第五章 桩基设计

右图所示为线弹性地基反 力法图形： 图（a）为张氏法 图（b）为“M”法 图（c）为“K”法
几种线弹性地基反力法比较：
张氏法多用于预固结粘性土
正常固结的粘土和一般沙土，由于水平地基系数随深度而增大，可采 用“K”法、 “M”法和“C”法： “K”法计算出的嵌固点处弯矩值过大（近海平台使用此法） “M”法在工程上常用，在前苏联、欧美等国家广泛使用，我国铁路、 公路和交通部门也在逐渐推广使用
• 第三节
单桩横向承载力计算
一、桩的破坏性状和分类
桩的横向承载力与桩的入土深度、桩的截面强度、抗弯刚度、桩顶 和桩底的嵌固条件、荷载性质、有无轴向荷载同时作用、桩周围土 的强度与变形性状、上部结构物特性等许多因素有关
单桩在横向荷载作用下，桩顶产生水平位移和转角、桩身受弯、桩 前土体受侧向挤压。桩和地基的破坏性状与桩的几何尺寸、桩顶约 束条件、材料强度、地基土的性质等因素有关 在横向荷载或弯矩作用下，单桩可能发生的破坏形式包括： 1）桩身由于荷载产生的弯矩过大而破裂 2）桩周围的土被挤出，导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移过大
桩端阻力Qp Qi p Qop
桩侧摩阻力Qs Qos
2）当Qis< Qip时，表明开口桩端端部未充分闭塞，此时有：
桩端阻力Qp Qop
桩侧摩阻力Qs Qos Qis
管径对开口钢管桩闭塞效应的影响较大
（四）受拉抗拔力计算
海上桩基平台在承受较大倾覆力矩时，某些桩可能要受拉，故需验算桩的 抗拉强度和计算桩的抗拔力；若平台搬迁时拔桩，需估算拔桩力 1.单桩的抗拔力：
海洋平台
桩
弹性桩（2.0<相对桩长<4） 弹性长桩（相对桩长≧4）
• 横向荷载作用下单桩的破坏性状
刚性桩的破坏： 1）破坏时桩身刚体转动，桩侧土 全部屈服，如图（a）和图（d） 半刚性桩的破坏： 1）由于桩身抗弯强度低而引起 的桩身断裂 2）桩身抗弯强度高，桩侧土屈 服引起的桩水平位移过大而破坏， 如图（b）和图（e） 柔性桩的破坏：
• 一、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 土壤对桩的支持能力，主要取决于土层的性质、桩的尺寸、桩的布置、沉桩方法 等因素 静力法（半经验方法） 单桩轴向承载力计算 动力法 静载试桩法
1.静力法
应考虑桩和土塞的重量及浮力的影响
总而言之： 静力法中的静载试桩法最可靠，但试桩设施安装困难 动力法的一维波动方程法应用广泛 桩公式法数据不可靠，较少使用
（二）打入成层土壤中受压桩的承载力计算
打入粘土中的桩：桩侧摩阻力大、桩端阻力小 打入沙土中的桩：桩侧摩阻力小、桩端阻力大
实际的桩打得深，且桩要穿越不同类别的土层，故选择桩端持力层很重要
QT Qos Qis Qop （Qis≤ Qip）（Qis为开口桩内表面摩擦阻力） QT Qos Qi p Qop （Qis>Qip）（Qos为土开口桩外表面摩擦阻力）
（Qip为土壤栓塞横截面积的阻力）
（Qop为钢管环形横截面面积对土的阻力）
开口钢管桩桩端闭塞效应分析：
1）当Qis≧ Qip时，表明开口桩端端部已充分闭塞，此时有：
以土壤力学试验和桩的荷载试验所取得的基本数据为依据，把桩的特性、 土壤的相对密度和未扰动土的抗剪强度等特征指标联系起来，考虑试验系 数，就可粗略估算受压桩的轴向承载力。
QT QS QP
QS f S AS
Qu Qa K
Qp q p Ap
Qs —桩侧摩阻力
Qp —桩端阻力 Qu —单桩极限承载力 [Qa] —单桩容许承载力
桩的分类：
刚性桩：长度很短、桩的相对于刚度较大、在横向荷载作用下破坏 时桩身只发生刚体转动的桩 半刚性桩：长度较大、在横向荷载作用下破坏时桩身发生挠曲变形、 但桩身位移曲线只有一个位移零点和弯矩零点的桩，又称为中长桩
柔性桩：长度足够大、在横向荷载作用下破坏时桩身挠曲位移曲线 出现2个以上位移零点和弯矩零点的桩，又称为无限长桩 半刚性桩和柔性桩统称为弹性桩
ql 0.5Nq tan
q0 Nq φ D — 持力层以上软弱土层的单位极限阻力 — 短桩承载力系数 — 内摩擦角 — 桩径
2.当桩穿过软弱土层后进入软弱下卧土层的较薄持力层时，桩端 阻力随桩端下持力层的厚度减少而递减，递减率与桩进入持力层 的相对埋深Lb/D有关 1）桩打入持力层顶部一定深度Lb时，桩端阻力qp上为：
打入桩基础 桩基（按施工方法） 需考虑土质条件、桩的 用途、桩的承载能力、 地基类型、施工条件等 因素选择桩基型式 纯摩擦桩（桩端阻力可忽略） 摩擦型桩 桩基（按承载性状）
常用
钻孔灌注桩基础
钟型桩基础
端承摩擦桩（桩端阻力和侧 摩阻力同时发挥作用）
端承桩（桩侧摩阻力可忽略）
端承型桩 摩擦端承桩（桩端阻力和侧 摩阻力同时发挥作用）
f s k0 po tan
k0—土层侧压力系数
Nq—阻力系数 δ—桩土之间的摩擦角
q p p0 N q
在分层土中，当与 桩端所处土层相邻 近的下层土是软土 层时，要求桩端所 处土层中的贯入深 度为2～3倍的桩径， 桩端离该土层底面 约3倍桩径，防止 桩端刺入软土层
2.动力法
动力法包括打桩公式法（动力公式法）、波动方程法、动力试验法 1）打桩公式法根据牛顿撞击理论和能量守恒原理导出，属于半经验公式
Wr H Qu es x
Wr —桩锤重量
Wr H Qa n(es x)
H —打桩前桩锤距离桩顶的距离 Qu —单桩极限承载力 Qa —单桩容许承载力 es —打桩前后阶段平均贯入度 x — 经验常数 n — 安全系数
由打桩公式估算的承载力远小于 实际的极限承载力
2）一维波动方程分析法
q p上 (q l q 0上 ) Lb q0上 ql 10 D
2）桩打入持力层底部位置，且Lb<10D时，桩端阻力qp下为：
q p下 ( q l q 0下 ) H q0下 ql 10 D
q0上 — 持力层以上软弱土层的桩端单位极限阻力 q — 持力层以下软弱土层的桩端单位极限阻力
1.线弹性地基反力法
适用范围：桩在地面的水平位移在0.6～1.0cm，此时桩身任一点的 土抗力与桩身侧向位移之间为线性关系，如桥台、桥墩等桩结构物 张氏法（m=0）中：比例系数K(x)=kh为一常数，称为地基反力系数 “M”法（m=1）中：比例系数K(x)=m0x “K”法：假定比例系数K(x)在桩挠曲线第一弹性零点以上与深度x成 正比，即： K(x)=m0x= khx/l(l为第一弹性零点到泥面的距离）；零 点以下K(x)为常数，即：K(x)=k0
破坏性状与半刚性桩类似 如图（c）和图（f）
桩的破坏性状图
二、弹性地基反力法
在横下荷载作用下，打入土壤中的桩受力类似于地基上的弹性长梁 目前计算弹性长桩常用弹性地基反力法，即：假定土为弹性体，用 桩的弯曲理论计算桩的水平抗力
右图所示弹性连续梁的挠曲微分方程为：
d4y d2y EI 4 N 0 2 p( x, y ) dx dx
第五章 桩基设计
1
本章主要内容
第一节 桩基分类
第二节
第三节 第四节
单桩轴向承载力计算
单桩横向承载力计算 群桩效应与荷载分布
第五节
桩体设计
桩基设计
Fra Baidu bibliotek
第一章
桩基础
定义：用来承受甲板荷载和抵抗环境荷载的结构
桩的设计要考虑桩对轴向荷载及水平荷载的承载能力：
绪 论
Chapter 1 introduction
0下
ql — 持力层桩端单位极限阻力 H — 进入持力层桩端持力层与下卧软弱层界面的距离
（三）开口钢管桩的桩端闭塞效应
闭塞效应：打开口钢桩时，不断进入桩内的土壤与桩内壁产生摩擦力，使 得桩内土壤逐渐被压密。当桩内土壤与桩内壁的摩擦力大于桩端土的挤入 力，桩内土壤象“塞子”一样把桩端堵住，使桩端形成闭塞状态的现象 栓塞：土壤在钢管内形成的塞子；土壤栓塞具有的承载力，对工程有益 考虑开口钢桩闭塞效应后，受压钢桩桩顶荷载 QT为：
若忽略轴向荷载N0，假定作用在桩上的土体 抗力p(x,y)与桩的横向位移成正比，有：
d4y EI 4 p( x, y ) K ( x) y dx
土抗力模量
温克尔假设：将土看做不同刚度的弹簧、考虑非线性特点，土抗力 可表示为：
p( x, y) kxm y n
讨论m和n的取值： 1）n=1,p(x,y）称为线弹性地基反力,相关的求解p(x,y）的方法 称为线弹性地基反力法： m=0, 张氏法（常系数法） m=1/2,“C”法 m=1, “M”法 “K”法 2）n≠1,p(x,y）称为非线性弹性地基反力,相关的求解p(x,y） 的方法称为非线弹性地基反力法
C —弹性应力波在桩内的传播速度 ρ —桩材质量密度 E —桩材弹性模量 Rf —外阻力
原理：将一根实际的锤-桩-土 理想化为多质点弹簧系统，运 用有限差分形式建立运动方程
3) 静载试桩法
静载试桩法被认为是确定单桩承载力的基本又可靠的方法 静载试桩：在现场直接对桩顶加载，测试土对桩的阻力 缺点：随着海洋工程向深海发展，海上试桩的加力装置、反力系统已很难实 现，且费用昂贵。
1. 桩对水平荷载的承载能力：由桩截面的抗弯刚度或容许的水平变位值决定 2. 桩对轴向荷载的承载能力：来自于桩周围的土壤对桩侧表面产生的摩擦阻力 和桩的底端土壤对土壤产生的支承阻力
桩基在承受巨大轴向荷载的同时，还要承受由环境荷载在泥面附近引起 的水平力和弯矩
桩基设计
• 第一节
桩基分类
摩擦型桩：桩顶荷载全部或主要由桩侧摩阻力来承受的桩，桩端阻力很小 端承型桩：桩顶荷载全部或主要由桩端阻力来承受的桩，桩侧摩阻力很小
Qu f s As Wp Ws
Qu--极限抗拔力 Wp--钢管桩自重 Ws--进入桩内土体的有效重量
注：受拉桩的极限抗拔力不大于桩身总摩阻力 2. 抗桩力： 拔桩力是用来克服桩身摩阻力与桩的有效重量，在桩顶施加的拉力， 通常用单桩的抗拔力乘以一个大于1.0的荷载系数来计算设计拔桩力
（五）轴向荷载作用下桩的弹性反应
由上可见，具有不同长度、刚度的桩在横下荷载作用下工作特点和 破坏方式不同，故可根据桩的相对桩长、相对刚度对桩进行分类
桩的相对刚度：桩的刚度与土的刚度之比，以相对刚度系数 T表示 桩的相对桩长：桩打入土中的深度Lt与桩相对刚度系数T之比
我国铁路部门 桩 刚性桩（相对桩长≤2.5） 弹性桩（相对桩长>2.5） 刚性桩（相对桩长≤2.0） 我国公路部门 桩 弹性桩（2.0<相对桩长<4.5） 弹性长桩（相对桩长≧4.5） 刚性桩（相对桩长≤2.5） 我国港口工程
桩端持力层的选取方法：进行地质钻孔，获取土壤资料和侧向延 伸图，根据土壤的物理力学指标确定桩端位置、估算桩的承载力
打入成层土壤中的长桩（长度大于16～20倍桩径）桩端位置和桩端阻力
1.当桩穿过软弱土层后进入较厚的无粘性坚硬土层时，以此坚硬土 层为持力层估算桩端阻力： 1）进入持力层的深度Lb大于10倍桩径时，桩端单位阻力qp等于该土 层极限阻力ql，但要小于10MPa 2）进入持力层的深度Lb小于10倍桩径时，桩端单位阻力qp为： (q l q0 ) Lb q p q0 ql 10 D
关键参数fs和qp取决于土壤性质、 桩的尺度、沉桩方法、时间效应
1.粘性土的桩侧摩阻力fs和桩端阻力qp
f s Cu
.5 0.5 -0（ 1.0）
5 0.5 -0.2 （ 1.0）
q p 9Cu
po—上覆土压力
Cu p0
2.沙性土的桩侧摩阻力fs和桩端阻力qp
打桩的实质是应力波在桩内进行传播的过程。 1962年E.A.L.史密斯用一维波动方程理论解决了打桩的贯入性状，使波动 方程法开始广泛地应用于桩基设计，为预测打桩性状和估算桩的承载能力 提供了一种合理的分析方法；属于数值分析法
2 2 DS DS 2 C Rf 2 2 t x
C
E

Ds —所取截面位移
桩在轴向荷载作用下，桩体要发生变形 试验表明：当加在桩顶的荷载小于桩的容许荷载时，荷载 ∝桩顶轴向位移
桩顶的轴向刚度系数（或抗压刚度系数）：桩在轴向荷载作用下产生 轴向位移，桩顶沿轴向产生单位位移所需施加的轴向力
桩在泥面处的有效轴向刚度K0：
K0 EA th h

Ka
EA
有效轴向刚度K0值一般由现场试验量测的荷载-位移关系曲线求得。