第一节 单桩承载力(1)1

1、第四章第四章 桩基础的设计计算桩基础的设计计算第一节第一节 单桩承载力的确定单桩承载力的确定 孤立的一根桩称为孤立的一根桩称为单桩单桩，群桩中性能，群桩中性能不受邻桩影响的一根桩可视为单桩。不受邻桩影响的一根桩可视为单桩。 单桩工作性能的研究是单桩承载力分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，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，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具有一定的指对正确评价单桩轴向承载力具有一定的指导意义。导意义。 概

2、念：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，变形也在容许的范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。 单桩受力：N、H、M 单桩的轴向承载力 + 单桩的横向承载力 z( a )n=0Q0M0 x( d )n=0.5( b )n=1( c )n=0Ztkhzkh=mzkh=cz1/2Zt( a )中密土层( b )岩层软弱土层QQ+一、单桩轴向力传递机理一、单桩轴向力传递机理 1.桩的荷载传递在轴向荷载作用下，桩身将发生弹性压缩，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，这两者之和构成桩顶轴向位移。桩与桩周土体紧密接触，当桩相对于土向下位移时，

3、土对桩产生向上作用的桩侧摩阻力。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阻力，故桩身截面轴向力随深度逐渐减小。桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体。或者说土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。Axial CapacityW PbasePshaft Fu影响荷载传递的因素(1)桩端土与桩周土的刚度比EbES。当EB/ESo时，荷载全部由桩侧摩阻力所承担，属纯摩擦桩。2)桩与桩周土的刚度3)桩底扩大头与桩身直径之比4)桩的长径比l/d 2.桩侧摩阻力和桩端阻力 桩侧摩阻力是桩对桩周土相对位移的函数， 当达到所需的桩土相对滑移极限值U后，基本只与土的类别有关 桩端阻力的发挥不

4、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到达极限所需的桩身截面位移值大得多 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 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。由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出，位移增长速度显著加大，直至到桩端阻力达到极限，位移迅速增大而破坏。此时桩所受的荷载就是桩的极限承载力。 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

5、的。试验表明：桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，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位移就能得到充分的发挥，一般认为粘性土为46mm，砂性土为610mm。（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。 （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。 （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

6、，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。 土强度对桩破坏模式的影响 纵向挠曲破坏（图a）：当桩底支承在很坚硬的地层，桩侧土为软土层其抗剪强度很低时，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。 整体剪切破坏（图b）：当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时，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

7、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。二、按土的支撑确定单桩轴向容许承载力二、按土的支撑确定单桩轴向容许承载力 （一）用静载试验确定单桩容许承载力 静载试验一般利用基础中已筑好的基桩做试桩进行试验，试桩数目应不少于基桩总数的2，且不应少于2根。根据试验测得资料所作成的试桩曲线来分析确定试桩的破坏荷载。可以在静载试验绘制的P-S曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的作用荷载作为极限荷载，当P-S曲线的转折点不明显时，需借助其它

8、方法辅助判定极限荷载，例如绘制各级荷载下的沉降一时间(S-t)曲线或用对数坐标绘制lgP-lgS曲线，可使转折点显得明确些。1. 1. 静载静载试验装置：试验装置：锚桩反力装置锚桩反力装置试桩试桩压重压重千斤顶千斤顶支墩支墩横梁横梁压重平台反力装置压重平台反力装置小梁小梁横梁横梁锚桩锚桩试桩试桩锚桩锚桩千斤顶千斤顶获得单桩承载力最可靠的方法锚桩反力梁 次梁次梁锚筋锚筋锚桩锚桩主梁主梁千斤顶千斤顶百分表百分表基准柱基准柱静载静载试验装置：试验装置：堆载法静载试验静载静载试验装置：试验装置：静载静载试验装置：试验装置：锚桩 桁架法,2400吨静载静载试验装置：试验装置：桩顶试验中桩顶试验中静载静载

9、试验装置：试验装置：2. 测试方法测试方法 分级加荷分级加荷 （每级荷载为预估破坏荷载的（每级荷载为预估破坏荷载的1/101/15） 或开始荷载为或开始荷载为1/2.51/5,终了荷载为终了荷载为1/101/15 测读时间测读时间 第一小时内第一小时内2、5、15、30、45、60分分 以后每间隔以后每间隔30分钟读一次数分钟读一次数2. 测试方法测试方法每级荷载沉降稳定标准每级荷载沉降稳定标准（稳定后加下一级荷载）（稳定后加下一级荷载） 砂性土：砂性土：30分钟内沉降不超过分钟内沉降不超过0.1mm 粘性土：粘性土：1小时内不超过小时内不超过0.1mm试验终止标准试验终止标准 桩沉降量突然增

10、大（总沉降量大于桩沉降量突然增大（总沉降量大于40mm，本级沉，本级沉降超过上级沉降的降超过上级沉降的5倍）倍） 本级荷载沉降大于上级本级荷载沉降大于上级2倍，且倍，且24小时不能稳定小时不能稳定 PS曲线法确定极限荷载曲线法确定极限荷载 PS曲线明显转折点所对应的荷载为极限荷载曲线明显转折点所对应的荷载为极限荷载 原因是桩底下土体破坏产生大量塑性变形原因是桩底下土体破坏产生大量塑性变形 Slgt法（沉降速率法）法（沉降速率法）确定极限荷载确定极限荷载 一般一般Slgt线为直线线为直线 S=mlgt m越大沉降速率越大，越大沉降速率越大， Slgt为折线的相应上一级荷载为极限荷载为折线的相应上

11、一级荷载为极限荷载3. 极限荷载确定极限荷载确定PSPSLog tSP1P2P4=PjP5P3PjPj单桩竖向极限承载力：单桩竖向极限承载力：荷载荷载P沉降量沉降量ss=40mm陡降点陡降点Pj21(1)Ps曲线有明显陡降段时，取陡降点曲线有明显陡降段时，取陡降点Pj 。(2)Ps曲线呈缓变形时，曲线呈缓变形时， 取取s=40mm所对应的所对应的Pj 。单桩竖向承载力特征值：单桩竖向承载力特征值：即单桩容许承载力即单桩容许承载力Ra= Pj /2或或P=Pj/K4.轴向容许承载力的确定 破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，单桩轴向受压容许承载力等于极限荷载除安全系数（规范规定为2）

12、，如因结构上对桩的沉降有特殊要求时，则按下沉量确定容许承载力。 对于大块碎石类、密实砂类土及硬粘性土，总沉降量值小于40mm，但荷载已大于或等于设计荷载与设计规定的安全系数乘积时，可取终止加载时的总荷载为极限荷载。1摩擦桩摩擦桩安全系数极限桩尖承载力极限桩侧摩阻力单桩轴向容许承载力(1)(1)钻钻( (挖挖) )孔灌注桩孔灌注桩 （二）按经验公式(规范法)确定单桩轴向容许承载力nirpikiaqAlqUR1)(2132200hkfmqarniapiikahkfAmlqUR12200) 3(212柱桩柱桩(端端承桩承桩)(2)(2)预制沉桩容许承载力公式：预制沉桩容许承载力公式：各符号见教材，数

13、据可以查表各符号见教材，数据可以查表nirkprikiiaqAqlUR121见公式（4-13）119页【例题【例题3-1】某桥台基础采用钻孔灌注桩基础，设计桩】某桥台基础采用钻孔灌注桩基础，设计桩径径1.20m，采用冲抓锥成孔，桩穿过土层情况如图所，采用冲抓锥成孔，桩穿过土层情况如图所示，桩长示，桩长L=20m，试按土的阻力求单桩轴向受压容许，试按土的阻力求单桩轴向受压容许承载力承载力。 解：由公式解：由公式冲抓锥成孔直径冲抓锥成孔直径(1.2+0.1=1.3m)，故，故U=1.3m=4.08m桩的截面面积桩的截面面积(直径直径1.2m)桩穿过各土层厚：桩穿过各土层厚： 桩侧土的极限摩阻力查表

14、得，淤泥桩侧土的极限摩阻力查表得，淤泥IL=1.11处于流塑处于流塑状态，取状态，取 ，粘土，粘土IL=0.3属于硬塑状态，取属于硬塑状态，取2 =62kPa。 niiihkAmlUP12200)3(212213. 142 . 1mA,101ml ml102 kPa281按按I IL L=O.3=O.3，e=0.75e=0.75的粘土可查表得的粘土可查表得 =305kPa =305kPa，k k2 2=2.5=2.5，桩尖埋置深度应从一，桩尖埋置深度应从一般冲刷线算起，桩尖埋深为般冲刷线算起，桩尖埋深为21.5m21.5m。清底系数按。清底系数按一般要求，限制一般要求，限制t td=0.4d=

15、0.4，查表，查表3-103-10经内插得经内插得m m0 0=0.55=0.55，值由，值由h hd=17.9d=17.9，桩底土不透水，查，桩底土不透水，查表得表得 =0.65=0.65，于是：，于是： 0 kNP55.2318) 0 . 35 .21(105 .115 .1910195 .115 . 230513. 155. 065. 0)62102810(08. 421 【例题【例题3-2】上题中，若桩长未知，已】上题中，若桩长未知，已知单根桩桩顶所受的最大竖向力为知单根桩桩顶所受的最大竖向力为P=2619.36kN，桩身容重按，桩身容重按25kN/m3，其他条件相同，试按土的阻力求桩

16、长。其他条件相同，试按土的阻力求桩长。 解：解： 由公式由公式(3-11)反算桩长，该桩埋入最大冲刷线反算桩长，该桩埋入最大冲刷线以下深度为以下深度为h1，一般冲刷线以下深度为，一般冲刷线以下深度为h,则则 式中：式中：N一根桩受到的全部竖直荷载一根桩受到的全部竖直荷载(kN)，其，其余符号同前，最大冲刷线以下余符号同前，最大冲刷线以下(入土深度入土深度)桩重的一桩重的一半作外荷计算。半作外荷计算。 冲抓锥成孔直径冲抓锥成孔直径1.3m，故，故U=1.3m=4.08m niiihkAmlUPN12200)3(21next 桩的截面面积桩的截面面积(直径直径1.2m) 桩每延米自重桩每延米自重(

17、直径直径1.2m) kN桩侧土的极限摩阻力桩侧土的极限摩阻力查表查表，淤泥，淤泥IL=1.11处于流塑状处于流塑状态，取态，取 ，粘土，粘土IL=0.3属于硬塑状态，取属于硬塑状态，取 2=73kPa； 2213. 142 . 1mA26.282542 . 12qkPa281next 按按IL=0.3，e=0.75的粘土可查表得的粘土可查表得 =305kPa，k2 =2.5，桩尖埋置深度应从，桩尖埋置深度应从一般冲刷线算起，一般冲刷线算起，先假定桩尖埋深为先假定桩尖埋深为21m。清。清底系数按一般要求，限制底系数按一般要求，限制td=0.4，查表查表经内经内插得插得m0=0.55，值由，值由h

18、d=17.5，桩底土不透，桩底土不透水，水，查表查表得得=0.65，于是：，于是：0式中：式中： 局部冲刷线以上桩的长度局部冲刷线以上桩的长度(m)。故上式即为故上式即为：解得解得h1=15.3m,取取h1=15.5m，故桩长，故桩长L=20m，与假，与假设相近，否则重新进行桩长计算设相近，否则重新进行桩长计算。niihkAmlUqhqlpi1220010)3(21210l) 0 . 30 . 6 (5 . 55 .115 .19) 5 . 5(195 .115 . 230513. 155. 065. 073) 5 . 5(285 . 508. 42126.28215 . 426.2836.261911111hhhhh（三）静力触探成果确定承载力（三）静力触探成果确定承载力静力触探试验静力触探试验探头探头电测装置电测装置静力加压装置静力加压装置qcfsiQuk =uLiifsi +qcAp预制单桩极限承载力标准值：预制单桩极限承载力标准值：fsi 桩侧摩阻力平均值；桩