基础工程(第二版)4-1.ppt

2020 1 9 1 一 单桩的荷载传递规律当竖向荷载施加于单桩桩顶时 桩身受到压缩而产生相对于土的向下位移 与此同时桩侧表面受到土的向上摩阻力 桩身荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递至桩周土层中 致使桩身荷载和压缩变形随深度递减 随着作用荷载的增加 桩身压缩量和位移量增大 桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来 桩底土层也因受到压缩而产生桩端阻力 而桩端土层的压缩加大了桩土相对位移 从而使桩身摩阻力进一步发挥出来 第三节竖向荷载下的桩基础 1 单桩的荷载传递过程 2020 1 9 2 当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后 若继续增加荷载 荷载增量将全部由桩端阻力承担 由于桩端持力层的大量压缩和塑性变形 位移增加速度显著增大 直至桩端阻力达到极限 位移迅速增大至破坏 此时 桩达到其极限承载力 2 荷载传递函数由此可见 桩侧和桩端阻力的发挥 需要一定的桩土相对位移 即桩侧和桩端阻力是桩土相对位移的某种函数 这种特定的函数关系 通常称之为荷载传递函数 实际的荷载传递函数比较复杂 与土层性质 埋深 桩径等有关 一般需要对其进行简化 荷载传递函数主要的特征参数是极限摩阻力和对应的极限位移 2020 1 9 3 桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥 一般认为粘性土中su为4 6mm 砂性土中su为6 10mm 大直径钻孔灌注桩 如果孔壁呈凹凸形 发挥侧摩阻力需要的极限位移较大 可达20mm以上 甚至40mm 约为桩径的2 2 如果孔壁平直光滑 发挥侧摩阻力需要的极限位移较小 只有3 4mm 1 桩侧极限摩阻力qsu与对应的桩侧极限位移su 2 桩端阻力qpu与对应的桩端极限位移spu桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值 桩端阻力qpu对应的桩端极限位移spu在粘性土中约为桩底直径的25 在砂性土中约为8 10 对于钻孔桩 由于孔底虚土 沉渣压缩的影响 发挥端阻极限值所需位移更大 2020 1 9 4 3 桩侧 桩端阻力的荷载分担比与桩的分类桩侧 桩端阻力的荷载分担情况 除了与桩侧 桩端土的性质有关以外 还与桩土相对刚度 长径比l d有关 桩土相对刚度越大 长径比l d越小 桩端传递的荷载就越大 按桩侧阻力与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比 将桩分为摩擦型桩和端承型桩两大类和四个亚类 摩擦型桩是指在竖向极限荷载作用下 桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承受 根据桩侧阻力分担荷载的大小 摩擦型桩分为摩擦桩和端承摩擦桩两类 1 摩擦型桩 2020 1 9 5 在深厚的软弱土层作中 无较硬的土层作为桩端持力层 或桩端持力层虽然较坚硬但桩的长径比l d很大 传递到桩端的轴力很小 以至在极限荷载作用下 桩顶荷载绝大部分由桩侧阻力承受 桩端阻力很小可忽略的桩 称其为摩擦桩 当桩的l d不很大 桩端持力层为较坚硬的粘性土 粉土和砂类土时 除桩侧阻力外 还有一定的桩端阻力桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担 但大部分由桩侧阻力承受的桩 称其为端承摩擦桩 这类桩所占比例很大 端承型桩是指在竖向极限荷载作用下 桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受 桩侧阻力相对桩端阻力而言较小 或可忽略不计的桩 2 端承型桩 2020 1 9 6 根据桩端阻力发挥的程度和分担荷载的比例 又可分为摩擦端承桩和端承桩两类 桩端进入中密以上的砂土 碎石类土或中 微化岩层 桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担 而主要由桩端阻力承受 称其为摩擦端承桩 当桩的l d较小 一般小于10 桩身穿越软弱土层 桩端设置在密实砂层 碎石类土层中 微风化岩层中 桩顶荷载绝大部分由桩端阻力承受 桩侧阻力很小可忽略不计时 称其为端承桩 对于钻 冲 孔灌注桩 桩侧与桩荷载分担比还与孔底沉渣有关 一般为摩擦型桩 2020 1 9 7 单桩的破坏模式同桩的荷载 沉降曲线以及受力特点有关 如图所示 对于摩擦型桩 桩端持力层地基反力系数ks值很小 2 3直线段近似于竖直线 Q s曲线陡降 在点2处出现明显拐点 一般属刺入破坏 对于端承型桩 桩端阻力占承载力的比例较大 ks值较大 在点2处不出现明显拐点 而端阻破坏又需要很大位移 整个Q s曲线呈缓变型 4 单桩的破坏模式 对于端承桩和桩身有缺陷的桩 在土阻力尚未充分发挥情况下 出现桩身材料强度破坏 Q s曲线也呈陡降型 2020 1 9 8 2020 1 9 9 5 极限桩侧阻力 桩端阻力的影响因素 当桩端进入均匀持力层的深度h小于某一深度时 其端阻力一直随着深度线性增大 当进入深度大于某个深度后 极限端阻力基本保持恒定不变 该深度称为端阻力的临界深度hcp 该恒定极限端阻力称为端阻稳定值qpl 在上海 安徽蚌埠对桩端进入粉砂不同深度的打入桩进行了系列试验 表明了临界深度在7d以上 硬粘性土中的临界深度hcp 7d 1 深度效应 2020 1 9 10 2 成桩效应 a 挤土桩 部分挤土桩的成桩效应非密实砂土中的挤土桩 成桩过程使桩周土因挤压而趋于密实 导致桩侧 桩端阻力提高 对于桩群 桩周土的挤密效应更为显著 饱和粘土中的挤土桩 成桩过程使桩周土受到挤压 扰动 重塑 产生超孔隙水压力 随后出现孔压消散 再固结和触变恢复 导致侧阻力 端阻力产生显著的时间效应 即软粘土中挤土摩擦型桩的承载力随时间而增长 距离沉桩时间越近 增长速度越快 b 非挤土桩的成桩效应非挤土桩 钻 冲 挖孔灌注桩 在成孔过程由于孔壁侧向应力解除 出现侧向土松弛变形 孔壁土的松弛效应导致土体强度削弱 桩侧阻力随之降低 2020 1 9 11 采用泥浆护壁成孔的灌注桩 在桩土界面之间将形成 泥皮 的软弱界面 导致桩侧阻力显著降低 泥浆越稠 成孔时间越长 泥皮 越厚 桩侧阻力降低越多 如果形成的孔壁比较粗糙 凹凸不平 由于混凝土与土之间的咬合作用 接触面的抗剪强度受泥皮的影响较小 使得桩侧摩阻力能得到比较充分的发挥 对于非挤土桩 成桩过程桩端土不仅不产生挤密 反而出现虚土或沉渣现象 因而使端阻力降低 沉渣越厚 端阻力降低越多 这说明钻孔灌注桩承载特性受很多施工因素的影响 施工质量较难控制 掌握成熟的施工工艺 加强质量管理对工程的可靠性显得尤为重要 2020 1 9 12 二 荷载传递基本方程的建立 竖向荷载下桩土体系荷载传递过程可简单描述为 桩身位移和桩身荷载随深度递减 侧摩阻力自上而下逐步发挥 和三者之间的关系可通过数学表达式加以描述 求解的基本思路就是把桩沿长度方向划分为若干个弹性单元 土体与桩单元的相互作用可用弹簧模型来描述 这些弹簧的应力 应变关系表示了桩侧摩阻力与剪切位移之间的关系 计算模型如图1 a 所示 取深度z处的微小桩段为对象 由力的平衡条件可得 1 1 荷载传递基本方程 2020 1 9 13 图1单桩荷载传递分析 2020 1 9 14 2 由桩身压缩量与轴力之间的关系 3 可得 断面荷载 4 以及断面沉降 5 由式 1 可得 2020 1 9 15 在以上各式中 为自桩顶以下的深度 为桩身截面周长 为桩身截面积 为桩身弹性模量 为桩侧摩阻力 为桩身位移 式 2 4 5 分别表示于图1 c d b 将式 4 代入式 2 可得桩土体系荷载传递过程中的基本微分方程为 6 2020 1 9 16 按照求解微分方程 6 的途径不同 荷载传递法可分为解析法 位移协调法两种方法 解析法是把传递函数假定为某种简单的曲线方程 直接代入微分方程 6 求得解析解 简单且有代表性的传递函数模型是理想弹塑性模型 佐藤 悟 1965 等 位移协调法是用实测的传递函数来描述土体与桩单元的相互作用 由于实测的传递函数表达形式一般比较复杂 难以直接求得解析解 这时可采用位移协调法求解 求解时将桩划分成许多单元体 从桩端开始分析 考虑每个单元的内力与位移协调关系 用迭代法求解桩的荷载传递及沉降量 2 荷载传递方程求解方法 2020 1 9 17 3 理想弹塑性模型的求解结果 理想弹塑性荷载传递函数如图2所示 其假定为 1 当时 当时 7 式中为剪切变形系数 沿深度方向相同 2 桩端持力层垂直方向上的地基反力系数为则 其中为桩端截面面积 为桩长 2020 1 9 18 图2理想弹塑性荷载传递函数 2020 1 9 19 将式 7 代入式 6 得 这是一个二阶线性微分方程 结合边界条件 可以得到桩顶的荷载 沉降 Q s 曲线如图3所示 图中的Q s曲线可分为三个阶段 a 桩侧土弹性阶段相当于0 1段 直线 桩身各点侧摩阻力都小于极限侧摩阻力 即 2020 1 9 20 图3单桩的Q s理想化曲线 2020 1 9 21 b 桩侧土弹塑性阶段相当于1 2段 曲线 当桩顶的侧摩阻力达到极限时 相当于1点 Q s曲线不再是直线 桩侧进入塑性状态 随着桩顶荷载增大 桩侧土塑性范围逐渐由浅到深不断发展 直至桩侧土均达到塑性状态 2点 c 桩侧土完全塑性阶段相当于2 3段 直线 新增加荷载全部由桩端承担 直至持力层破坏 图3的Q s曲线是在假定均质地基 传递函数为理想弹塑性的基础上得到的 因此是理想化的曲线 实际工程桩的Q s曲线要复杂一些 2020 1 9 22 单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形所对应的最大荷载 确定单桩极限承载力的方法有 静载荷试验法 经验参数法 静力计算法 静力触探法 高应变动测法等 一 经验参数法单桩极限承载力标准值由总桩侧摩阻力和总桩端阻力组成 即单桩承载力特征值为 Ra Quk K式中Qsk Qpk 分别为单桩的总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值 三 单桩承载力确定 2020 1 9 23 qski qpk 分别为桩周第i层土的极限侧阻力标准值和桩端持力层极限端阻力标准值 可分别按表4 1 4 2选用 u 桩周长 li 按土层划分的第i层土中的桩长 K 安全系数 一般取K 2 表4 1 4 2是 建筑桩基技术规范 给出的混凝土预制桩 灌注桩的在常见土层中的摩阻力经验值 这是在对全国各地收集到的几百根试桩资料进行统计分析得到的 由于全国各地的地基性质差别很大 这些表格用于指导各地的设计也有局限性 使用各地方或各区域自己的承载力参数表更合理 2020 1 9 24 二 竖向静载荷试验法 1 试验装置 试验装置主要由加载系统和量测系统组成 图4 10a所示为锚桩横梁试验装置布置图 加载系统由千斤顶及其反力系统组成 反力系统包括主 次梁及锚桩 所提供的反力应大于预估最大试验荷载的1 2倍 采用工程桩作为锚桩时 锚桩数量不能少于4根 并应对试验过程锚桩上拔量进行监测 反力系统也可以采用压重平台反力装置或锚桩压重联合反力装置 采用压重平台时 图4 10b 要求压重量必须大于预估最大试验荷载的1 2倍 且压重应在试验开始前一次加上 并均匀稳固放置于平台上 2020 1 9 25 2020 1 9 26 2 试验方法 一般采用逐级加载 每级基本荷载增量一般按预估极限荷载的1 10施加 第一级荷载可加倍施加 每级加载后 按5 10 15 30 45 60分钟间隔测读沉降 以后按30分钟间隔测读桩顶沉降 当每小时沉降不超过0 1mm 并连续出现两次 则认为沉降已达到相对稳定 可加下一级荷载 符合下列条件之一时 可终止加载 1 桩沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍 2 桩沉降量为前一级荷载作用下沉降量的2倍 且24小时尚未达到相对稳定 3 桩顶加载达到设计规定的最大加载量 4 已达锚桩最大抗拔力或压重平台最大重量 破坏荷载 2020 1 9 27 终止加载后进行卸载 每级基本卸载量按每级基本加载量的2倍控制 并按15 30 60分钟测读回弹量 然后进行下一级的卸载 全部卸载后 隔3 4小时再测回弹量一次 上面介绍的是慢速维持荷载法 常规试验方法还有快速维持荷载法 每隔1小时加一级荷载 如果有选择地在桩身某些截面 如土层分界面 的主筋上埋设钢筋应力计 在静载试验时 可同时测得这些截面的应变 进而可得到这些截面的轴力 位移 根据公式 4 3 算出两个截面之间的平均摩阻力 这就是研究基桩在竖向荷载作用下荷载传递特性的试验方法 2020 1 9 28 3 试验成果与承载力确定 上面的测试结果一般可整理成Q s s lgt等曲线 Q s曲线表示桩顶荷载与沉降关系 s lgt曲线表示对应荷载下沉降随时间变化关系 陡降型Q s曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载或s lgt曲线尾部明显向下弯曲的前一级荷载值即为单桩极限承载力 如图4 11 图4 12所示 试桩的破坏荷载为7480kN 尽管还未稳定 满足终止加载条件后开始卸载 单桩极限承载力为6800kN 对缓变型Q s曲线 破坏荷载较难确定 一般取s 40mm对应的荷载作为单桩极限承载力 对于大直径桩 不大于800mm 可取s 0 05D对应的荷载 2020 1 9 29 作业 习题4 1 2020 1 9 30 当各试桩条件基本相同时 单桩竖向极限承载力标准值Quk可按下列统计方法确定 参加统计的试桩 当满足其极差不超过平均值的30 时 可取其平均值为单桩竖向极限承载力 对桩数为3根及3根以下的柱下桩台 取最小值 当极差超过平均值的30 时 应查明原因 必要时宜增加试桩数 将单桩竖向极限承载力除以安全系数为2 即得单桩竖向承载力特征值Ra 4 检测数量对于甲级 乙级建筑和地质条件复杂 施工质量可靠性低的桩基础 必须进行单桩竖向静载荷试验 在同一条件下的试桩数量不宜小于总桩数的1 且不应小于3根 工程总桩数在50根以内时不应小于2根 2020 1 9 31 静载荷试验也可在工程桩中进行 此时 只要求加载到承载力特征值的2倍 而不需加载至破坏 以验证是否满足设计要求 5 从成桩到开始试验的间歇时间对灌注桩应满足桩身混凝土养护所需的时间 一般宜为成桩后28天 对预制桩尽管施工时桩身强度已达到设计要求 但由于单桩承载力的时间效应 试桩的距沉桩时间也应该有尽可能长的休止期 否则试验得到的单桩承载力明显偏小 一般要求 对于砂类土不应少于7天 粉土不应少于10天 非饱和粘性土不应少于15天 饱和粘性土不应少于25天 2020 1 9 32 四 群桩承载力确定 群桩在竖向荷载作用下 由于承台 桩 土之间相互影响和共同作用 群桩的工作性状趋于复杂 桩群中任一根桩的工作性状都不同于孤立的单桩 群桩承载力将不等于各单桩承载力之和 群桩沉降也明显地超过单桩 即是群桩效应 群桩效应可用群桩效率系数 和沉降比 表示 群桩效率系数 是指群桩竖向极限承载力Pu与群桩中所有桩的单桩竖向极限承载力Qu总和之比 即 Pu nQu n为群桩中的桩数 一 群桩效应的基本概念 沉降比 是指在每根桩承担相同荷载条件下 群桩沉降量sn与单桩沉降量s之比 即 sn s 2020 1 9 33 群桩效率系数 和沉降比 主要取决于桩距和桩数 其次与土质和土层构造 桩径 桩的类型及排列方式等因素有关 由端承桩组成的群桩 通过承台分配到各桩桩顶的荷载 其大部或全部由桩身直接传递到桩端 通过承台土反力 桩侧摩阻力传递到土层中的应力较小 桩群中各桩之间 承台 桩 土之间的相互影响较小 其工作性状与独立单桩相近 因而端承型群桩的承载力可近似取为各单桩承载力之和 即群桩效率 沉降比 可近似取为1 群桩效率系数 越小 沉降比 越大 表示群桩效应越强 也就意味着群桩承载力越低 沉降越大 2020 1 9 34 由摩擦桩组成的群桩 桩顶荷载主要通过桩侧摩阻力传布到桩周和桩端土层中 在桩端平面处将产生应力重叠 承台土的反力也传递到承台以下一定范围内的土层中 从而使桩侧阻力和桩端阻力受到干扰 就一般情况而言 在常规桩距 3 4d 下 粘性土中的群桩 随着桩数的增加 群桩效率系数明显下降 且 1 而沉降比则除了端承桩 1外 均为 1 2020 1 9 35 由于各影响因素对各群桩效应特性的影响效果不同 单一或各分项的群桩效率系数确定较为困难 大量的原位和室内试验表明 低桩承台土反力的分担荷载作用明显 不可忽视 因此计算群桩承载力时 建筑桩基技术规范 根据试验总结引入了承台效应系数 c 以考虑承台下土反力分担上部荷载的作用 c与桩距 桩长 承台宽 桩排列 承台内外区面积有关 考虑承台效应系数后 群桩竖向极限承载力Pu及复合基桩承载力特征值R的表达式如下所示 二 考虑承台效应系数确定基桩承载力 2020 1 9 36 式中Pu 群桩极限承载力 R 复合基桩竖向承载力特征值 A Ap Ac 分别为承台底面积 基桩截面积和基桩所对应的承台底与土接触的净面积 n 总桩数 fuk fak 承台底1 2承台宽度深度范围 5m 内地基土极限承载力标准值和特征值 K 安全系数 K 2 c 承台效率系数 可按表4 3取值 当计算基桩为非正方形排列时 A为承台总面积 2020 1 9 37 对于软土地区减沉复合疏桩基础 其复合基桩承载力特征值可按下式确定 4 11 式中 p 单桩竖向承载力特征值调整系数 可取 p 1 1 1 2 c 疏桩承台效应系数 c 1 1 c c可按表4 3取值 2020 1 9 38 与常规方法比较 桩基规范法的显著特点是考虑了承台底土分担荷载的作用 对于端承型桩基 桩数少于4根的摩擦型桩基 不考虑承台效应 其基桩竖向承载力特征值取单桩竖向承载力特征值 当承台底面以下是可液化土 湿陷性黄土 高灵敏度软土 欠固结土 新填土或可能出现震陷 降水 沉桩过程产生高孔隙水压力和土体隆起时 土体的沉降会大于桩的沉降 承台底与地基土将会脱离 此时不能考虑承台效应 即取 c 0 2020 1 9 39 偏心荷载作用下 各桩顶荷载为 三 桩顶作用效应验算 在荷载效应基本组合情况下 单桩 规范中称基桩 竖向承载能力应满足Nik R在偏心竖向荷载作用下 尚应满足下式 Nikmax 1 2R 当Nmin 0时 尚需验算抗拔承载力 2020 1 9 40 当桩端平面以下荷载影响范围内存在承载力小于持力层承载力1 3的软弱下卧层时 可能会引起冲破硬持力层的冲剪破坏 如图4 13所示 为了防止上述情况的发生 需进行相应的群桩软弱下卧层承载力验算 验算原则为 扩散到软弱卧层顶面的附加应力与软弱下卧层顶面土自重应力之和应小于软卧层的承载力特征值 四 群桩软弱下卧层承载力验算 2020 1 9 41 2020 1 9 42 群桩软弱下卧层承载力验算公式 式中 z 作用于软弱下卧层顶面的附加应力 见图4 13 i 软弱下卧层顶面以上土层重度 对于分层地基 取按各土层厚度的加权平均值 在地下水位以下取浮重度 z 地面至软弱下卧层顶面的深度 fa 软弱下卧层经深度修正的地基承载力特征值 A0 B0 桩群外缘矩形面积的长 短边长 桩端硬持力层压力扩散角 可参照表2 9取值 2020 1 9 43 2020 1 9 44 2020 1 9 45 2020 1 9 46 2020 1 9 47 1 负摩阻力产生的原因 在一般情况下 桩受轴向荷载作用后 桩相对于桩侧土体作向下位移 使土对桩产生向上作用的摩阻力 称正摩阻力 图4 16a 但是 当桩周土体因某种原因发生下沉 其沉降速率大于桩的下沉时 则桩侧土就相对于桩作向下位移 而使土对桩产生向下作用的摩阻力 即称其为负摩阻力 图4 16b 桩负摩阻力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩 因此 负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分 反而变成施加在桩上的外荷载 使桩的外荷载增大 桩承载力相对降