桥梁基础工程-桩基础

桥梁基础工程-桩基础第一页，共79页。3.1概述优点：承载力高，沉降小，稳定性好。不需大范围的开挖，减少了支护、降水工作。3.1.1桩基础及其应用缺点：施工较为复杂，造价较高。组成：桩群和承台。适用范围：（1）荷载大，软弱土层厚时。（2）河床冲刷较大时。（3）对地基沉降及不均匀沉降控制有较高要求时。（4）水平荷载较大时。（5）河水位较高时。（6）地震区需抗砂土液化时。第二页，共79页。3.1.2桩和桩基的分类钢管桩H型钢桩木桩基础1.桩的分类材料钢桩基础材料类型木桩混凝土桩钢筋混凝土桩钢桩（已少用）（较少）（主力）（价高）1.桩的分类第三页，共79页。优点：桩身质量容易保证；水上施工方便；施工工效高。缺点：单价较灌注桩高；锤击、振动法下沉时噪音大；属挤土桩，易导致地面的隆起；桩接头是薄弱环节；不易穿透坚硬地层。优点：适用于各种地层；可采用大直径，以获得高承载力；与预制桩相比，钢筋用量较少，更为经济。（1）预制桩缺点：桩身质量不易保证；孔底沉积物不易清净（挖孔桩除外），影响承载力；一般不宜用于水下施工。（2）灌注桩施工方法：打入、振入、压入等。施工方法（钢筋混凝土桩）施工方法：钻孔、冲孔、沉管成孔、人工挖孔等。（3）管柱基础施工方法：先下沉预制钢筋混凝土管，内部钻挖后，再填钢筋混凝土。特点：承载力高，适合于深水施工。第四页，共79页。打入桩（房建）第五页，共79页。钻孔桩第六页，共79页。冲孔桩第七页，共79页。直桩和斜桩斜桩：可抵抗较大的水平荷载。桩的设置效应挤土桩非挤土桩部分挤土桩根据对周围土的扰动程度实心预制桩、下端封闭的管桩等冲孔灌注桩、钢桩等钻（挖）孔灌注桩等扰动后的土影响桩的承载力及沉降。直桩斜桩第八页，共79页。按（轴向）承载性状的分类（1）桩的轴向受力特征轴向荷载=侧阻力+端阻力极限荷载=极限侧阻力+极限端阻力主要取决于桩侧与桩底以下土（岩）层的性质的刚度、强度以及桩所受荷载的大小。（2）桩侧、桩端阻力的分担比例（3）《铁路桥基规范》(规范中没有?)摩擦桩：在承载力极限状态下，轴向荷载由侧阻和端阻承担。轴向荷载几乎完全由侧阻承担时，称为纯摩擦桩。柱桩：在承载力极限状态下，轴向荷载几乎全由桩端阻力承担。第九页，共79页。

端承型桩：在承载力极限状态下，轴向荷载主要由桩端阻力承担。全部由端阻承担时，称为端承桩；桩侧承担少部分时，为摩擦端承桩。

摩擦型桩：在承载力极限状态下，轴向荷载主要由桩侧阻力承担。全部由侧阻承担时，称为摩擦桩；桩底承担少部分时，为端承摩擦桩。（5）《建筑桩基技术规范》（4）《公路桥基规范》

端承桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩端阻力承担。

摩擦桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩侧阻力承担。

端承型桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩端阻力承担。

摩擦型桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩侧阻力承担。（6）《建筑地基基础规范》第十页，共79页。低承台桩基：承台底面低于地面或局部冲刷线的桩基础。低承台高承台桩基：承台底面高于地面或局部冲刷线的桩基础。高承台2.桩基础的分类第十一页，共79页。3.2桩基设计计算的主要内容1.设计内容桩的类型（施工方法）承台底面的标高桩截面形状及尺寸、桩长桩的根数及平面布置方式桩的材料类型桩及承台的配筋2.验算内容单桩轴向承载力（岩土阻力）桩基础的承载力桩基础的沉降墩台顶的水平位移桩身材料强度承台强度第十二页，共79页。3.3单桩轴向容许承载力3.3.1轴向荷载传递的方式和特点通过建立微单元平衡方程（竖向）1.轴向荷载和侧摩阻力得到侧摩阻力与轴力的关系第十三页，共79页。侧摩阻力的直接量测很困难，应用上式，可通过量测轴力得到摩阻力的分布形式。轴力摩阻力2.桩身沉降确定桩顶沉降桩身沉降桩身压缩量第十四页，共79页。振弦式应变计第十五页，共79页。3.荷载传递的一般规律

（1）加载过程中，侧阻发挥先于端阻，并先于端阻达到极限。

（2）与桩土间的相对位移有关。通常，端阻达到极限状态所需的位移高于侧阻所需位移。（3）与桩的长径比及桩端土（岩）与桩侧土的相对刚度等有关。长径比越大，端阻力越小。端/侧相对刚度越大，端阻力越大。侧阻-荷载关系端阻-荷载关系深度第十六页，共79页。4.桩侧负摩阻力条件：桩周土的下沉量大于桩的下沉量。危害：降低桩的承载力，增大位移。负摩擦力：与轴向压力方向相同的侧摩阻力。摩阻力沉降轴力中性点持力层土类黏性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩ln/l00.5～0.60.7～0.80.91.0中性点的位置第十七页，共79页。（1）大范围降水。

产生负摩阻力的原因（2）桩侧地面大范围堆载。（3）欠固结土或新填土。（4）湿陷性黄土湿陷。（5）冻土融陷。（软土或中等强度粘性土）（砂土）

总的负摩擦力

减小负摩擦力的措施（1）改善土层性质，降低其沉降。（2）桩－土隔离。（1）（2）

负摩阻力的确定（经验公式）桩周土摩擦力系数标准贯入数侧压力系数桩的周长第十八页，共79页。3.3.2单桩的破坏模式压屈破坏整体剪切破坏刺入破坏小直径柱桩、嵌岩桩、超长桩打入式短桩、钻孔短桩钻孔灌注桩第十九页，共79页。柱桩摩擦桩静（动）载试验理论公式经验公式3.3.3

单桩竖向承载力确定单桩承载力轴向横向受压（抗压）受拉（抗拔）单桩抗压承载力材料强度岩土的支承力第二十页，共79页。1.按静载试验确定抗压承载力试验装备反力系统：锚桩（或堆重）、主梁等加载：千斤顶、油压表沉降量测：百分表、基准梁等试验方法慢速维持荷载法（1）试验装置及方法第二十一页，共79页。单桩静载试验（堆载）第二十二页，共79页。千斤顶主梁次梁支墩试桩锚桩锚索单桩静载试验（锚桩）第二十三页，共79页。千斤顶试桩（帽）基准梁百分表第二十四页，共79页。陡变型：曲线明显发生下降的起始点。缓变型：取s=40或0.05D(大直径桩，桩端直径）所对应的荷载。

P-s曲线法确定极限荷载陡变型缓变型（2）确定单桩承载力《铁路基桩检测技术规程》（TB10218-2008）方法P-s曲线s-logt曲线第二十五页，共79页。

（1）所有试桩的极差不超过平均值的30％时，取平均值为单桩竖向抗压极限承载力。

（2）极差超过平均值的30％，应分析极差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时增加试桩数量；（3）对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3根时，应取低值。

极限承载力

容许承载力极限承载力平均值安全系数第二十六页，共79页。2.按经验法确定抗压承载力《铁路桥基》打入、振动下沉、桩尖爆扩桩钻（挖）孔灌注桩（1）摩擦桩振动沉桩对端阻的影响系数桩端极限承载力爆扩桩端阻修正系数极限侧阻力振动沉桩对侧阻的影响系数安全系数安全系数桩身周长承台底面或局部冲刷线以下各土层厚度桩底支撑力折减系数桩底面积桩底土容许承载力，按桩底埋深修正极限侧阻力第二十七页，共79页。（2）柱桩桩底面积单轴抗压强度修正系数支承于岩石上的打入、震动下沉桩（包括管柱）支承于岩石层上与嵌人岩石层内的钻(挖)孔灌注桩及管桩桩或管柱的周长岩石及清底情况系数嵌岩深度岩石及清底情况系数第二十八页，共79页。2.抗拔承载力的确定（1）单桩抗拔试验承受较大的水平荷载的桩基、抗浮桩、锚桩等。桩承受竖向拉拔荷载的能力。主要针对：（2）《桥规》公式轴向受拉容许承载力符号意义同前第二十九页，共79页。3.3.4单桩轴向容许承载力检算

摩擦桩轴向压力桩的自重被置换的土重承载力计算值

柱桩

受拉桩主+附（特）时主力时主力+附加力作用时，[P]可提高20%;主力+特殊荷载（除地震力外）时柱桩可提高40%，摩擦桩20%~40%。

第三十页，共79页。3.3.5按桩身强度确定抗压容许承载力通常，摩擦桩的承载力主要取决于土（岩）的阻力，柱桩则主要取决于桩身的强度。（1）

按轴心受压构件计算普通箍筋螺旋式或焊接环式间接钢筋结构重要性系数轴向力组合设计值轴压杆件稳定系数混凝土抗压强度桩的截面积钢筋抗压强度纵筋截面积（2）

按偏心受压构件计算（见“结构设计原理”课程）第三十一页，共79页。3.4单桩横向承载力工作特点（1）竖直单桩的水平承载力远小于竖向承载力。（2）单桩水平承载力的大小主要取决于桩身的强度、刚度、桩周土的性质、桩的入土深度及桩顶约束条件等。3.4.1工作特点及破坏模式

2种破坏模式（1）桩侧土体失稳破坏。桩的相对刚度（与周围土相比）较大时（2）桩身材料破坏。桩的相对刚度较小时要求（1）桩侧土体不破坏，桩身不断裂。（2）桩顶水平位移及转角不超过容许值。第三十二页，共79页。3.4.2单桩水平静载试验1.试验装置2.试验加载方法3.终止加载条件单向多循环加卸载法慢速连续加载法（长期承受水平荷载时）（与桥梁桩基水平荷载作用特点相符）或：（1）桩身折断；（2）水平位移达到30~40mm或设计容许值。4.水平承载力的确定临界荷载Hcr：桩身开裂、受拉区混凝土退出工作时的桩顶水平力。极限荷载Hu：桩身应力达到极限强度时的桩顶水平力。水平承载力特征值桩身强度控制时，取临界荷载。位移控制时，取设计要求位移对应的荷载。长期水平荷载作用且控制开裂时，取0.8倍临界荷载。第三十三页，共79页。临界荷载极限荷载H0tx0H0x0/H0H0σg第三十四页，共79页。单桩水平荷载试验试桩（帽）千斤顶反力梁反力桩第三十五页，共79页。3.5横向荷载作用下单桩内力和位移计算作用土的横向地基系数计算宽度是计算桩基础的水平位移、内力、桩侧土体横向抗力的基础。3.5.1桩侧土的横向抗力横向抗力：基础在外力作用下发生侧移挤压土体时，侧面土体对基础的抗力。（1）概念（2）计算公式假设：横向抗力的大小与桩的水平位移成正比。kN/m3横向位移深度或第三十六页，共79页。（3）计算宽度b0桩侧横向抗力的分布宽度大于实际宽度b，为b0。单桩（包括其他形式的基础）时根据基础截面（侧面）形状查表确定。多排桩时考虑桩之间的相互影响，通过系数k确定。两桩之间的净间距与桩数有关的系数计算深度计算深度h0桩（其他形式的基础）局部冲刷线以下的计算深度。且不大于入土全长h。第三十七页，共79页。（4）

横向地基系数常数法k法m法c法（5）

比例系数m“m法”我国铁路、公路、建筑规范中采用的方法。多层土时的m（对所围面积的加权平均）计算深度hm：刚性桩，hm=h；弹性桩，hm=2（d+1）多层土时m的计算图式第三十八页，共79页。1.单桩的挠曲方程（m法）方程3.5.2横向荷载作用下单桩的内力及位移计算（转角：逆时针方向为正）第三十九页，共79页。刚性桩弹性桩桩的抗弯刚度，通常取为0.8EhI，Eh为混凝土的抗压弹性模量（单位：m-1）横向变形系数解答l所反映的是桩-土之间的相对刚度水平位移转角弯矩剪力横向抗力y的函数桩顶水平位移、转角、弯矩、横向荷载第四十页，共79页。2.桩顶横向位移X0和转角0的确定根据桩底边界条件确定。（1）桩底支承于土层或岩面时竖向地基系数桩底截面的惯性矩弯矩正向与转角正向相反桩底截面桩底边界条件1：桩底边界条件2：将y=l代入y、My、Qy的计算公式，并应用上述边界条件，可得到第四十一页，共79页。MMMQMMQMMQaEIMEIaQddddj000200-=+=-柔度系数柔度系数AB：桩顶B方向作用单位荷载时，在A方向产生的位移。弯矩：顺时针方向为正。转角：逆时针方向为正。第四十二页，共79页。柔度系数计算公式桩底端支承于一般土层且l≥2.5时桩底端支承于岩面且l≥3.5时可近似地取Kh=02）下标l表示A、B、C、D取y=l时的值。1）式中A、B、C、D是αy的函数。3）说明：第四十三页，共79页。（2）桩下端嵌固于岩层内时（3）当l≥4.0时，桩底约束（边界条件）对桩受力变形的影响可以忽略。第四十四页，共79页。（4）桩身内力及位移的简捷算法MMyBMAaQM00+=将X0

、0的表达式直接代入桩的变形及内力计算公式，可得到式中的A、B是αy、αl、Kh的函数，当查表计算时，为便于制表，需忽略Kh的影响，为此应满足：1）桩底端支承于一般土层时，l≥2.5；2）桩底端支承于岩面时，l≥3.5。（桩侧土横向抗力）第四十五页，共79页。3.5.3高承台桩的变形及内力计算桩顶荷载桩顶的位移及转角地上段按悬臂梁计算，由外荷载产生的桩顶位移和转角地面处荷载将X0

、0的表达式代入及可得第四十六页，共79页。桩顶柔度系数3.5.4刚性桩的简化计算方法（下章介绍）第四十七页，共79页。3.6多排桩桩基的平面分析3.6.1单桩刚度系数

桩顶位移(B)轴向位移横向位移截面转角

桩顶作用力(A)轴力N剪力Q弯矩M

单桩刚度系数ρAB：桩顶（地面处）B方向且仅在该方向产生单位位移时，在该处A方向引起的力。

ρAB转角和弯矩逆时针旋转为正。第四十八页，共79页。1.单桩刚度系数1计算

桩顶沉降＝桩身压缩量（弹性）＋桩底土层压缩量

柱桩：侧摩阻力f(z)为0。

摩擦型钻、挖孔灌注桩：f(z)均匀分布且端阻为0。

摩擦型预制桩：f(z)

正三角形分布且端阻为0。桩身压缩量计算

计算时假设：侧摩阻力积分后，得

柱桩：1.0

摩擦型钻、挖孔灌注桩：0.5

摩擦型预制桩：2/31：承台沿桩的轴线方向产生单位位移时所引起的顶面处的轴力。第四十九页，共79页。桩底土层压缩量桩的沉降刚度系数1竖向地基系数（取l10m）第五十页，共79页。取l10m2.刚度系数2、3、42：承台沿桩的横向产生单位位移（且无转角）时在顶面处引起的剪力。3承台沿桩的横向产生单位位移（且无转角）时在顶面处引起的弯矩。承台产生单位转角（且无横向位移）时在顶面处引起的剪力。4：承台产生单位转角（且无横向位移）时在顶面处引起的弯矩。转角及弯矩的方向规定

以逆时针方向为正。因为当桩顶发生单位位移时，所引起的弯矩（3）是逆时针的，同样，桩顶逆时针方向产生单位转角时，引起正向的横向力（3）。即逆时针规定可保证3始终为正。

定义第五十一页，共79页。计算公式由解得根据定义，刚度系数为第五十二页，共79页。最终，刚度系数可表达为其中第五十三页，共79页。3.6.2高承台桩基的平面分析（1）桩基础具有一个竖向方向的结构对称平面。作为平面问题计算的条件（2）外荷载可简化为作用在该平面内的力。

承台位移及桩顶位移承台水平a竖向b转角桩顶轴向转角横向（顺时针为正）（i逆时针为正）1.桩为竖直桩时第五十四页，共79页。yx1122333344xi1xib=1a=1=1yxyx（由于对称性）承台的刚度系数每一排的桩数承台平衡方程（位移法)第五十五页，共79页。承台的位移桩顶的作用力（逆时针为正）方程求解后得到第五十六页，共79页。3.6.4低承台桩基承台的平衡方程承台侧面土体产生的水平抗力承台侧面土体产生的抵抗弯矩只考虑承台侧面土的抗力，不考虑承台底面土的作用。第五十七页，共79页。求解方程承台的计算宽度桩侧土抗力的计算承台侧土的水平地基系数水平力弯矩承台y处的水平位移第五十八页，共79页。3.6.5低承台桩基桩顶作用力的简化计算方法1.假设时，假设：（1）水平荷载由承台侧土承担；（2）忽略水平位移和转角的影响。此时有当水平荷载较小，埋深较大，即gjBHh)245tan(-°³本式主要在基桩竖向承载力验算时使用。群桩基础中的一根桩第五十九页，共79页。3.7.1群桩的工作特点3.7群桩基础的承载力和沉降检算结论1.柱桩基础（1）

群桩基础承载力为各单桩承载力之和。（2）

群桩基础的沉降与各单桩沉降量相等。桩底压应力不叠加。特点（1）桩底压应力的叠加效应2.摩擦桩群桩基础桩间距较大（sa>6d）时，应力不叠加；较小（sa>6d）时叠加。（2）群桩影响桩间土性质间距较大时单桩间距较小时第六十页，共79页。3.7.2

群桩基础竖向承载力验算将群桩基础视为实体基础进行验算。作用在桩基底面的竖向力对承台底面桩基重心的弯矩桩底处的地基承载力（按浅基计算）实体基础底面的面积、截面模量

《铁路桥规》计算公式的计算公式（所穿土层厚度的加权平均值）有软弱下卧层时软弱下卧层的验算方法同浅基础。3.7.3

群桩基础沉降验算承载力验算沉降验算（1）

采用恒载。（2）

按作为实体基础按浅埋基础的方法计算。第六十一页，共79页。3.8板式承台的设计承台类型板式承台（常用）沉井式承台要求强度刚度沉井式承台构造要求（1）承台厚度不小于1.5m。（2）承台上、下面布置钢筋。板内钢筋布置桩-板联结方式预制桩管柱桩（3）桩进入承台足够深度。（4）外排桩与承台边缘的净距满足要求。桩的平面布置方式及桩间距要求布桩方式行列式梅花式第六十二页，共79页。桥梁承台第六十三页，共79页。3.2桩基础设计计算设计资料的综合分析研究确定桩基础持力层的几种方案验算群桩基础承载力和必要时验算群桩基础沉降验算单桩承载力桩顶作用力计算，地面处位移x0验算，桩身内力计算确定桩数和平面布置计算和确定参数确定桩基础形式及承台尺寸、标高和计算承台底面作用力确定单桩容许承载力桩身强度设计（配筋）确定基桩类型的几种方案和桩的尺寸、构造及施工工艺几种方案的技术经济比较，能否作出最优选择验算承台强度必要的调整，绘制施工图验算桩身强度、稳定性、裂缝宽度、及桩顶或墩台顶水平位移ftftftftftft3.2.1设计流程3.2.2方案设计1.桩的类型选择材料钢桩混凝土桩施工方法预制现场灌注承载特性摩擦桩柱桩岩层埋深土层情况施工技术单桩承载力原则同一基础中，桩型及承载特性相同，桩径相等，桩长之差尽可能小。第六十四页，共79页。2.板式承台底面标高的确定（1）低承台桩基的承载力通常高于高承台桩基。（2）在水中，高承台桩基的施工较低承台桩基方便。（3）承台底面标高的确定应考虑冲刷、水位、通航、流冰等因素的影响。（4）水位较高、冲刷较深时可采用高承台，甚至底面置于施工水位之上（无航船、流冰影响时）。（5）陆地、季节性河流、冲刷深度较小时，可采用低承台。（冻土中应考虑冻胀影响。）3.桩径及桩长的拟定土（岩）层情况施工技术及水平对单桩承载力的要求第六十五页，共79页。4.桩数及其平面布置（1）根数竖向荷载单桩承载力经验系数（2）桩间距（桩的中心距）1）桩间过大时，承台所需的尺寸过大，造价提高。2）桩间过小时，桩-桩相互影响影响，承载力不能充分发挥。施工困难。3）合理的桩间距取决于桩径、施工方法、承载特性等因素。（3）平面布置方式布桩方式行列式：施工方便。梅花式：布置方式紧凑。行列式梅花式此外，还应使群桩的重心尽可能与合力作用点接近。第六十六页，共79页。3.2.3设计荷载的确定主力组合主力+附加力主力+特殊荷载荷载组合（仅考虑分别与一个方向即顺桥或横桥的附加力的组合）3.2.4桩基础的承载力及沉降验算3.2.5基桩的位移、内力计算及设计（1）计算外荷载作用下，各基桩顶部的位移及内力。（2）计算基桩各截面的位移及内力。（3）根据内力计算结果配筋（钢筋混凝土桩）。3.2.6承台设计确定承台尺寸并配筋。第六十七页，共79页。3.9桩基础施工3.9.1施工前的调查和准备1.施工前的调查地质勘察施工场地情况桩基设计情况2.编制施工组织设计施工方法施工机械设备设备和材料供应计划沉桩方法各种