1、第五章 桩基设计第1页，共45页。第五章第五章 桩基设计桩基设计l桩基是用来支承甲板荷载和抵抗环境荷载的结构。l设计中应考虑桩对轴向荷载轴向荷载和水平荷载水平荷载的承载能力。桩对水平荷载的承载能力是由桩截面的抗弯强度或容许的水平变位值决定的。桩的轴向承载能力来自桩周围土壤对桩侧表面所产生的摩擦阻力和桩底端土壤对桩产生的支承阻力。第2页，共45页。第一节第一节 桩基分类桩基分类一、按施工方法分类一、按施工方法分类l打入桩基础（两级套管桩）l钻孔灌注桩基础l钟型桩基础l打入桩最简单，费用最低，是海洋工程中优先选用的一种桩基，钻孔灌注桩和钟型桩一般在不得已的情况下采用。1.实际工程中采用何种桩基主要
2、考虑土质条件、桩的用途、桩的承载能力、地基类型及施工条件等第3页，共45页。二、按支承性状分类二、按支承性状分类l摩擦型桩：桩顶竖向荷载全部或主要由桩侧摩阻力来承受。又可分为纯摩擦桩和端承摩擦桩。l端承型桩：桩顶竖向荷载由桩端阻力承受。又可分为端承桩和摩擦端承桩。1.大多数情况下，桩承载能力主要是由桩身摩擦阻力提供，其承载能力随桩身表面积的增大而增大。因此，摩擦型桩是近海工程桩基常用形式。第4页，共45页。第二节第二节 单桩轴向承载力计算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l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。l桩的承
3、载能力估算方法：静力法静力法、动力法动力法、静静载试桩法载试桩法。第5页，共45页。1.静力法静力法l桩顶轴向荷载由桩身表面摩擦力和桩端支撑力共同承担：桩顶轴向荷载由桩身表面摩擦力和桩端支撑力共同承担：第6页，共45页。1）粘性土的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp2）沙性土中的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp第7页，共45页。2.动力法动力法l动力法包括动力动力法包括动力打桩公式打桩公式、波动方程波动方程和和动力试动力试验验3种方法。目前海洋工程中应用较多的是种方法。目前海洋工程中应用较多的是一一维波动方程法维波动方程法。l打桩公式：打桩公式：第8页，共45页。l一维波动方程法一维波动方程法第9页，共
4、45页。3.静载试桩法静载试桩法l静载试桩是在工程现场直接对桩顶加载，测试土对桩的阻力。l基本又可靠的方法。但随着海洋工程向深海发展，规模扩大，海上试桩很难实现，费用很高。第10页，共45页。确定受压桩承载力方法比较：确定受压桩承载力方法比较：l静载试桩法：最可靠，但费用高，水深大时困难l一维波动方程法：有效，应用广泛。l打桩公式：存在明显缺点，应用很少。l静力法：最常用的一种简单方法。第11页，共45页。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第12页，共45页。第13页，共45页。三、开口钢管桩的桩端闭塞效应三、开口钢管桩的桩端闭塞效应l开口桩打入海床初期土
5、壤随桩的贯入不断进入桩内，由于桩内壁与土壤之间的摩擦力，进入桩内的土壤被压密。当摩擦力增大到超过桩端土的挤入力时，桩内土壤上升非常小，桩端形成闭塞状态。管内土壤像“塞子”一样把桩端堵住，土壤在管内形成的塞子称为“栓塞”，栓塞对桩端阻力的影响称为闭塞效应闭塞效应。第14页，共45页。考虑开口桩闭塞效应，式（考虑开口桩闭塞效应，式（5-1）改为如下形式：）改为如下形式：()TosisopisipQQQQQQ()TosipopisipQQQQQQ第15页，共45页。第16页，共45页。第17页，共45页。四、受拉桩抗拔力计算四、受拉桩抗拔力计算1.单桩的抗拔力计算单桩的抗拔力计算l开口钢管桩，计算受
6、拉时抗拔力一般假定桩端阻力为零，但要考虑桩体有效重量l2.拔桩力计算拔桩力计算1.上式计算的拔桩力再乘以一个大于1的系数，该系数一般取23，以此作为设计拔桩力。usspsQf AWW第18页，共45页。第四节第四节 群桩效应与荷载分布群桩效应与荷载分布l当组成群桩的各个单桩间距较小时，由于相邻的相互作用，一般群桩的承载能力和变形特征要受到影响，这种影响通常称为群桩效应。第19页，共45页。一、轴向荷载作用下的群桩效应一、轴向荷载作用下的群桩效应1.承载能力承载能力l群桩的总轴向承载能力可用下式估算群桩的总轴向承载能力可用下式估算l打入砂土中的群桩取打入砂土中的群桩取 ，打入粘土中的群桩取，打入
7、粘土中的群桩取l当桩距当桩距s3D时，必须考虑群桩效应；当时，必须考虑群桩效应；当s3D时，可按整体深基础时，可按整体深基础计算计算2.沉降沉降l轴向荷载作用下无论打入砂土还是粘土中的群桩，沉降都轴向荷载作用下无论打入砂土还是粘土中的群桩，沉降都大于群桩荷载均布到单桩上引起的沉降量。大于群桩荷载均布到单桩上引起的沉降量。UTupn p 11第20页，共45页。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l无论打入沙土中的群桩，还是打入粘土中的群桩，其群桩的变形通常都大于作用于群桩的荷载均分到孤立单桩上引起的单桩的变形。第21页，共45页。三、群桩的轴向力计算三、群桩的轴向力计算第2
8、2页，共45页。第三节第三节 单桩横向承载力计算单桩横向承载力计算桩的横向承载力与下列因素有关：l桩的入土深度l桩的截面强度和抗弯刚度l桩顶和桩底的嵌固条件l载荷性质l有无轴向载荷同时作用l桩周围土的强度与变形性状l上部结构物特性一般分别按刚性桩和柔性桩计算。第23页，共45页。一、桩的破坏性状和分类1.横向荷载作用下单桩的破坏性状横向荷载作用下单桩的破坏性状受力情况：桩在横向荷载作用下桩顶产生水平位移和转角，桩身出现弯曲应力，桩前土体受侧向挤压。破坏情况：l桩身由于荷载产生的弯矩过大而断裂l桩周土被挤出，从而导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移过大1）刚性桩的破坏2）半刚性桩的破坏3）柔性桩的破
9、坏弹性桩第24页，共45页。2.横向载荷作用下桩的相对刚度、相对桩长横向载荷作用下桩的相对刚度、相对桩长l相对刚度相对刚度：反映桩的刚性特征与土的刚性特征之间的 相对关系；间接反映土抗力模量Es随深度变化的性质。l水平地基系数沿深度为常数的地基，桩的相对刚度系数为：l水平地基系数随深度线性增加的地基，桩的相对刚度系数为：l相对桩长相对桩长：桩打入土中的深度与相对刚度系数的比值：l相对桩长反映桩的刚度特性，可根据相对桩长把桩分为刚性桩或弹性桩。Zmax4为弹性长桩，4 Zmax2.5为中长桩，Zmax2.5为刚性桩。414hEIk B50 0EITm bmaxtLzT第25页，共45页。二、弹性
10、地基反力法二、弹性地基反力法l国内外计算弹性长桩的方法很多，通常采用弹性地基反弹性地基反力法力法，即假定土为弹性体，用桩的弯曲理论来求桩的水平抗力。l假定桩身任何深度处单位面积上的土体抗力p仅与桩在该点的挠度y有关。l桩轴的挠曲微分方程用欧拉方程表示：42042d yd yEINpdxdx第26页，共45页。l如果没有垂直荷载N0，或其引起的横向位移很小可忽略，上式可改写为：l假定p是深度x与该深度桩的位移y的函数。通常假定作用在桩上的土抗力与桩的位移y成正比，即：或l土抗力模量不是一个常数，它随深度x变化，也随桩位移y而变化，土抗力可写成：l当n=1时，称为线弹性地基反力；当n1时，称为非线
11、弹性地基反力。44d yEIpdxspE y()pK x y(,)mnp x ykx y 第27页，共45页。1.线弹性地基反力法线弹性地基反力法l一般规定桩在地面的允许水平位移为0.61.0cm，此时土抗力与桩身位移可视为线性关系。lm=0时，称为张氏法，K(x)=kh，又称常系数法lm=1时，称为M法，K(x)=m0 xl把K(x)分成两段，假定在桩挠曲线第一弹性零点以上呈线性增加，即K(x)=m0 x，在零点以下为常数，即K(x)=kh，该法为K法。当m=1/2时为C法。l上述几种方法计算单桩承载力结果差异很大，张氏法比较简单，但对沙性土、正常固结粘性土明显不符合，一般多用于预固结粘性土
12、。K法计算的缺点是在嵌固点处得出的弯矩过大。一般认为M法比较合理，是工程中常用方法。(,)mp x ykx y 第28页，共45页。lM法基本假定和应用1）基本假定）基本假定（1）土抗力模量随深度按线性增加，即：K(x)=m0 x（2）假定桩在横向荷载作用下，土对桩的抗力p等于桩上各点横向位移y与地基弹性模量m0 x的乘积：p=-m0 xy（3）假定桩入土深度足够大2）微分方程）微分方程4040d yEIBm xydx第29页，共45页。3）方程的解）方程的解l导管架桩通常视为弹性长桩，桩底的边界条件是弯矩为零，剪力为零。l桩顶或泥面的边界条件则因支承的结构刚度不同、载荷条件不同而异，一般分3
13、种情况。（1）桩顶可自由转动）桩顶可自由转动当x=0时：推导得桩身水平位移和弯矩：桩身最大弯矩的位置、最大弯矩可按下式计算：或202d yEIMdx202dd yEIHdxdx3200yxyH TM TyABEIEI00 xmmMA H TB Mmxz Tmax02MM Cmax02MH TD第30页，共45页。（2）桩顶固定而不能转动）桩顶固定而不能转动当x=0即桩顶固定时，桩顶转角为零：则桩身水平位移和弯矩为：（3）桩顶受约束而不能完全自由转动）桩顶受约束而不能完全自由转动 通过反复迭代可求出桩身水平位移和弯矩2000 xH TM TABEIEI20(0.93)xyyH TyABEI0(0
14、.93)xmmMABH T12第31页，共45页。2.非线弹性地基反力法非线弹性地基反力法l当桩身侧向位移较大时，桩身任一点的土抗力与桩身侧向位移之间按非线性关系考虑，即n1，此时为非线弹性地基反力。l由于非线性微分方程很难用解析法或近似法求解，日本港湾研究所提出的港研法取n=0.5，采用由标准桩得到的标准曲线和相似法则来计算实际桩的受力。第32页，共45页。3.py曲线法曲线法l近海工程结构物中桩顶会产生较大的水平位移。此时除采用非线弹性地基反力法外，还常用复合地基反力法。其中应用较广的是py曲线法。lpy曲线法假定靠近桩位移较大的表面处为塑性区，而在塑性区以下为弹性区。lpy曲线就是描述不
15、同的土的抗力和横向位移之间的关系，这个关系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。第33页，共45页。1）软粘土的）软粘土的py曲线曲线曲线方程式为：临界深度：当 时，土壤极限抗力为：当 时，2）硬粘土的）硬粘土的py曲线曲线在工程中以实际试验资料绘制py曲线1/30.5()ucpypY6/RuDXrD CJRxX3uuuJxCpCrxDRxX9uupC第34页，共45页。3）沙性土的）沙性土的py曲线曲线l沙性土分为浅层土和深层土，极限土抗力转折点深度为：l当 时，为浅层土；当 时，为深层土。l极限土抗力：对浅层土：对深层土：l某一给定深度x的沙性土py曲线方程为：RxX3
16、21()RCC DXCRxX12()upC xC D rx3upC DrxuukxpAp thyAp第35页，共45页。三、三、py曲线的应用曲线的应用l应用py曲线估算桩的横向抗力的一般步骤lpy曲线应用例题第36页，共45页。第五节第五节 桩体设计桩体设计开口钢桩设计的主要内容：开口钢桩设计的主要内容：l桩的入土深度l选择经济桩径和壁厚l桩的分段长度l桩的连接构造第37页，共45页。一、桩的入土深度和壁厚设计1.入土深度入土深度l桩的贯入深度是根据单桩容许承载能力确定的最小贯入深度。l决定桩的贯入深度的关键因素是轴向承载力。一般采用静力法预估桩的承载力，同时采用其他方法进行校核。当打入桩数
17、量较大时，还应进行现场试桩决定贯入深度。贯入深度必须能满足桩能承受的最大压力和最大拉力之后仍能具有一定的安全余量。第38页，共45页。2.桩的壁厚设计桩的壁厚设计l钢管桩一般是等直径（外径）的长桩，但沿长度方向由于应力变化其壁厚不同，通常在泥面附近壁厚最大。l壁厚主要取决于强度条件和稳定条件，由于导管架和桩周土壤的支撑，对钢管桩可不进行整体稳定性验算，因此决定性条件是强度：l当径厚比 时，还要验算局部稳定性：第39页，共45页。l在泥面附近和泥面以下适当深度，钢管桩壁厚要适当增大，沿桩长其他部位的截面尺寸按钢桩在弯矩和轴力最不利组合情况下确定。l桩结构应能抵抗打桩时桩锤的冲击应力。一般可用动力
18、分析法确定打桩引起的最大应力，广泛采用的是一维波动方程估算打桩应力。l由桩身强度、稳定、腐蚀、磨损及施工要求所确定的最小管壁厚度为：l常用钢管桩壁厚的最小尺寸可按表5-12选取。第40页，共45页。二、桩身分段及各桩段结构设计二、桩身分段及各桩段结构设计1.桩身分段设计桩身分段设计（1）打桩架的高度与提升设备的能力（2）导管架的高度对桩段的影响（3）土质条件影响（4）打桩工艺条件dhLhFhl第41页，共45页。2.桩身的设计桩身的设计l长桩一般由桩顶、桩身、桩端构成。l桩顶称为锤击段，通常在一个桩径范围内加大壁厚至最小壁厚的1.5倍。l桩端壁厚根据强度要求适当加厚，桩端制作成坡口，角度为45第42页，共45页。3.桩段之间的连接及与导管架腿柱的连接桩段之间的连接及与导管架腿柱的连接1）连接导向结构设计）连接导向结构设计桩段之间的连接l接头装置l导向装置第43页，共45页。桩与腿柱之间的环形空间l在腿柱内设置导向块第44页，共45页。2）桩与腿柱的环形空间的填充设计）桩与腿柱的环形空间的填充设计l环形空间用水泥砂浆灌注，一般在腿柱内部焊有环形圆钢，腿柱底部预先装配密封橡胶环。3）导管架腿柱顶部与桩的连接）导管架腿柱顶部与桩的连接三种型式：加筋板连接 弧形板连接 插板连接第45页，共45页。
