单桩承载力讲义（79内容丰富）

3.4单桩承载载力3.4.4关于桩的的负摩阻阻问题3.4.3按桩身材材料强度度确定单单桩承载载力3.4.2按土的支支承力确确定单桩桩竖向容容许承载载力3.4.1单桩轴向向荷载传传递的机机理和特特点本节内内容容3.4.1单桩轴向向荷载传传递的机机理和特特点孤立的一一根桩称称为单桩，群桩中中性能不不受邻桩桩影响的的一根桩桩可视为为单桩。单桩承载载力：单桩在在荷载作作用下，，地基土土和桩本本身的强强度和稳稳定性均均能得到到保证，，变形也也在容许许范围内内，以保保证结构构物的正正常使用用所能承承受的最最大荷载载。单桩工作作性能的的研究是是单桩承承载力分分析理论论的基础础。通过过桩土相相互作用用分析，，了解桩土土间的传传力途径径和单桩桩承载力力的构成成及其发发展过程程，以及及单桩的的破坏机机理等，对正确确评价单单桩轴向向承载力力具有一一定的指指导意义义。桩基础的的作用是是将荷载载传递到到下部土土层，这这是通过过桩与桩桩周土的的相互作作用进行行的。桩在轴向压力力荷载作用下:桩顶将发发生轴向向位移(沉降)=桩身弹性性压缩+桩底土层层压缩之之和置于土中中的桩与与其侧面面土是紧紧密接触触的，当当桩相对对于土向向下位移移时就产产生土对对桩向上上作用的的桩侧摩阻阻力。桩顶荷荷载沿桩桩身向下下传递的的过程中中，必须须不断地地克服这这种摩阻阻力，桩桩身轴向向力就随随深度逐逐渐减小小，传至至桩底的的轴向力力也就是是桩底支承承反力：桩底支承承反力=桩顶荷载载-全部桩侧侧摩阻力力一．单单桩轴向向荷载的的传递桩顶荷载载是桩通通过桩侧侧摩阻力力和桩底底阻力传传递给土土体，即土对桩桩的支承承力由桩侧摩阻阻力和桩端阻力力两部分组组成。土对桩的的支承力力=桩侧摩阻阻力+桩底阻力力桩的极限限荷载(或称极限承载载力)=桩侧极限限摩阻力力+桩底极限限阻力Qs桩侧摩阻阻力Qp桩端阻力QsQpQ二、桩的的竖向承承载力发发挥的特特点桩侧摩阻阻力和桩桩底阻力力的发挥挥程度与与桩土间间的变形形性态有有关，并并各自达达到极限限值时所所需要的的位移量量是不相相同的。。试验表表明：：桩底底阻力力的充充分发发挥需需要有有较大大的位位移值值，在在粘性性土中中约为为桩底底直径径的25%，在砂砂性土土中约约为8%～10%，而桩桩侧摩摩阻力力只要要桩土土间有有不太太大的的相对对位移移就能能得到到充分分的发发挥，，具体体数量量目前前认识识尚不不能有有一致致的意意见，，但一一般认认为粘粘性土土为4～6mm，砂性性土为为6～10mm。Q/kNQsQpQS/mm随着荷荷载增增加，，桩身身上部部侧阻阻力先先于下下部侧侧阻力力的发发挥一般摩摩擦桩桩，侧侧阻力力先于于端阻阻力发发挥，，侧阻阻发挥挥的比比例明明显高高于端端阻对于长长桩，，即使使桩端端土很很好，，工作作荷载载下端端阻力力也很很难发发挥。。上部下部侧阻力端阻力端承桩桩：由于于桩底底位移移很小小，桩桩侧摩摩阻力力不易易得到到充分分发挥挥。对对于一一般端端承桩桩，桩底阻阻力占占桩支支承力力的绝绝大部部分，，桩侧侧摩阻阻力很很小常常忽略略不计计。但对对较长长的端端承桩桩且覆覆盖层层较厚厚时，，由于于桩身身的弹弹性压压缩较较大，，也足足以使使桩侧侧摩阻阻力得得以发发挥，，对于于这类类柱桩桩国内内已有有规范范建议议可予予以计计算桩摩擦桩：桩底土层支承反力发挥到极限值，则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，然后桩底阻力才逐渐发挥，直至达到极限值。对于桩长很大的摩擦桩，也因桩身压缩变形大，桩底反力尚未达到极限值，桩顶位移已超过使用要求所容许的范围，且传递到桩底的荷载也很微小，此时确定桩的承载力时桩底极限阻力不宜取值过大。三、桩桩侧摩摩阻力力及其其分布布单桩在在轴向向荷载载作用用下，，桩身身的截面位位移、桩侧的的摩阻阻力分布以以及轴力分布见见下图图。桩截面位移桩侧摩阻力OCDAB桩侧摩摩阻力力是桩桩截面面对桩桩周土土的相相对位位移的的函数数[qs=f(s)]，可用用下图图中的的曲线线OCD表示，，且常常简化化为折折线OAB。AB段表示示一旦旦桩土土界面面相对对滑移移超过过某一一极限限值，，侧摩摩阻力力将保保持极极限值值不变变。极限摩摩阻力力可用用类似似于土土的抗剪剪强度度的库库伦表表达式式：式中ca和a为桩侧侧表面面与土土之间间的附着力力和摩擦角角，x为深度度z处作用用于桩桩侧表表面的的法向向压力力，它它与桩桩侧土土的竖竖向有有效应应力成成正比比例，，即：：式中Ks为桩侧侧土的的侧压压力系系数，，对挤土桩桩，K0<Ks<Kp；对非挤土土桩，因桩桩孔中中土被被清除除，而而使Ka<Ks<K0。此处，，Ka、K0和Kp分别为为主动动、静静止和和被动动土压压力系系数。。挤土桩桩非挤土土桩采用上上述公公式计计算深深度z处的单单位侧侧阻时时，如如取则侧阻阻将随随深度度线性性增大大。然而砂砂土中中的模模型桩桩试验验表明明，当当桩入入土深深度达达到某某一临临界值值后，，侧阻阻就不不随深深度增增了，，这个个现象象称为为侧阻的的深度度效应应。临界深度qs

kPaz(m)qs

接近常数综上所所述，，桩侧侧极限限摩阻阻力与与许多多因素素有关关：超静孔孔隙水水压力力消散散,土的触触变性性摩阻力的时效性打入预制桩,挤土使qs增加(1)挤密(2)残余应力钻孔预制桩,使qs减少(1)泥皮(2)应力松弛(3)水泥浆渗入土中使表面粗糙，增加侧摩阻力施工因素qs随着深深度增增加,砂土中中存在在临界界深度度但是，，桩侧侧摩阻阻力达达到极极限值所所需的的桩土土滑移移极限限值则则与土的的类别别有关关、而而与桩桩径大大小无无关，，根据据试验验资料料约为为4~6mm（对粘性土土）或6~10mm（对砂类土土）。单桩受受荷过过程中中桩端端阻力力的发发挥不不仅滞后于桩侧侧阻力力，而而且其其充分分发挥挥所需需的桩底位位移值值比桩侧摩摩阻力力达到到极限限所需需的桩身截截面位位移值值大的的多。根据据小型型桩试试验所所得的的桩底底极限限位移移值，，对砂砂类土土约为为d/12~d/10，对粘性性土约约为d/10~d/4（d为桩径径）。。因此此，对对工作作状态态下的的单桩桩，其其桩端端阻力力的安安全储储备一一般大大于桩桩侧摩摩阻力力的安安全储储备。。四、桩端阻阻力单桩静载荷荷试验所得得的荷载—沉降（Q~s）关系曲线可大体分为为陡降型（A）和缓变型（B）两类形态。。单桩的荷载载—沉降曲线对桩底持力力层不坚实实、桩径不大、破破坏时桩端端刺入持力力层的桩，其其曲线多呈呈“急进破破坏”的陡陡降型，相相应于破坏坏时的特征征点明显，，据之可确确定单桩极极限承载力力。对桩底为非非密实砂类类土或粉土土、清孔不不净残留虚虚土、桩底底面积大、、桩底塑性性区随荷载增长长逐渐扩展展的桩，则则呈“渐进破破坏”的缓缓变型，其其曲线不具有表表示变形性性质突变的的明显特征征点，因而而较难确定定极限承载载力。为了了发挥这类类桩的潜力力，其极限限承载力宜宜按建筑物物所能承受受的最大沉沉降确定。。换句话说说，这类桩桩的承载力力极限状态态是受“不适于继续续承载的变变形”制约的。桩的端承力力(1)常作为基础础承载力问问题(太沙基解)很小(1)很难达到整整体破坏(2)端承力与深深度有关(3)存在临界深深度太沙基梅耶霍夫型桩的承载机机理(2)土的极限端端阻力影响响因素与土性有关关,存在临界深深度与施工方法法有关桩端充填粉粉土二单桩桩竖向承载载力的确定定1在荷载作用用下，桩在在地基土中中不丧失稳稳定性。2桩顶不产生生过大位移移3桩身不发生生材料破坏坏混凝土R=cfcAp钢筋混凝土土R=cfcAp+fyAg钢筋抗压强强度设计值值单桩承载力力确定二确定单单桩竖直向向承载力的的方法1静载荷试验验2其他现场试试验方法3经验方法：：静力触探探经验公式单桩承载力力确定1、静载试验验法获获得单桩承承载力最可可靠的方法法锚桩反力梁梁次梁锚筋锚桩主梁千斤顶百分表基准柱单桩承载力力确定锚桩反力梁梁法单桩承载力力确定单桩承载力力确定单桩承载力力确定锚桩桁架架法,2400吨Q(kN)s(mm)次梁锚筋锚桩主梁千斤顶百分表桩的荷载试试验成果－－荷载沉降降曲线单桩承载力力确定(2)载荷试验确确定极限承承载力Qu(各规范不同同)如果有陡降降点,取为Qu缓变曲线取取桩顶总沉沉降s=40mm对应荷载24h未稳定,Sn对应的荷载载◎确定平均值值(极限承载力力标准值)如离散太大大,增加试桩数数，具体确确定◎设计值R=Q(kN)s(mm)单桩承载力力确定二确定单单桩竖直向向承载力的的方法2其他现场试试验方法动测桩法桩端深层平平板载荷试试验离心模型试试验单桩承载力力确定动测桩法气缸堆载桩消音器力传感器Statnamic大应变动测测桩承载力力方法－加加拿大和荷荷兰单桩承载力力确定深层平板载载荷试验－－确定桩端端承载力千斤顶承载力特征征值：1比例界限2极限荷载之之半3s/d＝0.01~0.05对应荷载>0.8m刚性板直径径800mm单桩承载力力确定二确定单单桩竖直向向承载力的的方法3原位测试和和经验方法法：静力触探标准贯入试试验经验公式单桩承载力力确定(1)静力触探StaticConePenetration地基基础设设计为丙级级的建筑物物通过单桥探探头得到比比贯入阻力力ps单桩竖向承承载力特征征值为传感器电缆单桥探头qs桩周土承载载力标准值值qp桩端土承载载力标准值值Ap桩底横截面面面积up桩身周长li第i层土的厚度度单桩承载力力确定(2)经验公式法法根据相应的的地基规范范竖向承载力力小节承载机理确定方法单桩承载力力确定第三节桩桩的抗拔拔承载力与与负摩擦力力Pulloutstrengthandnegativeshaftfriction、单桩的抗抗拔承载力力抗浮桩，冻冻拔桩抗拔桩抗拔桩承载载力1.抗拔承载机机理特点抗拔时，桩桩周土的应应力状态、、应力路径径和土的变变形与承压压桩不同。。一般抗拔拔的摩阻力力小于抗压压的摩阻力力。抗拔桩承载载力2.单桩抗拔承承载力特征征值Ta1)现场抗拔静静载荷试验验－重要建建筑物2)公式－非重重要建筑物物第i层土抗拔折折减系数pi：砂土0.5-0.7,粉,粘土0.7-0.8抗拔桩承载载力单桩的抗拔拔承载力设设计值：抗拔桩承载载力1负摩擦的产产生(1)桩周附近地地面大面积积堆载(2)大面积降低低地下水位位(3)欠固结土,新填土(4)湿陷性黄土土遇水湿陷陷(5)砂土液化、、冻土融陷陷正摩阻负摩阻二桩的负负摩阻力桩相对土向向下土相对桩向向下2负摩擦力的的确定下部为岩石石的端承桩桩,可能全桩为为负阻力。。抗拔桩承载载力一．单桩桩轴向荷载载的传递1．桩身轴力力和截面位位移在轴向荷载载作用下，，桩身将发发生压缩变形；同时桩顶顶部分荷载载通过桩身身传递到桩桩底，致使使桩底土层层发生压缩变形，这两部分分压缩变形形之和构成成桩顶轴向位位移。由于桩与桩周土土体的紧密密接触，当当桩相对于于土向下位位移时，桩桩侧表面受受到土向上上的摩阻力。在桩顶荷载沿沿桩身向下传传递的过程中，，必须不断地地克服这种摩阻力，，故桩身截面面的轴向力随随深度逐渐减减小，传至桩桩底截面的轴轴向力为桩顶顶荷载减去全全部桩侧摩阻阻力，并与桩桩底支承反力力（即桩端阻力）大小相等、、方向相反。。桩通过桩侧阻阻力和桩端阻阻力将荷载传传递给土体，，即土对桩的的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。。由桩底土层的的压缩变形导导致的桩端位移移加大了由于于桩身的压缩变形引引起的桩身各各截面的位移移，并促使桩桩侧摩阻力进进一步发挥。。一般来说，，靠近桩身上上部土层的摩摩阻力先于下下部土层发挥挥出来，桩侧侧阻力先于桩桩端阻力发挥挥出来。单桩在轴向荷荷载作用下，，桩身的截面位移、桩侧的摩阻力力分布以及轴力分布见下图。。二、桩侧摩阻阻力和桩端阻阻力桩侧摩阻力是是桩截面对桩桩周土的相对位位移的函数[qs=f(s)]，可用下图中的的曲线OCD表示，且常简简化为折线OAB。AB段表示一旦桩桩土界面相对对滑移超过某某一极限值，，侧摩阻力将将保持极限值值不变。桩截面位移桩侧摩阻力OCDAB极限摩阻力可可用类似于土土的抗剪强度的的库伦表达式式：式中ca和a为桩侧表面与与土之间的附着力和摩擦角，x为深度z处作用于桩侧侧表面的法向向压力，它与与桩侧土的竖竖向有效应力力成正比例，，即：式中Ks为桩侧土的侧侧压力系数，对挤土桩，K0<Ks<Kp；对非挤土桩，因桩孔中土土被清除，而而使Ka<Ks<K0。此处，Ka、K0和Kp分别为主动、、静止和被动动土压力系数数。采用上述公式式计算深度z处的单位侧阻阻时，如取则侧阻将随深深度线性增大大。然而砂土中的模模型桩试验表表明，当桩入土深度度达到某一临临界值后，侧侧阻就不随深深度增加了，，这个现象称称为侧阻的深度效效应。综上所述，桩桩侧极限摩阻阻力与所在的的深度、土的的类别和性质质、成桩方法法等许多因素素有关。但是，桩侧摩摩阻力达到极极限值所需的桩桩土滑移极限限值则与土的类别有有关、而与桩桩径大小无关关，根据试验验资料约为4~6mm（对粘性土）或6~10mm（对砂类土）。单桩受荷过程程中桩端阻力力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，，而且其充分发发挥所需的桩底位移值比比桩侧摩阻力达达到极限所需需的桩身截面位移移值大的多。根据小型桩桩试验所得的的桩底极限位位移值，对砂砂类土约为d/12~d/10，对粘性土约为为d/10~d/4（d为桩径）。因因此，对工作作状态下的单单桩，其桩端端阻力的安全全储备一般大大于桩侧摩阻阻力的安全储储备。单桩静载荷试试验所得的荷载—沉降（Q~s）关系曲线可大体分为陡降型（A）和缓变型（B）两类形态。单桩的荷载—沉降曲线对桩底持力层层不坚实、桩桩径不大、破坏坏时桩端刺入入持力层的桩，其曲曲线多呈“急急进破坏”的的陡降型，相相应于破坏时时的特征点明明显，据之可可确定单桩极极限承载力。。对桩底为非密密实砂类土或或粉土、清孔孔不净残留虚虚土、桩底面面积大、桩底底塑性区随荷载增长逐逐渐扩展的桩桩，则呈“渐进破坏坏”的缓变型型，其曲线不具有表示示变形性质突突变的明显特特征点，因而而较难确定极极限承载力。。为了发挥这这类桩的潜力力，其极限承承载力宜按建建筑物所能承承受的最大沉沉降确定。换换句话说，这这类桩的承载载力极限状态态是受“不适于继续承承载的变形”制约的。第4节单桩竖竖向承载力的的确定定单桩极限承载载力Qu由总极限侧阻阻力Qsu和总极限端阻阻力Qpu组成，若忽略略二者间的相相互影响，可可表示为：式中li、Ui——桩周第i层土厚度和相相应的桩身周长；Ap——桩底面积；qsui、qpu——第i层土的极限侧侧阻力和持力层极限端阻阻力。Qu、qsui、qpu的确定通常采采用下列几种种方法：一、原型试验验法原型静载荷试试验是传统的也是最可靠的确定承载力力的方法。它它不仅可确定定桩的极限承载载力，而且通过埋埋设各类测试试元件可获得得桩身轴力、桩侧阻力、桩端阻力、荷载—沉降关系等诸多资资料。由于土体因打打桩扰动而降降低的强度有待待随时间而恢恢复，在桩身强度达达到设计要求求的前提下，，桩设置后开开始载荷试验验所需的间歇歇时间：对于于砂类土不得少于10天；粉土和粘性土土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。在同一条件下下，进行静载载荷试验的桩数数不宜少于总总桩数的1%，工程桩总桩桩数在50根以内时不应少于2根，其他情况不不应少于3根。关于单桩竖向向静载（抗压压）试验的方方法、终止加加载条件以及及单桩竖向承承载力标准值值的确定详见见《建筑桩基技术术规范》JGJ94—94。二、静力学计计算法根据桩侧阻力力、桩端阻力力的破坏机理，按按静力学原理理，分别对桩桩侧阻力和桩桩端阻力进行行计算。由于于计算模式、、强度参数实实际的某些差差异，计算结结果的可靠性性受到限制，，往往只用于于一般工程或或重要工程的的初步设计阶段段，或与其他方法综综合比较来确确定承载力。三、原位测试试法对地基土进行行原位测试，，利用桩的静载载荷试验与原原位测试参数数间的关系，，确定桩的侧侧阻力和端阻阻力。常用的的原位测试法法有静力触探法(CPT)、标准贯入试验验法(SPT)、旁压试验法(PMT)。第5节桩基础础设计和浅基基础一一样，，桩基基的设设计也也应符符合安全、合理和经济的要求求。对对桩和和承台台来说说，应应有足足够的的强度、刚度和耐久性性；对地地基来来说，，要有有足够够的承载力力和不产产生过过量的的变形。一、基基本设设计资资料设计桩桩基之之前必必须具具备各各种资料：：建筑筑物类类型及及其规规模、、岩土土工程程勘察察报告告、施施工机机具和和技术术条件件、环环境条条件及及当地地桩基基工程程经验验。勘勘察报报告应应符合合勘察察规范范的一一般规规定和和桩基基工程程的专专门勘勘察要要求。。二、桩桩型、、截面面和桩桩长的的选择择桩基设设计的的第一一步就就是根根据结构构类型型及层层数、、荷载载情况况、地地层条条件和和施工工能力力，选选择桩型（预制制桩或或灌注注桩））、桩的截截面尺尺寸和长度。确定桩桩长的的关键键，在在于选选择桩端持持力层层。坚实实土（（岩））层（（可用用触探探试验验或其其它指指标作作为坚坚实土土层的的鉴别别标准准）最最适宜宜作为为桩端端持力力层。。对于10层以下下的房房屋，，如在桩端端可达达的深深度内内无坚坚实土土层时，，也可可选择择中等等强度度的土土层作作为持持力层层。对于桩桩端进进入坚坚实土土层的的深度度和桩桩端下下坚实实土层层的厚厚度，，应该该有所所要求求。一一般可可以这这样考考虑：：1.对粘性土土、粉粉土进入的的深度度不宜宜小于于2倍桩径径，砂类土土不宜小小于1.5倍桩径径；2.对碎石类类土不宜小小于1倍桩径。3.桩端以以下坚坚实土土层的的厚度度，一一般不不宜小小于4倍桩径径。穿越越软弱弱土层层而支支撑在在倾斜斜岩层层面上上的桩桩，当当风化化层厚厚度小小于2倍桩径径时，，桩端端应进进入新新鲜或或微风风化基基岩。。端承承桩嵌嵌入微微风化化或中中等风风化岩岩体的的深度度不宜宜小于于0.5m，以确保保桩端端与岩岩体接接触。。嵌岩桩桩或端端承桩桩桩底底下3倍桩径范围内内应无无软弱弱夹层层、断断裂带、、洞穴穴、和和空隙隙的分分布。。在确定定桩长长之后后，施施工时时桩的的设置置深度度必须须满足足设计计要求求。如如果土土层比比较均均匀，，坚实实土层层层面面比较较平坦坦，那那么桩桩的实实际长长度常常与设设计桩桩长比比较接接近；；当场场地土土层复复杂，，或者者桩端端持力力层层层面起起伏不不平时时，桩桩的实实际长长度常常与设设计桩桩长不不一致致。打入桩桩的入入土深深度应应按所所设计的的桩端端标高高和最后贯贯入度度两方面面控制制。最最后贯贯入度度是指指打桩桩结束束以前前每次次锤击击的沉沉入量量，通通常以以最后后每阵阵（10击）的的平均均贯入入量表表示。。一般般要求求最后后二、、三阵阵的平平均贯贯入量量为10～30mm/阵（锤锤重、、桩长长者取取大值值，质质量为为7t以上的的单动动蒸汽汽锤、、柴油油锤可可增至至30～50mm/阵）；；振动动沉桩桩者，，可用用1min作为一一阵。。在确定定桩的的类型型和几几何尺尺寸后，，应初初步确确定承承台底底面标标高。一一般情情况下下，主主要从从结构要要求和方便施施工的角度度来选选择承台深深度。季节节性冻冻土上上的承承台埋埋深，，应根根据地地基土土的冻冻胀性性考虑虑，并并应考考虑是是否需需要采采取相相应的的防冻冻害措措施。。膨胀胀土的的承台台，其其埋深深选择择与此此类似似。三、桩桩的根根数和和布置置1.桩的根根数初步估估计桩桩数时时，先先不考考虑群群桩效效应，，在确确定了了单桩承承载力力设计计值R后，可可对桩桩数进进行估估算。。当桩桩基为为轴心心受压压时，，桩数数n应满足足下式式要求求：式中F—作用在在承台台上的的