基础工程-桩基础(20084).ppt

第六章 桩基础 Pile foundation,本章主要内容,概述-桩的功能及类型 Pile foundation 桩的承载机理 Mechanism 单桩承载力 Capacity of a single pile 桩基础设计 Design of pile foundation,如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求、而又不宜采取地基处理措施时，就需要考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深基础方案。桩基础是应用最为广泛的一类深基础。,第1节 概 述,、桩的应用（常用而古老的深基础形式） 1 、历史十九世纪以前，木桩 (1)7000-8000年前湖上居民,浙江河姆渡 (2)3000-4000年前罗马 (3)西安灞桥,北京御河桥,隋唐建塔 2 、十九世纪开始，材料和动力进步 铸铁管桩，1824年波特兰水泥注册专利蒸汽动力 3、十九世纪末，现场钻孔桩 (1897, Raymond) 目前，我国桩基最大入土深度已达 107m，桩径已超过5m.,4、桩的适用范围（常用而古老的深基础形式） (1)、天然地基土质软弱 (2)、高层建筑 (3)、重型设备 (4)、水上建筑物 (5)、深持力层,高地下水位 (6)、抗震地基 (7)、对沉降非常敏感的建筑,如精密仪器,软 土 层,桩Pile：指垂直或者稍倾斜布置于地基中，其断面相对其长度较小的杆状构件。 桩的功能：通过杆件的侧壁摩阻力和端阻力将上部结构的荷载传递到深处的地基上。,桩的功能及类型,沉井caisson,深基础,桩的功能,新加坡发展银行,四墩, 每墩直径7.3m 将荷载传递到下部好土层,承载力高,桩的功能,新加坡发展银行,四墩7.3m,现场灌注 护坡桩 造价低,桩的功能,桩的功能,桩的功能及类型,桩基础：是由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。承台把桩联结起来并承受上部结构的荷载，然后通过桩传递到地基中去。 桩是垂直或微斜埋置于土中的受力杆件，它的横截面尺寸比长度小得多。其作用是将上部结构的荷载传递给土层或岩层。 桩基础设计也应注意满足地基承载力和变形这两项基本要求。,按行业标准建筑桩基技术规范（JGJ9494），建筑桩基设计与建筑结构设计一样，应采用以概率理论为基础的极限状态设计法，并按极限状态设计表达式计算。桩基的极限状态分为下列两类： (1) 承载能力极限状态 对应于桩基受荷达到最大承载能力导致整体失稳或发生不适于继续承载的变形； (2) 正常使用极限状态 对应于桩基变形达到为保证建筑物正常使用所规定的限值或桩基达到耐久性要求的某项限值。,5、特点,优点： 将荷载传递到下部好土层,承载力高 沉降量小 抗震性能好,穿过液化层 承受抗拔(抗滑桩)及横向力(如风载荷) 与其他深基础比较,施工造价低,桩的功能及类型,缺点 比浅基础造价高 施工环境影响, 预制桩施工噪音, 钻孔灌注桩的泥浆 有地下室时,有一定干扰,深基坑中做桩,桩的功能及类型,日本阪神地震中发生的桩基础的破坏导致墩倾倒,桩的功能及类型,二、桩的分类、 不同的分类标准,(一) 按承台 承台:将几个桩结合起来传递荷载 (二)材料 (三)形状 (四)承载机理 (五)按尺寸 (六)施工方法,桩的功能及类型,(一) 按承台 承台:将几个桩结合起来传递荷载 高承台桩 承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥 低承台桩 承台在地面以下, 承台本身承担部分荷载,桩的功能及类型,低承台 桩,桩的功能及类型,高承台桩,(二) 按材料 木桩、混凝土、钢筋混凝土、钢管(型钢)桩、复合桩 钢筋混凝土：普通混凝土、预应力混凝土(离心预制)、高强混凝土,桩的功能及类型,(三) 按形状,按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节(分叉)桩、扩底桩、支盘桩、微型桩 按横断面：圆形，八边形，十字桩、X形桩,桩的功能及类型,桩身,桩的功能及类型,桩端,桩的功能及类型,横断面,桩的功能及类型,(四) 按尺寸,按断面(直径）的大小：大直径:d80cm; 小直径d 60m（3) 长桩 l 10m 短桩 水平变形系数,l 2.5 为刚性短桩 2.5 l 2.5 为弹性中长桩 l 4.0 为弹性长桩,桩的功能及类型,(五) 按荷载传递方式,(1) 竖直荷载：端承桩(嵌岩桩)、摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩 Q = Qp+Qs Tip resistance(端承力), Skin friction(侧摩阻力) 端承桩 主要由桩端承受极限荷载,桩不长,桩端土坚硬 摩擦桩 主要由桩侧壁与土的摩擦力承受极限荷载,桩长,深,桩的功能及类型,端承桩,摩擦桩,桩的功能及类型,(六) 按施工方法,施工方法沉桩方法 1 预制桩 Prefabricated pile 挤土桩 2 现场灌注桩 Cast in place 非挤土桩,桩的功能及类型,1 预制桩 2 现场灌注桩,气锤打入 振动沉桩 静压桩,引孔,部分挤土, 大面积地面隆起 不引孔,挤土桩,成孔方法,人工挖孔 螺旋钻 正反循环地下水以下泥浆护壁 冲击,夯扩,爆破 沉管灌注,浇注法,省,易 泥皮,虚土,断桩,水上 水下 其他,离心,预应力, 工厂,现场,桩的功能及类型,振动沉桩 预制桩113m,桩的功能及类型,接桩,桩的功能及类型,离心预应力预制钢筋混凝土,桩的类型,人工挖孔桩,桩的功能及类型,广州市亚洲大酒店人工挖孔桩,桩的功能及类型,螺旋钻,沉管螺旋钻孔灌注桩,粘性土,砂性土,桩的功能及类型,扩底桩,人工挖孔扩孔桩 （芝加哥法）,桩的功能及类型,UK英国,1.0-3.0 m,0.6-0.9 m,桩的功能及类型,爆破扩底桩,桩的功能及类型,内夯式扩底桩200kN钢锤,碎石,混凝土,钢筋笼,桩的功能及类型,钻扩桩,挤扩桩（支盘桩）,桩的功能及类型,桩的功能及类型,奇特的扩底桩,北京西北某工地一技术员(实为包工头)考虑桩的载荷试验。此为人工控孔扩底桩，桩长大约20m。扩底部分在地下水位以下，并且为粉细砂。如何施工，倒坡开控天论如何是站不住的。技术员讲：不用担心，我早已扩底了。那就是从地面往下一级一级地扩大，控成一个瓮形，到了地下水位以下的粉细砂就好挖了。他控的扩底桩见左图，右图为设计桩形。,(一) 按承台 (二)材料 (三)形状 (四)承载机理 (五)按尺寸 (六)施工方法,桩的功能及类型,桩的分类总结,挤土桩 (打入预制桩) 非挤土桩 (现场钻孔) 摩擦桩 端承桩 Q = Qp+Qs kN,竖向受压桩 竖向抗拔桩 水平承载桩,桩的承载机理,第二节 竖向受压桩的承载力 Bearing capacity of a single pile,桩的承载力机理 单桩承载力确定方法,桩基础的作用是将荷载传递到下部土层，通过桩与桩周土的相互作用进行的,桩的承载机理,Qp,Q,Qs,一、桩的承载机理,1 、竖向承载力的组成,对于摩擦为主的桩 摩阻力所需位移很小 端阻力需要较大位移; 不同阶段二者分担比不同,Qs 桩侧摩阻力 Skin， Shaft friction Qp 桩端阻力 Point,end resistance,桩的承载机理,桩的承载机理,2、竖向荷载下单桩的荷载传递,桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载的传递过程。 桩顶受竖向荷载后，桩身压缩而向下位移，桩侧表面受到土的向上摩阻力，桩侧土体产生剪切变形，并使桩身荷载传递到桩周土层中去，从而使桩身荷载与桩身压缩变形随深度递减。,桩的承载机理,随着荷载增加，桩端出现竖向位移和桩端反力。桩端位移加大了桩身各截面的位移，并促使桩侧阻力进一步发挥。,竖向承载力的两个组成部分：即桩侧阻力与桩端阻力的相对大小与桩径、桩长、桩身的压缩性、桩间距，以及桩侧土体性状、桩端土体性状、成桩方式、荷载水平等因素有关。,S0,Sp,桩的承载机理,桩轴向力N=Q(z),桩的承载机理,深度z处桩身截面的荷载为：,竖向位移为：,由微分段dz的竖向平衡可得：,微分段dz的压缩量：,桩土体系荷载传递分析计算的基本微分方程。通过在桩身埋设应力或位移测试元件，即可求得轴力和侧阻力沿桩身的变化曲线。,由此可得：,3、桩的竖向承载力发挥的特点,随着荷载增加，桩身上部侧阻力先于下部侧阻力的发挥 一般摩擦桩，侧阻力先于端阻力发挥，侧阻发挥的比例明显高于端阻 对于长桩，即使桩端土很好，工作荷载下端阻力也很难发挥。,桩的承载机理,K土的侧压力系数，随着 深度增加,砂土中存在临 界深度,桩的侧摩阻力,4、桩侧摩阻力 （1）单桩侧摩阻力的分布,桩的侧摩阻力影响因素,超静孔隙水压力消散,土的触变性,预制单桩静载试验前，砂土中7天，粘性土的15天， 饱和软粘土25天,饱和软粘土,桩的侧摩阻力,桩的侧摩阻力影响因素,桩的侧摩阻力,挤土桩,非挤土桩,桩的侧摩阻力,桩的侧摩阻力,5、桩的端承力 (1)常作为基础承载力问题(太沙基解),(1)很难达到整体破坏 (2)端承力与深度有关 (3)存在临界深度,桩的端承力,(2) 土的极限端阻力影响因素 与土性有关,存在临界深度,与施工方法有关,桩端充填粉土,桩的端承力,二、单桩竖向承载力的确定,要求： 1、在荷载作用下，桩在 地基 土中不丧失稳定 性。 2、桩顶不产生过大位移 3、桩身不发生材料破坏,单桩承载力确定,二、确定单桩竖直向承载力的方法,1、静载试验法 2、静力触探法 3、按桩身材料强度计算 4、规范规定的经验公式 5、其他现场试验方法,单桩承载力确定,1、静载试验法,获得单桩承载力最可靠的方法。,锚桩反力梁,单桩承载力确定,单桩承载力确定,锚桩反力梁法,单桩承载力确定,单桩承载力确定,单桩承载力确定,锚桩 桁架法,2400吨,桩顶试验中,单桩承载力确定,Q (kN),次梁,锚筋,锚桩,主梁,千斤顶,百分表,桩的荷载试验成果荷载沉降曲线,单桩承载力确定,(2) 载荷试验确定极限承载力Qu(各规范不同) 如果有陡降点,取为Qu 缓变曲线取桩顶总沉降 s=40mm对应荷载 ，24h未稳定,Sn对应的 荷载 确定平均值 (极限承载力标准值) 如离散太大,增加试桩数，具体确定 设计值R= ，安全系数 K = 2,单桩承载力确定,2、静力触探 （Static Cone Penetration） 静力触探分单桥探头和双桥探头两种。通过传感器，测出探头端组和侧阻，可算出极限单桩承载力标准值。,单桩承载力确定,、i：修正系数 qc, fsi ：探头的端阻与侧阻,传感器,3、按桩身材料强度计算 混凝土桩：R= cfc Ap 钢筋混凝土桩： R=（c fc Ap +fyAg）,R：单桩轴向承载力设计值 fy：钢筋抗压强度设计值 ：桩的稳定系数，一般取1。 c：施工工艺系数。,单桩承载力确定,4、规范规定的经验公式,建筑地基基础设计规范规定，对于地基基础设计等级为丙级的建筑物，初步设计时，单桩承载力特征值可估算为：,qsia 桩周土承载力标准值 qpa 桩端土承载力标准值,Ap 桩底横截面面积 up 桩身周长 li 第i层土的厚度,单桩承载力确定,5、其他现场试验方法 Osterberg法 动测桩法 桩端深层平板载荷试验 离心模型试验 岩基载荷试验（不介绍）,单桩承载力确定,Osterberg法,单桩承载力确定,安装,单桩承载力确定,多动式,单桩承载力确定,动测桩法,气缸,堆载,桩,消音器,力传感器,Statnamic大应变动测桩承载力方法加拿大和荷兰,单桩承载力确定,深层平板载荷试验确定桩端承载力,承载力特征值： 1 比例界限 2 极限荷载之半 3 s/d0.010.05对应荷载, 0.8 m,刚性板直径800mm,单桩承载力确定,左:土工离心机 右上:离心机中的入桩设备 右下:模型桩,单桩承载力确定,第三节 桩的抗拔承载力与负摩擦力 Pullout strength and negative shaft friction,、单桩的抗拔承载力 抗浮桩，冻拔桩 抗拔桩,抗拔桩承载力,1.抗拔承载机理特点,抗拔时，桩周土的应力状态、应力路径和土的变形与承压桩不同。一般抗拔的摩阻力小于抗压的摩阻力。,抗拔桩承载力,2.单桩抗拔承载力特征值Ta （1）现场抗拔静载荷试验重要建筑物 （2）公式非重要建筑物,第i层土抗拔折减系数pi：砂土0.5-0.7, 粉,粘土0.7-0.8,抗拔桩承载力,Nk Ta G Gp Nk 相应于荷载效应的标准组合，单桩上拔力 Gp 为桩的自重,水下为浮重 G 永久荷载的分项系数,单桩的抗拔验算,抗拔桩承载力,1 、摩擦的产生 (1)桩周附近地面大面积堆载 (2)大面积降低地下水位 (3)欠固结土,新填土 (4)湿陷性黄土遇水湿陷 (5)砂土液化、冻土融陷,正摩阻,负摩阻,二 、桩的负摩阻力,桩相对土向下,土相对桩向下,2、负摩擦力的确定 负摩擦力成为荷载，下部为岩石的端承桩,可能全桩为负阻力。,抗拔桩承载力,ln,Negative,对于一般桩,因为桩土都有变形,视二者的相对位移量和方向,l,抗拔桩承载力,第四节 桩基在水平荷载下的承载力,风荷载 吊车制动荷载 地震荷载,风荷载,水平承载桩,1 水平承载机理,桩土的相互作用 承载力大小取决于：土性、桩长和桩断面刚度和桩的约束条件。,l,水平承载桩,2. 横向受力桩的承载力确定,静力载荷试验 RH为设计值,Hu为横向极限荷载 H 为抗力分项系数 理论公式计算 弹性地基梁挠度方程 kh 水平抗力系数 常数法、 m法、k法、c法,水平承载桩,常数法,m法,k法,C法,kh 抗力系数,桩的位移,水平承载桩,不同荷载作用下桩的承载力小结,竖向承压桩承载力=摩阻力+端阻力 摩阻力-土性，深度（临界深度），入桩方式，桩土相对位移 端阻力-土性，深度（临界深度） ，入桩方式 确定单桩承载力的方法 抗拔桩及负摩擦力 水平荷载作用下桩的承载力,水平承载桩,F,第五节 桩基沉降计算,多数桩基需要进行沉降验算 荷载采用准永久组合 基本假设：单向压缩、均质各向同性和弹性假设的分层总和法 方法：假想实体基础法布氏解；明德林（Mindlin)方法,F,l,G,b0,A,、实体深基础法 （一）荷载扩散法,a0、b0 ：群桩外缘长短边的长度 l ： 桩的入土深度 ：所有土层内摩擦角平均值 G ： 扩散后面积上的重量(矩形),p0,如果忽略桩身l长度部分在入桩前后重量的变化,a、b 承台的长度和宽度 所有土层内摩擦角平均值 pc0 承台底面处地基土自重应力 Gk 承台和承台以上土的重量(矩形),F,l,G,b0,A,p0,s ：桩基最终计算沉降量 n ：桩端面以下计算分层数 Esi ：桩端面以下土层压缩模量 pi ：桩端面以下第i层土的竖向 附加应力平均值 p ：沉降计算经验系数,按照扩散后的面积进行分层总和法计算沉降,F,l,G,b0,A,p0,F,l,G,b0,A,、实体深基础法 （二）扣除桩群侧壁摩阻力法,hi ：桩身穿越第i层土层厚度 l ：桩的入土深度 qsia ：第i层土侧阻力特征值 Gk ：承台和承台以上土的重量 按照前面的分层总和法计算沉降,p0,l,Q,二 、明德林盖得斯附加应力计算方法,pi ：第i层土层中点处的附加应力 m ：桩数 zp,k ：第k根桩端荷载产生的附加应力 zs,k ：第k根桩侧荷载产生的附加应力,Q,(1)Q,i,第六节 桩基础设计,一 、群桩与群桩效应 二 、桩基设计,问题 单桩承载力加起来等于群桩承载力？,实际工程中桩基础是由多根桩组成，上部由承台连接。由三根和三根以上的桩组成的桩基础称为群桩基础 作用：1 加强土，2 将荷载传递到更深土层中,一、群桩与群桩效应 Pile group and group efficiency,岩石,土,压力扩散深度,一、群桩与群桩效应,1、预制桩沉桩 砂土,非饱和土和一般粘性土,填 土有挤密作用,使承载力增加 饱和粘土,超静孔压积累,地面上浮,先入桩上 浮,土层扰动,使承载力降低 2、应力叠加 桩底应力增加,使承载力不足;总的 沉降增加 3、桩之间互相调节个别桩承载力低总体上可互 补;个别桩受荷,其他桩帮助传递荷载 4、承台可部分承受荷载,应力叠加 桩底应力增加,侧阻发挥程度降低，端阻发挥程度提高;总的沉降增加,关于承台承载力问题,承台可以承担荷载，最高达30 刚性承台下各桩承担的荷载不同 在动力荷载下(铁路桥梁);负摩擦力(地面下沉);端承桩情况下不考虑承台承载力,群桩效应与很多因素相关。可以用群桩效应系数估计，群桩效应系数可能小于1，也可能大于1。,对于砂土、长桩和大间距条件下，取 1.0，工程设计中常取 1.0, =,群桩承载力,群桩中各单桩承载力之和,二、桩基础设计,1. 桩基础设计步骤 2. 群桩中的单桩承载力 3.承台设计,桩基础的设计步骤,荷载、持力层、相邻建筑,根据施工条件决定桩型 根据持力层深度确定桩长 根据荷载大小决定桩截面 桩端进入持力层深度：13d，进入较好岩体0.5m。桩端下持力层厚度 4d。,根据第二节的方法确定单桩承载力特征值 1单桩的静载荷试验 2 其他现场试验 3原位测试 4 经验方法,初估桩数n Fk 竖向荷载效应的标准组合 Gk 设计地面下承台底面以上结构和土的自重，容重用19.6kN/m3 桩距 摩擦桩一般3d 扩底灌注桩扩底直径的1.5倍 群桩承载力合力作用点与长期荷载的重心重合,承载力验算采用正常使用极限状态下荷载效应的标准组合,沉降验算采用正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合,承台和桩身强度验算时采用正常使用极限状态下荷载效应的基本组合 承台尺寸、厚度 承台的抗冲切、抗弯、抗剪验算 钢筋混凝土桩的配筋等设计,2、群桩基础中的单桩承载力验算,（1）中心竖直荷载,实 际 分 布,假设的分布,F,假设每个桩的荷载相同,Gk ：承台以上总自重 n ： 桩数,G,（2）偏心竖向荷载 荷载线性分布假设,Y,x7,y7,Qik 第i根桩底竖向力 Mxk，Myk 作用于承台底面通过桩群形心的x，y轴的力矩,9,8,7,2,1,6,3,4,5,X,X,Y,三根桩的荷载计算,、承台的设计计算,独立承台、条形承台梁，筏板承台和箱形承台 承台的埋置深度一般与浅基础相同，主要由建筑物结构设计和环境条件决定 对于承台应进行抗弯、抗冲切和抗剪计算。,、承台的设计计算 （1）构造基本要求：,形状：方,矩型,三角形,多边形,圆形 最小宽度 50