基础工程-第7讲桩基础-2

桩基础知识点回顾

桩是竖直或微倾斜的基础构件，横截面尺寸远小于长度方向。荷载传递：桩侧摩擦阻力+桩端阻力

OR

通过桩身将横向荷载传递给土体预制桩：在地面上预先制作好钢筋混凝土桩身，然后通过锤击、静压或振动等方法将预制桩沉入地基内到达的深度，形成桩基础。

桩径较小0.6m以下，地基土松散。灌注桩：在施工现场的桩位上，通过机械钻凿或人工挖掘等方法形成桩孔，然后孔内放入钢筋笼，灌注混凝土，形成钢筋混凝土灌注桩。

桩长桩径变化大，应用广。根据施工方法划分为预制桩和灌注桩(1)预制桩木桩，混凝土预制桩，钢桩。钢桩（抗腐蚀差）：H型钢桩，钢管桩砼预制桩主要优缺点（运输和锤击）桩身质量好，施工工期短。桩径较小，穿透能力有限，配筋量较大。（2）灌注桩1)沉管灌注桩2)钻孔灌注桩3)挖孔桩端承型桩包括端承桩和摩擦端承桩两类。当桩侧阻力很小可以忽略不计时，称为端承桩。摩擦型桩包括摩擦桩和端承摩擦桩。当桩端阻力很小可以忽略不计时,称为摩擦桩。桩侧阻力，桩端阻力根据桩的性状和竖向受力情况划分为端承型桩和摩擦型桩桩的成型方式效应（设置效应）(1)挤土桩－－实心的预制桩，下端封闭的管桩，木桩，沉管灌注桩挤土桩在锤击、振动贯入或压入过程中，将桩位处的土大量排挤开因而使桩周土层受到严重扰动，土的原状结构遭到破坏，土的工程性质有很大变化。粘性土由于重塑作用而降低了抗剪强度，孔隙水压力升高（土体固结后强度会更高）；而非密实的无粘性土则由于振动挤密而使抗剪强度提高。在饱和粘性土中挤土桩若设置过密，会使土体产生横向位移和竖向隆起，致使先打入的桩被推移或被抬起，或对邻近的结构物造成重大影响。“植桩”法施工钻孔植桩法：放样定桩位→钻机就位钻孔→测量孔深、孔径及孔底虚土沉渣→泥浆护壁→植入预制桩，桩尖达设计标高→拔送桩管、回填送桩内孔虚土。此新工艺将排挤土桩改善为低排挤土桩，减少超空隙水压力上升和土体隆起及位移，从而排除了沉桩时对邻近建筑物、马路、构筑物等不良影响，解决了穿越硬夹土层等的特定条件下的施工难度。(2)非挤土桩－－钻、冲、挖孔桩设桩时桩周土不但没有受到排挤，相反可能因桩周土向桩孔内移动而产生应力松弛现象。因此，非挤土桩的桩侧摩阻力常有所减小。(3)部分挤土桩－－开口的管桩、钢管桩、H型钢桩高承台低承台竖直桩斜桩其他分类：

特点：（1）承载力高；（2）稳定性好；（3）沉降小；（4）便于机械化施工。桩基础已成为建筑、交通、水利、港口等工程中广为采用的基础形式。

适用性：①高重建筑物；②软土地基上的多层住宅建筑，或在使用上、生产上对沉降限制严格的建筑物；③重型工业厂房和荷载很大的建筑物，如仓库、料仓等；④软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物；⑦地基土有可能被水流冲刷的桥梁基础；⑧需穿越水体和软弱土层的港湾与海洋构筑物基础，如栈桥、码头、海上采油平台及输油、输气管道支架等。⑤作用有较大水平力和力矩的高耸结构物（如烟囱、水塔等）；⑥需要减弱其振动影响的动力机器基础，或以桩基作为地震区建筑物的抗震措施；4.3.1轴向受压单桩的破坏类型与荷载传递

轴向受压荷载作用下，单桩的破坏是由地基土强度破坏或桩身材料强度破坏所引起，地基土强度破坏居多。破坏模式分为如下3种情形：4.3轴向荷载下单桩的承载力纵向挠曲破坏（图a）：桩在轴向受压荷载作用下，如同一受压杆件呈现纵向挠曲破坏。桩的承载力取决于桩身的材料强度。穿越深厚淤泥质土层中的小直径端承桩或嵌岩桩，细长的木桩等多属于此种破坏。

整体剪切破坏（图b）：桩在轴向受压荷载作用下，由于桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏。桩的承载力主要取决于桩底土的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。

一般打入式短桩、钻扩短桩等均属于此种破坏。刺入式破坏（图c）：当具有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，将出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同，桩所受荷载由桩侧摩阻力承担，一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏，且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。

桩、土体系的荷载传递竖向荷载，桩身上部受到压缩桩侧表面受到土的向上摩阻力。桩身荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移等于零处，其摩阻力等于零。随着荷载增加，桩身压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来桩底土层也因受到压缩而产生桩端阻力。桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻力进一步发挥出来。当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载其荷载增量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出，位移增长速度显著加大．直至桩端阻力达到极限，位移迅速增大而破坏。此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。单桩轴向荷载的传递机理承载机理：桩顶轴力Q＝桩侧总阻力Qs+桩端总阻力Qp

取决于两方面：①桩身的材料强度；②地层的支承力。设计时分别按这两方面确定后取其中的小值，如按桩的载荷试验确定，则已兼顾到这两方面。4.3.2单桩竖向承载力的确定压重平台反力装置锚桩法静载试验锚桩横梁反力装置千斤顶及位移传感器加荷分级不应少于8级，每级加载量宜为预估极限荷载的1/8~1/10。符合下列条件之一可终止加载：1.当荷载～沉降(Q~s)曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过40mm;2.Δsn+1/Δsn≥2，且经24h尚未达到稳定；3.25m以上的非嵌岩桩，Q~s曲线呈缓变型时，桩顶总沉降量大于60~80mm；4.在特殊情况下，可根据具体要求加载至桩顶总沉降量大于100mm。每级荷载作用下，桩的沉降量连续两次在1h内小于0.1mm时可视为稳定单桩竖向极限承载力Qu应按下列方法确定：1.作荷载～沉降(Q~s)曲线和其他辅助分析所需的曲线。2.当陡降段明显时，取相应于陡降段起点的荷载值。3.当出现终止加载条件第二款的情况，取前一级荷载值。4.Q~s曲线呈缓变型时，取桩顶总沉降量s=40mm所对应的荷载值。在同一条件下，进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的1％，且不应少于3根。

①计算参加统计的极限承载力的平均值，当满足其极差不超过平均值的30%时，可取其什么值为单桩竖向极限承载力Qu？平均值②当极差超过平均值的30%时，宜增加试桩数并分析离差过大的原因，结合工程具体情况确定极限承载力Qu。③对桩数为3根及3根以下的柱下桩台，则取哪个值为单桩竖向极限承载力Qu？最小值

单桩竖向承载力特征值

Ra=Qu/22.规范经验公式确定单桩承载力特征值式中Ra——单桩竖向承载力特征值；

qpa、qsia——桩端端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得(查表3-6,3-7)；Ap——桩底横截面面积；up——桩身周边长度；

li——第i层岩土的厚度。当桩端嵌入完整或较完整的硬质岩中时，单桩竖向承载力特征值可按下式估算：

Ra=qpaAp式中qpa为桩端岩石承载力特征值,可按《建筑地基基础设计规范》附录H用岩基载荷试验方法确定，或根据室内岩石饱和单轴抗压强度标准值按下式计算：

qpa=ψrfrk式中frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值，可按《建筑地基基础设计规范》附录J确定；

ψr——折减系数。例题某承台下设置了3根直径为480mm的灌注桩，桩长10.5m，桩侧土层自上而下依次为：淤泥，厚6m，qsia=7kPa；粉土，厚2.5m，qsia=28kPa；粘土，很厚（桩端进入该层2m），qsia=35kPa，qpa=1800kPa。试计算单桩竖向承载力特征值。

解：4.3.3桩基负摩阻力负摩阻力的定义当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部成一部分面积上将出现向下作用的摩阻力，称其为负摩阻力。桩的正、负摩阻力

负摩阻力的危害：负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若有负摩力发生，则；

桩的外荷载增大桩的承载力相对降低桩基沉降加大负摩阻力产生的原因：

1．在桩附近地面大量堆载，引起地面沉降；

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。中性点及其位置的确定(桩土位移相等、摩阻力为零、轴力最大)图4-8

中性点位置及荷载传递a)位移曲线；b)桩侧摩阻力分布曲线；c)桩身轴力分布曲线Sd—地面沉降；S—桩的沉降；Ss—桩身压缩；Sh—桩底下沉；Nhf—由负摩阻力引起的桩身最大轴力；Nf—总的正摩阻力中性点中性点深度ln的确定(1)应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定。(2)经验方法（表3-12）软土持力层中性点桩周土沉降变形下限深度1）在预制桩表面涂一层沥青；沥青越软越厚为佳。2）对干作业成孔灌注桩加双层筒形塑料薄膜；3）对现场灌注桩也可在桩与土之间填充高稠度膨胀土泥浆等方法，来消除或降低负摩阻力的影响。减少桩侧负摩阻力影响的措施负摩阻力的计算

目前，国内外对负摩阻力的计算方法研究尚不够完善，计算方法较多，且差异较大，而现场试验则投入大、周期长。因此，多根据有关资料按经验公式进行估算。建议按以下方法计算单桩负摩阻力：3.4群桩的承载力群桩基础：由2根以上桩组成的桩基。竖向荷载作用下，由于承台、桩、土相互作用，群桩基础中的一根桩单独受荷时的承载力和沉降性状，往往与相同地质条件和设置方法的同样独立单桩有显著差别，这种现象称为群桩效应。群桩效应系数η：>1=1<1端承型群桩基础群桩承载力等于单桩承载力之和Qg=∑Qi

群桩沉降等于单桩的沉降sg=si

群桩效应系数η=1岩石土桩顶荷载集中通过桩端传给桩底持力层，桩侧阻力忽略不计摩擦型群桩基础应力重叠沉降增加单桩承载力下降，η<1。

当桩距小于3d（d为桩径）时，桩端处应力重叠现象严重；当桩距大于6d时，应力重叠现象较小。

对打入较疏松的砂类土和粉土中的挤土群桩，其桩间土和桩端土被明显挤密，所以群桩效应系数η常大于1。

1）承台底面脱地的情况摩擦型桩桩底平面的应力分布群桩中基桩的性质明显不同于单桩，群桩承载力不等于单桩承载力之和，η可能小于1，也可能大于1，群桩沉降量则大于单桩的沉降量，这就是承台、桩、土相互作用的效应。2）承台底面贴地的影响承台底面与地基土紧密接触，产生土反力，从而分担了一部分荷载，使桩基承载力随之提高。考虑到一些因素可能会导致承台底面与基土脱开（例如挤土桩施工时产生的孔隙水压力会在承台修筑后继续消散而引起地基土固结下沉），为了保证安全可靠，设计时一般不考虑承台贴地时承台底土反力对桩基承载力的贡献。

1.轴心竖向力作用下：2.偏心竖向力作用下：3.4.4单桩桩顶竖向力的确定3.水平力作用下：式中Mxk、Myk——相应于荷载效应标准组合作用于承台底面的外力对通过桩群形心的x、y轴的力矩；xi、yi——i桩至通过桩群形心的y

、x轴线的距离。3.5水平荷载下桩基的承载力与沉降

一、桩的横向承载力：是指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。桩在横向力（包括弯矩）作用下的工作情况较轴向受力时要复杂些，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的横轴向承载力。二、横向荷载作用下，桩的破坏机理和特点

在横向荷载作用下，桩身产生横向位移或挠曲，并与桩侧土协调变形。桩身对土产生侧向压应力，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力。桩土共同作用，互相影响。为了确定桩的横轴向承载力，应对桩在横向荷载作用下的工作性状和破坏机理作一分析，通常有下列两种情况：

第一种情况，当桩的刚度远大于土层刚度，桩的相对刚度较大时，受横向力作用时桩身挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一点转动，如图所示：基桩的横轴向承载力容许值可能由桩侧土的强度及稳定性决定。桩在横向力作用下变形示意图

a)刚性桩；

第二种情况，桩的相对刚度较小时，由于桩侧土有足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度增大而逐渐减小，以至达到一定深度后，几乎不受荷载影响。形成一端嵌固的地基梁，桩的变形呈右图所示的波状曲线。基桩的横轴向承载力容许值将由桩身材料的抗剪强度或侧向变形条件决定。桩在横向力作用下变形示意图b)弹性桩三、单桩横向承载力的确定方法1、单桩水平静载试验

桩的水平静载试验是确定桩的横轴向承载力的较可靠的方法，也是常用的研究分析试验方法。试验是在现场进行，所确定的单桩横轴向承载力和地基土的水平抗力系数最符合实际情况。如果预先已在桩身埋有量测元件，则可测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。（1）试验装置桩水平静载试验装置示意图（2）试验方法

试验方法主要有两种：单向多循环加卸载法慢速连续加载法（同桩的静载荷试验）一般采用前者，对于个别受长期横向荷载的桩也可采用后者。单向多循环加卸载法循环加载，每级荷载维持4min，测读水平位移，卸载至零，停2min测读残余水平位移，然后再施加本级荷载，如此循环5次便完成一级荷载的试验观测，如此反复，直至加到最大试验荷载或破坏荷载。每级加载量为预计破坏荷载的1／10～1／15每级卸载量可为相应的两级加载量。加荷速度20～30kN／min，小荷载时，2～5kN／min。百分表或位移计观测桩头水平位移和转角。在桩身内埋设钢筋计和在桩壁土层中埋设压力盒来观测推算桩身截面弯矩与桩壁土抗力当桩身折断或水平位移超过30～40mm时，可终止试验。

成果资料水平力－时间－水平位移

试验结果分析水平临界荷载水平极限荷载Hcr指桩身受拉区混凝土明显退出工作前的最大荷载综合确定：①取H0-t-X0曲线出现突变点的前一级荷载。②水平力－位移梯度曲线第一直线段的终点所对应的荷载。

试验结果分析水平临界荷载水平极限荷载Hu①取H0-t-X0曲线出现突变点的前一级荷载。②水平力－位移梯度曲线第2直线段的终点所对应的荷载。Rha=Hcr、Hu/2

2、理论计算法此法是根据某些假定而建立的理论（如弹性地基梁理论），计算桩在横向荷载作用下，桩身内力与位移及桩对土的作用力，验算桩身材料和桩侧土的强度与稳定以及桩顶或墩台顶位移等，从而可评定桩的横轴向承载力特征值。

水平荷载作用下的理论计算（一）文克尔地基模型

文克尔地基模型是由文克尔（E.Winkler）于1867年提出的。该模型假定地基土表面上任一点处的变形si与该点所承受的压力强度pi成正比，而与其他点上的压力无关，即pi=Csi

文克尔地基模型是把地基视为在刚性基座上由一系列侧面无摩擦的土柱组成，并可以用一系列独立的弹簧来模拟。其特征是地基仅在荷载作用区域下发生与压力成正比例的变形，在区域外的变形为零。当基础的刚度很大，受力后不发生挠曲，则按照文克尔地基的假定，基底反力成直线分布，如下图所示。受中心荷载时，则为均匀分布。将设置在文克尔地基上的梁称为弹性地基梁。侧面无摩阻力土柱弹簧体系柔性基础下弹簧地基模型刚性基础下弹簧地基模型

文克尔地基模型示意图

现在较普遍采用的是将桩视为弹性地基上的梁。这是因为在桩顶受到轴向力、横轴向力和弯矩作用时，如果略去轴向力的影响，桩就可以看作一个设置在弹性地基中的竖梁（若作用于杆的力或弯矩均与杆的轴线相垂直，并使该杆发生弯曲，这杆就称为梁）。求解其内力的方法有三种：一种是直接用数学方法解桩在受荷后的弹性挠曲微分方程，再从力的平衡条件求出桩各部分的内力和位移（这是当前广泛采用的一种）；另一种是将桩分成有限段，用差分式近似代替桩的弹性挠曲微分方程中的各阶导数式而求解的有限差分法；再一种则是将桩划分为有限单元的离散体，然后根据力的平衡和位移协调条件，解得桩的各部分内力和位移的有限元法。

（二）桩的弹性地基梁解法以文克尔假定为基础的弹性地基梁解法从土力学的观点认为是不严密的，但由于其概念明确，方法较简单，所得的结果一般较安全，故国内外使用得较为普遍，我国铁路、水利、公路在桩的设计中常用“m”法以及“K”法、“C值”法、“常数”法等都属于此种方法。（三）土的弹性抗力及地基系数分布规律1．土的弹性抗力

在桩基础计算中，首先应确定桥梁上部荷载通过承台传递给每根基桩桩顶（或地面处，或局部冲刷线处）的外力（包括轴向力、横轴向力和力矩），如图所示，然后再计算各桩的内力及其分布规律。基桩桩顶所受外力

由于桩基础在荷载作用下要产生位移（包括竖向位移、水平位移及转角），桩的竖向位移已如前述，引起桩侧土的摩阻力和桩底土的抵抗力；桩身的水平位移及转动挤压桩身侧向土体，侧向土体必然对桩产生一横向土抗力pzx它起抵抗外力和稳定桩基础的作用，土的这种作用力称为土的弹性抗力。将地基土视作弹性变形介质，把桩视为置于这种弹性变形介质中的梁，已知深度z处桩的横向位移为xz(也等于该点土的横向变形值)，该点土的弹性抗力pzx为：式中：pzx——横向土抗力（kN/m2）；C——地基系数（kN/m3）xz——深度z处桩的横向位移（m）。常用地基系数的变化规律

地基系数C表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需要的力。它的大小与地基土的类别、物理力学性质有关。如能测得xz并知道C值，pzx值即可解得。1）m法：认为地基系数C随深度呈正比例增加C=mz式中：m-非岩石地基水平抗力系数的比例系数（kN/m4）。其值可根据试验实测决定，无实测数据时，可参考表3-15中的数值选用。按此图式来计算桩在外荷载作用下，桩各截面内力的方法通常简称为“m”法。岩石地基抗力系数C0，不随岩层面的埋深而变，可参考表3-16采用。2）“K”法:地基系数C自地面沿深度成曲线增加

当深度达到桩挠曲曲线第一个零点后，地基系数不再增加而为常数。