基础工程学桩基础PPT课件.pptx

桩基础设计 概述桩基的基本要求与桩的分类竖向荷载作用下的单桩工作性状竖向荷载作用下单桩承载力的确定方法竖向荷载作用下的单桩沉降计算竖向荷载作用下群桩工作性状群桩的竖向承载力计算群桩的沉降计算水平荷载作用下桩基的承载力和变位桩基础设计 2 组成 基桩和连接于桩顶的承台 作用 将上部结构荷载通过承台传递给基桩 再由基桩传递到地基土体 持力层 特点 历史悠久 承载力高 稳定性好 沉降量小而均匀 便于机械化施工 适应性强 低承台桩基示意图 概述 3 单桩基础 群桩基础 承台 基桩 上部结构荷载 概述 概述 桩基础的发展历史 十九世纪以前 7000 8000年前 浙江宁波附近的河姆渡遗址 3000 4000年前的古罗马 西安灞桥 隋唐建塔等等 十九世纪以后 材料和动力进步促进桩基发展和应用 水泥工业 蒸汽动力出现 铸铁管桩得以应用 十九世纪末 现场钻孔桩应用 近 现代时期 桩基应用已得到很大发展 桩基材料 桩型 工艺和施工技术等多样化 桩基技术发展特点 桩基技术的发展受工业化的影响巨大 桩型及施工工艺推陈出新 桩基理论和概念以及桩基效用实质性变化 桩基与其它基础形式或工艺联合应用 高强 大直径 超长为发展趋势 桩基施工检测与监测形成相当丰富有效的技术 概述 西安灞桥 1834年清道光14年 概述 上海河南路桥木桩基础 1923年 概述 概述 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 概述 概述 桩基础的适用条件 土质条件太差不宜用浅基础时选用桩基 地基土特殊不宜采用地基改良方法和加固措施时选用桩基 上部结构荷载较大 或需要较大的抵御水平荷载刚度选用桩基 结构对不均匀沉降相当敏感 或建筑物受到大面积堆载时选用桩基 地下水位很高 或水下基础施工困难时选用桩基 具有重要历史意义或需长期保存之建筑物基础选用桩基 高层建筑桩基础 作用特点 1 桩支承于硬的持力层 具很高的承载力 以承担高层建筑的全部竖向荷载 2 有很大的刚度 不产生过大的不均匀沉降 3 侧向刚度及整体抗倾覆能力大 能抵御风和地震引起的水平荷载与力矩 4 箱 筏承台底土分担上部结构荷载 5 桩可用于可液化土地基上的基础 概述 桩柱基础 柱下独立桩基础 可能一柱一桩或一柱数桩基 在桩柱基础间设置拉梁 桩梁基础 框架柱荷载通过基础梁 或承台梁 传递给桩基础 柱网轴线布置一排或多排桩 桩顶用基础梁相连 具有调整不均匀沉降的能力 桩墙基础 剪力墙 或实腹筒壁 下桩基础 无需设置基础梁 墙薄在桩顶做一条形承台 按构造要求确定 桩筏基础 筏板下桩基础 满堂布桩 通过整块钢筋砼板把荷载分配给桩 桩箱基础 箱基下桩基础 万能式桩基形式 还要考虑造价 高层建筑桩基础 作用特点 桩的分类 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 按成桩方法对土层的影响分类 非挤土桩 部分挤土桩和挤土桩 各类钻 挖 孔桩 干作业法 泥浆护壁法 套管护壁法等 冲孔灌注桩 钻孔挤扩灌注桩 打入 静压 式敞口钢管桩 H型钢桩 预应力混凝土空心桩等 沉管灌注桩 打入 静压 预制桩 闭口预应力空心桩和钢管桩等 非挤土桩 挤土桩 部分挤土桩 桩基的分类 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 按桩的材料分类 按制作方式 天然材料桩可分为预制桩和现场灌注桩 多用于地基处理 形成复合地基 最广泛的桩 可分为预制 现场灌注桩及两者组合 按横截面形状有圆形 管形 正方形 矩形以及异形桩 一般为预制桩 包括型钢和钢管 天然材料桩 混凝土桩 钢桩 水泥土桩 现场搅拌桩 用于地基处理 形成复合地基 桩基的分类 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 按承载性状分类 摩擦型桩和端承型桩 摩擦桩 在承载能力极限状态下 桩顶竖向荷载由桩侧阻力承受 桩端阻力小到可忽略不计 端承摩擦桩 在承载能力极限状态下 桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受 端承桩 在承载能力极限状态下 桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受 桩侧阻力小到可忽略不计 摩擦端承桩 在承载能力极限状态下 桩顶荷载主要由桩端阻力承受 摩擦型桩 端承型桩 桩的分类 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 按桩径 设计直径 大小分类 小直径桩 中等直径桩 大直径桩 小直径桩 d不超过250mm 中等直径桩 250mm d 800mm 大直径桩 d不小于800mm 按桩的使用功能分类 竖向抗压桩 承受上部结构传下来的竖向荷载竖向抗拔桩 抵抗拉拔荷载的桩侧向受荷桩 承受侧向荷载复合受荷桩 桩的分类 桩的分类 干法施工 桩的分类 预制桩 桩的分类 钢桩 桩的分类 预应力桩 桩基的基本要求 建筑桩基设计基本要求 1 桩基形式的合理选择 考虑场地工程地质及水文地质条件 2 上部结构类型 使用功能与荷载特征 不同的上部结构的抗剪能力不同 布桩方式不同 承载力发挥不同 筏 箱基的碟形沉降和马鞍形反力分布 采用变刚度调平措施 3 施工技术条件与环境 施工先进可行可靠 成桩过程对环境的扰动小 市区不宜采用挤土桩 4 建筑桩基安全等级 建筑桩基技术规范 分为3个设计等级 见下表 5 桩基设计验算的基本要求 桩基承载力与稳定性验算 桩基沉降与水平位移验算 桩基验算的桩顶作用效应 建筑桩基设计等级 JGJ94 2008 建筑桩基安全等级 建筑桩基设计荷载取值规定 JGJ94 2008 桩基设计时 所采用的荷载作用效应组合与相应的抗力应符合以下规定 确定桩数和布桩时 应采用传至承台底面的荷载效应标准组合 相应的抗力应采用基桩或复合基桩承载力特征值 计算荷载作用下的桩基沉降和水平位移时 应采用荷载效应准永久组合 计算水平地震作用 风载作用下的桩基水平位移时 应采用水平地震作用 风载效应标准组合 计算桩基结构承载力 确定尺寸和配筋时 应采用传至承台顶面的荷载效应基本组合 进行承台和桩身裂缝控制验算时 应分别采用荷载效应标准组合和准永久组合 建筑桩基设计的基本规定 竖向荷载作用下的单桩工作性状 竖向荷载下单桩的工作性状包括两个重要的问题 1 单桩的荷载传递机制 2 桩侧负摩阻力问题 竖向荷载下单桩的荷载传递机制 竖向荷载作用下 单桩的荷载传递是桩 土体系共同工作的结果 桩身轴力分布 桩侧摩阻力分布 桩身位移分布 竖向荷载作用下的单桩工作性状 竖向荷载下单桩的工作性状包括两个重要的问题 1 单桩的荷载传递机制 2 桩侧负摩阻力问题 竖向荷载下单桩的荷载传递机制 根据上述描述 则可根据桩身任一截面处的受力和变形建立桩身轴力 轴向变形和桩侧摩阻力之间的关系 如图 取一微分段dz 由该微分段的静力平衡条件 Q Z Q Z dQ z 则可得到 竖向荷载作用下的单桩工作性状 竖向荷载下单桩的工作性状包括两个重要的问题 1 单桩的荷载传递机制 2 桩侧负摩阻力问题 竖向荷载下单桩的荷载传递机制 根据上述描述 则可根据桩身任一截面处的受力和变形建立桩身轴力 轴向变形和桩侧摩阻力之间的关系 如图 取一微分端dz Q Z Q Z dQ z 则由 和 竖向荷载作用下的单桩工作性状 从竖向荷载下单桩的荷载传递机制得到的几点认识 作用于桩顶的竖向荷载Q是由桩侧土的总摩阻力Qs和桩端土的端阻力QP共同承担 Q Qs QP 当桩顶荷载加大至极限值时 Qu Qsu QPu其中 Qu称为单桩竖向抗压极限承载力 kN Qsu为单桩总极限摩侧阻力 kN QPu则为单桩总极限端阻力 kN 对桩的荷载传递过程的研究表明 桩在外荷载Q作用下 Qs与QP的发挥程度与桩土之间的相对位移情况有关 桩与土之间发生不大的相对位移时 摩阻力就可充分发挥出来 单桩受荷过程中桩端阻力的发挥滞后于桩侧阻力 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 桩的荷载传递的一般规律 P127 竖向荷载作用下的单桩工作性状 桩侧负摩阻力问题 什么是负摩阻力 在此之前的分析认为 桩侧摩阻力的产生是因为桩身压缩向下位移 故土体阻止桩身向下位移而作用于桩侧的向上阻力 这可理解为正的桩侧摩阻力 倘若桩身向上位移 即土体相对桩身向下位移 此时 土体欲 下拉 桩身 则此时摩阻力方向向下 故称其为 负摩阻力 负摩阻力对桩基稳定具有 负面效应 加大桩身荷载和沉降 什么情况下会产生负摩阻力 土体发生大于桩身压缩位移的沉降 这种情况的产生有几种可能 欠固结土体的固结沉降 湿陷性黄土浸水 欠固结软土 厚松散填土桩周土体在外荷载下的固结沉降 桩侧大面积堆载 地震 预压堆载降水引起的地基固结沉降 人工抽 排水 城市用水大面积挤土沉桩引起超孔隙水压力和土体隆起后的再固结 竖向荷载作用下的单桩工作性状 桩侧负摩阻力问题 桩侧负摩阻力如何分布 桩身上负摩擦力的分布范围可根据桩与周围土的相对位移情况确定 若桩身某一截面处 桩与周围土体之间没有相对位移 则作用在桩上的摩擦力为零 称该点为中性点 在中性点截面处 桩身的轴力N最大 在中性点以上 土的下沉量大于桩的沉降量 所以是负摩擦区 在中性点以下 土的下沉量小于桩的沉降量 因而是正摩擦区 正摩阻轴力分布 桩侧土下沉曲线 竖向荷载作用下的单桩工作性状 桩侧负摩阻力问题 桩侧负摩阻力如何分布 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置比较困难 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 K0 土的侧压力系数 土的有效内摩擦角度 桩周土中的竖向有效应力 n 桩周土负摩擦力系数 桩侧负摩阻力如何计算 对摩擦型桩 中性点以上侧阻力为零计算桩基承载力 对端承桩 应计算中性点以上的负摩阻力形成的下拉荷载 并作为外荷载的一部分验算承载力 竖向荷载作用下的单桩承载力 单桩竖向承载力的概念和确定原则 单桩竖向承载力以单桩竖向承载力特征值表征 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011 规定 1 通过单桩竖向静载荷试验确定 为单桩竖向极限承载力Qu除以安全系数2为Ra 2 对大直径端承型桩 可用深层平板载荷试验确定 3 丙级建筑物 可用静力触探及标贯试验参数结合工程经验确定 4 初步设计时Ra可按下式估算 5 当桩端嵌入完整及较完整硬质岩中 当桩长较短且入岩较浅时 可按下式估算 竖向荷载作用下的单桩承载力 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011 规定 6 桩端岩石承载力特征值据室内岩石饱和单轴抗压强度标准值或岩石地基载荷试验确定 另外 1 当桩基承受拔力时 进行抗拔验算 2 桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 规定 单桩竖向承载力特征值取为单桩竖向极限承载力标准值除以安全系数后的承载力值 其中 K为安全系数 一般取2 两个规范给出的承载力值相同 只是表达方式不同 竖向荷载作用下的单桩承载力 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 对基桩或复合基桩竖向承载力特征值的确定规定如下 1 对于端承桩基 桩数少于4根的摩擦型柱下独立桩基 或由于土性 使用条件等不考虑承台效应时 基桩竖向承载力特征值取为单桩竖向承载力特征值 2 对于符合下列条件之一的摩擦型桩基 宜考虑承台效应确定基桩的竖向承载力特征值 上部结构整体刚度较好 体型简单的建 构 筑物 对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物 按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区 软土地基的减沉复合疏桩基础 不考虑地震作用时 竖向荷载作用下的单桩承载力 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 对基桩或复合基桩竖向承载力特征值的确定规定如下 1 对于端承桩基 桩数少于4根的摩擦型柱下独立桩基 或由于土性 使用条件等不考虑承台效应时 基桩竖向承载力特征值取为单桩竖向承载力特征 2 对于符合下列条件之一的摩擦型桩基 宜考虑承台效应确定基桩的竖向承载力特征值 上部结构整体刚度较好 体型简单的建 构 筑物 对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物 按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区 软土地基的减沉复合疏桩基础 考虑地震作用时 地基抗震承载力调整系数 注意 当承台底土为可液化土 湿陷土 欠固结土等 不考虑承台效应 竖向荷载作用下的单桩承载力 单桩竖向极限承载力的确定方法之一般原则 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011 规定了单桩竖向静载试验要点和Qu的确定方法 直接堆载 锚桩反力梁法 36 试验装置 加荷系统 包括加力装置和反力装置 位移观测系统测试方法 分级 开始阶段1 5 1 8倍预估破坏荷载 终了阶段1 10 1 15 慢速维持荷载法 静载实验装置 竖向荷载作用下的单桩承载力 竖向荷载作用下的单桩承载力 载荷试验原理 由试验得到的桩顶竖向荷载与桩顶位移关系确定竖向极限承载力 单桩竖向极限承载力的确定方法之一般原则 竖向荷载作用下的单桩承载力 1 作Q S曲线及辅助线 2 如果有陡降点 取陡降段起点荷载为Qu 3 24小时未稳定 Sn对应的荷载 4 缓变曲线 取一定沉降s 40mm 40 60mm 对应的荷载值 5 上述方法不可行 结合其他辅助方法综合判定 6 极差不超过平均值的30 取平均值 超过30 分析原因确定 桩数为3根及以下的柱下桩台 取最小值 单桩竖向极限承载力的确定方法之一般原则 竖向荷载作用下的单桩承载力 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 规定单桩竖向极限承载力标准值Quk应符合下列规定 1 设计等级为甲级 应采用单桩静载试验确定 2 设计等级为乙级 当地质条件简单时 可参照地质条件相同的试桩资料 结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定 其余均应通过单桩静载试验确定 3 设计等级为丙级 可根据原位测试和经验参数确定 单桩竖向极限承载力的确定方法之一般原则 竖向荷载作用下的单桩承载力 单桩竖向极限承载力的确定方法之原位测试法 修正系数qc fsi 探头的锥尖阻力与侧阻力 按单桥探头静力触探确定 按双桥探头静力触探确定 桩端阻力修正系数psk 比贯入阻力 1 一般钢筋混凝土桩直径桩 d 0 8m 2 大直径桩 d 0 8m 考虑尺寸效应 桩侧第i层土的极限侧阻力标准值 极限端阻力标准值 大直径桩侧阻 端阻尺寸效应系数 单桩竖向极限承载力的确定方法之经验参数法 竖向荷载作用下的单桩承载力 3 嵌岩桩 考虑嵌岩段引起桩承载力性状的变化 嵌岩桩单桩极限承载力由桩周土总侧阻 嵌岩段总侧阻和端阻力三部分组成 岩石饱和单轴抗压强度标准值 对于粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值 嵌岩段侧阻和端阻综合系数 与嵌岩深径比hr d 岩石较硬程度和成桩工艺有关 单桩竖向极限承载力的确定方法之经验参数法 竖向荷载作用下的单桩承载力 桩周土的总极限侧阻力标准值 桩嵌岩段总极限阻力标准值 4 后注浆灌注桩 利用钢筋笼底部和侧面预先埋设的注浆管 在成桩后2 30天内用高压泵进行高压注浆 浆液通过渗入 劈裂 填充 挤密等作用与桩体周围土体结合 固化桩底沉渣和桩侧泥皮 起到提高承载力 减少沉降等效果 单桩竖向极限承载力的确定方法之经验参数法 竖向荷载作用下的单桩承载力 5 混凝土空心桩 6 钢管桩 竖向荷载作用下的单桩沉降 单桩沉降分析的必要性 实际工程问题中可能较少遇到单桩沉降分析 但是单桩沉降分析对于桩基础设计仍有一定价值 主要有三个原因 群桩沉降与单桩沉降间存在某种关系 群桩内力计算中需要用到单桩竖向刚度系数 而单桩竖向刚度的确定依赖于单桩沉降分析 单桩沉降分析可直接应用于大直径单桩结构的设计 单桩沉降组成及计算方法 桩本身的弹性压缩 由桩侧摩阻力传递引起的桩端土体的压缩变形 由桩端荷载引起的桩端土体压缩变形 单桩沉降的计算方法有 1 荷载传递分析法 2 弹性理论法 3 剪切变形传递法 4 有限单元法 5 各种简化分析方法 竖向荷载作用下的单桩沉降 一 常规桩沉降计算的经验方法 竖向荷载作用下的单桩沉降 二 单桩沉降的经验统计关系 四 单桩沉降计算的Randolph弹性理论法 三 大直径桩沉降的估算 Q s试验 打入桩 钻孔桩 将地基土简化为剪切模量随深度线性变化 将桩端视为刚性墩 按弹性力学理论分别考虑桩身和桩端土的压缩 提出桩顶沉降与桩顶荷载的关系 竖向荷载作用下群桩的工作性状 群桩的荷载传递特征 实际工程中的桩基础 除少量大直径桩是用单桩基础外 一般都是由多根桩 上部由承台联结而成的群桩基础 什么是群桩 群桩的承载力是否等于各单桩承载力之和 该问题的答案只有了解了群桩的荷载传递特征后才能给出 由于前述单桩荷载传递机制中 端承桩和摩擦桩的荷载传递机制存在显著差异 因此 端承型群桩和摩擦型群桩的荷载传递机制也有很大差异 端承群桩 由于持力层坚硬 不允许桩下沉 故桩侧摩阻力不易发挥 上部荷载通过桩身直接传到桩端处土层上 而桩端处承载压面积很小 各桩端的压力彼此互不影响 故可认为端承群桩中各桩的工作情况与单桩工作情况基本一样 同时 由于桩的变形很小 桩间土基本不承担荷载 群桩的承载力就等于各单桩的承载力之和 群桩的沉降量也与单桩基本相同 竖向荷载作用下群桩的工作性状 群桩的荷载传递特征 摩擦型群桩 摩擦型群桩主要通过每根桩侧面的摩擦阻力将上部荷载传布到桩周及桩端的土层中 假定桩侧摩阻力在土中引起的附加应力 z 按某一角度 沿桩长向下扩散分布至桩端平面处 这样则可能出现两种情况 第一种情况 桩距S较大时 桩端平面处各桩传来的压力互不重叠或重叠不多 这时群桩中各桩的工作情况仍和单桩单独工作一样 故群桩的承载力也等于各单桩承载力之和 要求 S 6d d为桩径 第二种情况 桩距较小时 桩端处地基中各桩传来的附加应力 z就会相互重叠 使得桩端处压力要比单桩时增大许多 桩端以下压缩土层的深度也要比单桩时深很多 要求 S 3 4 d 常用桩距 竖向荷载作用下群桩的工作性状 群桩的荷载传递特征 认识一个新概念 群桩效应 在很多情况下 群桩中各桩的工作状态就与单桩时迥然不同 群桩的承载力并不等于各单桩之总和 沉降量也大于单桩的沉降量 这就叫群桩效应 竖向荷载作用下群桩的工作性状 群桩的荷载传递特征 认识一个新概念 群桩效应 群桩中各桩的工作状态就与单桩时迥然不同 群桩的承载力并不等于各单桩之总和 沉降量也大于单桩的沉降量 这就叫群桩效应 影响群桩效应的主要因素 一是群桩自身的几何特征 包括承台的设置方式 高或低承台 桩距 桩长 及桩长与承台宽度比 桩的排列形式 桩数 二是桩侧与桩端的土性 土层分布和成桩工艺 挤土或非挤土 群桩效应具体反映在以下几方面群桩的侧阻力 群桩的端阻力 承台土反力 桩顶荷载分布 群桩沉降及其随荷载的变化 群桩的破坏模式 1桩侧阻力的群桩效应及群桩侧阻的破坏桩间土竖向位移受相邻桩影响而增大 桩土相对位移减小 在相同沉降条件下 群桩侧阻力发挥值小于单桩 桩距很小时 即使发生很大沉降 群桩中各基桩的侧阻力也不能充分发挥 桩距的大小不仅制约桩土相对位移 影响发挥侧阻所需群桩沉降量 而且影响侧阻的破坏性状与破坏值 竖向荷载作用下群桩的工作性状 群桩效应的一般规律 砂土 粉土 非饱和松散粘性土中的挤土型 打入 压入桩 群桩 在较小桩距 Sa 3d 条件下 群桩侧阻一般呈整体破坏 即桩 土形成整体 桩侧阻力的破坏面发生于桩群外围 桩距较大时 一般呈非整体破坏 即各桩的桩 土间产生相对位移 各桩的侧阻力剪切破坏发生于各桩桩周土体中或桩土界面 竖向荷载作用下群桩的工作性状 2端阻力的群桩效应及桩端阻破坏 由于邻桩的桩侧剪应力在桩端平面上重叠 桩端阻力随桩距减小而增大 相同成桩工艺下 群桩端阻力受桩距的影响 粘性土较非粘性土大 密实土较非密实土大 成桩工艺而言 非饱和土与非粘性土中的挤土桩 其群桩端阻力因挤土效应而提高 提高幅度随桩距增大而减小 竖向荷载作用下群桩的工作性状 群桩端阻的破坏与侧阻的破坏模式有关 群桩侧阻呈整体破坏的情况下 桩端演变为底面积与桩群投影面积相等的单独实体墩基 由于基底面积大 埋深大 一般不发生整体剪切破坏 当桩很短且持力层为密实土层时才可能出现整体剪切破坏 当群桩侧阻呈单独破坏时 各桩端阻的破坏与单桩相似 但因桩侧剪应力的重叠效应 相邻桩桩端土逆向变形的制约效应和承台的增强效应而使破坏承载力提高 竖向荷载作用下群桩的工作性状 竖向荷载作用下群桩的工作性状 3承台效应 摩擦型群桩在竖向荷载作用下 由于桩土相对位移 桩间土对承台产生一定的竖向抗力 成为桩基竖向承载力的一部分而分担荷载 这种效应叫承台效应 桩距越大 承台底土抗力愈大 承台底土抗力随承台宽度与桩长之比Bc l减小而减小 相同桩数 桩距下 承台分担荷载比率随Bc l增大而增大 承台外区土反力大于承台内区土反力 即呈马鞍形分布 承台内 外区面积比随桩数增多而增大 致承台底土抗力降低 对于单排桩条基 承台外区面积比较大 其承台底土抗力明显大于多排桩桩基 群桩的竖向承载力计算 群桩竖向承载力的概念 群桩竖向承载力指群桩基础的竖向承载能力 包含三层意思 群桩与一定范围土视为整体时所能承受的竖向总荷载 此时 桩端以下存在软弱下卧层 应校核其强度 群桩中的各基桩承载力应进行校核 群桩沉降应小于允许沉降量的竖向荷载 因此 沉降不仅是正常使用极限状态的校核条件 也是群桩承载力确定的依据 因此 群桩竖向承载力的确定应考虑上述三个方面 1 单桩承载力的简单累加法 群桩整体竖向承载力计算 适用条件 端承型群桩 桩数小于4根的摩擦型柱下独立桩基或由于地层土性 使用条件等因素不宜考虑承台效应时 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 群桩的竖向极限承载力 群桩的竖向承载力计算 2 以土强度为参数的极限平衡理论法 群桩竖向整体承载力计算 侧阻整体破坏模式下 对于小桩距 Sa 3d 挤土型低承台群桩 可将群桩基础看作为整体基础 而基础的破坏为整体外侧表面的剪切破坏 此时的群桩基础整体竖向承载力可采用两种方法估算 并取其小值 实体深基础底面土的极限承载力 不考虑应力扩散 考虑应力扩散 A B Bb Ab 群桩的竖向承载力计算 2 以土强度为参数的极限平衡理论法 群桩竖向整体承载力计算 侧阻非整体破坏模式下 对于非挤土型群桩 其侧阻多呈各单桩破坏 此时可忽略承台分担荷载的作用 其极限承载力可按下式计算 桩端面积 可通过土的强度指标确定 群桩的竖向承载力计算 群桩软弱下卧层的承载力验算 桩端持力层以下存在软弱下卧层时 对桩基整体稳定可能产生不利影响 体现在两个方面 持力层冲剪破坏致使桩基整体失稳 软弱下卧层变形致使桩基整体沉降过大 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 规定 对桩距不超过6d的群桩基础 桩端持力层以下存在承载力低于桩端持力层承载力1 3的软弱下卧层时 按下式验算软弱下卧层的承载力 群桩的竖向承载力计算 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 给出的软弱下卧层承载力验算公式详解 群桩软弱下卧层的承载力验算 群桩的竖向承载力计算 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 给出的软弱下卧层承载力验算公式详解 软弱下卧层土体经深度z修正的地基承载力特征值 修正方法同扩展基础 即 群桩软弱下卧层的承载力验算 群桩的竖向承载力计算 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 给出的软弱下卧层承载力验算公式详解 群桩软弱下卧层的承载力验算 群桩的竖向承载力计算 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 给出的软弱下卧层承载力验算公式详解 软弱下卧层顶面处的附加应力 假设桩端应力以一定角度向下扩散至下卧层顶面 按下式计算 群桩软弱下卧层的承载力验算 群桩的竖向承载力计算 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 给出的软弱下卧层承载力验算公式详解 软弱下卧层顶面处的附加应力 假设桩端应力以一定角度向下扩散至下卧层顶面 按下式计算 群桩软弱下卧层的承载力验算 群桩的竖向承载力计算 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 基桩桩顶竖向作用力按下式计算 单桩竖向承载力验算 轴心竖向作用力 1 桩顶作用效应 偏心竖向作用力 水平作用力 群桩的竖向承载力计算 单桩竖向承载力验算 竖向轴心荷载作用下 荷载效应标准组合下的桩顶作用效应 竖向偏心荷载作用下 还应满足 2 桩顶竖向承载力验算 3 非液化地基上桩基抗震竖向承载力验算 竖向轴心荷载作用下 竖向偏心荷载作用下 还应满足 地震作用效应和荷载效应标准组合时 桩顶竖向力 群桩的竖向承载力计算 单桩竖向承载力验算 1 桩承受全部地震作用 单桩承载力按非液化土层确定 但液化土层的桩周摩阻力应乘以液化影响折减系数 2 地震作用按水平地震影响系数最大值的10 采用 单桩承载力按非液化土层确定 但应扣除液化土层的全部摩阻力和桩承台下2m深度范围内非液化土层的桩周摩阻力 4 液化地基上桩基抗震竖向承载力验算 5 桩身混凝土强度验算 工作条件系数 两者间按不利情况设计 群桩的竖向承载力计算 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 要求 当桩周土沉降较大可能引起桩侧负摩阻力时 应根据工程具体情况考虑负摩阻力对桩基承载力和沉降影响 考虑桩侧负摩阻力的单桩承载力按以下方法校核 考虑负摩阻力的单桩竖向承载力验算 对摩擦型基桩 假设桩身计算中性点以上侧阻力为零 应满足 对端承型基桩 除满足上式要求外 还应考虑下拉荷载 应满足 下拉荷载 只计中性点以下的侧摩阻力和端阻力 下拉荷载为桩侧负摩阻力的总和 其的计算见 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 P44 有无大面积堆载区别 单桩基础与考虑群桩效应的基桩下拉荷载 群桩的沉降计算 软土中摩擦桩的沉降是非常复杂的问题 不能用简单的弹性理论描述 与实测结果差别很大 经验拟合方法观点出发 建筑地基规范 推荐考虑应力扩散及不考虑应力扩散的实体深基础和Minklin方法计算桩基沉降 但有差异 推荐经验修正系数 群桩沉降计算几点说明 建筑桩基沉降变形指标 沉降量 沉降差 整体倾斜 建筑物桩基倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比值 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之比值 建筑桩基沉降变形控制指标选用 砌体承重结构应由局部倾斜控制 多层或高层建筑和高耸结构应由整体倾斜值控制 框架 框架 剪力墙 框架 核心筒结构以柱 墙 之间的差异沉降控制 群桩的沉降计算 群桩沉降计算方法 按实体深基础方法计算 基本原理 将群桩基础看作实体深基础 以Bussinesq解求解桩端平面以下土体内的附加应力 按浅基础沉降计算方法进行沉降计算 适用条件 桩中心距不大于6倍桩径群桩 考虑群桩效应 计算图式 工程中常见有两种计算图示 如下图所示 一是不考虑群桩外侧剪应力扩散和传递 另一种是考虑剪应力的扩散和传递 共同特点是都不考虑桩间土的压缩变形对沉降的影响 缺点 不能够考虑桩间距 桩长以及桩数等因素影响 群桩的沉降计算 群桩沉降计算方法 建筑地基基础设计规范 的实体深基础法 群桩的沉降计算 群桩沉降计算方法 基于Geddes应力解的沉降计算方法 第k根桩引起的土中附加应力 群桩的沉降计算 群桩沉降计算方法 基于Geddes应力解的沉降计算方法 P158给出了三个系数的表达式 与m z l n r l m有关 群桩的沉降计算 群桩沉降计算方法 基于Geddes应力解的沉降计算方法 该方法与前述方法均采用分层总和法计算沉降 只不过附加应力计算方法不同 该方法的缺点是 对于大桩群不能手算 要求假定侧阻力分布 要求给出荷载分担比 但是 这种方法由于采用了Mindlin附加应力计算公式 能够考虑桩间距 桩长以及桩数等因素影响 根据Geddes得到的应力解 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011假定一般摩擦型桩的桩侧摩阻力为三角形分布 且不考虑桩身的压缩 可按下式计算桩基沉降 群桩的沉降计算 基本原理 将群桩基础看作实体深基础 将桩基沉降看作是桩端平面上等效作用的附加压力在桩端以下地基中产生的附加应力所引起的沉降 以分层总和法计算沉降量 群桩沉降计算方法 按等效作用分层总和法计算 适用条件 桩中心距不大于6倍桩径的群桩基础 考虑群桩效应 计算图式 见右图 需要注意的是 等效作用面位于桩端平面 采用桩基承台投影面积 等效作用附加压力近似取承台底平均附加压力 基桩自重产生的附加应力较小可以忽略 桩端平面以下地基附加应力按Bussinesq解确定 等效沉降系数纳入了按Mindlin解计算桩基沉降时附加应力及桩群几何参数的影响 群桩的沉降计算 等效作用分层总和法计算桩基沉降按以下公式 桩基沉降计算深度按应力比法确定 即 群桩沉降计算方法 按等效作用分层总和法计算 群桩的沉降计算 关于等效作用分层总和法的一些讨论 等效作用面积为桩端平面承台底面投影面积意味着忽略了桩周土的应力扩散等效作用附加压力近似取承台底平均附加压力意味着忽略了桩侧土的摩阻力 桩端平面以下地基附加应力按Bussinesq解确定 与土中实际的附加应力分布不符 计算应力偏大 故采用了桩基等效沉降系数对其予以修正 可理解为对Bussinesq解计算得到的沉降进行修正 也可理解为对Bussinesq解沉降计算用到的附加压力进行修正 该公式没有考虑桩身压缩部分 该公式没有考虑桩间土体压缩变形对沉降的影响 群桩沉降计算方法 按等效作用分层总和法计算 群桩的沉降计算 群桩沉降计算方法 疏桩基础沉降计算方法 承台底地基土不分担荷载的桩基 基本原理 桩端以下地基土中的附加应力由考虑桩径影响的Mindlin解给出 将沉降计算点水平面影响范围内各基桩对应力计算点产生的附加应力叠加 采用单向压缩分层总和法计算土层的沉降 并计入桩身压缩量 适用条件 单桩或桩中心距大于6倍桩径的单排桩和疏桩基础 计算公式 群桩的沉降计算 承台底地基土分担荷载的桩基 基本原理 桩端以下地基土中的附加应力由考虑桩径影响的Mindlin解给出 承台底土压力对地基中某点产生的附加应力以Bussinesq解给出 将沉降计算点水平面影响范围内各基桩对应力计算点产生的附加应力和承台底土压力产生附加应力叠加 采用单向压缩分层总和法计算土层的沉降 并计入桩身压缩量 适用条件 单桩或桩中心距大于6倍桩径的单排桩和疏桩基础 计算公式 群桩沉降计算方法 疏桩基础沉降计算方法 水平荷载作用下桩基的承载力和变位 桩 土共同工作的问题 桩在水平荷载作用下发生变位 使桩周土发生变形而产生抗力 从而阻止桩变形的进一步发展 当水平荷载低时 由靠近地面土提供 土变形为弹性 随水平荷载增加 表层土发生塑性屈服 从水平荷载向更深土层传递 当变形增大到桩不允许的程度或桩周土失去稳定时 桩 土体系破坏 水平荷载作用下单桩的工作性状 高层建筑桩基可视为弹性长桩 水平荷载下发生桩身挠曲变形 而可认为桩无限长 桩下段为嵌固于土中而不能转动 由桩截面抗矩和土抗力承担逐渐增大的荷载 当桩中弯矩超过其截面抗矩或土失去稳定时 桩趋于破坏 水平荷载作用下桩基的承载力和变位 水平荷载作用下单桩的内力与位移 将桩视为置于弹性土介质中的梁 在水平荷载作用下产生挠曲变形 使土产生抗力 地基土水平变形与抗力关系用地基土水平抗力系数k z 表示 k z 随深度线性增长 其比例系数用m表示 即m法 y为桩身水平位移 bo桩身计算宽度 基本挠曲微分方程 为桩顶水平位移系数 为水平临界荷载和位移 桩基础设计步骤 1 基础性资料收集2 选择桩的持力层 桩的类型和几何尺寸 初拟承台底面标高 3 确定单桩或基桩承载力特征值 4 确定桩的数量及其平面布置 5 验算桩基承载力和沉降量 6 必要时 验算桩基水平承载力和变形 7 桩身结构设计 8 承台设计与计算 9 绘制桩基施工图 桩基础设计 桩基础设计 桩基础设计内容和步骤 STEP1 收集设计资料 首先要充分掌握设计原始资料 包括建筑物类型 荷载 工程地质勘察资料 材料来源及施工技术设备等情况 并尽量了解当地使用桩基的经验以供设计参考 STEP2 选择持力层 桩型和几何尺寸 初拟承台底面标高 根据结构类型 荷载 地层条件 施工能力及环境条件 经济比较等因素 选择桩的类型 截面尺寸和长度 并确定桩基持力层 1桩长主要取决于桩端持力层的选择 桩端宜进入坚硬土层或岩层 采用端承型桩或嵌岩桩 当坚硬土层的埋深很深时 则宜采用摩擦型桩 桩端应尽量达到低压缩性 中等强度的土层上 2桩型选择 一般建筑物层数 10层 可采用d 500mm灌注桩 b 400mm预制桩 层数10 20层 可采用d 800 1000mm灌注桩 b 450 500mm预制桩 20 30层 可采用d 1000 1200mm钻 挖孔灌注桩 b 500mm预制桩 30 40层 可采用d 1200mm钻 挖孔灌注桩 b 500 550mm预应力管桩 40层 可采用d 5000mm挖孔灌注桩 桩基础设计 桩基础设计内容和步骤 3桩端持力层 桩端进入持力层的深度 对粘性土 粉土 不宜小于2d 对砂土 不宜小于1 5d 对碎石类土 不宜小于1 0d 当存在软弱下卧层时 桩端以下硬持力层厚度不宜小于4d 嵌岩灌注桩的周边嵌入微风化或中等风化岩体的最小深度不宜小于0 5m硬持力层较厚且施工条件许可时 桩端进入持力层的深度尽可能达到桩端阻力的临界深度 以提高桩端阻力 该临界深度值 对于砂 砾土为3 6d 粘性土 粉土为5 10d 4承台埋深的选择主要从结构要求和方便施工的角度来考虑 且不小于600mm 桩基础设计内容和步骤 桩基础设计 桩基础设计 桩基础设计内容和步骤 STEP3 确定单桩或基桩竖向承载力特征值 按前述方法确定 并可参考勘察单位提供的数值及地区经验 STEP4 确定桩数及平面布置 根据单桩承载力特征值和上部结构物荷载确定桩数中心荷载时 n Fk Gk Ra偏心荷载时 桩基中各桩受力可能不均等 桩数可按上式确定值增加10 20 所选的桩数是否合适 待验算各桩受力决定 合理地布桩是使桩基经济和有效的重要环节 考虑的原则是 1 尽可能使群桩横截面的形心与长期荷载的合力作用点重合 以便使各桩受力均匀 对于荷载作用点位置变化的建筑物 可使群桩重心位于变化幅度之中 2 尽可能将桩布置在靠近承台的外围部分 以增加桩基的惯性矩 3 保持桩距sa 3 4 d左右为宜 桩在平面上的布置多采用行列式 也可采用梅花式 可以等距排列也可以不等距排列 4 对于桩箱基础 宜将桩布置于墙下 对于带梁 肋 的桩筏基础 宜将桩布置于梁 肋 下 对于大直径桩宜采用一柱一桩 桩基础设计 桩基础设计内容和步骤 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 对基桩最小中心距的规定 桩基础设计 桩基础设计内容和步骤 桩的平面布置如图所示 STEP5 验算桩基承载力和沉降量 包括群桩承载力验算和群桩中每根单桩的受力验算 必要时还要验算群桩地基沉降量 若验算结果不能满足要求时 应修改设计直到满足为止 STEP6 必要时 验算桩基水平承载力和变形 桩基础设计 TYPE1 灌注桩 配筋率 当桩身直径为300 2000mm时 正截面配筋率可取0 65 0 2 其它情况根据计算确定配筋率 且不应小于上述规定 配筋长度 摩擦型桩基配筋长度不应小于2 3桩长 主筋和箍筋 纵向主筋应沿桩身周边均匀分布 其净距不应小于60mm 箍筋应采用螺旋式 直径不小于6mm 间距宜为200mm 300mm 当钢筋笼长度超过4m时 应每隔2m设一道直径不小于12mm的焊接加强箍筋 桩身混凝土 强度不得小于C25 混凝土预制桩尖强度等级不得小于C30 主筋混凝土保护层厚度不应小于35mm 另外 规范还针对扩底桩 抗拔桩以及承受水平荷载桩等情况的基桩构造分别给出了一些规定 STEP7 桩身结构设计 桩基础设计内容和步骤 桩基础设计 TYPE2 混凝土预制桩 截面 混凝土预制桩截面边长不应小于200mm 预应力混凝土预制实心桩截面边长不应小于350mm 配筋 预制桩的桩身配筋应按吊运 打桩及桩在使用中的受力等条件计算确定 采用锤击沉桩时 最小配筋率不宜小于0 8 静压沉桩时 最小配筋率不宜小于0 6 主筋直径不宜小于14mm 打入桩桩顶以下 4d 5d 深度范围内箍筋应加密 并设置钢筋网片 分节及接桩 分节长度应根据施工条件和运输条件确定 每根桩的接头数不宜超过3个 桩身混凝土 强度不宜低于C30 混凝土预制实心桩尖强度等级不得小于C40 纵向钢筋混凝土保护层厚度不宜小于30mm 桩基础设计内容和步骤 桩基础设计 TYPE3 钢桩 桩型 钢桩可采用管型 H型和其它异型钢材 端部形式 根据桩所穿越的土层 桩端持力层性质 桩的尺寸 挤土效应等因素综合考虑确定 钢管桩的主要端部形式 敞口 有带加强箍和带内隔板等不同组合闭口 平底 锥底 分段长度 分段长度宜为12m 15m H型桩的主要端部形式 带端板不带端板 锥底 平底 桩基础设计内容和步骤 桩基础设计 桩基础设计内容和步骤 STEP8 承台设计和计算 除单桩基础可不设承台外 一般桩基础均要设置承台 承台的作用是把桩联结成一个整体 并把建筑物的荷载传到桩上 因而承台应有足够的强度和刚度 常用的低桩承台埋深应不小于600mm 承台的设计主要是确定承台的平面尺寸和形状 承台的厚度及与桩的联结 承台的配筋等 承台分类柱下独立承台 柱下或墙下条形承台 梁式承台 筏板承台 箱形承台 桩基础设计 承台的主要构造 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 承台构造尺寸 柱下独立桩基承台的最小宽度不小于500mm 边桩中心至承台边缘的距离不小于桩的直径或边长 且桩的外边缘至承台边缘距离不小于150mm 对于墙下条形承台梁 桩的外边缘至承台边缘距离不小于75mm 承台的最小厚度不小于300mm 高层建筑平板式和梁板式承台的最小厚度不小于400mm 墙下布桩的剪力墙结构筏形承台的最小厚度不小于200mm 承台的钢筋配置 柱下独立桩基承台钢筋应通长配置 对四桩以上承台宜按双向均匀布置 对三桩三角形承台应按三向板带均匀布置 且最里面的三根钢筋围成的三角形应在柱截面范围内 承台底面钢筋的混凝土保护层厚度 当有垫层时 不应小于50mm 当无垫层时 不应小于70mm 此外尚不应小于桩头嵌入承台内的长度 桩基础设计 承台的主要构造 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 桩与承台连接构造 桩嵌入承台内的长度对中等直径桩不应小于50mm 对大直径桩不宜小于100mm 混凝土桩的桩顶纵向主筋应锚入承台内 锚入长度不宜小于35倍主筋直径 对于大直径灌注桩 当采用一柱一桩时可设置承台或将桩与柱直接相连 柱与承台的连接构造 采用一柱一桩 柱与桩直接连接时 柱纵向主筋锚入桩身长度不应小于35倍纵向主筋直径 对于多桩承台 柱纵向主筋锚入承台不小于35倍柱纵向主筋直径 当承台高度不满足锚固要求时 竖向锚入长度不应小于20倍纵向主筋直径 并向柱轴线方向弯折90度 承台与承台的连接构造 见 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 P