桩基础的基础知识

1、4.桩基工程,直接试验法 规范法 半经验法 近似理论法,4.1 桩的定义与分类,4.2 桩的设计原则,4.3 单桩竖向抗压承载力,4.4 桩基负摩阻力,4.5 桩基抗拔承载力,4.7 基桩水平承载力,4.6基桩内部稳定承载力验算,4.8桩基内力和位移计算,桩是深入土层的柱型受力构件，有桩顶、桩身、桩端（尖）三部份组成。 桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。,其作用是将上部结构的荷载，通过较软弱的土层或水传递到深部较坚硬的、压缩性较小的土层或岩层中。 在一般基础工程中，桩主要承受竖向（轴向垂直）荷载，在桥梁、高耸塔型建筑、支档建筑以及抗地震等工程中，桩还承受来自侧向的风力、波浪力、土压力和地

2、震力等水平荷载。桩通过桩周土阻力或桩端土阻力来支承轴向荷载，依靠桩周土层的侧向阻力抵抗水平荷载。,适用条件,第一、荷载较大地某广部亡层软弱，适宜的地基持力层位置较深，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时； 第二、河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易计算正确，如采用浅基础施工困难或不能保正基础安全时； 第三、当地基计算沉降过大或结构物对不均匀沉降敏感时，采用桩基础穿过松软(高比缩性)土层将荷载传到较坚硬低压缩性)土层，减少结构物沉降并使沉降较均匀 第四、当施工水位或地下水位较高时，采用桩基础可减小施工困难和避免水下施工 第五、地震区，在可液比地基中，采用桩基础可增加结构物的抗震能力，桩

3、基础穿越可液化土层并伸入下部密实稳定土层，可消除或减轻地层对结构物的危害。,以上情况也可以来用其他型大的深基础，但桩基础由于耗用材料少、施工快速简便，往往是优先考虑的深基础方案。,设置方向 周围介质 结构特性,定义,4.1桩的定义与分类,垂直或微斜埋置于土岩中的受力杆件,荷载传递至桩周和桩端深层土岩 主要承受垂直荷载 也可以承受水平荷载,作用,基本要素,桩的分类,桩基分类,桩和桩基的分类,单桩基础,群桩基础,承载性状,施工方法,设置效应,使用功能,桩基础分类 桩数n,单桩基础,群桩基础,单根桩形式承受或传递上部荷载独立基础,2根或以上多根桩群和上部承台组合形式承受或传递上部荷载的基础,群桩基础

4、中一根桩称为基桩,桩基础分类 承台,承台与地面相对位置,承台类型,高承台桩基,低承台桩基,基桩分类 使用功能,竖向抗压桩,竖向抗拔桩,水平受荷桩,复合受荷桩,基桩分类 承载性能,摩擦型桩,端承型桩,摩擦桩,端承摩擦桩,端承桩,摩擦端承桩,基桩分类 施工方法,预制桩,灌注桩,木桩,钢筋混凝土桩,基桩分类 材料,钢桩,组合桩,基桩分类 设置效应,挤土桩,小桩 d250mm 普通桩 250d800mm 大直径桩 d800mm,基桩分类 桩径、桩长,部分挤土桩,非挤土桩,深长桩：桩长40m 相对桩长30 超常桩：桩长50m 相对桩长40,施工 预制桩,灌注桩,挖孔灌注桩,沉管灌注桩,水中施工,桩基全面

5、质量控制,桩的几何受力条件检验 平面布置、桩身倾斜度、桩顶和桩底标高 桩身质量的检验 桩的尺寸、构造及其完整性进行检测，验证桩的制作或成桩的质量 桩身强度与单桩承载力检验 桩身材料抗压强度 单桩承载力的检测，在施工过程中，对干打入桩惯用最终贯入度和桩底标高进行控制，而钻孔灌注桩还缺少在施工过程中监测承载力的直接手段。成桩可做单桩承载力的检验常采用单桩静载试验或高应变动力试验确定单桩承载力,4.2桩的设计原则,桩基达到建筑物正常使用变形限制或耐久性能的某项限值。,桩基极限状态分类,承载能力极限状态ULT Ultimate Limit State）,桩基达到最大承载能力，或不适用继续承载的变形或变

6、位。,正常使用极限状态SLS Serviceability Limit State,建筑桩基技术规范（JGJ94-94）根据桩基损坏时造成建筑物的破坏后果（危及人的生命，造成经济损失、产生社会影响）的严重性，将建筑桩基安全等级分为三类,根据建筑结构设计统一标准的规定， 一级建筑物是指：（1）十四层以上体型复杂的建筑及二十层以上的高层建筑 ；（2）对地基变形有特殊要求的重要工业建筑物；（3）单桩荷载在4000kN以上的建筑物。 所谓体型复杂的建筑物是指平面上有L形、Y形、T形、弧形以及不同线条或形状组合而成的平面。 所谓地基变形有特殊要求的重要工业建筑，主要指那些有高压管道或易燃气体、液体管道设

7、施的化工、炼油厂中的高压、易爆、易燃管道相联的装置，其基础的绝对沉降和差异沉降限制都很严格，否则会导致接头受损，引起泄气、漏气后的燃烧、爆炸。 大直径单桩荷载在4000kN以上的建筑系指一柱一桩、一柱二桩或三桩结构体系。这种建筑上部结构多属大跨度框架结构，对沉降敏感性极高，桩间差异沉降不应超过20/00。,承载力极限状态计算,桩基 计算与验算,变形验算,抗裂或裂缝宽度验算,桩基承载力 软弱下卧层 整体稳定性 抗震 桩基础结构承载力,沉降 水平位移,桩身 承台,单桩竖向抗压承载力 单桩竖向抗拉承载力 单桩水平向承载能力,桩的承载性能,种类,所谓单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载作用下，到达桩基

8、破坏状态前或出现不适应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结构强度，在多数情况下由土对桩的支承阻力起控制作用。 所谓单桩竖向承载力特征值是指正常使用极限状态计算时采用的单桩承载力值，其函义即在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。其值相当于单桩竖向极限承载力值的一半。群桩中作用于单桩桩顶的竖向荷载采用正常使用极限状态标准组合下的竖向力，承台与承台上土自重采用标准值。其意义在于以荷载标准组合值确定桩数，与天然地基确定基础尺寸的原则相一致。 所谓单桩竖向极限承载力标准值指建筑场地检测桩单桩竖向极限承载力的统计值，取其值的一半即为单桩竖向承载力特征值。,桩的内部强度

9、稳定准则 桩的外部强度稳定准则 桩的功能性稳定准则,单桩竖向抗压承载力,分析确定基本原则,确定方法,直接试验确定 打桩公式 静力计算公式,桩的荷载传递,桩侧摩阻力,桩端承载力,粘性土：Ssu=46mm 砂性土：Ssu=610mm,砂性土：Sbu=d/12d/10mm 粘性土：Sbu=d/10d/4mm,相对桩长L/D愈大，桩端阻力和桩侧下端摩阻力发挥愈低。,相对桩长L/D愈小，桩土相对刚度Rps=Ep/Es愈高，桩端阻力发挥愈高；,相对桩长L/D愈小，端侧土相对刚度Rbs=Eb/Es愈高，桩端阻力发挥愈高；,荷载传递机理,4.3单桩竖向抗压承载力,一、直接试验法,四、近似理论法,三、半经验法,

10、二、规范法,五、群桩分析,静载荷试验(Static Loading Test ) 高应变试验（G. G. Goble et. al., 1975） 自平衡法（Osterberg Cell，Osterberg, 1989） 动静试桩法（Statnamic Loading Device）,直接试验法种类,一、直接试验法,静载荷试验,单桩极限承载力的静载荷试验占主导地位，直接应用于工程设计。同时，得到单桩沉降与荷载关系曲线。 其它直接试验方法，各有特点，可作为静载荷试验的补偿，特定条件下有重要意义。,意义,高应变，以一维杆件中应力波传递原理为基础，方法简单，价格低廉，宜于高比例检测，结果代表性良好，

11、但精度相对较低。 自平衡，预先埋置Osterberg荷载箱，以桩身摩阻力为反力，可避免反力平衡装置，特定场合，是一相对可靠的单桩承载力直接试验方法。 动静试桩，理论基础是牛顿运动定律，兼有静载荷试验和高应变测试两方面特点，可显著降低反力配重，简单快捷；精度良好。,特点,Osterberg Cell,二、建筑桩基规范规范法,嵌岩桩,LDBPs,一般桩,三、半经验法,直接物理模拟的方法 直接数学回归或经验公式的方法 间接数学回归的方法,基本原理,基本指标,室内试验指标 原位测试指标,基本依据,土的分类 基桩类型 施工工艺,桩基工程中，原位测试技术确定桩基设计参数方法大多属于半经验法的范畴。,半经验

12、法 原位测试法,反映土原位结构特征有独到之处 CPT应用排土桩物理模拟排土桩力学特征 以直接数学回归方法最普遍,静力触探试验（CPT） 标准贯入试验（SPT） 旁压仪试验（PMT）,主要方法,特点,一般表达式,CPT确定单桩极限承载力,Vesic(1967)根据双桥的静力触探结果，基于直接物理模拟法，提出了,Meyerhof基于直接数学回归方法，采用锥尖阻力qc确定桩侧摩阻力fs,Lehane（2000）CPT- qc考虑粘土灵敏度、相对长度。,CPT在比利时、荷兰、法国、意大利和波兰等国家广泛采用。我国针对预制桩，提出类似方法。其中，比利时的NAD、法国的Fascicule 62-V和我国的

13、建筑桩规（JGJ 94-94）中，b和s的取值参见表。,The empirical coefficients of b、s,意大利人Viggiani(1993)对SPT-N应用于非粘性土中排土桩进行研究; Wright Cock, 1998; Findlay, 1997; Alessandro, 1997认为，计算桩端极限端承力qb时，有：,静力计算方法 桩端极限端承力qb,粘性土持力层,粘性土桩端持力层，承载力计算采用不排水法。,早期有一些学者对Nc的取值进行过系统研究，具有代表性的有 Skempton（1951），Nc=6.149.0； Sowers（1961），Nc=5.08.0； Mo

14、han（1961），Nc=5.78.2 Ladanyi，Nc=7.49.3。 Nc的值域相对比较稳定，且随桩的入土深度增长而趋于上限值（z4d）。目前，大多数桩基应用中实际桩长来看，采用Nc=9.0是合理的。,粘性土持力层 Nc,在我国（JTJ024-85），大直径钻孔灌注桩LDBPs的单桩桩端土的极限端承力计算 其中， 一项是深度修正，且规定： 当桩长L40m时，桩端土层深度L超载修正； 当桩长L40m时，按深度L=40m超载修正。,公路桥涵地基与基础设计规范,五、建筑桩基规范群桩分析,群桩作用抗压承载力与抗力 建筑桩基规范,端承型桩,摩擦型桩,表达式,群桩作用抗压承载力R,计算说明,R是考

15、虑群桩效应后的基桩竖向承载力设计值，桩基承载力等于nR；,端承桩、n3的摩擦桩基，不考虑群桩效应和带桩作用。,承台底面与土脱开时，不考虑承台效应，c=0；且s、p和sp按bc/l=0.2查表确定。,嵌岩桩不考虑群桩、带桩效应,桩顶荷载作用效应,中心荷载,偏心荷载,桩基作用效应与竖向承载力验算,中心荷载,偏心荷载,一般,地震,地震,一般,桩基软弱下卧层承载力验算,整体,局部,验算方法,下卧层承载力验算,整体,局部,桩周土体沉降超过桩身沉降时，土对桩产生向下作用摩阻力，为负摩阻力。负摩阻力大小决定于桩周土体抗剪强度，且具有时效性。,定义,地面大面积堆载 地下水位下降 欠固结土自重固结沉降 排挤桩群

16、超静孔隙水压力引起地基再固结 黄土、冻土、盐渍土环境改变引起附加沉降,原因,4.4桩基负摩阻力验算,负摩阻力分布特征,负摩阻力中性点,端承桩ln/l0=0.850.95 基岩上的桩ln/l0=1.0,端承型桩,摩擦型桩,端承力5%， ln/l0=0.7 端载力=5%50%， ln/l0=0.8,负摩阻力计算,粘性土,砂性土,排水法,负摩阻力,经验法,半理论法,负摩阻力承载力验算,端承型桩,摩擦型桩,摩擦型桩计算竖向承载力设计值时，中性点以上的侧摩阻力按零计算。,端承桩上应考虑负摩阻力引起的下拉荷载,结构对不均匀变形敏感时，应计算负摩阻力引起的下拉荷载，进行桩基沉降验算,群桩整体验算,群桩基桩验

17、算,4.5桩的抗拔承载力验算,4.6基桩内部稳定承载力验算,轴向受压,桩作为一根全部或部分埋入土中的轴向受压杆件,压屈作用,细长轴向受压杆件或偏心受压杆件，宜发生轴向挠曲而压屈失,b桩的工作条件系数，0.95 c砼的安全系数，1.25 s钢筋安全系数，1.25,轴向受压,临界荷载Ni,分项修正系数,当 3%,砼桩纵向弯曲系数,1.0,系数与参数lp/b (or lp/d or lp/r）负相关,桩受弯时的计算长度lp,偏心受压,钢筋半径相对系数,偏心增大系数,当 3%，Ih=1.2Ih,其中，C1、C2和C3分别为钢筋表面形状系数、荷载作用系数和构件形式系数。容许裂缝宽度，一般分布2.5 或支承桩h3.5,悬浮桩桩端弯矩,嵌岩桩,大量计算表明， h4.0，桩身地面处转角与桩底边界无关，上述计算公式可以通用