樁基礎(chǔ)(第節(jié)水平承載力)

1、第四節(jié)第四節(jié) 水平荷載下的樁基礎(chǔ)水平荷載下的樁基礎(chǔ)思考：直樁，斜樁，叉樁，哪種更有利于承受水平力？ 前蘇聯(lián)在砂土中的試驗(yàn)表明，正斜樁的水平承載力最大，直樁次之，反斜樁最小。反斜樁直樁正斜樁 一、水平載荷試驗(yàn)一、水平載荷試驗(yàn)通過試驗(yàn)確定:樁的水平極限荷載容許極限荷載容許水平位移及轉(zhuǎn)角地基土的水平抗力計算樁的截面彎矩等。 一、水平載荷試驗(yàn)一、水平載荷試驗(yàn)現(xiàn)場試驗(yàn)照片 一、水平載荷試驗(yàn)一、水平載荷試驗(yàn)檢測儀器 一、水平載荷試驗(yàn)一、水平載荷試驗(yàn) 試驗(yàn)方法（單向多循環(huán)加卸載法）試驗(yàn)方法（單向多循環(huán)加卸載法） 循環(huán)加載，每級荷載維持4min，測讀水平位移，卸載至零， 停2min測讀殘余水平位移，然后再施加

2、本級荷載， 如此循環(huán)5次便完成一級荷載的試驗(yàn)觀測， 如此反復(fù)，直至加到最大試驗(yàn)荷載或破壞荷載。 每級加載量為預(yù)計破壞荷載的110115 每級卸載量可為相應(yīng)的兩級加載量。 加荷速度2030kNmin，小荷載時，25kNmin。 百分表或位移計觀測樁頭水平位移和轉(zhuǎn)角。 在樁身內(nèi)埋設(shè)鋼筋計和在樁壁土層中埋設(shè)壓力盒來觀測推算樁身截面彎矩與樁壁土抗力 當(dāng)樁身折斷或水平位移超過3040mm時，可終止試驗(yàn)。 一、水平載荷試驗(yàn)一、水平載荷試驗(yàn)成果資料成果資料水平力時間水平位移水平力時間水平位移 一、水平載荷試驗(yàn)一、水平載荷試驗(yàn)成果資料成果資料 一、水平載荷試驗(yàn)一、水平載荷試驗(yàn)成果資料成果資料水平力-最大彎矩截

3、面鋼筋應(yīng)力 （四）試驗(yàn)結(jié)果分析（四）試驗(yàn)結(jié)果分析 水平臨界荷載水平臨界荷載 水平極限荷載 地基系數(shù) Hcr 指樁身受拉區(qū)混凝土明顯退出工作前的最大荷載 綜合確定： 取H0-t-X0曲線出現(xiàn)突變點(diǎn)的前一級荷載。 水平力位移梯度曲線第一直線段的終點(diǎn)所對應(yīng)的荷載。 取水平力最大彎矩截面鋼筋應(yīng)力曲線第一突變點(diǎn)對應(yīng)的荷載。 （四）試驗(yàn)結(jié)果分析（四）試驗(yàn)結(jié)果分析 水平臨界荷載 水平極限荷載水平極限荷載 地基系數(shù) Hu 取H0-t-X0曲線出現(xiàn)突變點(diǎn)的前一級荷載。 水平力位移梯度曲線第2直線段的終點(diǎn)所對應(yīng)的荷載。 取樁身折斷或鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服極限的前一級荷載。 （四）試驗(yàn)結(jié)果分析（四）試驗(yàn)結(jié)果分析 水平臨界

4、荷載 水平極限荷載 地基系數(shù)地基系數(shù)3/203/5EIbVXHmxcrcr樁身抗彎剛度時當(dāng)時當(dāng)查表樁頂位移系數(shù)所對應(yīng)的水平位移水平臨界荷載地基土水平抗力系數(shù)EImDDbmDDb，VmHXkNHmxcrcrcr)1(19 . 0),1(5 . 05 . 19 . 0,00 彈性地基梁法：將樁作為文克勒地基上的梁。 基本假定：樁側(cè)土為文克勒離散線性彈簧，不考慮樁土之間的粘聚力和摩擦力；樁作為彈性構(gòu)件考慮；樁土變形協(xié)調(diào)；樁側(cè)水平抗力與該點(diǎn)水平位移成正比：二、基樁內(nèi)力和位移計算的基本概念zzxCx式中：zx橫向土抗力（kN/m2）； C地基系數(shù)（kN/m3） xz深度z處樁的橫向位移（m）。 基本概念

5、：地基系數(shù)C表示單位面積土在彈性限度內(nèi)產(chǎn)生單位變形時所需要的力。它的大小與地基土的類別、物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。如能測得xz并知道C值，zx值即可解得。常用的幾種地基系數(shù)分布規(guī)律 相應(yīng)的基樁內(nèi)力和位移計算方法為：1）“m”法：假定地基系數(shù)C隨深度呈線性增長，即C=mZ，如上圖a）所示。m稱為地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)（kN/m4）。2）“K”法：假定地基系數(shù)C隨深度呈折線變化即在樁身第一撓曲變形零點(diǎn)（上圖b）所示深度t處）以上地基系數(shù)C隨深度呈凹形拋物線增加；該點(diǎn)以下，地基系數(shù)C=K（kN/m3）為常數(shù)。3）“c”法：假定地基系數(shù)C隨深度呈拋物線增加，即=cZ0.5，當(dāng)無量綱入土深度達(dá)4后為常數(shù)，

6、如上圖c）所示。c為地基系數(shù)的比例系數(shù)（kN/m3.5）。4）“常數(shù)”法，又稱“張有齡法”：假定地基系數(shù)C沿深度為均勻分布，不隨深度而變化，即C=K0（kN/m3）為常數(shù)，如上圖d）所示。序號地 基 土 類 別預(yù)制樁、鋼樁灌 注 樁m/相應(yīng)單樁在地面處水平位移(mm)m/相應(yīng)單樁在地面處水平位移(mm)1淤泥；淤泥質(zhì)土；飽和濕陷性黃土24.5102.5661221)狀黏性土；e0.9粉土；松散粉細(xì)砂；松散、稍密填土4.56.0106144830.75)狀黏性土、濕陷性黃土；e=0.750.9粉土；中密填土；稍密細(xì)砂6.0101014353640)狀黏性土、濕陷性黃土；e1m時， 方形樁：當(dāng)邊寬

7、b1m時， 當(dāng)邊寬b 1m時， EI 樁身抗彎剛度，5 . 05 . 19 . 00db19 . 00db5 . 05 . 10bb10 bb樁基水平承載力與位移計算樁基水平承載力與位移計算（建筑樁基技術(shù)規(guī)范-2008）ntmNgMtmhaAfNWfR1)2225. 1 (75. 00ntmNgMtmhaAfNWfR1)2225. 1 (75. 00gEndA1142ntmNgMtmhaAfNWfR1)2225. 1 (75. 00驗(yàn)算地震作用樁基的水平承載力時，宜將按上述25款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)1.25。 （四）剛性樁與彈性樁 彈性樁：當(dāng)樁的入土深度 時，樁的相對剛度

8、小，必須考慮樁的實(shí)際剛度，按彈性樁來計算。一般情況下，橋梁樁基礎(chǔ)的樁多屬彈性樁。 剛性樁：當(dāng)樁的入土深度 時，則樁的相對剛度較大，可按剛性樁計算。沉井基礎(chǔ)5 . 2h5 . 2h二、二、“m”法彈性單排樁基樁內(nèi)力和位移計算法彈性單排樁基樁內(nèi)力和位移計算 如前所述，“m”法的基本假定是認(rèn)為樁側(cè)土為文克爾離散線性彈簧，不考慮樁土之間的粘著力和摩阻力，樁作為彈性構(gòu)件考慮，當(dāng)樁受到水平外力作用后，樁土協(xié)調(diào)變形，任一深度Z處所產(chǎn)生的樁側(cè)土水平抗力與該點(diǎn)水平位移xz成正比，即zx=Cxz，且地基系數(shù)C隨深度成線性增長，即C=mz。 基于這一基本假定，進(jìn)行樁的內(nèi)力與位移的理論公式推導(dǎo)和計算。 在公式推導(dǎo)和計

9、算中，取下圖1和圖2所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，對力和位移的符號作如下規(guī)定：橫向位移順x軸正方向?yàn)檎?；轉(zhuǎn)角逆時針方向?yàn)檎?；彎矩?dāng)左側(cè)纖維受拉時為正值；橫向力順x軸方向?yàn)檎担缦聢D2所示。圖1 樁身受力圖示圖2 力與位移的符號規(guī)定 （一）樁的撓曲微分方程的建立及其解 樁頂若與地面平齊（Z=0），且已知樁頂作用有水平荷載H0及彎矩M0，此時樁將發(fā)生彈性撓曲，樁側(cè)土將產(chǎn)生橫向抗力zx，如圖1所示。從材料力學(xué)中知道，梁軸的撓度與梁上分布荷載q之間的關(guān)系式，即梁的撓曲微分方程為44d xEIqdz= -式中：E、I梁的彈性模量及截面慣矩。因此可以得到圖1所示樁的撓曲微分方程為4114zzxzd xEIqbmz

10、xbdzs= -= - = -彈性地基反力法（基床系數(shù)法）上式中：E、I樁的彈性模量及截面慣矩 zx樁側(cè)土抗力zx=Cxz=mzxz，C為地基系數(shù)； b1樁的計算寬度； xz樁在深度z處的橫向位移（即樁的撓度）。將上式整理可得： 或 4140zzd xmbzxdzEI+=4540zzd xa zxdz+=式中：樁土變形系數(shù)，51EImb 從上式中不難看出：樁的橫向位移與截面所在深度、樁的剛度（包括樁身材料和截面尺寸）以及樁周土的性質(zhì)等有關(guān)，是與樁土變形相關(guān)的系數(shù)。（1） 式（1）為四階線性變系數(shù)齊次常微分方程，在求解過程中注意運(yùn)用材料力學(xué)中有關(guān)梁的撓度xz與轉(zhuǎn)角z、彎矩Mz和剪力Qz之間的關(guān)系

11、即3322dzxdEIQdzxdEIMdzdxzzzzzz 若地面處（Z=0）樁的水平位移、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力分別以x0、0、M0和Q0表示，解方程（1），得到樁身任一截面的轉(zhuǎn)角Z、彎矩MZ，及剪力QZ的計算公式： 0032zxxHMxABEIEIaa=+002ZHMABEIEIfffaa=+00zmmHMAM Ba=+（2）（3）（4）（5）Ax、Bx、 A、B、 Am、Bm、 AQ、BQ均為量綱為1的系數(shù)，均為h和z的函數(shù)，可以查閱有關(guān)手冊。根據(jù)土抗力的基本假定 zzzxmZXCX，可求得樁側(cè)土抗力的計算公式：0032zxzxxHMmZXmZABEIEIsaa驏=+桫（6）00zQQQH A

12、M Ba=+（二）樁身最大彎矩位置ZMmax和最大彎矩Mmax的確定 目的：用于檢驗(yàn)樁的截面強(qiáng)度和配筋計算（關(guān)于配筋的具體計算方法，見結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教材內(nèi)容）。 一般方法：要找出彎矩最大的截面所在的位置及相應(yīng)的最大彎矩Mmax值。一般可將各深度z處的Mz值求出后繪制zMz圖，即可從圖中求得。 數(shù)解法 ： 在最大彎矩截面處，其剪力Q等于零，因此Qz=0處的截面即為最大彎矩所在的位置 。maxMZ（二）樁身最大彎矩位置ZMmax和最大彎矩Mmax的確定 最大彎矩位置的確定zmaxQz=0，即式（5）=0，即：000zHHQH AM Ba=+=00HHHMACHBa= -=00HHHHBDMAa= -=或CH、DHza51EImbmaxzz=（二）樁身最大彎矩位置ZMmax和最大彎矩Mmax的確定 最大彎矩Mmax00HHHMACHBa= -=00HHHHBDMAa= -=00HHMCa=00HHM Da=000maxmmHHHHHMAB CKaaa=+=代入式（4）max000HmmmMM