岩土工程深基础之桩基础详解179图文

基础工程（第5章桩基础）1第5章桩基础5.1概述5.2竖向荷载下单桩的工作性能5.3单桩的竖向承载力

5.4单桩的水平承载力5.5群桩基础的变形和桩顶内力计算

5.6群桩基础的承载力和沉降检算5.7桩基础设计25.1概述5.1.1桩基础及其应用5.1.2桩和桩基的分类5.1.3桩的质量检验5.1.4桩基的设计原则3深基础——埋置深度比较大，而且往往需要采用特殊的施工方法做成的基础。深基础与浅基础的区别：1）埋置深度比较大；2）施工方法特殊；3）荷载传递方式与浅基础有明显差异。深基础的类型：（见下图）桩基础是深基础的代表。5.1.1桩基础及其应用4一、基础的类型（复习）5桥梁工程中的桩基础6建筑工程中的桩基础7

8沉箱的施工过程9地下连续墙井箱基础10沉井井与与桩桩基基的的组组合合11二、、桩桩与与桩桩基基础础的的概概念念桩完全全或或部部分分设设置置于于土土面面以以下下，，以以竖竖直直方方向向为为主主，，可可通通过其侧壁和下下端将荷载传传至周围土体体和深层地基基的受力杆件。桩基础以桩为主体构构成的深基础础，简称桩基基。桩基础是一种种重要的基础础结构型式。。和别的基础础结构相比，，桩基础具有有承载力高、沉沉降小而均匀匀、用料较省省、机械化程程度高而且能能够广泛适用用于各类地层层条件的突出优点。。桩基础在各类类建筑工程中中得到了极为为广泛的应用用，特别是当当上部结构的的荷载复杂而而巨大，而浅浅部土层状态态不佳时，桩桩基础更成为为设计师的首首要考虑对象象。桩基础的造价价相对较高。。在基础选型型时，一般应应优先选用浅浅基础。12三．桩与桩基基础的发展历历史1982年在智利发掘掘的文化遗址址所见到的桩桩大约距今有有12000年至14000年。1973年，考古工作作者在浙江余余姚的河姆渡渡发现了7000年前的木桩。。131419世纪20年代，人们开开始使用铸铁铁板桩。20世纪初，随着着冶金业的进进步，美国和和欧洲开始使使用各种形式式的型钢制作作桩基础。钢筋混凝土桩桩在20世纪初叶问世世。我国在20世纪50年代开始生产产钢筋混凝土土预制桩和预预应力钢筋混混凝土桩。中国的钻孔灌灌注桩首先出出现在河南。。随着成桩工艺艺的进步，为为提高灌注桩桩的承载力，，又出现了桩桩端和桩身局局部扩大的各各种形式的扩扩孔桩以及对对灌注桩进行行各种处理的的新工艺。伴伴随着各种新新工艺和新技技术的引入，，桩基础这种种古老的基础础结构形式又又焕发了新的的生命活力，，并以前所未未有的速度发发展和变化着着，在工程建建设中充当着着越来越重要要的角色。155.1.2桩和桩基的分分类1.桩的类型（1）按使用功能能分类1）竖向抗压桩桩——以承受竖向抗抗压荷载为主主的桩，包括括摩擦桩、端端承桩和中间间类型的桩。。（p.125）2）竖向抗拔桩桩：主要承受受竖向上拔荷荷载的桩。3）水平受荷桩桩：主要承受受水平荷载的的桩。4）复合受荷桩桩（也称为纵纵横弯曲桩））：承受竖向向和水平荷载载均较大的桩桩。16（2）按施工方法法分类1）预制桩：预预先制作好桩桩体，然后使使用各种机械械将其沉入土土层中（p.126）。2）灌注桩：用各各种方法预先先成孔，然后后灌注混凝土土而形成桩体体（p.127）。3）其它桩：如如钻孔插入桩桩，压力灌浆浆桩。要求较好地了了解前两类桩桩的施工方法法。17（3）按桩的设置置效应分类1）挤土桩：成成桩过程中对对土体有较大大排挤和扰动动。在不同的的土层中有不不同的效果，，要注意在软软土中易于引引起危害。此此类桩型主要要有打入或静静压的实心桩桩和闭口管桩桩。2）部分挤土桩桩：成桩过程程中对土体有有明显排挤和和扰动，但不不如挤土桩强强烈。此类桩桩主要有打入入或静压的H型桩和开口管管桩、螺旋钻钻孔桩和冲孔孔桩。3）非挤土桩：：成桩过程中中对土体没有有排挤作用的的桩。相应的的桩型为钻、、挖孔桩。18（4）按桩的材料料分类1）混凝土桩：：包括普通钢钢筋混凝土桩桩和预应力钢钢筋混凝土桩桩。2）钢桩：常用用钢管桩和H型桩。3）木桩：用木木材制作而成成。目前很少少使用。4）组合桩：用用两种或两种种以上材料做做成的桩。可可因地制宜加加以选取。19（5）按桩的直径径分类1）大直径桩：直直径大于800mm的桩。2）中等直径桩桩：直径大于于250mm但小于800mm的桩。3）小桩：直径径小于250mm的桩。还有一些分类类方式，比如如按桩的截面面形式、桩轴轴线的方位等等。202.桩基础的类型型（1）按桩的数量量分类1）单桩基础2）群桩基础（2）按承台位置置分类1）高承台桩基基2）低承台桩基基（3）按承台形式式分类1）板式承台（（矩形、三角角形）2）条形承台（（十字交叉、、环形）3）沉井、箱形形、筏板215.1.3桩的质量检验验桩基础属于隐隐蔽工程，加加之施工工艺艺特殊，故易易于出现质量量问题，因此此必须加强质质量监督和检检验。常用检验方法法如下：1）开挖检验2）抽芯检验3）声波透射法法4）静载试验5）各类动力检检验法225.1.4桩基的设计原原则《建筑桩基技术术规范》规定，建筑桩桩基采用概率率极限状态设设计法。桩基的极限状状态区分为两两类：1）承载能力极极限状态2）正常使用极限限状态建筑桩基按其其破坏后果的的严重性分为为三个安全等等级（表5-2）。建筑桩基按其其安全等级和和地基的土质质情况进行不不同内容的检检算（p.131）235.2竖向荷载下单单桩的工作性性能5.2.1桩的荷载传递递5.2.2桩的荷载传递递的一般规律律5.2.3单桩的破坏模模式5.2.4桩侧负摩阻力力24桩受荷载的作作用产生向下下的位移，同同时通过桩土土间的摩擦力力带动桩周的的环形土体向向下运动，这这种运动通过过土体间的剪剪应变一环一一环地向外扩扩散，直到离离桩心比较远远的位置时才才收敛为零。。另外，当桩桩向下运动而而使桩端土层层产生压缩时时，桩端土也也会产生相应应的抗力。这这两种抗力合合称为轴力桩桩的土阻抗。一般而言，，桩的土阻抗抗由桩身位移移而产生，随随其发展而增增长，一直到到其极限。如如果外荷载继继续增加，桩桩土体系便进进入破坏状态态。对桩取脱离体体，根据静力力平衡关系，，有当荷载达到极极限时，上式式改写为5.2.1桩的荷载传递递（5-1）（5-2）25a)变形示示意b)影响范范围桩侧土土的变变形示示意26桩受轴向向荷载作作用时的的基本分分析图式式如图5-9。设桩的的截面积积为A，截面周长长为u，由微元元体的平平衡，可可以写出出下列方方程：化简后得得到dz段的压缩缩变形为为：代入式（（5-4），得：：（5-4）（5-3）27图5-9单桩轴向向荷载传传递的基基本分析析图式28写成标准准形式，，为：上式即为为桩土体体系荷载载传递分分析的基基本微分分方程，，如果已已知z的分布，，理论上上可通过过该式的的积分求求得桩身身各截面面的位移移和轴向向力沿桩桩身的分分布，分分别如图图5-9(c)和(e)所示。式中291）承受竖竖向压力力的桩，，桩上部部的摩阻阻力首先先发挥，，随时间间或荷载载的增加加，摩阻阻力逐渐渐向下发发展，桩桩端阻力力也逐渐渐发挥。。2）发挥极极限侧摩摩阻力所所需的位位移su对于黏性性土一般般约为5~10mm，对于砂类类土一般般约为10~20mm，但并非定定值。3）充分发发挥桩端端阻力需需要较大大的桩端端位移，，并与持持力层性性质、上上覆荷载载大小及及桩径有有关。4）在粘性性土中的的桩，其其桩侧摩摩阻力的的分布随随时间由由桩身上上部逐渐渐向下部部转移，，桩端阻阻力也随随时间逐逐渐增大大。5.2.2桩的荷载载传递的的一般规规律305）桩端土土与桩周周土的刚刚度比Eb/Es愈小，桩桩身轴力力沿深度度衰减愈愈快。6）随桩土土刚度比比Ep/Es的增大，，传递至至桩端的的荷载增增大。7）随桩的的长径比比L/d增大，传传递至桩桩端的荷荷载减小小，桩身身下部侧侧阻发挥挥值也相相应降低低。8）随桩端端扩径比比D/d增大，桩桩端阻力力分担的的荷载比比则愈大大。桩的侧摩摩阻和桩桩的端阻阻均存在在深度效效应。31单桩在轴轴向荷载载的作用用下的破破坏模式式取决于于桩周土土的抗剪剪强度、、桩端支支承情况况、桩的的尺寸以以及桩的的类型等等条件。。一般认为为典型的的破坏模模式有桩桩材破坏坏和地基基土破坏坏两大类类，如图图5-10所示。如如详细区区分还有有一类，，桩、土土之间的的界面破破坏。5.2.3单桩的破破坏模式式图5-10轴向荷载载下基桩桩的破坏坏模式321.负摩阻力力的概念念2.负摩阻力力的分布布特性3.负摩阻力力的确定定4.减小负摩摩阻力的的工程措措施5.2.4桩侧负摩摩阻力331.负摩阻力力的概念念当桩周土土体的沉沉降速率率（或沉沉降量））大于桩桩的下沉沉速率（（或沉降降量）时时，桩侧侧土体将将对桩产产生与桩桩的位移移方向一一致的摩摩擦力，，即负摩摩阻力。。工程中中常见下下列情形形：1）桩侧土土层的大大面积地地下水位位下降；；2）桩侧附附近大面面积堆载载；3）桩侧有有较厚的的欠固结结土层或或新填土土；4）在饱和和软土中中打下密密集的桩桩群时；；5）位于湿湿陷性黄黄土、季季节性冻冻土或可可液化土土层的桩桩。342.负摩阻力力的分布布特性中性点——在桩的某某一深度度ln以上，桩桩受负摩摩阻力作作用；在在ln深度以下下，土对对桩产生生正摩阻阻力。在在ln深度处的的摩阻力力为零，，称该点点为中性性点。中中性点处处桩身轴轴力最大大。影响中性性点深度度ln的因素主主要有：：1）桩端持持力层的的刚度；；2）桩周土土层的变变形性质质和应力力历史；；3）当负摩摩阻力系系由沉桩桩后外部部条件变变化所致致，则条条件变化化幅度和和范围愈愈大，ln愈大；4）桩的长长径比愈愈小、截截面刚度度愈大，，则ln愈大；5）在桩承承受荷载载过程中中，随承承受荷载载及沉降降的增加加，ln逐渐变小小。《建筑桩基基技术规规范》（JGJ94-94）推荐的ln值见表5-3。355-11363.单桩负摩摩阻力的的计算当降低地地下水位位时，位位于降水水后地下下水位以以下第i层土平均竖向向有效压力：：当降低地下水水位时，位于于降水后地下下水位以上第第i层土平均竖向向有效压力：：当地面作用满满布均布荷载载时：（5-7）《建筑桩基技术术规范》（JGJ94-94）推荐采用有效效应力法计算算单桩负摩阻阻力标准值：：37桩侧总的负摩摩阻力(下拉荷载)Qn为：式中各符号的的含义见p.137。软土或中等强强度粘土可按按下式估算负负摩阻力标准准值：砂类土也可按按下式估算负负摩阻力标准准值：（5-9）（5-8）（5-10）384.消减与避免负负摩阻力的技技术措施主要有降低摩摩擦法、隔离离法、预处理理等方法。（1）桩侧涂层法法；（2）预钻孔法；；（3）双重套管法法；（4）设置消减负负摩阻桩群法法；（5）地基处理法法；（6）其他方法。。395.3单桩的竖向承承载力确定原则5.3.1按材料强度确确定5.3.2按单桩竖向抗抗压静载试验验确定5.3.3按土的抗剪强强度指标确定定5.3.4按静力触探法法确定5.3.5按经验公式法法确定5.3.6按动力试桩法法确定5.3.7桩的抗拔承载载力5.3.8单桩竖向承载载力特征值40按《建筑桩基规范范》，确定单桩竖向向极限承载力力标准值需满满足下列规定定：①．一级建筑桩基基应采用现场场静载荷试验验，并结合静力触触探、标准贯贯入等原位测测试方法综合合确定；②．二级建筑桩基基应根据静力力触探、标准准贯入、经验验参数等估算算，并参照地质条条件相同的试试桩资料综合合确定。无可可参照的试桩桩资料或地质质条件复杂时时，应由现场静载载荷试验确定定；③．三级建筑桩基基，如无原位测试试资料，可利用承载力力经验参数估估算。单桩承载力的的确定原则41按材料强度确确定单桩竖向向承载力时，，可将桩视为为轴心受压杆杆件，根据桩桩材按现行《混凝凝土土结结构构设设计计规规范范》或《钢结结构构设设计计规规范范》计算算。。对对于于钢钢筋筋混混凝凝土土桩桩：：式中中各各符符号号的的含含义义见见p.138。5.3.1按材材料料强强度度确确定定（5-11）421.静载载荷荷试试验验装装置置及及方方法法5.3.2按单单桩桩竖竖向向抗抗压压静静载载试试验验确确定定图5-12单桩桩静静载载荷荷试试验验的的加加载载装装置置(a)锚桩桩横横梁梁反反力力装装置置；；(b)压重重平平台台反反力力装装置置43试验验时时加加载载方方式式通通常常有有慢慢速速维维持持荷荷载载法法、、快快速速维维持持荷荷载载法法、、等等贯贯入入速速率率法法、、等等时时间间间间隔隔加加载载法法以以及及循循环环加加载载法法等等。。工工程程中中最最常常用用的的是是慢慢速速维维持持荷荷载载法法。。（（p.139）2.终止止加加载载条条件件3.按试试验验成成果果确确定定单单桩桩承承载载力力一般般地地，，根根据据静静载载试试验验可可以以得得到到桩桩的的荷荷载载、、位位移移以以及及时时间间之之间间的的关关系系，，据据此此可可以以作作出出各各种种分分析析曲曲线线，，其其中中最最主主要要的的是是Q（荷载载））~s（桩顶顶位位移移））曲曲线线和和s~lgt曲线线，，如如图图5-13和5-14。根根据据这这些些分分析析曲曲线线可可以以推推求求桩桩的的承承载载力力。。和地地基基承承载载力力的的概概念念一一样样，，桩桩的的承承载载力力通通常常也也用用两两个个指指标标来来表表示示，，即即桩桩的的极极限限承承载载力力和和容容许许承承载载力力。。44图5-13单桩桩Q-s曲线线图图5-14单桩桩s-lgt曲线线45对于于陡陡降降型型Q-s曲线线，可取取曲曲线线发发生生明明显显陡陡降降的的起起始始点点所所对对应应的的荷荷载载为为Qu。对于于缓缓变变型型Q-s曲线线，，一一般般可可取取s40～60mm对应应的的荷荷载载值值为为Qu。对于于大大直直径径桩桩可可取取s0.03～0.06d(d为桩桩端端直直径径)所对对应应的的荷荷载载值值，(大桩桩径径取取低低值值，小桩桩径径取取高高值值)，对于于细细长长桩桩(l/d>80)，可取取s60～80mm对应应的的荷荷载载。。此外外，也可可根根据据沉沉降降随随时时间间的的变变化化特特征征确确定定Qu，取s-lgt曲线线尾尾部部出出现现明明显显向向下下弯弯曲曲的的前前一一级级荷荷载载值值作作为为Qu。测出出每每根根试试桩桩的的极极限限承承载载力力值值Qui后，可通通过过统统计计确确定定单单桩桩竖竖向向极极限限承承载载力力标标准准值值Quk。46首先先，，按按式式（（5-12）计计算算n根试试桩桩的的极极限限承承载载力力平平均均值值其次次，，按按式式（（5-13）计计算算每每根根试试桩桩的的极极限限承承载载力力实实测测值值与与平平均均值值之之比比，，即即然后后再再按按式式（（5-14）计计算算出出标标准准差差，，即即当Sn≤0.15时，，取取Quk=Qum；当当Sn>0.15时，，取取Quk=Qum。为折折减减系系数数，，可可根根据据变变量量i查《桩基基规规范范》确定定。。（5-12）（5-13）（5-14）47国外外广广泛泛采采用用以以土土力力学学原原理理为为基基础础的的单单桩桩极极限限承承载载力力公公式式。。QuQsuQpu(GApl)(5-15)G表示示桩桩的的重重力力，，Apl为与桩桩同体体积的的土重重，如如假设设其值值等于于桩重重G，故上式式可简简化为为：QuQsuQpu(5-16)关于Qsu与Qpu的详细细计算算，国国外学学者作作了较较多研研究，，也提提出了了不少少计算算公式式，此此处不不多介介绍。。但应应注意意到公公式（（5-16）与后后面的的经验验公式式有内内在的的联系系。5.3.3按土的的抗剪剪强度度指标标确定定48静力触触探与与桩打打入土土中的的过程程基本本相似似，所所以可可把静静力触触探近近似看看成是是小尺尺寸打打入桩桩的现现场模模拟试试验。。《建筑桩桩基规规范》提出，，当按按双桥桥探头头静力力触探探资料料确定定混凝凝土预预制桩桩单桩桩竖向向极限限承载载力标标准值值Quk时，对对于粘粘性土土、粉粉土和和砂土土，如如无当当地经经验时时可按按下式式计算算：QukqcApu∑liifsi(5-18)粘性土土和粉粉土i10.04（fsi）-0.55(5-19)砂性土土：i5.05（fsi）-0.45(5-20)式中各各符号号的含含义见见p.142。5.3.4按静力力触探探法确确定491.一般预预制桩桩及中中小直直径灌灌注桩桩对预制制桩和和直径径d<800mm的灌注注桩，，单桩桩竖向向极限限承载载力标标准值值Quk可按下下式计计算：：（5-21）各符号号的含含义见见p.143，注意意表5-6~5-8的查用用方法法。2.大直径径灌注注桩大直径径桩的的侧阻阻及端端阻要要考虑虑尺寸寸效应应。（5-22）式中各各符号号的含含义见见p.143。对于混混凝土土护壁壁的大大直径径挖孔孔桩，，计算算单桩桩竖向向承载载力时时，其其设计计桩径径取护护壁外外直径径。5.3.5按经验验公式式法确确定503.嵌岩桩桩这里所所说的的嵌岩岩桩是是指下下端嵌嵌入中中等风风化、、微风风化或或新鲜鲜基岩岩中的的桩。。嵌岩桩桩单桩桩极限限承载载力标标准值值由桩桩周土土总侧侧阻力力、嵌嵌岩段段总侧侧阻力力和总总端阻阻力三三部分分组成成，并并可按按下式式计算算：QukQskQrkQpk=u∑ζsiqsikliuζrfrchrζpfrcAp（5-23）式中各符号号的含义见见p.146。（公式（（5-23）说明和表表5-10中的应改为）515-11提示：1：暂不计算算竖向承载载力设计值值；2：按5.3.5的方法计算算。习题题52动力试桩法法是应用振振动理论和和应力波理理论来确定定单桩竖向向承载力以以及检验桩桩身完整性性的一种方方法。其最最大的优点点是速度快、成成本低，可可对工程桩桩进行大量量的普查。目前的动力力试桩法种种类繁多。。一般将其其分为高应应变和低应应变两大类类。国内外外普遍采用用高应变法法测定桩的的极限承载载力，而用用低应变法法检测桩的的质量和完完整性。低应变法在在我国应用用极为广泛泛，约有90%的检测单位位采用低应应变法，每每年检测的的桩数在4万根以上。。5.3.6按动力试桩桩法确定535.3.7桩的抗拔承承载力主要承受竖竖向抗拔荷荷载的桩称称竖向抗拔拔桩。影响抗拔桩桩极限承载载力的因素素主要有桩桩周土的土土类、土层层的形成条条件、桩的的长度、桩桩的类型和和施工方法法、桩的加加载历史和和荷载的特特点等1.单桩抗拔静静载试验抗拔试验也也有多种方方法，例如如慢速维持持荷载法、、等时间间间隔法、连连续上拔法法和循环加加载法等可可以根据需需要加以选选用。更详细的情情况请见规规范和手册册。542.经验公式（1）单桩或群群桩基础呈呈非整体性性破坏时，，基桩的抗抗拔极限承承载力标准准值计算式式为：（5-24）（2）群桩基础础呈整体性性破坏时，，基桩的抗抗拔极限承承载力标准准值计算式式为：（5-25）式中各符号号的含义见见p.149和p.150。55《地基规范》规定，单桩桩竖向承载载力特征值值的确定应应符合下列列规定：（1）单桩竖向向承载力特特征值应通通过单桩竖竖向静载试试验确定。。在同一条条件下的试试桩数量，，不宜少于于总桩数的的1%，且不应少少于3根。单桩竖竖向承载力力特征值取取单桩竖向向静载荷试试验所得单单桩竖向极极限承载力力除以安全全系数2。当桩端持力力层为密实实砂卵石或或其他承载载力类似的的土层时，，对单桩承承载力很高高的大直径径端承型桩桩，可采用用深层平板板载荷试验验确定桩端端土的承载载力特征值值。5.3.8单桩竖向承承载力特征征值56（2）地基基础础设计等级级为丙级的的建筑物，，可采用静静力触探及及标贯试验验参数确定定Ra值。（3）初步设计计时单桩竖竖向承载力力特征值Ra可按下式估估算：Ra=qpaAp+u∑qsiali（5-26）当桩端嵌入入完整及较较完整的硬硬质岩中时时，可按下下式估算单单桩竖向承承载力特征征值：Ra=qpaAp（5-27）（4）嵌岩灌注桩桩桩端以下下三倍桩径径范围内应应无软弱夹夹层、断裂裂破碎带和和洞穴分布布；并应在在桩底应力力扩散范围围内无岩体体临空面。。57《地基规范》所称的单桩竖竖向承载力特特征值是表示示正常使用状状态下的单桩桩竖向承载力力值；而《建筑桩基规范范》的单桩竖向承承载力设计值值是指单桩在在竖向荷载作作用下到达破破坏状态前或或出现不适于于继续承载的的变形时所对对应的最大荷荷载（即单桩桩竖向极限承承载力）经分分项系数处理理后得到的承承载力值。此此外，两者在在荷载取值中中也存在一定定差别，按单单桩竖向承载载力特征值设设计应取荷载载效应的标准准组合，而按按单桩竖向承承载力设计值值计算时则取取荷载效应的的基本组合。。（p.150）585.4单桩的水平承承载力单桩水平承载载力的确定原原则5.4.1水平荷载作用用下单桩的工工作特点5.4.2单桩水平静载载试验5.4.3横向受荷桩的的理论分析59单桩水平（横横向）承载力力的大小主要要取决于桩身身的强度、刚刚度、桩周土土的性质、桩桩的入土深度度以及桩顶的的约束条件等等因素。目前前确定单桩水水平承载力的的途径有两类类：一类是通通过水平静载载荷试验，另另一类是通过过理论计算，，二者中以前前者更为可靠靠。对于受横向荷荷载较大的一一级建筑物桩桩基，单桩的的横向承载力力设计值应通通过单桩水平平静载荷试验验确定。单桩水平承载载力的确定原原则60单桩承受水平荷荷载作用而不不破坏的能力力称为单桩的的水平承载力力，也称为桩桩的横向承载载力。竖直桩的水平平承载力主要要依靠周围土土体的水平支支承力。短桩桩在水平荷载载作用下整个个桩身易被推推倒或发生倾倾斜，故桩的的水平承载力力很低。长桩桩为一细长的的杆件，在水水平荷载作用用下，桩将形形成一端嵌固固的地基梁，，桩的变形呈呈波浪状，沿沿桩长向深处处逐渐消失。。如果水平荷荷载过大，桩桩将会在土中中某处折断。。因此，长桩桩的水平承载载力由桩的水水平位移和桩桩身弯矩所控控制，而短桩桩则为水平位位移和倾斜控控制。（见图图5-15）5.4.1水平荷载作用用下单桩的工工作特点61竖直单桩的水水平承载力远远小于其竖向向承载力，对对高桩码头这这类以承受水水平荷载为主主或其它承受受较大水平荷荷载的建筑物物，仅用竖直直桩既不合适适也不经济，，这时可考虑虑采用斜桩或或叉桩来承担担水平荷载。教材中列出了具体建议。（p.151）图5-15竖直桩受水平平力作用621.试验装置5.4.2单桩水平静载载试验图5-16单桩静载荷试试验的加载装装置632.试验方法一般采用单向向多循环加卸卸载法。（（p.152）3.终止加载条件件（p.152）4.水平承载力的的确定一般地，根据据静载试验可可以得到桩的的荷载、位移移以及时间之之间的关系，，据此可以作作出各种分析析曲线，其中中最主要的是是桩顶水平荷荷载时间桩顶水平位移移（H0tx0）曲线（图5-17），水平荷载载位移梯度（H0x0/H0）曲线（图5-18）和水平荷载载位移（H0x0）曲线，当具有有桩身应力量量测资料时，，尚应绘制应应力沿桩身分分布图及水平平荷载与最大大弯距截面钢钢筋应力（H0σg）曲线（图5-19）。64图5-17水平静载荷试试验H0tx0曲线65图5-18单桩的H0x0/H0曲线图图5-19单桩的H0σg曲线66上述曲线中通通常有两个特特征点，所对对应的桩顶水水平荷载称为为临界荷载Hcr和极限荷载Hu（亦即单桩水平平极限承载力力）。Hcr是相当于桩身身开裂、受拉拉区混凝土退退出工作时的的桩顶水平力力，一般可取取：①.H0tx0曲线出现明显显变化的前一一级荷载；②.H0x0/H0曲线的第一直直线段的终点点或logH0~logx0曲线拐点所对对应的荷载；；③.H0σg曲线第一突变变点对应的荷荷载。Hu相当于桩身应应力达到强度度极限时的桩桩顶水平力，，一般可取：：①.H0tx0曲线明显陡降降的前一级荷荷载或水平位位移包络线向向下凹曲时的的前一级荷载载；②.H0x0/H0曲线第二直线线段终点所对对应的荷载；；③.桩身折断或钢钢筋应力达到到流限的前一一级荷载。67根据水平静载载试验，单桩桩水平承载力力设计值Rh为：（5-28）式中称称为水平抗力力分项系数，，取为1.6。对于钢筋混凝凝土预制桩、、钢桩和桩身身全截面配筋筋率不小于0.65%的灌注桩，也也可根据水平平静载荷试验验结果，取地地面处水平位位移为10mm（对于水平位移移敏感的建筑筑物取6mm）所对应的荷载载为单桩水平平承载力设计计值Rh。对于桩身配筋筋率小于0.65%的灌注桩，可可取水平静载载试验的临界界荷载作为单单桩水平承载载力设计值Rh。此外，当验算算地震作用的的水平承载力力时，上述承承载力设计值值应提高25%。（p.154）685.4.3横向受荷桩的的理论分析1.桩的挠曲线微微分方程设单桩在桩顶顶竖向荷载No、水平荷载Ho、弯矩Mo和地基水平抗抗力作用下产产生挠曲，其其弹性挠曲线线微分方程为为：（5-30）由于N0的影响很小，，所以可以忽忽略一一项，上式式改写为：（1）式中的p是土层对桩的的水平抗力，，是求解的关关键因素。69通常假定p服从下列规律律（5-29）其中khkzn（2）可以看出，（（5-29）与Winkler地基模型十分分近似，差别别主要在于：：①.（5-29）反映了土的的水平性质，，而Winkler地基模型则反反映的是地基基土的竖向性性质；②.Winkler地基模型中的的k是一个常数。。桩侧土的水平平抗力系数（（地基系数））kh如何沿桩身分分布，是国内内外学者长期期以来研究的的课题，目前前仍在不断探探讨中。目前前一般认为与与土的种类和和桩的入土深深度有关。对kh的分布所作的的假定不同，，就区分为不不同的计算分分析方法，采采用较多的有有以下几种：：70图5-20地基水平抗力力系数的分布布图式(a)常数法；(b)k法；(c)m法；(d)c法71实测资料表明明，当桩的水水平位移较大大时，m法的计算结果果比较接近实实际；而当水水平位移较小小时，c法比较接近实实际。下面对对m法求解桩的内力力和位移的主主要内容作一一简单介绍。。m法假定地基水水平抗力系数数随深度呈线线性增加，即即n1，于是有kh=m·z，这里m为比例系数。。将上列结果果代入（2）式和（1）式，得到桩桩的挠曲线微微分方程式：：（5-31）令（5-32）72将式（5-32）代入（5-31），得：（5-33）这就是桩身挠挠曲微分方程程的标准形式式，式中的称为桩的横向向变形系数，，单位是m-1。上式已有幂级级数解答，如如已知桩的边边界条件，可可以求得桩身身各截面的位位移、内力和和该位置的土土抗力。教材材中列出了一一种简捷算法法的公式：位移（（5-34）73转角（（5-35）弯矩（（5-36）剪力（5-37）水平抗力（5-38）式中均均为为无量纲系数数，可从有关关设计规范或或手册查用。。表5-13列出了长桩的的计算系数值值。按上式计计算出的单桩桩水平抗力、、内力和变形形随深度的变变化见图5-21。74图5-21单桩内力与变变位曲线(a)挠曲x分布;(b)弯矩M分布;(c)剪力V分布;(d)水平抗力p分布75按m法进行计算时时，比例系数数m宜通过水平静静载试验确定定。如无试验验资料时可参参考表5-14所列数值。另另外，如果桩桩侧有几层土土组成时，应应求出主要影影响深度2（d+1）范围内的m值加权平均（（对kh的分布面积加加权），作为整个深度度的m值。教材中列列出了三层土土时的计算公公式，可供实实际工作参考考。2.桩顶顶的的水水平平位位移移通常常以以桩桩的的换换算算长长度度l来区区分分桩桩的的长长短短，，对对l4.0的桩桩称称为为长长桩桩或或柔柔性性桩桩，，l2.5的桩桩称称为为短短桩桩或或刚刚性性桩桩。由表表5-13查换换算算深深度度z=0时的的Ax和Bx值，，代代入入式式（（5-34）可可求求得得长长桩桩桩桩顶顶的的水水平平位位移移。。短桩桩的的桩桩顶顶水水平平位位移移可可根根据据桩桩的的换换算算长长度度和和桩桩端端支支承承条条件件，，由由表表5-15查得得位位移移系系数数Ax和Bx，再再由式式（（5-34）求求得得。。763.桩身身最最大大弯弯矩矩及及其其位位置置首先先计计算算如如下下系系数数（5-39）由系系数数CI从表表5-16查得得相相应应于于最最大大弯弯矩矩的的换换算算深深度度，，（（=z），，于是是求求得得最最大大弯弯矩矩的的深深度度：：（5-40）由系系数数从从表表5-16查得得相相应应的的系系数数CII，桩身身最最大大弯弯矩矩按按下下式式计计算算：：（5-41）表5-16适合合于于l4.0即桩桩长长l4.0/的长长桩桩。。775.5群桩基础础的变形形和桩顶顶内力计计算5.5.1单桩刚度度系数5.5.2高承台桩桩基础的的平面分分析5.5.3低承台桩桩基础的的平面分分析5.5.4桩顶内力力的简化化计算法法5.5.5桩身内力力和桩侧侧土抗力力计算78单桩的刚刚度系数数指当桩桩顶仅发发生某一一单一形形态的单位位移时相相应的桩桩顶作用用力，平面分析析时所涉涉及到的的单桩刚刚度系数数一共有有4个，分别别以1、2、3和4表示，其力学意意义可形形象地以以图5-22表示。5.5.1单桩刚度度系数79（a）单桩的的轴向刚刚度系数数1（b）单桩的的横向刚刚度系数数2、3和4图5-22单桩刚度度系数的的力学意意义3234801.单桩的轴轴向刚度度系数单桩的轴轴向刚度度系数1可按下列列公式求求得（5-42）公式（5-42）的推导导过程如如下：如图5-22a，桩顶的的轴向位位移s0等于桩身身的弹性性压缩量量se与桩底的的土层压压缩量sb之和，即即有s0=se+sb（5-43）81先分析se，假定桩桩侧摩阻阻力的作作用规律律为f(z)，则地面面以上的的桩身轴轴力为N0，地面以以下z深度处的的桩身轴轴力为桩身的弹弹性压缩缩量为（5-45）可以看出出，se决定于f(z)的分布模模式。下下面讨论论几种简简单情形形。对于端承承桩，假假设桩侧侧摩阻力力f(z)为零，于于是由（（5-45）式积分分得到82对于摩擦擦型钻挖挖孔灌注注桩，假假设桩侧侧摩阻力力f(z)沿桩身为为均匀分分布且桩桩端的轴轴向力为为零（图图5-23a），由（（5-45）式积分分得到对于摩擦擦型预制制桩，假假设桩侧侧摩阻力力f(z)为上小下下大的三三角形分分布且桩桩端的轴轴向力为为零，如如图5-23b，由（5-45）式积分分得到83（a）钻挖孔孔灌注桩桩的摩阻阻力分布布模式b）预制桩桩的摩阻阻力分布布模式图5-23摩擦桩桩桩侧摩阻阻力的两两种假设设分布模模式f(z)f(z)84将上述述三种种情况况合并并在一一起，，写成成（5-46）在上式式中，，对于于端承承桩，，=1；对于于摩擦擦型钻钻挖孔孔灌注注桩，，=1/2；对于于摩擦擦型预预制桩桩，=2/3。在上上述推推导过过程中中，摩摩阻力力的分分布模模式是是人为为假定定的，，这与与实际际情况况有一一定差差距，，所以以计算算结果果是近近似的的。推求桩桩端土土的压压缩量量时假假设桩桩侧摩摩阻力力的影影响可可用一一应力力扩散散角加加以考考虑，，并且且认为为桩端端土层层符合合文克克勒弹弹性地地基的的假设设，于于是可可将sb写为（5-47）85图5-24sb的计算算图示示86将式（（5-46）和式式（5-47）代入入式（（5-43），得得到令s0=1，相应应的N0即为桩桩的轴轴向刚刚度系系数1，由此此得到到公式式（5-42）。对土质质地基基，一一般取取竖向向地基基系数数C0=m0l，但不不小于于10m0，式中中的m0称为桩桩端土土的竖竖向地地基系系数的的比例例系数数，最最好通通过静静载试试验确确定。。如缺缺乏试试验资资料，，也可可取m0=m，按表表5-14或表5-17查取。。对岩石石地基基，当当岩石石试样样的单单轴极极限抗抗压强强度R=1MPa时，C0=300MPa/m；当R25MPa时，C0=15000MPa/m；当1MPa<R<25MPa时，C0用线性内内插法确确定。872．单桩的的横向刚刚度系数数2、3、4按m法导出的的计算公公式如（（5-48），限于于篇幅，，其推导导过程从从略。（5-48）应该指出出，上列列刚度系系数的计计算均建建立在桩桩土体系系为线弹弹性的基基础上，，实际上上，桩土土体系（（特别是是桩周土土层）在在通常意意义下并并不是线线弹性的的，尤其其是在临临界荷载载以后。。所以上上述计算算是近似似的，且且计算结结果的应应用范围围应加以以限制。。其中YQ、YM和Q为无量纲纲系数，，可根据据l和l0查表5-18确定，其其余符号号的意义义同前。。88高承台桩桩基主要要用于大大江大河河和近海海等深水水条件下下，在桥桥梁、码码头和海海洋石油油平台等等工程中中用得较较多。设承台为为刚体，，承台与与桩的连连接也为为刚性，，计算简简图如图图5-25，设在荷载载作用下下，承台台在x方向发生生的位移移为a0，在y方向发发生的的位移移为b0，在xoy平面内内转动动的角角度为为0，取承承台为为脱离离体，，则由由承台台的静静力平平衡可可得（5-49）ij称为群群桩基基础的的整体体刚度度系数数。平平面分分析时时的整整体刚刚度系系数一一共有有9个，由由各桩桩自身身的刚刚度和和位置置决定定。5.5.2高承台台桩基基础的的平面面分析析89图5-25高承台台群桩桩基础础的平平面分分析图图示90当各桩桩均为为竖直直桩，，且坐坐标原原点位位于各各桩竖竖向刚刚度的的中心心时，，ab=ba=b=b=0，且有有a=a，于是是（5-49）式可可以简简化为为解答为为（5-51）91各刚度度系数数ij按下列列公式式求得得（5-52）式中的的ni为第i排桩所所包含含的桩桩的根根数。。当不满满足上上述简简化条条件时时，ij的计算算要复复杂一一些，，具体体可参参考相相关手手册。。求得承承台的的整体体位移移以后后，可可求得得第i根桩桩桩顶的的横向向位移移ai、轴向向位移移bi和转角角i92上列式式中的的i为第i根桩的的轴线线与铅铅垂线线的夹夹角，，如为为竖直直桩，，则i=0。注意意桩顶顶的转转动以以沿逆逆时针针方向向为正正，与与承台台转动动的正正负号号规定定相反反。以及桩桩顶的的轴向向力Ni、横向向力Hi和弯矩矩Mi（5-53）93计算简简图如如图5-26。低承承台桩桩基可可以利利用承承台侧侧面土土体的的抗力力，故故抵抗抗水平平荷载载的能能力较较强，，自身身的稳稳定性性也较较好，，在各各类结结构工工程中中均用用得较较多。。低承承台台桩桩基基在在计计算算上上有有别别于于高高承承台台桩桩基基的的地地方方在在于于前前者者在在产产生生整整体体变变形形时时承承台台周周围围将将产产生生土土抗抗力力，，而而且且抗抗力力的的大大小小与与位位移移的的量量值值和和土土的的性性质质密密切切相相关关。。5.5.3低承承台台桩桩基基础础的的平平面面分分析析94按m法分分析析时时，，在在外外荷荷载载的的作作用用下下，，承承台台侧侧面面土土体体的的抗抗力力可可表表达达为为承承台台的的水水平平位位移移和和转转角角的的函函数数，，一一般般情情况况下下的的分分布布形形式式如如图图5-26。设设承承台台的的计计算算宽宽度度为为B0，B0可参参照照桩桩的的计计算算宽宽度度的的确确定定方方法法计计算算。。如如承承台台底底面面距距地地面面或或局局部部冲冲刷刷线线的的距距离离为为h，则则承承台台底底面面处处的的地地基基系系数数为为kh=mh，承承台台侧侧面面任任意意高高度度处处的的水水平平位位移移为为a0+y0，则则总总土土抗抗力力Ex及其其对对原原点点的的力力矩矩Mx可写写出出为为在进进行行低低承承台台桩桩基基的的整整体体分分析析时时，，目目前前通通常常不不考考虑虑承承台台底底面面的的土土抗抗力力作作用用。。这这一一者者是是为为了了简简化化计计算算，，二二者者是是出出于于安安全全方方面面的的考考虑虑，，因因为为在在一一些些桥桥梁梁基基础础的的实实例例调调查查中中曾曾发发现现有有一一些些承承台台的的底底面面与与土土层层之之间间存存在在脱脱离离现现象象。。95忽略略承承台台与与位位移移方方向向平平行行的的侧侧面面上上的的摩摩擦擦力力，，取取承承台台为为脱脱离离体体，，则则承承台台在在Ex、Mx、外外荷荷载载和和桩桩顶顶力力的的共共同同作作用用下下保保持持平平衡衡，，于于是是得得到到（5-56）（5-54）（5-55）由（（5-56）式式看看出出，，Ex和Mx可以以减减小小承承台台的的整整体体位位移移，，有有利利于于改改善善桩桩基基础础的的受受力力形形态态，，因因而而在在施施工工中中应应注注意意保保护护承承台台周周围围的的土土体体。。96令将Ex、Mx的表表达达式式代代入入公公式式（（5-56），，整整理理后后得得到到（5-57）97在计计算算刚刚度度系系数数ij时假假设设桩桩侧侧土土的的横横向向抗抗力力系系数数Ch在承承台台底底面面处处为为零零，，以以下下按按线线性性规规律律递递增增，，于于是是ij仍可可按按公公式式（（5-52）计计算算，，只只不不过过其其中中的的l0=0。由由此此，，（（5-57）式式可可以以写写为为（5-58）与高高承承台台桩桩基基的的表表达达式式类类似似，，当当各各桩桩竖竖直直，，且且坐坐标标原原点点位位于于各各桩桩竖竖向向刚刚度度的的中中心心时时，，公公式式（（5-58）可可以以简简化化为为（5-59）98求得各刚刚度系数数后可由由上式求求出承台台的整体体位移a0、b0和0，进一步步可求出出各桩的的桩顶内内力，其其过程与与高承台台桩基相相同。99对于一般般建筑物物和受水水平力较较小的高高大建筑筑物，当桩基中中各桩的的桩径相相同时，通常可假假定：①.承台是刚刚性的；；②.各桩刚度度相同；；③.x、y是桩基平平面的惯惯性主轴轴。可按按下列简简化公式式计算基基桩的桩桩顶作用用效应（（图5-27）：轴心竖向向力作用用下（（5-60）偏心竖向向力作用用下（（5-61）水平力Hi=H/n（5-62）式中各符符号的含含义见p.167。5.5.4桩顶内力力的简化化计算法法100图5-27桩顶荷载载的计算算简图101对烟囱、、水塔、、电视塔塔等高耸耸结构物物桩基常常采用圆圆形或环环形刚性性承台，，当基桩桩布置在在直径不不等的同同心圆圆圆周上，且同一圆圆周上的的桩距相相等时，仍可按式式（5-60）~（5-62）计算。。按上述简简化算法法计算时时，要求求承台埋埋入土层层中应有有足够的的深度。。在以往往的设计计中，常常按作用用于承台台的水平平力不大大于承台台前端被被动土压压力2倍的条件件决定承承台应埋埋入的深深度h。相应的的条件为为（5-63）102由前述分分析得到到群桩基基础的桩桩顶位移移和内力力以后，，可利用用材料力力学的相相关公式式求出桩桩身在地地面处的的水平位位移x0、转角0、弯矩M0和剪力V0：（5-64）5.5.5桩身内力力和桩侧侧土抗力力计算103求解桩身身任意截截面处的的位移和和内力的的表达式式如下：：（5-65）式中，E、I为桩材的的弹性模模量及截截面惯性性矩；A1、B1…C4、D4共16个无量纲纲系数可可根据计计算截面面的换算算深度z查表而得得。104桩侧土的的横向抗抗力可根根据Winkler假定由桩桩的横向向位移求求得。设设z深度处桩桩侧土的的横向抗抗力为xz，则可导导出相应应的计算算公式如如下（5-66）桩身任意意截面处处的位移移、内力力和土抗抗力也可可按本章章5.4.3节所述的的简捷算算法计算算。1055.6群桩基础础的承载载力和沉沉降检算算5.6.1群桩的工工作特点点5.6.2承台下土土对荷载载的分担担作用5.6.3群桩基础础的竖向向承载力力设计值值5.6.4基桩竖向向承载力力验算5.6.5桩基软弱弱下卧层层承载力力验算5.6.6桩基竖向向抗拔承承载力验验算5.6.7桩基水平平承载力力验算5.6.8桩基负摩摩阻力验验算5.6.9桩基沉降降验算106作用于承承台上的的荷载实实际上是是由桩和和地基土土共同承承担的，，具体情情况因桩桩基类型型而异。。下面面看看两两种典型型情况。。1.端承型群群桩基础础端承型桩基的的特点是持力力层坚硬，桩桩顶沉降小，桩侧摩阻力不不易发挥，桩顶荷载主要要通过桩身直直接传到桩端端处的土层上上。因桩端承承压面积较小小，各桩端的压力力没有重叠（（图5-28），因此可认为端端承型群桩基基础的工作性性状与单桩基基本一致；同同时，由于桩侧摩阻阻力较小，桩与桩之间间的干扰很小小，群桩基础的承承载力就等于于各单桩的承承载力之和；；群桩的沉降降量也与单桩桩基本相同。。5.6.1群桩的工作特特点107图5-28端承型群桩基基础图图5-29摩擦型群桩基基础1082.摩擦型群桩基基础摩擦型群桩主主要通过桩侧侧的摩擦阻力力将上部荷载载传递到桩周周土层中。一一般假定桩侧侧摩阻力在土土中引起的附附加应力z按某一角度沿桩长向下扩扩散分布，桩端平面处的的压力分布如如图5-29。当桩数少，桩中心距sa较大时，桩端平面处各各桩传来的压压力互不重叠叠或重叠不多多（图5-29a），此时群桩中各各桩的工作情情况与单桩时时基本一致，群桩的承载力力等于各单桩桩承载力之和和。当桩数较较多，桩距较小时，桩端处地基中中各桩传来的的压力相互重重叠（图5-29b）。桩端处的压力力比单桩时大大得多，桩端以下压缩缩土层的厚度度也比单桩要要深，此时群桩的工工作状态与单单桩迥然不同同。109上述群桩基础础中因承台、、桩和土三者者相互影响而而导致群桩基基础与单桩在在工作状态上上的差异称为为群桩效应。。一般情况下，桩基位于砂土和粉土中中时，群桩效应使桩桩的侧阻力提提高；而位于于粘性土中时时，群桩效应往往往使侧阻力降降低。当群桩桩效应明显时时，桩端平面处压压应力增加较较多，极限桩端阻力力相应提高。。因此，群桩基础中桩桩的极限承载载力问题极为为复杂，一般与桩的间距、、土质、桩数数、桩径、入入土深度以及及桩的类型和和排列方式等等因素有关。。目前工程上考考虑群桩效应应的方法有两两种：一种是是基于概率极极限设计法的的群桩分项效应系数法；另一种是把把承台、桩和和桩间土视为为一假想的实实体基础的实体基础法。110由桩和承台底底的地基土共共同承担荷载载的桩基础称称为复合桩基基。研究表明，桩基承台下的土反反力比平板基基础底面下的的土反力要低低。通常，台底土分担荷荷载的比例可可从百分之十十几直至百分分之三十，其其大小及分布布型式随桩顶顶荷载水平、、桩径桩长、、台底和桩端端土质、承台台刚度以及桩桩群的几何特特征等因素而而变化。刚性承台下的的土反力通常常呈马鞍形分分布（图5-30）。若以桩群群外围包络线线为界，将台底面积分分为内外两区区，则内区反反力比外区小小而且比较均均匀，当桩距增大时内内外区反力差差明显降低。。5.6.2承台下土对荷荷载的分担作作用111图5-30复合桩基1-台底土反力；；2-上层土位移3-桩端贯入、桩桩基整体下沉沉112图5-31承台底分区图Bc113台底分担的荷荷载总值增加加时，反力的分布图图式基本不变变。利用上述述特征，可以通过加大大外区与内区区的面积比来来提高承台底底地基土分担担荷载的份额额。设计复合桩基基时应注意：：承台分担荷荷载是以桩基基的整体下沉沉为前提的，故只有在桩基基沉降不会危危及建筑物的的安全和正常常使用，且台底与地基基土能保持良良好接触时，