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第五讲 桩基础(深基础)


第五讲 桩基础(pile foundation) (深基础)
5.1 概 述
定义 当建筑场地浅层地基土质不能满足建筑物对地基承载力和变形

的要求,也不宜采用地基处理等措施时,往往需要以地基深层坚实土 层或岩层做为地基持力层,采用深基础方案。 深基础包括:桩基础、沉井基础、沉箱基础、地下连续墙等。 桩基础是深基础应用最多的一种基础形式,它

是深入土层的柱形 构件,由若干个沉入土中的桩和连接桩顶的承台或承台梁组成。

桩的作用

将上部结构的荷载通过软弱地层或水传递给深部较坚硬

的、压缩性小的土层或岩层。 桩的作用方式 桩基通过作用于桩尖(或称桩端)的地层阻力和桩周

土层的摩擦力支撑轴向荷载、 依靠桩侧土层的侧向阻力支撑水平荷载。 注意: “桩基”与 “基桩”的差异 特点:① 承载力高;② 稳定性好;③ 沉降量少而均匀,沉降速率底而收 敛快④抗震性能好;⑤抗拉能力强;⑥对地质条件适应性强;⑦容易 满足各种建筑物的不同需求。 发展: ? 源于七八千年前的木桩 河姆渡(浙江 新石器时代)

? 宋《营造法式》“临水筑基”(龙华塔)

? 清《工部工程做法》桩基选料、排列、施工、规范 ? 20 世纪初美国钢桩基础(H 型) ? 上海宝钢:圆形 f90cm,L=60m 一期工程:5 万根桩 18.6 万吨,耗资 3.4 亿 二期工程:钢材 20 多万吨,两期耗资 10 亿 ? 50 年代钢筋砼(混凝土桩) :我国铁路系统 20 世纪 50 年代末生产 了预应力钢筋混凝土桩 ? 灌注桩:60 年代开始采用钻孔灌注砼桩和挖孔灌注桩。 ? 目前,在桩种、桩型、沉桩机具、钻孔设备、施工工艺上均有较大 发展。 适用范围 几乎任何领域、特别是软弱地基上的建筑物、沿海码头等。通常 对于下列情况,可考虑采用桩基础方案: (1)软弱地基或某些特殊土上的各种永久性建筑,不允许地基有 过大沉降和不均匀沉降时; (2)对于高层建筑物,地基承载力不满足需要时; 如高层建筑、重型工业厂房(冶金工业中)和仓库、料仓 (3)对精密或大型设备基础,需要减小基础的振幅、减弱基础振 动对结构的影响时;

(4)用于活荷载占较大比例的建筑物; (5)水上基础:施工水位较高或冲刷深度较大,采用浅基础施工 困难或不能保证安全时; (6)水平力或上拔力较大时(如桥梁、码头、烟囱、输电塔及地 铁车站抗浮桩) (7)用于地面堆载过大的单层厂房及露天跨、仓库(边坡的抗滑 桩类似) ;

引起柱子开裂,堆载也将引起桩的负摩擦力
(8)用于解决相邻建筑物因地基基础产生的相互影响问题; (9)在地震区,以桩基作为地震区结构抗震措施或穿越可液化土 地基时(据唐山地震经验) 桩基设计内容及步骤 收集资料 选桩型,确定桩的基本尺寸 确定单桩承载力 相关的检算(如承台、墩顶水平位移等) 绘制施工图纸

5.2 桩基础的类型和特点
5.2.1 桩基础类型 按桩身材料、承台位臵高低、功能、桩轴方向、成桩方法、成桩 对土层的影响等六个方面来考虑和分类。 分类的目的:掌握各类桩的特点,供设计时比较和选择。 按桩身材料分 钢筋混凝土、混凝土、预应力钢筋混凝土(管桩) 、钢桩(管、H 型,用于重点工程) 、木桩(临时工程,在水下耐久性好)

按承台位臵高低分 项目 类型
高承台桩 高出地面 流冰层下>25cm 低于地面或局部冲刷线 有侧向约束 纵向挠曲、桩顶位移不计 冻结线以下>25cm

特点

用途
桥梁、码头工程

低承台桩

房建工程

按功能分 ? 抗轴向压力的桩 按传力方式又分为 3 种: 摩擦桩
受力特点

端承桩

端承摩擦桩
同时发挥作用

桩身侧表 面与 土层 桩尖嵌入岩基, 外荷 摩阻力传递给土层, 通过桩身 传递 给岩 桩尖受荷<10% 石,不计侧摩擦力 饱和软土地基 松砂地基 沉降大

适用范围

沉降特点

穿过软弱土层嵌入较 坚实的硬粘土或砂粒 上部荷载大, 摩擦桩 持力层, 与桩径、 桩长、 承载力不够 软土层厚、 持力层刚度 有关 沉降小 较小

? 抗测压的桩 港口、码头中的板桩,基坑支护桩,边坡抗滑桩等(土压力) 。 ? 抗拔桩 抵抗作用在桩上的拉拔荷载,如锚桩、抗浮桩(靠侧摩擦阻力承 受) 按桩轴方向分 ? 竖直桩 ? 斜桩→轴向水平分量和桩侧土压力来平衡水平力 一般根据水平力的大小和方向可设臵单向斜桩、多向斜桩、架桩。 是否设斜桩?① 由力学计算确定;② 先用竖直桩,检算无法通过时 再改用斜桩 按成桩方法分 自动落锤 蒸汽锤 锤击 静压 预制桩 震动 螺旋 打入桩 压入桩 震入桩 螺旋桩 钻孔桩 机械成孔 灌注桩 钢管挤土 人力挖掘 冲孔桩 成孔 沉管灌注桩 柴油锤 压缩空气锤

挖孔桩

按成桩对土层的影响分《建筑桩基规范》 ? 挤土桩 预制桩、沉管灌注桩

主要为打入桩,这类在成桩过程中,将桩位处的土体大量排挤开, 因而使桩周土体受到严重的扰动,土的原状结构遭到破坏,土的工程 性质发生很大改变,这种桩称为挤土桩。

对粘性土,重塑作用降低抗剪强度(一段时间可恢复部分强度) ; 对无粘性土,可提高抗剪强度。 ? 部分挤土桩(小量挤土桩) 开口钢管桩、H 型钢桩、开口的预应力钢筋砼桩 ? 非挤土桩 预钻孔的钢筋砼桩、钻(挖、冲)孔灌注桩(桩周土收到较小的 扰动,但会产生应力松弛,使得桩周土向孔内移动,故非挤土桩的桩 侧摩阻力一般有所减小) ★ 挤土效应★ 在饱和软土中进行密集桩群施工将导致: ? 土中超孔隙水压力的剧增(可达上覆土压的 1.4 倍甚至更高) ? 地表隆起 ? 浅层土体水平位移(影响范围 1 倍桩长以上) ? 深层土体位移 ? 先打设的桩倍抬起、挤偏、甚至弯曲、断裂 原有建筑物下沉、局部抬起→结果破坏 → 临近路面开裂、地下管线位移、破坏 解决方法:端部开口或半闭口管桩→减小挤土效应→部分挤土桩 复合桩基 上部荷载由桩土共同承担,地基土承担至少 50%(条件:天然地 基强度可以满足荷载设计要求,但沉降量过大时) ,称为复合桩基,注 意与复合地基的联系与区别。 5.2.2 桩型及其特点 预制桩类型、特点、适用条件 1. 分类 木、钢筋砼、预应力钢筋砼、钢桩(属于预制桩,后面单讲)

2. 优点 (1)桩单位面积承载力较高,预制桩属于挤土桩,打入土层使松软 土挤密,提高承载力; (2)桩身质量易于保证和控制; (3)易于在水上施工; (4)桩身砼密度大,抗腐蚀性能强; (5)施工效率高。 3. 缺点 (1)单价较灌注桩高 较长则接头用钢量大; (2)一般锤击、振动法下沉施工噪音大、污染环境,而静压受设备、 环境限制较大 (3)挤土桩隆起现象,使已就位桩上浮 (4)受起吊设备能力限制,单长桩不宜过长,100m 左右,接头处 为薄弱环节。垂直度影响承载力 (5)不易穿透较厚坚硬土层 (6)截桩困难(超长时) 4. 适用条件 (1)不需考虑噪音污染、振动影响的环境 (2)持力层上覆土层为松软土层,无坚硬夹层 (3)持力层顶面起伏变化不大,桩长易于控制 (4)水下桩基工程 (5)大面积打桩工程,工效高 灌注桩的特点、类型、适用条件 1. 优点 (1)可适用于各种地层 (2)桩长可随持力层起伏而改变,不需截桩,无接头 配筋按起吊、打入应力设计,用钢量大,

(3)仅受轴压时,不用配钢筋,需配钢筋笼时,按工作荷载要求布 设(无接头用钢) (4)采用大直径钻孔或挖空灌注桩,单桩总承载力高 (5)一般来说比预制桩经济 2. 缺点 (1)桩身质量不易控制和保证 缩颈(局部夹土) 断裂(初凝期,打邻桩或砼离析造成强度不足) 夹泥 (2)桩身直径变化较大,孔底沉积物不易清除干净 →单桩承载力变化较大 (3)大直径灌注桩做承载力试验费用昂贵 (4)一般情况下,不易用于水下桩基 3. 主要类型和特点 ? 沉管灌注桩 沉管灌注桩又称套管成孔灌注桩,这类灌注桩是采用振动沉管打 桩机或锤击沉管打桩机,将带有活锥式桩尖或锥形封口桩尖,或预制 钢筋混凝土桩尖的钢管沉入土中,然后边灌注混凝土、边振动或锤击、 边拔出钢管而形成灌注桩。 (1)带桩靴沉管灌注桩 经济 (2)无桩靴沉管灌注桩 (3)薄壳沉管灌注桩 径不能过大 沉管灌注桩施工四步骤(含复打) 沉管→放笼→灌注→拔管 施工时应注意: 端部封闭以硬性砼 内有芯棒,打入后,抽出芯棒,直 端部封闭 封底材料留于土中,不

沉管灌注桩的挤土效应可能使混凝土尚未结硬的邻桩断裂(可采 用“跳打的方法”) 沉桩能力:受设备能力限制,预制沉管(单节长度<30m;单桩 极限承载力<6000kN;桩径一般小于 50cm) ? 钻(冲、磨)孔灌注桩 (1)螺旋钻孔灌注桩:不用护壁;适用于无地下水地层;桩长受 限;不能穿过卵石、砾层 新工艺压浆法,边提边压,钢筋笼用振动器压入,采用特制扩孔 器扩大底部→扩底桩

a.钻机进行钻孔;b.放入钢筋笼;c.浇注混凝土

(2)泥浆护壁钻孔灌注桩 防止塌壁,用泥浆循环将孔内碎渣带出孔外,水下灌注砼工艺要 求严格,注意清底工艺,重视桩身完整性。 特点: (1)单桩承载力和横向刚度较预制桩大大提高 (2)施工过程无挤土、无(少)振动、无(低)噪音,环境影响 较小。 ? 人工挖空灌注桩(墩) 人工开挖,边挖边衬砌 特点: (1)直径或边长>0.8m;

(2)造价低 (3)桩身质量易保证 注意: (1)挖深有限; (2)流沙、缺氧、送风 结构形式:嵌岩端承桩或摩擦端承桩 直身桩或扩底桩 实心桩或空心桩 护壁形式:木板钢环梁 套筒式金属壳 红砖 混凝土 钢筋混凝土 优点: (质量稳定性好) (1)质量比钻孔桩容易保证; (2)直接鉴别、检查土质情况,弥补和纠正勘查工作的不足; (3)直接测定、控制桩身与桩底的直径与形状,克服了隐蔽性; (4)无水施工,质量容易保证。 钢桩构造类型、特点、适用条件 1. 基本类型 钢管桩 H 型钢桩 钢轨桩 螺旋钢桩 2. 优点 强度高,抗疲劳冲击性能好 贯入能力强、沉桩速度快、挤土影响小 抗弯刚度大 单桩承载力高

便于割接、质量可靠、运输方便 3. 缺点 (1)抗腐蚀性能差,需做表面防腐处理(2mm) ; (2)价格昂贵 4. 适用条件 (1)必须穿越砂层时; (2)其他桩型无法施工和质量难以保证时; (3)必须控制挤土影响; (4)工期紧迫 (5)重要工程 5. H 型桩 系一次轧制而成,与钢管桩相比: 优点:其挤土效应更小,割焊与成桩更快,穿透性能更强 缺点:侧向刚度较弱,打桩时桩身易向刚度较弱的方向倾斜,甚 至产生施工弯曲。 5.2.3 承台类型及构造 1. 承台类型(根据上部结构和布桩要求) 独立形 条形 环形 井格形 板形 箱形 沉井形 2. 板式承台构造要求 最小尺寸:上部结构底部尺寸+襟边尺寸 最大尺寸:混凝土承台:满足刚性角要求

钢筋混凝土承台:由力学检算确定 形状:与墩台形状相符 厚度:一般用 1.5~3.0m 砼标号:C15~C25 3. 与承台的连接方式 主筋伸入式 现浇 桩顶伸入式 预制 注:底部设臵一层钢筋网,采用主筋伸入式时钢筋网不得截断桩

5.3 桩基的构造与施工
5.3.1 预制桩的施工 预制桩的施工工艺包括制桩和沉桩两部分。 沉桩工艺以沉桩机械分:锤击式、静压式、振动式 1. 预制桩的类型 (1)预应力钢筋混凝土管桩 (2)钢筋混凝土预制桩 (3)钢桩 (4)木桩 (5)组合桩 2. 沉桩设备 (1)打桩锤 打桩锤分坠锤、单动汽锤、双动汽锤、柴油锤、震动锤 (2)打桩架 起导向作用和起吊作用。 (3)辅助设备 桩帽、送桩、射水设备 3. 主要工序和沉桩方法

工序:桩位放样→沉桩设备架立和就位→沉桩→修筑承台 沉桩方法:锤击沉入、震动沉入、锤击与射水配合沉入、震动与 射水配合沉入、静力压入

4. 沉桩工艺要点 (1)合理确定沉桩顺序 从中间向两端打,分段进行打桩(避免挤土效应) (2)合力布臵桩的吊点 单点起吊、两点起吊、多点起吊

5.3.2 灌注桩的构造与施工 沉管灌注桩 钻孔灌注桩 沉管灌注桩施工 沉管灌注桩施工四步骤(含复打) 沉管→放笼→灌注→拔管

就位

沉入

浇筑 边拔边浇放入钢筋笼 成型 继续浇筑

就位 钻孔灌注桩施工 1. 钻孔方法介绍 (1)冲击式钻孔

沉入

浇注

边拔边浇

放笼

成型

①25~45kN 的十字型冲击式钻头; ② 管锥冲击式钻头 (2)冲抓式钻孔 (3)旋转式钻孔 ① 刺猬钻头; ② 笼式钻头; ③ 鱼尾钻头; ④ 牙轮钻头 2. 钻孔灌注桩施工工艺流程 15~24kN 的四锥式冲抓钻头

场地平整(平整、夯实场地)→埋设护筒→钻孔→排渣→清孔→ 下钢筋笼及灌注砼 3. 泥浆护壁介绍(排渣过程) ① 正循环旋转法钻孔 ② 泵举反循环排渣

正循环回转钻机成孔工 4. 扩孔桩施工 艺原理图
5. 爆孔桩 6. 人工挖孔灌注桩的护壁 7. 螺旋钻孔灌注桩

反循环回转钻机成孔工艺原理图

扩孔器常用型式:① 下端铰接式;② 上端铰接式

5.3.3 水中修筑桩基 1. 水上打桩设备 水中打桩时,应为水上打桩创造条件,所需设备如下: ① 若水水深在 3~4m 左右,可搭便桥或脚手架; ② 若水较深,不宜采用上述形式,改铁驳船; ③ 若在大而深的江河中,则需专用打桩船。 2. 水中打桩

如何解决桩在水中定位的问题呢?
(1)测量平台定位; (2)木桩法定位; (3)围囹定位、 将围堰的支撑系统根据桩定位、导向的需要稍加补充,并在岸上 预制,该预制的结构便称为围囹。 围囹经浮运、就位后,便可起到打桩定位的功能。待打完桩,再 沿其外围插打钢板桩,它又起围堰受力的支撑作用。可用有底吊箱定 位。

3. 水中修建承台座板 (1)承台底面在河床以上 用吊箱围堰修建水中承台座板 ① 先打桩后设吊箱 ② 先设有底吊箱,再打桩 (2)承台底面在河床不深处 设无底浮运吊箱,就位时罩在已打好的桩上,形成入土不深的围 堰。 (3)承台底在河床以下深处时 用钢板桩围堰法修筑桩基 ① 围笼定位 ② 围笼下沉及接筑 ③ 下沉定位桩 ④ 插打钢板桩、合拢后挖土 ⑤ 围堰内灌注水下混凝土 ⑥ 堰内水排干后、砌筑承台和墩身 用双壁钢围堰修筑桩基 4. 近海深水中修筑桩基 5.3.4 灌注桩的质量检测 1. 质量问题及研究意义 质量问题:缩颈、断桩、沉渣、夹泥、蜂窝 1986~1989 年三年间全国建筑工程质量抽查合格率只有 34.8%、 48.7%和 68.3%, 其中还有很多倒塌事故的发生, 其中相当一部分原因 是由于桩基的质量引起的。 研究意义:全国 1/2 桩的承载力低估 10%,导致大量的人力、物 力和时间的浪费。 2. 质量检测《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ106-2003)

(1)开挖检查 (2)钻芯取样(可结合摄像) (3)声波透射法 (4)动力检测法(低应变法、高应变法) (5)静力试桩

5.4 桩的设计原则
5.4.1 桩的选型原则 需要考虑的因素 (1)建筑物本身要求,荷载形式、量级、基础尺寸、沉降、工期等 (2)工程地质和水文地质条件 对场地地层条件、持力层深度、不良地质现象、地面水、地下水 的流速、腐蚀性等等均要查明。 例如:不同的打入桩,穿越硬土层的能力不同 桩型 普通钢筋混凝土桩 钢管桩 钢桩 土质 N63.5≤50 的土层或强风化岩浅部 N63.5≤100 的土层或强风化岩 N63.5≤160 的风化岩

注:钻孔桩进入卵石层或微风化基岩较大深度时,实现较为困难 自重较大的湿陷性黄土中,宜采用干作业法。 (3)场地环境 如泥浆护壁,则有泥水排泄问题、污水处理、周围建筑物相互影 响等,并考虑噪声及挤土效应。 (4)设备、材料和运输条件 (5)经济合理、安全适用 适用情况

桩型 打入桩 震动下沉桩 端承爆扩桩 钻孔灌注桩 挖孔灌注桩 管桩 原则

土质 中密或稍松的砂土、可塑粘土 砂土、粘土、碎石土 硬塑粘土,中密、密实砂土 各类土和岩层(成桩工艺不同) 无水 深水、岩面起伏不平

? 同一基础(或结构单元) ,宜避免同时采用摩擦桩和端承桩; ? 同一建筑物应尽量采用同材料、同直径、桩长相差不大的桩。当建 筑物荷载分布很不均匀时,可采用不同直径的桩; ? 考虑经济条件时: 端承桩: 持力层埋藏浅时,尽量采用大直径(扩底)桩 摩擦桩: 宜采用细长桩 5.4.2 桩端持力层选择原则 要求 选择土层条件较好处→持力层

? 桩端进入持力层一定深度 ? 有软弱下卧层时,桩端平面以下保留足够持力层厚度 (具体要求可参考《建筑桩基设计技术规范》 ) 5.4.3 承台座板底面标高确定原则 依据:受力情况、地形、地质、水温、施工条件 低承台桩基特点: 稳定性好,水中施工难度大 多用于季节性河流或冲刷深度较小的情况 高承台桩基特点:

多用于常年有水地区 施工时不易排水 冲刷深度较深 5.4.4 桩基设计荷载及计算原则 桥梁桩基 分主力、主力+附加力、主力+特殊荷载三种荷载组合的情况 检算桩在 N、H、M 作用下,单桩轴向承载力、桩身强度、摩擦 桩的地基承载力和沉降、墩顶的水平位移。 建筑桩基 满足地基承载力和变形两项基本要求,采用概率极限状态设计法 (可靠性分析设计) ,按极限状态设计表达式计算。 该设计方法规定桩基应满足两种极限状态: 承载能力极限状态:达到最大承载能力、失稳、发生不适用于继续承 载的变形 正常使用极限状态:达到正常使用规定的变形限值或耐久性要求的某 项限值 5.4.5 桩的布置原则 布桩原则 (1)尽可能使群桩截面形心与长期荷载的作用点接近或重合,以 便各桩受力均匀; (2)尽可能将桩布臵在承台的外围,以增加桩基的惯性矩(抗倾 覆) ; (3)保持桩距为 3~4d 左右为宜 ? 桩箱基础,宜将桩布臵在墙下 ? 带梁(肋)的桩筏基础,宜将桩布臵在梁(肋)下 ? 大直径桩,宜采用一柱一桩

布桩形式 行列式 梅花式 施工便利 可以在较小的面积上布臵较多的桩

5.5 轴向荷载下的单桩
5.5.1 桩的轴向荷载传递(轴向受压)
P ? Ps ? Pp

式中:P—竖向力;
Ps —总侧阻;

Pp —总端阻;

随着桩顶荷载的增大,桩侧、桩端阻力才逐步发挥、达到极限值。 即它们是相对位移函数 (桩侧、 桩端阻力的发挥需要一定的桩土位移) 。 称之为荷载传递函数。 1. 深度效应 桩端进入均匀持力层的深度 h ? hcp 时,端阻力随深度线性增大。大 于该深度后,极限端阻力 qbl 基本保持不变,即为端阻稳定值。该深度 称为端阻力的极限深度(临界深度) 。
hcp 影响因素: (1)随砂的相对密度 Dr 和桩径的增大而增大

(2)随覆盖压力的增大而减小
qbl 影响因素:

随 Dr 的增大而增大,与桩径、上覆压力无关

桩端下存在软弱下卧层时,当桩端与软弱下卧层的距离小于某一 厚度时,端阻力将受软弱下卧层的影响而降低,该厚度称为端阻的临 界厚度 tc 。
tc 影响因素:随 Dr 和桩径的增大而增大。

2. 成桩效应

挤土桩、部分挤土桩的成桩效应 非密实砂土中:桩周土因挤压趋于密实,桩侧、桩端阻力提高 饱和粘土中:桩周土收到挤压、扰动、重塑,出现超孔隙水压力,随 后消散、再固结,侧阻、端阻力产生显著的时间效应(摩擦型桩的承 载力随时间而增长) 。 非挤土桩的成桩效应 钻孔过程中,由于孔壁侧向应力解除,侧向土松弛变形导致土体 强度削弱、桩侧阻力随之降低,泥浆护壁时,桩侧阻力降低,“泥皮” 越厚,降低越多,桩端沉渣越厚,端阻降低越多。 3. 桩土体系荷载传递基本方程

在桩顶轴向荷载 P 作用下,深度 z 处桩身内力为:
N ( z ) ? P ? U ? qs ( z )dz
0 z

(1)

相应的竖向沉降为:
s( z ) ? sb ? 1 E p Ap

?

l

z

N ( z )dz

(2)

由 dz 微元体的竖向力平衡可得:
qs ( z ) ? ? 1 dN ( z ) ? U dz

(3)

根据材料力学有:
ds ( z ) N ( z ) ? ? E p ?Ap ? dz

(4)

将(4)代入(3) ,可得桩土体系荷载传递的基本微分方程为:
d 2 s( z ) U ? ?qs ( z ) ? 0 2 dz E p Ap

(5)

式中: qs ( z ) —深度 z 处的桩侧摩阻力; U—桩身截面周长; l—桩长; s(z)—深度 z 处的桩身位移; Ap—桩身截面积; Ep—桩身弹性模量。 式中, qs ( z ) 是 s(z)的函数,方程的求解结果为桩顶在竖向荷载 作用下的位移反映,就主要取决于荷载传递函数 qs ( z ) —s(z)的形式。 由(3)式对 N(z)微分,可求得 qs ( z ) 。
qs ( z ) ? ? 1 dN ( z ) ? U dz

由式(2)可以看出,由 N(z)可以通过积分求得 s(z) ,其中积 分常数由试验测量到的桩顶(z=0)位移 s0 确定。 4. 荷载传递过程分析 ? 桩身轴力、位移在桩顶最大,自上而下逐步减小,因此,桩侧 摩阻力的发挥程度也总是在桩顶附近最高,然后,向下逐渐减 小。 ? 侧阻优先于端阻发挥。 ? 发挥端阻需要的极限位移>>发挥侧阻需要的极限位移。 5. 轴向荷载下单桩荷载传递规律—端阻、侧阻的分担比例、影响因素 (1)土的性质

(2)桩端土与桩侧土相对刚度 Rbs ?

E (桩端) 增大,则端阻也增大,但当 E (桩侧)

Rbs 大到一定程度后,端阻 Nb 几乎不再变化。

(3)桩与桩侧土的相对刚度 R ps 增大,端阻也增大,同时侧阻也有一 定的发挥; R ps 大到一定程度后,端阻 Nb 不再有明显变化。 (4)长径比 L/d: L/d 增大,Nb 减小 当 L/d≥40 时,Nb≈0 当 L/d≥100 时,桩端土刚度再大,端阻均可忽略 (5)对于扩底桩 载可以提高。 5.5.2 桩身负摩擦力 基本原理 在桩顶荷载作用下,桩相对周围土体产生向下的位移,因而土对 桩侧产生向上的摩擦力,称之为正摩擦力。 但穿过松散、可压缩土层而支撑在坚硬土层上的桩,有时地基土 相对于桩基有向下移动或向下移动的趋势,则桩表面受到向下的摩擦 力,称为负摩擦力。 (为额外荷载、下拉荷载) —桩沉降<桩周土沉降 —桩侧摩阻力方向向下 —形成下拉荷载,对桩不利 即: 负摩擦力的存在降低了桩的承载力,并可导致桩发生过量的 沉降。 增大扩底直径与桩身直径之比 D/d,桩端分担的荷

产生的原因 (1)穿过欠固结软土或新填土而支撑在较硬的土层上 (2)由于软土表面有大面积堆载或新填土 (3)软土层下透水层中大量抽水或其他原因引起地下水位下降 (4)自重湿陷性黄土产生自重湿陷或冻土中冻土融化时 (5)打桩时,使已就位的桩抬升 (6)饱和软土中因打入密集桩群而引起的孔隙水压力增大,静臵后, 水压力消散,固结引起下沉。 中性点的特点 中性点:桩土之间不产生相对位移的截面位臵;即土体固结沉降 曲线与桩位移曲线的交点。 中性点为摩阻力、 桩土相对位移和桩身轴力沿桩身变化的特征点。 (1)桩沉降=桩侧土沉降; (2)正、负摩擦力变换点; (3)桩身轴力最大。 影响位臵的因素: (1)荷载; (2)桩周土的性质

桩身负摩擦力并不一定发生在整个软弱压缩层土中,产生负摩擦 力的范围,就是桩侧土层相对于桩产生向下沉降的范围。 中性点位臵的确定 中性点的深度 ln 与桩周土的压缩性和变形条件,以及桩和持力层 土的刚度等因素有关,但实际上准确确定中性点的位臵比较困难。桩 尖沉降 sp 越小,ln 越大,对于支承在岩层上的端承桩(sp=0) ,负摩擦 力可分布于全桩身。 精确计算困难,按下列经验值确定

注:① n 和 l 分别为中性点深度和桩周沉降变形土层下限深度; l ② 桩穿越自重湿陷性黄土时,按表列值增大 10%(基岩除外) 影响因素 (1)土的性质

(2)发生沉降的原因、范围 (3)桩的类型 (4)成桩工艺 负摩擦力的计算方法 计算方法都是近似的、经验性的,多以有效应力法为基础。
qn ? K0 tan(??)? ? ? ?n? ?

式中: qn —桩侧土的负摩阻力标准值; K0—土的侧压力系数; φ? —土的有效内摩擦角; σ? —桩周土中的竖向有效应力; (可根据土类按经验取值) ?n —桩周土负摩擦力系数。 减小负摩擦力的措施 ? 减小地面沉降的工程措施 ? 施工顺序:沉降基本稳定后再沉桩 ? 中性点以上桩身处理(如涂沥青) 5.5.3 单桩轴向刚度系数 定 义
?1 —桩顶只发生单位轴向位移( s0 ? 1 )时,需要作用于桩顶的轴

向力。 轴向受力情况下,桩顶位移由两部分组成(线性变形条件下) :
s0 ? se ? sb =桩本身弹性压缩变形+桩端地基土的压缩变形

刚度系数的计算—端承桩 因为 所以 桩入土部分,侧摩阻力不计。 沿桩全长 l+l0 上,各截面受力相同,均为 P,故有:
(l0 ? l ) P EA

(1)弹性压缩 se ?

(2)地基压缩变形 sb 基础压应力 ? ? → sb ?
?
c0 ? P c0 A0 P ,而地基竖向抗力 ? ? c0 sb A0

式中:A0—桩底计算面积,此处 A0=A(桩截面积) C0—竖向地基系数(地基产生单位压缩时,单位面积上的 反力) 所以 桩顶位移 s0 ?
?l ? l (ll ? l ) P P 1 ? ? ?? l ? ?P EA c0 A0 ? EA c0 A0 ?

由 ?1 得定义:s0=1 时的桩顶荷载 P 故令 s0=1→ ?1 所以 ?1 ?
1 ll ? l 1 ? EA c0 A0

注意: c0 ? 10m0 (m0 为竖向地基系数的比例系数) 轴向刚度系数计算—钻孔摩擦桩 桩身发生的弹性变形为: l0 段 ? l 0 ?
l0 ?P EA
l

l 段(土中) ?l ? ?0

Nz dz EA

假设 qz 沿桩身均匀分布 令 qs=t
Nz ? P ? tUz

但端阻 R 尚难以准确确定,铁路桩基中,摩擦桩的桩长都较长, 桩底处的位移可能很小,因而,端部阻力较小,且钻孔桩的清底程度 难以理想,故:可假定 R=0

由静力平衡条件:P-R=tUl →t ?
P P z Uz → N z ? P ? ? ? P(1 ? ) UL UL l
l

→ ?l ? ?
0

P z P l (1 ? )dz ? ( ) EA l EA 2

l l0 ? Pll P l P 2 ? 1 )P ? ( )? ?( → s0 ? ?l 0 ? ? l ? sb ? EA EA 2 c0 A0 EA c0 A0

式中 c0A0 的含义: A0—桩底处地基受力面积;
? —桩穿过土层的加权平均内摩擦角。

扩散角: ? / 4
D ? d ? 2ltg A0 ?

?
4

?
4

D2

当 D 大于桩尖处中心距时,应按后者求 A0。

轴向刚度系数计算—打入摩擦桩 计算原理同钻孔摩擦桩, 假定土面下桩侧摩阻力 qs 呈三角形分布,且 R=0,

?1 ?

1 2 ll ? l 3 ? 1 EA c0 A0
1 ll ? ? l 1 ? EA c0 A0

可用通式 ?1 ?

《建桩》 ? =0.5~1.0,摩擦桩取小值,端承桩取大值。

5.6 横向荷载下单桩受力计算
5.6.1 概述 作用于桩顶的水平荷载性质: 长期作用的水平荷载,反复作用的水平荷载,地震作用产生的水 平荷载。 水平荷载作用下桩的工作性状 水平荷载→弯矩→挠曲变形→挤压桩侧土体→产生水平抗力→水 平抗力的大小控制桩的水平承载力。 依据桩土相对刚度的不同,水平荷载作用下的桩分为: 刚性桩:桩短,周围土较弱,桩土相对刚度大,破坏发生于桩周 土中,桩转动,水平位移与倾斜控制承载力。 弹性桩:桩土相对刚度低,桩身发生绕曲变形,桩下段嵌固土中 不能转动,水平位移及最大弯矩值控制承载力。

水平荷载作用下桩的破坏性状 a、a 为刚性桩; a、b′为半刚性桩;c、c′为柔性桩 a、b、c 桩顶自由;a′、b′、c′桩顶嵌固


5.6.2 横向抗力的计算假定 地基反力系数法: 基本原理:应用文克勒地基模型,把承受水平荷载的桩视为弹性 地基中竖直梁,通过求解梁的挠曲微分方程来计算桩身内力。 1、基本假设 单桩承受水平荷载时,将土体视为线变形体,忽略桩土之间摩阻 力对水平抗力的影响及临桩的影响。即:
? xz ? cxz xz

2. 求解的基本方法 常数法 假定地基水平抗力系数 cxz 沿深度为均匀分布; 即:cxz ? K0(kN/m3) 为常数。 “K”法

假定桩身第一挠曲零点以上按抛物线变化,以下为常数。 “m”法 假定 cxz 随深度成正比地增加,即: cxz ? mz (m 为地基系数随深度 变化的比例系数 kN/m4) 。 “C 值”法 假定 cxz 随深度按抛物线规律分布,即: cxz ? cz0.5 目前“m”法广泛应用于铁路、公路部门,故以下内容以“m”法为基 础。 (比例系数 m 值可以通过实验测定,无实测数据时可参考规范取 值:教材表 6-7、6-8)

(a)常数法; (b)“K”法; (c)“m”法; (d)“C 值”法 3. 桩的计算宽度 b0 将空间受力简化成平面受力,并综合考虑桩截面形状及桩间的相 互作用,将桩的设计宽度(直径)换算成为实际工作条件下相当的矩 形截面桩的宽度 b0,b0 即为桩的计算宽度:
b0 ? K f K0 Kb

式中: K f —形状换算系数; K0 —受力换算系数; K—桩间相互影响系数;b—设计宽度。

鉴于 b0 计算时的复杂性,故规范建议:
? 端承桩基桩身直径 0.8m 以下的桩: b0 ? d ?1(m)

? 其余类型及截面尺寸的桩: b0 ? 1.5d ? 0.5(m) 4. 基础的变形系数(水平)

??5

mb0 EI

式中: ? —基础的变形系数(1/m) ,在一定程度上反映了桩土间 的相对刚度,桩侧土的抗力越强, ? 值越大,桩越不容易变形; b0—基础的计算宽度; m—地基系数的比例系数; EI—桩的抗弯刚度。 定义: ? l 为桩的换算深度(l 为基础在地面或局部冲刷线以下的深度) 则: ? l ? 2.5 时桩为刚性桩(基桩的横向设计承载力主要由桩侧土 的强度及稳定性决定,如沉井基础)
? l ? 2.5 时桩为弹性桩(基桩的横向设计承载力主要由桩身材

料的抗弯强度或侧向变形条件决定) 弹性桩与刚性桩的受力变形特性不同,要分别进行计算。 5.6.3 弹性桩内力及位移分析 分析过程分两步走,即: (1)桩顶与地面齐平,在桩顶外力 H0、M0 作用下的位移及内力 (2)引申到桩顶露出地面的情况 1. 桩顶与地面平齐 受力图式及基本假定 在桩顶外力 H0、M0 作用下的位移外力 正负号规定: ; ?0 —逆时针旋转为正(桩顶转角)

H0—指向 x 轴正向时为正; M0—使桩身左侧纤维受拉时为正; x0—移向 x 轴正向时为正。

若将桩视为竖直放臵的弹性地基梁 则桩身任意深度 z 处的横向位移 xz 、转角 ?z 、弯矩 M z 、剪力 H z 、 土的横向抗力 Pz 均为 ? z 的函数,由材料力学可得:
dz z ? ?z dz
(1)

d 2 xz M z ? dz 2 EI

(2)

d 3 xz H ?? z 3 dz EI
d 4 xz P ?? z 4 dz EI

(3)

(4)

由文克尔(Winkler)假定 ? xz ? cxz xz 可知:土的横向抗力与桩侧土 的压缩量(即桩的横向位移 xz )成正比:
Pz ? cxz ?xz ? 0 b

将上式代入(4)式即可得桩轴线挠曲线变形微分方程(见教材

P232) ,其为四阶、线性、变系数、齐次微分方程,可利用幂级数解法 近似求解 (注: 代入桩顶边界条件, z=0 时,xz ? x0 , z ? ?0 ,M z ? M0 , 即 ? 。 H z ? H0 ) 上述公式称为弹性桩内力和位移解得基本原理公式。 利用桩底边界条件求 x0 、 ?0 在上述公式中,其未考虑桩底的边界条件(桩下端固着情况除入 土比较深的桩外一般对桩的内力和位移还是有影响) ,同时,实际中一 般只知道桩顶的 M0、和 H0,而 x0 、?0 为未知量。故必须先求得 x0 、?0 。 求解过程分为桩尖嵌入岩层和桩尖不嵌入岩层两种情况。 (1)桩尖嵌入岩层 边界条件(桩底处) :桩底位移 xl ? 0 、桩底转角 ?l ? 0 代入原理公式(幂级数法近似解公式)即可得 x0 、 ?0 (公式见教 材 P233,均可用 M0,H0 来表示) 注意具体表达方法。 (2)桩底不嵌入岩层 边界条件(桩底处) :桩底位移 xl ? 0 、桩底转角 ?l ? 0 由 xl 对应的 Hl 和 ?l 对应的 Ml 建立边界条件代入原理公式同样可求 得 x0 、 ?0 (公式见教材 P234) 计算分析结果表明: 当 ? l ? 2.5 时,桩底截面变形甚微,可认为桩是柔性的。这一点可 以理解:? 为几何物理特征,EI 大,? 就小;mb0 小时,? 也小。因此,
? 可以理解为“桩的柔性”或 “桩的易变形性”。但,仅用截面几何特征

来判断桩的柔性是不够的,还应与桩的入土长度结合起来,于是,采 用?l 。 分析得: 当桩尖臵于土中, ? l ? 2.5 时,可认为 ?l ? 0 , M l ? 0 ; 桩尖立于岩面上, ? l ? 3.5 时,可认为为 ?l ? 0 , M l ? 0 ;

小 结 由以上推导可知: ? 由于桩的边界条件不同,得出的 x0 、?0 计算原理相同,但计算结果 不同; ? 计算表明:当 ? l ? 4.0 时,桩在地面处的位移和转角与桩下端支撑条 件无关,可按两种方法中的任一种求解; ? 已知桩的入土深度、地面处的横向力、支撑情况,求桩的内力和位 移的步骤: ① 求? 及?l ② 考虑支撑情况,利用对应公式,求取 x0 、 ?0 ③ 代入原理公式,求内力与位移 简化计算方法 前述内容,计算繁杂,因而引入简化计算方法。 引入条件: ① 桩底嵌入岩层的单桩 ② 桩底臵于土中,且 ? l ? 2.5 ③ 桩底立于岩面上,且 ? l ? 3.5 满足以上条件,方可利用简化算法。 由于 x0 、?0 均可表示为 H0、M0 的函数,故任意深度 z 处桩身截面 的横向位移 xz 、转角 ?z 、弯矩 M z 、剪力 H z 仅为 H0、M0 的函数,可表 示为:
H0 M Ax ? 2 0 Bx 3 ? EI ? EI H0 M ? z ? 2 A? ? 0 B? ? EI ? EI H0 Mz ? AM ? M 0 BM xz ?

?

H Z ? H0 AH ? ? M 0 BH

?Z ?

? H0
b0

A? ?

? 2M0
b0

B?

式中 A、B 均为无量纲系数,取决于 ? l 和 ? z ,可查表取得(一般 按桩尖嵌岩和不嵌岩制表,当 ? l ? 4.0 时可按任意情况查表) 。

单桩的横向位移 xz (挠度) 、弯矩 M z 、剪力 H z 和水平抗力 ? z 分布曲线 (a) xz 图; (b) M z 图; (c) H z 图; (d) ? z 图 2. 桩顶露出地面或局部冲刷线 (1)求桩与地面平齐处在 H0、M0 作用下桩身的位移、内力

由于: M 0 ? M1 ? H1l0
H 0 ? H1

可知: x0 、 ?0 又是 M1、H1 的函数 (2)求单桩桩顶处的变形 x1 、 ?1 由于,桩与地面平齐处的 x0 、 ?0 已知:
x0 ? ? HH ?H1 ? ? HM (M1 ? H1l0 )

?0 ? ?[? MH ?H1 ? ? HH (M1 ? H1l0 )]

把地面以上部分视为悬臂梁,其特点是:支座可以位移 则桩顶处:水平位移 x1 ? x0 ? ?l0 (??0 )? ? xH ? xM 转 角 ?1 ? ?0 ? ?H ? ?M

式中: xH —高度为 l0 的悬臂梁,在 H1 作用下的水平位移;
xM —高度为的悬臂梁,在 M1 作用下的水平位移。

由材料力学可知(露出段下端嵌固,跨度为 l0 的悬臂梁) :
xH ?
3 H1l0 3EI

xM ?

M 1l02 2 EI

?H ?

? H1l02 2 EI

?M ?

? M 1l0 EI

将相关值代入,可求得 x1 、 ?1 。 因在上式中, x1 、 ?1 是 x0 、 ?0 以及 M1、H1 的函数,而 x0 、 ?0 又是 M1、H1 的函数,故经一系列简化后可得:
1 1 ? ? ? ? x1 ? ? 3 EI ? 1 ?H1 ? ? 2 EI ? 3 ?M 1 ? ?1 ?H1 ? ? 3 ?M1 ? ? ??1 ? ? ? 1 ? 3 ?H1 ? 1 ? 2 ?M1 ? ? ?(? 3 ?H1 ? ? 2 ?M1 ) ? ? ? 2 EI ? ? ? ? EI ? ? ?

其中 ? 1 、 ?2 、 ?3 的表达见教材 P239 : ? 1 、 ? 2 、 ?3 的物理意义(单桩在桩顶处的柔度系数)
? 1 —单位力 H=1 时,桩顶的水平位移;

? 2 —单位弯矩 M=1 时,桩顶处的转角;

桩顶转角或单位弯矩 M=1 时, 桩顶的水平位 ?3 —单位力 H=1 时, 移。 由于 所以 。 ? 2 、 ?3 ) 注:当 ? l ? 4.0 时,可用任一表格。 3. 桩身最大弯矩位臵 zM max 和最大弯矩 M max 的确定 两种方法: (1)绘制深度 z 与弯矩 M z 的 M z —z,从图求得最大弯矩位臵和最 大弯矩; (2)简便求法 Hz=0 处的截面即为最大弯矩所在位臵,则将 Hz=0 代入简便算法 的 Hz 公式,即可求得最大弯矩。 5.6.4 单桩横向刚度系数 ?2 、 ?3 、 ?4 的计算 ? ?2 、 ?3 定义 使桩顶(承台底面)产生横向单位位移(无其它位移)所需施加 的横向力 ?2 和弯矩 ?3 。 设作用在桩顶的横向水平力 H1 和弯矩 M1 则,桩顶水平位移 x1 ,转角 ?1
x1 ? 2 ? ?1?? 3 ? ? ? H1 ? ? ? ? ? 2 ? ? x1 ? H1 ? 1 ? M 1? 3 1 2 3 →? ? ? ? ??1 ? ?( H1 ? 3 ? M 1? 2 ) ? M ? ?1?1 ? x1? 3 ? 1 ?1? 2 ? ? 32 ?

? 1 、 ?2 、 ?3 是 ? l 和 ? l0 的函数

可制表,其表分上述两种情况(查的 ? 1 、?2 、?3 值再求出 ? 1 、

由 ?2 、 ?3 得定义

?2 ? ?2 ? ? ?1? 2 ? ? 32 ? H1 ? ? 2 ? x1 ? 1 ? 令? →? →? ?3 ??1 ? 0 ? M 1 ? ? ?3 ?? ? 3 ? ?1? 2 ? ? 32 ?

? ?3 、 ?4 的定义及计算 使桩顶产生单位转角所需施加的横向力 ?3 和弯矩 ?4
?3 ? ? ?3 ? ? ? ? ? 2 ? x ? 0 ? H ? ? ?3 1 2 3 令? 1 →? 1 →? ? ?1 ? 1 ? M 1 ? ? 4 ?1 ? ?? ? ? 4 ?1? 2 ? ? 32 ?

? ?2 、 ?3 、 ?4 的变换 以 ?2 为例 ? 2 ?
?1? 2 ? ? ?2
2 3

?

? 2 / ? EI ?2 3 ? EI ? EI ?1
? ? ? ?? 22 ? ? ? EI ?
2

? ? 3 EI

?1? 2 ? ?

?2

2 3

? ? 3 EIYH

? ?2 ? ? 3 EIYH ? 同理可得: ? ?3 ? ? 2 EIYM ? ? ? ? EI? M ? 4

如前所述:当 桩底臵于土中,且 ? l ? 2.5 桩底立于岩面上,且 ? l ? 3.5 桩底嵌入岩层,且 ? l ? 4.0 时

? 1 、?2 、?3 仅为 ? l 和 ? l0 的函数。故系数 YH 、YM 、? M 可根据 ? l 和 ? l0

预先制成表格,以简化计算。但当 2.5 ? ? l ? 4.0 ,且桩尖嵌入岩层时, 令备有表格。

5.7 群桩基础内力及位移分析
(自学)

5.8 单桩承载力的确定
5.8.1 概述 基本概念 单桩承载力:轴向受压、轴向受拉、横向承载力 对竖直桩:竖向受压、竖向受拉、横向承载力 轴向荷载作用下桩丧失承载力表现为: (1)桩周土阻力不足,桩轴向位移或沉降(拔升)急剧增加;或 因位移过大不宜继续承载。 (2)桩身强度不够,桩被压坏或拉坏。 轴向荷载作用下桩丧失承载力表现为: (1)桩侧土抗力不足 (2)桩身强度不足 故:单桩轴向承载力(拉、压)取决于桩周土强度或桩身材料强度。 单桩横向承载力也取决于桩周土强度或桩身材料强度,当受水平 力较大时有必要检算 单桩轴向承载力检算公式 Nmax ? G ? ? P? 式中: Nmax —计算求得的桩顶最大轴向力; G—桩身自重:对受压摩擦桩为:桩身自重-桩孔土重。 受压桩取正号,受拉桩取负号;

? P ? —桩的轴向容许承载力。
桩承载力去定方法:原位试验确定 经验公式计算 理论公式计算 5.8.2 单桩承载力的试验确定 1. 轴向受压静载试验

在施工点,对一根桩直接施加荷载直至破坏,以确定 ? P ? 。 特 点:直接可靠 特大桥及地质条件复杂的大、中桥梁桩基,必须做。 缺 点:试验仅代表单桩单独收到荷载作用的情况,并不完全符合

桩基在荷载作用下的真实工作情况。 试验装臵: (1)反力装臵(常见的) :直接堆载法、锚桩加载法 (2)加载装臵:千斤顶 (3)观测装臵:百分表或电子位移计

直接堆载示意图

现场堆载示意 1

现场堆载示意 2

锚桩加载示意

现场锚桩加载示意 1

现场锚桩加载示意 2 试验方法 通常采用慢速荷载维持法加载:按一定要求将荷载分级,逐级加 载,每级荷载下桩顶沉降达到某一规定的相对稳定标准,再施加下一 级荷载,直到破坏,或达到规定的终止试验条件时,停止加载。 试验终止条件 (1)某级荷载下,桩顶沉降量为前一级荷载下沉量的 5 倍; (2)某级荷载下,桩顶沉降量大于前一级荷载下沉量的 2 倍,且 24h 尚未达到稳定; (3)已达到反力系统所能提供的最大反力值。 数据处理及结果分析 在试验过程中,对每级荷载均应记录、绘制: ? 时间~沉降(s~t)曲线 ? 荷载~沉降(Q-s)曲线。

根据上述曲线特性,可用下列方法确定单桩竖向极限承载力: (1)按沉降随荷载的变化特征确定 Qu。当 Q~s 曲线有明显的第 二拐点出现时,取第二拐点处所对应的荷载为极限荷载 Qu。所谓第二 拐点,即 Q~s 曲线陡降段的起点。 (2)根据沉降量确定极限承载力。对于缓变型 Q~s,一般可取 s =40~60mm 对应的荷载值为 Qu。 对于大直径桩可取 s=0.03~0.06d (d 为桩端直径)所对应的荷载值;对于细长桩(l/d>80),可取 s=60~ 80mm 对应的荷载值。 2. 轴向抗拔静载试验 试验方法 观测记录 加载方法、位移测量同受压试验 应注意记录试桩外露出部分裂缝开展情况

3. 横向力(水平力)静载试验 工程桩的对拉、推的试验、承台的对拉试验及桥梁工程中的墩顶 对拉试验等。 记录:试桩地面处的位移情况及桩侧地表裂缝或隆起的情况。 5.8.3 单桩轴向容许承载力的确定

(一)按土(岩)阻力确定的经验公式 (以行业标准《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5-99 为 依据,其他行业参照相应规范) 确定依据: (1)多年静载试验和设计实践积累的大量资料 (2)桩的极限承载力组成的基本概念 (3)同时考虑到:桩型、施工方法、土性、埋深等影响因素。 据此,总结出的经验公式,在无条件试桩时可采用之。 1. 摩擦桩的轴向受压容许承载力 打入、震动下沉和桩端扩孔桩的容许承载力

? P ? ? ?U ? ? i fili ? ? ?AR? ? 2
1

式中: U、A、li—分别为桩身截面周长、桩底面积、桩侧或桩端扩孔体 顶面以上各土层的厚度;
?i 、 —分别表示震动沉桩对桩周各土层摩阻力和端承阻力的影响 ?

系数,见教材 P263 表 6-16,对打入桩其值均为 1.0;
? —与扩底直径与桩身直径比有关的系数, 见教材 P P263 表 6-17;

, f i 、R—桩侧各土层的极限摩阻力和桩端土的极限承载力(kPa) 可根据土的类别和状态查表确定, 也可由双桥探头静力触探试验确定。 钻(挖)孔灌注桩的容许承载力

? P? ?
式中:

1 U ? f i li ? mo A ?? ? 2

m0 —钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数,见教材 P265 表 6-20;

?? ? —桩底地基土的容许承载力 当 l≤4d 时: ?? ? ? ? 0 ? k2? 2 (l ? 3)

当 4d≤l≤10d 时: ?? ? ? ? 0 ? k2? 2 (4d ? 3) ? k2?? 2 (l ? 4d ) 当 l>10d 时: ?? ? ? ? 0 ? k2? 2 (4d ? 3) ? k2?? 2 (6d ) 注: k2 、 k 2? 、 ? 2 分别为 ?? ? 的深度修正系数和桩侧土的天然重度。 2. 端承桩的轴向受压容许承载力 支撑于岩层上的打入桩、震动下沉桩及管桩的容许承载力

? P? ? CRA
式中: R—岩石试块单轴抗压极限强度; C—系数,均匀无裂缝的岩层 C=0.45 有严重裂缝、风化或易软化岩层:C=0.30 支撑于岩层上或嵌入岩层内的钻(挖)孔灌注桩及管柱的容许承载力

? P? ? R(C1 A ? C2Uh)
式中: U—嵌入岩层内桩及管柱的钻孔周长; h—自新鲜岩石面(平均标高)算起的嵌入深度;
C1 、 C2 —取决于岩层破碎程度和清底情况的系数,可查表。

3. 摩擦桩的轴向受拉容许承载力 一般认为: (1)当桩轴向受拉时,荷载完全由桩侧摩阻力来承担; (2)随着上拔量的增加,侧摩阻力会因土层松动剂摩阻面积减小而比 受压时低; (3)试验表明:受拉时侧摩阻约为轴向受压时的 60%,若安全系数取 2,则有:

? P?? ? 0.3U ??i fili 检算时:桩顶轴向拉力-桩身自重≤ ? P??
《桥规》规定:在主力作用下,桩不允许受拉。

(二)按桩身材料强度确定 桩在外力作用下(轴向力和弯矩) ,属于偏心受压构件。

? P ? 按材料力学公式计算 细长杆
计算压杆的稳定和强度,考虑桩在土中受周围土体的约束 计算公式为: ? P? ? ? ? ? ??A ? 式中:

?? ? —容许压应力(即强度容许应力)
? —纵向弯曲折减系数,与柔度有关

5.8.5 横向力作用下桩的稳定性及承载力—《桥规》 检算目的 保证桩基前后土体稳定,不产生过大变形,能产生弹性固着 作用。即:水平压应力不得超过土体的抗力。 检算方法 要求侧面横向压应力不超过桩两侧被动土压力与主动土压力之 差,并具有一定的安全储备。
b? z ? ?1? 2 ?b0 e p ? bea ? ? ?

式中: ? z —桩所受到的横向抗力; b—桩的直径或垂直于横向力方向的边长。
?1 —考虑上部结构安全度的系数;

?2 —考虑总荷载中恒载所占比例的系数;
b0 —桩的计算宽度。

郎肯主动、被动土压力为:
ea ? ? z tan 2 (45? ? ) ? 2c tan(45? ? ) ? ? zK a ? 2c K a 2 2 e p ? ? z tan 2 (45? ? ) ? 2c tan(45? ? ) ? ? zK p ? 2c K p 2 2 b 引入系数:? ? 0 b

?

?

?

?

判 式

? z ? ?1?2 ?? z (? K p ? K a ) ? 2c(? K p ? K a ) ? ? ?

式中:静不定推力拱桥的桥台 其它

?1 =0.7 ?1 =1.0
Mn Mm

总荷载中恒载所占比例的系数?2 ? 1 ? 0.8 检算位臵

弹性桩: ? max 位臵 z ? l / 3 时,验算该处
z ? l / 3 时,验算 l / 3 处

刚性桩:常 两个截面: z ? l / 3 及 z ? l 处 ( ? l ? 2.5 时)

5.9 群桩作用和桩基的竖向承载力
5.9.1 群桩的共同作用 问题: 群桩承载力与[P]的关系如何? 群桩沉降与单桩沉降如何确定? 分析思路:从单桩的作用入手,通过其荷载传递分析,研究群桩共同 作用的影响。 端承桩桩 荷载主要由端承桩传递给下面的硬层,桩端承压面积小,当 群桩受到荷载作用时,桩端承压面上的压应力并不互相重叠,并各自 单独作用。 可见: 群桩的容许承载力=各单桩承载力之和 群桩基础的沉降量=单桩的沉降量 摩擦桩(桩间距>6d) 荷载传递规律: 荷载通过桩侧摩阻力传递到周围土层中,桩端承压面积较大,即 压应力分布面积较大。 由试验表明:当桩间距>6d 时,群桩中各桩桩端的承压面不会重

叠,即不存在群桩作用问题。 结 论:与端承桩相同 但 是:一般在桩基设计中,不会使桩间距太大,以致造成平面尺寸

(承台)过大,圬工量过大,甚至施工困难。 摩擦桩(桩间距<6d) 概 念:群桩作用或群桩效应 当桩间距<6d 时,其承压面相互重叠,应力图形叠加。每根桩的 工作情况与单桩不同,有相互影响。 由于群桩的共同作用,使承压面上的压应力增大,且由于应力图 形叠加,使桩端地基中应力影响深度增大,则其沉降增大。该现象称 为群桩作用或群桩效应。

预制桩的群桩效应 ? 挤密效应 ? 扰动与超静孔压力 ? 地面与桩的侧移与上浮 ? 约束效应 ? 荷载的调节作用 ? 应力叠加 ? 沉降增加 ? 承台承担部分荷载 从沉降的角度分析,当单桩与群桩中各桩都承受相同荷载时,很 显然,群桩的沉降要比单桩的沉降大。 换言之,要使群桩沉降小到与单桩沉降相等,就必须减小群桩的 桩顶荷载,这时,群桩中各桩的承载力就小于单桩。因此,除了单桩 的承载力检算,还要进行群桩检算: 检算内容包括承载力和沉降: 5.9.2 桥梁桩基竖向承载力及沉降检算 1. 竖向承载力检算 原 理 近似计算,把桩基作为一深平基对待,即将桩基础视为一实体基 础,以基底应力分布近似地代替桩尖平面上的应力分布、实体基础沉

降近似地代替桩基础的沉降进行相应检算。 检算图式

顶 面 低承台桩基:承台底面外围桩顶,即最外面一圈桩桩顶 高承台桩基:地面或局部冲刷线处,外围桩顶 假 定 荷载由实体基础的顶面沿某一扩散角向下扩散 扩散角 当桩的倾斜角 ? ? ? / 4 取 ? / 4 ; ? ? ? / 4 ,取 ? 底 面 以扩散角向下扩散,与桩端平面相交,得实体基础底面 23 特 性(即应力扩散面积) 以高承台桩基为例:
?a? ? a ? 2l ? ? tg ? 4 ? ? ? / 4 时: ? ?b? ? b ? 2l ? ? tg ? 4
tg ?a? ? a ? 2l ? ? ? ? ? / 4 时: ? tg ?b? ? b ? 2l ? ?

检算内容 实体基础的基地压应力≤基底土的容许承载力 将外力向桩基底面(假想实体基础)的形心简化:
N M ? ? ?? ? A W

式中:A、W—假想实体基础底面的面积和截面模量; N—作用在实体基础底面形心上的竖向力,包括 1234 范围 内土体的重量级桩重; M—实体基础顶面以上外力,对实体基础顶面群桩形心的 力矩。 2. 沉降检算 需要检算的条件 (1)非岩石地基,且上部结构为超静定结构 (2)相邻墩台下地基土有显著不同或相邻跨度相差悬殊时 (3)跨线桥或跨线桥下的净高,需预先考虑沉降时 (4)湿陷性黄土或软土时 方 法 分层总和法(仅按恒载计算) 要 求 总沉降-施工沉降≤ ? ? ? 5.9.3 建筑桩基竖向承载力及沉降计算 自学 5.9.4 墩台顶水平位移检算 参考《桥规》检算方法

5.10 桩基设计步骤
5.10.1 收集资料 荷载、地质、水文、材料来源、施工环境及施工技术、设备等 5.10.2 选类型 ? 选用高承台还是底承台桩基? ? 何种施工方法?打入桩还是灌注桩? ? 端承桩还是摩擦桩?

? 采用什么材料?等等 5.10.3 拟定基本尺寸 1. 拟定桩的断面尺寸或钻头尺寸 2. 估算桩长、桩数及桩间距 (1)根据地质情况,选定合适土层作为持力层 拟定桩底设计标高、桩长; (2)利用经验公式求 ? P ? (3)根据竖向荷载(铁路桥梁,双孔重载)估算桩数:
n??

? N (取整)
? P?

式中:桥梁桩基 ? ? 1.3 ~ 1.8 ;建筑桩基: ? ? 1.1 ~ 1.2 3. 拟定桩位布臵、承台基本尺寸,等等 5.10.4 内力及变位计算 计算方法如前所述 5.10.5 桩基检算 ? 单桩轴向承载力检算 ? 群桩承载力检算 ? 墩台顶水平位移检算 思考 各项检算通不过,可采取那些措施? 5.10.6 承台检算 冲切、局部承压等 5.10.7 绘制施工图 桩基础平面、立面图 桩身配筋图、截面图
Nm a +桩自重≤ ? P ? x

工程数量表 设计参数、施工说明等


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