概述、设计原则4.2桩的类型4.3桩的竖向承载力.ppt

第四章 桩基础 Pile foundation 本章主要内容 概述桩的功能及类型 桩的承载机理？ 单桩承载力capacity of single pile 群桩承载力capacity of pile group 桩基础设计 软 土 层 沉井caisson 工作间 梯子 支护 通气 桶 深基础 地下连续墙 diaphragm 第一节 概 述 一、桩的应用 1.历史 十九世纪以前，木桩 7000-8000年前湖上居民,浙江河姆渡 西安灞桥,北京御河桥,隋唐建塔 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 十九世纪末，现场钻孔桩(1897, Raymond) 排 桩 带撑木桩 灞河上建桥始于春秋时期，秦穆公称霸西 戎，将滋水改为灞水，并于河上建桥，故 称“灞桥”，是我国最古老的石柱墩桥。 1400年前的隋代灞桥遗址 被洪水冲走的隋代灞桥上的桥桩 隋代灞桥桥墩上的龙头 隋代灞桥石料上刻有“耀州” 二字证实修桥石料来源于西 安以北约100公里的古耀州 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 大直径钻孔桩 风化砂岩及粉砂岩 部分风化及 不风化泥岩 新加坡发展银行, 四墩7.3m 现场灌注 护坡桩 造价低 现场灌注 护坡桩 造价低 2.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 缺点 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 3. 适用条件 (1)水上建筑物 (2)深持力层,高地下水 位 (3)抗震地基 (4)对沉降非常敏感的建 筑,如精密仪器 详见教材117页 承台:将几个桩结 合起来传递荷载 1.低承台桩基 承台在地面以下, 承 台本身可承担部分荷 载 2.高承台桩基 承台在地面以上,桥 桩,码头,栈桥 软土层 二、桩基础的类型（按承台位置分类） 青岛前海栈桥 年登州镇总兵章高元奉调率兵移驻青岛后，先在青岛村（ 今人民会堂处）修建总兵衙门，然后在前海处搭起一座长米 左右、铁木结构的简易码头，当时只供军用，故名栈桥。 低承台桩基 高承台桩基 三、桩基设计原则 1、桩基的极限状态： 桩基承载能力极限状态：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； 桩基正常使用极限状态：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。 建筑桩基技术规范（JGJ94-94） 2、建筑桩基安全等级： 根据建筑物因桩基损坏所造成的后果严重性将建筑桩基分 为三个安全等级。 3、桩基计算（验算）内容： （1）所有桩基均应进行承载能力极 限状态计算 1）桩基的竖向承载力计算、群桩承 载力计算； 2）桩端平面以下软弱下卧层承载 力验算； 3）桩基抗震承载力验算； 4）承台计算和桩身结构计算； （2）以下桩基尚应进行变形验算： 1）桩端持力层为软弱土的一、二级建 筑物及桩端持力层为粘性土等的或存在 软弱下卧层的一级建筑桩基的沉降验算 。 2）承受较大水平荷载或对水平变位要 求严格的一级建筑桩基的水平变位验算 。 （3）对不允许出现裂缝或限制裂缝宽度 的混凝土桩身和承台应进行抗裂或裂缝 宽度验算。 4、桩基规范对荷载效应的规定 桩基承载能力极限状态：采用作用效应的基本组合和地 震作用效应的组合。 桩基正常使用极限状态： 沉降验算：采用荷载的长期效应组合（准永久组合）。 水平变位、抗裂和裂缝宽度：应根据使用要求和裂缝控制 等级分别采用作用效应的短期效应组合（标准组合）或短 期效应组合（标准组合）考虑长期荷载（准永久组合）的 影响。 对于特殊地基土（如：软土、湿陷性黄土等），遵循相应的设 计原则。 建筑地基基础设计规范 GB50007-2002 关于荷载取 值的规定 （1）按地基承载力确定基础底面面积或按单桩承载力确 定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常 使用极限状态下的标准组合。相应的抗力应取地基承载 力特征值或单桩承载力特征值。 （2）计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应 按正常使用极限状态的下荷载效应的准永久组合， 不计入风荷载和地震作用。相应的限值为地基变形 允许值。 （3）计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡时 ，荷载效应应按承载力极限状态下荷载效应的基本 组合，但其分项系数均为1.0。 （4）在设计基础、承台、支挡结构强度时，应荷载 效应应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合， 采用相应的分项系数均。 验算基础的裂缝宽度时，应按正常使用极限状态下 的标准组合。 （5）由永久荷载效应控制的基本组合值可取基本组 合值的1.35倍。 （6）基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构 重要性系数应按有关规范的规定采用，但结构重要 性系数0不应小于1.0。 No 结构与地质资料 桩型、桩长、桩距 确定桩数n=P/R 桩基中基桩承载力验算 软弱下卧层验算 实体深基础验算 承台设计 沉降计算 桩 基 础 的 设 计 步 骤 四、 4.2 桩的类型 承载性状 施工方法 成型方式效应 材料 形状 按尺寸 软土层 按不同的分类标准，叫法不同。 4.2.1 桩 的 分 类 一、 按承载性状分类 Q = Qp+Qs Tip resistance, Skin friction 端承型桩 主要由桩端承受极限荷载,桩不长,桩端土坚硬 摩擦型桩 主要由桩侧壁与土的摩擦力承受极限荷载,桩长 径比不很大，桩端土为粘土、粉土、砂土等 端承型桩 摩擦型桩 端承桩 摩擦端承桩 （嵌岩桩） 摩擦桩 端承摩擦桩 端承型桩 摩擦型桩 P s P s 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 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 桩身 横断面 四、按尺寸 按断面(直径）的大小： 大直径桩:d800mm; 小直径桩：d250mm； 中等直径桩： 2503)；短桩：L15m ； 中长桩：15m 80m L/ （：桩的特征长度） 五、 按施工方法 施工方法沉桩方法 1 预制桩 Prefabricated pile 挤土桩，部分挤土桩 2 现场灌注桩 Cast in place 非挤土桩，部分挤土桩 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 振动沉桩 预制桩1013m Pile Point 离心预应力预制钢筋混凝土 人工挖孔桩 广州市亚洲大酒店人工挖孔桩 螺旋钻 扩底桩 人工挖孔扩孔桩 （芝加哥法） UK英国 1.0-3.0 m 0.6-0.9 m 英国是近代工业革 命的发源地，正式 名称“联合王国” ，全称“大不列颠 及北爱尔兰联合王 国（the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland）” 爆破扩底桩 挤扩桩（支盘桩） 六、按桩的成桩方式效应 分类：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩 1）挤土桩：实心预制桩、下端封闭的管桩、以及沉管灌注桩 成桩效应：粘土：打桩抗剪强度降低停一定时间可恢复。 无粘土：抗剪强度提高。 2）部分挤土桩：H型钢桩、开口的钢管桩、开口预制管桩 成桩效应：影响不大。 3）非挤土桩：钻孔灌注桩、先钻孔再打入的预制桩 成桩效应：侧阻力有所降低。 4.3 单桩承载力 Bearing capacity of a single pile 4.3.1 单桩轴向荷载的传递机理（单桩的工作性能） 桩顶荷载一般为：轴向力、水平力、弯矩 1. 桩身轴力和截面位移（桩的荷载传递） 在外载作用下，土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部 分组成。 在外力作用下，桩侧摩阻力开始抵抗打桩时的荷载，桩工作 状态时随着外载的作用，开始摩阻力发挥作用，只有当桩端 产生位移，端阻力才逐渐开始作用。 桩、土间力的平衡 设桩身周长为u，从深 度z处取一dz微段，由力的 平衡条件有： 设桩身横截面面积为Ap，弹性模量为Ep，dz微段 的变形为dz，据虎克定律有： 代入上式有： 2.影响荷载传递的因素 主要影响荷载传递的因素：长径比 l/d 根据长径比 l/d 桩的分类： 短桩：l/d10 中长桩：l/d=1040 长桩：l/d=40100 超长桩：l/d100 2.影响荷载传递的因素 （1）桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es 对于中长桩： Eb/Es增大，桩端分担荷载的比例增加。 （2）桩土刚度比Ep/Es 对于中长桩： Ep/Es增大，桩端分担荷载的比例增加。 Ep/Es超过1000后，影响不大。当Ep/Es10端阻接近零， 因此：对于砂桩、碎石桩、灰土桩等，应按复合地基设计 。 （3）桩端扩底直径与桩身直径比 D/d D/d增大，桩端分担荷载的比例增加 。 当桩长增大(例如ld25)时，桩端分担荷载减少。因桩身 压缩变形大，桩端反力尚未发挥，桩顶位移已超过实用所 要求的范围，此时传递到桩端的荷载极为微小。因此，很 长的桩实际上总是摩擦桩，用扩大桩端直径来提高承载力 是徒劳的。 (4)长径比 l/d 3. 桩侧摩阻力和桩端阻力 由上可见，桩的侧阻随深度呈线性增大。但砂土中模 型桩试验表明， 当桩入土深达某一临界值(约为510倍桩 径)后侧阻就不再随深度增加。该现象称为侧阻的深度效 应。维西克(vesie，1967)认为：桩周竖向有效应力不一 定等于覆盖应力，其线性增加到临界深度(zc)时达到某一 限值，其原因是土的“拱作用”。 综上所述，桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性 质，成桩方法等多种因素有关。而桩侧阻力u 达到所需的桩土相对滑移极限值久则基本上只与土的 类别有关根据试验资料，一般粘性土约为46mm砂 土约为610mm。 超静孔隙水压力消散,土的触变性 打入预制桩： 挤土使qs增加：(1)挤密(2)残余应力 钻孔预制桩： 常使qs减少：(1)泥皮(2)应力松弛但是也有水泥浆 渗入土中使表面粗糙 粘性土的摩阻力有时效性： 其他施工因素 桩的端承力 常作为基础承载力问题(太沙基解) 太沙基梅耶霍夫型 很小 (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 模型和原型桩试验研究均表明，与侧阻的深度效应类似， 当桩端人土深度小于某一临界深度时，极限端阻随深度线 性增加，而大于该深度后则保持不变。不同资料表明，侧 阻与端阻的临界深度之比约为0.31.0。关于侧阻和端阻的 深度效应问题有待进一步研究。 桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥 所需的桩底位移值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截 面位移值大得多。根据小型桩试验结果，砂类土的桩底 极限位移约为(1/121/10)d，一般粘性土为1/4d；硬粘 土为1/10d。因此，在工作状态下，单桩桩端阻力的安 全储备一般大于桩侧阻力的安全储备。 单桩的破坏形式 屈曲破坏取决于桩身的材料强度 整体剪切破坏-取决于桩端土的支承力 刺入破坏-取决于桩周土强度 屈曲破坏取决于桩身的材料强度 桩的直径比较小且穿过桩周土的抗剪强度比较低（如淤泥等软 土），桩端进入比较坚硬的岩石，一般端承桩和嵌岩桩属于屈 曲破 Q-S曲线（荷载-沉降）出现急剧 破坏的陡降段，其沉降量很小， 有明确的破坏荷载。 桩的承载力取决于桩身材料强度 整体剪切破坏-取决于桩端土的支承力 Q-S曲线有明显的拐点，有陡降 段，有明显的破坏荷载。 桩的承载力主要取决于桩端土的 支承力。 一般桩基属于本情况。 刺入破坏-取决于桩周土强度 当桩周土和桩尖土的抗剪强度比 较均匀时，桩在轴向荷载作用下 将出现刺入破坏。桩顶荷载主要 由桩侧阻力来承担，桩端阻力极 微，桩的沉降量较大。 Q-S曲线为“渐进破坏”的缓变型 ，无明显拐点。 桩的承载力主要取决于桩周土的 抗剪强度 两类单桩荷载沉降曲线 A陡降型 B缓变型 4.3.2 单桩竖向承载力的确定 取决于两个方面： 桩身材料强度地层支承力 极限承载力： 承载力特征值： 安全系数K=2 按桩身材料确定 混凝土 R = cfcAp 钢筋混凝土 R = （cfcAp+fyAg） 钢筋抗压强 度设计值 单桩竖向承载力特征值确定方法: 静载荷试验 按土的抗剪强度指标确定 按经验公式确定 1. 静载荷试验 获得单桩承载力最可靠的方法 次梁 锚筋 锚桩 主梁 千斤顶 百分表 基准柱 锚桩 桁架法 ,2400吨 桩顶试验中 1、进行静载试验的工程： 静载荷试验是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法，其除了 考虑到地基土的支承能力外，也计入了桩身材料强度对于承载 力的影响。 对于地基基础设计等级：甲、乙级建筑物必须通过静载荷试验 。 对于地基条件复杂，桩施工质量可靠性低等建筑桩基必须通过 载荷试验。 2、试验数量：在同一条件下的试验数量，不宜少于总数的1% ，并不少于3根。工程总桩数在50根以内时不应少于2根。 3、预制桩完成后的间歇时间： 时间要求：砂类土间歇时间不少于10天；粉土和粘性土不少于 15天；饱和粘性土不少于25天。 原因：对于预制桩，由于打桩时土中产生的孔隙水压力有待消 散，土体因打桩扰动而降低的强度随时间逐渐恢复，为了使试 验能真实反映桩的承载力。 4、试验： （1）静载荷试验装置及方法 装置：加荷稳压、提供反力、沉降观测 加荷稳压：由桩顶的油压千斤顶对桩顶施加压力。 提供反力：千斤顶的反力由锚桩、压重平台的重力或若干根地锚组成。 沉降观测：安装在基准梁上的百分表或电子位移计用于量测桩顶位移。 试桩与锚桩（或与压重平台的支墩、地锚等）之间、试桩与支承基准梁 之间以及锚桩与基准桩之间，都应有一定的间距。见下表。 加载方法： 采用连续加载法：即慢速维持荷载法，逐级加载，每级荷载 为单桩承载力设计值的1/51/8，当每级荷载下桩顶的沉降量 小于0.1mm/h，则认为已稳定，然后加下一级荷载，依次进行 直到试桩破坏。再分级卸载到零。也可以采用快速维持荷载 法，即一般每隔1h加一级荷载。 沉降观测：第一小时内每隔5、10、15、15、15分钟读一次 ，然后每30分钟测读一次，直至稳定。 （2）终止加载条件 当出现下列情况支一时即终止加载： 某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的5 倍； 某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍 ，且经24h尚未达到相对稳定； 已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大质量时。 （3）按试验结果确定单桩承载力 一般认为，当桩顶发生剧烈或不 停滞的沉降时，桩处于破坏状态 ，相应的荷载称为极限荷载。用 QU表示。 用Q-S曲线确定单桩承载力： 图中的曲线所示，对于陡降 型Q-S曲线，可取曲线发生明显陡 间的起始点所对应的荷载为QU。 绘图比例：横：竖=2：3 根据沉降量确定Qu 对于缓变型Q-S曲线（图），一 般可取S=4060对应的荷载值为 Qu。 对于大直径桩可取S=（0.030.06 ）d(d为桩端直径)所对应的荷载值( 大桩径取低值,小桩径去高值)。对于 细长桩（80，可取S=6080对 应的荷载。 根据沉降随时间的变化特征确 定Qu 取S- 曲线（图）尾部出现 明显向下弯曲的前一级荷载值作 为Qu。 也可根据终止加载条件第二条中 的前一级荷载值作为Qu。 单桩竖向承载力特征值确定方法: 按规定确定Qu， 2. 按土的抗剪强度指标确定 公式： 式中：cu桩底以上1d至桩底以下1d范围内土的不排水抗剪强 度平均值；对裂隙粘土宜用含裂隙的大试样测定；对钻孔桩取 三轴不排水抗剪强度的0.75倍； Nc 地基承载力系数，当桩的长径比 l/d5时， Nc=9 ； ca 桩土之间的附着力，ca=cu 。 对粘性土 =1或更大，且随 cu 的增大而迅速降低。对硬粘土中 的桩，当 l/d20时，取1.25；当上部为软土时取=0.4 ；其他 情况 =0.7 。对打入桩，ca 100KPa；对钻孔桩的取值不成 熟，平均值约为0.45；对扩底桩，桩底以上2d范围内的ca不予考 虑，即取=0 。 单桩竖向承载力特征值确定方法: 按上式确定Qu， 3. 确定单桩竖向承载力特征值的规范经验公式 地基基础规范指出：单桩竖向承载力特征值的确定应符合 下列规定： （1）单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定 。单桩竖向承载力特征值取单桩竖向静载荷试验所得单桩竖向 极限承载力除以安全系数2。 （2）地基基础设计等级为丙级的建筑物，可采用静力触探及 标准贯入试验参数确定。 （3）初步设计时单桩竖向承载力特征值 可按下式估算： 式中： 桩端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静 载荷试验结果统计分析算得。 当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩石中，可按下式估算单桩 竖向承载力特征值： 式中： 桩端岩石承载力特征值，当桩端无沉渣时， 根据岩石饱和单轴抗压强度标准值确定，或按岩基载荷试验 确定。 也可根据室内岩石饱和单轴抗压强度标准值按下式确定： r折减系数，根据岩石的完整程度由地区经验确定。 无经验时，对于完整岩体可取0.5；对于较完整岩体可取 0.20.5 （4）嵌岩灌注桩桩端以下三倍桩径范围内应无软弱夹层 、断裂破碎带和洞穴分布；并应在桩底应力扩散范围内无 岩体临空面。 补充： 按静力触探法确定 公式： 式中： 桩端平面上、下探头阻力（KPa），取桩端平面以上4d范围内 探头阻力加权平均值，再与桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均； 桩端阻力修正系数，对粘性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2； 第i层土的探头平均侧阻力（KPa）； 桩的周长； 第i层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算： 粘性土： 砂性土： 补充：桩基规范推荐经验公式法确定单桩承载力标准值 （1）一般预制桩及中小直径灌注桩 对直径800的预制桩和灌注桩，单桩竖向极限承载力标准值 ： 式中： 单桩总极限侧阻力标准值（KN）； 单桩总极限端阻力标准值（KN）； 桩侧第层土的极限侧阻力标准值（KPa），当无当地 经验值时，可按表8-6取值； 桩端极限端阻力标准值（KPa），当无当地经验值时 ，可按表8-7取值； （2）大直径桩（d800） 公式： 式中： 桩侧第层土的极限侧阻力标准值，当地经验