水平承载力与位移,群桩基础计算.ppt

8 5桩的水平承载力与位移 土木工程中的桩基大多以承受竖向荷载为主 但在风荷载 地震荷载 机械振动荷载或土压力 水压力等作用下 也将承受一定的水平荷载 尤其是桥梁工程中的桩基 除了满足桩基的竖向承载力要求外 还必须对桩基的水平承载力进行验算 桩的水平承载力是指与桩轴方向垂直的承载力 作用在桩基上的水平荷载有长期作用的水平荷载和反复作用的水平荷载 如风荷载 以承受水平荷载为主的桩基 可考虑采用斜桩 即使采用斜桩更有利 但常受施工条件的限制而难以实现 不得不采用竖直桩 一般工业与民用建筑中的基础 常以承受竖向荷载为主 但在桩基上作用有较大水平荷载时还必须对桩的水平承载力进行验算 一般来说当水平荷载和竖向荷载合力与竖直线的夹角不超过5度时 竖直桩的水平承载力不难满足设计要求 更应采用竖直桩 因此下面的讨论仅限于竖直桩的水平承载力 实践表明 桩的水平承载力远比竖向承载力要低 单桩的水平承载力桩的水平荷载作用的特征桩在水平荷载作用下 桩身产生挠曲变形 变形的形式与桩和地基的刚度有关 桩身变形挤压侧土体 而土体对桩侧产生水平抗力 其大小和分布与桩的变形 地基条件和桩的入土深度有关 桩在破坏之前 桩身与地基的变形是协调的 相应地桩身产生了内力 随着桩身变形和内力的增大 对于低配筋率的灌注桩来说常是桩身首先出现裂缝 然后断裂破坏 对于抗弯性能好的钢筋混凝土预制桩 桩身虽然未断裂 但桩侧土体已明显开裂和隆起 桩的水平位移一般已超过建筑物的允许值 也应认为已破坏 影响桩水平承载力的因素影响桩水平承载力的因素较多 主要有以下几种 桩的截面尺寸和材料强度桩的截面尺寸越大 材料强度越高 桩的抗弯刚度越大 反之 桩的抗弯刚度就小 对于抗弯刚度较大的桩 在水平位移较大时仍不折断 但已超过建筑物的允许位移值 所以 桩的水平承载力常常不是由桩的强度确定 而是由桩的允许水平位移值控制 地基土的强度地基土的强度越高 抵抗水平位移的能力就越大 桩的水平承载力也就越大 所以 地基强度高的比地基强度低的桩的水平承载力大 桩头嵌固条件桩头嵌固于承台中的桩 其抗弯刚度大于桩头自由的桩 所以 桩头嵌固提高了桩抵抗横向弯曲的能力 使桩的水平承载力增大 桩的入土深度桩随着入土浓度增加 水平承载力就逐渐提高 当达到某一深度后 继续增加入土深度 承载力将不起变化 桩抵抗水平荷载作用所需的入土深度 称为有效长度 在水平荷载作用下 有效长度以下部分 桩没有显著的水平变位 桩的入土深度小于有效长度时 则不能充分发挥地基的水平抗力 荷载达到一定值后 桩就会倾倒而被拔出 而当桩的入土深度大于有效长度时 桩嵌固在土中某一深度处 地基的水平抗力得不到充分发挥 桩不致倾倒或被拔出 而是产生弯曲变形 桩的间距当桩距较小 小于3d 时 桩前区土中应力将发生重迭 地基变形大 桩的水平承载力下降 当桩距较大时 应力重迭的影响小 但桩距大 承台尺寸也随之增大 因此 设计必须进行经济比较 全面加以考虑 确定水平承载力的方法单桩的水平承载力与竖向承载力一样 不仅取决于地基土的阻力而且也决定于桩身材料强度 设计时 仍然是先根据地基土的阻力确定单桩的水平承载力 再据此承载力考虑一定的安全度 按桩身材料验算并选定其材料强度 根据地基土对桩的侧向阻力确定单桩水平承载力的方法 通常有以下几种 水平静载荷试验法 桩的水平静载荷试验是在现场条件下进行的 影响桩的水平承载力的各种因素都得到比较真实的反映 因此试验测得的承载力和地基水平抗力系数最符合实际情况 如果预先在桩身埋设测试原件 则试验资料还能反映出加载过程中桩身截面的内力和位移 理论计算取值法 根据桩顶的水平位移容许值 用理论公式进行计算 从而确定单桩的水平承载力 经验取值法 根据当地桩基的使用经验取值 确定单桩的水平承载力设计值 如北京地区400mm直径灌注桩 水平承载力取40kPa 60kPa 根据桩身材料确定单桩水平承载力 是从桩身材料的强度 抗裂度验算出发加以确定的 按加荷方式的不同 试验方法有多循环加卸载法和分级连续加载法两种 前者用于承受反复作用水平荷载的桩基 后者用于承受长期水平荷载的桩基 详见 建筑桩基技术规范 JGJ94 94 单桩在水平荷载作用下的计算方法单桩在水平荷载作用下的变形和内力计算 通常采用按文克勒假定的弹性地基上梁的计算方法 即把承受水平荷载的单桩视为文克尔地基上的竖直梁 通过梁的挠曲微分方程解答 计算桩身的弯矩和剪力 并考虑由桩顶竖向荷载产生的轴力 进行桩的强度计算 基本假定单桩受水平荷载时 可把土体视为直线变形体 假定深度z处的水平抗力 x等于该点的水平抗力系数kh与该点的水平位移的乘积 即此时忽略桩土之间的摩阻力对水平抗力的影响以及邻桩的影响 地基水平抗力系数kh的分布和大小 将直接影响挠曲微分方程的求解和桩身截面内力的变化 各种计算理论假定的kh分布图式不同 较为常用的有下列四种计算方法 常数法 假定沿深度为均匀分布即kh k 这是我国学者张有龄在三十年代提出的方法 k法 假定在桩身第一挠曲零点以上按直线分布即kh kz 以下段为常数 即kh k m法 假定kh沿深度z成正比增加 即kh mz 见P229 表8 12 c值法 假定kh沿深度z按cz1 2的规律分布 即kh cz1 2 实测资料表明 m法 当桩的水平位移较大时 和c值法 当桩的水平位移较小时 比较接近实际 8 6群桩基础计算 问题1 群桩的承载力是否等于单桩承载力之和 2 单桩的沉降与群桩的沉降是否相同 3 群桩承载力和沉降如何确定 群桩效应系数 概念如何 岩石 土 1群桩的工作特点1 1端承型群桩基础 1 端承型群桩基础桩顶荷栽基本上通过桩身直接传递到桩端处地基持力层 各桩在桩端处的压力分布无明显的应力迭加现象 故 群桩基础中各基桩的工作性状与单桩基本一致 群桩基础承载力等于各单桩承载力之和 群桩的沉降量几乎等于单桩的沉降量 端承型群桩基础 当各桩的荷载相同 沉降相等 且桩距大于3 3 5倍桩径时 群桩的沉降量几乎等于单桩的沉降量 2 摩擦型群桩基础摩擦桩在竖向荷载作用下群桩的作用与孤立单桩是有显著差别的 作用在摩擦桩上的荷载是通过桩侧阻力传递的 由于摩擦阻力的扩散作用 群桩中各桩传递的应力互相重迭 以致桩端平面处的附加应力大大超过孤立的单桩 且附加应力影响的深度和范围也比孤立的单桩大得多 群桩的桩数越多 这种影响越显著 因此摩擦桩中各桩所受荷载与孤立单桩相同时 群桩的沉降量比单桩要大 如果不允许群桩的沉降量大于单桩的沉降量 则群桩中的每一根桩的平均承载力将小于单桩的承载力 这种基桩的承载力和沉降性状与相同地质条件和设置方法同样的单桩有明显差别的现象称为群桩效应 由上述可见 群桩效应主要针对摩擦桩而言 端承型群桩基础 群桩基础承载力等于各单桩承载力之和 桩的沉降量几乎等于单桩的沉降量 群桩效应系数 端承型群桩基础 岩石 土 压力扩散深度 1 2摩擦型群桩基础 摩擦桩在竖向荷载作用下群桩的作用与孤立单桩是有显著差别的 作用在摩擦桩上的荷载是通过桩侧阻力传递的 由于摩擦阻力的扩散作用 群桩中各桩传递的应力互相重迭 以致桩端平面处的附加应力大大超过孤立的单桩 且附加应力影响的深度和范围也比孤立的单桩大得多 群桩的桩数越多 这种影响越显著 因此摩擦桩中各桩所受荷载与孤立单桩相同时 群桩的沉降量比单桩要大 如果不允许群桩的沉降量大于单桩的沉降量则群桩中的每一根桩的平均承载力将小于单桩的承载力 这种基桩的承载力和沉降性状与相同地质条件和设置方法的同样单桩有明显差别的现象称为群桩效应 即 群桩效应主要针对摩擦桩而言 摩擦型群桩基础 当桩数少 桩中心距较大时 桩端平面处各桩传来的压力互不重叠 群桩中每个单桩的工作状态与单桩一致 群桩的承载力 各单桩承载力之和 摩擦型群桩桩端平面上的压力分布 a 单桩 摩擦群桩基础应力叠加 桩底应力增加 使承载力不足 总的沉降增加 对于砂土 sp 1 0 粘性土 sp 1 0 2 承台下土对荷载的分担作用考虑桩和承台下土的共同工作 使承台兼有浅基础的作用 组成复合桩基 承台底分担荷载的作用是随着桩群相对于桩基土向下位移幅度的加大而增强的 设计复合桩基时应注意 在桩基沉降不会危及建筑物的安全和正常使用 且台底不与软土直接接触时 才宜于开发利用承台底土的反力的潜力 1 台底土反力 2 上层土位移 3 桩端位移 桩基整体下沉 关于承台承载力问题 承台下土的承载力低于浅基础 承台内反力小于外围 双曲线分布1 承受经常出现的动力作用 如铁路桥梁桩基 2 承台下存在可能产生负摩阻力的土层 3 在饱和软土中沉入密集桩群 引起超静孔隙水压力和土体隆起 随时间推移 桩间土逐渐固结下沉而承台脱离 4 端承桩情况下不考虑承台承载力 3 群桩的竖向承载力设计值 桩基的群桩效应难以通过承台 桩 土相互作用分析的理论方法求解 为了实用的目的 桩基规范 JGJ94 94规范引用构成基桩极限承载力诸分量的平均值与其相应单桩诸分量的平均值之比作为该分量的群桩效应系数 1 对于桩数超过3根的非端承桩复合桩基 宜考虑桩群 土 承台的相互作用效应 其复合基桩竖向承载力设计值为 R 单桩总极限侧阻力和总极限端阻力标准值 QCK 相应于任意一基桩的承台底地基土的总极限阻力标准值 qck 承台底下等于承台半宽的深度 5m 范围内地基的极限阻力标准值 Ac 承台底地基土的净面积 s P sP c 桩侧阻 桩端阻 桩侧阻端阻综合抗力及承台底地基土的抗力分项系数 表8 16值 s P SP 桩侧阻 桩端阻 桩侧阻端阻综合群桩效应系数 承台宽度的深度内 5m 地基土极限阻力标准值 B c 承台底土阻力群桩效应系数 AicAec 承台内区 外围桩边包络线以内的区域 和外区的净面积 ic ec 承台内外区土阻力群桩效应系数 按表8 18取值 当承台下存在高压缩性软弱土层时 均按BC l 0 2取值 2 对端承桩基或桩数不超过3根的非端承桩基 不考虑群桩效应 其基桩的竖向承载力设计值按下式计算 c 0 s p sp 1当根据静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值时 基桩的竖向承载力设计值为 当承台底面与土脱开 非复合桩基 时 即取 c 0 4桩顶作用效应简化计算 1 基桩桩顶荷载效应计算以承受竖向力为主的群桩基础的基桩桩顶荷载效应可按下列公式计算 轴心荷载下的轴向力 水平力 偏心荷载下的轴向力 图8 26桩顶荷载的计算简图 2 地震作用效应 对于抗震设防区主要承受竖向荷载的低承台桩基 当同时满足下列条件时 桩顶作用效应计算可不考虑地震作用 a 按 建筑抗震设计规范 规定可不进行天然地基和基础抗震承载力计算的建筑物 b 不位于斜坡地带或地震可能导致滑移 地裂地段的建筑物 c 桩端及桩身周围无液化土层 d 承台周围无液化土 淤泥 淤泥质土 5基桩竖向承载力验算 5 1荷载效应基本组合承受轴心荷载的桩基 其基桩承载力设计值R应符合下列极限状态计算表达式的要求 偏心竖向力作用下 除应满足式上式外 尚应满足下式的要求 R 桩基中复合基桩或基桩的竖向承载力设计值 0 建筑桩基重要性系数 r0建筑物重要性系数 一级r0 1 1二级r0 1 0三级r0 0 9 5 2地震作用效应组合 从地震震害调查结果得知 不论桩周土的类别如何 基桩的竖向抗震承载力均可提高25 因此 对于抗震设防区必须进行抗震验算的桩基 可按下列公式验算基桩的竖向承载力 轴心竖向力作用下 偏心竖向力作用下 除应满足上式外 尚应满足下式 6桩基软弱下卧层承载力验算验算时要求 作用于软弱下卧层顶面的附加应力 软弱层顶面以上各土层重度加权平均设计值 Z 地面至软弱层顶面的深度 软弱下卧层经深度修正的地基极限承载力标准值 地基承载力分项系数 可取 1 65 1 对桩距sa 6d的群桩基础 一般可作整体冲剪破坏考虑 按下式计算下卧层顶面的附加应力 z F 作用于承台顶面的竖向力设计值 G 承台及其上土重设计值 桩群外围桩边包络线内矩形面积的长 短边长 桩端硬持力层压力扩散角 按P173 表7 14取值 2 对桩距sa 6d 且硬持力层厚度t sa dc cos 2的群桩基础 以及单桩基础 应作基桩冲剪破坏考虑 可导得下卧层顶面 z的表达式为 式中 de 桩端等代直径 圆形桩的de d 方形桩的de 1 13b b为桩边长 N 桩顶轴向压力设计值 图8 27桩基软弱下卧层承载力验算图式 a 整体冲剪破坏 b 基桩冲剪破坏 整体冲剪破坏是指桩 土形成整体 如同实体基础那样 桩侧阻力的破坏面发生于桩群的外围 基桩冲剪破坏是指各桩的桩土之间产生相对位移 侧阻力的破坏面发生于各桩的侧面 7桩基竖向抗拔承载力及负摩阻力验算在下列类型的结构中 基础经常采用抗拔桩 需验算桩的抗拔承载力 受有浮力的结构物 例如游泳池和地下室泵站以及其它承受很高浮托力的结构物等 锚固高耸而轻型的结构物 例如海中石油钻探平台和生产平台 高耸塔架和烟囱 现代化飞机库等 以承受风力等侧向荷载 膨胀土地区的基础下用以承受膨胀对建筑物的上托力 深基坑开挖支护结构的锚桩以及桩静载试验用的锚桩 7 1桩基竖向抗拔承载力验算承受拔力的桩基 应按下列公式同时验算群桩基础及其基桩的抗拔承载力 并按现行 混凝土结构设计规范 基桩材料的受拉承载力 N 基桩上拔力设计值 Ugk 群桩呈整体破坏时基桩的抗拔承载力标准值 根据 规范 确定 UK 基桩的抗拔承载力标准值 根据 规范 确定 GGP 群桩基础所包围体积的桩土总自重设计值除以总桩数 地下水位以下取浮重度 Gp 基桩 土 自重设计值 地下水位以下取浮重度 对于扩底桩应按 规范 确定桩 对于二 三级建筑物 群桩基础及基桩的抗拔极限承载力标准值可按下列规定计算 1 桩或群桩呈非整体破坏时 基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算 UK 基桩抗拔极限承载力标准值 破坏表面周长 对于等直径桩取u d 对于扩底桩按 规范 表取值 桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值 可按 规范 表取值 抗拔系数 按 规范 表取值 2 群桩呈整体破坏时 基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算 群桩沉降一般包括 桩身弹性压缩引起的桩顶沉降 桩侧应力传递到桩端平面引起的桩端沉降 桩端应力引起的桩端沉降 各桩相互影响引起的桩端附加沉降上述沉降可以笼统划分为桩间土的压缩变形和桩端平面以下地基土的整体压缩变形 8桩基沉降验算 需要进行沉降计算 甲级建筑物的桩基对沉降有严格要求的建筑物桩基体型复杂或桩端以下存在软弱土层的建筑物桩基乙级建筑物的桩基不需沉降计算的情况丙级建筑物桩基s 6d桩距大于6倍桩径n 9独立基础m 2条基础某些单层工业厂房桩基 桩基变形验算 桩基变形的特征值 沉降量 沉降差 倾斜 局部倾斜 砌体承重结构 框架结构和单层排架结构 多层或高层建筑和高耸结构 倾斜 建筑物桩基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值 局部倾斜 墙下条形承台沿纵向某一长度范围内桩基础两点的沉降差与其距离的比值 1 计算简图如图 桩基内任意点的最终沉降量可用角点法按下式计算 桩基沉降计算经验系数 非软土地区和软土地区桩端有良好持力层时 取1 软土地区且桩端无良好持力层时 当桩长 25m时 取1 7 桩长 25m时 取 5 9 20 l 7 100 l e 桩基等效沉降系数 对于矩形布置的桩基 在计算变形时可以简化 矩形基础中点沉降 矩形基础角点沉降 2 确定地基沉降计算深度Zn确定地基沉降计算深度 有应力比法和应变比法两种 而应力比法是我国工程设计人员十分熟悉的计算方法 因此 建筑桩基技术规范 JGJ94 94规定按应力比法确定 即Zn处的附加应力 z与土的自重应力 c应符合下式要求 附加应力系数根据角点法划分的矩形长宽比及深宽比查 规范 附录5 说明 在计算桩基沉降时 应考虑相邻基础的影响 采用叠加原理计算 规范对于Zn的确定与实际情况相比 偏大还是偏小 说明 在计算桩基沉降时 应考虑相邻基础的影响 采用叠加原理计算 桩基等效沉降系数可按独立基础计算 当桩基形状不规则时 可采用等代矩形面积计算桩基 等效矩形的长宽比可根据承台实际形状确定 等效沉降系数 按规范中等效作用法计算出的桩端沉降和按照弹性理论法确定的桩端附加应力采用分层总和法计算的桩端沉降的比值 和桩长径比 距径比 桩数 承台长宽比有关 广东省鹤山市某粮食仓库桩基础不均匀沉降的分析与处理 工程地质条件及桩基施工情况为了确定建筑物基础产生不均匀下沉的原因 技术人员查阅了工程地质报告及其桩基施工记录 发现4 钻孔 紧邻西端墙 显示20 0 22 4m为全风化花岗岩层 5 钻孔 紧邻东端墙 显示14 6 29 0m为中细砂淤泥层 软流塑 说明其西面的地质情况较好 480锤击灌注桩能直接支承于全风化花岗岩上 如靠近4 钻孔的试1桩施工时桩管深入土层22 3m 而东面地质情况就较差 480锤击灌注桩桩端支承于深达20m的软流塑 含中细砂的淤泥层上 如靠近5 钻孔的162 桩施工时桩管深入土层达24 7m 桩端仅能支承于软流塑淤泥层上 最后3阵锤击贯入度分别为13 12 12cm 远远超出试1桩最后3阵锤击贯入度2cm的要求 东部 轴桩端持力层均出现这种情况 从施工设备看来 480锤击灌注桩机桩管总长为25 5m 是该市 当时最长的桩管了 但由于桩管长度仍不足 故无法使桩穿越该软土层而支承在全风化花岗岩土层上 虽然设计人员在现场对 轴及B 轴桩基础进行了补桩处理 希望通过提高基础承载力来满足桩承台承受上部结构荷载的要求 但因受洪水袭击而使松软欠固结的填土受水浸泡 水位回落后 厚达6 6m的回填砂土对桩本身产生负摩擦力又加大了桩的负荷 使得桩基础不均匀沉降仍得不到有效控制 综上所述 深厚软弱的桩基础持力层和松散的未经固结的回填砂土产生的负摩擦力是造成建筑物桩基不均匀下沉的主要原因 为确保安全 必须对桩基础进行加固处理 压力灌桨法地基加固根据本工程地质条件和桩基础产生不均匀下沉的原因分析 经研究决定采用压力灌浆法进行处理 对 轴及B 轴桩基软土层进行加固 以增大土层摩擦力和桩尖土层承载力 达到提高桩基承载力和控制地基不均匀沉降的目的 施工单位进场后首先进行地质钻探和灌浆试验 证明土层可灌性良好 取灌浆半径为0 5 1 0m 对各桩承台灌浆分浅部和深部