑土的非线性特征，美国石油学会采用软粘土和沙性土的非线性的征，美国石油学会采用软粘土和沙性土的非线性的p-y曲曲线。我国平台规范也采用了这些曲线。这些曲线是经过长线。我国平台规范也采用了这些曲线

19、。这些曲线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。年经验和试验累积得出的，这种方法也称为马特洛克法。1）软粘土的）软粘土的p-y曲线曲线 2）硬粘土的）硬粘土的p-y曲线曲线以实际试验资料绘制以实际试验资料绘制p-y曲线曲线3）沙性土的）沙性土的p-y曲线曲线浅层土：浅层土：深层土：深层土：给定深度给定深度x:第四节群桩效应与荷载分布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，由于相邻当组成群桩的各个单桩间距较小时，由于相邻桩的相互作用，一般群桩的承载能力和变形特性桩的相互作用，一般群桩的承载能力和变形特性要受到影响，这种影响通常称为要受到影响，这种影响通常称为群

20、桩效应。群桩效应。在导在导管架设计中必须对此加以考虑。管架设计中必须对此加以考虑。二、横向荷载作用下的群桩效应二、横向荷载作用下的群桩效应关于关于横向荷载作用下的群桩横向荷载作用下的群桩效应，目前研究尚少，但效应，目前研究尚少，但可以肯定可以肯定无论打入沙土壤还是打入粘土壤中的群桩无论打入沙土壤还是打入粘土壤中的群桩，其群，其群桩的变形都桩的变形都大于群桩荷载均分到单桩上引起大于群桩荷载均分到单桩上引起的变形。影响的变形。影响群桩变形和各单桩荷载分配的主要因素是贯入深度、桩的群桩变形和各单桩荷载分配的主要因素是贯入深度、桩的相对刚度及群桩的布置。相对刚度及群桩的布置。第五节桩体设计第五节桩体设

21、计开口钢桩具有开口钢桩具有刚度大、强度高及打桩贯入性能刚度大、强度高及打桩贯入性能好等特好等特点，在导管架平台工程中得到了广泛应用。点，在导管架平台工程中得到了广泛应用。开口桩作为支撑结构的一部分，桩的设计应能开口桩作为支撑结构的一部分，桩的设计应能保证能保证能经受住在运输、捶打及使用过程中出现的静力和动力荷载经受住在运输、捶打及使用过程中出现的静力和动力荷载。在确定开口钢桩容许应力时，应。在确定开口钢桩容许应力时，应考虑物理、化学及生物考虑物理、化学及生物等因素对桩的腐蚀和损害。等因素对桩的腐蚀和损害。此外，在设计时应注意桩可能此外，在设计时应注意桩可能打不到预定设计高程及意外事故出现时的打

22、不到预定设计高程及意外事故出现时的补救方法补救方法。设计。设计主要包括确定桩的主要包括确定桩的入土深度，选择经济桩径和壁厚、桩的入土深度，选择经济桩径和壁厚、桩的分段长度设计及桩的连接构造分段长度设计及桩的连接构造。一、桩的入土深度和壁厚设计一、桩的入土深度和壁厚设计桩的贯深度应根据单桩容许承载能力确定的桩的贯深度应根据单桩容许承载能力确定的最小贯入最小贯入深度深度（见图（见图5-16）。）。工程设计中，通常先根据可能得到的桩的尺度和经验工程设计中，通常先根据可能得到的桩的尺度和经验选定桩径。选桩径时，必须把桩和导管架结构作为一个整选定桩径。选桩径时，必须把桩和导管架结构作为一个整体加以考虑，体加以考虑，要尽可能减少由于桩引起的荷载、重量及费要尽可能减少由于桩引起的荷载、重量及费用。用。决定桩的贯入深度的关键因素是决定桩的贯入深度的关键因素是轴向承载力轴向承载力。工程设。工程设计中，一般采用计中，一般采用静力法预估桩的承载力静力法预估桩的承载力，同时采用其它方，同时采用其它方法进行法进行校核校核