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1、桩基设计与计算,姚笑青编 机械工业出版社,第七章 抗滑桩的设计与计算,第二章 竖向受荷桩基的承载力,第三章 竖向受荷桩基的沉降,第五章 桩基础的常规设计方法（一般步骤、高层建 筑桩基、桥梁桩基、桩基础的抗震设计）,第六章 复合疏桩基础的设计,课 程 目 录,第四章 水平受荷桩基的承载力与位移,*第八章 桩基施工与检测,第一章 绪论,第四章 水平受荷桩基的承载力与位移,第一节 水平受荷桩基的工作性状,第二节 单桩水平承载力的确定,第三节 水平受荷桩基计算方法概述,第八节 提高桩基水平承载力的措施,第四节 静力平衡法简介,第七节 弹性理论法简介,第五节 弹性地基梁法,第六节 p-y曲线法,本章内容
2、,第一节 水平受荷桩基的工作性状 一、水平荷载下单桩的破坏性状,1、弹性桩和刚性桩及其破坏形式,由水平荷载引起的桩身变形通常有两种类型：,H,M,桩身的变形,土的水平抗力,荷载作用,桩或地基破坏,刚性桩,弹性桩,桩身的变形,土的水平抗力,(1)当地基土松软、桩身短，即桩的刚度远大于土层刚度时,桩身挠曲变形不明显，桩身如同刚体一样绕桩轴上某一点而转动。当桩侧土在桩全长范围内超过地基的屈服强度时，桩将产生大变位，则桩丧失承载力。此时基桩的水平向承载力由桩侧土的强度及稳定性决定。,(2)当地基土较密实、桩入土较深，即桩的相对刚度较小时,桩身挠曲变形较明显（其侧向位移随着入土深度增大而减小），桩身可能
3、在弯矩较大处发生断裂或桩发生过大的侧向位移而破坏。此时基桩的水平向承载力由桩身材料的抗弯强度或侧向变形条件决定。,承受水平荷载的墩或沉井基础可看作刚性桩（构件）,桥梁桩基础的桩多属弹性桩。,按桩土相对刚度判定：,桩的相对刚度较大,刚性桩,桩的相对刚度较小,弹性桩,h为桩的入土长度,(又称为桩的变形系数，大则桩的刚度小),桩的相对刚度系数T：,桩的相对柔度系数1/T,刚性桩、弹性桩两种类型比较：,破坏条件不同,刚性桩土破坏,弹性桩桩身受弯破坏,计算方法不同,刚性桩静力平衡法,弹性桩弹性地基梁法,见前所述，桩的刚度影响着挠度，决定了桩土的破坏机理，是影响基桩横向承载能力的主要因素之一。,此外，荷载
4、的类型（如持续的、交替的或是振动的）对桩士体系的变形性能也具有一定的影响。,二、循环荷载下桩的工作特性,由试验可知，在循环荷载作用下桩的水平位移会有明显的增大。,循环荷载作用下桩的水平位移增大的主要原因,1、桩的积累残余变形加大会因为循环荷载次数的不断增加而使桩的积累残余变形加大；,2、土体的刚度和强度降低循环荷载作用下土的水平地基反力系数减小，水平抗力降低。,如外海建筑物承受波浪荷载作用，就属于循环荷载性质。,a）浅层土的土抗力降低较多，深层土的土抗力降低较少；,b）粘性土的土抗力降低较多，砂性土的土抗力降低较少；,c）水平地基反力系数随循环次数的增加而降低，但循环次数达一定数值（如4050
5、次）后趋于稳定。,*试验研究表明：水平地基反力系数减小和水平抗力降低的程度与土质、循环次数等因素有较大关系。,三、桩的计算宽度,由试验研究分析得出，桩在水平外力作用下，除了桩身宽度内桩侧土受挤压外，在桩身宽度以外的一定范围内的土体都受到的一定程度的影响（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）换算成实际工作条件下相当的矩形截面桩的宽度b1b1称为桩的计算宽度。,H,b,b1,根据已有的试验资料分析，现行规范认为计算宽度的换算方法可用下式表示：,H,b,b1,b 1 = K
6、 f K 0 K b ( 或 d ),式中 b(或d) 与外力H作用方向相垂直平面上桩的宽度 （或直径）； Kf 形状换算系数。即在受力方向将各种不同截面形状的 桩宽度换算为相当于矩形截面宽度； K0 受力换算系数。即考虑到实际上桩侧土在承受水平荷载时为空间受力问题，简化为平面受力时所给的修正系数； K 桩间的相互影响系数。,四、横向受荷桩基的群桩效应,群桩中各桩之间相互影响，导致地基土水平抗力系数降低，并使各个桩的荷载分配不均匀。群桩的模型试验和现场观测均证明，离推力最远的前排桩受到的土抗力最大，分配到最大的水平力；靠近推力的后排桩受到的土抗力最小，分配到的水平力最小。,1、桩的相互影响效应
7、,这是因为前排桩前方的土体处于半无限状态，土抗力充分发挥。中间桩与末排桩则存在群桩效应。,因此，在设计时前排桩取单桩载力是安全的，其他桩则应予以折减。为了提高桩基水平承载力亦可对前排桩（水平力多变时则是外围桩）采取加大桩径或加强配筋的做法。,桩的相互影响的机理是在水平荷载作用下土中应力的重叠。应力重叠随桩距的减小与桩数的增加而增强。由于应力重叠的方向性，使桩（排）沿水平荷载作用方向上的相互影响远大于垂直于水平荷载方向的相互影响，当这两个方向的桩距分别小于8d和2.5d时，土抗力系数应考虑折减。,这种相互影响的作用随桩距和桩数而变化，当桩距减小时相互影响增强；桩数增多时影响也增强；这种影响具有方
8、向性，沿水平荷载作用方向的影响远大于垂直于水平荷载的方向。,2、桩顶约束效应,桩顶自由时，桩顶无约束，桩顶位移较大；,桩顶与承台铰接时，虽无桩顶约束弯矩但有剪力，使桩顶位移相对桩顶自由时要减小；,桩顶与承台刚性连接（嵌固）时，抗弯刚度将大大提高，桩顶嵌固产生的负弯矩将抵消一部分水平力引起的正弯矩，桩顶位移减小。同时，桩身最大弯矩和位移零点的位置下移，从而使土的塑性区向深部发展，使深层土的抗力得以发挥，这就意味着群桩承载力提高，。,桩顶和承台的连接极大地影响群桩中各个桩的荷载分配以及桩顶位移。,对荷载分配的影响见后面计算分析，对位移的影响如下:,3、承台侧向抗力效应,当桩基受水平力作用而产生位移
9、时，面向位移方向的承台侧面将受到土的抗力作用。,式中：y0承台水平位移。当以位移控制时，取0.01m（超静定结构取0.006m）；当以桩身强度控制时，可以近似取桩顶嵌固位移计算值。,BC承台计算宽度。,Kn(z)地基水平抗力系数。若假定其沿深度线性增长， Kn(z)mz，m为承台侧向土体的水平抗力系数的比例系数。,由于桩基承台的位移较小，其数量级不足以使土体达到被动极限状态，尚处于弹性阶段。因此，承台侧面的土抗力可以用线弹性土反力系数方法计算，总的弹性抗力为：,4、承台底面的摩阻力效应,对于低承台桩基，若承台底面以下的地基土不致因各种原因而与承台脱离时，可以考虑承台底面的摩阻力：,式中：承台底
10、面摩阻力系数；,PC承台底地基土分担的竖向荷载。,由以上四种效应的综合作用可得到一个综合群桩效应系数h。,Rha单桩水平承载力,Rh 基桩水平承载力,第四章 水平受荷桩基的承载力与位移,第一节 水平受荷桩基的工作性状,第二节 单桩水平承载力的确定,第三节 水平受荷桩基计算方法概述,第八节 提高桩基水平承载力的措施,第四节 静力平衡法简介,第七节 弹性理论法简介,第五节 弹性地基梁法,第六节 p-y曲线法,本章内容,第二节 单桩水平承载力的确定 一、单桩水平静载荷试验,1、试验方法,单向多循环加卸载法,慢速连续加载法（类似于垂直静载试验慢速法）,单向单循环恒速水平加载法（类似于垂直静载试验快速法
11、）,2、试验曲线,1）常规循环荷载可绘制水平力-时间-位移（H0-t-x0）曲线。取每级循环荷载下的最大位移值作为该荷载下的位移值，亦可绘制（H0-x0）曲线及（ H0-x0/H0）曲线。,2）连续荷载试验常绘制水平力-位移（H0-x0）曲线、 水平力-位移梯度（ H0-x0/H0）曲线,3、单桩水平临界荷载、极限荷载的确定,单桩水平临界荷载Hcr,Hcr指桩断面受拉区混凝土退出工作前所受最大荷载，按下列方法综合确定：,取循环荷载试验（H0tx0）曲线突变点前一级荷载；,取H0x0/H0曲线第一直线段终点所对应的荷载。,(相同荷载增量下，出现比前一级明显增大的位移增量）,单桩水平极限荷载Hu,
12、Hu指桩身材料破坏或产生结构所能承受最大变形前的最大荷载，单桩水平荷载可按下列方法综合确定：,取（H0-t-x0）曲线明显陡降，即位移包络线向下弯曲的前一级荷载；,取H0-x0/H0曲线第二直线段的终点所对应的荷载。,二、单桩水平承载力特征值Rha,三、基桩水平承载力特征值Rh,取单桩水平临界荷载的75为单桩水平承载力特征值 ；,1）对于桩身配筋率小于0.65%的灌注桩,按变形条件来控制 ：根据静载荷试验取试桩在地面处水平位移10mm（对水平位移敏感的建筑物取6mm）所对应的荷载的75为单桩水平承载力特征值。,2）对于钢筋混凝土预制桩、钢桩、桩身正截面配筋率不小于0.65%的灌注桩,式中h为群
13、桩效应综合系数,*水平承载桩的水平承载力和水平位移主要受地面以下深度为34倍桩直径范围内的土性决定。,四、规范推荐公式估算单桩水平承载力,（一）对于桩身配筋率小于0.65%的灌注桩,（二）对于预制桩、钢桩、桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩,第四章 水平受荷桩基的承载力与位移,第一节 水平受荷桩基的工作性状,第二节 单桩水平承载力的确定,第三节 水平受荷桩基计算方法概述,第八节 提高桩基水平承载力的措施,第四节 静力平衡法简介,第七节 弹性理论法简介,第五节 弹性地基梁法,第六节 p-y曲线法,本章内容,第三节 水平受荷桩基计算方法概述,、静力平衡法,弹性地基反力法,复合地基反力法（p-y曲线
14、法）,线弹性地基反力法,非线弹性地基反力法,、弹性理论法,常用于刚性短桩的计算,建立梁的弯曲微分方程。其微分方程解法有解析法、迭代法、差分法、有限单元法。,极限地基反力法,地基反力系数法,、弹性地基梁法,常用于弹性长桩的计算,、弹塑性分析法,按照作用在桩上的外力及其抗力的平衡条件来求解。不考虑桩本身的挠曲变形。,类似竖向受荷桩的弹性理论法，即将桩分为若干微段，根据土位移和桩位移相等来求解。,第四章 水平受荷桩基的承载力与位移,第一节 水平受荷桩基的工作性状,第二节 单桩水平承载力的确定,第三节 水平受荷桩基计算方法概述,第八节 提高桩基水平承载力的措施,第四节 静力平衡法简介,第七节 弹性理论
15、法简介,第五节 弹性地基梁法,第六节 p-y曲线法,本章内容,第四节 静力平衡法,假定地基土反力q仅是深度z的函数，而与桩身水平位移 x无关，即：,假定桩侧土体处于极限平衡状态，作用于桩的外力与土的极限反力平衡。,根据各种不同的土反力分布规律假定，如土反力的直线分布和抛物线分布等，有多种不同的计算方法。,假定地基土抗力zx与桩身水平位移x成正比:,一、极限地基反力法（极限平衡法） 简介,按照作用在桩上的外力及其抗力的平衡条件来求解。不考虑桩本身的挠曲变形。因此该法主要用于刚性短桩的计算。,二、地基反力系数法 (见沉井基础计算),其中CZ为水平地基系数,水平力的作用下，沉井将围绕位于地面下z0深
16、度处轴上一点转动角，地面下深度z处沉井基础产生的水平位移x和土的横向抗力zx分别为：,x = (z0z)tg zx = xCz = mz(z0z)tg,基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数C0不变，故压应力图形与基础竖向位移图相似,CZ水平地基系数 m为水平地基比例系数,C0竖向地基系数,沉井在水平力H作用下的ZX、MZ计算,ZX,在上述三个公式中，有两个未知数z0和,要解两个未知数z0和，可建立两个平衡方程式：水平力的平衡、力矩的平衡（对地面与轴线交点处的矩）,式中：W为基底的截面模量。,联立上两式求得z0、, 进而求得ZX、d/2 :,zx = xCz = mz(z0z)tg,（其中A、见课本书上）,Z深度处土的
