基础工程(附动画)第四章_桩基础的设计计算

第四章桩基础的设计计算第四章桩基础的设计计算第一节单桩承载力单桩承载力容许值：是指单桩在荷载作用下，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。一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力及弯矩作用，因此须分别研究和确定单桩轴向承载力和横轴向承载力。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算一、单桩轴向荷载传递机理和特点（一）荷载传递过程与土对桩的支承力基本概念：当轴向荷载逐步施加于单桩桩顶，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，与此同时桩侧表面就会受到土的向上摩阻力。桩顶荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移等于零处，其摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。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到极限值。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度：桩端极限阻力的发挥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。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。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。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算（二）桩侧摩阻力的影响因素及其分布桩侧摩阻力除与桩土间的相对位移有关，还与土的性质、桩的刚度、时间因素和土中应力状态以及桩的施工方法等因素有关。土的影响：桩侧土极限摩阻力值随着桩侧土的抗剪强度的增大而增加。桩身刚度的影响：桩的刚度较小时，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较大时，土的抗剪强度也较大，以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算时间的影响：在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、状态在一定范围内会有变化，影响桩侧摩阻力，并且往往也有时间效应。影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要因素。在分析基桩承载力时，各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响，应分别情况予以注意。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算a）沉桩（预制桩）b）钻孔灌注桩图4-1桩侧摩阻力分布曲线桩侧摩阻力沿深度分布的情况：4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算（三）桩底阻力的影响因素及其深度效应桩底阻力与土的性质、持力层上覆荷载（覆盖土层厚度）、桩径、桩底作用力、时间及桩底进入持力层深度等因素有关，其主要影响因素仍为桩底地基土的性质。深度效应：桩的承载力（主要是桩底阻力）随着桩的入土深度(特别是进入持力层的深度而变化)的特性。临界深度：桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度hc。由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩底硬层的厚度。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式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。而以地基土强度破坏居多。破坏模式分为如下3种情形：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。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算整体剪切破坏（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。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和桩底反力共同承担，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。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算二、按土的支承力确定单桩轴向承载力容许值单桩轴向承载力容许值，系指单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极限承载力（极限桩侧摩阻力与极限桩底阻力之和）考虑必要的安全度后求得。单桩轴向承载力容许值的确定往往需选用几种方法作综合考虑和分析，以合理确定单桩轴向承载力容许值。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算（一）静载试验法概念：在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向承载力容许值。试桩要求：试桩可在已打好的工程桩中选定，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。静载试验法的特点：确定单桩承载力容许值直观可靠，但费时、费力，通常只在大型、重要工程或地质较复杂的桩基工程中进行试验。它还能较直接了解桩的荷载传递特征，提供有关资料。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算1、试验装置加载系统：主要有堆载法与锚桩法两种（图4-3）。图4-3锚桩法试验装置4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算堆载法：在荷载平台上堆放重物，一般为钢锭或砂包，也有在荷载平台上置放水箱，向水箱中充水作为荷载。堆载法适用于极限承载力较小的桩。锚桩法：在试桩周围布置4～6根锚桩，常利用工程桩群。锚桩深度不宜小于试桩深度，且与试桩有一定距离，一般应大于3d且不小于1.5m(d为试桩直径或边长)，以减少锚桩对试桩承载力的影响。观测系统：主要有桩顶位移和加载数值的观测。位移通过安装在基准梁上的位移计或百分表量测。加载数值通过油压表或压力传感器观测。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算锚桩法静载试验4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算千斤顶及位移传感器4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算2、试验方法分级加载：试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏荷载的1/10-1/15；有时也采用递变加载方式，开始阶段每级荷载取预估破坏荷载的1/2.5-1/5，终了阶段取1/10-1/15。测读沉降时间：在每级加荷后的第一小时内，按2、5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。沉降稳定的标准，通常规定为对砂性土为30min内不超过0.1mm；对黏性土为1h内不超过0.1mm。待沉降稳定后，方可施加下一级荷载。循此加载观测，直到桩达到破坏状态，终止试验。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算破坏荷载的确定：当出现下列情况之一时，一般认为桩已达破坏状态，所相应施加的荷载即为破坏荷载：（1）桩的沉降量突然增大，总沉量大于40mm，且本级荷载下的沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍。（2）本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉降量的2倍，且24h桩的沉降未趋稳定。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算3、极限荷载和轴向承载力容许值的确定破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，从而确定单桩轴向承载力容许值。试验曲线法：（1）P-S曲线明显转折点法在P-S曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的荷载作为极限荷载，若P-S曲线转折点不明显，可用对数坐标绘制lgP-lgS曲线，可能使转折点显得明确些。图4-4单桩荷载—沉降(P-S)曲线4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算（2）S-lgt法（沉降速率法）将相应于S-lgt线型由直线变为折线的那一级荷载定为该桩的破坏荷载，其前一级荷载即为桩的极限荷载。图4-5单桩S-lgt曲线4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算（二）经验公式法《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2007）规定了以经验公式计算单桩轴向承载力容许值的方法，这是一种简化计算方法。规范根据全国各地大量的静载试验资料，经过理论分析和统计整理，给出不同类型的桩，按土的类别、密实度、稠度、埋置深度等条件下有关桩侧摩阻力及桩底阻力的经验系数、数据及相应公式。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算1、摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值计算（1）钻（挖）孔灌注桩：naikipri112RuqlAqr0a0223qmfkh式中：aR——单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；u——桩身周长（m）；（《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2007）中规定按桩的设计直径计算桩的桩身周长，而通常情况下，施工时选用的钻头直径与桩的设计直径相同，由于施工中钻头的摆动和碰撞，而实际的成孔直径稍大于设计直径，因此，按设计直径计算单桩轴向受压承载力容许值偏于安全.）4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算式中：——桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；pAn——土的层数；il——承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m），扩孔部分不计；ikq——与对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验确定，当无试验条件时按表4-1选用；il——桩端处土的承载力容许值（kPa），当持力层为砂土、碎石土时，若计算值超过下列值，宜按下列值采用：粉砂1000kPa；细砂1150kPa；中砂、粗砂、砾砂1450kPa；碎石土2750kPa；rq4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算钻孔桩桩侧土的摩阻力标准值ikq表4-1土类(kPa)中密炉渣、粉煤灰40～60流塑IL120～30软塑0.75IL≤130～50可塑、硬塑0IL≤0.7550～80黏性土坚硬IL≤080～120中密30～55粉土密实55～80中密35～55粉砂、细砂密实55～70中密45～60中砂密实60～80中密60～90粗砂、砾砂密实90～140中密120～150圆砾、角砾密实150～180中密160～220碎石、卵石密实220～400漂石、块石400～600注：挖孔桩的摩阻力标准值可参照本表采用。ikq4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算值表4-2h/d桩端土情况4～2020～2525透水性土0.700.70～0.850.85不透水性土0.650.65～0.720.72注：h为桩的埋置深度，取值同式（4-4）；d为桩的设计直径。清底系数0m值表4-3t/d0.3～0.10m0.7～1.0注：（1）t、d为桩端沉渣厚度和桩的直径；（2）d≤1.5m时，t≤300mm；d1.5m时，t≤500mm，且0.1t/d0.3。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算（2）沉桩的轴向受压承载力容许值计算：naiiikrprki11()2RulqAq式中：aR——单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；u——桩身周长（m）；n——土的层数；il——承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）；4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算ikq——与il对应的各土层与桩侧摩阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验确定或通过静力触探试验测定，当无试验条件时按表4-4选用；rkq——桩端处土的承载力标准值（kPa），宜采用单桩试验确定或通过静力触探试验测定，当无试验条件时按表4-5选用；i、r——分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数，按表4-6采用；对于锤击、静压沉桩其值均取为1.0。4-1单桩承载力的确定第四章桩基础的设计计算沉桩桩侧土的摩阻力标准值ikq表4-4土类状态摩阻力标准值ikq（kPa）1.5≥IL≥115～301IL≥0.7530～450.75IL≥0.