第四章 横向荷载下桩的内力1课件.ppt

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(p—y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，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。 （ah≥4.0），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 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。 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(E·Winkler)假定。 (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N·B·ypdH用它来计算桩