第四章-桩基础(二).

4 2单桩轴向荷载的传递 4 2 1单桩轴向荷载传递过程4 2 2单桩轴向荷载传递的一般规律4 2 3桩在轴向荷载下的破坏型式4 2 4桩的负摩阻力 4 2 1单桩轴向荷载的传递过程 桩在轴向压力荷载作用下 桩顶将发生轴向位移 沉降 桩身弹性压缩 桩底土层压缩置于土中的桩与其侧面土是紧密接触的 当桩相对于土向下位移时就产生土对桩向上作用的桩侧摩阻力 桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中 必须不断地克服这种摩阻力 桩身轴向力就随深度逐渐减小 传至桩底轴向力也即桩底支承反力 桩底支承反力 桩顶荷载 全部桩侧摩阻力桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递给土体 土对桩的支承力 桩侧摩阻力 桩端阻力桩的极限荷载 或称极限承载力 桩侧极限摩阻力 桩端极限阻力 4 2 2单桩轴向荷载传递的一般规律 桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关 且各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的 试验表明 桩端阻力的充分发挥需要有较大的位移值 粘性土中约为桩底直径的25 砂性土中约为8 10 而桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能充分的发挥 一般认为粘性土为4 6mm 砂性土为6 10mm 桩侧摩阻力 f 桩土间的相对位移 土的性质 桩的刚度 时间 土中应力状态 桩的施工 桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题 桩侧土极限摩阻力值 桩侧土的剪切强度桩侧土的剪切强度 f 类别 性质 状态和剪切面上的法向应力 桩底阻力 f 土的性质 持力层上覆荷载 桩径 桩底作用力 时间及桩底端进持力层深度 模型和现场的试验研究表明 桩的承载力随着桩的入土深度 特别是进入持力层的深度而变化 这种特性称为深度效应 桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时 桩端的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加 达到一定深度后 桩端阻力的极限值保持稳定值 这一深度称为临界深度 桩侧的极限摩阻力随着进入持力层的深度线性增加 达到一定深度后 保持稳定值 这一深度称为临界深度 4 2 3单桩在轴向荷载作用下的破坏型式 压屈破坏 当桩底支承在很坚硬的地层 桩侧土为软土层抗剪强度很低 桩在轴向受压荷载作用下 如同一根压杆似地出现纵向挠曲破坏 荷载 沉降 P s 曲线上呈现出明确的破坏荷载 桩的承载力取决于桩身的材料强度 整体剪切破坏 足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时 桩底土形成滑动面出现整体剪切破坏 因为桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成 在曲线上可求得明确的破坏荷载 桩的承载力主要取于桩底土的支承力 桩侧摩阻力也起一部分作用 刺入破坏 足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时 桩在轴向受压荷载作用下 刺入式破坏 根据荷载大小和土质不同 试验中得到的曲线上可能没有明显的转折点或有明显的转折点 表示破坏荷载 桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同支承 即一般所称端承摩擦桩或几乎全由桩侧摩阻力支承即摩擦桩 4 2 4单桩的负摩阻力 一 负摩阻力的意义及其产生原因 二 中性点及其位置的确定 三 负摩阻力的计算 四 需要考虑负摩阻力的桩基 一 负摩阻力的意义及其产生原因 正摩阻力 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 负摩阻力 negativeskinfriction negativeshaftresistance桩周土由于自重固结 湿陷 地面荷载作用等原因而产生大于基桩的沉降所引起的对桩表面的向下摩阻力 外荷载承载力相对降低桩基沉降加大特别要注意 桥头路堤高填土的桥台桩基础的负摩阻力问题 负摩阻力产生的原因 1 在桩附近地面大面积堆载 引起地面沉降 对桩产生负摩阻力 2 土层中抽取地下水或其他原因 地下水位下降 使土层产生自重固结下沉 3 桩穿过欠压密土层 如填土 进入硬持力层 土层产生自重固结下沉 4 桩数很多的密集群桩打桩时 使桩周土中产生很大的超孔隙水压力 打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉 5 在黄土 冻土中的桩 因黄土湿陷 冻土融化产生地面下沉 二 中性点及其位置的确定 负摩阻力产生范围 桩侧土层对桩产生相对下沉的范围 负摩阻力的影响因素 桩侧土层的压缩 取决于地表作用荷载 或土的自重 和土的压缩性质 并随深度而逐渐减小 桩身弹性压缩变形 桩身压缩变形随深度逐渐减少 桩底下沉 桩底的下沉在桩身各截面都是定值 如图线a b c所示 中性点 正 负摩阻力变换处的位置 即称中性点 中性点的位置 桩与桩侧土的相对位移 桩周土的性质 当桩侧土层压缩变形大 桩底下土层坚硬 桩的下沉量小时 中性点位置就会下移 反之 中性点位置就会上移 中性点深度应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定 也可参照表4 2 4 1确定 表4 2 4 1中性点深度 注 1 分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度 2桩穿过自重湿陷性黄土层时可按表列值增大10 持力层为基岩除外 3当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时 取4当桩周土层计算沉降量小于20mm时 应按表列值乘以0 4 0 8折减 1中性点以上单桩桩周第层土负摩阻力标准值 可按下列公式计算 4 2 4 1 当填土 自重湿陷性黄土湿陷 欠固结土层产生固结和地下水降低时 当地面分布大面积荷载时 4 2 4 2 三 负摩阻力及其引起的下拉荷载的计算 式中 第层土桩侧负摩阻力标准值 当按式 4 2 4 1 计算值大于正摩阻力标准值时 取正摩阻力标准值进行设计 桩周第层土负摩阻力系数 可按表4 2 4 2取值 桩周第层土平均竖向有效应力 由土自重引起的桩周第层土平均竖向有效应力 桩群外围桩自地面算起 桩群内部桩自承台底算起 分别为第计算土层和其上第土层的重度 地下水位以下取浮重度 第层土 第层土的厚度 地面均布荷载 表4 2 4 2负摩阻力系数注 1在同一类土中 对于挤土桩 取表中较大值 对于非挤土桩 取表中较小值 2填土按其组成取表中同类土的较大值 2考虑群桩效应的基桩下拉荷载可按下式计算 4 2 4 3 4 2 4 4 式中 中性点以上土层数 中性点以上第i土层的厚度 负摩阻力群桩效应系数 分别为纵横向桩的中心距 中性点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值 中性点以上桩周土层厚度加权平均重度 地下水位以下取浮重度 对于单桩基础或按式 4 2 4 4 计算的群桩效应系数 1时 取 1 桩周土沉降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的影响 当缺乏可参照的工程经验时 可按下列规定验算 2 对于端承型基桩除应满足上式要求外 尚应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载 并可按下式验算基桩承载力 3 当土层不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时 尚应将负摩阻力引起的下拉荷载计入附加荷载验算桩基沉降 注 本条中基桩的竖向承载力特征值只计中性点以下部分侧阻值及端阻值 1 对于摩擦型基桩可取桩身计算中性点以上侧阻力为零 并可按下式验算基桩承载力 符合下列条件之一的桩基 当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时 在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力 1 桩穿越较厚松散填土 自重湿陷性黄土 欠固结土 液化土层进入相对较硬土层时 2 桩周存在软弱土层 邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载 或地面大面积堆载 包括填土 时 3 由于降低地下水位 使桩周土中有效应力增大 并产生显著压缩沉降时 4 3单桩竖向抗压承载力 单桩竖向极限承载力 ultimateverticalbearingcapacityofasinglepile 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时所对应的最大荷载 它取决于土对桩的支承阻力和桩身承载力 一般由土对桩的支承阻力控制 对于端承桩 超长桩和桩身质量有缺陷的桩 可能由桩身材料强度控制 确定方法有多种 考虑地基土具有多变性 复杂性和地域性 几种方法作综合考虑和分析 合理地确定 4 3 1按桩身材料强度确定4 3 2用静载试验确定4 3 3按设计规范经验公式确定4 3 4按静力触探法确定4 3 5按动测试桩法确定4 3 6桩基竖向承载力特征值和承载力标准值 4 3单桩竖向抗压承载力 4 3 1按桩身材料强度确定 式中 单桩竖向承载力特征值 桩纵向弯曲系数 通常取1 0 单桩施工工艺系数 砼预制桩取1 0 干作业非挤土灌注桩取0 9 泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩 部分挤土灌注桩 挤土灌注桩取0 8 分别为砼的轴心抗压强度设计值和钢筋的抗压强度设计值 桩身断面积和桩身纵筋断面积 垂直静载试验法 在桩顶逐级施加轴向荷载 直至桩达到破坏状态为止 并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降 根据沉降与荷载及时间的关系 确定单桩竖向极限承载力 试桩数量 可利用已打好的工程桩 也可专门设置与工程桩相同的试验桩 考虑到试验场地的差异性及试验的离散性 不应少于3根 且不少于总桩数的1 当工程桩总数在50根以内时 不少于2根 4 3 2按静载试验确定 1 试验装置 装置 加载装置 荷载与沉降的量测仪表 2 测试方法 试验加载方式 慢速维持荷载法 分级加载 每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载 直到试桩破坏 每级荷载约为预估极限承载力或最大加载量的1 10 第一级可按2倍分级荷载加荷 测读沉降时间 每级加载后按第5 15 30 45 60各测读一次 以后每隔30测读一次 沉降相对稳定的标准 每一小时的沉降不超过 并连续出现两次 从分级荷载施加后第开始 按内连续三次每的沉降观测值计算 终止试验 待某一级沉降稳定后 施加下一级 循此加载观测 直至桩达到破坏状态 所相应施加的荷载即为破坏荷载 破坏状态标准 1 某级荷载作用下 桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍以上 2 某级荷载下桩的沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍以上 且经桩的沉降未趋相对稳定 3 已达到设计要求的最大加载量 4 当工程桩作锚桩时 锚桩上拔量已达到允许值 5 当荷载沉降呈缓变型时 可加载至桩项总沉降量 3 单桩竖向极限承载力和极限承载力标准值 单桩竖向极限承载力可按下列方法综合分析确定 1 对于陡降型曲线 取曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载值 2 对于缓变型曲线可取对应的荷载 对于大直径桩可取 为桩端直径 所对应的荷载值 当桩长大于时 宜考虑桩的弹性压缩量 3 取曲线尾部明显出现向下弯曲的前一级荷载值 4 出现破坏状态标准的第2种情况 取前一级荷载值 注 当按上述四条判定桩的竖向抗压承载力未达到极限时 桩的竖向抗压极限承载力取最大试验荷载值 单桩竖向抗压极限承载力统计值 标准值 的确定 1 当满足极差不超过平均值的30 时 取其平均值为单桩竖向抗压极限承载力统计值 2 当极差超过平均值的30 时 应分析原因 结合工程具体情况综合确定 必要时可增加试桩数量 3 对桩数为3根或3根以下的桩下承台 或工程桩数量少于3根时 取小值 单桩竖向承载力特征值 characteristicvalueoftheverticalbearingcapacityofasinglepile按单桩竖向抗压极限承载力统计值的一半取值 1 根椐土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值 4 3 3按设计规范经验公式确定 式中 桩侧第i层土的极限侧阻力标准值 相应于桩顶作用极限荷载时 桩身侧表面所发生的岩土阻力 可按表5 3 5 1取值 极限端阻力标准值 相应于桩顶作用极限荷载时 桩端所发生的岩土阻力 可查表5 3 5 2 桩身断面周长 桩端底面积 桩穿越第i层土的长度 4 3 3 1 2 根椐土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定大直径桩单桩竖向极限承载力标准值 式中 和 大直径桩侧阻 端阻尺寸效应系数 按表5 3 5 2取值 表5 3 6 2大直径灌注桩侧阻 端阻尺寸效应系数 4 3 3 2 桩侧第i层土的极限侧阻力标准值 如无当地经验时 可按表5 3 5 1取值 对于扩底桩斜面及变截面以上长度范围不计侧阻力 桩径为的极限端阻力标准值 对于干作业挖孔 清底干净 可采用深层载荷板试验确定 当不能进行深层载荷板试验时 可查表5 3 6 1 桩身断面周长 当人工挖孔桩周护壁为振捣密实的混凝土时 桩身周长可按护壁外直径计算 桩身直径 桩端直径 3 根椐土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定钢管桩单桩竖向极限承载力标准值 当时 当时 式中 按表6 3 3 1 6 3 3 2取与混凝土预制桩相同值 桩端土塞效应系数 对于闭口钢管桩 对于敞口钢管桩按式 4 3 3 4 4 3 3 5 取值 4 3 3 3 4 3 3 4 4 3 3 5 桩端进入持力层深度 钢管桩外径 对于带隔板的半敞口钢管桩 应以等效直径代替d确定 其中为桩端隔板分割数 见下图 隔板分割示意图 关于钢管桩单桩竖向极限承载力计算的说明 闭口钢管桩的承载变形机理与混凝土预制桩相同 钢管桩表面性质与混凝土桩表面虽有不同 但大量试验表明 两者的极限侧阻力可视为相等 因为除坚硬黏性土外 侧阻剪切破坏面是发生于靠近桩表面的土体中 而不是发生于桩土介面 因此 闭口钢管桩承载力的计算可采用与混凝土预制桩相同的模式与承载力参数 敞口钢管桩的承载力机理与承载力随有关因素的变化比闭口钢管桩复杂 这是由于沉桩过程 桩端部分土将涌入管内形成 土塞 土塞的高度及闭塞效果随土性 管径 壁厚 桩进入持力层的深度等诸多因素变化 而桩端土的闭塞程度又直接影响桩的承载力性状 称此为土塞效应 闭塞程度的不同导致端阻力以两种不同模式破坏 一种是土塞沿管内向上挤出 或由于土塞压缩量大而导致桩端土大量涌入 这种状态称为非完全闭塞 这种非完全闭塞将导致端阻力降低 另一种是如同闭口桩一样破坏 称其为完全闭塞 土塞的闭塞程度主要随桩端进入持力层的相对深度而变化 为简化计算 以桩端土塞效应系数表征闭塞程度对端阻力的影响 4 根椐土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值 当时 当时 式中 按表6 3 3 1 6 3 3 2取与混凝土预制桩相同值 桩端土塞效应系数 空心桩桩端净面积 管桩 4 3 3 6 4 3 3 7 4 3 3 8 空心方桩 空心桩敞口面积 d b 空心桩外径 边长 空心桩内径 由于桩端敞口 类似于钢管桩也存在桩端的土塞效应 不同的是 混凝土空心桩壁厚度较钢管桩大得多 计算端阻力时 不能忽略空心桩壁端部提供的端阻力 故端阻力分为两部分 一部分为空心桩壁端部端阻力 大小为 另一部分为敞口部分端阻力 其大小为 总极限端阻力 总极限侧阻力计算与闭口预应力混凝土空心桩相同 5 嵌岩桩桩端置于完整 较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力 由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成 分别为土的总极限侧阻力 嵌岩段总极限阻力标准值 岩石饱和单轴抗压强度标准值 黏土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 岩石软硬程度和成桩工艺有关 可按表4 3 3 4采用 表中数值适用于泥浆护壁成桩 对于干作业成桩 清底干净 和泥浆护壁成桩后注浆 应取表列数值的1 2倍 4 3 3 9 表4 3 3 4嵌岩段侧阻和端阻综合系数注 极软岩 软岩指 15MPa 较硬岩 坚硬岩指 30MPa 介于二者之间可内插取值 为桩身嵌岩深度 当岩面倾斜时 以坡下方嵌岩深度为准 当为非表列值时 可内差取值 6 后注浆灌注桩 分别为后注浆侧阻力 端阻力增强系数 无当地经验时 可按表4 3 3 7取值 对于桩径大于的桩 应按表4 3 4进行侧阻和端阻尺寸效应修正 后注浆竖向增强段第层土的厚度 对于泥浆护壁成孔灌注桩 当为单一桩端后注浆时 竖向增强段为桩端以上 当为桩端 桩侧复式注浆时 竖向增强段为桩端以上及各桩侧注浆断面以上 重叠部分应扣除 对于干作业灌注桩 竖向增强段为桩端以上 桩侧注浆断面上下各 4 3 3 9 表4 3 3 7后注浆侧阻力增强系数 端阻力增强系数注 干作业钻 挖孔桩 按表列值乘以小于1 0的折减系数 当桩端持力层为黏性土或粉土时 折减系数取0 6 当桩端持力层为砂土或碎石土时 取0 8 6 液化效应对于桩身周围有液化土层的低承台桩基 当承台底面上下分别有厚度不小于1 5m 1 0m的非液化土或非软弱土层时 可将液化土层极限侧阻力乘以土层液化折减系数计算单桩极限承载力标准值 土层液化折减系数可按表4 3 3 5确定 表4 3 3 5土层液化折减系数 注 N为饱和土标贯击数实测值 为液化判别标贯击数临界值 为土层液化指数 对于挤土桩当桩距不大于4d 且桩的排数不少于5排 总桩数不少于25根时 土层液化影响折减系数可按表列值提高一档取值 桩间土标贯击数达到时 取 当承台底面上下非液化土层厚度小于以上规定时 土层液化折减系数取为零 触探仪的探头贯入土中时的贯入阻力与受压单桩在土中的工作状况有相类似 将探头压入土中测得探头的贯入阻力 取得资料与试桩结果进行比较 通过大量资料的积累和分析研究 建立经验公式确定单桩竖向极限承载力标准值 测试时 可采用单桥或双桥探头 4 3 4按静力触探法确定 1 当根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时 如无当地经验可按下式计算 式中 用静力触探比贯入阻力值估算的桩周第i层土的极限侧阻力标准值 可查图 桩端阻力修正系数 可查表4 3 4 1 桩端附近的静力触探比贯入标准值 平均值 可按下式计算 当时 当时 4 3 4 1 4 3 4 2 4 3 4 3 式中 桩端全截面以上8倍桩径范围内的比贯入阻力平均值 桩端全截面以下4倍桩径范围内的比贯入阻力平均值 如桩端持力层为密实的砂土层 其比贯入阻力平均值超过20MPa时 则需乘以表4 3 4 2中系数C予以折减后 再计算 折减系数 可查表4 3 4 3 2 当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时 对于粘性土 粉土和砂土 如无当地经验时可按下式计算 式中 第i层土的探头平均侧阻力 4 3 4 4 表4 3 4 1桩端阻力修正系数值注 桩长15 l 30m 值按值直线内插 为桩长 不包括桩尖高度 表4 3 4 2系数C表4 3 4 3折减系数注 表4 3 4 2 表4 3 4 3可内插取值 桩端阻力修正系数 对粘性土 粉土取2 3 饱和砂土取1 2 桩端平面上 下探头阻力 取桩端平面以上4d范围内的探头阻力加权平均值 然后再和桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均 第i层土桩侧阻力综合修正系数 按下式计算 粘性土 粉土 砂土 动测法 指给桩顶施加一动荷载 用冲击 振动等方式施加 量测桩土系统的响应信号 然后分析计算桩的性能和承载力 低应变动测法 由于施加于桩顶的荷载远小于桩的使用荷载 不足使桩土间发生相对位移 而只通过应力波沿桩身的传播和反射的原理作分析 可用来检验桩身质量 不宜作桩承载力测定 高应变动测法 一般是以重锤敲击桩顶 使桩贯入 桩土间产生相对位移 从而可以分析对桩的外来抗力和测定桩的承载力 也可检验桩体质量 6 3 5按动测法确定 1 单桩竖向承载力特征值应按下式确定 式中 单桩竖向极限承载力标准值 K 安全系数 取K 2 2 对于端承型桩基 桩数少于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 基桩竖向承载力特征值应取单桩竖向承载力特征值 3 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其复合基桩的竖向承载力特征值 4 3 6桩基竖向承载力特征值 1 上部结构整体刚度较好 体型简单的建 构 筑物 2 对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物 3 按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区 4 软土地基的减沉复合疏桩基础 4 考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值可按下列公式确定 不考虑地震作用时 考虑地震作用时 式中 承台效应系数 可按表4 3 6取值 4 3 6 2 4 3 6 1 变刚度调平设计 optimizeddesignofpilefoundationstiffnesstoreducedifferentialsettlement考虑上部结构形式 荷载和地层分布以及相互作用效应 通过调整桩径 桩长 桩距等改变基桩支承刚度分布 以使建筑物沉降趋于均匀 承台内力降低的设计方法 减沉复合疏桩基础 compositefoundationwithsettlement reducingpiles软土地基天然地基承载力基本满足要求的情况下 为减小沉降采用疏布摩擦型桩的复合桩基 式中 承台下1 2承台宽度且不超过