某承台桩基础的设计及稳定性验算

某承台桩基础的设计及稳定性验算

案例说明

桩基础是最古老的基础型式之一。桩基础由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。常用的桩型主要有预制钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩、钻（冲）孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、钢管桩等。桩基础以其巨大的承载潜力和抵御复杂荷载特殊能力以及对各种地质条件的良好适应性，广泛的应用于高层建筑中。

本文采用GEO5群桩设计模块对某建筑场地承台桩基础进行了分析验算，分析了承台桩在荷载作用下的承载力及沉降问题，

工程概况

某承台桩桩基础由四根钻孔灌注桩组成，桩身的尺寸为长12.0m，直径1.0m。混凝土强度等级为C25。承台的刚度比较大。上部框架传来的荷载如下，荷载作用在承台中心：

设计荷载：竖向荷载N=5680kN，水平荷载Hx=480kN，弯矩My=310kN·m。 工作荷载：竖向荷载N=4000kN，水平荷载Hx=320kN，弯矩My=240kN·m。 建筑场地土层按其成因特征和力学性质自上而下分为两层，物理力学指标见下表。另外，砂质黏土的饱和重度为20.5kN·m-3，密实度Ic为0.5，含细粒黏土的饱和重度为19.5kN·m-3，密实度Id为0.5。计算桩基础的承载力及沉降。

表1 岩土参数表

图1 群桩设计简图

验算操作流程

由于承台刚度较大，本算例采用“GEO5群桩设计”模块，在群桩设计时，有两种分析类型：解析法和弹性法。

弹性法：可以计算群桩的变形，同时可以确定单桩内应力的变化。

解析法：只能分析群桩的竖向承载力，因此分析时只考虑竖向荷载，不考虑弯矩和水平荷载的作用。

本次验算分别采用解析法和弹性法对群桩的稳定性进行验算。

分析设置

在“分析设置”中选择“中国-国家标准（GB）”，分析类型选择“解析法”，岩土材料类型选择“无粘性土”，验算排水条件下群桩的稳定性。

图2 分析设置

结构

“结构”界面用于输入桩承台的宽度、桩数、桩径以及桩间距。

图3 结构设置

桩身尺寸

“桩身尺寸”界面用于设置桩顶离天然地面的深度，桩顶离设计地面的高度，承台厚度和桩长。所有桩的桩长都是相同的。

图4 桩身尺寸

材料

“材料”界面用于设置材料参数。在界面输入栏中输入结构容重γ=23kN/m3,并选择桩身材料为混凝土。当桩身为混凝土时，需要选择混凝土材料、横向和纵向钢筋标号以及相应的材料参数。相关参数的设置可以通过点击“目录”，在弹窗内选择所需的材料，如图5（a），也可以点击“自定义”选项，按要求在弹窗内手动输入混凝土或钢筋的参数，如图5（b）。本次验算选用混凝土等级为C25，纵筋为HRB500。

（a）目录设置

（b）自定义设置

图5 桩身材料设置

荷载

“荷载”界面包一列含含有已输入荷载信息的表格。添加荷载通过点击“添加”按钮，在弹出的“添加荷载”对话框中输入相关参数，并按照对话框右侧显示的作用力方向示意图示来输入各个力，如图6所示。

可以定义两种荷载：

（1）设计值，用于验算竖向承载力

（2）标准值，用于沉降分析

（a）设计值 （b）标准值

图6 荷载设置

在“剖面土层”设置界面中划分土层，点击

中输入6，这样软件便自动将土体划分为两层。

按钮，在“Z坐标”

图7 剖面土层设置

岩土材料

在“岩土材料”设置界面中设置岩土层材料，点击按钮，在弹出的设置面板中添加砂质黏土（CS）和含细粒砂土（SF）材料，材料具体参数请参照表1。参数βp的选择会影响桩侧摩阻力的大小，其取值由土体的内摩擦角和土体的类型决定。扩散角的取值和土体的内摩擦角有关，范围在φef /4 - φef详见帮助文档-F1。此处，扩散角第一层取10，第二层取15。

注：但我们不考虑侧向荷载时，即仅考虑竖向承载力时，扩散角的取值可以随便取，扩散角的大小不影响竖向承载力，但当考虑水平承载力时，扩散角的取值要严格按照它的取值范围来取。

图8 岩土材料设置

在“指定材料”设置界面中将刚刚添加的岩土材料指定给对应的土层，选择岩土材料图例，然后在显示窗口中点击要指定的土层，这里分别把砂质黏土和含细粒砂土材料指定给第一层和第二层土。

图9 指定材料设置

荷载

“荷载”界面包一列含含有已输入荷载信息的表格。添加荷载通过点击“添加”按钮，在弹出的“添加荷载”对话框中输入相关参数，并按照对话框右侧显示的作用力方向示意图示来输入各个力，如图10所示。

可以定义两种荷载：

（3）设计值，用于验算竖向和水平荷载

（4）标准值，用于验算桩身沉降

图10 荷载设置

在“桩身尺寸”界面中，选择桩截面为圆形界面，所选桩型的示意图显示在界面中部。各个输入栏用于设置所选桩截面的具体尺寸，如图11。

图11 桩身尺寸设置

材料

“材料”界面用于设置材料参数。在界面输入栏中输入结构容重γ=23kN/m3,并选择桩身材料为混凝土。当桩身为混凝土时，需要选择混凝土材料、横向和纵向钢筋标号以及相应的材料参数。相关参数的设置可以通过点击“目录”，在弹窗内选择所需的材料，如图12（a），也可以点击“自定义”选项，按要求在弹窗内手动输入混凝土或钢筋的参数，如图12（b）。本次验算选用混凝土等级为C25，纵筋为HRB500。

（b）目录设置

（b）自定义设置

图12 桩身材料设置

地下水位+地基

在“地下水位”设置界面中，中可以定义地下水离天然地面的深度，其数值可以在界面的输入栏中输入，或在图形窗口中通过动态标注的方式来编辑。

地下水位改变了土体的自重应力。

在本案例不需要考虑地下水位的影响，因此忽略这一步的设置。

工况阶段设置

“工况阶段设置”界面用于设置当前工况阶段。在设计状况下拉菜单内选择当前的设计状况为“持久设计状况”。

图13 设置工况阶段

验算结果分析

一、竖向承载力分析-解析法

“竖向承载力”界面用来验算群桩的竖向承载力。在此界面中可以对同一工况阶进行多组分析。软件可以对输入的不同受荷情况进行验算，也可以选取由软件自动确定的最不利荷载工况进行验算（在下拉列表中选择）。

在“竖向承载力”界面中，首先要设置桩端承载力修正值Np，这对桩端承载力Rb的大小会产生影响。Np的大小取决于土的内摩擦角的大小和土体的种类（详见帮助文档-F1）。由于桩端为砂土，取Np=30。群桩效应参数ηg的取值范围为0.5-1，取值取决于桩数、桩距和桩径的大小，和分析方法无关。取ηg=0.8验算其竖向承载力，验算结果如图14。

图14 竖向承载力验算结果

点击“详细结果”按钮，可以打开详细的计算结果，

图15 竖向承载力验算详细结果（有效应力法）

由图15可知，群桩竖向承载力Rg=21728.26>竖向力最大值Vd，且安全系数=3.27>2 满足条件。

二、沉降分析

“沉降分析”界面可以绘制无黏性土中群桩沉降时的线性荷载沉降曲线。在此界面中可以对同一工况阶进行多组分析。

在“沉降”设置界面中，指定各土层土体的割线模量，土层1的割线模量为17.0MPa， 土层2的割线模量为24MPa。随后设置最大桩顶沉降值，默认为25mm。

图16 沉降设置

注：割线模量Es的值与桩的直径和土层的厚度有关，其值需要通过原位试验获得。割线模量的值与土体的类型和密实度有关，详见帮助文档-F1。

点击“详细结果”选项查看验算结果，图17。

图17 沉降计算结果

由图17可知，在最大使用荷载V=4000.00kN作用产生的沉降值为15.4mm，满足条件。

三、弹性法分析

返回“分析设置”界面，将分析类型改为“弹性法”，桩型为“摩擦桩-根据岩土材料参数计算弹簧刚度”，水平反力系数为“均匀分布”。

图18 弹性法分析设置

在“竖向弹簧”界面，在标准荷载的下拉菜单中选择“标准值”。

图19 竖向弹簧

在“分析”界面，点击“分析”按钮，开始计算，计算完成后，在左下角可以勾选的参数值可在图中显示出。

图20 弹性法计算结果

由图20可知：

（1）沉降最大值为18mm；

（2）桩承台最大水平位移为2.3mm；

（3）桩承台转角最大值为0.0084°。

在“截面强度验算”中，还可以对承台桩进行配筋和验算。

图21 强度截面验算

本次验算选用钢筋的直径为30mm，数量为6，混凝土保护层为40mm，经计算可知，混凝土的抗剪强度、抗弯强度和配筋率均满足条件。