《海洋平台结构设计》配套PPT电子课件

海洋平台结构设计配套PPT电子课件,海洋平台结构设计,海洋,平台,结构设计,配套,PPT,电子,课件 红字的为待完善或不确定的1.海洋平台按运动方式分为哪几类？列举各类型平台的代表？固定式平台 导管架平台活动式平台着底式平台（坐底式平台、自升式平台）漂浮式平台（半潜式平台、钻井船）。半固定式平台 牵索塔式平台（Spar）：张力腿式平台（ TLP）：2.海洋平台有哪些类型？各有哪些优缺点？固定式平台优点：整体稳定性好，刚度较大，受季节和气候的影响较小，抗风暴的能力强缺点：机动性能差, 较难移位重复使用活动式平台优点：机动性能好缺点：整体稳定性较差，对地基及环境条件有要求半固定式平台优点：适应水深大，优势明显缺点：较多技术问题有待解决3.设计半潜式平台的关键技术有哪些？总体设计技术、系统集成技术、钻井系统集成与钻井设备技术、平台定位技术、结构强度与疲劳寿命分析技术、平台制造技术等。（深水半潜式）4.设计SPAR平台的关键技术有哪些？目前对Spar平台的研究主要集中在平台动力响应、系泊系统、疲劳分析、垂荡板和侧板的设计研究以及平台主体与系泊系统、平台构件之间的相互作用的耦合分析,同时,浮力罐与支架间的碰撞问题近年来也成为研究的热点问题之一5.海洋平台的设计载荷分为哪三类？各类载荷的定义？使用荷载：平台安装后，在整个使用期间，平台受到的除环境荷载以外的各种荷载。环境荷载：由海洋的风、波浪、海流、海冰和地震等水文和气象要素在海洋平台上引起的荷载。 施工荷载：平台在施工期间所受到的荷载，是发生在建造、装船、运输、下水、安装等阶段的暂时性荷载。6.在导管架平台建造过程中常见的施工措施有哪些？吊装力：平台预制和安装过程中对平台组件的起吊力。装船力：直接吊装&滑移装船，强度&稳性校核。 运输力：驳船装运&浮运，支撑力&拖航力。下水力和扶正力：导管架平台安装。安装期地基反力：地基的支撑力。7.在海洋平台服役的过程中使有载荷有哪些？同下8.试分析活动载荷和固定载荷有哪些？固定荷载：作用在平台上的不变荷载，当水位一定时荷载为一定值。主要包括，平台在空气中的重量和平台水下部分的浮力。活动荷载：与平台使用和正常操作有关的荷载。其作用位置、大小和方向是可变的，主要分为可变荷载（缓慢变化，静载）和动力荷载（循环、冲击、事故荷载，动力特性显著）。 9.最基本的起控制作用的载荷组合有哪四种？设计的工作环境与平台上的固定荷载和相应的最大活荷载组合；设计的工作环境与平台上的固定荷载和相应的最小活荷载组合；设计的极端环境条件平台上的固定荷载和相应的最大活荷载组合；设计的极端环境条件平台上的固定荷载和相应的最小活荷载组合；10.海洋油气开发包括那几个阶段？海洋油气开发的特点？ 第一阶段：寻找石油阶段。普查性的地球物理勘探； 第二阶段：开发阶段。评估石油品质、储量。 第三阶段：生产阶段。打生产井并进行油气的采集、处理、储存、运输等生产设施的建设并进行生产。高技术 高投入 高风险 建设周期长且油气田寿命短11.海洋油气集输系统有哪几种类型及各种类型的特点？ 全陆式集输系统 定义：把开采出来的油气全部送往岸上处理、储运并外运的系统统称。 特点：海上工程量小，便于生产管理，生产操纵费用相对较低，经济效益好，且受气候影响小。 适用于：浅水、离岸近、油层压力高的油气田。 半海半陆式集输系统 定义：在海上进行油气初处理，把主要的油气深加工的集输设备及储存、外输工作放在陆地上的油气集输系统称。 适用：离岸不远、油气田产量高、海底适合铺设输油管线以及陆上有可利用的油气生产基地或输油码头的油气田，尤其适用于气田的集输。 全海式集输系统 定义：海上油气生产处理设备系统，以及为其提供集中、计量、处理的生产场地、支撑生产设备的结构物全部建在海上。 特点：简化原油和燃气的运输环节，可使油气田的开发向自然条件恶劣的深海和储量大油气田发展。 适用于各个时期各种油气田的开发。12.导管架平台有哪些特点？由哪几个部分组成?平台结构简单 整体结构刚性大 安全可靠 适用于各种土质 造价低 海上安装工作量小导管架 钢管桩 甲板结构 设施和设备模块13.导管架平台的导管架的主要作用？ 支承上部结构，提高整体稳定性； 作为打桩定位和导向的工具； 将平台上面的负荷比较均匀地传递到桩上； 可安装系靠船的设备，作为附属设备支撑； 可作为安装上部结构时的临时工作平台。14.导管架平台在飞溅区和冰磨蚀取范围杆件的设置要求？ 不宜在飞溅区内设置水平构件；􀎪 不宜在冰作用区内设置水平构件和斜撑；􀎪15导管架平台的设计依据和一般要求有哪些? 平台的用途和甲板的尺寸：使用要求，工艺要求和布置； 平台的位置和方位：位置决定设计条件和建设方式；方位根据环境和使用要求确定（正北方向）； 平台所在位置水深和平台甲板高程：潮汐资料决定水深，甲板高程保证气隙高度和使用要求； 平台总体布置：合理布置，估算重量（载荷）； 海洋环境资料和场地调查。 使用要求 安全要求 环境保护要求 施工条件要求 经济条件要求16.海洋平台设计可以分为哪几个阶段？常用设计方法有哪些？ 方案设计阶段：可行性研究或概念设计，综合评价，选择最佳方案； 基本设计阶段：对审查确定的方案设计进行更进一步的设计、计算、分析，确定出主体结构、总体建造及安装方案、各种规格书等，确定投资，以便进行总包招标； 详细设计阶段：详细的设计计算分析，对基本设计进行优化，提交详细文件； 施工设计阶段：加工设计，解决施工过程中的技术问题，绘施工图，制定施工建造工艺，最后绘完工图。 母型设计（仿型设计）：即选择已建成的使用成功的平台作为母型进行仿型设计，所选的母型平台应与要设计的平台的使用技术条件、海洋环境条件相近，而且经证明这种平台性能良好。在方案设计阶段，选择平台主尺度和结构型式时常用这种方法； 规范设计：即根据各国船检局或船级社、石油协会公布的规范要求进行设计，如API、DNV、ABS、LR、GL、BV和NK等； 按强度理论进行设计：这种设计方法是建立在结构力学、理论力学、弹性力学、材料力学等基础理论知识和现代计算技术（如计算机软件SACS等工具）进行的设计。对复杂的局部结构需用强度理论分析方法（如有限元分析软件ANSYS等）。17.影响管节点疲劳强度的主要因素有哪些？ 应力幅和应力循环次数：高（低）应力幅低（高）寿命； 残余应力：焊接拉应力高塑性变形 裂纹 破坏，热处理； 材料缺陷：应力集中，检查检验； 海洋环境：腐蚀疲劳，低温疲劳； S-N曲线：标准试件试验结果，忽略实际影响。18.我国获得自升式平台的主要方式有哪些？直接从国外购买引进 ：Robinloh-300型 ，二手平台-改造购买平台图纸国内建造 ：F&G（L-780型 ，JU2000型 ） MSC （CJ46 ）自主设计建造 ：40m钻井平台 ，“港海”1号， CP-30019.自升式平台的结构组成和拖航方式？湿 拖 干 拖 20.自升式平台的强度分析至少考虑哪几种设计工况？u 正常作业工况、迁移工况、升降工况和自存工况。u （2）正常作业工况系指在规定的环境条件下，平台满载并升到预定标高进行正常作业时的状态。u （3）迁移工况系指平台进行迁移过程中的状态，可分为油田内迁移工况和远洋迁移工况。u （4）升降工况系指平台升降桩腿，预压及升、降平台主体时的状态。u （5）自存工况系指极端环境条件下，平台不能继续作业，但可通过调整可变载荷或放弃部分载荷以及其他措施以达到某种较为安全的状态。21.自升式平台桩腿长度如何确定?与最大作业水深有直接关系22.简述半潜式海洋平台的特点及优势？半潜式平台由立柱提供工作所需的稳性，因此又称为柱稳式平台。半潜式平台水线面很小，这使得它具有较大的固有周期，不大可能和波谱的主要成分波发生共振，达到减小运动响应的目的；它的浮体位于水面以下的深处，大大减小了波浪作用力。 当波长和平台长度处于某些比值时，立柱和浮体上的波浪作用力能互相抵消,从而使作用在平台上的作用力很小，理论上甚至可以等于零。 半潜式海洋钻井平台具有极强的抗风浪能力、优良的运动性能、巨大的甲板面积和装载容量、高效的作业效率、易于改造并具备钻井、修井、生产等多种工作功能，无需海上安装，全球全天候的工作能力和自存能力等优点。其在深海能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势。23.FPSO的总体布置设计原则有哪些安全可靠，符合规范。总体布置必须满足规范对防火、防爆、逃生等要求，使生活、指挥、消防设备、应急电站、救生设备、直升飞机平台等（安全区）与油气处理区（危险区）尽量远离。对无自航能力的FPSO，其安全区模块一般布置在船艏。大容积设备靠近中轴线布置。甲板上部的生产设备根据功能不同，常按模块划分，每个模块之间都设有通道。由于波浪作用在船体上发生横摇的几率比纵摇大的多，而横摇会使船体产生巨大的扭曲应力，该应力的集中部位正是通道。因此，在模块布局上尽量将大容积设备如斜板隔油器、分离器等靠近中轴线布置，以减少船体摇摆产生的扭曲应力。方便生产操作和设备维修。设计主甲板和生产甲板之间的距离时，要考虑到最大设备的高度、高架管线的高度和维修操作的高度，一般选择3m 以上。危险区与非危险区两模块的间距不小于3m。非危险区的通道宽度不小于2m。设在甲板上的吊机一般布置在左右两舷，前后错位布置，使吊机能够覆盖绝大部分生产甲板。24.简述TPL平台结构组成和工作原理？上部模块(Topside) 甲板 船体(下沉箱) 张力钢索及锚系 底基平台及其下部沉箱受海水浮力,使张力钢索始终处于张紧状态,故在钻井或采油作业时,TLP几乎没有升沉运动和平移运动。其微小的升沉和平移运动(平移运动仅为水深的1.5% 2%),在钻井和完井时主要由水中和井内相对细长的钻具及专用短行程补偿器补偿。25.简述SPA平台结构组成和工作原理？由平台甲板、支撑塔架和数根钢索组成支撑塔架为瘦长桁架结构，下端靠重力基座坐落海底或靠支柱支撑，上端支承作业甲板；塔架四周用钢索、重块、锚链和锚所组成的锚泊系统牵紧，保持直立状态；平台可产生水平方向的移动。小风浪微幅摆动，风浪大时摆幅大，把重块拉离海底，吸收部分能量，维持在许可范围内摆动。26.海洋平台设计的关键技术有哪些？ 总体布置与优化设计研究 环境载荷研究 平台极限承载能力研究 平台的稳性研究 平台模块化技术研究 关键结构或节点的疲劳性能研究 焊接工艺与接头韧性评定技术研究 振动、噪声预报与控制技术研究 平台碰撞分析和防撞技术研究 27.各种海洋环境载荷对平台机构和工作的影响？ 风荷载 风对海工结构的影响十分严重，因为平台、钻井船及海上油罐等设备直接承受风荷载的作用。一些浮式海洋工程结构物的稳性和安全性也与所受风力密切相关。 波浪荷载 处在各种海区的海洋工程结构，随时受到海浪的直接威胁；海浪的威力十分巨大，巨浪能把石油生产平台推倒，把万吨大船推上半空；有时波高虽不大，但当波浪周期与建筑物的固有周期相近时，因共振作用，使建筑物造成毁坏；即使轻微的波浪，因长年累月连续作用，波浪力也会给建筑物以冲刷而使之损坏。 海流荷载 对海洋工程结构有直接作用；影响结构强度和稳定性；设计海洋工程的水下部分，必须考虑海流引起的荷载；对拖航时的拖曳力与停泊时的系泊力，也要分析海流的大小与方向。 冰荷载 地震荷载28.导管架平台结构设计有哪些原则和特点？总体布局合理，传力路径短，构件综合利用性好，材料利用率高，满足其他专业对结构型式的要求 应尽量使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用, 杆件数量和规格力求少，结构尽量对称；􀎪 不宜在飞溅区内设置水平构件；􀎪 不宜在冰作用区内设置水平构件和斜撑；􀎪 一般情况下，管节点宜设计为简单节点； 导管架斜撑的角度（即与水平面夹角）宜在45 度左右；􀎪 导管架腿的表观斜度宜在10：1和7：1间； 隔水导管与结构的连接: 如业主没有指定，对于动力响应较明显的平台，如三腿或独腿平台，水上部分（包括在甲板和导管架的水上水平层上），隔水导管和甲板、导管架的连接要用焊接方法固定，水下部分用楔块固定； 各桩的受力力求均匀；􀎪 对于滑移装船吊装下水型导管架，滑靴的布置与吊点的布置要协调考虑􀎪 装船滑靴的横向间距的确定应考虑预制场地与运输驳船滑道的间距；􀎪 应考虑钻井，修井的要求。29.海洋平台设计涉及到哪些基础和专业知识？30.未来海洋平台发展趋势？深海开采是未来热点深海开采设备是研发方向半潜式平台u 高效钻井作业系统 如何配置多井口作业系统、钻杆处理系统、动力锚道等，以提高工作效率，是研制半潜式钻井平台的关键。u 升沉补偿系统 在深海钻井作业过程中为了保持钻头恒定接触井底，必须设法补偿平台由于风浪作用而产生的升沉落差，早期的方法是使用伸缩钻杆，目前主要采用天车补偿、游车补偿以及绞车补偿等方法。u 定位系统 半潜式钻井平台在海中处于飘浮状态，受风、浪、流的影响要发生纵摇、横摇运动，因此必须采用可靠的定位方法对其进行定位。半潜式平台的定位方式主要有锚泊定位和动力定位2种，当水深大于1 500 m时，多采用动力定位的方式。u 水下设备 水下设备主要包括水下井口系统、水下封井器系统、隔水管系统、水下设备控制系统等。u 平台设备集成控制 平台设备集成控制技术研究是为航行、定位、钻井、完井作业创建一个数字化、智能化的控制平台。FPSO展望 与海洋钻井设备融为一体（FDPSO） 浮式石油及液化石油气开采储卸船（ L P G FPSO ） 储油能力不断增长 作业水深不断创新纪录 建造技术向模块化发展周期缩短 定位与系泊技术创新和动力配置加大1 单桩承载力单桩承载力一、一、单桩轴向荷载传递机理和特点单桩轴向荷载传递机理和特点 二、二、单桩轴向容许承载力按土的支承单桩轴向容许承载力按土的支承力的确定力的确定三、三、单桩横向容许承载力的确定单桩横向容许承载力的确定 四、四、按桩身材料强度确定单桩承载力按桩身材料强度确定单桩承载力五、五、关于桩的负摩阻问题关于桩的负摩阻问题back2一、单桩轴向荷载传递一、单桩轴向荷载传递机理和特点机理和特点(一一)荷载传递过程与土对桩的支承力荷载传递过程与土对桩的支承力 (二二)桩侧摩阻力的影响因素及其分布桩侧摩阻力的影响因素及其分布 (三三)桩端阻力的影响因素及其深度效应桩端阻力的影响因素及其深度效应(四四)单桩在轴向受压荷载作用下的破坏单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式模式back3（一）荷载传递过程（一）荷载传递过程 与土对桩的支承力与土对桩的支承力桩基础桩基础 =承台承台 +基桩基桩单桩承载力：单桩在荷载作用下，地基土和桩单桩承载力：单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。受的最大荷载。一般情况下，桩受到轴向力、横向力及弯一般情况下，桩受到轴向力、横向力及弯矩作用，因此须分别研究和确定单桩的轴向承矩作用，因此须分别研究和确定单桩的轴向承载力和横向承载力。载力和横向承载力。桩的承载力是桩与土共同作用的结果，了解单桩的承载力是桩与土共同作用的结果，了解单桩在轴向荷载下桩土间的传力途径、单桩承载桩在轴向荷载下桩土间的传力途径、单桩承载力的构成特点以及单桩受力破坏形态等基本概力的构成特点以及单桩受力破坏形态等基本概念，将对正确确定单桩承载力有指导意义。念，将对正确确定单桩承载力有指导意义。4桩在轴向压力荷载作用下桩在轴向压力荷载作用下:桩顶将发生轴向位移桩顶将发生轴向位移(沉降沉降)=)=桩身弹性压缩桩身弹性压缩+桩桩端土层压缩之和端土层压缩之和 置于土中的桩与其侧面土是紧密接触的，置于土中的桩与其侧面土是紧密接触的，当桩相对于土向下位移时就产生土对桩向上作当桩相对于土向下位移时就产生土对桩向上作用的桩侧摩阻力。桩顶荷载沿桩身向下传递的用的桩侧摩阻力。桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断地克服这种摩阻力，桩身轴过程中，必须不断地克服这种摩阻力，桩身轴向力就随深度逐渐减小，传至桩端轴向力也即向力就随深度逐渐减小，传至桩端轴向力也即桩端支承反力，桩端支承反力，桩端支承反力桩端支承反力=桩顶荷载桩顶荷载-全部桩侧摩阻力全部桩侧摩阻力 桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩端阻力传桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递给土体。递给土体。（一）荷载传递过程（一）荷载传递过程 与土对桩的支承力与土对桩的支承力5土对桩的支承力土对桩的支承力=桩侧摩阻力桩侧摩阻力+桩端阻力桩端阻力桩的极限荷载桩的极限荷载(或称极限承载力或称极限承载力)=)=桩侧极限摩阻力桩侧极限摩阻力+桩端极限阻力桩端极限阻力 桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥程度与桩土间的桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移位移量量是不相同的。是不相同的。试验表明：试验表明：桩端阻力的充分发挥需要有较大的位移桩端阻力的充分发挥需要有较大的位移值值，在粘性土中约为桩端直径的，在粘性土中约为桩端直径的25%25%，在砂性土中，在砂性土中约为约为8%10%8%10%，而，而桩侧摩阻力只要桩土间有不太桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥大的相对位移就能得到充分的发挥，具体数量目前，具体数量目前认识尚不能有一致的意见，但一般认为粘性土为认识尚不能有一致的意见，但一般认为粘性土为4 46mm6mm，砂性土为，砂性土为610mm610mm。（一）荷载传递过程（一）荷载传递过程 与土对桩的支承力与土对桩的支承力6端承型桩端承型桩：由于桩端位移很小，桩侧摩阻力不易得：由于桩端位移很小，桩侧摩阻力不易得到充分发挥。对于一般端承型桩，桩端阻力占桩支到充分发挥。对于一般端承型桩，桩端阻力占桩支承力的绝大部分，桩侧摩阻力很小常忽略不计。但承力的绝大部分，桩侧摩阻力很小常忽略不计。但对较长的端承型桩且覆盖层较厚时，由于桩身的弹对较长的端承型桩且覆盖层较厚时，由于桩身的弹性压缩较大，也足以使桩侧摩阻力得以发挥，对于性压缩较大，也足以使桩侧摩阻力得以发挥，对于这类端承型桩国内已有规范建议可予以计算桩侧摩这类端承型桩国内已有规范建议可予以计算桩侧摩阻力。阻力。摩擦型桩摩擦型桩：桩端土层支承反力发挥到极限值，则需桩端土层支承反力发挥到极限值，则需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来，然后桩端阻力才逐是桩侧摩阻力先充分发挥出来，然后桩端阻力才逐渐发挥，直至达到极限值。对于桩长很大的摩擦桩，渐发挥，直至达到极限值。对于桩长很大的摩擦桩，也因桩身压缩变形大，桩端反力尚未达到极限值，也因桩身压缩变形大，桩端反力尚未达到极限值，桩顶位移已超过使用要求所容许的范围，且传递到桩顶位移已超过使用要求所容许的范围，且传递到桩端的荷载也很微小，此时确定桩的承载力时桩端桩端的荷载也很微小，此时确定桩的承载力时桩端极限阻力不宜取值过大。极限阻力不宜取值过大。（一）荷载传递过程（一）荷载传递过程 与土对桩的支承力与土对桩的支承力back7 （二）桩侧摩阻力的影响（二）桩侧摩阻力的影响 因素及其分布因素及其分布桩侧摩阻力桩侧摩阻力=f(=f(土间的相对位移，土的性质，土间的相对位移，土的性质，桩桩的刚度，时间，土中应力状态，桩的施工）的刚度，时间，土中应力状态，桩的施工）桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题。桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题。桩侧土极限摩阻力值桩侧土极限摩阻力值桩侧土的剪切强度桩侧土的剪切强度桩侧土的剪切强度桩侧土的剪切强度=f(=f(类别、性质、类别、性质、状态和剪切状态和剪切面上的法向应力面上的法向应力)桩的刚度较小时，桩顶截面的位移较大而桩桩的刚度较小时，桩顶截面的位移较大而桩端较小，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较端较小，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较大时，桩身各截面位移较接近，由于桩下部侧面大时，桩身各截面位移较接近，由于桩下部侧面土的初始法向应力较大，土的抗剪强度也较大，土的初始法向应力较大，土的抗剪强度也较大，以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。8 由于桩端地基土的压缩是逐渐完成的，因此桩由于桩端地基土的压缩是逐渐完成的，因此桩侧摩阻力所承担荷载将随时间由桩身上部向桩下部侧摩阻力所承担荷载将随时间由桩身上部向桩下部转移。在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、转移。在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、状态在一定范围内会有变化，影响桩侧摩阻力，并状态在一定范围内会有变化，影响桩侧摩阻力，并且往往也有时间效应。且往往也有时间效应。影响桩侧摩阻力的诸因素中，影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要因素。土的类别、性状是主要因素。在分析基桩承载力等问题时，各因素对桩侧摩在分析基桩承载力等问题时，各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响，应分情况予以注意。在阻力大小与分布的影响，应分情况予以注意。在塑塑性状态粘性土中打桩性状态粘性土中打桩，在桩侧造成对土的扰动，再，在桩侧造成对土的扰动，再加上打桩的挤压影响会在打桩过程中使桩周围加上打桩的挤压影响会在打桩过程中使桩周围土内土内孔隙水压力上升，土的抗剪强度降低孔隙水压力上升，土的抗剪强度降低，桩侧摩阻力，桩侧摩阻力变小。待打桩完成经过一段时间后，超孔隙水压力变小。待打桩完成经过一段时间后，超孔隙水压力逐渐消散，再加上粘土的触变性质，使桩周围一定逐渐消散，再加上粘土的触变性质，使桩周围一定范围内的抗剪强度不但能得到恢复，而且往往还可范围内的抗剪强度不但能得到恢复，而且往往还可能超过其原来强度，桩侧摩阻力得到提高。能超过其原来强度，桩侧摩阻力得到提高。（二）桩侧摩阻力的影响（二）桩侧摩阻力的影响 因素及其分布因素及其分布9在砂性上中打桩时，桩侧摩阻力的变化与砂土在砂性上中打桩时，桩侧摩阻力的变化与砂土的初始密度有关的初始密度有关，如密实砂性土有剪胀性会使，如密实砂性土有剪胀性会使摩阻力出现峰值后有所下降。摩阻力出现峰值后有所下降。桩侧摩阻力的大小及其分布决定着桩身轴桩侧摩阻力的大小及其分布决定着桩身轴向力随深度的变化及数值，向力随深度的变化及数值，因此掌握、了解桩因此掌握、了解桩侧摩阻力的分布规律，对研究和分析桩的工作侧摩阻力的分布规律，对研究和分析桩的工作状态有重要作用。由于影响桩侧摩阻力的因素状态有重要作用。由于影响桩侧摩阻力的因素即桩土间的相对位移、土中的侧向应力及土质即桩土间的相对位移、土中的侧向应力及土质分布及性状均随深度变化，因此要精确地用物分布及性状均随深度变化，因此要精确地用物理力学方程描述桩侧摩阻力沿深度的分布规律理力学方程描述桩侧摩阻力沿深度的分布规律较复杂。较复杂。（二）桩侧摩阻力的影响（二）桩侧摩阻力的影响 因素及其分布因素及其分布10如图如图所示两例来说明其分布变化。所示两例来说明其分布变化。其中其中 a)a)为上海某工程钢管打入桩实测资料为上海某工程钢管打入桩实测资料,在粘性土中的打入桩的桩侧摩阻力沿深度分布在粘性土中的打入桩的桩侧摩阻力沿深度分布的形状近乎抛物线，在桩顶处的摩阻力等于零，的形状近乎抛物线，在桩顶处的摩阻力等于零，桩身中段处的摩阻力比桩的下段大。现常近似桩身中段处的摩阻力比桩的下段大。现常近似假设打入桩桩侧摩阻力在地面处为零；假设打入桩桩侧摩阻力在地面处为零；b)b)图为我国某工程钻孔灌注桩实测资图为我国某工程钻孔灌注桩实测资料，从地面起的桩侧摩阻力呈线性增加，其深料，从地面起的桩侧摩阻力呈线性增加，其深度仅为桩径的度仅为桩径的5 5一一1010倍，而沿桩长的摩阻力分倍，而沿桩长的摩阻力分布则比较均匀。而对钻孔灌注桩则近似假设桩布则比较均匀。而对钻孔灌注桩则近似假设桩侧摩阻力沿桩身均匀分布。侧摩阻力沿桩身均匀分布。（二）桩侧摩阻力的影响（二）桩侧摩阻力的影响 因素及其分布因素及其分布back11back12（三）桩端阻力的影响因素（三）桩端阻力的影响因素及其深度效应及其深度效应桩端阻力桩端阻力=f(=f(土的性质，持力层上覆荷载，桩径，桩土的性质，持力层上覆荷载，桩径，桩端作用力、时间及桩端端进持力层深度）端作用力、时间及桩端端进持力层深度）桩端地基土的受压刚度和抗剪强度大则桩端阻力桩端地基土的受压刚度和抗剪强度大则桩端阻力也大，也大，桩端极限阻力取决于持力层土的抗剪强度和桩端极限阻力取决于持力层土的抗剪强度和上覆荷载及桩径大小的影响。上覆荷载及桩径大小的影响。由于桩端地基土层受由于桩端地基土层受压固结作用是逐渐完成的，桩端阻力将随土层固结压固结作用是逐渐完成的，桩端阻力将随土层固结度提高会随着时间而增长。度提高会随着时间而增长。模型和现场的试验研究表明，桩的承载力模型和现场的试验研究表明，桩的承载力(主要主要是桩端阻力是桩端阻力)随着桩的入土深度，特别是进入持力层随着桩的入土深度，特别是进入持力层的深度而变化。这种特性称为的深度而变化。这种特性称为深度效应深度效应，桩端端进，桩端端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩端入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩端阻力的极限值保持稳值。这一深度称为阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度临界深度h h。13 h h与持力层的上覆荷载和持力层土的密度有关。与持力层的上覆荷载和持力层土的密度有关。上部荷载越小、持力层土密度越大，则上部荷载越小、持力层土密度越大，则h h越大。越大。当持力层下为软弱土层也存在一个当持力层下为软弱土层也存在一个临界厚度临界厚度t tc c 当当桩端下卧软弱层顶面的距离桩端下卧软弱层顶面的距离ttttc c时，桩端阻力将随时，桩端阻力将随着着t t的减小而下降，持力层土密度越高、桩径越大，的减小而下降，持力层土密度越高、桩径越大，则则t tc c越大。越大。由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩端持力由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩端持力层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩端下硬层的厚度。必须指出，群桩的深的深度和桩端下硬层的厚度。必须指出，群桩的深度效应概念与上述单桩不同。度效应概念与上述单桩不同。在均匀砂或有覆盖层在均匀砂或有覆盖层的砂层中，群桩的承载力始终随着桩进入持力层的的砂层中，群桩的承载力始终随着桩进入持力层的深度而增大，不存在临界深度，深度而增大，不存在临界深度，当有下卧软弱土层当有下卧软弱土层时，软弱土对单桩的影响更大。时，软弱土对单桩的影响更大。（三）桩端阻力的影响因素（三）桩端阻力的影响因素及其深度效应及其深度效应back14（四）单桩在轴向受压荷载（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式作用下的破坏模式第一种情况：第一种情况：当桩端支承在很坚硬当桩端支承在很坚硬的地层，桩侧土为软土层的地层，桩侧土为软土层其抗剪强度很低时，（如其抗剪强度很低时，（如图图a)a)，桩在轴向受压荷载，桩在轴向受压荷载作用下，如同一根压杆似作用下，如同一根压杆似地出现纵向挠曲破坏。在地出现纵向挠曲破坏。在荷载荷载-沉降沉降(P-s)(P-s)曲线上呈曲线上呈现出明确的破坏荷载。桩现出明确的破坏荷载。桩的承载力取决于桩身的材的承载力取决于桩身的材料强度。料强度。15（四）单桩在轴向受压荷载（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式作用下的破坏模式第二种情况：第二种情况：当具有足够强度的桩穿过抗当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时高的土层时(如图如图b)b)，桩在轴向，桩在轴向受压荷载作用下，桩端土体能形受压荷载作用下，桩端土体能形成滑动面出现整体剪切破坏，这成滑动面出现整体剪切破坏，这是因为桩端持力层以上的软弱土是因为桩端持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成。在层不能阻止滑动土楔的形成。在P-SP-S曲线上可求得明确的破坏荷曲线上可求得明确的破坏荷载。桩的承载力主要取于桩端土载。桩的承载力主要取于桩端土的支承力，桩侧摩阻力也起一部的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用，即为分作用，即为端承型桩端承型桩16（四）单桩在轴向受压荷载（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式作用下的破坏模式第三种情况：第三种情况：当具有足够强度的桩入当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时剪强度较均匀时(如图如图c)c)，桩在轴向受压荷载作用下，桩在轴向受压荷载作用下，将会出现刺入式破坏。根将会出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同，试验中得到的据荷载大小和土质不同，试验中得到的P-SP-S曲线上可曲线上可能没有明显的转折点或有明显的转折点能没有明显的转折点或有明显的转折点(表示破坏荷表示破坏荷载载)。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩端反力共同支承，。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩端反力共同支承，即一般所称即一般所称摩擦桩摩擦桩或几乎全由桩侧摩阻力支承即纯或几乎全由桩侧摩阻力支承即纯摩擦桩。摩擦桩。back17二、单桩轴向容许承载力二、单桩轴向容许承载力按土的支承力的确定按土的支承力的确定单桩轴向容许承载力：单桩轴向容许承载力：单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极限承载力轴向极限承载力(极限桩侧摩阻力与极限桩端阻极限桩侧摩阻力与极限桩端阻力之和）并考虑必要的安全度后求得的。力之和）并考虑必要的安全度后求得的。确定方法有多种确定方法有多种 ，考虑地基土具有多变性、，考虑地基土具有多变性、复杂性和地域性，几种方法作综合考虑和分析，复杂性和地域性，几种方法作综合考虑和分析，合理地确定。合理地确定。18二、单桩轴向容许承载力二、单桩轴向容许承载力按土的支承力的确定按土的支承力的确定(一一)用静载试验确定单桩轴向容许承载力用静载试验确定单桩轴向容许承载力(二二)按设计规范经验公式确定单桩轴向容按设计规范经验公式确定单桩轴向容 许承载力许承载力 (三三)按静力触探法确定单桩容许承载力按静力触探法确定单桩容许承载力(四四)按动测试桩法确定单桩轴向受压容许按动测试桩法确定单桩轴向受压容许承载力承载力(五五)按静力分析法确定单桩容许承载力按静力分析法确定单桩容许承载力back19（一（一)用静载试验确定单桩用静载试验确定单桩轴向容计承载力轴向容计承载力垂直静载试验法：垂直静载试验法：在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向容许承载力。的关系，分析确定单桩轴向容许承载力。试桩的要求：试桩的要求：可用已打好的工程桩，也可专门设置与工可用已打好的工程桩，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。考虑到试验场地的差异性程桩相同的试验桩。考虑到试验场地的差异性及试验的离散性，不少及试验的离散性，不少2%2%，不应少于，不应少于2 2根，试根，试桩的施工方法以及试桩的材料和尺寸、入土深桩的施工方法以及试桩的材料和尺寸、入土深度均应与设计桩相同。度均应与设计桩相同。20（一）用静载试验确定单桩（一）用静载试验确定单桩轴向容计承载力轴向容计承载力1.1.试验装置试验装置2.2.测试方法测试方法 3.3.极限荷载和轴向容许承载力的确定极限荷载和轴向容许承载力的确定 back211.1.试验装置试验装置 锚桩法：锚桩法：锚桩、锚梁、横梁和油压千斤顶组成，锚桩、锚梁、横梁和油压千斤顶组成，如下图所示。如下图所示。锚桩：锚桩：4 4一一6 6根，入土深度等于或大于试桩的入土根，入土深度等于或大于试桩的入土深度。锚桩与试桩的间距应大于试桩桩径的深度。锚桩与试桩的间距应大于试桩桩径的3 3倍，以减倍，以减小对试桩的影响。桩顶沉降常用百分表或位移计量测。小对试桩的影响。桩顶沉降常用百分表或位移计量测。观测装置的固观测装置的固定点定点(如基准桩如基准桩)应与试锚桩保持应与试锚桩保持适当距离。适当距离。back222.2.测试方法测试方法加载应分级：加载应分级：每级荷载约为预估的破坏荷载的每级荷载约为预估的破坏荷载的1/10-1/151/10-1/15。有时也采用递变加载，开始有时也采用递变加载，开始1/2.51/2.51/51/5，终了阶，终了阶段段1/101/101/151/15。测读沉降时间：测读沉降时间：每级加荷后的第一小时内，按每级加荷后的第一小时内，按2 2、5 5、1515、3030、4545、60min60min测读一次，以后测读一次，以后每隔每隔30min30min测测读一次，直至沉降稳定为止。读一次，直至沉降稳定为止。沉降稳定的标准：沉降稳定的标准：对砂性土为对砂性土为30min30min内不超过内不超过0.lmm0.lmm，对粘性，对粘性土为土为lhlh内不超过内不超过0.lmm0.lmm。232.2.测试方法测试方法终止试验：终止试验：待某一级沉降稳定后，施加下一级。循此加待某一级沉降稳定后，施加下一级。循此加载观测，直至桩达到破坏状态。载观测，直至桩达到破坏状态。破坏状态标准：破坏状态标准：所相应施加的荷载即为破坏所相应施加的荷载即为破坏 荷载荷载 （1 1）桩的沉降量突然增大，总沉降量大于）桩的沉降量突然增大，总沉降量大于40mm40mm，且本级荷载下的沉降量为前一级荷载，且本级荷载下的沉降量为前一级荷载下下沉降量的沉降量的5 5倍以上。倍以上。(2)(2)本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉降量的降量的2 2倍，且倍，且24h24h桩的沉降未趋稳定。桩的沉降未趋稳定。back243.3.极限荷载和轴间容许极限荷载和轴间容许承载力的确定承载力的确定 极限荷载极限荷载 破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，从而确定单桩轴向容许承载力极限荷载，从而确定单桩轴向容许承载力 P=PP=Pj j/K/K式中：式中：PP单桩轴向受压容许承载力单桩轴向受压容许承载力(kN);(kN);P Pj j 试桩的极限荷载试桩的极限荷载(kN);(kN);K K 安全系数，一般为安全系数，一般为2 2。253.3.极限荷载和轴间容许极限荷载和轴间容许承载力的确定承载力的确定破坏荷载的标准方面的分歧意见：破坏荷载的标准方面的分歧意见：因为上述破坏标准虽然也符合桩开始破坏时因为上述破坏标准虽然也符合桩开始破坏时将发生剧烈的或不停滞的下沉这一概念，但却人将发生剧烈的或不停滞的下沉这一概念，但却人为地统一规定了以某个沉降值或沉降速率作为破为地统一规定了以某个沉降值或沉降速率作为破坏标准，实际上对处于各种土层中的桩，在破坏坏标准，实际上对处于各种土层中的桩，在破坏荷载下的沉降量及沉降速率是不相同的。因此，荷载下的沉降量及沉降速率是不相同的。因此，比较准确地确定桩极限荷载的方法，应当根据试比较准确地确定桩极限荷载的方法，应当根据试验测得资料所作成的试验曲线来分析，分析验测得资料所作成的试验曲线来分析，分析试桩试桩曲线曲线的方法很多，下面仅介绍两种常用方法。的方法很多，下面仅介绍两种常用方法。263.3.极限荷载和轴间容许极限荷载和轴间容许承载力的确定承载力的确定（1 1）P-SP-S曲线明显转折点法曲线明显转折点法 在由静载试验绘制的在由静载试验绘制的P-SP-S曲线上，以曲线出现曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的作用荷载作为极限荷明显下弯转折点所对应的作用荷载作为极限荷载，载，如图所示如图所示。这是因为当荷载超过极限荷载。这是因为当荷载超过极限荷载后，桩端下土达到破坏阶段发生大量塑性变形，后，桩端下土达到破坏阶段发生大量塑性变形，引起桩发生较大或长时间仍不停止的沉降，所引起桩发生较大或长时间仍不停止的沉降，所以在以在P-SP-S曲线上呈现出明显的下弯转折点。但有曲线上呈现出明显的下弯转折点。但有时时P-SP-S曲线的转折点不明显，此时极限荷载就难曲线的转折点不明显，此时极限荷载就难以确定，需借助其他方法辅助判定，例如用对以确定，需借助其他方法辅助判定，例如用对数坐标绘制数坐标绘制logP-logSlogP-logS曲线，可能使转折点显得曲线，可能使转折点显得明确些。明确些。273.3.极限荷载和轴间容许极限荷载和轴间容许承载力的确定承载力的确定back283.3.极限荷载和轴间容许极限荷载和轴间容许承载力的确定承载力的确定 (2)S-logt (2)S-logt法法(沉降速率法沉降速率法)这种方法是按沉降随时间的变化特征来确定极限这种方法是按沉降随时间的变化特征来确定极限荷载的，根据以往大量的试桩资料分析，发现桩在荷载的，根据以往大量的试桩资料分析，发现桩在破坏荷载以前的每级下沉量破坏荷载以前的每级下沉量(S)(S)与时间与时间(t)(t)的对数成线的对数成线性关系性关系(如图所示如图所示)，用公式表示为，用公式表示为 S=mlogt S=mlogt 直线的斜率直线的斜率mm在某种程度上反映了桩的沉降速率。在某种程度上反映了桩的沉降速率。mm值不是常数，它随着桩上荷载增加而增大值不是常数，它随着桩上荷载增加而增大,m,m越大越大则桩的沉降速率越大。当桩上荷载继续增大时，如则桩的沉降速率越大。当桩上荷载继续增大时，如发现绘得的发现绘得的S-logtS-logt线不是直线而是折线时，则说明在线不是直线而是折线时，则说明在该级荷载作用下桩沉降骤增，此为地基土塑性变形该级荷载作用下桩沉降骤增，此为地基土塑性变形骤增的结果即为桩破坏的标志。因此可将相应于骤增的结果即为桩破坏的标志。因此可将相应于S-S-logtlogt线型由直线变为折线的那一级荷载定为该桩的破线型由直线变为折线的那一级荷载定为该桩的破坏荷载，其前一级荷载即为桩的极限荷载。坏荷载，其前一级荷载即为桩的极限荷载。back293.3.极限荷载和轴间容许极限荷载和轴间容许承载力的确定承载力的确定back30（二）按设计规范经验公式（二）按设计规范经验公式确定单桩轴向容许承载力确定单桩轴向容许承载力 1.1.摩擦桩摩擦桩 2.2.端承型桩端承型桩back31 1.1.摩擦桩摩擦桩下面以下面以公桥基规公桥基规所用经验公式为例，说明所用经验公式为例，说明此种方法此种方法(以下各经验公式除特殊说明者外均适用于以下各经验公式除特殊说明者外均适用于钢筋混凝土桩、混凝土桩及预应力混凝土桩钢筋混凝土桩、混凝土桩及预应力混凝土桩)单桩容许承载力单桩容许承载力P=P=桩侧极限摩阻力桩侧极限摩阻力P Psusu十桩十桩端极限阻力端极限阻力P Ppupu/安全系数安全系数 (1)(1)打入桩的容许承载力按下式计算打入桩的容许承载力按下式计算 P=UP=Ui il li ii i+A+AR R/2/2 32 1.1.摩擦桩摩擦桩 上式中：上式中：PP 单桩轴向受压容许承载力单桩轴向受压容许承载力(KN);(KN);当荷载为附加组合、临时施工荷载或拱承受单向自当荷载为附加组合、临时施工荷载或拱承受单向自重推力时，可予以提高重推力时，可予以提高;U U 桩的周长桩的周长(m);(m);L Li i 桩在承台底面或最大冲刷线以下的第桩在承台底面或最大冲刷线以下的第i i层土层土层中的长度层中的长度(m);(m);i i 与与li li相对应的各土层与桩侧的极限摩阻力相对应的各土层与桩侧的极限摩阻力 (kPa)(kPa)，可按表，可按表3-43-4查用查用;A A 桩端面积桩端面积(m)i(m)i ；R R 桩端处上的极限承载力桩端处上的极限承载力(kPa)(kPa)，可按表，可按表3-53-5查查用用;i i，分别为振动下沉对各土层桩侧摩阻力和分别为振动下沉对各土层桩侧摩阻力和桩端抵抗力的影响系数，按表桩端抵抗力的影响系数，按表3-63-6查用，对于打入查用，对于打入桩其值均为桩其值均为1.01.0。331.1.摩擦桩摩擦桩 钢管桩（考虑桩端端闭塞效应及其挤土效应）钢管桩（考虑桩端端闭塞效应及其挤土效应）P Pj j=s sUlUli ii i+p pAAR R 当当h hb b/d/ds s5 40mh40m时可按时可按h=40mh=40m考虑考虑;0 0 桩端处土的容许承载力桩端处土的容许承载力(kPa)(kPa)，可参照规范，可参照规范或按本书第二章中表或按本书第二章中表2-32-3、2-42-4查用查用;2 2 桩端以上土的容重，多层土时按换算容重计桩端以上土的容重，多层土时按换算容重计算算;K K2 2 地基土容许承载力随深度的修正系数，可参照地基土容许承载力随深度的修正系数，可参照规范或本书第二章中表规范或本书第二章中表2-52-5采用，表中土名系按桩端采用，表中土名系按桩端土层确定。采用式土层确定。采用式(3-11)(3-11)计算时，应以最大冲刷线下计算时，应以最大冲刷线下桩重的一半值作为外荷载计算。桩重的一半值作为外荷载计算。361.1.摩擦桩摩擦桩(3)(3)管柱受压容许承载力确定管柱受压容许承载力确定 管柱受压容许承载力可按打入桩式管柱受压容许承载力可按打入桩式(3-7)(3-7)计算，计算，也可由专门试验确定。也可由专门试验确定。(4)(4)单桩轴向受拉容许承载力确定单桩轴向受拉容许承载力确定 当荷载组合当荷载组合、组合、组合ll或组合或组合作用时，单作用时，单桩轴向受拉容许承载力可按下式计算：桩轴向受拉容许承载力可按下式计算：PP1 1=0.3Ul=0.3Uli ii i十十WW (3-12)(3-12)式中：式中：P1 P1 单桩轴向受拉容许承载力单桩轴向受拉容许承载力(kN);(kN);W W 桩身自重桩身自重(kN);(kN);其余符号意义可参见式其余符号意义可参见式(3-7)(3-7)及式及式(3-11)(3-11)。当荷。当荷载组合载组合l l作用时，桩不宜出现上拔力。作用时，桩不宜出现上拔力。back37 2.2.端承型桩端承型桩取决于桩端处岩石的强度和嵌入岩层深度取决于桩端处岩石的强度和嵌入岩层深度P=(CP=(C1 1A A十十C C2 2U Uh h)R)Ra a (3-13)(3-13)式中：式中：A A桩端截面面积桩端截面面积(m);(m);R Ra a 天然湿度的岩石单轴极限抗压强度天然湿度的岩石单轴极限抗压强度(kPa)(kPa)，试件直径为试件直径为7070100mm;100mm;试件高度与试件直径相试件高度与试件直径相等等;h h 桩嵌人未风化岩层深度桩嵌人未风化岩层深度(m(m）；）；U U 桩嵌入基岩部分的横截面周长桩嵌入基岩部分的横截面周长(m)(m)，按设计，按设计直径计算直径计算;C C1 1、C C2 2 根据岩石破碎程度、清孔情况等因素根据岩石破碎程度、清孔情况等因素而定的系数，可参考表而定的系数，可参考表3-113-11。382.2.端承型桩端承型桩经验公式中一些问题的探讨：经验公式中一些问题的探讨：由于土的类别和性状以及桩土共同作用过程都较由于土的类别和性状以及桩土共同作用过程都较复杂，有些土的试桩资料也较少，因此对重要工程复杂，有些土的试桩资料也较少，因此对重要工程的桩基础在运用规范法确定单桩容许承载力的同时，的桩基础在运用规范法确定单桩容许承载力的同时，应以静载试验或其他方法应以静载试验或其他方法 验证其承载力验证其承载力;经验公式中经验公式中有些问题也有待进一步探讨研究，例如以上所述经有些问题也有待进一步探讨研究，例如以上所述经验公式是根据桩侧土极限摩阻力和桩端土极限阻力验公式是根据桩侧土极限摩阻力和桩端土极限阻力的经验值计算出单桩轴向极限承载力，然后除以安的经验值计算出单桩轴向极限承载力，然后除以安全系数全系数K(K(我国一般取我国一般取K=2)K=2)来确定单桩轴向容许承载来确定单桩轴向容许承载力的，即对桩侧摩阻力和桩端阻力引用了单一的安力的，即对桩侧摩阻力和桩端阻力引用了单一的安全系数。而实际上由于桩侧摩阻力与桩端阻力是异全系数。而实际上由于桩侧摩阻力与桩端阻力是异步发挥，且其发生极限状态的时效也不同，因此各步发挥，且其发生极限状态的时效也不同，因此各自的安全度是不同的，此时单桩轴向容许承载力可自的安全度是不同的，此时单桩轴向容许承载力可用分项安全系数表示为用分项安全系数表示为:392.2.端承型桩端承型桩 P=P P=Psusu/K/Ks s+P+Ppupu/K/Kp p式中：式中：PP单桩轴向容许承载力单桩轴向容许承载力(kN);(kN);P Psusu桩侧极限摩阻力蚀桩侧极限摩阻力蚀N);N);P Ppupu桩端极限阻力伙桩端极限阻力伙N);N);K Ks s桩侧阻安全系数桩侧阻安全系数;K Kp p桩端阻安全系数。桩端阻安全系数。一般情况下，一般情况下，K Ks sKKKp p。采用分项安全系数确定单桩容许承载力要比单一安采用分项安全系数确定单桩容许承载力要比单一安全系数更符合桩的实际工作状态。但要付诸应用全系数更符合桩的实际工作状态。但要付诸应用,还还有待积累更多的资料。有待积累更多的资料。402.2.端承型桩端承型桩 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范确定单桩承载力的分项系确定单桩承载力的分项系数极限状态设计方法：数极限状态设计方法：以上均为按容许应力设计方法来确定单桩轴向容以上均为按容许应力设计方法来确定单桩轴向容许承载力的。为使建筑结构、公路桥涵结构设计达许承载力的。为使建筑结构、公路桥涵结构设计达到更经济的效果，使结构钧更好的在使用期限内满到更经济的效果，使结构钧更好的在使用期限内满足安全、适用、耐久功能要求，我国建筑结构，公足安全、适用、耐久功能要求，我国建筑结构，公路桥涵结构设计已采用以概率理论为基础的分项系路桥涵结构设计已采用以概率理论为基础的分项系数的极限状态设计方法。但由于桩基础的工作性状数的极限状态设计方法。但由于桩基础的工作性状和承载力与变异性很大的地基土性质有关，而桩基和承载力与变异性很大的地基土性质有关，而桩基的施工条件也使其质量变异性很大，迄今积累有关的施工条件也使其质量变异性很大，迄今积累有关资料还少，资料还少，公桥基规公桥基规采用上述原则进行桩基设采用上述原则进行桩基设计尚存在许多困难。计尚存在许多困难。412.2.端承型桩端承型桩 1995 1995年城乡建设部颁发的年城乡建设部颁发的建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范介绍了桩按土支承力确定单桩承载力的分项系数介绍了桩按土支承力确定单桩承载力的分项系数极限状态设计方法极限状态设计方法:（摘录如下供学习参考）（摘录如下供学习参考）确定单桩轴向承载力设计值确定单桩轴向承载力设计值R=QR=Qsksk/s s十十QQpkpk/p p 当根据静载试验确定单桩轴向极限承载力标准值时，当根据静载试验确定单桩轴向极限承载力标准值时，基桩的轴向承载力设计值基桩的轴向承载力设计值R=QR=Qukuk/spsp 式中：式中：QQsksk、QQpkpk 分别为单桩总极限桩侧阻力和总极限桩端分别为单桩总极限桩侧阻力和总极限桩端阻力标准值阻力标准值;QQukuk 单桩轴向极限承载力标准值单桩轴向极限承载力标准值;s s、p p、spsp 分别为桩侧阻力抗力分项系数、桩端分别为桩侧阻力抗力分项系数、桩端阻力抗力分项系数、桩侧阻力桩端阻力综合抗力分阻力抗力分项系数、桩侧阻力桩端阻力综合抗力分项系数，按表项系数，按表3-123-12采用。采用。back42（三）按静力触探法确（三）按静力触探法确定单桩容许承载力定单桩容许承载力触探仪的探头贯入土中时的贯入阻力与受触探仪的探头贯入土中时的贯入阻力与受压单桩在土中的工作状况有相类似，将探头压压单桩在土中的工作状况有相类似，将探头压入土中测得探头的贯入阻力，取得资料与试桩入土中测得探头的贯入阻力，取得资料与试桩结果进行比较，通过大量资料的积累和分析研结果进行比较，通过大量资料的积累和分析研究，建立经验公式确定轴向受压单桩容许承载究，建立经验公式确定轴向受压单桩容许承载力。测试时，可采用单桥或双桥探头。力。测试时，可采用单桥或双桥探头。公桥基规公桥基规采用的，根据双桥探头资料确定采用的，根据双桥探头资料确定沉入桩的单桩容许承载力公式沉入桩的单桩容许承载力公式:43（三）按静力触探法（三）按静力触探法确定单桩容许承载力确定单桩容许承载力 P=U P=Ui ii i l li ii i+A+AR R/2 (3-16)/2 (3-16)式中：式中：PP单桩轴向受压容许承载力单桩轴向受压容许承载力(kN);(kN);i i 桩侧第桩侧第i i层土的静力触探测得的平均局部侧摩层土的静力触探测得的平均局部侧摩阻阻(kPa)(kPa)，当，当i i 5kPa7lp/d7时时;按式按式(3-37)(3-37)算得的强度小于按式算得的强度小于按式(3-36)(3-36)算得算得的强度时的强度时;当当AjgAjg小于小于25%Ag25%Ag时。时。(一一)轴向受压情况轴向受压情况back75(二二)偏心受压情况偏心受压情况1 1强度验算强度验算 由于桩顶有水平力及弯矩作用使桩身轴线发生偏由于桩顶有水平力及弯矩作用使桩身轴线发生偏倚，因此应考虑桩在水平力、弯矩作用平面内的挠倚，因此应考虑桩在水平力、弯矩作用平面内的挠度对纵向力偏心距的影响，应将纵向力对截面重心度对纵向力偏心距的影响，应将纵向力对截面重心轴的偏心距向乘以偏心距增大系数轴的偏心距向乘以偏心距增大系数=1/(1-=1/(1-c cNNj j l lp p2/102/10e eE Eh hI Ih hb b)（3-403-40）式中：式中：E Eh h 混凝土弹性模量混凝土弹性模量I Ih h 混凝土截面惯性距混凝土截面惯性距NNj j、b b、c c同式同式(3-36);(3-36);l lp p 桩的计算长度，按表桩的计算长度，按表3-143-14采用采用e e 考虑偏心距对考虑偏心距对值的影响系数，按下式计算：值的影响系数，按下式计算：76e e=0.1/(0.3+e=0.1/(0.3+e0 0/d)+0.143/d)+0.143 当当e e0 0/d 1/d 1时，取时，取=0.2=0.2 d d 圆形截面直径。圆形截面直径。式式(3-40)(3-40)为为公路桥涵设计规范公路桥涵设计规范引用的公式，引用的公式，在桩的长细比很小时即在桩的长细比很小时即l lp p/d7/d7时，在计算时可不时，在计算时可不必考虑附加挠度的影响；当长细比很大时，按式必考虑附加挠度的影响；当长细比很大时，按式(3-40)(3-40)算得的算得的值可能出现负值或大于值可能出现负值或大于3 3时，说明时，说明所选定的截面尺寸偏小，应加大截面尺寸所选定的截面尺寸偏小，应加大截面尺寸;当全部当全部纵向钢筋的配筋率大于纵向钢筋的配筋率大于3%3%时，式时，式(3-40)(3-40)中的中的I Ih h乘乘以系数以系数1.21.2，以计钢筋的影响。，以计钢筋的影响。由于水平力及弯矩由于水平力及弯矩作用使纵向力对截面重心轴偏心距的增大，纵向作用使纵向力对截面重心轴偏心距的增大，纵向力必然会对截面产生附加弯矩，此时，沿周边力必然会对截面产生附加弯矩，此时，沿周边(二二)偏心受压情况偏心受压情况77均匀配置钢筋的圆形截面偏心受压桩的截面强度计算均匀配置钢筋的圆形截面偏心受压桩的截面强度计算公式为：公式为：NNj j=b b r r2 2(R(Ra aA/A/c c+R+Rg gC/C/s s)(3-42)(3-42)NNj jee0 0=Mjb r=Mjb r3 3(R(Ra aB/c+B/c+g g R Rg gD/D/s s)（3-433-43）式中式中r r桩的圆形截面半径桩的圆形截面半径 含筋率；含筋率；MjMj计算弯矩计算弯矩R Ra a 混凝土抗压设计强度混凝土抗压设计强度R Rg g 钢筋抗拉设计强度钢筋抗拉设计强度e e0 0 纵向力初始偏心距纵向力初始偏心距;g g 钢筋半径相对系数，钢筋半径相对系数，g=rg=rg g/r /r A A、B B、C C、D D 圆形截面偏心受压截面强度计算系数，圆形截面偏心受压截面强度计算系数，可查可查公路桥涵设计规范公路桥涵设计规范已编成表格查用已编成表格查用;余下符号同式余下符号同式(3-36)(3-36)。(二二)偏心受压情况偏心受压情况78强度复核验算步骤：强度复核验算步骤：(1)(1)由式由式(3-43)(3-43)除以式除以式(3-42)(3-42)可得可得 ee0 0=M=Mj j/N/Nj j=(R=(Ra aB+B+g g R Rg gD)r/D)r/(R(Ra aA+RA+Rg gC)C)(2)(2)假定假定值为值为ii，查表得系数，查表得系数A A、B B、C C、D;D;代大上式求得代大上式求得ee0i0i。若。若ee0i0iee0 0(实际值实际值)，则认为所假定则认为所假定值与实际相符，即可取值与实际相符，即可取=i i进行计算。否则要重新假定进行计算。否则要重新假定值。值。(3)(3)将与实际相符而查得的将与实际相符而查得的A A、B B、C C、D D系数代系数代入式入式(3-42)(3-42)或式或式(3-43)(3-43)进行强度复核。进行强度复核。(二二)偏心受压情况偏心受压情况79 2 2最大裂缝宽度验算最大裂缝宽度验算 偏心受压的钢筋混凝士桩为压弯构件。它除了偏心受压的钢筋混凝士桩为压弯构件。它除了需进行承载能力极限状态的计算外，还需按正常需进行承载能力极限状态的计算外，还需按正常使用极限状态验算桩的裂缝宽度，便其限制在允使用极限状态验算桩的裂缝宽度，便其限制在允许范围之内，以保证必要的抗裂安全度，即式中许范围之内，以保证必要的抗裂安全度，即式中 fmaxfmaxf f (3-44)(3-44)式中：式中：fmaxfmax 在荷载短期效应组合下，并考虑荷在荷载短期效应组合下，并考虑荷载长期效应影响，构件的最大裂缝宽度载长期效应影响，构件的最大裂缝宽度(mm);(mm);f f 构件的允许裂缝宽度构件的允许裂缝宽度(mm)(mm)公路桥涵设计公路桥涵设计规范规范建议，裂缝宽度按下式计算建议，裂缝宽度按下式计算 fmaxfmax=C1C2C3=C1C2C3g g(30+d)/(0.28+10)/E(30+d)/(0.28+10)/Eg g(mm)(mm)(二二)偏心受压情况偏心受压情况80 上式中：上式中：C1 C1 钢筋表面形状系数，光圆钢筋钢筋表面形状系数，光圆钢筋C1=1.4C1=1.4，螺纹钢筋，螺纹钢筋C1=1.0C1=1.0；C2 C2 考虑荷载作用的系数，短期静荷载考虑荷载作用的系数，短期静荷载(不考虑冲击力不考虑冲击力)作作C2=1.0C2=1.0；长期荷载作用时，长期荷载作用时，C2=1C2=1十十0.5N0/N0.5N0/N，其中，其中NN0 0为长期为长期荷载下的内力，荷载下的内力，NN为全部使用荷载作用下的内力为全部使用荷载作用下的内力;C3 C3 与构件形式有关的系数，受弯构件与构件形式有关的系数，受弯构件C3=1.0l.l5C3=1.0l.l5g g 受拉钢筋在使用荷载作用下的应力受拉钢筋在使用荷载作用下的应力(N/mm2)(N/mm2)E Eg g 钢筋弹性模量钢筋弹性模量N/mm);N/mm);d d 纵向受拉钢筋的直径纵向受拉钢筋的直径(mm);(mm);配筋率，当配筋率，当0.020.02时，取时，取=0.02=0.02；当当 0.0060.006时，取时，取=0.006=0.006。(二二)偏心受压情况偏心受压情况81 关于最缝宽度允许值关于最缝宽度允许值f f，按，按公路桥涵设公路桥涵设计规范计规范规定，在一般正常大气条件下，钢筋规定，在一般正常大气条件下，钢筋混凝士受弯构件在荷载组合混凝士受弯构件在荷载组合I I作用下，作用下，f f0.2mm0.2mm，在荷载组合，在荷载组合II II或荷载组合或荷载组合作用作用下，下，f f0.25mm0.25mm。(二二)偏心受压情况偏心受压情况back82(一一)负摩阻力的意义及其产生原因负摩阻力的意义及其产生原因(二二)中性点及其位置的确定中性点及其位置的确定 (三三)负摩力的计算负摩力的计算 五、关于桩的负摩阻问题五、关于桩的负摩阻问题back83 正摩阻力：正摩阻力：桩受轴向荷载作用后，桩相对于桩侧土体作向下桩受轴向荷载作用后，桩相对于桩侧土体作向下位移，使土对桩产生向上作用的摩阻力位移，使土对桩产生向上作用的摩阻力 (如图如图a a)。负摩阻力：负摩阻力：当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降速率大当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降速率大于桩的下沉时，则桩侧土就相对于桩作向下位移，于桩的下沉时，则桩侧土就相对于桩作向下位移，而使土对桩产生向下作用的摩阻力而使土对桩产生向下作用的摩阻力 (如图如图b b)。负摩阻力负摩阻力 桩侧土的重力桩侧土的重力 桩，桩，外荷载承载力相对降低外荷载承载力相对降低 桩基沉降加大桩基沉降加大 特别要注意：桥头路提高填土的桥台桩基础的负摩特别要注意：桥头路提高填土的桥台桩基础的负摩阻力问题。阻力问题。(一一)负摩阻力的意义负摩阻力的意义及其产生原因及其产生原因84(一一)负摩阻力的意义负摩阻力的意义及其产生原因及其产生原因back85产生的原因：产生的原因：1.1.在桩附近地面大面堆载，引起地面沉降，对在桩附近地面大面堆载，引起地面沉降，对桩产生负摩阻力桩产生负摩阻力;2.2.上层中抽取地下水或其他原因，地下水位下上层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土层产生自重固结下沉降，使土层产生自重固结下沉;3.3.桩穿过欠压密土层桩穿过欠压密土层(如填土）进入硬持力层，如填土）进入硬持力层，土层产生自重固结下沉土层产生自重固结下沉;4.4.桩数很多的密集群桩打桩时。使桩周土中产桩数很多的密集群桩打桩时。使桩周土中产生很大的超孔隙水压力，打桩停止后桩周土的生很大的超孔隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉再固结作用引起下沉;5.5.在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。化产生地面下沉。(一一)负摩阻力的意义负摩阻力的意义及其产生原因及其产生原因back86负摩阻力产生范围：负摩阻力产生范围：桩侧土层对桩产生相对下沉的范围。桩侧土层对桩产生相对下沉的范围。负摩阻力的影响因素：负摩阻力的影响因素：桩侧土层的压缩，决定于地表作用荷载桩侧土层的压缩，决定于地表作用荷载(或土或土的自重的自重)和土的压缩性质，并随深度而渐减小；和土的压缩性质，并随深度而渐减小；桩身弹性压缩变形，桩身压缩变形随深度逐桩身弹性压缩变形，桩身压缩变形随深度逐渐减少，渐减少，桩端下沉，桩端的下沉在桩身各截面都是定桩端下沉，桩端的下沉在桩身各截面都是定值值;(;(如图如图线线a a、b b、c c所示所示)。(二二)中性点及其位置的确定中性点及其位置的确定87 (二二)中性点及其位置的确定中性点及其位置的确定back88中性点：中性点：桩侧下沉量有可能在某一深度处与桩身的位移桩侧下沉量有可能在某一深度处与桩身的位移量相等，此处不产生负摩阻力。在此深度以上桩侧量相等，此处不产生负摩阻力。在此深度以上桩侧士下沉大于桩的位移，桩身受到向下作用的负摩阻士下沉大于桩的位移，桩身受到向下作用的负摩阻力力;在此深度以下，桩的位移大于桩侧土的下沉，桩在此深度以下，桩的位移大于桩侧土的下沉，桩身受到向上作用的正摩阻力。正、负摩阻力变换处身受到向上作用的正摩阻力。正、负摩阻力变换处的位置，即称中性点。的位置，即称中性点。中性点的位置：中性点的位置：桩与桩侧土的相对位移，桩周土的性质，当桩桩与桩侧土的相对位移，桩周土的性质，当桩侧土层压缩变形大，桩端下土层坚硬，桩的下沉量侧土层压缩变形大，桩端下土层坚硬，桩的下沉量小时，中性点位置就会下移小时，中性点位置就会下移;反之，中性点位置就会反之，中性点位置就会上移。上移。(二二)中性点及其位置的确定中性点及其位置的确定89此外，由于桩侧土层及桩端下土层的性质和所作用此外，由于桩侧土层及桩端下土层的性质和所作用的荷载不同，其变形速度会不一样，中心点位置随的荷载不同，其变形速度会不一样，中心点位置随着时间也会有变化。着时间也会有变化。计算出中性点位置：麻烦和困难，目前多采用计算出中性点位置：麻烦和困难，目前多采用依据一定的试验结果得出的经验值，或采用近似的依据一定的试验结果得出的经验值，或采用近似的估算方法。例如，现有采用的试算法即采用估算方法。例如，现有采用的试算法即采用如图如图所所示原则，先假设中性点位置，计算出所产生的负摩示原则，先假设中性点位置，计算出所产生的负摩阻力，然后将它加到桩上荷载中，计算桩的弹性压阻力，然后将它加到桩上荷载中，计算桩的弹性压缩，并以分层总和法分别计算桩周土层及桩端下土缩，并以分层总和法分别计算桩周土层及桩端下土层的压缩变形，给出桩侧土层的下沉曲线层的压缩变形，给出桩侧土层的下沉曲线(如图如图中中a a线线)和桩身的位移曲线和桩身的位移曲线(如图如图中中c c线线)，两曲线交点即，两曲线交点即为计算中性点位置，并与假设的中性点位置比较是为计算中性点位置，并与假设的中性点位置比较是否一致。若不一致，则重新试算。否一致。若不一致，则重新试算。(二二)中性点及其位置的确定中性点及其位置的确定90 (二二)中性点及其位置的确定中性点及其位置的确定back91按经验估计产生负摩阻力的深度：