第三十八章：微型桩验算
本章将介绍在GEO5-群桩设计模块中验算微型桩。
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38.1赋值
依据EN1997-DA2分析塔式起重机下的微型桩。微型桩设计方案见图38.1。表38.1中列出了所有桩的坐标和倾角。微型桩选用钢材S355，类型TK108x20。总长7.0米，分三段。底部锚固段直径0.3米，长3.0米。中间自由段长度3.0米，最后一段是连接微型桩和承台的，长1.2米。表38.2列出了该方案的岩土材料参数。未考虑地下水。计算微型桩锚固段的竖向弹簧：“切向反力系数kv=45.00MN/m3”，锚固段范围内均匀分布，并且设置桩端弹簧kp=5.00MN/m。地质勘察得到微型桩锚固段的“平均极限侧摩阻力”为qsav=280.00kPa。
图38.1微型桩布置方案
表38.1微型桩的坐标和倾角
微型桩编号 | X [m] | Y [m] | 角度 [°] |
1 | -0.77 | -1.57 | 0.00 |
2 | 0.77 | -1.57 | 0.00 |
3 | -1.57 | -0.77 | 0.00 |
4 | 0.00 | -0.92 | 0.00 |
5 | 1.57 | -0.77 | 0.00 |
6 | -0.92 | 0.00 | 0.00 |
7 | 0.92 | 0.00 | 0.00 |
8 | -1.57 | 0.77 | 0.00 |
9 | 0.00 | 0.92 | 0.00 |
10 | 1.57 | 0.77 | 0.00 |
11 | -0.77 | 1.57 | 0.00 |
12 | 0.77 | 1.57 | 0.00 |
13 | -1.57 | -1.57 | 15.00 |
14 | 1.57 | -1.57 | 15.00 |
15 | 1.57 | 1.57 | 15.00 |
16 | -1.57 | 1.57 | 15.00 |
表38.2岩土材料特性-特征值
土层名称 | 剖面土层 [m] | γ [kN/m3] | jef [°] | cef [kPa] | n [-] | Edef [MPa] | K [MN/m3] | β [°] |
Soil1(CL,CI) | 0.00–1.90 | 21.00 | 19.00 | 30.00 | 0.40 | 10.00 | 150.00 | 9.50 |
Soil2(ML,MI) | 1.90–3.10 | 20.00 | 21.00 | 12.00 | 0.40 | 4.00 | 200.00 | 10.50 |
Soil3(G-F) | 3.10–4.90 | 19.00 | 35.50 | 0.00 | 0.25 | 95.00 | 250.00 | 12.75 |
Soil4(GP) | 4.90–6.50 | 20.00 | 38.50 | 0.00 | 0.20 | 210.00 | 320.00 | 19.25 |
Soil5(CH,CV,CE) | >6.50 | 20.50 | 15.00 | 5.00 | 0.42 | 3.00 | 60.00 | 7.50 |
用于计算承台位移与转角的荷载标准值见表38.3，荷载设计值见表38.4。荷载作用于承台的中间位置。荷载设计值自动计算尺寸为4.0mx4.0mx1.2m的承台自重。
表38.3荷载标准值
荷载 | N [kN] | Mx [kNm] | My [kNm] | Hx [kN] | Hy [kN] |
数值 | 609.00 | 2111.00 | 2111.00 | 47.00 | 47.00 |
表38.4荷载设计值
荷载 | N [kN] | Mx [kNm] | My [kNm] | Hx [kN] | Hy [kN] |
数值 | 822.00 | 2850.00 | 2850.00 | 63.00 | 63.00 |
38.2求解
我们将使用GEO5群桩设计模块。分析群桩中的每个微型桩的受荷，自动评估微型桩不利荷载工况。下面，我们将逐步介绍。
我们将使用弹性法来分析微型群桩，弹性法将基床上的单个微型桩作为梁进行建模。每个微型桩自身划分为十等份来计算其水平和竖向反力系数。承台（底板）认为是无限刚。软件使用的是有限元法分析变形。
在【分析设置】界面，我们将点击“选择分析设置”按钮，在“分析设置列表”中选择“欧洲-EN1997-DA2”。
图38.2“分析设置列表”对话框
下一步，将分析类型更改为“弹性法-微型桩”。考虑桩与承台的连接设置为“固接”。最后设置“水平反力系数”，它是描述微型桩在水平方向上的受力。此时，设置为“线性分布”（根据Bowles方法计算）。更多详细信息，点击F1键。
图38.3【分析设置】界面
在【结构】界面，承台俯视图上选择“生成任意形状”选项。设置“承台悬挑长度”值为“o=0.38m”。现在，我们按表38.1添加每根微型桩，点击“添加”按钮。
图38.4【结构】界面
注：承台悬挑长度“o”是从微型桩的外边缘到承台边缘的距离。
点击“添加”，弹出“添加点”对话窗口。在该窗口中，我们将输入坐标x和y以及微型桩的倾角。表38.1中列出了每个微型桩的坐标和倾角。最后点击“添加”完成新微型桩的添加。
图38.5“添加点”对话窗口(微型桩NO.16)
微型桩的型材将在“型材目录”中定义。在“型材分类”一栏，选择“无缝钢管圆形截面”，然后在“型材型号”选择TK108x20。
图38.6“型材目录”对话框
在【桩身尺寸】界面，定义“离天然地面的深度=0.00m”“承台厚度t=1.20米”“桩长l=6.00m”，“锚固段直径dr=0.30米”，“锚固段长度lr=3.00m”，最后可以定义“地基承载力”，此时不予考虑。因此“地基承载力R=0.00kPa”。
图38.7【桩身尺寸】界面
注：地基抗力很重要，且对分析结果影响很大。地基承载力大小取决于地层土的类型，建筑修建的（新建，重建）进程和受荷历史。因此，所有输入荷载应扣除抗力NR=A*R。
在【材料】界面，定义结构的材料属性。对于桩承台，设定结构重度（23.00kN/m3）和混凝土等级C20/25（用于截面强度验算），对于微型桩设置钢材等级EN10210-1：S355。点击“目录”，即可选择混凝土和钢材的材料等级。
图38.8【材料】界面
在【荷载】界面，添加荷载。荷载标准值如表38.3所示，荷载设计值见表38.4。
图38.9【荷载】界面
在【剖面土层】，【岩土材料】和【指定材料】界面中定义地质剖面。在【剖面土层】界面，设置地质剖面土层范围。在【岩土材料】界面，定义土体参数，最后一步是在【指定材料】界面将岩土材料赋值到地质剖面的各个土层。地质剖面详细参数见表38.2。
在“添加岩土材料”对话窗中，须输入“土的水平反力系数”。在该栏中，可在帮助文档（点击F1键）中查看“系数k”的值范围和确定“扩散角”公式。
图38.10“添加岩土材料”对话窗
图38.11【指定材料】界面
在【竖向弹簧】界面定义微型桩在垂直方向上的受力。微型桩承受的外荷载通过桩端和锚固段弹簧传递到土壤中。
图38.12【竖向弹簧】界面
在【分析】界面，完成计算任务后。显示所有微型桩的结果（内力，位移等）。在窗口右侧，显示了整个结构的最大内力（适用于所有载荷工况）和最大位移（仅适用于标准值荷载工况）的结果。下图可以查看微型桩NO.16的计算结果。
图38.13【分析】界面
位移最大值(仅适用于标准值荷载工况)
沉降最大值 = 15.8 mm
桩承台最大水平位移 = 10.6 mm
桩承台最大转角 = 2.6E-01 °
在【截面强度验算】界面，可以显示选定荷载工况或荷载工况包络图的内力。也可以显示任意桩的计算结果。总内力等于X和Y分量计算结果的合力。下图显示了所有微型桩的荷载工况包络线的内力。
图38.14【截面强度验算】界面
要进行微型桩的截面及其锚固段验算，必须点击【承载力分析】界面调用GEO5-微型桩设计模块。所有结果和数据都会自动导入到该模块中。
在【截面验算】界面，验算微型桩的钢截面。自动动选择最不利荷载工况的结果。因为微型桩不是永久性结构，此时不考虑侵蚀影响。分析边界条件设置为：铰链-固接的。
图38.15【截面验算】界面
在【锚固段验算】界面，验算微型桩锚固段承载力。根据Lizzi理论计算，平均极限侧摩阻力设定为qsav=280kPa。
注：锚固段验算分析方法可以在【分析设置】界面，通过编辑【微型桩设计】下设置进行更改。
图38.16【锚固段验算】界面
最后，点击上图的“退出并保存”按钮来保存结果。
38.3结论
桩承台最大沉降量，最大水平位移和转角均在允许范围内。
根据EN1997-DA2，由钢材EN10210-1：S355及截面TK108/20的微型桩锚固段设计满足要求。
