4.3.3竖向荷载作用下的群桩效应4.44.5解析课件

1、4.3.3 竖向荷载作用下的群桩效应 实际工程中的桩基础既有一柱一桩形式、也有一柱多桩的形式，即既有单桩基础，又有由若干根基桩组成，并在桩顶用承台连接成一个整体的群桩基础。 群桩中的基桩与前面介绍的独立单桩的工作性状是否相同？ 群桩的承载力是否等于相应根数的单桩承载力之和？ 群桩基础的沉降量是否与独立单桩相同？ 什么是群桩效应？ 回答这些问题需要探讨群桩基础在地基中的工作特点，即承台、桩群、地基土体的共同作用机理。第1页，共48页。 群桩基础在外荷载作用下，由于桩基的承载类型和几何形式不同，其工作特点也不同。1端承型群桩的工作特点 对于端承群桩，由于桩端处持力层为岩层或坚硬土层，桩端的沉降很小

2、，桩侧摩阻力不易发挥，上部荷载通过桩身直接传至桩端土层中，桩端地基土所受压力仅局限于桩底面积范围内，各桩端的压力彼此相互影响小，如图4-14所示。在这种情况下，可认为端承群桩中的各基桩的工作性状与独立单桩相同，因此端承群桩的承载力等于相应根数的单桩承载力之和，其沉降量也与单桩沉降量相同。一、 群桩基础工作特点分析第2页，共48页。第3页，共48页。第4页，共48页。 2摩擦群桩的工作特点（有两种情况） （1） 摩擦群桩与端承群桩相反，作用其上的荷载主要是通过每根桩侧面的摩阻力传布到桩周及桩端的土层中去。一般假定，桩侧摩阻力在土中引起的附加应力按照一定的角度沿桩长向下扩散分布，至桩端平面处，压力

3、分布如图4-15中的阴影部分所示。 当桩数少n4根），桩距Sa较大时，例如Sa 6d（d为桩径），这时群桩中各基桩的工作情况仍和单桩的工作状况相似，故群桩中基桩的承载力也近似等于单桩承载力（如前图（a）。第5页，共48页。 （2）但当桩距较小， Sa 6d，桩数较多（n 4根）时，桩端处地基中各桩传来的压力就会相互重叠（图4-15（b），使得桩端处压力要比单桩时增大许多，桩端以下压缩土层的厚度也要比单桩深很多。这样，群桩中各桩的工作状态就与单桩时截然不同，群桩中的基桩承载力并不等于单桩单独工作时的承载力，沉降量也大于单桩的沉降量，这就叫群桩效应。思考：在桩基中产生群桩效应是有利还是有弊？第6页

4、，共48页。群桩效应的基本概念： 群桩在竖向荷载作用下，由于承台、桩、土之间相互影响和共同作用，群桩的工作性状趋于复杂，桩群中任一根桩的工作性状都不同于孤立的单桩，群桩承载力将不等于各单桩承载力之和，群桩沉降也明显地超过单桩，即是群桩效应。 群桩效应受土性、桩距、桩数、桩的长径比、桩长与承台宽度比、成桩类型和排列方式等多个因素的影响而变化。 群桩效应可用群桩效率系数和沉降比表示。第7页，共48页。 群桩效率系数是指群桩竖向极限承载力Qg与群桩中所有桩的单桩竖向极限承载力Qi总和之比，即=Qg/Q i 。 沉降比是指在每根桩承担相同荷载条件下，群桩沉降量sn与单桩沉降量s之比，即= sn /s。

5、 群桩效率系数越小、沉降比越大，表示群桩效应越强，也就意味着群桩承载力越低、沉降越大 群桩效率系数和沉降比主要取决于桩距和桩数，其次与土质和土层构造、桩径、桩的类型及排列方式等因素有关。第8页，共48页。各类型群桩基础特点归纳（1）端承型群桩基础 由端承桩组成的群桩，通过承台分配到各桩桩顶的荷载，其大部或全部由桩身直接传递到桩端。通过承台土反力、桩侧摩阻力传递到土层中的应力较小，桩群中各桩之间，承台、桩、土之间的相互影响较小，其工作性状与独立单桩相近。因而端承型群桩的承载力可近似取为各单桩承载力之和，即群桩效率系数、沉降比可近似取为1。端承型群桩基础无群桩效应。第9页，共48页。（2）摩擦型群

6、桩基础 由摩擦桩组成的群桩，桩顶荷载主要通过桩侧摩阻力传布到桩周和桩端土层中，在桩端平面处将产生应力重叠。承台土的反力也传递到承台以下一定范围内的土层中，从而使桩侧阻力和桩端阻力受到干扰。 除以上一、2摩擦群桩的工作特点（两种情况）之（1）种摩擦形群桩情况无群桩效应外。就一般情况下，在常规桩距(34d)下，粘性土中的群桩，随着桩数的增加，群桩效率系数明显下降，且1；而沉降比则除了端承桩=1外，均为1。第10页，共48页。由此可见，桩端处：z群z单则：S群S单若需 S群=S单必降低R群。模型及载荷试验表明：1、桩距增大时，提高；2、桩距相同时，桩数越多，越低；3、桩距增大至一定值后，增加不显著；

7、第11页，共48页。3承台底面土对荷载的分担作用 低承台群桩基础受荷后是否考虑承台底面土对荷载的分担作用是桩基础设计中的一个重要问题。 传统的方法认为，荷载全部由桩承担，承台下的地基土不分担荷载，这种考虑无疑是偏于安全的。近二十多年来的大量室内研究和现场实测表明，许多建筑物的低桩承台不同程度地起到分担外荷载的作用，承载的比例随着桩群的几何特征和承台下土性的差异而有较大幅度的变化，从百分之十几至百分之五十以上，且承载的比例随桩距的增大而增大。 对于摩擦型桩，除下列情况不能考虑承台下土体对荷载的分担作用外，均应考虑承台底面土对荷载的分担作用。第12页，共48页。摩擦型桩下列情况不考虑承台下土体对荷

8、载的分担作用： 当有经常出现的动力荷载作用时，如铁路桥梁的桩基； 承台下存在可能产生负摩阻力的土层，如湿陷性黄土、欠固结土、新近填土、高灵敏度软土及可液化土，或因水位下降而引起地基土与承台脱开； 在饱和软土中沉人密集桩群，引起超静孔隙水压力和土体隆起，随着时间推移，桩间土逐渐固结下沉而与承台脱离。第13页，共48页。 但对于那些建在一般土层上，桩长较短而桩距较大，或承台外区面积较大的桩基，承台下桩间土对荷载的分担效应较显著，故应考虑承台底土反力效应。承台底土抗力的大小和分布形式，随桩距、桩长、承台刚度等因素而变化。总的规律是： （1）刚性承台底面土反力呈马鞍形分布，随着桩距的增大，土抗力增加；

9、 （2）承台内区（群桩外包络线以内范围）土抗力显著小于承台外区的土抗力，且内区土反力比外区土反力较均匀；并当加大桩距时承台内外区土的反力差明显降低。 故在实际工作中可以通过加大外区和内区的面积比来提高承台分担荷载的份额。第14页，共48页。承台底反力图示1.承台底土反力；2.土层位移；3.桩端位移第15页，共48页。不同桩距承台底土反力分布图第16页，共48页。 综上可知：影响群桩基础的竖向承载力的因素除其基桩自身的承载力外，还包括桩土之间的相互作用对桩侧阻力和端阻力的影响，以及承台底土抗力的分担荷载效应。因此： （1）对于端承群桩基础和桩的中心间距Sa6d的摩擦群桩基础，其承载力等于相应根数

10、的独立单桩承载力之和，沉降量也与单桩沉降量一致，无需考虑群桩效应，因而仅需作单桩承载力验算； （2）而对于桩数较多且桩的中心间距Sa 6d的摩擦群桩基础，应考虑群桩效应，除要验算单桩的竖向承载力之外，还需对群桩基础的承载力及沉降进行验算。第17页，共48页。二、 复合基桩竖向承载力特征值 建筑桩基规范将考虑承台底土阻力的群桩桩基定义为复合桩基，包括承台底土阻力的基桩称为复合基桩。规范指出：对于端承桩基、桩数小于4根的摩擦型桩基，以及由于地层土性、使用条件等因素不宜考虑承台效应时，群桩中的基桩竖向承载力特征值取单桩竖向承载力特征值，即第18页，共48页。c区别挤土桩和非挤土桩，可按规范表5.2.

11、5-1取值规范5.2.5-1第19页，共48页。式中： 承台效应系数，非挤土桩可按规范表取值；对于挤土桩按表5.2.5值乘以0.7。当计算基桩为非正方形排列时， ，A为计算区域承台面积，n为总桩数；fak承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内地基承载力特征值的加权平均值； Ac计算桩基所对应的承台底的净面积； Ap为桩截面面积；对于柱下独立桩基，A为全承台面积；对于桩筏基础，A为柱、墙筏板的1/2跨距和悬臂边2.5倍筏板厚度所围成的面积；桩集中布置于墙下的桩筏基础，取墙两边1/2跨距围成的面积，按条基计算。 第20页，共48页。 sa/dBc/l 345660.40.40.80.8单排桩条

12、基0.120.140.140.160.160.180.200.300.180.210.210.240.240.260.300.400.250.290.290.330.330.370.400.500.320.380.380.440.440.500.500.600.600.80承台效应系数 第21页，共48页。三、桩顶作用效应计算 在初步确定桩基中的桩数和基桩的布置后，应验算群桩中各基桩所承受的荷载是否超过基桩的承载力特征值。计算假定承台为绝对刚性，并桩身压缩变形在线性范围内，则可由材料力学方法得：1、轴心荷载作用下单桩受力设计要求 规范5.2.1-1 规范5.1.1-1第22页，共48页。2、偏

13、心受力各桩受力设计要求为规范5.2.1-2 规范5.1.1-2各公式中字母含义参见桩基规范51 桩顶作用效应计算第23页，共48页。四、 软弱下卧层验算 当桩端平面以下荷载影响范围内存在软弱下卧层时，由于桩端持力层厚度有限，两层的承载力差异过大，如果桩距较小，则桩与桩间土的性状类似于实体墩基础，而可能会引起冲破硬持力层的整体冲切破坏，如下图 (a)所示；如果桩距较大(或单桩基础)且硬持力层厚度较小，单桩可能会产生单独冲剪破坏，如下图 (b)所示。 为了防止上述情况的发生，需进行相应的群桩承载力验算，验算原则：扩散到软卧层顶面的附加应力与软卧层顶面土自重应力之和要小于软卧层的设计承载力。第24页

14、，共48页。第25页，共48页。1.对于桩距不超过6d 的群桩基础，桩端持力层下存在承载力低于桩端持力层承载力1/3 的软弱下卧层时，可按下列公式验算软弱下卧层的承载力 ： 公式各符号意义参考规范5.4 特殊条件下桩基竖向承载力验算规范5.4.1-1规范5.4.1-2第26页，共48页。 实际工程中，在持力层以下存在相对软弱土层是常见的现象，一般只有当桩长较小、强度相差过大时才进行必要验算。因当桩长很长时，桩侧阻力的扩散效应比较显著，相应传递到其下软弱层的应力较小，不致于引起下卧层的破坏。 若下卧层与持力层的地基承载力差异过小时，土体塑性挤出和失稳现象也不会出现。第27页，共48页。4.4 桩

15、基础的沉降计算 （1）对于端承群桩或桩中心间距大于6倍桩径的摩擦群桩基础，桩基的总沉降量可认为与单桩的沉降量相同； （2）对于桩中心间距小于6倍桩径的摩擦群桩基础，或桩端持力层下存在软弱土层，或遇有重要的对基础沉降有特殊要求的建筑物时（安全等级较高），不但要验算桩基的承载力，还应对桩基进行变形（沉降量）验算。第28页，共48页。规范规定对以下桩基础应进行沉降验算：地基基础设计等级为甲级的建筑桩基础；体形复杂、荷载不均匀或桩端以下存在软弱土层的设计等级为乙级的建筑物桩基础；摩擦型桩。 建筑桩基规范认为：对于桩中心间距小于6倍桩径的摩擦群桩基础，其最终沉降量可采用等效作用分层总和法（见规范图5.5

16、.6）。等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积；等效作用附加应力近似取承台底面的平均附加应力。等效作用面以下的应力分布采用各向同性均质线性变形体理论，然后仍按浅基础的沉降计算步骤计算沉降量S。第29页，共48页。第30页，共48页。1.单桩沉降的计算桩顶沉降桩身压缩量桩端沉降按材料力学公式计算（1）桩侧阻力引起的桩周土中的附加应 力以压力扩散角向下传递，致使桩 端下土体压缩而产生的桩端沉降；（2）桩端荷载引起桩端下土体压缩所产 生的桩端沉降。第31页，共48页。目前单桩沉降计算主要方法有：（1）荷载传递分析法（2）弹性理论法（3）剪切变形传递法（4）有限单元分析法（5）其他简化法

17、第32页，共48页。2. 群桩沉降计算p143 群桩的沉降主要是由桩间土的压缩变形（包括桩身压缩、桩端贯入变形）和桩端平面以下土层受群桩荷载共同作用产生的整体压缩变形两部分组成。由于群桩的沉降性状涉及群桩几何尺寸、成桩工艺、桩基施工与流程、土类与土性、荷载大小及持续时间、承台设置方式等等众多复杂因素，故目前仍未有较完善的桩基础沉降计算方法。2011基础规范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按下式计算桩基础的最终沉降量：第33页，共48页。地基内的应力分布宜采用各向同性均质线性变形体理论，可按实体深基础（桩距不大于6d）或其他方法（包括明德林应力公

18、式方法）计算。 第34页，共48页。变形特征容许值砌体承重结构基础的局部倾斜0.002各类建筑相邻柱（墙）基的沉降差框架、框剪、框筒结构砌体墙填充的边排柱当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构0.002l00.0007 l0 0.005 l0 单层排架结构（柱距为6m）柱基的沉降量（mm）120建筑物桩基的变形允许值 第35页，共48页。桥式吊车轨面的倾斜（按不调整轨道考虑）纵向横向0.0040.003多层和高层建筑基础的倾斜 Hg2424Hg6060Hg100Hg1000.0040.0030.00250.002体形简单的剪力墙结构高层建筑桩基最大沉降量（mm）200高耸结构桩基的整体倾斜 H

19、g2020 Hg 5050 Hg100100Hg150150 Hg200200 Hg2500.0080.0060.0050.0040.0030.002高耸结构基础的沉降量（mm） Hg100100Hg200200Hg250350250150第36页，共48页。4.5 桩的负摩擦问题 p.1464.5.1 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。但是，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。 负摩阻力的存在将导致增大桩身荷载（或降

20、低了桩的承载力），并增大桩基的沉降危害！后果第37页，共48页。中性点第38页，共48页。（1）负摩阻力的产生条件第39页，共48页。第40页，共48页。（2）负摩阻力的分布 正负摩阻力分界的地方，即桩土之间不发生相对位移的截面称为中性点（见图4-19（b）。在中性点以上，土层相对于桩产生向下的位移，在这部分桩长范围内出现负摩阻力；在中性点以下，桩截面产生相对于土层的向下位移，因而产生桩侧正摩阻力，同时在中性点处下拉荷载（即由负摩阻力在桩身引起的最大轴力）达到最大值（见图4-19 （d）。 中性点的深度Ln与桩周土的压缩性和变形条件及桩和持力层土的刚度等因素有关，理论上可根据桩的竖向位移和桩周

21、土的竖向位移相等处来确定，但实际上准确确定中性点的位置比较困难。第41页，共48页。一些实测资料表明： 对于欠固结的软弱土层中的摩擦型桩，中性点的位置大多在桩长的7080深度处； 对于穿过软土、自重湿陷性黄土，支撑在基岩、砂卵石上的端承型桩，当沉降在允许范围之内时，中性点的位置在桩长的8595深度处，当桩沉降量接近于零时，负摩阻力可分布于全桩身，中性点接近基岩面。 在有可压缩土层L0的范围内，中性点深度Ln是随桩端持力层的强度和刚度的增大而增加的，表4-4为建筑桩基规范给出的中性点深度Ln与桩周软弱土层下限深度L0之比，即中性点深度比Ln/ L0的经验值，可供设计时参考。第42页，共48页。第43页，共48页。4.5.2 负摩阻力的计算（不成熟） 由于影响负摩阻力的因素很多，如桩侧与桩端土的变形与强度性质、土层应力历史、地面堆载的大小和范围、地下水降低的深度和范围、桩的类型和成桩工艺等，因此很难从理论上精确计算负摩阻力，迄今国内外学者提出的负摩阻力的计算方法都是近似的和经验性的