某单桩设计及稳定性验算

单桩设计及稳定性验算

案例说明

桩基础是最古老的基础型式之一。桩基础由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。常用的桩型主要有预制钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩、钻（冲）孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、钢管桩等。桩基础以其巨大的承载潜力和抵御复杂荷载特殊能力以及对各种地质条件的良好适应性，广泛的应用于高层建筑中。

本文采用GEO5单桩设计模块对某建筑场地单桩设计进行了分析验算，验算结果表明，在建筑场地采用的单桩设计取得了良好的承载力效果。

工程概况

设计桩身尺寸为长12.0m，直径1.0m；混凝土强度等级为C25；建筑安全等级为一级；桩顶设计荷载为竖向荷载N=1450kN、水平荷载H x=85kN、弯矩M y=120kN·m；工作荷载为竖向荷载N=1015kN、水平荷载H x=60kN、弯矩M y=80kN·m。

建筑场地土层按其成因特征和力学性质自上而下分为两层，物理力学指标见下表。另外，砂质黏土的饱和重度为20.5kN·m-3，密实度I c为0.5，含细粒黏土的饱和重度为19.5kN·m-3，密实度I d为0.5。

图1 单桩设计结构示意图

表1 岩土参数表

验算操作流程

分析设置

在“分析设置”中选择“中国-国家标准（GB）”，竖向承载力的分析选择“解析法”，分析类型为“排水条件分析”。另外，结构重要性系数取1.1。

图2 分析设置

剖面土层

在“剖面土层”设置界面中划分土层，点击按钮，在“Z坐标”中输入6，这样软件便自动将土体划分为两层。

图3 剖面土层设置

水平反力系数K h

在“土的水平反力系数”对应的下拉菜单中选择“均匀分布”。

图4 土的反力系数设置

注：如果我们不考虑侧向荷载时，即仅考虑竖向承载力时，可以忽略这一步的设置。土的水平反力系数的计算方法详见帮助文档-F1。

岩土材料

在“岩土材料”设置界面中设置岩土层材料，点击按钮，在弹出的设置面板中添加砂质黏土（CS）和含细粒砂土（SF）材料，材料具体参数请参照表1。参数βp的选择会影响桩侧摩阻力的大小，其取值由土体的内摩擦角和土体的类型决定。扩散角的取值和土体的内摩擦角有关，范围在φef /4 - φef详见帮助文档-F1。此处，扩散角第一层取10，第二层取15。

注：但我们不考虑侧向荷载时，即仅考虑竖向承载力时，扩散角的取值可以随便取，扩散角的大小不影响竖向承载力，但当考虑水平承载力时，扩散角的取值要严格按照它的取值范围来取。

图5 岩土材料设置

在“指定材料”设置界面中将刚刚添加的岩土材料指定给对应的土层，选择岩土材料图例，然后在显示窗口中点击要指定的土层，这里分别把砂质黏土和含细粒砂土材料指定给第一层和第二层土。

图6 指定材料设置

荷载

“荷载”界面包一列含含有已输入荷载信息的表格。添加荷载通过点击“添加”按钮，在弹出的“添加荷载”对话框中输入相关参数，并按照对话框右侧显示的作用力方向示意图示来输入各个力，如图7所示。

可以定义两种荷载：

（1）设计值，用于验算竖向和水平荷载

（2）标准值，用于验算桩身沉降

图7 荷载设置

在“桩身尺寸”界面中，选择桩截面为圆形界面，所选桩型的示意图显示在界面中部。各个输入栏用于设置所选桩截面的具体尺寸，如图8。

图8桩身尺寸设置

材料

“材料”界面用于设置材料参数。在界面输入栏中输入结构容重γ=23kN/m3,并选择桩身材料为混凝土。当桩身为混凝土时，需要选择混凝土材料、横向和纵向钢筋标号以及相应的材料参数。相关参数的设置可以通过点击“目录”，在弹窗内选择所需的材料，如图9（a），也可以点击“自定义”选项，按要求在弹窗内手动输入混凝土或钢筋的参数，如图9（b）。本次验算选用混凝土等级为C25，纵筋为HRB500。

(a) 目录设置

(b) 自定义设置

图9 桩身材料设置

地下水位+地基

在“地下水位+地基”设置界面中，中可以定义地下水离天然地面的深度和不可压缩地基离天然地面的深度。其数值可以在界面的输入栏中输入，或在图形窗口中通过动态标注的方式来编辑。

地下水位改变了土体的自重应力。不可压缩地基切断了基础下方的受荷影响区域，并且对地基沉降的减少也有影响。

在本案例不需要考虑地下水位和不可压缩地基的影响，因此忽略这一步的设置。

图10 地下水水位+地基设置

工况阶段设置

“工况阶段设置”界面用于设置当前工况阶段。在设计状况下拉菜单内选择当前的设计状况为“持久设计状况”。

图11 设置工况阶段

验算结果分析

一、竖向承载力分析

“竖向承载力”界面用来验算单桩的竖向承载力。在此界面中可以对同一工况阶进行多组分析。软件可以对输入的不同受荷情况进行验算，也可以选取由软件自动确定的最不利荷载工况进行验算（在下拉列表中选择）。

竖向承载力分析可以采用解析法也可以采用弹性法。解析法有两种类型：（1）排水条件分析（有效应力法、CSN73 1002、NA VFAC DM 7.2）

（2）不排水条件分析（Tomlinson 法，NA VFAC DM 7.2）

本次主要采用排水条件分析中的有效应力法来验算竖向承载力，其他方法详见帮助文档-F1。

在“竖向承载力”界面中，首先要设置桩端承载力修正值N p，这对桩端承载力R b的大小会产生影响。N p的大小取决于土的内摩擦角的大小和土体的种类（详见帮助文档-F1）。

由于桩端为砂土，取N p=30（取值见表2）。验算结果如图12。

图12 竖向承载力验算结果（有效应力法）

点击“详细结果”按钮，可以打开详细的计算结果，包括桩侧承载力、桩端承载力、桩总竖向承载力、最大竖向荷载及安全系数。