4.1-概述、设计原则-4.2-桩的类型-4.3-桩的竖向承载力

第四章桩基础Pilefoundation本章主要内容•概述桩的功能及类型•桩的承载机理？•单桩承载力capacityofsinglepile•群桩承载力capacityofpilegroup•桩基础设计软土层沉井caisson工作间梯子支护通气桶深基础地下连续墙diaphragm第一节概述一、桩的应用1.历史•十九世纪以前，木桩•7000-8000年前湖上居民,浙江河姆渡•西安灞桥,北京御河桥,隋唐建塔•十九世纪开始，材料和动力进步铸铁管桩，1824年波特兰水泥注册专利，蒸汽动力•十九世纪末，现场钻孔桩(1897,Raymond)排桩带撑木桩灞河上建桥始于春秋时期，秦穆公称霸西戎，将滋水改为灞水，并于河上建桥，故称“灞桥”，是我国最古老的石柱墩桥。1400年前的隋代灞桥遗址被洪水冲走的隋代灞桥上的桥桩隋代灞桥桥墩上的龙头隋代灞桥石料上刻有“耀州”二字证实修桥石料来源于西安以北约100公里的古耀州新加坡发展银行,四墩,每墩直径7.3m将荷载传递到下部好土层,承载力高大直径钻孔桩风化砂岩及粉砂岩部分风化及不风化泥岩新加坡发展银行,四墩7.3m现场灌注护坡桩造价低现场灌注护坡桩造价低2.特点优点1.将荷载传递到下部好土层,承载力高2.沉降量小3.抗震性能好,穿过液化层4.承受抗拔(抗滑桩)及横向力(如风载荷)5.与其他深基础比较,施工造价低缺点施工环境影响,预制桩施工噪音,钻孔灌注桩的泥浆有地下室时,有一定干扰,深基坑中做桩3.适用条件(1)水上建筑物(2)深持力层,高地下水位(3)抗震地基(4)对沉降非常敏感的建筑,如精密仪器详见教材117页•承台:将几个桩结合起来传递荷载1.低承台桩基承台在地面以下,承台本身可承担部分荷载2.高承台桩基承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥软土层二、桩基础的类型（按承台位置分类）青岛·前海栈桥１８９１年登州镇总兵章高元奉调率兵移驻青岛后，先在青岛村（今人民会堂处）修建总兵衙门，然后在前海处搭起一座长２００米左右、铁木结构的简易码头，当时只供军用，故名栈桥。低承台桩基高承台桩基三、桩基设计原则1、桩基的极限状态：桩基承载能力极限状态：对应于桩基受荷达到最大承载能力导致整体失稳或发生不适于继续承载的变形；桩基正常使用极限状态：对应于桩基变形达到为保证建筑物正常使用所规定的限值或桩基达到耐久性要求的某项限值。《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）2、建筑桩基安全等级：根据建筑物因桩基损坏所造成的后果严重性将建筑桩基分为三个安全等级。3、桩基计算（验算）内容：（1）所有桩基均应进行承载能力极限状态计算1）桩基的竖向承载力计算、群桩承载力计算；2）桩端平面以下软弱下卧层承载力验算；3）桩基抗震承载力验算；4）承台计算和桩身结构计算；（2）以下桩基尚应进行变形验算：1）桩端持力层为软弱土的一、二级建筑物及桩端持力层为粘性土等的或存在软弱下卧层的一级建筑桩基的沉降验算。2）承受较大水平荷载或对水平变位要求严格的一级建筑桩基的水平变位验算。（3）对不允许出现裂缝或限制裂缝宽度的混凝土桩身和承台应进行抗裂或裂缝宽度验算。4、桩基规范对荷载效应的规定•桩基承载能力极限状态：采用作用效应的基本组合和地震作用效应的组合。桩基正常使用极限状态：沉降验算：采用荷载的长期效应组合（准永久组合）。水平变位、抗裂和裂缝宽度：应根据使用要求和裂缝控制等级分别采用作用效应的短期效应组合（标准组合）或短期效应组合（标准组合）考虑长期荷载（准永久组合）的影响。对于特殊地基土（如：软土、湿陷性黄土等），遵循相应的设计原则。•《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002关于荷载取值的规定•（1）按地基承载力确定基础底面面积或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下的标准组合。相应的抗力应取地基承载力特征值或单桩承载力特征值。•（2）计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应按正常使用极限状态的下荷载效应的准永久组合，不计入风荷载和地震作用。相应的限值为地基变形允许值。•（3）计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡时，荷载效应应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1.0。•（4）在设计基础、承台、支挡结构强度时，应荷载效应应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数均。•验算基础的裂缝宽度时，应按正常使用极限状态下的标准组合。•（5）由永久荷载效应控制的基本组合值可取基本组合值的1.35倍。•（6）基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按有关规范的规定采用，但结构重要性系数γ0不应小于1.0。No结构与地质资料桩型、桩长、桩距确定桩数n=P/R桩基中基桩承载力验算软弱下卧层验算实体深基础验算承台设计沉降计算桩基础的设计步骤四、4.2桩的类型承载性状施工方法成型方式效应材料形状按尺寸软土层按不同的分类标准，叫法不同。4.2.1桩的分类一、按承载性状分类Q=Qp+QsTipresistance,Skinfriction端承型桩主要由桩端承受极限荷载,桩不长,桩端土坚硬摩擦型桩主要由桩侧壁与土的摩擦力承受极限荷载,桩长径比不很大，桩端土为粘土、粉土、砂土等端承型桩摩擦型桩端承桩摩擦端承桩（嵌岩桩）摩擦桩端承摩擦桩端承型桩摩擦型桩PsPs二、按材料：木桩、混凝土、钢筋混凝土、钢管（型钢）桩、复合桩钢筋混凝土：普通混凝土、预应力混凝土（离心预制）、高强混凝土三、按形状•按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节（分叉）桩、扩底桩、支盘桩、微型桩•按横断面：圆形，八边形，十字桩、X形桩桩身横断面四、按尺寸•按断面(直径）的大小：大直径桩:d800mm;小直径桩：d250mm；中等直径桩：250d800mm。•按长度（长径比）：长桩:40mL≤80m（3)；短桩：L≤15m；中长桩：15mL≤40m；超长桩：L80mL/（：桩的特征长度）c44EIkB五、按施工方法施工方法—沉桩方法1预制桩Prefabricatedpile挤土桩，部分挤土桩2现场灌注桩Castinplace非挤土桩，部分挤土桩1预制桩2现场灌注桩气锤打入振动沉桩静压桩引孔,部分挤土,大面积地面隆起不引孔,挤土桩成孔方法人工挖孔螺旋钻正反循环—地下水以下泥浆护壁冲击,夯扩,爆破沉管灌注浇注法省,易泥皮,虚土,断桩水上水下其他离心,预应力,工厂,现场振动沉桩预制桩10~13mPilePoint离心预应力预制钢筋混凝土人工挖孔桩广州市亚洲大酒店人工挖孔桩螺旋钻扩底桩人工挖孔扩孔桩（芝加哥法）UK英国1.0-3.0m0.6-0.9m英国是近代工业革命的发源地，正式名称“联合王国”，全称“大不列颠及北爱尔兰联合王国（theUnitedKingdomofGreatBritainandNorthernIreland）”爆破扩底桩挤扩桩（支盘桩）六、按桩的成桩方式效应分类：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩1）挤土桩：实心预制桩、下端封闭的管桩、以及沉管灌注桩成桩效应：粘土：打桩→抗剪强度降低→停一定时间可恢复。无粘土：抗剪强度提高。2）部分挤土桩：H型钢桩、开口的钢管桩、开口预制管桩成桩效应：影响不大。3）非挤土桩：钻孔灌注桩、先钻孔再打入的预制桩成桩效应：侧阻力有所降低。4.3单桩承载力Bearingcapacityofasinglepile4.3.1单桩轴向荷载的传递机理（单桩的工作性能）桩顶荷载一般为：轴向力、水平力、弯矩1.桩身轴力和截面位移（桩的荷载传递）在外载作用下，土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。在外力作用下，桩侧摩阻力开始抵抗打桩时的荷载，桩工作状态时随着外载的作用，开始摩阻力发挥作用，只有当桩端产生位移，端阻力才逐渐开始作用。桩、土间力的平衡设桩身周长为u，从深度z处取一dz微段，由力的平衡条件有：设桩身横截面面积为Ap，弹性模量为Ep，dz微段的变形为dz，据虎克定律有：PPNLLAEdzdEANzppz()01zzpzzzzzpNudNdNdNudzppzzEAdzNd代入上式有：2ZPPzZ2zdNAEd1udzudzZ0zz0Zz0Zz0PPNNud1NdAE2.影响荷载传递的因素主要影响荷载传递的因素：长径比l/d根据长径比l/d桩的分类：短桩：l/d＜10中长桩：l/d=10~40长桩：l/d=40~100超长桩：l/d＞1002.影响荷载传递的因素（1）桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es对于中长桩：Eb/Es增大，桩端分担荷载的比例增加。（2）桩土刚度比Ep/Es对于中长桩：Ep/Es增大，桩端分担荷载的比例增加。Ep/Es超过1000后，影响不大。当Ep/Es＜10端阻接近零，因此：对于砂桩、碎石桩、灰土桩等，应按复合地基设计。（3）桩端扩底直径与桩身直径比D/dD/d增大，桩端分担荷载的比例增加。当桩长增大(例如l／d＞25)时，桩端分担荷载减少。因桩身压缩变形大，桩端反力尚未发挥，桩顶位移已超过实用所要求的范围，此时传递到桩端的荷载极为微小。因此，很长的桩实际上总是摩擦桩，用扩大桩端直径来提高承载力是徒劳的。(4)长径比l/dzZ0zz0Zz0Zz0PPNNud1NdAE3.桩侧摩阻力和桩端阻力。桩侧土的竖向有效应力—附着力和摩擦角。桩侧表面与土之间的、''tanvvsxaaaxauKcc由上可见，桩的侧阻随深度呈线性增大。但砂土中模型桩试验表明，当桩入土深达某一临界值(约为5~10倍桩径)后．侧阻就不再随深度增加。该现象称为侧阻的深度效应。维西克(vesie，1967)认为：桩周竖向有效应力不一定等于覆盖应力，其线性增加到临界深度(zc)时达到某一限值，其原因是土的“拱作用”。综上所述，桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质，成桩方法等多种因素有关。而桩侧阻力τu达到所需的桩~土相对滑移极限值久则基本上只与土的类别有关．根据试验资料，一般粘性土约为4~6mm．砂土约为6~10mm。tanuaxac'Vsxk超静孔隙水压力消散,土的触变性打入预制桩：挤土使qs增加：(1)挤密(2)残余应力钻孔预制桩：常使qs减少：(1)泥皮(2)应力松弛但是也有水泥浆渗入土中使表面粗糙粘性土的摩阻力有时效性：其他施工因素单桩的破坏形式屈曲破坏—取决于桩身的材料强度整体剪切破坏--取决于桩端土的支承力刺入破坏---取决于桩周土强度屈曲破坏—取决于桩身的材料强度桩的直径比较小且穿过桩周土的抗剪强度比较低（如淤泥等软土），桩端进入比较坚硬的岩石，一般端承桩和嵌岩桩属于屈曲破Q-S曲线（荷载-沉降）出现急剧破坏的陡降段，其沉降量很小，有明确的破坏荷载。桩的承载力取决于桩身材料强度整体剪切破坏--取决于桩端土的支承力Q-S曲线有明显的拐点，有陡降段，有明显的破坏荷载。桩的承载力主要取决于桩端土的支承力。一般桩基属于本情况。刺入破坏---取决于桩周土强度当桩周土和桩尖土的抗剪强度比较均匀时，桩在轴向荷载作用下将出现刺入破坏。桩顶荷载主要由桩侧阻力来承担，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。Q-S曲线为“渐进破坏”的缓变型，无明显拐点。桩的承载力主要取决于桩周土的抗剪强度两类单桩荷载~沉降曲线A—陡降型B—缓变型4.3.2单桩竖向承载力的确定取决于两个方面：桩身材料强度地层支承力busuuQQQ极限承载力：承载力特征值：pbussuuaKQKQKQR///安全系数K=2按桩身材料确定混凝土R=cfcAp钢筋混凝土R=（cfcAp+fyAg）钢筋抗压强度设计值单桩竖向承载力特征值确定方法:静载荷试验按土的抗剪强度指标确定按经验公式确定1.静载荷试验获得单桩承载力最可靠的方法次梁锚筋锚桩主梁千斤顶百分表基准柱锚桩桁架法,2400吨桩顶试验中1、进行静载试验的工程：静载荷试验是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法，其除了考虑到地基土的支承能力外，也计入了桩身材料强度对于承载力的影响。对于地基基础设计等级：甲、乙级建筑物必须通过静载荷试验。对