单桩承载力讲义内容丰富

3.4单桩承载力3.4.4关于桩的负摩阻问题

3.4.3按桩身材料强度确定单桩承载力3.4.2按土的支承力确定单桩竖向容许承载力3.4.1单桩轴向荷载传递的机理和特点

本节内容3.4.1单桩轴向荷载传递的机理和特点孤立的一根桩称为单桩，群桩中性能不受邻桩影响的一根桩可视为单桩。

单桩承载力：单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。单桩工作性能的研究是单桩承载力分析理论的基础。通过桩土相互作用分析，了解桩土间的传力途径和单桩承载力的构成及其发展过程，以及单桩的破坏机理等，对正确评价单桩轴向承载力具有一定的指导意义。

桩基础的作用是将荷载传递到下部土层，这是通过桩与桩周土的相互作用进行的。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+桩底土层压缩之和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，传至桩底的轴向力也就是桩底支承反力：桩底支承反力=桩顶荷载-全部桩侧摩阻力一．单桩轴向荷载的传递桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩底阻力传递给土体，即土对桩的支承力由桩侧摩阻力和桩端阻力两部分组成。土对桩的支承力=桩侧摩阻力+桩底阻力桩的极限荷载(或称极限承载力)=桩侧极限摩阻力+桩底极限阻力Qs桩侧摩阻力Qp桩端阻力QsQpQ二、桩的竖向承载力发挥的特点桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的。试验表明：桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，在粘性土中约为桩底直径的25%，在砂性土中约为8%～

10%，而桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥，具体数量目前认识尚不能有一致的意见，但一般认为粘性土为4～6mm，砂性土为6～

10mm。Q/kNQsQpQS/mm随着荷载增加，桩身上部侧阻力先于下部侧阻力的发挥一般摩擦桩，侧阻力先于端阻力发挥，侧阻发挥的比例明显高于端阻对于长桩，即使桩端土很好，工作荷载下端阻力也很难发挥。上部下部侧阻力端阻力端承桩：由于桩底位移很小，桩侧摩阻力不易得到充分发挥。对于一般端承桩，桩底阻力占桩支承力的绝大部分，桩侧摩阻力很小常忽略不计。但对较长的端承桩且覆盖层较厚时，由于桩身的弹性压缩较大，也足以使桩侧摩阻力得以发挥，对于这类柱桩国内已有规范建议可予以计算桩侧摩阻力。摩擦桩：桩底土层支承反力发挥到极限值，则需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来，然后桩底阻力才逐渐发挥，直至达到极限值。对于桩长很大的摩擦桩，也因桩身压缩变形大，桩底反力尚未达到极限值，桩顶位移已超过使用要求所容许的范围，且传递到桩底的荷载也很微小，此时确定桩的承载力时桩底极限阻力不宜取值过大。三、桩侧摩阻力及其分布单桩在轴向荷载作用下，桩身的截面位移、桩侧的摩阻力分布以及轴力分布见下图。桩截面位移桩侧摩阻力OCDAB桩侧摩阻力是桩截面对桩周土的相对位移的函数[

qs=f(s)]，可用下图中的曲线OCD表示，且常简化为折线OAB。AB段表示一旦桩土界面相对滑移超过某一极限值，侧摩阻力将保持极限值不变。极限摩阻力可可用类似于土土的抗剪强度的的库伦表达式式：式中ca和a为桩侧表面与与土之间的附着力和摩擦角，x为深度z处作用于桩侧侧表面的法向向压力，它与与桩侧土的竖竖向有效应力力成正比例，，即：式中Ks为桩侧土的侧侧压力系数，，对挤土桩，K0<Ks<Kp；对非挤土桩，因桩孔中土土被清除，而而使Ka<Ks<K0。此处，Ka、K0和Kp分别为主动、、静止和被动动土压力系数数。挤土桩非挤土桩采用上述公式式计算深度z处的单位侧阻阻时，如取则侧阻将随深深度线性增大大。然而砂土中的的模型桩试验验表明，当桩桩入土深度达达到某一临界界值后，侧阻阻就不随深度度增了，这个个现象称为侧阻的深度效效应。临界深度qs

kPaz(m)qs

接近常数综上所述，桩桩侧极限摩阻阻力与许多因因素有关：超静孔隙水压压力消散,土的触变性摩阻力的时效性打入预制桩,挤土使qs增加(1)挤密(2)残余应力钻孔预制桩,使qs减少(1)泥皮(2)应力松弛(3)水泥浆渗入土中使表面粗糙，增加侧摩阻力施工因素qs随着深度增加加,砂土中存在临临界深度但是，桩侧摩摩阻力达到极极限值所需的桩桩土滑移极限限值则与土的类别有有关、而与桩桩径大小无关关，根据试验验资料约为4~6mm（对粘性土）或6~10mm（对砂类土）。单桩受荷过程程中桩端阻力力的发挥不仅仅滞后于桩侧阻力，，而且其充分分发挥所需的的桩底位移值比比桩侧摩阻力达达到极限所需需的桩身截面位移移值大的多。根据小型桩桩试验所得的的桩底极限位位移值，对砂砂类土约为d/12~d/10，对粘性土约为为d/10~d/4（d为桩径）。因因此，对工作作状态下的单单桩，其桩端端阻力的安全全储备一般大大于桩侧摩阻阻力的安全储储备。四、桩端阻力力单桩静载荷试试验所得的荷载—沉降（Q~s）关系曲线可大体分为陡降型（A）和缓变型（B）两类形态。单桩的荷载—沉降曲线对桩底持力层层不坚实、桩桩径不大、破坏坏时桩端刺入入持力层的桩，其曲曲线多呈“急急进破坏”的的陡降型，相相应于破坏时时的特征点明明显，据之可可确定单桩极极限承载力。。对桩底为非密密实砂类土或或粉土、清孔孔不净残留虚虚土、桩底面面积大、桩底底塑性区随荷载增长逐逐渐扩展的桩桩，则呈“渐进破坏坏”的缓变型型，其曲线不具有表示示变形性质突突变的明显特特征点，因而而较难确定极极限承载力。。为了发挥这这类桩的潜力力，其极限承承载力宜按建建筑物所能承承受的最大沉沉降确定。换换句话说，这这类桩的承载载力极限状态态是受“不适于继续承承载的变形”制约的。桩的端承力(1)常作为基础承承载力问题(太沙基解)很小(1)很难达到整体体破坏(2)端承力与深度度有关(3)存在临界深度度太沙基梅耶霍夫型桩的承载机理理(2)土的极限端阻阻力影响因素素与土性有关,存在临界深度度与施工方法有有关桩端充填粉土土二单桩竖竖向承载力的的确定1在荷载作用下下，桩在地基基土中不丧失失稳定性。2桩顶不产生过过大位移3桩身不发生材材料破坏混凝土R=cfcAp钢筋混凝土R=cfcAp+fyAg钢筋抗压强度度设计值单桩承载力确确定二确定单桩桩竖直向承载载力的方法1静载荷试验2其他现场试验验方法3经验方法：静静力触探经验公式单桩承载力确确定1、静载试验法法获得单单桩承载力最最可靠的方法法锚桩反力梁次梁锚筋锚桩主梁千斤顶百分表基准柱单桩承载力确确定锚桩反力梁法法单桩承载力确确定单桩承载力确确定单桩承载力确确定锚桩桁架法法,2400吨Q(kN)s(mm)次梁锚筋锚桩主梁千斤顶百分表桩的荷载试验验成果－荷载载沉降曲线单桩承载力确确定(2)载荷试验确定定极限承载力力Qu(各规范不同)如果有陡降点点,取为Qu缓变曲线取桩桩顶总沉降s=40mm对应荷载24h未稳定,Sn对应的荷载◎确定平均值(极限承载力标标准值)如离散太大,增加试桩数，，具体确定◎设计值R=Q(kN)s(mm)单桩承载力确确定二确定单桩桩竖直向承载载力的方法2其他现场试验验方法动测桩法桩端深层平板板载荷试验离心模型试验验单桩承载力确确定动测桩法气缸堆载桩消音器力传感器Statnamic大应变动测桩桩承载力方法法－加拿大和和荷兰单桩承载力确确定深层平板载荷荷试验－确定定桩端承载力力千斤顶承载力特征值值：1比例界限2极限荷载之半半3s/d＝0.01~0.05对应荷载>0.8m刚性板直径800mm单桩承载力确确定二确定单桩桩竖直向承载载力的方法3原位测试和经经验方法：静力触探标准贯入试验验经验公式单桩承载力确确定(1)静力触探StaticConePenetration地基基础设计计为丙级的建建筑物通过单桥探头头得到比贯入入阻力ps单桩竖向承载载力特征值为传感器电缆单桥探头qs桩周土承载力力标准值qp桩端土承载力力标准值Ap桩底横截面面面积up桩身周长li第i层土的厚度单桩承载力确确定(2)经验公式法根据相应的地基规规范竖向承载力小节承载机理确定方法单桩承载力确定第三节桩的抗抗拔承载力与负摩摩擦力Pulloutstrengthandnegativeshaftfriction、单桩的抗拔承载载力抗浮桩，冻拔桩抗拔桩抗拔桩承载力1.抗拔承载机理特点点抗拔时，桩周土的的应力状态、应力力路径和土的变形形与承压桩不同。。一般抗拔的摩阻阻力小于抗压的摩摩阻力。抗拔桩承载力2.单桩抗拔承载力特特征值Ta1)现场抗拔静载荷试试验－重要建筑物物2)公式－非重要建筑筑物第i层土抗拔折减系数数pi：砂土0.5-0.7,粉,粘土0.7-0.8抗拔桩承载力单桩的抗拔承载力力设计值：抗拔桩承载力1负摩擦的产生(1)桩周附近地面大面面积堆载(2)大面积降低地下水水位(3)欠固结土,新填土(4)湿陷性黄土遇水湿湿陷(5)砂土液化、冻土融融陷正摩阻负摩阻二桩的负摩阻力力桩相对土向下土相对桩向下2负摩擦力的确定下部为岩石的端承承桩,可能全桩为负阻力力。抗拔桩承载力一．单桩轴向荷荷载的传递1．桩身轴力和截面面位移在轴向荷载作用下下，桩身将发生压缩变形；同时桩顶部分荷荷载通过桩身传递递到桩底，致使桩桩底土层发生压缩变形，这两部分压缩变变形之和构成桩顶轴向位移。由于桩与桩周土体的紧紧密接触，当桩相相对于土向下位移移时，桩侧表面受受到土向上的摩阻力。在桩顶荷载沿桩身身向下传递的过程中，必须须不断地克服这种摩阻力，故桩桩身截面的轴向力力随深度逐渐减小小，传至桩底截面面的轴向力为桩顶顶荷载减去全部桩桩侧摩阻力，并与与桩底支承反力（（即桩端阻力）大小相等、方向向相反。桩通过桩侧阻力和和桩端阻力将荷载载传递给土体，即即土对桩的支承力力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。由桩底土层的压缩缩变形导致的桩端位移加大大了由于桩身的压缩变形引起的的桩身各截面的位位移，并促使桩侧侧摩阻力进一步发发挥。一般来说，，靠近桩身上部土土层的摩阻力先于于下部土层发挥出出来，桩侧阻力先先于桩端阻力发挥挥出来。单桩在轴向荷载作作用下，桩身的截面位移、桩侧的摩阻力分布以及轴力分布见下图。二、桩侧摩阻力和和桩端阻力桩侧摩阻力是桩截截面对桩周土的相对位移的的函数[qs=f(s)]，可用下图中的曲线线OCD表示，且常简化为为折线OAB。AB段表示一旦桩土界界面相对滑移超过过某一极限值，侧侧摩阻力将保持极极限值不变。桩截面位移桩侧摩阻力CDAB极限摩阻力可用类类似于土的抗剪强度的库伦伦表达式：式中ca和a为桩侧表面与土之之间的附着力和摩擦角，x为深度z处作用于桩侧表面面的法向压力，它它与桩侧土的竖向向有效应力成正比比例，即：式中Ks为桩侧土的侧压力力系数，对挤土桩，K0<Ks<Kp；对非挤土桩，因桩孔中土被清清除，而使Ka<Ks<K0。此处，Ka、K0和Kp分别为主动、静止止和被动土压力系系数。采用上述公式计算算深度z处的单位侧阻时，，如取则侧阻将随深度线线性增大。然而砂土中的模型桩桩试验表明，当桩入土深度达到到某一临界值后，，侧阻就不随深度度增加了，这个现现象称为侧阻的深度效应。综上所述，桩侧极极限摩阻力与所在在的深度、土的类类别和性质、成桩桩方法等许多因素素有关。但是，桩侧摩阻力力达到极限值所需的桩土滑滑移极限值则与土的类别有关、、而与桩径大小无无关，根据试验资资料约为4~6mm（对粘性土）或6~10mm（对砂类土）。单桩受荷过程中桩桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥所所需的桩底位移值比桩侧摩阻力达到极极限所需的桩身截面位移值大大的多。根据小型桩试验验所得的桩底极限限位移值，对砂类类土约为d/12~d/10，对粘性土约为d/10~d/4（d为桩径）。因此，，对工作状态下的的单桩，其桩端阻阻力的安全储备一一般大于桩侧摩阻阻力的安全储备。。单桩静载荷试验所所得的荷载—沉降（Q~s）关系曲线可大体分为陡降型（A）和缓变型（B）两类形态。单桩的荷载—沉降曲线对桩底持力层不坚坚实、桩径不大、破坏时桩桩端刺入持力层的桩，其曲线多多呈“急进破坏””的陡降型，相应应于破坏时的特征征点明显，据之可可确定单桩极限承承载力。对桩底为非密实砂砂类土或粉土、清清孔不净残留虚土土、桩底面积大、、桩底塑性区随荷载增长逐渐扩扩展的桩，则呈“渐进破坏”的的缓变型，其曲线不具有表示变形形性质突变的明显显特征点，因而较较难确定极限承载载力。为了发挥这这类桩的潜力，其其极限承载力宜按按建筑物所能承受受的最大沉降确定定。换句话说，这这类桩的承载力极极限状态是受“不适于继续续承载的变变形”制约的。第4节单桩桩竖向承载载力的的确确定单桩极限承承载力Qu由总极限侧侧阻力Qsu和总极限端端阻力Qpu组成，若忽忽略二者间间的相互影影响，可表表示为：式中li、Ui——桩周第i层土厚度和和相应的桩桩身周长；Ap——桩底面积；；qsui、qpu——第i层土的极限限侧阻力和和持力层极限端端阻力。Qu、qsui、qpu的确定通常常采用下列列几种方法法：一、原型试试验法原型静载荷荷试验是传统的也是最可靠的确定承载载力的方法法。它不仅仅可确定桩的极限承承载力，而且通过过埋设各类类测试元件件可获得桩身轴力、桩侧阻力、桩端阻力、荷载—沉降关系等诸多多资料。由于土体因因打桩扰动动而降低的强度有有待随时间间而恢复，，在桩身强度度达到设计计要求的前前提下，桩桩设置后开开始载荷试试验所需的的间歇时间间：对于砂类土不得少于10天；粉土和粘性性土不得少于15天，饱和软粘土土不得少于25天。在同一条件件下，进行行静载荷试验的桩桩数不宜少少于总桩数数的1%，工程桩总总桩数在50根以内时不应少于2根，其他情况况不应少于于3根。关于单桩竖竖向静载（（抗压）试试验的方法法、终止加加载条件以以及单桩竖竖向承载力力标准值的的确定详见见《建筑桩基技技术规范》JGJ94—94。二、静力学学计算法根据桩侧阻阻力、桩端端阻力的破坏机理，，按静力学学原理，分分别对桩侧侧阻力和桩桩端阻力进进行计算。。由于计算算模式、强强度参数实实际的某些些差异，计计算结果的的可靠性受受到限制，，往往只用用于一般工工程或重要要工程的初步设计阶阶段，或与其他方法法综合比较较来确定承承载力。三、原位测测试法对地基土进进行原位测测试，利用桩的静静载荷试验验与原位测测试参数间间的关系，，确定桩的的侧阻力和和端阻力。。常用的原原位测试法法有静力触探法法(CPT)、标准贯入试试验法(SPT)、旁压试验法法(PMT)。第5节桩基基础设计和浅基础一一样，桩基基的设计也也应符合安全、合理和经济的要求。对对桩和承台台来说，应应有足够的的强度、刚度和耐久性；对地基来来说，要有有足够的承载力和不产生过过量的变形。一、基本设设计资料设计桩基之之前必须具具备各种资料：建筑筑物类型及及其规模、、岩土工程程勘察报告告、施工机机具和技术术条件、环环境条件及及当地桩基基工程经验验。勘察报报告应符合合勘察规范范的一般规规定和桩基基工程的专专门勘察要要求。二、桩型、、截面和桩桩长的选择择桩基设计的的第一步就就是根据结构类型型及层数、、荷载情况况、地层条条件和施工工能力，选选择桩型（预制桩或或灌注桩））、桩的截面尺尺寸和长度。确定桩长的的关键，在在于选择桩端持力层层。坚实土（（岩）层（（可用触探探试验或其其它指标作作为坚实土土层的鉴别别标准）最最适宜作为为桩端持力力层。对于10层以下的房房屋，如在桩端可达达的深度内内无坚实土土层时，也可可选择中等等强度的土土层作为持持力层。对于桩端进进入坚实土土层的深度度和桩端下下坚实土层层的厚度，，应该有所所要求。一一般可以这这样考虑：：1.对粘性土、粉粉土进入的深度度不宜小于于2倍桩径，砂类土不宜小于1.5倍桩径；2.对碎石类土不宜小于1倍桩径。3.桩端以下坚坚实土层的的厚度，一一般不宜小小于4倍桩径。穿越软弱弱土层而支支撑在倾斜斜岩层面上上的桩，当当风化层厚厚度小于2倍桩径时，，桩端应进进入新鲜或或微风化基基岩。端承承桩嵌入微微风化或中中等风化岩岩体的深度度不宜小于于0.5m，以确保桩端端与岩体接接触。嵌岩桩或端端承桩桩底底下3倍桩径范围内应无无软弱夹层层、断裂带、洞穴穴、和空隙隙的分布。。在确定桩长长之后，施施工时桩的的设置深度度必须满足足设计要求求。如果土土层比较均均匀，坚实实土层层面面比较平坦坦，那么桩桩的实际长长度常与设设计桩长比比较接近；；当场地土土层复杂，，或者桩端端持力层层层面起伏不不平时，桩桩的实际长长度常与设设计桩长不不一致。打入桩的入入土深度应应按所设计的桩端端标高和最后贯入度度两方面控制制。最后贯贯入度是指指打桩结束束以前每次次锤击的沉沉入量，通通常以最后后每阵（10击）的平均均贯入量表表示。一般般要求最后后二、三阵阵的平均贯贯入量为10～30mm/阵（锤重、、桩长者取取大值，质质量为7t以上的单动动蒸汽锤、、柴油锤可可增至30～50mm/阵）；振动动沉桩者，，可用1min作为一阵。。在确定桩的的类型和几几何尺寸后，应初初步确定承承台底面标标高。一般情情况下，主主要从结构要求和方便施工的角度来选选择承台深度。季节性冻冻土上的承承台埋深，，应根据地地基土的冻冻胀性考虑虑，并应考考虑是否需需要采取相相应的防冻冻害措施。。膨胀土的的承台，其其埋深选择择与此类似似。三、桩的根根数和布置置1.桩的根数初步估计桩桩数时，先先不考虑群群