横向荷载下桩的内力.ppt
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1、第四章 横向荷载下桩的内力和位移分析,在桥梁工程中,基桩除了需承受较大的竖向荷载外,往往由于制动力、离心力、波浪力、风力、震动力、船舶的撞击力以及车辆荷载的冲击力等使基桩承受较大的横向荷载,从而导致基桩的受力更为复杂,尤其是大跨径桥梁更是如此。,第一节 横向荷载下桩的受力特性一、横向荷载下桩的工作性能及其破坏性状二、横向荷载下桩的微分方程式第二节受横向荷载桩的计算方法分类 1.极限地基反力法(极限平衡法)2.弹性地基反力法 3.复合地基反力法(py曲线法)4弹性理论法第三节 线弹性地基反力法“m”法解答第四节 线弹性地基反力法的幂级数通解第五节 弹性地基反力法的数值分析解第六节 提高基桩水平承
2、载力的措施,计算理论发展概况,(1)桥规推荐的m法、C法都可使用。但是,根据国内外对嵌岩桩的试验,岩层对桩的水平抗力系数为常数。(2)所有的m法、C法、K法都是在文克尔弹性地基理论的基础上得来的。(3)推导了刚性桩、变截面桩、高桩承台、低桩承台计算的全部公式,使桩基水平力计算达到了高度的统一化、系统化和完善化。,第一节 横向荷载下桩的受力特性,一、横向荷载下桩的工作性能及其破坏性状 在横向荷载的作用下,桩侧土体受到挤压而产生抗力,桩的挠曲变形沿桩轴而变,导致桩侧土体所发挥的横向抗力也随深度而变化。当桩顶未受约束时,桩头的横向荷载首先由靠近地面处的土体承担。荷载较小时,上部土体处于弹性压缩阶段,
3、随着荷载的增加,上部土体逐步产生塑性变形,并将所受横向荷载传递到更大的深度。当变形增大到桩身材料所不能容许的程度或桩侧土失去稳定时,桩土体系便趋于破坏。,1刚性短桩(ah=2.5)的破坏,当横向荷载达到一定值时,桩侧土体开始屈服,随着荷载增加,逐渐向下发展,直至刚性短桩因转动而破坏。对于桩顶自由的刚性短桩,当桩身抗剪强度满足要求时,桩体本身一般不发生破坏,故其水平承载力主要由桩侧土的强度控制。但桩径较大时,尚需考虑桩底土偏心受压时的承载能力。,2弹性桩(ah2.5)的破坏,在横向荷载作用下桩将发生挠曲变形(水平位移和转角),在桩全长范围的水平方向上地基土不会同时出现屈服,而是沿桩轴从地表向下逐
4、渐地出现屈服,在桩体及连接构件上产生的内力随着地基的逐渐屈服而增加。当桩身某点弯矩超过其截面抵抗矩或桩侧土体屈服失去稳定时,弹性长桩便趋于破坏。其水平承载力由桩身材料的抗弯强度和侧向土抗力所控制。,(ah4.0),桩下段的土抗力可视为无限大,亦即桩下段可视为嵌固于土中而不能转动,如图4-2a)所示桩体发生转动或破坏之前,桩顶将产生一可观的水平位移,而该水平位移往往使所支承结构物的位移量超出容许范围或使结构不能正常使用。例如桥梁基础的过大位移就可能使桥梁发生损坏,尤其是拱桥,将导致整拱塌陷。,二、横向荷载下桩的微分方程式,又,故有,式中,都是基桩单位长度的荷载强度,代入上式得,第二节 桩受横向荷
5、载计算方法分类,根据对地基反力,的假定不同,横向受力桩的分析方法亦不同,大致可分为以下四大类:1极限地基反力法(极限平衡法)2.弹性地基反力法 3.复合地基反力法(py曲线法)4.弹性理论法,1.极限地基反力法(极限平衡法),该法早先常用于刚性短桩的计算,其认为地基反力仅是深度z的函数,而与桩的挠度x无关,即极限地基反力法最初由雷滋(Rase.1936年)提出,冈都、Broms等均进行了发展,其适用于埋入深度较小的刚性桩,不能用于弹性长桩和含有斜桩的桩结构物的计算。,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任意分布等,又有多种不同的计算方法。,2.弹性地基反力法,弹性地基反力法将
6、土体假定为弹性体,用梁的弯曲理论求解桩的横向抗力。其假定地基反力与桩的位移x的m次方成比例,即,式中k是由土的弹性性质所决定的系数,其与指数m、n(n0,1m0)的取法有关,上式z与x的幂方形式也可表示成为与z的任意函数k(z)乘积的形式:根据指数m的取值不同,弹性地基反力法又可分为m=1时的线弹性地基反力法和ml时的非线性弹性地基反力法。,1)线弹性地基反力法,在线弹性地基反力法中,地基系数k(z)表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需加的力,其值是通过对试桩在不同类别土质及不同深度进行实测x及q后反算得到的。大量的试验表明,地基系数k(z)值不仅与土的类别及其性质有关,而且也随着深度
7、而变化。k(z)随深度的变化情况,长期以来一直成为国内外学者们所争论和研究的课题,直到现在仍在不断探讨中。为简化计算,一般指定k(z)中的两个参数成为单一参数,由于指定的参数不同,也就有了常用的张氏法、k法,m法和C法。为了使k(z)值能较准确地反映实际情况,我国学者吴恒立还提出了综合刚度原理和双参数法,完成了解析解,并进行了数值计算。线弹性地基反力法假定地基为服从虎克定律的弹性体,地基反力q与桩上任一点的位移x成正比,即符合文克尔(EWinkler)假定。,(该假定没有考虑地基土的连续性,对于某些土质,如剪切刚度较大的岩石地基,其假定则不能成立,此外,土的物理性质是很复杂的,不可能用这种简单
8、的数学关系来正确表达).文克尔假定与很多能更真实表现土的实际状态的复杂分析方法相比,它比任何一种方法的数学处理都简单.在工程中极为有用,因此,我国目前各类规范仍采用该法计算。当桩的挠曲变形较小时,土体基本能满足虎克定律,所以,对桥台、桥墩等桩基,其容许位移较小,该法是可以适用的。,(1)张氏法如用(图4-4a)所示,假定桩侧土地基系数沿深度为一常数,即n=0。,该法由我国张有龄先生于30年代提出(1937年),曾在日本流行了相当长的时期。根据这种假定,由于地面处桩身侧移最大,得出地面处土的侧向抗力为最大的结论,试验证明对于非粘性土和正常固结粘性土,地面处土体实际侧向抗力很小,因此与实际情况相矛
9、盾。只有在坚硬的岩石中才可能水平方向地基系数沿深度不变。,(2)k法,如图4-4c)所示,假定桩侧土地基系数在第一弹性零点t至地面间随深度增加(呈凹形抛物线),而达t后保持为常数,但实际上,t点以上地基系数的变化规律并没有明确给出,在公式推导时假定该段土体的抗力呈抛物线变化,而土体抗力与位移x有关,x假定为高次曲线,显然推导与原假定不一致。该法由前苏联安盖尔斯基于1937年提出,曾在我国采用。用该法所得桩身最大弯矩值大于实测值,偏于安全。但由于推导、假定存在一定的问题,我国现行地基规范已将其取消。,(3)m法,该法始见于1939年NBypdH用它来计算桩墙的平面问题,1962年由KG西林引入我
10、国。不少学者通过试验和理论分析,认为非粘性土和正常固结粘性土的地基系数通常均可认为随深度呈线性增加:我国目前以该法用得最多,如铁路、公路桥梁桩基以及现行国家标准建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)均推荐使用该法。但该法也存在一定的缺点,比如假定地基系数随深度无限地增长,与实际情况不符。,(4)C法,该法于1964年由日本久保浩一提出。我国陕西省交通科学研究所在分析了若干桩基的实测结果以后,认为地基系数随深度按0.10.6次方增大,因此提出采用C法,我国公桥基规在推荐m法的同时,也推荐了该法。,上述四种方法均为按文克尔假定的弹性地基梁法,只是各自假定的地基系数随深度分布规律不同,其计算结果也不
11、同。实用时,可根据土类和桩变位等情况,考虑以何种图式较为适宜。一般说来,m法和C法适用于一般粘性土和砂性土,张氏法对于超固结粘性土、地表有硬层的粘性土和地表密实的砂土等情况较为适用。实际上,地基系数的分布图式远不止上述情况,如日本竹下淳就曾提出不同情况下n应为0、0.5、1.0或2.0,此外尚有人主张n值由设计者自行选定,因此,宜对上述各假定情况提出一个适用的通解。,2)非线性弹性地基反力,在非线性弹性地基反力法中,最有代表性的是里法特所提出的m=0.5的港湾研究所方法。根据地基的特性,港研法又分为n=l的久保法和n=0的林一宫岛法。由于非线性微分方程很难用解析法或近似法求解,因此港研法采用由
12、标准桩得到的标准曲线和相似法则来计算实际桩的受力状态。,3.复合地基反力法(py曲线法),长桩桩顶受到水平力后,桩附近的土体从地表面开始屈服,由于是进行式破坏,塑性区逐渐向下扩展。复合地基反力法在塑性区采用极限地基反力法,在弹性区采用弹性地基反力法,根据弹性区与塑性区边界上的连续条件求解桩的横向抗力。因塑性区和弹性区的确定需根据土的最终位移来判断,所以广义上也可称为py曲线法。,py曲线法计算方法有:在塑性区里按土压力理论假定地基反力相当于被动土压力,在弹性区里假定地基反力呈线性分布;复合地基反力法能如实的把地基的非弹性性质,及由地表面开始的进行性破坏现象反映到桩的计算中去。但为了能实现计算,
13、必须对地基的性质进行数学模拟化,这里数学模拟化是否合适,及必须利用计算机进行反复收敛计算,这两点是此法所存在的问题。对承受反复荷载,在地基中产生较大应变时(如海洋结构物桩基),应采用py曲线法。,4弹性理论法,该法假定桩埋置于各向同性半无限弹性体中并假定土的弹性系数(杨氏模量Es和泊松比)或为常数或随深度按某种规律变化。计算时将直径为d,长度为L的桩分为若干微段,根据半无限体中承受水平力并发生位移的明特林方程估算微段中心处的桩周土位移,另据细长杆(桩)的挠曲方程求得桩的位移,并用有限差分式表达。通过每一微段处未知位移的足够多的方程来求解。,波勒斯按此原理获得了桩头位移 和转角的计算公式.桩头自
14、由时:,桩头嵌固时:,式中:分别为作用于桩头的横向荷载和力矩;、分别为桩头自由时桩仅受横向荷载和仅受力矩作用时的地面处位移的影响系数;分别为桩头自由时桩仅受横向荷载和仅受力矩作用时的地面处转角的影响系数;桩头嵌固时桩受横向荷载作用时的地面处位移的影响系数。、和等因数同桩的柔度因数 及长径比Ld的关系有专门的图以供查用,供单桩、群桩计算用。,据分析,0.1相当于刚性桩,10-4相当于弹性桩,且得知弹性理论法求得的位移或转角的影响系数值一般比地基反力系数法求得的相应值小,如图4-5所示。,弹性理论法的最大缺点是不能计算得出桩在地面以下位移、转角以及弯矩、土压力等,其次是Es值的确定也比较困难。但是
15、本法能够考虑在横向荷载作用下的桩土间出现的脱离和土的局部屈服等,有助于对桩土性状的进一步探索。在作横向荷载桩的深入详尽的计算之前,用弹性理论法的已有的参数解作初步的分析设计,可由参数解较方便地查得桩尺寸、桩刚度和土的压缩性等因素对横向承载桩性状的影响。,第三节线弹性地基反力法m法解答,线弹性地基反力法基本慨念明确,计算较为简单,且已积累有大量计算用表,当基桩挠曲变形较小时,其假定与实际也比较符合,因此,国内各规范手册等均采用该法。如前所述,根据地基系数随深度变化的假定不同,该法亦可分为多种方法。本节主要介绍目前国内各类规范推荐使用的m法。,一、基本概念1.单桩、单排桩与多排桩桩基分为单桩、单排



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