《基础工程》4-1单桩承载力

1、第一节 单桩承载力 单桩承载力：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的轴向承载力和横轴向承载力。 第四章 桩基础的设计与计算一、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 当竖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

2、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。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状有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同

3、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。桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度：（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，还与其它因素有关。 土的性质桩的刚度时间因素土中应力状态桩的施工方法等 桩底阻力影响因素桩底地基土的性质（主要影响因素）持力层上覆荷载（覆盖土层厚度）桩径桩底作用力时间桩底进入持力层深度等。 （三）桩底阻力的影响因素及其深度效应 （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

4、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。 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

5、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。二、按土的支承力确定单桩轴向容许承载力 （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，分析确定单桩轴向容许承载力。 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。试桩数目应不小于基桩总数的2%，且不应少于2根；试桩的施工方法以及试桩的材料和尺寸、入土深度均应

6、与设计桩相同。 静载试验法的特点：确定单桩容许承载力直观可靠，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。配合其他测试设备，它还能较直接了解桩的荷载传递特征，提供有关资料，因此也是桩基础研究分析常用的试验方法。 1、试验装置 加载系统：主要有堆载法与锚桩法两种。堆载法是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。锚桩法是在试桩周围布置46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。 锚

7、桩法试验装置 堆载法静载试验锚桩法静载试验锚桩法静载试验锚桩法静载试验千斤顶及位移传感器 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。每根基准梁固定在两个无位移影响的支点或基准点上，支点或基准桩与试桩中心距应大于4d且不小于2m（d为试桩直径或边长）。 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1/101/15；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1/2.51/5，终了阶段取1/101/15。 测读沉降时间：在每级加荷后的第一小时内，按2、5、15、30、45、60mi

8、n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；对粘性土为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。 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，总沉降量大于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。 3、极限荷载和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，从而

9、确定单桩轴向容许承载力 式中：P单桩轴向受压容许承载力（kN）； 试桩的极限荷载（kN）； K安全系数，一般为2。单桩荷载沉降（P-S）曲线 单桩S-logt曲线 试验曲线法： （1）P-S曲线明显转折点法 （2）S-logt法（沉降速率法）（二）经验公式法 我国现行各设计规范都规定了以经验公式计算单桩轴向容许承载力的方法，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。 下面以公桥基规为例简介如下（以下各经验公式除特殊说明者外均适用于钢筋混凝土桩、

10、混凝土桩及预应力混凝土桩）。 1、摩擦桩 单桩竖向容许承载力的基本形式为： 单桩容许承载力P=桩侧极限摩阻力PSU+桩底极限阻力PPU/安全系数 （1）钻（挖）孔灌注桩： （2）打入桩 （3）管柱受压容许承载力确定 管柱受压容许承载力可按打入桩计算，也可由专门试验确定。 （4）单桩轴向受拉容许承载力确定 当桩的轴向力由结构自重、预加力、土重、土侧压力、汽车荷载、和人群荷载短期效应组合所引起，桩不允许受拉； 当桩的轴向力由上述荷载并与其他作用组成的短期效应组合或者偶然组合（地震力除外），则允许桩受拉。单桩轴向受拉容许承载力可按下式计算： 2、端承桩（柱桩） 支承在基岩上或嵌入岩层中的单桩，其轴向

11、受压容许承载力，取决于桩底处岩石的强度和嵌入岩层的深度，可按下式计算。（三）动测试桩法 动测法是指给桩顶施加一动荷载（用冲击、振动等方式施加），量测桩土系统的响应信号，然后分析计算桩的性能和承载力，可分为高应变动测法与低应变动测法两种。 低应变动测法由于施加桩顶的荷载远小于桩的使用荷载，不足使桩土间发生相对位移，而只通过应力波沿桩身的传播和反射的原理作分析，可用来检验桩身质量，不宜作桩承载力测定但可估算和校核基桩的承载力。 高应变动测法一般是以重锤敲击桩顶，使桩贯入土中，桩土间产生相对位移，从而可以分析土体对桩的外来抗力和测定桩的承载力，也可检验桩体质量。 （四）静力分析法 静力分析法是根据土

12、的极限平衡理论和土的强度理论，计算桩底极限阻力和桩侧极限摩阻力，也即利用土的强度指标计算桩的极限承载力，然后将其除以安全系数从而确定单桩容许承载力。 1、桩底极限阻力的确定 把桩作为深埋基础，并假定地基的破坏滑动面模式，运用塑性力学中的极限平衡理论，导出地基极限荷载（即桩底极限阻力）的理论公式：桩侧单位面积的极限摩阻力取决于桩侧土间的剪切强度。按库仑强度理论得知： 2、桩侧极限摩阻力的确定 三、按桩身材料强度确定单桩承载力 一般说来，桩的竖向承载力往往由土对桩的支承能力控制。但当桩穿过极软弱土层，支承（或嵌固）于岩层或坚硬的土层上时，单桩竖向承载力往往由桩身材料强度控制。此时，基桩将象一根受压

13、杆件，在竖向荷载作用下，将发生纵向挠曲破坏而丧失稳定性，根据公路桥规，对于钢筋混凝土桩，当配有普通箍筋时，可按下式确定基桩的竖向承载力：四、单桩横轴向容许承载力的确定 桩的横向承载力，是指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。桩在横向力（包括弯矩）作用下的工作情况较轴向受力时要复杂些，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的横轴向承载力。（一）在横向荷载作用下，桩的破坏机理和特点 桩在横向力作用下变形示意图 a)刚性桩；b)弹性桩（二）单桩横向容许承载力的确定方法单桩水平静载试验 桩水平静载试验装置示意图 五、关于桩的负摩阻问题（一）负摩阻力的意义及其

14、产生原因 在一般情况下，桩受轴向荷载作用后，桩相对于桩侧土体作向下位移，土对桩产生向上作用的摩阻力，称正摩阻力。但当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部或一部分面积上将出现向下作用的摩阻力，称其为负摩阻力。 桩的正、负摩阻力 负摩阻力的危害： 桩的负摩阻力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩，因此，负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若有负摩力发生，则桩的外荷载增大，桩的承载力相对降低，桩基沉降加大，这在确定桩的承载力和桩基设计中应予以注意。对于桥梁工程特别要注意桥头路堤高填土的桥台桩基础的负摩阻力问题，因路堤高填土是一个很大的地面荷载且位于桥台的一侧，若产生负摩阻力时还会有桥台背和路堤填土间的摩阻问题和影响桩基础的不均匀沉降问题。 桩的负摩阻力产生的原因有：1在桩附近地面大量堆载，引起地面沉降；2土层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土层产生自重固结下沉；3桩穿过欠压密土层（如填土）进入硬持力层，土层产生自重固结下沉；4桩数很多的密集