3.4+单桩承载力.PPT.ppt

1、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

2、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

3、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,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46mm，砂性土为6 10mm。,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

4、桩，即使桩端土很好，工作荷载下端阻力也很难发挥。,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

5、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。,极限摩阻力可用类似于土 的抗剪强度的库伦表达式：,式中ca和a为桩侧表面与土之间的附着力和摩擦角，x为深度z处作用于桩侧表面的法向压力，它与桩侧土的竖向有效应力成正比例，即：,式中Ks为桩侧土的侧压力系数，对挤土桩，K0KsKp；对非挤土桩，因桩孔中土被清除，而使Ka

6、KsK0 。此处， Ka 、 K0和Kp分别为主动、静止和被动土压力系数。,挤土桩,非挤土桩,采用上述公式计算深度z处的单位侧阻时，如取 则侧阻将随深度线性增大。 然而砂土中的模型桩试验表明，当桩入土深度达到某一临界值后，侧阻就不随深度增了，这个现象称为侧阻的深度效应。,综上所述，桩侧极限摩阻力与许多因素有关：,超静孔隙水压力消散,土的触变性,qs 随着深度增加,砂土中存在临界深度,但是，桩侧摩阻力达到极 限值所需的桩土滑移极限值则 与土的类别有关、而与桩径大小无关，根据试验资料约为46mm（对粘性土）或610mm（对砂类土）。,单桩受荷过程中桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥所

7、需的桩底位移值比桩侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移值大的多。根据小型桩试验所得的桩底极限位移值，对砂类土约为d/12d/10，对粘性土约为d/10d/4（d为桩径）。因此，对工作状态下的单桩，其桩端阻力的安全储备一般大于桩侧摩阻力的安全储备。,四、桩端阻力,单桩静载荷试验所得的 荷载沉降（Qs）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,对桩底持力层不坚实、桩 径不大、破坏时桩端刺入持力 层的桩，其曲线多呈“急进破坏”的陡降型，相应于破坏时的特征点明显，据之可确定单桩极限承载力。 对桩底为非密实砂类土或粉土、清孔不净残留虚土、桩底面积大、桩底塑性区,随荷载增

8、长逐渐扩展的桩，则 呈“渐进破坏”的缓变型，其曲 线不具有表示变形性质突变的明显特征点，因而较难确定极限承载力。为了发挥这类桩的潜力，其极限承载力宜按建筑物所能承受的最大沉降确定。换句话说，这类桩的承载力极限状态是受“不适于继续承载的变形”制约的。,桩的端承力 (1)常作为基础承载力问题(太沙基解),(1)很难达到整体破坏 (2)端承力与深度有关 (3)存在临界深度,桩的承载机理,(2) 土的极限端阻力影响因素 与土性有关,存在临界深度,与施工方法有关,桩端充填粉土,二 单桩竖向承载力的确定,1 在荷载作用下，桩在地基土中不丧失稳定性。 2 桩顶不产生过大位移 3 桩身不发生材料破坏,混凝土R

9、= cfc Ap 钢筋混凝土R=c fc Ap +fyAg,钢筋抗压强度设计值,单桩承载力确定,二 确定单桩竖直向承载力的方法,1 静载荷试验 2 其他现场试验方法 3 经验方法：静力触探 经验公式,单桩承载力确定,1、静载试验法 获得单桩承载力最可靠的方法,锚桩反力梁,单桩承载力确定,锚桩反力梁法,单桩承载力确定,单桩承载力确定,单桩承载力确定,锚桩 桁架法,2400吨,Q (kN),次梁,锚筋,锚桩,主梁,千斤顶,百分表,桩的荷载试验成果荷载沉降曲线,单桩承载力确定,(2) 载荷试验确定极限承载力Qu(各规范不同) 如果有陡降点,取为Qu 缓变曲线取桩顶总沉降 s=40mm对应荷载 24h

10、未稳定,Sn对应的荷载 确定平均值 (极限承载力标准值) 如离散太大,增加试桩数，具体确定 设计值R=,单桩承载力确定,二 确定单桩竖直向承载力的方法,2 其他现场试验方法 动测桩法 桩端深层平板载荷试验 离心模型试验,单桩承载力确定,动测桩法,气缸,堆载,桩,消音器,力传感器,Statnamic大应变动测桩承载力方法加拿大和荷兰,单桩承载力确定,深层平板载荷试验确定桩端承载力,承载力特征值： 1 比例界限 2 极限荷载之半 3 s/d0.010.05对应荷载, 0.8 m,刚性板直径800mm,单桩承载力确定,二 确定单桩竖直向承载力的方法,3 原位测试和经验方法： 静力触探 标准贯入试验

11、经验公式,单桩承载力确定,(1)静力触探Static Cone Penetration 地基基础设计为丙级的建筑物 通过单桥探头得到比贯入阻力ps 单桩竖向承载力特征值为,传感器,qs 桩周土承载力标准值 qp 桩端土承载力标准值,Ap 桩底横截面面积 up 桩身周长 li 第i层土的厚度,单桩承载力确定,(2) 经验公式法,根据相应的地基规范,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 桩的抗拔承载力与负摩擦力 Pullout strength and negative shaft friction,、单桩的抗拔承载力 抗浮桩，冻拔桩 抗拔桩,抗拔桩承载力,1.抗拔承载机理特

12、点,抗拔时，桩周土的应力状态、应力路径和土的变形与承压桩不同。一般抗拔的摩阻力小于抗压的摩阻力。,抗拔桩承载力,2.单桩抗拔承载力特征值Ta1 ) 现场抗拔静载荷试验重要建筑物2 ) 公式非重要建筑物,第i层土抗拔折减系数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)桩周附近地面大面积堆载 (2)大面积降低地下水位 (3)欠固结土,新填土 (4)湿陷性黄土遇水湿陷 (5)砂土液化、冻土融陷,正摩阻,负摩阻,二 桩的负摩阻力,桩相对土向下,土相对桩向下,2 负摩擦力的确定 下部为岩石的端承桩,可能全桩为负阻力。,

13、抗拔桩承载力,一 单桩轴向荷载的传递 1桩身轴力和截面位移 在轴向荷载作用下，桩身将发生压缩变形；同时桩顶部分荷载通过桩身传递到桩底，致使桩底土层发生压缩变形，这两部分压缩变形之和构成桩顶轴向位移。 由于桩与桩周土体的紧密接触，当桩相对于土向下位移时，桩侧表面受到土向上的摩阻力。,在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，故桩身截面的轴向力随深度逐渐减小，传至桩底截面的轴向力为桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力，并与桩底支承反力（即桩端阻力）大小相等、方向相反。 桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体，即土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。,由桩底土层的压缩变形导 致

14、的桩端位移加大了由于桩身 的压缩变形引起的桩身各截面的位移，并促使桩侧摩阻力进一步发挥。一般来说，靠近桩身上部土层的摩阻力先于下部土层发挥出来，桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来。 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。,二、桩侧摩阻力和桩端阻力 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。,桩截面位移,桩侧摩阻力,O,C,D,A,B,极限摩阻力可用类似于土 的抗剪强度的库伦表达式：,式中ca和a为桩侧表面与土之间的附着力和

15、摩擦角，x为深度z处作用于桩侧表面的法向压力，它与桩侧土的竖向有效应力成正比例，即：,式中Ks为桩侧土的侧压力 系数，对挤土桩，K0KsKp； 对非挤土桩，因桩孔中土被清除，而使KaKsK0 。此处， Ka 、 K0和Kp分别为主动、静止和被动土压力系数。 采用上述公式计算深度z处的单位侧阻时，如取,则侧阻将随深度线性增大。然 而砂土中的模型桩试验表明， 当桩入土深度达到某一临界值后，侧阻就不随深度增加了，这个现象称为侧阻的深度效应。 综上所述，桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质、成桩方法等许多因素有关。,但是，桩侧摩阻力达到极 限值所需的桩土滑移极限值则 与土的类别有关、而与桩径大小

16、无关，根据试验资料约为46mm（对粘性土）或610mm（对砂类土）。,单桩受荷过程中桩端阻力 的发挥不仅滞后于桩侧阻力， 而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移值大的多。根据小型桩试验所得的桩底极限位移值，对砂类土约为d/12d/10，对粘性土约为d/10d/4（d为桩径）。因此，对工作状态下的单桩，其桩端阻力的安全储备一般大于桩侧摩阻力的安全储备。,单桩静载荷试验所得的 荷载沉降（Qs）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,对桩底持力层不坚实、桩 径不大、破坏时桩端刺入持力 层的桩，其曲线多呈“急进破坏”的陡降型，相应于破

17、坏时的特征点明显，据之可确定单桩极限承载力。 对桩底为非密实砂类土或粉土、清孔不净残留虚土、桩底面积大、桩底塑性区,随荷载增长逐渐扩展的桩，则 呈“渐进破坏”的缓变型，其曲 线不具有表示变形性质突变的明显特征点，因而较难确定极限承载力。为了发挥这类桩的潜力，其极限承载力宜按建筑物所能承受的最大沉降确定。换句话说，这类桩的承载力极限状态是受“不适于继续承载的变形”制约的。,第4节 单桩竖向承载力 的确定,单桩极限承载力Qu由总极限侧阻力Qsu和总极限端阻力Qpu组成，若忽略二者间的相互影响，可表示为：,式中 li 、Ui桩周第i层土厚度和相应的桩 身周长； Ap桩底面积； qsui、qpu第i层

18、土的极限侧阻力和持 力层极限端阻力。 Qu 、 qsui 、 qpu的确定通常采用下列几种方法：,一、原型试验法 原型静载荷试验是传统的 也是最可靠的确定承载力的方法。它不仅可确定桩的极限承载力，而且通过埋设各类测试元件可获得桩身轴力、桩侧阻力、桩端阻力、荷载沉降关系等诸多资料。,由于土体因打桩扰动而降 低的强度有待随时间而恢复， 在桩身强度达到设计要求的前提下，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。,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%，工程桩总桩数在50根以内时不应少于2根，其他情况不应少于

19、3根。 关于单桩竖向静载（抗压）试验的方法、终止加载条件以及单桩竖向承载力标准值的确定详见建筑桩基技术规范JGJ9494。,二、静力学计算法 根据桩侧阻力、桩端阻力的 破坏机理，按静力学原理，分别对桩侧阻力和桩端阻力进行计算。由于计算模式、强度参数实际的某些差异，计算结果的可靠性受到限制，往往只用于一般工程或重要工程的初步设计阶段，或与其他方法综合比较来确定承载力。,三、原位测试法 对地基土进行原位测试， 利用桩的静载荷试验与原位测试参数间的关系，确定桩的侧阻力和端阻力。常用的原位测试法有静力触探法(CPT)、标准贯入试验法(SPT)、旁压试验法(PMT)。,第5节 桩基础设计,和浅基础一样，

20、桩基的设计也应符合安全、合理和经济的要求。对桩和承台来说，应有足够的强度、刚度和耐久性；对地基来说，要有足够的承载力和不产生过量的变形。,一、基本设计资料 设计桩基之前必须具备各种 资料：建筑物类型及其规模、岩土工程勘察报告、施工机具和技术条件、环境条件及当地桩基工程经验。勘察报告应符合勘察规范的一般规定和桩基工程的专门勘察要求。,二、桩型、截面和桩长的选择 桩基设计的第一步就是根 据结构类型及层数、荷载情况、地层条件和施工能力，选择桩型（预制桩或灌注桩）、桩的截面尺寸和长度。 确定桩长的关键，在于选择桩端持力层。坚实土（岩）层（可用触探试验或其它指标作为坚实土层的鉴别标准）最适宜作为桩端持力

21、层。,对于10层以下的房屋，如 在桩端可达的深度内无坚实土 层时，也可选择中等强度的土层作为持力层。 对于桩端进入坚实土层的深度和桩端下坚实土层的厚度，应该有所要求。一般可以这样考虑： 1.对粘性土、粉土进入的深度不宜小于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.桩端以下坚实土层的厚度，一般不宜小于4倍桩径。穿越软弱土层而支撑在倾斜岩层面上的桩，当风化层厚度小于2倍桩径时，桩端应进入新鲜或微风化基岩。端承桩嵌入微风化或中等风化岩体的深度不宜小于0.5m，以确保桩端与岩体接触。,嵌岩桩或端承桩桩底下3倍 桩径范围内应无软弱夹层、断 裂带、洞穴、和空隙的分布。

22、 在确定桩长之后，施工时桩的设置深度必须满足设计要求。如果土层比较均匀，坚实土层层面比较平坦，那么桩的实际长度常与设计桩长比较接近；当场地土层复杂，或者桩端持力层层面起伏不平时，桩的实际长度常与设计桩长不一致。,打入桩的入土深度应按所 设计的桩端标高和最后贯入度 两方面控制。最后贯入度是指打桩结束以前每次锤击的沉入量，通常以最后每阵（10击）的平均贯入量表示。一般要求最后二、三阵的平均贯入量为1030mm/阵（锤重、桩长者取大值，质量为7t以上的单动蒸汽锤、柴油锤可增至3050mm/阵）；振动沉桩者，可用1min作为一阵。,在确定桩的类型和几何尺 寸后，应初步确定承台底面标 高。一般情况下，主要从结构要求和