海上風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)程

海上 風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)程 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 2010 前 言 本規(guī)程以挪威船級社海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（ 主要參考范本， 同時參考了 海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法 荷栽抗力系數(shù)設(shè)計法（ 10009 2002）和 港口工程樁基規(guī)范 （ 98） 的相關(guān)內(nèi)容 ， 并納入 了 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院相關(guān)學(xué)科多年的科研成果 ， 采用 了 基于可靠度設(shè)計理論的荷載抗力系數(shù)設(shè)計法 。 為便于應(yīng)用本規(guī)程 對主要涉及的三種基礎(chǔ)型式： 單樁基礎(chǔ) 、 高承臺 群 樁 基礎(chǔ)以及 筒型基礎(chǔ) 分別給出了設(shè)計算 例。 1 目 錄 1 總則 . 1 般規(guī)定 . 1 質(zhì)調(diào)查 . 2 基土特性 . 2 環(huán)荷載效應(yīng) . 3 與結(jié)構(gòu)物的相互作用 . 3 凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 . 3 說明 . 4 2 單樁基礎(chǔ) . 5 般規(guī)定 . 5 的設(shè)計 . 5 的軸向承載力 . 6 的軸向抗拔力 . 9 的軸向性能 . 9 向荷載樁的土反力 . 10 向荷載樁的土反力 . 12 壁厚度 . 17 說明 . 20 算例 . 24 3 高樁承臺群樁基礎(chǔ) . 25 般規(guī)定 . 25 弱下臥層承載力 . 26 摩阻力 . 27 拔計算 . 28 平承載力 . 29 降 . 31 臺設(shè)計 . 32 造要求 . 38 說明 . 41 算例 . 42 4 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土筒形基礎(chǔ) . 43 說明 . 43 算例 . 43 1 1 總則 般規(guī)定 章 主要介紹了樁基礎(chǔ)、重力型基礎(chǔ)和海底穩(wěn)定的要求。 有在 標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)說明的基礎(chǔ)類型應(yīng)該特別考慮。 礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)該基于特定的位置（地理）信息，詳見 第 3章 （ 第三章 場地條件） 。 礎(chǔ)巖土工程設(shè)計應(yīng)考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和地基土的強度和變形。 這部分狀態(tài)要求為 ： 地基土 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的地基土響應(yīng) 土體和結(jié)構(gòu)之間的相互作用 對于相關(guān)的鋼和（或）混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自身的要求在 第七章到第九 章 （第七章鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，第八章海上混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì) 則，第九章灌漿連接的設(shè)計與施工） 給出。 礎(chǔ)破壞模式定義為基礎(chǔ)達到任意一種極限狀態(tài)。破壞模式的形式如下 ： 承載力破壞 （基礎(chǔ)）滑動 傾覆 樁被拔出 樁產(chǎn)生大的沉降或位移 第 二 章 （第二章設(shè)計準(zhǔn)則） 中給出的極限狀態(tài)分類的定義對基礎(chǔ)設(shè)計也是有效的，除了把由循環(huán)荷載作用引起的破壞視為極限承載力狀態(tài)，也可選擇作為偶然極限承載力狀態(tài)，使用部分荷載和材料系數(shù)來定義這些極限狀態(tài)的分類。荷載系數(shù)在這種情況下可以應(yīng)用于設(shè)計荷載歷史中所有的循環(huán)荷載。比 第 五 章（第五章荷載和抗力系數(shù) ） 的描述低的荷載系數(shù)也可以使用，如果總體安全系數(shù)經(jīng)證明能達到可以接受的極限。 載系數(shù)用于不同的極限狀態(tài)分類的相關(guān)設(shè)計在 第 五 章 （第五章荷載和抗力系數(shù)） 中給出。 料系數(shù)被用來規(guī)定 這一章 中相關(guān)的設(shè)計部分，特征土體強度應(yīng)該與 料系數(shù)可以按照下列情況用于土體抗剪強度： 對于有效應(yīng)力分析，特征摩擦角的正切值應(yīng)按材料系數(shù) 2 對于總應(yīng)力分析，特征不排水抗剪強度應(yīng)按材料系數(shù) 對于軸向樁荷載的土體抗力，材料系數(shù)應(yīng)按照 十章 基礎(chǔ)設(shè) 計 中所描述的應(yīng)用于特征抗力。 對于 側(cè)向 樁荷載的土體抗力，材料系數(shù)應(yīng)按照 十章 基礎(chǔ)設(shè)計 中所描述的應(yīng)用于特征抗力。 于重力型基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)重力引起的土體附加應(yīng)力所產(chǎn)生的沉降應(yīng)該被考慮。關(guān)系到風(fēng)電機組的支撐結(jié)構(gòu)的允許傾斜，不均勻沉降的危害應(yīng)該被考慮。 對具有重力型基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)來說，由結(jié)構(gòu)自重造成的土中應(yīng)力增加而產(chǎn)生的沉降應(yīng)該考慮。應(yīng)該考慮風(fēng)輪機支撐結(jié)構(gòu)的承受不均勻沉降的能力。 計原則和基礎(chǔ)設(shè)計解決實例更詳細(xì)的說明已在 知道是哪） 中給出。 質(zhì)調(diào)查 質(zhì)調(diào)查為詳細(xì)設(shè)計建立了必要的土體數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其要求在 第 三 章 （第三章場地條件） 中給出。 基土特性 于所有重要的土層，土體的特征強度和變形特性應(yīng)當(dāng)被確定。 體特性的特征值還應(yīng)考慮基于土體體積評估的土體變異性情況，這決定著所考慮的極限狀態(tài)。 內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗的結(jié)果應(yīng)該同相關(guān)的實踐和經(jīng)驗記錄進行評估和修正。這些評估和修正應(yīng)該加以證明。在這個過程中，應(yīng)該盡可能的給出極限狀態(tài)問題中試驗測量的土體 特性和控制現(xiàn)場土體行為的土體特性之間的差別。這些差別主要源于： 由于土體取樣和試樣沒有重現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)力歷史造成的土體擾動 出現(xiàn)裂縫 試驗和極限狀態(tài)之間不同的加載速率 對特定復(fù)雜荷載歷史，室內(nèi)試驗只能簡化替代 土體各向異性所導(dǎo)致的結(jié)果主要取決于試驗類型 裝活動對土體特性造成的可能影響應(yīng)該被考慮。 體特性的特征值應(yīng)該謹(jǐn)慎估計，因為它影響著極限狀態(tài)的發(fā)生，選擇最壞值的可能性是比較低的。 限狀態(tài)可能涉及大體積土體，它由關(guān)于體積的土體特性空間平均值來決 3 定 。特征值的選擇應(yīng)該滿足涉及土體體積試驗的數(shù)量和質(zhì)量。還應(yīng)特別關(guān)注狹窄土體區(qū)域決定的極限狀態(tài)。 體特性的特征值應(yīng)該選擇較低值，其小于最可能值，或者后期取值增大，這取決于待求的最壞的極限狀態(tài)。 環(huán)荷載效應(yīng) 環(huán)荷載對土體特性的影響在相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)該被考慮。 環(huán)剪應(yīng)力導(dǎo)致孔隙壓力逐漸增加，循環(huán)荷載中孔隙壓力的建立和伴隨增長及永久剪應(yīng)變會使土體的抗剪強度降低。這些影響應(yīng)該被考慮，當(dāng)特征抗剪強度的評估用在應(yīng)用極限狀態(tài)分類中的設(shè)計時。 正常使用 極限承載力狀態(tài)設(shè)計中，循環(huán)荷載對土體剪切模量的影響應(yīng)根據(jù)動態(tài)運動、沉降和永久（長期） 側(cè)向 位移的計算進行相關(guān)修正， 見 十章基礎(chǔ)設(shè)計 500 用于動力分析的土體模型） 。 浪和海風(fēng)作用力對土體性狀的影響應(yīng)該對單個風(fēng)暴或幾個連續(xù)的風(fēng)暴在相關(guān)地點進行調(diào)研。 地震活動地區(qū)，結(jié)構(gòu) 環(huán)荷載對土體特性的惡化效應(yīng)應(yīng)該根據(jù)地理位置條件和相關(guān)設(shè)計的考慮被評估。 見 500（第十章基礎(chǔ)設(shè)計 500 用于動力分析的土體模型） 。 與 結(jié)構(gòu)物的相互作用 構(gòu)荷載效應(yīng)的評估應(yīng)該基于土體和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體分析。分析應(yīng)該基于關(guān)于土體和結(jié)構(gòu)單元的剛度和阻尼的實際假定。 關(guān)相鄰結(jié)構(gòu)的影響也應(yīng)該被考慮。 震振動引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的有效地基動力特征應(yīng)該被確定。這一確定應(yīng)該基于自由區(qū)域和局部區(qū)域土體條件的地基運動特征，使用識別方法對土體和結(jié)構(gòu)的相互作用進行分析。 凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 4 說明 體變異性一般是土體體積中土體特性從一點到另一點的變化。當(dāng)涉及小體積土體時，以完全變異性 來計算局部土體特性是必須的。當(dāng)涉及大體積土體時，就會發(fā)生土體特性波動的空間平均值效應(yīng)在整個土體體積中從一點到另一點。因此，計算應(yīng)基于土體特性的空間平均值，當(dāng)土體體積充分大時，最終的計算結(jié)果將會和土體特性的均值相一致。 該使用相關(guān)的統(tǒng)計方法，當(dāng)使用這些方法時，局部土體特性的特征值應(yīng)該被推導(dǎo)，使得控制極限狀態(tài)發(fā)生的最壞值概率不高于 5%。 對于通過統(tǒng)計方法選取土體特性特征值的方法，參考 知道是哪） 5 2 單樁基礎(chǔ) 般規(guī)定 于單樁基礎(chǔ)的巖土設(shè)計，應(yīng)該 考慮承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。 于承載力極限狀態(tài)的設(shè)計，土體強度使用設(shè)計土體強度值，定義的特征土體強度值由指定的材料參數(shù)所劃分。荷載使用設(shè)計荷載值，每個設(shè)計荷載都被定義為由相關(guān)指定的荷載參數(shù)決定的特征荷載。這些荷載代表這極限荷載條件。兩種情況被考慮： 軸向荷載 側(cè)向 荷載和彎矩荷載組合 于承載力極限狀態(tài)中的軸向荷載，足夠的軸向樁承載能力被確定。 于極限承載力狀態(tài)中 側(cè)向 荷載和彎矩荷載的組合，足夠的樁承載力來承擔(dān)這些荷載需要被確定。樁的承載力由樁的 側(cè) 向 承載力來實現(xiàn)。足夠的樁承載力驗算應(yīng)當(dāng)滿足以下兩個要求： （ 1）理論設(shè)計的樁 側(cè)向 總承載力，應(yīng)由沿樁長的設(shè)計 側(cè)向 抗力進行矢量積分來建立，不應(yīng)小于作用在樁頂?shù)?側(cè)向 荷載。 （ 2）樁頂?shù)?側(cè)向 位移不應(yīng)該超過一些規(guī)定限制。 側(cè)向 位移應(yīng)該通過 側(cè)向 荷載和彎矩荷載組合設(shè)計值及土抗力和土剛度的特征值來計算。 需要通過計算設(shè)計 側(cè)向 荷載、彎矩與各種土體的抵抗值和土體硬度后才能得到。 要求（ 1）是常規(guī)設(shè)計準(zhǔn)則，是基于土體的完全塑性化。要求（ 2）是必要的附加要求，因為沿樁長附近一些點的局部區(qū)域 側(cè)向 土抗力不能被動員，在這些地方，樁 側(cè)向 撓度 的方向是相反的，即這些區(qū)域的土體不能完全塑性化，不管樁頂?shù)?側(cè)向 撓度有多大。 于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，特征土體強度值被用作土體強度值。特征荷載被用作荷載。這些荷載長期作用將引起土體永久變形，從而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)永久變形，例如，樁頂?shù)挠谰美鄯e傾斜。對于這些目的，循環(huán)荷載作用的土體的行為需要以如下方式表示，土體永久累積變形由正常使用極限狀態(tài)荷載歷史建立的荷載幅值循環(huán)次數(shù)的函數(shù)進行適當(dāng)計算。 于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，需要確保變形偏差不超標(biāo)。變形偏差涉及到永久變形。 的設(shè)計 定一個樁基礎(chǔ)的尺寸時，應(yīng)考慮以下各項：樁的直徑、入土深度、壁厚、 6 樁尖形式、間距、數(shù)目、幾何特性、位置、泥面約束、材料強度、安裝方法和其他需要適當(dāng)考慮的參數(shù)。 種不同的分析過程可以用來確定基礎(chǔ)的要求。所用的過程至少應(yīng)恰當(dāng)?shù)啬M土壤的非線性響應(yīng)特性，保證結(jié)構(gòu)和樁 位移協(xié)調(diào)。 該在單個樁和整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的所有危險位置，如樁頂、反彎點和泥面等處校核其變位和轉(zhuǎn)角。變位和轉(zhuǎn)角不能超過使用極限值，以免結(jié)構(gòu)物失去它的設(shè)計功能。 礎(chǔ)的承載能力 1. 樁的強度 ：樁的強度應(yīng)采用 D 章圓柱形構(gòu)件的設(shè)計 合荷載作用下的圓柱形構(gòu)件） 給出的校核鋼管強度的公式，按軸向和彎曲荷載聯(lián)合作用條件進行驗證。樁在校核部位的內(nèi)力，應(yīng)根據(jù)藕合的結(jié)構(gòu)與土非線性基礎(chǔ)模型由乘系數(shù)的荷載計算。當(dāng)通常由土壤形成的橫向約束不足或不存在時， G 章 基礎(chǔ) 設(shè)計 樁效應(yīng) 向特性） 的規(guī)定校核樁的柱狀屈曲效應(yīng)。 2. 樁的軸向抗力：軸向樁能力應(yīng)滿足以下條件： P （ P （ 式中： 按 定的樁的軸向極限能力； 用線性結(jié)構(gòu)和非線性基礎(chǔ)耦合模型，使用乘系數(shù)的荷載確定的極端（或操作）環(huán)境下的樁的軸向荷載； 為極端環(huán)境下樁的擾力系數(shù)（ E ）；O P為操作環(huán)境下樁的擾力系數(shù)（ P）。 底沖刷對樁的側(cè)向和軸向性能及承載力都會產(chǎn)生影響。沖刷預(yù)測是一種不確定的技術(shù)。對沉積物運動的研究可能會對確定沖刷的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有所幫助，但現(xiàn)場經(jīng)驗是最好的方法。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的不確定性可通過較大強度儲備的設(shè)計或按需要采用檢測和修復(fù)的操作對策來解決。 典型的修補措施見注釋 找到） ，沖刷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一般包括局部和整體沖刷。 的軸向承載力 的軸向阻力由兩部分組成 樁側(cè)摩阻力 樁端承載力 對于分層土（ N 層）中的樁，其承載力 R 可表示 為： （ 式中：i 層土中沿樁身的平均單位側(cè)摩阻力；i 層土中樁的側(cè)面積； 樁端單位承載力； 樁端總面積。 7 于粘性土中的樁，平均單位側(cè)摩阻力 （ 1） 總應(yīng)力法 ，即 方，如下 其中： 104000 （ 式中：0 （ 2） 有效應(yīng)力法，即 法，如下 0 （ 式中： 值取 間，建議用來計算樁長超過 15m 的樁。 （ 3） 半經(jīng)驗 法，其中土被劃分為一層，平均側(cè)摩阻力按下式計算： )2( 0 （ 式中： 0 為無量綱系數(shù)，其由樁長決定（如圖 。因此，由該方法，樁的總側(cè)摩阻力變?yōu)?，其?圖 數(shù) 和樁長關(guān)系曲線 樁長（ m） 8 對于柔性長樁，可能在樁端承載力充分發(fā)揮之前，在接近海床位置已經(jīng)發(fā)生樁土間的破壞。這是由于樁的柔性和樁與土之間沿樁長的位移差造成的。由于長度效應(yīng) ，其在軟土中的靜承載力將會小于剛性樁的， 對于軸向承載柔性樁的變形和應(yīng)力分析，可以將樁模擬成數(shù)個連續(xù)柱單元，由單元間節(jié)點上的非線性彈簧支撐。非線性彈簧由 線表示，從而展現(xiàn)樁與土之間的荷載 應(yīng)力 t 為樁單位面積側(cè)摩阻力， z 為側(cè)摩阻力充分發(fā)揮時的軸向樁土間位移。 于非粘性土中的樁，平均單位側(cè)摩阻力 10 （ 式中： K 為橫向地基 壓力系數(shù)，對于開口樁，取 K=于閉口樁，取 K=0p 為有效上覆土壓力； 為土與樁壁之間的摩擦角（如表 1 f 為極限單位側(cè)摩阻力，可采用表 的值。 非粘性土中阻塞樁單位樁端承載力可按下式計算： 10 （ 式中：以由表 到； 1q 為極限樁端承載力，的值。 粘性土中的單位樁端承載力可按下式計算： （ 式中： 9cN； 表 粘性土中軸向承載樁的設(shè)計參數(shù) 密度 土的類別 （°） Nq 很松 松 中松 砂 砂質(zhì)粉土 2） 粉土 15 48 5 中等 密實 砂 砂質(zhì)粉土 2） 粉土 20 67 12 等 密實 砂 砂質(zhì)粉土 2） 25 81 20 實 很密實 砂 砂質(zhì)粉土 2） 30 96 40 實 很密實 礫石 砂 35 115 50 ）本表給出的設(shè)計參數(shù)僅作為指導(dǎo)。如果通過諸如現(xiàn)場圓錐試驗、高質(zhì)量土樣 9 的強度試驗、模型試驗或打樁性能取得詳細(xì)資料，則其他值也許是合理的。 2） 砂質(zhì)粉土是那些含有大量砂粒和粉粒的土，它的強度一般隨砂粒含量的增加而增加，隨粉粒含量的增加而降低。 層中灌注樁的側(cè)摩阻力和端部承載力 （該不該加 這段，為了與 后一句對應(yīng) ） 巖層中，位于噴射孔或鉆孔中的灌注樁，其單位表面摩擦力不應(yīng)超過巖石或灌漿的三軸抗剪強度，并且通常要比由于安裝引起的抗剪強度降低后的數(shù)值小得多。例如，干燥的密實頁巖在噴射或鉆孔時遇水，其強度將大幅度降低，孔側(cè)壁會形成一層再也恢復(fù)不到巖石強度的水化泥或粘土。薦的鋼樁同灌漿之間的極限 固結(jié)強度。 巖層的樁端承載力應(yīng)根據(jù)其三軸剪切強度和基于可靠的鹽土工程實踐的適用的承載力系數(shù)來確定，并不得超過 的軸向抗拔 力 的極限軸向抗拔能力可能等于或小于，但不得大于樁的總側(cè)摩阻力 確定樁的極限抗拔力時，應(yīng)考慮包括靜水浮力和土塞重量在內(nèi)的樁有效重量。對于粘土， 應(yīng)與 定的值相同。對于非粘性土， 應(yīng)根據(jù) 定值計算。 對于 巖層 ， 應(yīng)與 規(guī)定值相同。 的軸向性能 的軸向位移應(yīng)在可接受的工作極 限范圍內(nèi)，并且這些位移必須和結(jié)構(gòu)的受力和運動相協(xié)調(diào)。樁的響應(yīng)受荷載方向、荷載類型、加載速度、加載順序、安裝技術(shù) :、土類型、樁的軸向剛度和其它一些因素的影響， 見 說明 非常規(guī)的荷載狀況或?qū)兜娜送辽疃扔邢拗茣r，應(yīng)詳細(xì)考慮周期性荷載效應(yīng)。環(huán)境荷載，如風(fēng)暴波浪和地震引起的周期性荷載（包括慣性荷載）對樁的軸向靜力性能可能有兩種相互抵消的作用。周期性荷載可以造成暫時或永久性的承載力降低和（或）累積變形。迅速加載可以增加樁的承載力和（或）樁的剛度，非常緩慢地加載也可能造成樁的承載力和（或）樁的 剛度的降低。周期性荷載的綜合影響是下列各項綜合效應(yīng)的函數(shù)，即作用在樁上的荷載大小、循環(huán)次數(shù)、加載速率、樁的結(jié)構(gòu)特性、土類型以及樁設(shè)計時所取的安全系數(shù)。 樁的設(shè)計人土深度應(yīng)足以發(fā)揮樁的有效能力，以承受 討淪的設(shè)計靜力和周期性荷載。通過樁 以驗證樁的設(shè)計人土深度，進行分析的方法見對 本條的 說明 。樁 性 見 樁進行響應(yīng)分析時，當(dāng)確切考慮上述影響時，應(yīng)把設(shè)計靜力和周期性荷載加在樁的頂部并確定樁的抗力 設(shè)計加載完成之后，就可以確定樁的最大抗力和位移。樁的變形要符合結(jié)構(gòu)使用性能的要求。在設(shè)計荷載下得出 10 的樁的總抗力都應(yīng)滿足 要求。 向荷載樁的土反力 基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)能夠承受軸向靜力和循環(huán)荷載，土的軸向抗力是由軸向的樁 任一深度動員的樁 線來表示。同樣，可動員的端部承載力和端部的軸向位移可用 線來表示。 線可以依據(jù)起始點和達到最大軸向載荷下式： m a xm a xm a 當(dāng) （ 式中： R 為樁的半徑；0無量綱影響區(qū)域，定義為樁周圍影響區(qū)域半徑與 R 的比值；位移 z 超過向載荷 t 與位移 z 為 線性關(guān)系并降低，最終達到剩余軸向載荷于超過此點的位移，軸向載荷將保持為常數(shù)。圖 出了依據(jù)此方法得到的一個 線示例。最大軸向載荷可以依據(jù)上面給出的單位側(cè)摩阻力的計算方法得到。 11 圖 模型產(chǎn)生的 線示例 對于粘土，生成 線的初始剪切模量可由下式得到： 6000 （ 然而， 1984）建議按下式計算： 11706000 O C （ 式中：超固結(jié)率。 對于砂土，生成 線的初始剪切模量可由下式得到： )1(20 （ 其中 m 式中：a為參考壓力，取值 100v為垂直有效應(yīng)力； v 為土的泊松比； 為土的內(nèi)摩擦角。 端承載力或樁尖荷載性能應(yīng)該按 述方法確定。然而，只有較大的樁尖位移才能動員全部的端部承載力，樁尖位移需達到直徑的 10%，才能完全動員粘土和砂土中的端部承載力。在沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)時，對砂土和粘土，建議都采用下列曲線： z/D Q/ z 樁尖軸向位移 （ ； D 樁的直徑 （ ； Q 可動員的樁端承載力 （ ； 根據(jù) 算的所有樁端承載力 （ ； 推薦曲線如 圖 示。 12 圖 尖荷載 線 向荷載樁的土反力 平荷載作用下樁的分析方法大部分都是基于 線。 線給出了樁發(fā)生的水平向偏斜距離 y 與樁周圍土對樁的抗力積分值 p 的關(guān)系。樁被模擬成數(shù)個連續(xù)梁 單元間節(jié)點上的非線性彈簧支撐。非線 性支撐彈簧的特性由每個節(jié)點的 線得到，如圖 3。 對于任意外加荷載作用在樁頂時，沿樁長上任意一點樁的位移和應(yīng)力解可由如下微分方程得到： 0)(2244 （ 且 33 （ 和 22 （ 式中： x 為沿樁軸的位置； y 為樁的水平向位移； 樁的抗彎剛度； 作用在樁上的軸向荷載； 作用在樁上的水平荷載； p（ y） 為土的水平向響應(yīng)； M 為作用在樁上的彎矩，上述都表示 x 位置上的值 13 圖 3 樁模擬成梁 線 限差分法通常是獲得樁的微分方程解的最可行辦法。許多商業(yè)計算機程序可以獲得這一結(jié)果。這些程序通?？梢缘玫綐?端承受不同的軸向荷載、水平荷載和彎矩荷載組合下樁應(yīng)力和位移的完全解。 前面提到依據(jù) 線得到沿樁逐漸傳遞的軸向荷載也包括在內(nèi)。一些程序不但可以用來分析單樁，而且還可以用來分析群樁，包括可能的樁 樁相互作用和連接樁頂?shù)暮侠砩喜拷Y(jié)構(gòu)，或為剛性承臺，或為有限剛度結(jié)構(gòu)。 對于 線的建立，應(yīng)當(dāng)考慮土的類型，荷載的類型，和由于沉樁和沖刷的影響造成土的重塑。下面給出一種建立 線的推薦方法。 對于水平樁撓度 y 處，樁單位長度的水平土抗力表示為 p。單位長度的極限水平土抗力表示為 是當(dāng)樁發(fā)生水平偏移時， p 可以達到的最大值。 于粘土中的樁，極限水平土抗力推薦按下式計算： 當(dāng)當(dāng) 09)3( （ 式中： X 為土表面以下深度； 極限水平土抗力轉(zhuǎn)折點深度， 小于 )3( 超過 得到的值； D 為樁的直徑； 土的不排水抗剪強度； 為土的有效單位容重； J 為無量綱經(jīng)驗常數(shù)，其值取 間，對于正常固結(jié)軟粘土建議取 對于靜荷載， 線可以根據(jù)下式得到： 14 8)(23/1當(dāng)當(dāng) （ 對于循環(huán)荷載，并且當(dāng) ， 線可以根據(jù)下式得到： 2 3/1當(dāng)當(dāng) （ 對于循環(huán)荷載，并且當(dāng) ， 線可以根據(jù)下式得到： 23)1(1(23/1當(dāng)當(dāng)當(dāng)（ 式中： D 為樁的直徑；c為原狀土不排水壓縮試驗中最大應(yīng)力一半處所對應(yīng)的應(yīng)變， 更詳細(xì)資料參考分類注釋 找到） 。 于非粘性土中的樁，極限水平土抗力推薦按下式計算： 當(dāng)當(dāng) 0)(321 （ 式中：系數(shù) 1C 、 2C 和3 有關(guān)，可由圖 到； X 為土表面以下深度； 極限水平土抗力轉(zhuǎn)折點深度， 小于 21 )( 超過 3 所得到的值； D 為樁的直接； 為土的單位浮容重。 15 數(shù) 1C 、 2C 和3 的關(guān)系曲線 線可以根據(jù)下式得到： )ta 式中： k 為地基反力初始模量，與內(nèi)摩擦角 有關(guān)，如圖 A 為考慮靜荷載或循環(huán)荷載條件的系數(shù)，由下式可得： 對于靜荷載對于循環(huán)荷載 （ 更詳細(xì)資料參考 分類注釋 找到） 。 16 圖 基反力初始模量 k 與內(nèi)摩擦角 的關(guān)系曲線 薦的非線性 線主要用來分析在承載能力極限狀態(tài)內(nèi)樁的水平向承載力。 須謹(jǐn)慎對待推薦的非線性 線用在其他狀況，而不是評估在承載能力極限狀態(tài)內(nèi)樁的水平向承載力。包括如下狀況，但不僅限于此，樁的正常使用極限狀態(tài)分析，樁的疲勞分析， 在以邊界條件來分析樁土系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)時，確定代表樁土系統(tǒng)剛度 的等效彈簧剛度，一般情況下， 線的初始斜率可能會受到影響。 須謹(jǐn)慎對待推薦的非線性 線被直接應(yīng)用在規(guī)定的固定形式內(nèi)，或依據(jù)曲線離散化進行分段線性擬合被應(yīng)用。 于粘土推薦的 線被定義為三階多項式，因此它們有無限大初始斜率，即荷載 際是不可能的，然而該曲線一直有效的用在它的主要目的上，即評估在承載能力極限狀態(tài)內(nèi)樁的水平向承載力。但是，粘土中推薦的固定形式 線不能直接用在初始剛度問題情況，如確定樁頂?shù)刃偠葐栴}。 粘土 線被用在曲線初始斜率問題時，該曲線需要以分段直線在離 17 散點間進行離散和逼近。離散化必須按下面方法進行，即曲線上原點以外第一個離散點的位置，應(yīng)使正確的初始斜率結(jié)果出現(xiàn)在分段線性表示的 線中。 非數(shù)據(jù)指出了其他情況，否則 線的初始斜率按下式計算： c （ 式中： 為經(jīng)驗系數(shù)；c為原狀土不 排水靜三軸壓縮試驗中最大主應(yīng)力一半處所對應(yīng)的豎向應(yīng)變。對于正常固結(jié)粘土，推薦 10 ；對于超固結(jié)粘土，推薦 30 。 點以外第一個離散點位置的選擇應(yīng)使粘土中分段線性擬合的 線得到一個正確的初始斜率。第一離散點位置可以確定在相對位移 y/ 縱坐標(biāo)值 p/。 土中推薦的固定形式的 此為有限初始剛度。任何時候這些曲線的離散擬合都需要繪制通過這一離散 點的分段線性曲線，因此，為了得到初始斜率的正確表示，一個 線原點附近非常精準(zhǔn)的離散點來是很重要的。 何時候使用 議對 線初始斜率的變化和不同假設(shè)的影響進行深入研究。 壁厚度 的壁厚可沿長度方向變化，并可根據(jù)以下各段所討論的幾種荷載條件之一或各種要求來控制特定點的壁厚。在安裝圖或技術(shù)規(guī)格書中，設(shè)計者應(yīng)說明打樁過程中可能使用的樁錘。 乘系數(shù)的外荷載造成的樁的內(nèi)荷載 ，應(yīng)根據(jù)本文 D 章 圓柱形構(gòu)件的設(shè)計 伸、壓縮、彎曲、剪切或靜水壓力作用下的圓柱形構(gòu)件） 允許的條件進行校核。應(yīng)采用考慮了結(jié)構(gòu)和土對樁提供約束的合理分析來校核未受土側(cè)向約束的樁段的內(nèi)荷載。除非由于土的剪切強度極低，計算的側(cè)向位移很大或一些其它原因使得樁被確認(rèn)失去橫向支撐，否則一般情況下不必考慮泥面以下樁段的柱狀屈曲。 在泥面附近和其它部位的壁厚，通常取決于平臺的乘系數(shù)的荷載產(chǎn)生的軸向力和彎矩的聯(lián)合作用。可根據(jù) 定的土抗力來計算樁的彎矩曲線，并應(yīng)適當(dāng)考慮因沖刷而形成的土的 運動。在泥面或其附近，由于周期性荷載引起較大的側(cè)向變形（例如，超過 G 章 粘土的 線，我們上面沒說，這句可以不要？） 中對軟粘土規(guī)定的 ）時，應(yīng)考慮減小或忽略該地 18 段的土 樁的附著力。 每一放置樁錘（樁頂、鉆機等）的樁段或隔水套管，都應(yīng)根據(jù)放置此設(shè)備的荷載進行校核。這些荷載可能使接樁的最大長度受到限制，尤其是斜向打樁或鉆孔沉樁。最常遇到的必須承受的作用力包括靜彎矩，軸向荷載和樁錘初始安置時產(chǎn)生的側(cè)向荷載。 經(jīng)驗表明，如果按下述方法計算靜承載力，就能較好地防止 由于上述荷載引起的管壁損壞： 1. 將伸出的接樁段作為底端固定的自立樁來考慮，并且具有適當(dāng)?shù)挠行чL度系數(shù) K（例如，對傾斜的樁為 近似垂直的隔水套管為 2. 在計算彎矩和軸向力時，應(yīng)采用樁錘、樁帽和導(dǎo)架的全部乘系數(shù)的重量，其作用力通過組合質(zhì)量的中心（ 或 ，取決于對每項重量的掌握程度）。以及接樁段的乘系數(shù)的重量（ ），并且適當(dāng)考慮斜度和質(zhì)量中心的偏心度。應(yīng)把近似 垂直的接樁段看成具有初始的或?qū)嶋H上微小的不垂直度或至少2%斜度的懸臂梁來確定設(shè)計彎矩。還應(yīng)確定的次生彎矩是 P 彎矩的和。它是由接樁段（看成具有一端固定的懸臂梁）頂部和中部的確定的或一階側(cè)向變形及其相應(yīng)的乘系數(shù)的重量荷載的分力造成的。 3. 不應(yīng)超出下述梁 柱抗力驗算公式： 1( （ 式中： P 為 由乘系數(shù)的重力荷載產(chǎn)生的一階 P 彎矩， N m，而cf，bf，M，c和b由 D 章 圓柱形構(gòu)件的設(shè)計 向壓縮和 D 章 圓柱形構(gòu)件的設(shè)計 曲） 定義。 打樁期間自立樁段內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力也應(yīng)給予考慮。由樁錘沖擊造成的應(yīng)力（ 動應(yīng)力 ） 和由軸向力與彎曲引起的應(yīng)力 （ 靜應(yīng)力 ） 的合成，不應(yīng) 超過鋼材最小的屈服強度。 應(yīng)當(dāng)采用波動理論的分析方法來確定應(yīng)力的大小 （見 G 章 G. ，通常假設(shè)打樁時的動載部分不會使樁發(fā)生柱狀屈曲。沒有乘系數(shù)的動應(yīng)力不應(yīng)超過屈服強度力的 80 %90%，這取決于具體的條件，諸如沿樁長向下的最大應(yīng)力的位置、錘擊次數(shù)、原先的樁一錘組合的經(jīng)驗和對分析的可信程度。當(dāng)較大的打樁應(yīng)力傳遞給結(jié)構(gòu)時，應(yīng)對它進行單獨的考慮，并且要避免造成附屬構(gòu)件的破壞。 打樁時的靜應(yīng)力應(yīng)由計算點以上的樁段的重量加上在錘擊過程中由樁實際承受的樁錘分力，包括由此產(chǎn)生的彎曲 應(yīng)力。對所有的靜載，應(yīng)取 系數(shù)，應(yīng)該根據(jù) D 章 圓柱形構(gòu)件的設(shè)計 伸、壓縮、彎曲、剪切或靜水壓力作用下的圓柱形構(gòu)件） 和 D 章 圓柱形構(gòu)件的設(shè)計 合荷載作用下的圓柱形構(gòu)件） 來校核樁的強度。 19 在全長范圍內(nèi)的 D/t 比應(yīng)足夠小以防止當(dāng)應(yīng)力未達到樁材料屈服強度時發(fā)生局部屈曲。應(yīng)考慮樁在安裝和使用期間出現(xiàn)的不同荷載情況。應(yīng)將 D 章 圓柱形構(gòu)件的設(shè)計 伸、壓縮、彎曲、剪切或靜水壓力作用下的圓柱形構(gòu)件） 規(guī)定的限度考慮作為使用期和下述安裝情況 下的最低要求，即預(yù)計能正常打樁或不用打樁方法進行沉樁的情況。對于打入樁，如果預(yù)計打樁較困難時（用最大型打樁錘，每英尺需 250 擊，每米 820 擊），則樁的最小壁厚應(yīng)不小于： t=（ t， D 單位為 （ t=（ t， D 單位為 m） 式中： t 為壁厚； D 為直徑。 對于常用規(guī)格的樁，其最小壁厚如表 列。 表 小管壁厚度 樁直徑 D 正常壁厚 t mm 10 13 762 14 914 16 1067 17 1219 19 1524 22 1829 25 2134 28 2438 31 2743 34 3048 37 當(dāng) D /t 較小，且預(yù)計打樁遇到堅硬地層時，如果以往的經(jīng)驗或詳細(xì)的分析表明在打樁時不致使其破壞，那么可以放寬上述要求。 于在泥面處具有加厚段的樁，應(yīng)考慮增加泥面附近厚壁段的長度，以確保樁在達不到設(shè)計深度時，在該處不發(fā)生超應(yīng)力現(xiàn)象。在設(shè)計中，欠打允許值應(yīng)根據(jù)樁所能達到貫人深度的不確定性程度來定。在某些場合超打允許值應(yīng)該類似地按照在預(yù)計的深度處沒有遇到 期望的承重層的方法來確定。 靴的作用就是為了幫助樁通過堅硬地層或減小打樁阻力，以達到較深的人土深度。對不同的情況應(yīng)采用不同的考慮。如果采用內(nèi)樁靴穿過堅硬地層，則應(yīng)保證在樁端上的正常和加厚段折點處不產(chǎn)生不可接受的高的打樁應(yīng)力，并且要確保樁靴不會使土塞的承載力低于設(shè)計中的假定值。由于外樁靴會造成它上面樁表面摩擦力的降低，一般情況下，不使用外樁靴。 有的樁頂設(shè)計應(yīng)當(dāng)與安裝承包商協(xié)商以確保與建議的安裝方法和設(shè)備相協(xié)調(diào)。 20 說明 頂被定義為沿樁與海床同水平的位置。足夠的 軸向樁承載力可以通過檢查樁頂?shù)脑O(shè)計軸向荷載沒有超過設(shè)計軸向抗力來確定，包括樁側(cè)的設(shè)計單位側(cè)摩阻力，加上可能的樁尖阻力。 對于粘土，單位側(cè)摩阻力為不排水抗剪強度的函數(shù)。對于砂土，單位側(cè)摩阻力為相對密度的函數(shù)。以上兩種情況，單位側(cè)摩阻力由 循環(huán)荷載作用對樁的軸向承載力的影響應(yīng)該在設(shè)計中被考慮。主要對象是決定抗剪強度的衰減，即單位側(cè)摩阻力的衰減，沿樁身的給出適當(dāng)?shù)暮奢d強度。 循環(huán)荷載對于粘土、膠結(jié)石灰質(zhì)土和細(xì)粒非粘性土（粉土）中的樁的影響是顯著的，然而 對于中粒到粗粒的非粘性土的影響不是很顯著。 抗 側(cè)向 荷載與彎矩荷載組合的足夠樁承載力可以通過所謂的單樁分析來確定，分析中樁分為數(shù)個結(jié)構(gòu)單元，由節(jié)點連接，在這些節(jié)點處由根據(jù) 側(cè)向 荷載和傾覆彎矩作用在樁頂。同時作用在樁頂?shù)妮S向力也需要包括在內(nèi)，因為他們會貢獻彎矩，當(dāng)土體 側(cè)向 抗力充分動員時，即二階彎矩效應(yīng)。 目錄 向 支撐。 目錄 向 抗力的循環(huán)遞減效應(yīng)。 滿足樁 側(cè)向 承載力準(zhǔn)則的同時也要滿足 位移準(zhǔn)則，可以與要求（ 2）比較。一個關(guān)于樁頂 側(cè)向 撓度或樁頂相對水平軸旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)則將是實用的。當(dāng) 側(cè)向 土體抗力采用特別保守的假設(shè)時，要求（ 2）可以不考慮。 通過理論和單樁分析，通常不能充分確保樁頂?shù)脑O(shè)計 側(cè)向 荷載不超過設(shè)計總 側(cè)向承載力。這是因為由土體 側(cè)向 抗力沿樁長被動員產(chǎn)生的總樁 側(cè)向 承載力發(fā)揮之前，過量（不可接受的）樁 側(cè)向 位移將發(fā)生在樁頂。 當(dāng)開展單樁分析時，建議注意單樁分析得到的樁頂 側(cè)向 位移，確保它們不是很大。例如，通過樁長函數(shù)來預(yù)測樁頂位移，確保設(shè)計是在相應(yīng)的位移 同時也推薦確保對于 側(cè)向 承載力 極限狀態(tài)荷載下沿樁長的塑性化區(qū)域不是太廣泛。 形偏差通常在設(shè)計基礎(chǔ)中給出，常常規(guī)定豎直面內(nèi)樁頂最大允許旋轉(zhuǎn)變形。樁頂通常被定義在海床面。變形偏差通常需要滿足直觀要求和風(fēng)力發(fā)動機的運行要求。因此變形偏差通常由風(fēng)輪機制造商闡明。 通常，安裝偏差被規(guī)定滿足完成單樁安裝時樁頂?shù)淖畲笤试S旋轉(zhuǎn)要求。 另外，由于正常使用極限狀態(tài)荷載貫穿整個單樁設(shè)計，因此其他的偏差通常被指定了上限，來滿足樁頂?shù)睦鄯e永久旋轉(zhuǎn)。累積