桩基础 桩的水平承载力

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d xz dZ
4
4
4

mb 1 EI
Zx z 0
0
5
(1)
d xz dZ
4
a Zx
5
z
式中:——桩—土变形系数,
mb 1 EI
从上式中不难看出:桩的横向位移与截面所在深 度、桩的刚度(包括桩身材料和截面尺寸)以及桩周土的 性质等有关,是与桩土变形相关的系数。
26
式(1)为四阶线性变系数齐次常微分方程,在求解 过程中注意运用材料力学中有关梁的挠度xz与转角z、弯 矩Mz和剪力Qz之间的关系即
18
(三) 桩的计算宽度
桩在水平外力作用下,除了桩身宽度范围内 桩侧土受挤压外,在桩身宽度以外的一定范围内的 土体都受到一定程度的影响(空间受力),且对不 同截面形状的桩,土受到的影响范围大小也不同。 为了将空间受力简化为平面受力,并综合考虑 桩的截面形状及多排桩桩间的相互遮蔽作用,将桩 的设计宽度(直径)换算成相当实际工作条件下, 矩形截面桩的宽度b1,b1称为桩的计算宽度。
CX
z
mZX
z
,可求得桩侧土抗
mZX
z
0 M0 Q0 mZ x 0 A1 B1 C1 D1 2 3 EI EI
(6)
28
以上求算桩的内力位移和土抗力的式(2)~(6)五个 基本公式中均含有x0、0、M0、Q0这四个参数。其中M0、Q0 可由已知的桩顶受力情况确定,而另外两个参数x0、0则需根 据桩底边界条件确定。由于不同类型桩,其桩底边界条件不 同,现根据不同的边界条件求解x0、0如下。 1.摩擦桩、支承桩x0、0的计算
平位移xz成正比,即zx=Cxz,且地基系数C随深度 成线性增长,即C=mz。
基于这一基本假定,进行桩的内力与位移的理论公式 推导和计算。
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在公式推导和计算 中,取下图1和图2所示 的坐标系统,对力和位 移的符号作如下规定: 横向位移顺 x轴正方向为 正值;转角逆时针方向 为正值;弯矩当左侧纤 维受拉时为正值;横向 力顺 x轴方向为正值,如 下图2所示。
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上述四种方法各自假定的地基系数随深度分布规律不同, 其计算结果有所差异。本节介绍目前应用较广并列入《公 桥基规》中的“m”法。按“m”法计算时,地基系数的比例 系数m值可根据试验实测决定,无实测数据时可参考下表中 的数值选用;
非岩石类土的比例系数m值
土 的 分 类 流塑粘性土IL>1、淤泥
序 号
2 .5
础的桩多属弹性桩。
刚性桩:当桩的入土
h

深度时,则桩的相对刚度较
大,可按刚性桩计算
22
2、“m”法弹性单排桩基桩内力和位移计算
如前所述,“m”法的基本假定是:
认为桩侧土为文克尔离散线性弹簧; 不考虑桩土之间的粘着力和摩阻力; 桩作为弹性构件考虑; 当桩受到水平外力作用后,桩土协调变形; 任一深度Z处所产生的桩侧土水平抗力与该点水

zx
Cx
z
式中: zx——横向土抗力(kN/m2); C——地基系数(kN/m3) xz——深度Z处桩的横向位移(m)。
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2.地基系数 基本概念:地基系数C表示单位面积土在弹性限 度内产生单位变形时所需要的力。它的大小与地基土的类 别、物理力学性质有关。如能测得xz并知道C 值,zx值即 可解得。 地基系数C值是通过对试桩在不同类别土质及不同深 度进行实测xz及zx后反算得到。
1
m或m0(MN/m4) 3~5
2 3
4 5 6
软塑粘性土1>IL>0.5、粉砂 硬塑粘性土0.5>IL>0、细砂、中砂
坚硬、半坚硬粘性土IL<0、粗砂 砾砂、角砾、圆砾、碎石、卵石 密实粗砂夹卵石,密实漂卵石
5~10 10~20
20~30 30~80 80~120
14
关于“m”值 的说明 1)由于桩的水平荷载与位移关系是非线性的,即m值随荷 载与位移增大而有所减少,因此,m值的确定要与桩的实际荷 载相适应。一般结构在地面处最大位移不超过10mm,对位移 敏感的结构及桥梁结构为6mm。位移较大时,应适当降低表列 m值。 2)当基础侧面为数种不同土层时,将地面或局部冲刷线 以下hm深度内各土层的mi,根据换算前后地基系数图形面积在 深度hm内相等的原则,换算为一个当量m值,作为整个深度的 m值。 3)桩底面地基土竖向地基系数Co为: C0=m0h
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(二)单桩、单排桩与多排桩
单桩、单排桩:指在与水平外力H作用面相垂直的平面 上,由单根或多根桩组成的单根(排)桩的桩基础,如下图 a)、b)所示,对于单桩来说,上部荷载全由它承担。 对于单排桩 ,若作用于承台底面中心的荷载为N、H、 My,当N在承台横桥向无偏心时,则可以假定它是平均分布在 各桩上的,即
摩擦桩、支承桩在外荷作用下, 桩底将产生位移xh、h。当桩底产 生转角位移h时,桩底的土抗力情 况如右图所示,与之相应的桩底弯 矩值Mh为
M
h


xdN
A0
x

2

A0
x x h C 0 dA 0
h C 0

A0
x dA 0 h C 0 I
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式中:A0——桩底面积; I0——桩底面积对其重心轴的惯性矩; C0——基底土的竖向地基系数,Co=m0h。 这是一个边界条件,此外由于忽略桩与桩底土之间 的摩阻力,所以认为Qh=0,这为另一个边界条件。 将 M h h C 0 I 0 Q h 0 分别代入式(4)、(5)中得
Pi N n ; Qi H n ;M i M n
y
式中:n——桩的根数。
当竖向力N在承台横桥向有偏心距e时,即Mx=Ne,因 此每根桩上的竖向作用力可按偏心受压计算,即
pi N n M
x
yi
2
yi
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单桩、单排桩及多排桩
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多排桩如上图c),指在水平外力作用平面内有 一根以上的桩的桩基础(对单排桩作横桥向验算时 也属此情况),不能直接应用上述公式计算各桩顶 作用力,须应用结构力学方法另行计算(见后述), 所以另列一类。
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三、水平受荷的理论分析
根据某些假定建立的理论(如弹性地基梁 理论),计算桩在横向荷载作用下,桩身内 力与位移及桩对土的作用力,验算桩身材料 和桩侧土的强度与稳定、以及桩顶或墩台顶 位移,从而可评定桩的横向承载力容许值
8
1、基本概念
(一)土的弹性抗力及其分布规律
1.土的弹性抗力 桩基础在荷载(包括轴向荷载、横轴向荷载和力矩) 作用下产生位移(包括竖向位移、水平位移和转角),桩 的竖向位移引起桩侧土的摩阻力和桩底土的抵抗力。桩身 的水平位移及转角使桩挤压桩侧土体,桩侧土必然对桩产 生一横向土抗力zx,它起抵抗外力和稳定桩基础的作用, 土的这种作用力称为土的弹性抗力。zx即指深度为Z处的横 向(X轴向)土抗力,其大小取决于土体性质、桩身刚度、 桩的入土深度、桩的截面形状、桩距及荷载等因素。
z dz 2 d xz M z EI 2 dz 3 d xz Q z EI 3 dz dx
z
若地面处(Z=0)桩的水平位移、转角、弯矩和剪力 分别以x0、0、M0和Q0表示,解方程组(1),得到桩身 任一截面的转角Z、弯矩MZ,及剪力QZ的计算公式:
9
桩身内力与位移计算方法很多,常用的有:弹性地基梁法。 弹性地基梁法:
将桩作为弹性地基上的梁,按文克尔假定(梁 身任一点的土抗力和该点的位移成正比)的解法。 基本概念明确,方法较简单,所得结果一般较 安全。弹性地基梁的弹性挠曲微分方程的求解方 法可用数值解法、差分法及有限元法。
假定土的横向土抗力符合 文克尔假定,即
M
h
0 M0 Q0 EI x 0 A 3 B3 C3 D 3 C 0 h I 0 2 3 EI EI
0 M0 Q0 mZ x 0 A1 B1 C1 D 1 (5) 2 3 EI EI
A1、B1……C4、D4——16个无量纲系数,根据不同的无量纲 深度可将其制成表格供查用(参见《公桥基规》)。
根据土抗力的基本假定
力的计算公式:

zx
zx
式中:E、I——梁的弹性模量及截面惯矩。
因此可以得到图1所示桩的挠曲微分方程为
EI d xz dZ
4 4
q
zx
b1 mZx
z
b1
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上式中:E、I——桩的弹性模量及截面惯矩 zx——桩侧土抗力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(即桩的挠度)。 将上式整理可得: 或
3
桩在横向力作用下变形示意图 a)刚性桩;b)弹性桩
二、单桩横向容许承载力的确定方法 1、单桩水平静载试验
4
荷载-时间-位移曲线
5
荷载-位移梯度曲线
荷载-位移曲线
6

上述方法极限荷载除以安全系数,即得桩 的横向承载力的容许值,安全系数一般取2
用水平静载试验确定单桩横向容许承载时,还应注意 到按上述强度条件确定的极限荷载时的位移,是否超过结 构使用要求的水平位移,否则应按变形条件来控制。水平 位移容许值可根据桩身材料强度、土发生横向抗力的要求 以及墩台顶水平位移和使用要求来确定,目前在水平静载 试验中根据《公桥基规》有关的精神可取试桩在地面处水 平位移不超过6mm,定为确定单桩横向承载力判断标准, 以满足结构物和桩、土变形安全度要求,这是一种较概略 的标准。
图1 桩身受力图示
图2 力与位移的符号规定
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(一)桩的挠曲微分方程的建立及其解
桩顶若与地面平齐(Z=0),且已知桩顶作用有水 平荷载Q0及弯矩M0,此时桩将发生弹性挠曲,桩侧土将 产生横向抗力zx,如图1所示。从材料力学中知道,梁 轴的挠度与梁上分布荷载q之间的关系式,即梁的挠曲 微分方程为 4 d x EI q 4 dZ
《基础工程》
第3章 桩基础
1
6 桩的水平承载力
桩的水平承载力,是指桩在与桩轴线垂直方向受 力时的承载力。桩在横向力(包括弯矩)作用下的工 作情况较轴向受力时要复杂些,但仍然是从保证桩身 材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用 要求来分析和确定桩的水平承载力。
2
一、在横向荷载作用下,桩的破坏机理和特点 a)桩的刚度远大于土层刚度 时,桩身挠曲变形不明显,可能 由于桩侧土的强度不够失稳。因 此,基桩的横向承载力容许值可 由桩侧土的强度及稳定性决定。 b)桩的相对刚度较小时,桩 身发生挠曲变形,侧向位移随 入土深度逐渐减小,形成一端 嵌固的地基梁。基桩的横向承 载力容许值由桩身材料的抗剪 强度或侧向变形条件决定
C值随深度的分布规律:地基系数C值不仅与土的类 别及其性质有关,而且也随深度而变化。由于实测的客 观条件和分析方法不尽相同等原因,所采用的C值随深度 的分布规律也各有不同。常用的几种地基系数分布规律 如下所示 。
11
地基系数变化规律
12
相应的基桩内力和位移计算方法为: 1)“m”法: 假定地基系数C随深度呈线性增长,即C=mZ,如上图a)所示。 m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随深度呈折线变化即在桩身第一挠曲变形零点 (上图b)所示深度t处)以上地基系数C随深度呈凹形抛物线 增加;该点以下,地基系数C=K(kN/m3)为常数。 3)“c”法: 假定地基系数C随深度呈抛物线增加,即C=cZ0.5,当无量纲入 土深度达4后为常数,如上图c)所示。c为地基系数的比例系 数(kN/m3.5)。 4)“常数”法,又称“张有龄法”: 假定地基系数C沿深度为均匀分布,不随深度而变化,即C=K0 (kN/m3)为常数,如上图d)所示。
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X
z
x 0 A1
0
B1
M
2
0
Hale Waihona Puke Baidu EI
C1
Q0
EI
3
D1
(2)
D2
Z
QZ
x 0 A2
0
B2
M
2
0
EI
M
2 0
C2
Q0
EI
3
(3) (4)
EI
3
x 0 A4
0
B4
EI
C4
Q0
EI
3
D4

zx
mZX
z
19
公路桥涵地基与基础设计规范(JTDG63-2007)
桩的计算宽度可按下式计算:
20
21
(四)刚性桩与弹性桩
弹性桩:当桩的入土深度 h
5

2 .5
必须考虑桩的实际刚度,按弹性桩来计算。其中 称为桩—
土变形系数,
mb 1 EI

时,桩的相对刚度小,
(详见后述)。一般情况下,桥梁桩基
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