基础工程-第四章-桩基础公开课教案课件

1、2022年8月25日第章 桩基础 4.1 概述桩基础一般由桩和承台组成。桩可以把承台传来的荷载传递到深层坚硬土层中，因此桩基础具有承载力大、沉降变形小、既抗压又抗拔、抗震性能好以及便于机械化文明施工等优点。工程中按承台位置的高低分为低承台桩基础和高承台桩基础。一、桩基础的应用由于桩基础具有上述一系列优点，所以桩基础的应用历史悠久且应用范围相当广泛。工程中遇到以下情况通常采用桩基础方案。(1)天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物；(2)天然地基承载力基本满足要求，但沉降量过大，需利用桩基础减少沉降量的建筑物；(3)重型工业厂房和荷载很大的建筑物；(4)软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性

2、建筑物；(5)承受较大水平力和力矩以及上拔力的高耸结构物；(6)需要降低振动影响的动力机器基础，或需要采取抗震措施的建筑物；(7)地基土有可能被水冲刷的桥梁基础；(8)需穿越水体或软弱土体的港湾与海洋构筑物基础。2022年8月25日二、桩基础的设计原则桩基础设计在原则上应满足以下基本条件；(1)单桩承受的竖向荷载不应超过单桩竖向承载力特征值；(2)桩基础的沉降量不得超过建筑物的沉降允许值；(3)对位于坡地岸边的桩基础应进行稳定性验算；三、桩基础的设计内容(1)桩的类型和几何尺寸选择；(2)单桩竖向（或水平向）承载力的确定；(3)确定桩的数量、间距和平面布置；(4)桩基础承载力和沉降验算；(5)

3、桩身结构设计；(6)承台设计；(7)绘制桩基础施工图。4.2 桩的类型一、桩的分类、端承型桩和摩擦型桩(1)端承型桩端承型桩是指桩端阻力分担荷载较多的桩。当分担比接近100%称端承桩。2022年8月25日(2)摩擦型桩摩擦型桩是指桩侧阻力分担荷载较多的桩。当桩侧阻力分担荷载的比例接近100%时称为摩擦桩。、预制桩和灌注桩(1)预制桩，包括混凝土预制桩、钢桩和木桩三类。 1)混凝土预制桩，截面形式主要有方形和圆形两种。当截面尺寸不大时，通常制成实心截面，当截面尺寸较大时，通常制成空心截面。混凝土预制桩的优点是：施工质量易于保证、施工效率高、承载力高；其缺点是：沉桩过程有噪音、对环境有影响、用钢量

4、较大 2)钢桩，工程中常用的截面形式主要有工字形和圆管形两种。钢桩的优点是：施工速度快、施工效率高、承载力高；缺点是：沉桩有噪音、对环境有一定影响、钢材耐腐蚀性差、用钢量大，造价高。 3)木桩，是用树干制成圆木成为木桩。木桩的优点是制作简便；缺点是承载力低，耐久性差。预制桩的沉桩方法主要有：锤击法、振动法和静压法等。2022年8月25日(2)灌注桩灌注桩是直接在设计桩位成孔，在孔内放置钢筋笼，然后浇注混凝土而成。按成孔方法不同灌注桩可分为许多种。1)沉管灌注桩可分为锤击沉管和振动沉管两种；2)钻（冲、磨）孔灌注桩可分为干作业钻孔和潜水钻孔两种；3)挖孔桩可分为人工挖孔或机械成孔两种；4)爆扩灌

5、注桩二、桩的成型方式效应桩的成型方式不同，对周围土层的扰动和挤土作用不同。按桩的成型方式产生的挤土作用大小，可将桩分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩。、挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩(1)挤土桩，是指实心的预制桩。沉桩施工后桩体会排开与桩体积相同的土体积。(2)部分挤土桩，是指开口的空心预制桩。或经过引孔施工的实心预制桩。沉桩施工后桩体会排开小于桩体积的土体积。(3)非挤土桩，是指先钻孔再打入的预制桩和钻孔灌注桩。、挤土桩的成桩效应(1)粘性土中挤土桩的成桩效应，是桩侧土受挤压而发生塑性破坏，使得桩在沉入过程中侧阻力较小，即桩的承载力较低。随后桩侧土强度逐渐恢复，承载力也逐渐提高。2022年8月2

6、5日(2)砂土中挤土桩的成桩效应，是不太密实的砂土受沉桩影响而密度提高。使得桩的承载力也得到提高。(3)饱和粘性土中挤土桩的成桩效应，是挤土变形在场地中产生较高的孔隙水压力，因而会出现桩很难打入的结果。先打入的桩会受到后打入桩的影响，出现上抬现象。待孔隙水压力慢慢消散后，桩端与持力土层之间会出现脱空现象。、非挤土桩的成桩效应(1)粘性土中非挤土桩的成桩效应，是桩侧土在成孔过程中受到扰动和应力松弛，结果会降低桩的侧阻力，使桩的承载力降低。桩的直径越大，这种应力松弛越严重。(2)砂土中非挤土桩的成桩效应，与粘性土中大致相同。其应力松弛想象较粘性土更严重，桩的承载力也降低更多。(3)粘性土中非挤土摩

7、擦型桩承载力的时间效应，是桩周围土受扰动后强度随时间而慢慢恢复的现象。与挤土桩相比这种效应相对较小。2022年8月25日(2)砂土中挤土桩的成桩效应，是不太密实的砂土受沉桩影响而密度提高。使得桩的承载力也得到提高。(3)饱和粘性土中挤土桩的成桩效应，是挤土变形在场地中产生较高的孔隙水压力，因而会出现桩很难打入的结果。先打入的桩会受到后打入桩的影响，出现上抬现象。待孔隙水压力慢慢消散后，桩端与持力土层之间会出现脱空现象。、非挤土桩的成桩效应(1)粘性土中非挤土桩的成桩效应，是桩侧土在成孔过程中受到扰动和应力松弛，结果会降低桩的侧阻力，使桩的承载力降低。桩的直径越大，这种应力松弛越严重。(2)砂土

8、中非挤土桩的成桩效应，与粘性土中大致相同。其应力松弛想象较粘性土更严重，桩的承载力也降低更多。(3)粘性土中非挤土摩擦型桩承载力的时间效应，是桩周围土受扰动后强度随时间而慢慢恢复的现象。与挤土桩相比这种效应相对较小。2022年8月25日4.3 桩的竖向承载力一、单桩轴向荷载的传递机理、桩身轴力和截面位移当桩顶作用轴向力，桩身产生轴向压缩，桩侧面产生向下位移，就会受到周围土的摩擦阻力。由桩段单元的平衡条件可得桩侧阻力：桩身轴力：桩段单元压缩量和桩身位移量：、影响荷载传递的因素(1)桩端土与桩侧土的刚度比， 愈小，桩身轴力衰减愈快。(2)桩土刚度比， 愈大，传递到桩端的荷载愈大。(3)桩端扩底直径

9、与桩身直径之比，愈大桩端分担的荷载比愈大。2022年8月25日(4)桩的长径比，愈大，传递到桩端的荷载愈小。、桩侧摩阻力和桩端阻力桩侧摩擦阻力极限值 可按试验确定，或按土的抗剪强度公式计算：式中：桩端阻力极限值也可按试验确定，或按承载力公式计算：式中：2022年8月25日二、单桩竖向承载力的确定、按桩的静载荷试验确定试验加载可采用锚桩反力梁法或堆载法。测试桩的极限承载力要求试验桩的数量不少于工程桩总数的，且不少于根。并要求试验进行到破坏，根据各桩试验结果P-S曲线可统计确定出桩的极限承载力标准值。再根据除以安全系数即得到单桩承载力特征值：、按土的抗剪强度指标确定(1)单桩承载力的一般表达式（理

10、论公式）单桩净极限承载力 等于桩侧总极限摩阻力与桩端总极限阻力之和减去桩的自重：则单桩承载力特征值：2022年8月25日(2)粘性土中单桩的承载力1) 对于正常固结、弱超固结或灵敏粘性土，偏于安全考虑，取土的不固结不排水抗剪强度指标计算。即 ，则承载力公式变为：式中为与桩同体积的土重。可假设约等于桩重，则承载力公式变为：式中，为桩土间的粘结力，对软黏土 ，对硬黏土 。2) 对于超固结黏土或非灵敏黏土，取土的固结不排水抗剪强度指标计算。即，令则承载力公式变为：(3)无黏性土中单桩的承载力对于无黏性土有，则承载力公式变为：式中，当，当，其中临界深度以上 各参数均可按土的内摩擦角查曲线获得。2022

11、年8月25日、按规范经验公式确定单桩承载力特征值根据建筑地基基础设计规范(GBJ5007-2002)规定，单桩承载力特征值可按以下经验公式计算：式中分别为桩端阻力和桩侧阻力特征值。可按规范经验表格查得。三、竖向荷载下的群桩效应群桩效应的定义：由于承台、桩、土相互作用，使群桩中每根桩的荷载沉降性状与相同地质条件和设置方法的独立单桩有显著差别，这种现象被称之为群桩效应。具体表现为群桩承载力常常不等于其中各单桩承载力之和。通常用群桩效应系数来衡量群桩基础中各单桩的平均承载力比独立单桩降低或提高的幅度。、端承型群桩基础的群桩效应由于端承型桩的桩尖持力层是坚硬的土层，群桩基础工作时沉降较小，承台对桩间土

12、的压迫不大，所以各桩相互影响较小。端承型群桩基础中各桩的工作性状接近于独立单桩，群桩基础的承载力等于各单桩的承载力之和，群桩效应系数。、摩擦型群桩基础的群桩效应(1)高承台情况由于桩群可以沉降较大，桩侧土体在剪应力、压应力共同作用下密度得到提高，使桩侧阻力和桩端阻力都有可能提高，也可能使桩端土层超载而发生破坏，2022年8月25日、按规范经验公式确定单桩承载力特征值根据建筑地基基础设计规范(GBJ5007-2002)规定，单桩承载力特征值可按以下经验公式计算：式中分别为桩端阻力和桩侧阻力特征值。可按规范经验表格查得。三、竖向荷载下的群桩效应群桩效应的定义：由于承台、桩、土相互作用，使群桩中每根

13、桩的荷载沉降性状与相同地质条件和设置方法的独立单桩有显著差别，这种现象被称之为群桩效应。具体表现为群桩承载力常常不等于其中各单桩承载力之和。通常用群桩效应系数来衡量群桩基础中各单桩的平均承载力比独立单桩降低或提高的幅度。、端承型群桩基础的群桩效应由于端承型桩的桩尖持力层是坚硬的土层，群桩基础工作时沉降较小，承台对桩间土的压迫不大，所以各桩相互影响较小。端承型群桩基础中各桩的工作性状接近于独立单桩，群桩基础的承载力等于各单桩的承载力之和，群桩效应系数。、摩擦型群桩基础的群桩效应(1)高承台情况由于桩群可以沉降较大，桩侧土体在剪应力、压应力共同作用下密度得到提高，使桩侧阻力和桩端阻力都有可能提高，

14、也可能使桩端土层超载而发生破坏，2022年8月25日(1)高承台情况由于桩群可以沉降较大，桩侧土体在剪应力、压应力共同作用下密度得到提高，使桩侧阻力和桩端阻力都有可能提高，也可能使桩端土层超载而发生破坏，所以，高承台群桩的群桩效率系数可能小于，也可能大于。具体由承台刚度、土性、桩距等许多因素决定。(2)低承台情况低承台群桩的工作性状也与高承台群桩相似，但由于低承台与土接触，可传递一部分荷载，也可限制桩的刺入破坏，所以低承台群桩的群桩效率系数一般大于的情况较多。4.4 桩基础沉降的计算一、单桩沉降的计算在竖向荷载作用下单桩的沉降由三部分组成：(1)桩身弹性压缩引起的桩顶沉降；(2)桩侧阻力扩散到

15、桩端以下土层引起桩端沉降；(3)桩端荷载直接引起桩端沉降。单桩沉降的计算方法主要有：荷载传递分析法、弹性理论法、剪切变形传递法、有限单元分析法、其它简化法。2022年8月25日二、群桩沉降的计算根据建筑地基基础设计规范(GBJ5007-2002)推荐，群桩基础最终沉降量按假想实体基础分层总和法计算：式中关于假想实体基础的计算方法有两种：、考虑扩散作用的假想实体基础基底附加压力：、不考虑扩散作用的假想实体基础 基底附加压力：2022年8月25日4.5 桩的负摩擦力问题一、产生负摩擦的条件和原因土对桩产生向下的摩阻力称为负摩阻力。其产生条件和原因如下：(1)土对桩产生向下的沉降位移；(2)桩周围欠

16、固结土在自重作用下产生沉降；(3)大面积地面堆载引起桩周围土体沉降；(4)地下水位降低引起桩周围土体沉降。二、负摩阻力的估算 (1)按持力层土性计算中性点位置；(2)负摩阻力强度计算1)取无侧限抗压强度值；2)按中性点覆盖压力计算；(3)下拉荷载的计算三、减小负摩阻力的措施2022年8月25日4.6 桩的水平承载力在工程中采用桩基承受水平荷载的情况较多。当桩基受水平力较大时，设计中需要确定桩的水平承载力。桩的水平承载力与桩在水平荷载下的工作性状有关。一、水平荷载下桩的工作性状按桩土相对刚度的不同和桩的变形情况，可将桩分为刚性桩、半刚性桩、柔性桩。(1) 刚性桩，在水平荷载作用下桩体不发生破坏，

17、只有土发生破坏；(2) 弹性桩，包括半刚性桩和柔性桩。弹性桩在水平荷载作用下，桩和土体的变形都较大，桩和土体都可能发生破坏；2022年8月25日二、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、弹性理论法和有限元法等。其中地基反力系数法即文克勒弹性地基梁法。、基本假定地基土体为线性变形体，水平向抗力与位移成正比：地基水平抗力系数 有四种常用的取法:(a)常数法：； (b)“”法； (c)“”法； (d)“值”法。2022年8月25日二、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、弹性理论法和有限元法等。其中地基反力系数法

18、即文克勒弹性地基梁法。、基本假定地基土体为线性变形体，水平向抗力与位移成正比：地基水平抗力系数 有四种常用的取法:(a)常数法：； (b)“”法； (c)“”法； (d)“值”法。2022年8月25日、计算参数桩的水平计算宽度：方形截面桩：当时，；当时，。圆形截面桩：当时，；当时，。桩身的弹性模量：考虑桩受水平力发生挠曲变形，取。地基水平抗力系数的比例系数由试验确定，或按经验查表确定。、单桩计算(1)确定桩顶荷载 (2)桩的挠曲微分方程或采用法时，方程变为令，方程变为 ,可查系数表求 的分布。2022年8月25日三、单桩水平静载荷试验、试验装置、加荷方法多循环加卸载法：加载4min；卸载2mi

19、n；每级加卸载循环5次； 、终止加荷的条件(1)桩身已断裂；(2)桩侧地表出现裂缝或隆起；(3)桩顶位移超过30-40mm；(4)荷载超过极限值； 、资料整理、水平临界荷载与极限荷载2022年8月25日四、单桩水平承载力特征值(1)按现场水平静载荷试验确定；(2)对于混凝土预制桩、钢桩、配筋率大于 的灌注桩，取静载荷试验测得的桩顶位移所对应荷载为水平承载力特征值；(3)对于配筋率小于 的灌注桩，取单桩水平静载荷试验测得的临界荷载为单桩水平承载力特征值：；(4)当缺少单桩水平静载荷试验资料时，按下式估算桩身配筋率小于的灌注桩的单桩水平承载力特征值：； (5)当缺少单桩水平静载荷试验资料时，按下式

20、估算预制桩、钢桩、桩身配筋率大于的灌注桩的单桩水平承载力特征值： 。4.7 桩的平面布置原则一、一般原则、群桩横截面重心与永久荷载合力作用点重合或接近；、桩的间距一般采用 倍桩径，独立承台承受弯矩时宜外密内疏布置。二、布桩方法举例2022年8月25日4.8 桩承台的设计一、构造要求二、柱下桩基础独立承台、受弯计算(1) 柱下多桩矩形承台根据试验资料，承台破坏发生在柱边，则桩顶力对破坏边的弯矩为：(2) 柱下三桩三角形承台1)等边三桩承台2)等腰三桩承台2022年8月25日、受冲切计算(1) 柱对承台的冲切当承台内桩数较多高度不足时，在柱跟斜面锥体以外的桩顶力之和为冲切破坏力：抗冲切验算可按以下规范公式计算：(2) 角桩对承台的冲切 1) 多桩矩形承台受角桩冲切 2)三桩三角形承台受角桩冲切底部角桩：顶部角桩：2022年8月25日、受冲切计算(1) 柱对承台的冲切当承台内桩数较多高度不足时，在柱跟斜面锥体以外的桩顶力之和为冲切破坏力：抗冲切验算可按以下规范公式计算：(2) 角桩对承台的冲切 1) 多桩矩形承台受角桩冲切 2)三桩三角形承台受角桩冲切底部角桩：顶部角桩：2022年8月25日、受剪切计算承台斜截面受剪承载力可按下