建筑讲座：桩基础沉降的计算.ppt

1、a,1,桩基础沉降的计算,竖向荷载的作用下的沉降由以下三部分组成： 1、桩身弹性压缩引起的桩顶沉降 2、桩侧阻力引起的桩周土中的附加压力以压力角a向下传递，致使桩端下土体压缩而产生的桩端沉降 3、桩端荷载引起桩端下土体压缩而产生的桩端沉降,一、单桩沉降的计算,a,2,上述单桩沉降组成三分量的计算，都必须知道桩侧、桩端各自分担的荷载比，以及桩侧阻力沿桩身的分布图 式，而荷蓑比和侧阻分布图式，不仅与桩的长度、桩与土的相对压缩性、土的剖面有关，还与荷载水平、荷载持续 时间有关。 因此单桩沉降计算应根据工程问题的性质以及荷载的特点选择与之相适应的计算方法与参数,单桩沉降的计算方法,1、荷载传递分析法

2、2、弹性理论法 3、剪切变形传递法 4、有限单元法 5、其它简化方法,a,3,二、群桩沉降的计算,目前尚未有较为完善的桩基础沉降计算方法。规范GB5007推荐的群桩沉降计算方法，不考虑桩间土的压缩变形对沉降的影响,采用单向压缩分层总和法计算桩基础的最终沉降量,群桩的沉降量,桩间土的压缩变形,桩端平面以下土层的整体压缩变形,桩身压缩,桩端贯入变形,a,4,单向压缩分层总和法,地基内的应力分布按实体深基础或其它方法计算,a,5,1、实体深基础（桩距不大于6d,实体深基础桩基沉降计算经验系数应根据地区桩基础沉降观测资料及经验统计确定。在不具备条件时，p 值可按下表选用,1）桩基沉降计算经验系数应p,

3、a,6,1)考虑扩散作用时,2）实体深基础桩底平面处的附加压力p0k,a,7,2)不考虑扩散作用时,a,8,2、明德林应力公式,采用明德林应力公式计算桩基础最终沉降量时，竖向荷载准永久组合作用下附加荷载的桩端阻力比a和桩基沉降计算经验系数， 应根据当地工程的实测资料统计确定,a,9,45 桩的负摩擦问题,一、 产生负摩擦的条件和原因,在桩顶竖向荷载作用下，当桩相对于桩侧土体向下位移时，土对桩产生的向上作用的摩阻力，称为正摩阻力,当桩侧土体因某种原因而下沉，且其下沉量大于桩的沉降(即桩侧土体相对于桩向下位移)时，土对桩产生的向下作用 的摩阻力，称为负摩阻力,a,10,产生负摩阻力的情况,1、位于

4、桩周欠固结的软粘土或新填土在重力作用产生固结； 2、大面积堆载使桩周土层压密； 3、由于地下水位全面降低，致使有效应力增加，因而引起大面积沉降； 4、自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷； 5、地面因打桩时孔隙水压力剧增而隆起、其后孔压消散而固结下沉等,a,11,中性点：曲线l表示土层不同深度的位移，曲线2为桩的截面位移曲线，曲线1和曲线2之间的位移差(图中画上横线部分)为桩土之间的相对位移，曲线1和曲线2的交点(o1点)为桩土之间不产生相对位移的截面位置，称为中性点,几个重要概念,a,12,下拉荷载Fn：图为桩侧摩阻力和桩身轴力曲线，其中Fn为负摩阻力的累计值，又称为下拉荷载Fn,Fp为中性点以下正

5、摩阻力的累计值,a,13,从图中易知，在中性点O1点之上，土层产生相对于桩身的向下位移，出现负摩阻力nz，桩身轴力随深度递增； 在中性点O1点之下的土层相对向上位移，因而在桩侧产生正摩阻力z，桩身轴力随深度递减。 在中性点处桩身轴力 达到最大值(Q+Fn)，而桩端总阻力则等于Q+(Fn-Fp,a,14,桩侧负摩阻力的危害,可见，桩侧负摩阻力的发生，将使桩侧土的部分重力和地面荷载通过负摩阻力传递给桩，因此,桩的负摩阻力非但不 能成为桩承载力的一部分反而相当于是施加于桩上的外荷载，这就必然导致桩的承载力相对降低、桩基沉降加大,a,15,二、负摩阻力的计算,1单桩负摩阻力的计算,1)中性点的位置 中

6、性点的位置取决于桩与桩侧土的相对位移，原则上应根据桩沉降与桩周土沉降相等的条件确定,要精确计算中性点的位置是比较困难的，目前多采用近似的估算方法，工程实测表明，在可压缩土层 L0 的范围内，中性点的稳定深度Ln是随桩端持力层的强度和刚度的增大而增加的，其深度比 Ln / L0 可按下表的经验取用,a,16,2) 负摩阻力强度,精确计算负摩阻力是复杂而困难的。目前的负摩阻力的计算方法与公式都是近似的和经验性的，使用较多的有以下两种,1）对于软土和中等强度粘土,a,17,2）根据产生负摩阻力土层中点竖向有效覆盖压力计算,a,18,3）对砂类土，可按下式估算,a,19,3) 下拉荷载的计算,下拉荷载

7、 Fn为中性点深度 Ln 范围内负摩阻力的累计值，可按下式计算,a,20,2 群桩负摩阻力的计算,对于桩距较小的群桩，群桩所发生的负摩阻力因群桩效应而降低，即小于相应的单桩值，这种群桩效应可按等效圆法计算,群桩中任一单桩的下拉荷载,负摩阻力群桩效应系数,矩形面积,等效圆面积,等效圆半径,假设独立单桩单位长度的负摩阻力n由相应长度范围内半径为re形成的土体重量与之等效,a,21,3、 减小负摩阻力的工程措施,1)预制混旋土桩和钢桩一般采用涂以软沥青涂层的办法来减小负摩阻力,2)灌注桩,对泥浆护壁成孔的灌注桩，可在浇筑完下段混凝土后填人高稠度膨润土泥浆，然后再插入预制混凝土桩段； 对干作业成孔灌注

8、桩，可在沉降土层范围内的孔壁先铺设双层筒形塑料薄膜，然后再浇筑混凝土，从而在桩身与孔 壁之间形成可自由滑动的塑料薄膜隔离层,a,22,46 桩的水平承载力,作用于桩顶的水平荷载包括： 1、长期作用的水平荷载。如上部结构传递的或由土、水压力施加的以及拱的推力等水平荷载； 2、反复作用的水平荷载。(如风力、波浪力、船舶撞击力以及机械制力等水平荷载) 3、地震作用所产生的水平荷载,a,23,一、水平荷载下桩的工作性状,在水平荷载作用下，桩产生变形并挤压桩周土，促使桩周土发生相应的变形而产生水平抗力。 水平荷载较小时，桩周土的变形是弹性的，水平抗力主要由靠近地面的表层土提供； 随着水平荷载的增大，桩的

9、变形加大，表层土逐渐产生塑性屈服，水平荷载将向更深的土层传递,当桩周土失去稳定、或桩体发生破坏、或桩的变形超过建筑物的允许值时，水平荷载也就达到极限,水平荷载下桩的工作性状取决于桩-土之间的相互作用,a,24,依据桩、土相对刚度的不同，水平荷载作用下的桩可分为：刚性桩、半刚性桩和柔性桩,1）刚性桩,换算深度 2.5时，为刚性桩,当桩很短或桩周土很软弱时，桩、土的相对刚度很大，属刚性桩。 特点： A、桩身不发生挠曲变形 B、发生绕靠近桩端的一点作全桩长的刚体转动。 C、桩顶嵌固的刚性桩则发生平移。 D、刚性桩的破坏一般只发生于桩周土中，桩体本身不发生破坏,a,25,2)弹性桩,在水平荷载作用下桩

10、身发生挠曲变形，桩的下段可视为嵌固于土中而不能转动，随着水平荷载的增大，桩周土的屈服区逐步向下扩展，桩身最大弯矩截面也因上部土抗力减小而向下部转移， 半刚性桩的桩身位移曲线只出现一个位移零点 柔性桩则出现两个以上位移零点和弯矩零点。 当桩周土失去稳定、或桩身最大弯矩处出现塑性屈服、或桩的水平位移过大时，弹性桩便趋于破坏,2.54时为半刚性桩。 4 时为柔性桩。半刚性桩和柔性桩统称为弹性桩,a,26,二、水平荷载作用下弹性桩的计算,水平荷载作用下弹性桩的分析计算方法主要有地基反力系数法 地基反力系数法是应用文克勒地基模型，把承受水平荷载的单桩视作弹性地基(由水平向弹簧组成)中的竖直梁，通过求解梁

11、的挠曲微分方程来计算桩身的弯矩、剪力以及桩的水平承载力,a,27,1基本假设,单桩承受水平荷载作用时，可把土体视为线性变形体，假定深度z处的水平抗力等于该点的水平抗力系数与该点 的水平位移的乘积，即,此时忽略桩土之间的摩阻力对水平抗力的影响以及邻桩的影响,Kx-地基水平抗力系数,a,28,1)常数法：假定地基水平抗力系数沿深度为均匀分布，即是kx=kh。 常用此法来分析基坑支护结构,4种常用的地基反力系数,2)“k”法：假定在桩身第一挠曲零点(深度t处)以上按抛物线变化,以下为常数,a,29,3)“m”法：假定kx随深度成正比地增加，即是kx=mz。我国铁道部门首先采用这一方法，近年来也在建筑

12、工程和公路桥涵的桩基设计中逐渐推广,4)“c值”法：假定kx随深度按CZ0.5的规律分布，即是kx=cz0.5(c为比例常数，随土类不同而异)。这是我国交通部门在试验研究的基础上提出的方法,a,30,实测资料表明： （1）当桩的水平位移较大时，m法比较接近实际 （2）当桩的水平位移较小时，c值法比较接近实际,a,31,2计算参数,1）桩的截面计算宽度b0 (单位为m) 方形截面桩: 当实际宽度b1m时，b0=b+1; 当b1m时，b0=1.5b+0.5。 圆形截面桩： 当桩径dlm时：b0=0.9(d十1)； d1m时:b0=0.9(1.5d+0.5,a,32,2）桩身抗弯刚度EI 桩身的弹性

13、模量E，对于混凝土桩可采用混凝土的弹性模量Ec的0.85倍(E=0.85Ec,3）地基水平抗力系数 按m法计算时，地基水平抗力系数的比例常数m，如无试验资料，可参考表4-6所列数值,a,33,地基土水平抗力系数的比例常数 m 表 4-6,注：1.当桩顶横向位移大于表列数值或当灌注桩配筋率校高(0.65%)时，m值应当适当降低；当预制桩的横向位移 小于10mm时，m值可适当提高； 2.当横荷载为长期或经常出现的荷载时，应将表列数值乘以0.4降低采用； 3.当地基为可液化土时，表列数值尚应乘以有关系数,a,34,3单桩计算,1) 桩顶荷载N0、H0、M0,式中 n-为同一承台中的桩敷,a,35,2

14、)桩的挠曲微分方程,单桩在Ho、Mo和地基水平抗力x 作用下产生挠曲，根据材料力学中梁的挠曲微分方程,或,不同的kx图式求解，就得到不同的计算方法。m法假定Kx=mz代入上式得到,a,36,令,式中:a称为桩的水平变形系数，其单位是lm,并代入式则有,利用梁的挠度与转角、弯矩和剪力的微分关系，解答上述方程，从而可求出桩身各截面的内力和位移 其解答方法与地基上梁的计算类似,a,37,3)桩身最大弯矩及其位置,设计承受水平荷载的单桩时，为了计算截面配筋，设计者最关心桩身的最大弯矩值和最大弯矩截面的位置。 为了简化，可根据桩顶荷载H0、M0及桩的变形系数a计算如下系数,由系数CI从表47查得相应的换

15、算深度,则桩身最大变弯矩的深度为,a,38,同时，由系数CI表4-7查得相应的系数CII,则桩身最大弯矩Mmax为,表4-7是按桩长L4.0/a编制的，当L4.0/a时，可另查有关设计手册,a,39,三、单桩水平静载荷试验,桩的水平静载荷试验是在现场条件下进行的，影响桩的承载力的各种因素都将在试验过程中真实反映出来，由此得到的承载力值和地基土水平抗力系数,1、试验装置,单桩水平静载荷试验装置,a,40,2加荷方法,1)对于承受反复作用的水平荷载的桩基，宜采用多循环加卸载方式,2) 承受长期作用 的水平荷载的桩基，宜采用分级连续的加载方式,a,41,3终止加荷的条件,当出现下列情况之一时，即可终

16、止试验：(1)桩身已断裂；(2)桩侧地表出现明显裂缝或隆起：(3) 桩顶水平位移超过 30 40mm( 软土取 40mm ) ； (4) 所加的水平荷载已超过极限荷载,a,42,4 资料整理,1）由试验记录可绘制桩顶水平荷载 - 时间-桩顶水平位移 (Ho-t-Uo) 曲线,由此曲线可得,水平临界荷载 (Hcr,水平极限荷载 (Hu,相当于桩身开裂、受拉区混凝土不参加工作时的桩顶水平力,相当于桩身应力达到强度极限时的桩顶水平力,a,43,2）由试验记录可绘制桩水平荷载位移梯度 (H0 - U0 / H0) 曲线,由此曲线可得,水平临界荷载 (Hcr,水平极限荷载 (Hu,a,44,3）由试验记

17、录可绘制水平荷载与最大弯矩截面钢筋应力(Ho-g) 曲线,由此曲线可得,水平临界荷载 (Hcr,水平极限荷载 (Hu,a,45,四、单桩水平承载力特征值,单桩水平承载力特征值可按以下几种方法进行确定,1) 通过现场单桩水平载荷试验确定，试验宜采用慢速维持荷载法。 (2) 对于混凝土预制桩、钢桩、桩身全截面配筋率大于 0.65 的灌注桩根据静载试验结果取地面处水平位移为 10mm 所对应的荷载为单桩水平承载力特征值。 (3) 对于桩身配筋率小于 0.65 的灌注桩，取单桩水平静载试验的临界荷载为单桩水平承载力特征值,a,46,4) 当缺少单桩水平静载试验资料时，可按下列公式估算桩身配筋率小于0.

18、 65 的灌注桩的单桩水平承载力特 征值,a,47,5）、当缺少单桩水平静载试验资料时，可按下式估算预制桩、钢桩、桩身配筋率大于0.65的灌注桩等的单桩水平承载力特征值,a,48,47 桩的平面布置原则,一、 一 般 原 则 （1）桩的平面布置可采用对称式、梅花式、行列式和环状排列。 （2）为使桩基在其承受较大弯矩的方向上有较大的抵抗矩，也可采用不等距排列，此时，对柱下单独桩基和整片式的桩基，宜采用外密内疏的布置方式。 （3）为了使桩基中各桩受力比较均匀群桩横截面的重心应与竖向永久荷载合力的作用点重合或接近,a,49,桩的最小中心距表49,4）布置桩位时，桩的间距(中心距)一般采用3-4倍桩径。间距太大会增加承台的体积和用料太小则将使桩基(摩擦型)的沉降量增加，且以对施工造成困难。