第六章-桩基础(一).ppt

第六章桩基础,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,6.1.1概念,6.1概述,3,单桩基础,群桩基础,承台,基桩,上部结构荷载,6.1.1概念,6.1.1概念,地基土质差或软硬不均，不能满足上部结构对变形的要求。地基软弱或土性特殊，自重湿陷性黄土、膨胀土等。荷载大，且伴有较大偏心、水平、动力或周期性荷载作用。水中基础施工困难，如桥梁、码头、钻采平台等。需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。,6.1.2桩基础的适用性,6.1.3桩基础的优缺点,基桩础的优点,造价高；施工复杂；打入桩振动及噪音对环境影响；灌注桩对场地环境卫生的影响；工作机理较复杂，设计计算方法不完善。,基桩础的缺点,有较高的承载能力和稳定性；能减少基础的沉降和不均匀沉降；能克服不良地质现象危害；具有良好的抗震和抗爆性能；有很强的灵活性；对结构体系、范围及荷载变化等有较强的适应性。,6.2.1桩基的分类,基桩分类,按承载性状：摩擦型桩、端承型桩,按施工方法：预制桩、灌注桩,按设置效应：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩,按桩径大小：小桩(250mm)、中等直径桩(250,800mm)、大直径桩(800mm),按使用功能：承压桩、抗拔桩、横向受荷桩、锚桩,按截面形状：圆桩、方桩、多边形桩、异形桩、DX桩等,6.2桩的类型与特点,按桩体材料：木桩、混凝土桩、钢桩、组合材料桩,按承载性状分类（荷载传递方式）,分类依据：根据桩侧与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比例的不同。,6.2.1桩基的分类,6.2.1桩基的分类,按施工方法分类,预制桩在工厂或施工现场制成的各种形式的,桩，如打入桩、振沉桩、旋入桩、静压桩等。,灌注桩在施工现场的桩位上用机械或人工成,孔，然后在孔内灌注混凝土而成。如,挖孔、钻孔、沉管等成孔灌注桩等,混凝土预制桩,要求：截面边长300500mm，分节长度12m。预应力,管桩外径300600mm，每节长513m；,优点：承载力高，耐久性好，质量较易保证。,缺点：自重大，打桩难，桩长难统一，工艺复杂。,钢桩,要求：直径2501200mm，批量生产。,优点：穿透性强，承载能力高，应用方便。,缺点：成本高，易锈蚀。,木桩,要求：桩径160260mm，桩长46m。,优点：制作运输方便，打桩设备简单。,缺点：承载力低，仅在一些加固工程与临时工程中采用。,预制桩按材料类型及特点,6.2.1桩基的分类,打入桩,特点：打入桩是通过锤击（或以高压射水辅助）将各种预先制好的桩（主要是钢筋混凝土实心桩或管桩，也有木桩或钢桩）打入地基内达到所需要的深度。这种施工方法适应于桩径较小（一般直径在0.60m以下），地基土质为砂性土、塑性土、粉土、细砂以及松散的不含大卵石或漂石的碎卵石类土的情况。,预制桩按设桩方法的分类及特点,6.2.1桩基的分类,压入桩,特点：在软塑粘性土中也可以依靠压桩机以静力将桩压入土中称为压入桩。这种压桩施工方法免除了锤击的振动影响，是在软土地区，特别是在不允许有强烈振动的条件下桩基础的一种有效施工方法。,旋入桩,特点：旋入桩是在板端处设一螺旋板利用外部机械的扭力将其逐渐旋入地基中。桩身断面一般较小，螺旋板相对较大，在旋入过程中对桩侧土体的扰动较大，因而主要靠桩端的螺旋板承担桩体轴向的压力或拉力。,预制桩按设桩方法的分类及特点,4.2桩基的分类,振沉桩,特点：振动法沉桩是将大功率的振动打桩机安装在桩顶（预制的钢筋混凝土桩或钢管桩），利用振动力以减少土对桩的阻力，使桩沉入土中。它对于较大桩径，土的抗剪强度受振动时有较大降低的砂土等地基效果更为明显。,沉桩预制桩的特点,（1）不易穿透较厚的砂土等硬夹层（除非采用预钻孔、射水等辅助沉桩措施），只能进入砂、砾、硬粘土、强风化岩层等坚实持力层不大的深度。（2）沉桩方法一般采用锤击，由此产生的振动、噪声污染必须加以考虑。（3）沉桩过程产生挤土效应，特别是在饱和软粘土地区沉桩可能导致周围建筑物、道路、管线等的损失。（4）一般说来预制桩的施工质量较稳定。（5）预制桩打入松散的粉土、砂砾层中，由于桩周和桩端土受到挤密，使桩侧表面法向应力提高，桩侧摩阻力和桩端阻力也相应提高。（6）由于桩的贯入能力受多种因素制约，因而常常出现因桩打不到设计标高而截桩，造成浪费。（7）预制桩由于承受运输、起吊、打击应力，需要配置较多钢筋，混凝土标号也要相应提高，因此其造价往往高于灌注桩。,预制方桩,绑扎钢筋笼,预制管桩,钢管桩裸管吊装,钢管桩裸管进入防腐生产线,正在进行环氧粉末喷涂的钢管桩,钢管桩成品管吊装存放,分类,沉管灌注桩、钻孔灌注桩、挖孔桩。按成孔方式分为可分为钻孔、冲孔、控孔、挤孔、爆扩孔,原理,直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼灌,注混凝土而成。,特点,能适应各种地层，无需接桩，施工时无振动、无挤,土、噪音小，宜在建筑物密集地区使用。,施工关键,桩身的成型和混凝土质量,灌注桩的分类及特点,4.2.1桩基的分类,灌注桩钻孔灌注桩,钻孔灌注桩系指用钻（冲）孔机具在土中钻进，边破碎土体边出土渣而成孔，然后在孔内放入钢筋骨架，灌注混凝土而形成的桩。为了顺利成孔、成桩，需采用包括制备有一定要求的泥浆护壁、提高孔内泥浆水位、灌注水下混凝土等相应的施工工艺和方法。钻孔灌注桩的特点是施工设备简单、操作方便，适应于各种砂性土、粘性土，也适应于碎、卵石类土层和岩层。但对淤泥及可能发生流沙或承压水的地基，施工较困难，施工前应做试桩以取得经验。我国已施工的钻孔灌注桩的最大入土深度已达百余米。,灌注桩挖孔灌注桩,依靠人工（用部分机械配合）在地基中挖出桩孔，然后与钻孔桩一样灌注混凝土而成的桩称为挖孔灌注桩。它的特点是不受设备限制，施工简单；桩径较大，一般大于1.4m。适应于无水或渗水量小的地层；对可能发生流沙或含较厚的软粘土层地基施工较困难（需要加强孔壁支撑）；在地形狭窄、山坡陡峻处可以代替钻孔桩或较深的刚性扩大基础。因能直接检验孔壁和孔底土质，所以能保证桩的质量。还可采用开挖办法扩大桩底以增大桩底的支承力。,灌注桩沉管灌注桩,沉管灌注桩系指采用锤击或振动的方法把带有钢筋混凝土桩尖或带有活瓣式桩尖（沉桩时桩尖闭合，拔管时活瓣张开）的钢套管沉入土层中成孔，然后在套管内放置钢筋笼，并边灌混凝土边拔套管而形成的灌注桩，也可将钢套管打入土中挤土成孔后向套管中灌注混凝土并拔出套管成桩。,特点：适用于粘性土、砂性土、砂土地基可以避免钻孔灌注桩施工中可能产生的流砂、坍孔的危害和由泥浆护壁所带来的排渣等弊病桩的直径较小在软粘土中易出现混凝土桩缩颈现象,灌注桩的特点,（1）施工过程无大的噪声和振动（沉管灌注桩除外）。（2）可根据土层分布情况任意变化桩长；根据同一建筑物的荷载分布与土层情况可采用不同桩径；对于承受侧向荷载的桩，可设计成有利于提高横向承载力的异形桩，还可设计成变截面桩，即在受弯矩较大的上部采用较大的断面。（3）可穿过各种软、硬夹层，将桩端置于坚实土层和嵌入基岩，还可扩大桩底以充分发挥桩身强度和持力层的承载力。（4）桩身钢筋可根据荷载与性质及荷载沿深度的传递特征，以及土层的变化配置。无需象预制桩那样配置起吊、运输、打击应力筋。其配筋率远低于预制桩，造价约为预制桩的4070%。,钢护筒结构,旋转钻进成孔,ZJD300回转钻机,冲击钻头,吊装钢筋骨架,吊放钢筋笼,人工挖孔灌注桩施工,人工挖孔灌注桩孔斜检查,人工挖孔灌注桩现浇混凝土护壁,人工挖孔灌注桩干浇混凝土,按桩的设置效应分类,非挤土桩成桩过程中对桩相邻土基本不产生挤土效应的桩,如钻（冲或挖）孔灌注桩及先钻孔后再打入的预制桩；部分挤土桩对桩周土体稍有排挤，但土的强度和变形性质变化不大。包括冲击成孔灌注桩、预钻孔打入式预制桩等。挤土桩设置过程中使土的结构严重扰动破坏，对土的强度和变形性质影响较大。实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等。,6.2桩基的分类,按承台位置：高承台桩基承台底面位于地面以上，且常处于水下，水平受力性能差，但施工方便。可避免水下施工及节省基础材料，多用于桥梁及港口工程。,低承台桩基承台底面位于地面以下，其受力能好，具有较强的抵抗水平荷载的能力，施工不方便。,6.2桩基的分类,按桩的功用分类,承压桩特点：承受桩轴向压力荷载的桩。摩擦桩：桩上的荷载完全或主要靠桩侧摩擦力承担。端承桩：桩上的荷载完全或主要桩端阻力承担。抗拔桩特点：桩承受拔出荷载。用途：输电塔架、地下抗浮结构、码头结构。横向受荷桩特点：桩顶或地面以上主要承受地震力、风力、波浪力等水平荷载的桩。用途：港口码头、输电塔架,6.2桩基的分类,桩的荷载传递过程实质上就是桩侧摩阻力与桩端阻力逐步发挥的过程。,承载机理,荷载桩压缩侧摩阻消耗荷载桩底阻力。,土对桩的支撑力桩侧摩阻力和桩端阻力：何种为主，与桩身压缩量有关。,6.3.1桩的轴向荷载传递过程,6.3单桩轴向荷载传递,6.3.1桩的轴向荷载传递过程,图6.11桩身荷载传递(a)摩擦桩；(b)端承桩,侧阻先于端阻发挥，发挥程度与桩土相对位移相关；,侧阻充分发挥桩土相对位移值：,粘性土：46mm；,砂土：610mm；,端阻充分发挥桩底极限位移值：,砂类土:(0.080.1)d；,粘性土：0.25d，硬粘土0.1d。,桩侧阻与桩端阻存在深度效应。,土的性质：如抗剪强度(c,j)决定摩阻力的可能最大值,桩土相对位移决定摩阻力的发挥程度时间因素：土的固结随t增加向下部转移决定摩阻力发挥的时间,桩的刚度：影响桩周应力的分布。,土中的应力状态：主要指侧向压力,施工方法：a)挤土桩；b)非挤土桩。,桩侧摩阻力影响因素,6.3.1桩的竖向荷载传递过程,压曲破坏：沉降量很小，桩端阻为主，桩材控制承载力，穿,越软弱土层的小直径桩和嵌岩桩属于此类；,整体剪切：沉降量较大，桩端阻为主，桩端桩侧土控制承载,力，打入式短桩、钻孔短桩属于此类；,刺入破坏：沉降量大，桩侧阻为主，桩顶容许沉降控制承载,力，一般情况下的钻孔灌注桩属于此类。,图6.12压曲破坏,图6.13整体剪切破坏,图6.14刺入破坏,6.3.2单桩的破坏模式,6.3.3桩摩擦力、轴力与桩身的关系位移,荷载传递的微分方程,传力示意,按材料力学方法得：,桩侧分布摩擦力,长l、周长u、横断面积A、竖向荷载Q,6.3.3桩摩擦力、轴力与桩身的关系位移,荷载传递的积分方程,已知,积分,为桩侧总摩阻力,积分,桩长范围内桩身轴向压缩变形,6.3.4摩擦力沿桩深度的分布,桩侧摩擦力的分布对研究和利用桩的承载力有重要意义。通过实际测量，可得对应荷载Q下桩侧摩擦力随深度的分布。由此积累经验。实际均质地基中，摩擦力分布很复杂，成层土更复杂。应用上，对复杂的摩擦力分布做简化处理，每一层内摩擦力视为均布，或整个桩长范围内按简单函数形式分布。,6.3.5桩端荷载传递,桩端以下土体受力达到剪切破坏形成滑动面时，相应的桩端阻力达到极限值qpu。,kp：桩端持力层的地基反力系数，由现场深层荷载试验板测得。spu：发挥桩端极限阻力需要的位移。qpu：深基础的极限承载力。,6.3.5单桩荷载传递,总结单桩轴向荷载传递过程，各种指标及关系是相互影响和发展变化的，从而桩的荷载与沉降形状也随之变化。随着荷载增加，桩各部分阻力逐渐被发挥达到极限状态。不同荷载水平下，桩侧阻力和端阻力的比例关系不是常数。不同部位的阻力发挥不同步。发挥桩侧极限摩阻力所需沉降小，约310mm左右，发挥桩端极限阻力的沉降大致为桩径的10%25%。,6.4单桩竖向抗压承载能力,概念,根据单桩轴向荷载传递理论分析，桩受到的土的极限抗力或桩所能承受的极限荷载为其竖向极限承载力；在工作状态下桩所允许承受的最大荷载即为单桩竖向承载力的特征值。,确定竖向承载能力的方法,按桩身结构强度确定按地基对桩体的支持力确定现场试验、经验公式、理论计算方法、经验值方法,6.4.1按桩身结构强度确定,钢筋混凝土桩,钢桩,：纵向弯曲系数，对于低承台除极软土层中桩长与桩径比很大或深厚可液化土层的桩外，取1.0；对高承台，视桩端土层和桩上端自由端长度一般取0.250.1,混凝土桩桩轴心受压,工作条件系数，预制桩取0.75，灌注桩取0.60.7,由现场静荷载试验确定,特点：是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法。基本原则桩数：不宜小于总数1，不少于3根；时间：对于预制桩，桩设置后开始载荷试验所需的间歇时间：对于砂类土不得少于10天；粉土和粘性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。,6.4.2按现场静荷载试验确定,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1/51/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/101/15）慢速维持荷载法。,试验装置及方法,图4.18静载实验装置,堆载法静载试验,锚桩法静载试验,锚桩法静载试验,锚桩法静载试验,千斤顶及位移传感器,慢速维持荷载法,每级荷载大小分级（初始阶段：每级荷载为1/51/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/101/15）。,测读沉降时间在每级荷载施加后第一个小时内，按5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。,稳定标准,每级荷载下桩顶沉降量小于0.1mm/h，并连续出现两次。,某级荷载下，桩顶沉降量为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重量时。,终止条件,每级卸载为加载时的两倍。卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60min测读桩顶沉降量；卸载至零后测读桩顶残余沉降量，维持3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。,卸载观测,可绘制曲线：桩的荷载沉降关系曲线（Q-s）各级荷载增量下沉降值随着时间发展的曲线（s-t）,试验成果处理极限荷载确定,图6.19单桩Q-s曲线,按沉降随荷载的变化特征确定,对陡降型Q-s曲线，取曲线发生明显,陡降的起始点所对应的荷载为Qu,由沉降量确定Qu,对缓变型Q-s曲线，可取s=4060mm,对应的荷载值为Qu。大直径桩可取,s=0.030.06d对应的荷载值(大桩取,低值，小桩取高值)，细长桩(l/d80),可取s=6080mm对应的荷载。,沉降速率法s-lgt法,取破坏荷载的前一级荷载,6.4.3按经验公式计算,经验公式法是根据桩侧摩阻力、桩端阻力与土层的物理力学状态指标的经验关系来确定单桩竖向承载力。此方法用于初估单桩承载力特征值及桩数。采用的方法按单桩极限承载力确定单桩承载力特征值直接建立土层的物理力学状态指标与单桩承载力特征值的关系,按单桩极限承载力确定单桩承载力特征值,建立土层物理力学指标与桩极限侧摩阻力、极限桩端力的关系,对单桩竖向极限承载力打安全折扣，得到单桩承载力特征值,直接建立土层的物理力学状态指标与单桩承载力特征值的关系,6.4.3极限平衡理论,极限摩阻力,法：总应力法，按桩侧土的不排水强度CU计算桩侧极限摩阻力,法：有效应力法，适于黏性土及非黏性土地基,对正常固结粘性土，可取,而,法：混合法，是结合、法的特点提出的适用粘性土的方法,是与Cu及hc与d有关的系数,极限端阻力,按土体极限平衡理论计算极限端阻力时，根据假定桩端土破坏面的不同而有多种理论公式。,Meyerhof理论,Terzaghi理论,Vesic理论,桩端极限阻力表达式：,承载力系数关系：,Nc、N、Nq：分别为考虑土粘聚力、桩端土重度、桩端以上超载对条形基础承载力贡献的承载力系数。c、q：分别为考虑非条形基础桩基承台因素的形状系数。：桩端土重度。0：桩端以上土重度。,作用机理：水平荷载(力和弯矩）作用下，桩身产生横向位移或挠曲变形，并挤压桩侧土体，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力，桩土共同作用,水平荷载作用下桩的分类按桩的入土深度、桩土相对软硬程度及桩受力分析方法分类。,6.5单桩水平承载力,6.5.1桩在水平荷载作用下的工作性状,破坏模式刚性桩(ah2.5)：桩身刚体转动破坏，承载力主要由桩的水平位移和倾斜控制柔性桩(ah2.5)：桩身发生扰曲变形，破坏时桩身某点弯矩超过截面抵抗矩或土体屈服失稳，承载力由桩身水平位移及最大弯矩值控制,水平荷载作用下荷载的变形特性,水平荷载作用下桩身的水平位移按刚性桩和弹性桩考虑有较大的差别。当地基土比较松软，桩长比较小，桩的相对抗弯刚度较大，桩体如刚性体一样绕桩体和土体某一点转动。桩的入土深度较大而桩周土较硬，桩身产生挠曲变形。,单桩水平承载力特性,影响因素：桩的材料与截面尺寸、入土深度、土质条件、桩顶约束条件单桩极限水平承载力通常由桩侧土的破坏及桩身弯曲破坏控制单桩工作条件下水平承载力特征值应满足：桩侧土不应水平位移过大而造成塑性挤出、丧失对桩的水平约束作用，故桩的水平位移应较小，使桩长范围内大部分桩侧土处于弹性变形阶段。对桩身而言，或不允许开裂、或限制开裂宽度并在卸载后裂缝闭合，使桩身处于弹性工作状态的假定不导致过大误差。,单桩水平静载荷试验,试验装置：加荷系统：千斤顶、试桩位移观测：百分表,图6.20单桩水平静载荷试验,6.5.2单桩水平荷载试验,每级荷载大小约为预估水平极限承载力的（1/10-1/15）。读数方法每级加荷后恒载4min测读桩顶水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，如此循环5次，再施加下一级荷载。终止加载条件桩身折断桩顶水平位移超过3040mm桩侧地表出现明显裂缝或隆起。,试验方法,水平荷载、时间及水平位移的关系曲线水平荷载与水平位移梯度关系曲线水平荷载与最大弯矩点钢筋应力关系曲线,试验结果,水平荷载、时间及水平位移,单桩极限水平荷载：取明显陡变的前一级荷载,两特征点对应的荷载称为临界荷载Hcr和极限荷载Hu,图6.21单桩H0x0/H0曲线,图6.22单桩H0g曲线,单桩极限水平荷载：取第二直线段终点对应的荷载,单桩极限水平荷载：取桩身折断或钢筋达到屈服极限的前一级荷载,6.5.3单桩弹性抗力法,地基水平抗力,桩在水平荷载及弯矩作用下与桩周地基土相互作用，故桩的变形及内力取决于桩身受到的外荷载类型及大小、桩周土性质及抗力以及桩顶约束条件等多种因素。桩周土的抗力与土所处的状态、水平位移有关，可表达为：,n1.0，抗力与位移呈非线性关系，为弹塑性抗力法，较复杂，应用较少。n=0，假定位移与抗力成正比，为弹性抗力法，该方法将桩视为竖向放置于弹性地基中的梁，按winkler假定分析桩的内力与变形。,弹性抗力法。假设土的水平抗力与桩的水平位移x成正比。关键在于确定水平抗力系数kh沿深度的分布，分为：(a)常数法；(b)k法；(c)m法；(d)C法,弹性抗力微分方程,单桩在水平荷载。弯矩及地基水平抗力作用下产生挠曲变形，其微分方程为：,张氏法,取n=0，用张氏法或者是m法，上式变为,m法,6.6单桩抗拔承载力,6.6.1影响单桩抗拔力的因素,桩的几何特性，如桩长、桩断面形状及尺寸、桩端扩底情况桩的施工方法，不同的施工方法对地基的影响不同桩的材料特性，如材料类型、桩身强度桩侧土特性，如土的类别、软硬或密实程度以及土层层位关系桩的荷载特性，加载历史、抗拔荷载大小及与其他荷载组合情况,6.6.2确定单桩抗拔承载力的主要方法,桩承受上拔荷载抗力来源：桩侧向的摩擦力、桩重、有扩大端头桩的桩端阻力主要抗力：侧摩阻力抗力发挥机理及估算方法：抗拔静荷载试验确定单桩抗拔承载力（最可靠，重要工程）经验公式估算单桩抗拔承载力（次要工程）,单桩抗拔静载试验,试验设备与抗压试验相似加载分级、测读时间及稳定标准一般可按照抗压试验慢速法进行试验应进行到桩的上拔量不小于25cm单桩抗拔极限承载力Tu取上拔荷载T与上拔量s关系曲线上明显转折点对应的荷载,抗拔桩的荷载位移曲线,经验公式法,由于对单桩抗拔荷载传递机理的研究还不充分，一般经验公式多按承压桩摩阻力值打折扣，并适当考虑桩体自重的有利作用来估算抗拔极限承载力值。,单桩抗拔承载能力特征值为,适用于无扩底的垂直单桩,按桩身材料强度,承受上拔荷载的桩体必须满足材料强度要求，对钢筋混凝土桩，应按抗拉构件配筋,抗拔系数经验值,6.7群桩的承载能力与变形,6.7.1群桩效应,群桩效应是多根桩受力后通过桩周土体而相互作用引起的与单桩承载力与变形性状相异的效果。除端承桩基由于桩端面积较小且图（岩）较硬而使各桩引起的叠加作用较小之外，甚至在诸如群桩承压、受水平力及抗拔时均存在群桩效应。群桩效应主要是由各桩引起的地基应力的叠加造成。,图6.25群桩效应,6.7.1群桩效应,端承型群桩桩的荷载传递桩底持力层刚硬，桩的贯入量小。群桩承载力各单桩承载力之和，不必考虑群桩效应。摩擦型群桩的荷载传递桩顶作用荷载通过侧阻传至桩周土体，并经扩散使桩底压力分布范围比桩身截面大很多。当桩距小于某距离时（一般为6d），桩底应力扩散面积交叉重叠，与原来单桩端应力叠加，使群桩桩底地基所受压力比单桩大，故群桩承载力小于各单桩