基础工程-第4章+桩基础-20151126

1、4.3 4.3 竖向荷载下单桩的工作性能竖向荷载下单桩的工作性能本节重点：本节重点： 竖向荷载作用下单桩的工作性能。本节难点：本节难点： 单桩的破坏模式已及单桩承载力的确定。 单桩工作性能的研究是单桩承载力分析理论的基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，对正确评价单桩承载力设计值具有一定的指机理等，对正确评价单桩承载力设计值具有一定的指导意义。导意义。 桩顶荷载一般包括桩顶荷载一般包括轴向力轴向力、

2、水平力水平力和和力矩力矩，为简，为简化起见，在研究桩的受力性能及计算桩的承载力时，化起见，在研究桩的受力性能及计算桩的承载力时，对对竖向受力竖向受力情况单独进行研究。情况单独进行研究。4.3 4.3 竖向荷载下单桩的工作性能竖向荷载下单桩的工作性能 竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部首先受到压缩而发生相对于土的向下位首先受到压缩而发生相对于土的向下位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程中

3、扩散的过程 。 如果桩侧摩阻力不足以抵抗竖向荷载，如果桩侧摩阻力不足以抵抗竖向荷载，一部分竖向荷载将传递到桩底，桩底持一部分竖向荷载将传递到桩底，桩底持力层也将产生压缩变形，故桩底土也会力层也将产生压缩变形，故桩底土也会对桩端产生阻力。对桩端产生阻力。4.3.1 4.3.1 桩的荷载传递桩的荷载传递 桩侧阻力桩侧阻力Qs桩端阻力桩端阻力Qp地基土对桩的支承作用地基土对桩的支承作用但两者并不是同步发挥的但两者并不是同步发挥的单桩承载力的构成单桩承载力的构成 对对1010根桩长为根桩长为272746m46m的大直径灌注桩的荷载传递性能的大直径灌注桩的荷载传递性能的足尺试验结果。试验表明，桩侧发挥极

4、限摩阻力所需要的的足尺试验结果。试验表明，桩侧发挥极限摩阻力所需要的位移很小，粘性土为位移很小，粘性土为1 13mm3mm，无粘性土为，无粘性土为5 57mm7mm；除两根支；除两根支承于岩石的桩外，其余各桩（桩端持力层为卵石、砾石、粗承于岩石的桩外，其余各桩（桩端持力层为卵石、砾石、粗砂或残积粉质粘土）在设计工作荷载下，端承力都小于桩顶砂或残积粉质粘土）在设计工作荷载下，端承力都小于桩顶荷载的荷载的1010。 不同荷载下轴力沿深度的变化不同荷载下轴力沿深度的变化单桩荷载传递的基本规律单桩荷载传递的基本规律 基础的功能在于把荷载传递给地基土。作为桩基主要传力基础的功能在于把荷载传递给地基土。作

5、为桩基主要传力构件的桩是一种细长的杆件，它与土的界面主要为侧表面，构件的桩是一种细长的杆件，它与土的界面主要为侧表面，底面只占桩与土的接触总面积的很小部分（底面只占桩与土的接触总面积的很小部分（ 一般低于一般低于1%1%），），这就意味着桩侧界面是桩向土传递荷载最重要的，甚至是主要这就意味着桩侧界面是桩向土传递荷载最重要的，甚至是主要的途径。的途径。 竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部首先受到压缩而发生竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部首先受到压缩而发生相对于土的向下位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上的相对于土的向下位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克

6、服这种摩阻力摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程并通过它向土中扩散的过程 。设桩身轴力为设桩身轴力为Q，桩身轴力是桩顶荷载桩身轴力是桩顶荷载N N与深度与深度Z Z的函数的函数(,)Qf N Z桩身轴力沿深度桩身轴力沿深度分布的实测资料分布的实测资料桩越长，端阻力所占的比例越低桩越长，端阻力所占的比例越低桩侧摩阻力和桩端阻力的分布规律及影响因素桩侧摩阻力和桩端阻力的分布规律及影响因素1.1.桩的侧阻随深度呈线性增大桩的侧阻随深度呈线性增大; ; 2.2.桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质、成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

7、多种因素有关桩方法等多种因素有关; ; 3.3.随着桩顶荷载的逐级增加，桩截面的轴力、位移和桩随着桩顶荷载的逐级增加，桩截面的轴力、位移和桩侧摩阻力不断变化侧摩阻力不断变化; ; 4.4.桩端阻力桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发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截面位移值大得多; ; 5.5.桩长桩长对荷载的传递也有着重要的影响。对荷载的传递也有着重要的影响。 4.3.24.3.2单桩的破坏模式单桩的破坏模式 一、单桩的破坏模式影响因素一、单桩的破坏模式影响因素桩周

8、土的抗剪强度桩周土的抗剪强度桩端支承情况桩端支承情况桩的尺寸桩的尺寸桩的类型桩的类型 二、常见的单桩破坏模式二、常见的单桩破坏模式 轴向荷载下基桩的破坏模式轴向荷载下基桩的破坏模式屈曲破坏屈曲破坏整体剪切破坏整体剪切破坏刺入破坏刺入破坏 当桩底支承在坚硬的土层或岩层当桩底支承在坚硬的土层或岩层上，桩周土层极为软弱，桩身无约束上，桩周土层极为软弱，桩身无约束或侧向抵抗力。桩在轴向荷载作用下，或侧向抵抗力。桩在轴向荷载作用下，如同一细长压杆出现纵向挠曲破坏，如同一细长压杆出现纵向挠曲破坏，荷载沉降荷载沉降( (Q-S) )关系曲线为关系曲线为“急剧破急剧破坏坏”的陡降型，其沉降量很小，具有的陡降型

9、，其沉降量很小，具有明确的破坏荷载。桩的承载力取决于明确的破坏荷载。桩的承载力取决于桩身的材料强度。如穿越深厚淤泥质桩身的材料强度。如穿越深厚淤泥质土层中的小直径端承桩或嵌岩桩，细土层中的小直径端承桩或嵌岩桩，细长的木桩长的木桩等多属于此种破坏。等多属于此种破坏。（一）屈曲破坏（一）屈曲破坏 当具有足够强度的桩穿过抗剪强当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层，达到强度较高的土层，度较低的土层，达到强度较高的土层，且桩的长度不大时，桩在轴向荷载作且桩的长度不大时，桩在轴向荷载作用下，由于桩底上部土层不能阻止滑用下，由于桩底上部土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体形成滑动面动土楔的形成，桩底土体

10、形成滑动面而出现整体剪切破坏。此时桩的沉降而出现整体剪切破坏。此时桩的沉降量较小，桩侧摩阻力难以充分发挥，量较小，桩侧摩阻力难以充分发挥，主要荷载由桩端阻力承受，主要荷载由桩端阻力承受，荷载沉荷载沉降降( (Q-S) )关系曲线也为陡降型关系曲线也为陡降型，呈现，呈现明确的破坏荷载。桩的承载力主要取明确的破坏荷载。桩的承载力主要取决于桩端土的支承力。决于桩端土的支承力。一般打入式短一般打入式短桩、钻扩短桩桩、钻扩短桩等均属于此种破坏。等均属于此种破坏。（二）整体剪切破坏（二）整体剪切破坏 当桩的入土深度较大或桩周土层抗剪强当桩的入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向荷载作用下将出现刺

11、度较均匀时，桩在轴向荷载作用下将出现刺入破坏。此时桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承入破坏。此时桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承受，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。一般受，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。一般当桩周土质较软弱时，当桩周土质较软弱时， 荷载沉降荷载沉降( (Q-S) )关关系曲线为系曲线为“渐进破坏渐进破坏”的缓变型的缓变型，无明显拐，无明显拐点，极限荷载难以判断，桩的承载力主要由点，极限荷载难以判断，桩的承载力主要由上部结构所能承受的极限沉降上部结构所能承受的极限沉降s su u确定；当桩确定；当桩周土的抗剪强度较高时，周土的抗剪强度较高时，荷载沉降荷载沉降( (Q-S) )关系曲线可能为陡降型

12、，有明显拐点，桩的关系曲线可能为陡降型，有明显拐点，桩的承载力主要取决于桩周土的强度。承载力主要取决于桩周土的强度。一般情况一般情况下的下的钻孔灌注桩钻孔灌注桩多属于此种情况。多属于此种情况。 （三）刺入破坏（三）刺入破坏4.3.3 4.3.3 桩侧负摩阻力桩侧负摩阻力 桩土之间相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相桩土之间相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力负摩阻力。正摩阻正摩阻负摩阻负摩阻引起桩侧负摩阻力的条件是：引起桩侧负摩阻力的条件是： 桩侧土体下沉必须大于桩桩侧土

13、体下沉必须大于桩的下沉的下沉。1. 负摩阻力发生的条件负摩阻力发生的条件 在软土地区，大范围地下水位下降，使桩周土中有效应力在软土地区，大范围地下水位下降，使桩周土中有效应力增大，导致桩侧土层沉降；增大，导致桩侧土层沉降；2) 2) 桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面有大面积堆载桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面有大面积堆载（包括填土）时；（包括填土）时；3) 3) 桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时；土层进入相对较硬土层时；4) 4) 冻土地区，由于温度升高而引起桩侧土的缺陷。冻土地区，由于温度升

14、高而引起桩侧土的缺陷。2 2、桩侧负摩阻力的分布规律、桩侧负摩阻力的分布规律对于下部为岩石的端承桩对于下部为岩石的端承桩, ,可能全桩为负阻力；可能全桩为负阻力； 对于一般桩对于一般桩, ,因为桩土都有变形因为桩土都有变形, ,视二者的相对位移量和方向而变。视二者的相对位移量和方向而变。桩周土与桩截面沉降相等，两者无相对位移发生，其摩阻力为零，桩周土与桩截面沉降相等，两者无相对位移发生，其摩阻力为零，这种摩阻力为零的点称为这种摩阻力为零的点称为中性点中性点lnNegative土位移Ss桩位移Sp-+摩阻力轴向力N0znzntgkq中性点中性点3.3.减少桩侧负摩阻力影响的措施减少桩侧负摩阻力影

15、响的措施1 1）在桩的中性点以上部分涂一薄层涂料，以降低负摩阻力，）在桩的中性点以上部分涂一薄层涂料，以降低负摩阻力， 常用沥青涂层，价格便宜，效果比较好。常用沥青涂层，价格便宜，效果比较好。2 2）对钢桩再）对钢桩再加加一层厚度为一层厚度为3mm3mm的的塑料薄膜塑料薄膜( (兼作防锈蚀用兼作防锈蚀用) )；3 3）对现场灌注桩也可在）对现场灌注桩也可在桩与土之间灌注斑脱土浆桩与土之间灌注斑脱土浆等方法，来等方法，来消除或降低负摩阻力的影响。消除或降低负摩阻力的影响。4.4 4.4 单桩竖向承载力的确定单桩竖向承载力的确定单桩的承载力：单桩的承载力： 是指单桩在竖向荷载作用下，不丧失是指单桩

16、在竖向荷载作用下，不丧失稳定性稳定性、不产生、不产生过过大变形大变形时的承载能力。时的承载能力。单桩的竖向承载力主要取决于两方面单桩的竖向承载力主要取决于两方面：一是地基土对桩的支承能力；一是地基土对桩的支承能力；二是桩身的材料强度二是桩身的材料强度。 一般情况下，桩的承载力由地基土的支承能力所控制，一般情况下，桩的承载力由地基土的支承能力所控制，材料强度往往不能充分发挥，只有对端承桩、超长桩以及材料强度往往不能充分发挥，只有对端承桩、超长桩以及桩身质量有缺陷的桩，桩身材料强度才起控制作用。桩身质量有缺陷的桩，桩身材料强度才起控制作用。4.4.1 4.4.1 按材料强度确定按材料强度确定 按桩

17、身材料强度确定单桩竖向承载力时，可将桩视为按桩身材料强度确定单桩竖向承载力时，可将桩视为轴心受压构件，根据桩材按轴心受压构件，根据桩材按混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范(GB50010-2012)(GB50010-2012)或钢结构规范计算。对于钢筋混凝土桩：或钢结构规范计算。对于钢筋混凝土桩：c桩的稳定系数；基桩成桩工艺系数；0.9ccpygNf Af A 混凝土预制桩，预应力混凝土空心桩取混凝土预制桩，预应力混凝土空心桩取0.85;0.85;干作业非挤土灌注桩取干作业非挤土灌注桩取0.9;0.9;泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩，部分挤土灌注桩及挤土灌注桩取泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩

18、，部分挤土灌注桩及挤土灌注桩取0.7-0.8;0.7-0.8;软土区挤土灌注桩取软土区挤土灌注桩取0.65;0.65;注意：当桩顶以下注意：当桩顶以下5d5d范范围内桩身箍筋间距不大围内桩身箍筋间距不大于于100mm100mm，且符合相关，且符合相关构造要求时才考虑纵向构造要求时才考虑纵向主筋对桩身受压承载力主筋对桩身受压承载力的作用。的作用。 静载荷试验是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法，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承载力的影响。对于甲级、乙级建筑基桩，必须通过度对承

19、载力的影响。对于甲级、乙级建筑基桩，必须通过静载荷试验。在同一条件下的试桩数量，不宜少于总数的静载荷试验。在同一条件下的试桩数量，不宜少于总数的1%1%，并不少于，并不少于3 3根根。工程总桩数在。工程总桩数在5050根根以内时不应少于以内时不应少于2 2根根。4.4.2 4.4.2 按单桩竖向抗压静载荷试验确定按单桩竖向抗压静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值单桩竖向极限承载力标准值 ： 单桩在竖向荷载作用下达到破坏状态前或出现不适单桩在竖向荷载作用下达到破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的于继续承载的变形时所对应的最大荷载最大荷载。次梁次梁锚筋锚筋锚桩锚桩主梁主梁千斤顶千斤顶百

20、分表百分表基准柱基准柱（1 1）静载荷试验装置及其方法：）静载荷试验装置及其方法：试验装置主要由试验装置主要由加荷稳压加荷稳压、提供反力提供反力和和沉降观测沉降观测三部分组成。三部分组成。锚桩桁架法锚桩桁架法 试验时加载方式通试验时加载方式通常有常有慢速维持荷载法慢速维持荷载法、快速维持荷载法快速维持荷载法、等贯等贯入速率法入速率法、等时间间隔等时间间隔加载法加载法以及以及循环加载法循环加载法。 工程中最常用的是工程中最常用的是慢速维持荷载法慢速维持荷载法，即逐级加载，每，即逐级加载，每级加载值为单桩承载力特征值的级加载值为单桩承载力特征值的1/8-1/51/8-1/5，当每级荷载下桩，当每级

21、荷载下桩顶沉降量小于顶沉降量小于0.1mm/h0.1mm/h时，则认为已趋于稳定。然后施加下时，则认为已趋于稳定。然后施加下一级荷载直到试桩破坏，再分级卸载到零。一级荷载直到试桩破坏，再分级卸载到零。当出现下列情况之一时即可终止加载：当出现下列情况之一时即可终止加载： 某级荷载下，桩顶沉降量为前一级荷载下沉降量的某级荷载下，桩顶沉降量为前一级荷载下沉降量的5 5倍；倍； 某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2 2倍，倍，且经过且经过2424小时尚未达到相对稳定；小时尚未达到相对稳定； 已达到设计要求的最大加载量或达到锚桩最大抗拔力或压已达

22、到设计要求的最大加载量或达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大质量时。重平台的最大质量时。 当荷载当荷载- -沉降曲线为缓变型时，可加载至桩顶总沉降量沉降曲线为缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60-60-80mm80mm，特殊情况下可按具体要求加载至桩顶累计沉降量超，特殊情况下可按具体要求加载至桩顶累计沉降量超过过80mm80mm。（2 2）终止加载条件：）终止加载条件： 根据沉降随荷载的变化特征确定：根据沉降随荷载的变化特征确定：此外，也可根据终止加载条件中的此外，也可根据终止加载条件中的前一级荷载值作为前一级荷载值作为 根据沉降量确定根据沉降量确定 ：对于陡降型对于陡降型 Qs 曲线，可取曲线曲

23、线，可取曲线发生明显陡降的起始点所对应的荷发生明显陡降的起始点所对应的荷载为载为 ；（3 3）按试验结果按试验结果确定单桩竖向极限承载力确定单桩竖向极限承载力 ：对于缓变型对于缓变型 Qs 曲线，一般可取曲线，一般可取 s=40s=4060mm60mm对应的荷载值为对应的荷载值为对于大直径桩可取对于大直径桩可取所对应的荷载值。所对应的荷载值。 测出每根试桩的极限承载力值后，通过统计确定单桩竖测出每根试桩的极限承载力值后，通过统计确定单桩竖向抗压极限承载力。向抗压极限承载力。1 1）参加统计的所有试桩，当满足其级差不超过平均值的）参加统计的所有试桩，当满足其级差不超过平均值的30% 30% 时，

24、取平均值为单桩竖向抗压极限承载力。时，取平均值为单桩竖向抗压极限承载力。2 2）若级差超过平均值的）若级差超过平均值的30%30%，应分析级差过大的原因，结合，应分析级差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时增加试桩数量；工程具体情况综合确定，必要时增加试桩数量；3 3）对桩数为）对桩数为3 3根或根或3 3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数少于根以下的柱下承台，或工程桩抽检数少于3 3根，应取低值。根，应取低值。单桩竖向承载力特征值单桩竖向承载力特征值R Ra a的确定：的确定：4.4.3 4.4.3 按经验公式法确定按经验公式法确定（1 1）对直径）对直径 d 800mm d 1=11

25、1.1.端承型群桩基础端承型群桩基础sdh=(s-d)/(2tan )图 4 1 4 端 承 型群 桩 基 础 端承型群桩基础中各端承型群桩基础中各根单桩的工作性状接近于根单桩的工作性状接近于独立单桩，故独立单桩，故1 1。 由于桩的变形很小，桩间由于桩的变形很小，桩间土基本不承受荷载，群桩基础土基本不承受荷载，群桩基础的承载力就等于各单桩的承载的承载力就等于各单桩的承载力之和，群桩的沉降量也与单力之和，群桩的沉降量也与单桩基本相同，故可不考虑群桩桩基本相同，故可不考虑群桩效应。效应。2.2.摩擦型群桩基础摩擦型群桩基础QQ Q Q Qs s sD( a )( b )图 4 - 1 5 摩 擦

26、 型 桩 的 桩 顶 荷 载 通 过 侧 阻扩 散 形 成 的 桩 端 平 面 压 力 分 布( a ) 单 桩 ； ( b ) 群 桩dl应力重叠应力重叠沉降增加沉降增加单桩承载力下降，单桩承载力下降，11。 当当桩距小于桩距小于3 3d d（d d为桩径）时，为桩径）时，桩端处应力桩端处应力重叠重叠现象现象严重严重；当桩距当桩距大于大于6 6d d时，应力时，应力重叠重叠现象现象较小较小。 对打入对打入较疏松的砂类土和粉土中的挤土群桩较疏松的砂类土和粉土中的挤土群桩，其桩间，其桩间土和桩端土被明显挤密，所以群桩效应系数土和桩端土被明显挤密，所以群桩效应系数常大于常大于1 1。 3.3.承台

27、底面贴地的影响承台底面贴地的影响 由摩擦型桩组成的群桩基础，当其由摩擦型桩组成的群桩基础，当其承受竖向荷载而沉降时，承台底面一般承受竖向荷载而沉降时，承台底面一般与地基土紧密接触，因此承台底面必产与地基土紧密接触，因此承台底面必产生土反力，从而分担了一部分荷载，使生土反力，从而分担了一部分荷载，使桩基承载力随之提高。考虑到一些因素桩基承载力随之提高。考虑到一些因素可能会导致承台底面与基土脱开（例如可能会导致承台底面与基土脱开（例如挤土桩施工时产生的孔隙水压力会在承挤土桩施工时产生的孔隙水压力会在承台修筑后继续消散而引起地基土固结下台修筑后继续消散而引起地基土固结下沉），沉），为了保证安全可靠，

28、设计时一般为了保证安全可靠，设计时一般不考虑承台贴地时承台底反力对桩基承不考虑承台贴地时承台底反力对桩基承载力的贡献。载力的贡献。 结论结论设计群桩基础时，设计群桩基础时，一般可不考虑群桩效应对单桩竖向一般可不考虑群桩效应对单桩竖向承载力的影响，即取群桩效应系数承载力的影响，即取群桩效应系数1 1，但对，但对摩擦型摩擦型桩基、设计等级为甲级以及部分乙级的建筑物桩基，桩基、设计等级为甲级以及部分乙级的建筑物桩基，必须进行沉降验算，必须进行沉降验算，以确保桩基沉降不超过允许值。以确保桩基沉降不超过允许值。 复合桩基：复合桩基：由由基桩和承台下地基土基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础。共同承担荷

29、载的桩基础。 复合基桩：复合基桩：单桩及其对应面积的承台底地基土单桩及其对应面积的承台底地基土组成的组成的 复合承载基桩。复合承载基桩。复合桩基中基桩的承载力复合桩基中基桩的承载力含有承台底的土阻力，含有承台底的土阻力，故称为复合基桩。故称为复合基桩。软土层4.6.2 4.6.2 复合基桩的竖向承载力特征值复合基桩的竖向承载力特征值基桩竖向承载力特征值基桩竖向承载力特征值 R R：不考虑承台效应：不考虑承台效应： 基桩基桩 考虑承台效应：考虑承台效应： 复合基桩复合基桩aRR 端承型桩基、桩数少于端承型桩基、桩数少于4 4根的摩擦型桩基、土性特殊、根的摩擦型桩基、土性特殊、使用条件等因素不宜考