第十五章：单桩竖向承载力分析

　　本章的主要内容为通过一个工程案例来说明如何使用GEO5“单桩设计模块”对单桩的竖向承载力进行分析和计算。

　　例题源文件： http://pan.baidu.com/s/1skEj6jF

15.1 案例说明

　　本案例的基本说明已在第 14 章“桩基础介绍”中详细介绍，本章中所有单桩竖向承载力的验算方法均采用安全系数法（ASD）。荷载组合 N₁、M_y,1、H_x,1 作用在桩顶。

图 15.1 单桩示意图

15.2 分析方法

　　本案例采用 GEO5“单桩设计模块”进行计算分析，下面将一步一步介绍 本案例的分析过程。

在本案例中，我们将采用多种分析方法（有效应力法、美国规范  NAVFAC DM 7.2 和捷克规范 CSN 73 1002)）对单桩进行分析，并重点介绍对计算结果有 显著影响的各个输入参数。无论选择哪种规范，软件的操作步骤和方法都是相同的。

15.3 模型参数设置

　　在模式菜单中选择「分析设置」，在「分析设置」界面中点击，在 弹出的分析设置列表中选择“中国 - 国家标准（GB）”。软件默认选定的分析设 置即为“中国-国家标准（GB）”。

图 15.2 分析设置列表

　　有时候如果在分析设置列表中找不到软件内置的标准，说明我们没有将此标准添加至分析设置列表中。点击，在弹出的分析设置管理器窗口中，勾选所需标准后面的“可见”复选框，这样对应的规范标准便会在分析设置列表中显示出来。

图 15.3 分析设置管理器

　　接着选择单桩竖向承载力分析方法，在“竖向承载力分析”下拉列表中选 择“解析法”，在“分析类型”下拉列表中选择“排水条件分析”。

图 15.4 分析方法设置

　　首先，我们采用“有效应力法”对单桩进行初步分析，这也是“中国-国家标准（GB）”默认采用的分析方法。

图 15.5 分析设置

　　下一步，定义地层剖面。在「剖面土层」界面中点击按钮，在弹出的窗口中输入地层线 Z 坐标为 6.0m，这样便定义了两个地层。

图 15.6 添加地层线

　　这里先不对“水平反力系数 k_h” 进行设置，因为本章不需要对单桩的水平荷载进行分析。同样，在添加岩土材料时，“扩散角 β”可以取任意值，因为该参数对单桩竖向承载力的计算结果没有影响。

　　下一步，定义岩土材料并设置和竖向承载力计算相关的岩土参数，然后将定义好的岩土材料指定给对应的地层。表 15.1 中的岩土参数均和桩侧摩阻力 Rs [kN] 的大小有关。

表 15.1 土层物理力学参数 – 用于计算竖向承载力（解析法）

　　在「岩土材料」界面中点击按钮，在弹出的“添加岩土材料”对话框中点击右下角的按钮，“岩土体类别”选择“标准”，在“土的分类 ” 列表中选择 “CS - 砂质黏土 ” ， “ 稠度 ” 选择为 “可塑” ，点击，回到“添加岩土材料”对话框，输入有效应力所需的桩侧承载力系数 β_p”。根据表 15.1 将β_p设置为 0.30，因为这里不对水平承载力进行分析，所以“扩散角”中的参数可以任意输入，这里可以将 β 设置为 0。其它参数保持 默认即可。

图 15.7 添加第一层土体材料

　　与添加砂质黏土材料一样，点击按钮，在“土的分类”列表中选择“S-F-含细粒土砂土”，“密实度”选择为“中密”。点击， 回到“添加岩土材料”对话框，同样，“扩散角”可以任意输入，这里将 β_p设 置为 0.45，其它参数保持默认即可。

图 15.8 添加第二层土体材料

　　在【指定材料】设置界面中，分别将添加好的岩土材料指定给对应的土层。

　　进入【桩身尺寸】界面中设置桩身尺寸。“桩截面”选择为“圆形截面”，“桩径”和“桩长”分别设置为1.0m和12.0m，“桩顶露出高度”和“设计地面埋深”均设置为0，“成桩工艺”选择为“钻孔灌注桩”。

图15.9桩身尺寸设置

　　在【材料】界面定义桩身材料。“结构重度”设置为23.0kN/m³，混凝土型号选择为C30，钢筋选用HRB400。

　　下一步，定义作用在桩顶的荷载。荷载设计值用于计算桩的竖向承载力，荷载标准值用于计算桩的沉降。在【荷载】界面中点击按钮，在弹出的“添加荷载”窗口中，参照表14.4输入设计荷载，即规范中的荷载效应标准组合。

　　因为表中的代表的是荷载效应标准组合偏心竖向作用力下的桩顶最大竖向力，所以根据《建筑桩基技术规范》对群桩中基桩竖向承载力验算方法的规定：

需要将桩顶最大竖向力除以1.2，即N=/1.2=1450/1.2=1208.33 kN。

图15.10 添加单桩设计荷载

　　这里不对【地下水位+地基】进行设置，【工况阶段设置】保持默认值“持久设计状况”。接下来便可以在【竖向承载力】界面中对单桩的竖向承载力进行分析和计算。

15.4 单桩竖向承载力分析 - 分析方法：有效应力法

　　进入「竖向承载力」界面。对于有效应力法，首先需要设置“桩端承载力修正系数 Np”。Np [-]会显著影响桩端承载力Rb [kN]的大小，该参数的大小取决于土体内摩擦角 φ_ef [°]和土体类型（更多内容请查看软件帮助—F1）。

　　输入不同大小的 Np，桩端承载力 R_b 的计算结果会产生很大的变化。表15.2说明了桩端承载力修正系数N_p对分析结果的显著影响。

表15.2  不同 Np 取值下的 R_b 计算结果

　　对于本案例，设置“桩端承载力修正系数 Np”为 30 (桩端位于砂土层)。关 于不同岩土体的 Np 建议值，可以参考软件的帮助文档（软件相关界面按F1）。

图 15.11 竖向承载力分析 - 采用有效应力法作为分析方法

有效应力法分析结果： 

　　桩总竖向承载力：Rc    =6790.08kN； 

　　最大竖向荷载：Vd    =1208.33kN；

　　安全系数 = 2.02 > 2.00，竖向承载力满足要求。

15.5 单桩竖向承载力分析 - 分析方法：美国规范 NAVFAC DM 7.2

　　在15.4 节的基础上，返回「分析设置」界面，采用美国规范 NAVFAC DM 7.2  对单桩竖向承载力进行分析。

　　在「分析设置」界面，点击按钮，在弹出的对话框中选择“单桩设计”选项卡，将“排水条件分析”选择为“美国规范 NAVFAC DM 7.2”，其它参数保持不变。

图 15.12 分析方法选择为美国规范 NAVFAC DM 7.2

　　下一步，进入「岩土材料」界面，对美国规范 NAVFAC DM 7.2  所需的岩土 参数进行定义。首先需要对土体的类型进行定义，即土体为黏性土或无黏性土。

　　第一层土为砂质黏土，这里考虑为不排水条件的黏性土（可塑），需要输入土体的总黏聚力（不排水抗剪强度）Cu [kPa]和桩与桩周土间粘结系数 α [-]。桩与 桩周土间粘结系数 α 取决于土体稠度、桩身材料和土体不排水抗剪强度（更多内 容请查看软件帮助 - F1）。

图15.13 修改第一层岩土材料参数

　　第二层土为含细粒土砂土，这里考虑为排水条件的无黏性土（中密），需要输入桩与桩周土间摩擦角δ  [°]。δ 的大小取决于桩身材料。此外，还需要输入侧 向土压力系数 K [-]。K 的大小受荷载类型（拉力或压力）和成桩工艺的影响（更多内容请查看软件帮助 - F1）。为简化问题，这两个参数的设置均选择为“计算”。

图 15.14 修改第二层岩土材料参数

　　进入「竖向承载力」界面进行竖向承载力分析验算，在「竖向承载力」分析界面中设置影响桩基承载力 Rb [kN]大小的计算参数。临界深度确定系数 k_dc [-]由 临界深度计算得到。临界深度的大小取决于土体的密度（更多内容请查看软件帮 助 - F1）。这设置 k_dc = 1.0。

　　另一个重要的参数为“桩端承载力修正系数 Nq”，Nq [-]的大小取决于土体内摩擦角 φ_ef [°]和成桩工艺（更多内容请查看软件帮助 - F1）。这里设置 Nq = 10.0。

图15.15 竖向承载力分析 - 采用美国规范 NAVFAC DM 7.2 作为分析方法

美国规范 NAVFAC DM 7.2 分析结果：

　　桩总竖向承载力：Rc  =2440.96kN； 

　　最大竖向荷载：Vd = 1208.33kN；

　　安全系数= 2.02 > 2.00，竖向承载力满足要求。

15.6 单桩竖向承载力分析 - 分析方法：捷克规范 CSN 73 1002

　　在15.5 节的基础上，返回「分析设置」界面，点击按钮，将 “单桩设计”选项卡中的“排水条件分析”选择为“捷克规范 CSN 73 1002”， 其它参数保持不变。

图15.16 分析方法选择捷克规范 CSN 73 1002

　　进入「竖向承载力」界面，在“成桩工艺影响系数”列表中选择“其他成桩工艺影响系数”，并将影响系数 k 设置为 1.0，即不考虑成桩工艺对单桩竖向承 载力的影响。

图15.17 竖向承载力分析 - 采用捷克规范 CSN 73-1002 作为分析方法

捷克规范CSN 73-1002分析结果：

　　桩总竖向承载力：Rc=6353.80kN

　　最大竖向荷载：Vd=1208.33kN

　　安全系数 = 5.26 > 2.00，桩竖向承载力满足要求。  

15.7 单桩竖向承载力分析结果

　　单桩总竖向承载力 Rc 取决于采用的竖向承载力分析方法和对应分析方法输入的计算参数。表15.3为各分析方法所需要的计算参数。

表15.3 不同分析方法所需要的计算参数

表15.4 各分析方法对应的竖向承载力计算结果

　　分析结果表明，有效应力法和捷克规范 CSN 73 1002 得到的计算结果比较相 近，而与美国 NAVFAC DM 7.2 得到的结果相差较大，采用安全系数法作为验算方法条件下，三种分析方法得到的单桩承载力计算结果均满足要求。

15.8 结论

　　从上述计算结果中可以发现，计算得到的单桩总竖向承载力是不同的。造成这种不同的原因在于输入的参数不同和采用的分析方法不同。 

　　进行桩基计算的首要任务是确定将采用的分析方法和对应的土体相关参数。工程师应当采用具有一定当地工程经验的分析方法，并要求地质勘察报告中提供 所需的土体参数。

　　采用软件提供的所有分析方法进行分析，并选择最好或最差的分析结果作为 最终结果的做法显然是不合适的。

　　针对捷克共和国，GEO5 开发人员推荐采用下面两种方法计算单桩竖向承载 力，这对我们国家也有一定的借鉴意义。

　　1) 一种方法是计算达到允许沉降量 slim = 25mm 时对应的竖向荷载作为竖向承载力。该方法基于非线性理论 - Masopust 法。

　　2) 第二种方法是依据捷克规范 CSN 73 1002 计算竖向承载力。桩的分析过程与捷克规范 CSN 中规定的一样，但是岩土材料参数、桩端承载力、桩侧承载 力和荷载的分项系数则依据欧洲规范 EN 1997-1 进行设置。所以，该方法是完全符合欧洲规范 EN 1997-1 的。针对中国规范，我们则采用安全系数法来考虑桩基承载力的可靠度。