桩基础的基础知识课件.ppt

.,1,4.桩基工程,直接试验法规范法半经验法近似理论法,4.1 桩的定义与分类,4.2 桩的设计原则,4.3 单桩竖向抗压承载力,4.4 桩基负摩阻力,4.5 桩基抗拔承载力,4.7 基桩水平承载力,4.6基桩内部稳定承载力验算,4.8桩基内力和位移计算,.,2,桩是深入土层的柱型受力构件，有桩顶、桩身、桩端（尖）三部份组成。 桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。,其作用是将上部结构的荷载，通过较软弱的土层或水传递到深部较坚硬的、压缩性较小的土层或岩层中。 在一般基础工程中，桩主要承受竖向（轴向垂直）荷载，在桥梁、高耸塔型建筑、支档建筑以及抗地震等工程中，桩还承受来自侧向的风力、波浪力、土压力和地震力等水平荷载。桩通过桩周土阻力或桩端土阻力来支承轴向荷载，依靠桩周土层的侧向阻力抵抗水平荷载。,.,3,适用条件,第一、荷载较大地某广部亡层软弱，适宜的地基持力层位置较深，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时； 第二、河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易计算正确，如采用浅基础施工困难或不能保正基础安全时； 第三、当地基计算沉降过大或结构物对不均匀沉降敏感时，采用桩基础穿过松软(高比缩性)土层将荷载传到较坚硬低压缩性)土层，减少结构物沉降并使沉降较均匀 第四、当施工水位或地下水位较高时，采用桩基础可减小施工困难和避免水下施工 第五、地震区，在可液比地基中，采用桩基础可增加结构物的抗震能力，桩基础穿越可液化土层并伸入下部密实稳定土层，可消除或减轻地层对结构物的危害。,.,4,以上情况也可以来用其他型大的深基础，但桩基础由于耗用材料少、施工快速简便，往往是优先考虑的深基础方案。,.,5,设置方向周围介质结构特性,定义,4.1桩的定义与分类,垂直或微斜埋置于土岩中的受力杆件,荷载传递至桩周和桩端深层土岩主要承受垂直荷载也可以承受水平荷载,作用,基本要素,.,6,桩的分类,桩基分类,桩和桩基的分类,单桩基础,群桩基础,承载性状,施工方法,设置效应,使用功能,.,7,桩基础分类桩数n,单桩基础,群桩基础,单根桩形式承受或传递上部荷载独立基础,2根或以上多根桩群和上部承台组合形式承受或传递上部荷载的基础,群桩基础中一根桩称为基桩,.,8,桩基础分类承台,承台与地面相对位置,承台类型,高承台桩基,低承台桩基,.,9,基桩分类使用功能,竖向抗压桩,竖向抗拔桩,水平受荷桩,复合受荷桩,.,10,基桩分类承载性能,摩擦型桩,端承型桩,摩擦桩,端承摩擦桩,端承桩,摩擦端承桩,.,11,基桩分类施工方法,预制桩,灌注桩,木桩,钢筋混凝土桩,基桩分类材料,钢桩,组合桩,.,12,基桩分类设置效应,挤土桩,小桩 d250mm普通桩 250d800mm大直径桩 d800mm,基桩分类桩径、桩长,部分挤土桩,非挤土桩,深长桩：桩长40m 相对桩长30超常桩：桩长50m 相对桩长40,.,13,施工 预制桩,.,14,.,15,灌注桩,.,16,.,17,.,18,.,19,.,20,挖孔灌注桩,.,21,沉管灌注桩,.,22,.,23,水中施工,.,24,.,25,.,26,桩基全面质量控制,桩的几何受力条件检验 平面布置、桩身倾斜度、桩顶和桩底标高桩身质量的检验 桩的尺寸、构造及其完整性进行检测，验证桩的制作或成桩的质量桩身强度与单桩承载力检验 桩身材料抗压强度 单桩承载力的检测，在施工过程中，对干打入桩惯用最终贯入度和桩底标高进行控制，而钻孔灌注桩还缺少在施工过程中监测承载力的直接手段。成桩可做单桩承载力的检验常采用单桩静载试验或高应变动力试验确定单桩承载力,.,27,4.2桩的设计原则,桩基达到建筑物正常使用变形限制或耐久性能的某项限值。,桩基极限状态分类,承载能力极限状态ULTUltimate Limit State）,桩基达到最大承载能力，或不适用继续承载的变形或变位。,正常使用极限状态SLSServiceability Limit State,.,28,建筑桩基技术规范（JGJ94-94）根据桩基损坏时造成建筑物的破坏后果（危及人的生命，造成经济损失、产生社会影响）的严重性，将建筑桩基安全等级分为三类,.,29,根据建筑结构设计统一标准的规定，一级建筑物是指：（1）十四层以上体型复杂的建筑及二十层以上的高层建筑 ；（2）对地基变形有特殊要求的重要工业建筑物；（3）单桩荷载在4000kN以上的建筑物。所谓体型复杂的建筑物是指平面上有L形、Y形、T形、弧形以及不同线条或形状组合而成的平面。所谓地基变形有特殊要求的重要工业建筑，主要指那些有高压管道或易燃气体、液体管道设施的化工、炼油厂中的高压、易爆、易燃管道相联的装置，其基础的绝对沉降和差异沉降限制都很严格，否则会导致接头受损，引起泄气、漏气后的燃烧、爆炸。大直径单桩荷载在4000kN以上的建筑系指一柱一桩、一柱二桩或三桩结构体系。这种建筑上部结构多属大跨度框架结构，对沉降敏感性极高，桩间差异沉降不应超过20/00。,.,30,承载力极限状态计算,桩基计算与验算,变形验算,抗裂或裂缝宽度验算,桩基承载力软弱下卧层整体稳定性抗震桩基础结构承载力,沉降水平位移,桩身承台,.,31,单桩竖向抗压承载力单桩竖向抗拉承载力单桩水平向承载能力,桩的承载性能,种类,.,32,所谓单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载作用下，到达桩基破坏状态前或出现不适应于继续承载的变形时所对应的最大荷载。它取决于土对桩的支承阻力和桩身结构强度，在多数情况下由土对桩的支承阻力起控制作用。所谓单桩竖向承载力特征值是指正常使用极限状态计算时采用的单桩承载力值，其函义即在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。其值相当于单桩竖向极限承载力值的一半。群桩中作用于单桩桩顶的竖向荷载采用正常使用极限状态标准组合下的竖向力，承台与承台上土自重采用标准值。其意义在于以荷载标准组合值确定桩数，与天然地基确定基础尺寸的原则相一致。所谓单桩竖向极限承载力标准值指建筑场地检测桩单桩竖向极限承载力的统计值，取其值的一半即为单桩竖向承载力特征值。,.,33,桩的内部强度稳定准则桩的外部强度稳定准则桩的功能性稳定准则,单桩竖向抗压承载力,分析确定基本原则,确定方法,直接试验确定打桩公式静力计算公式,.,34,桩的荷载传递,.,35,桩侧摩阻力,桩端承载力,粘性土：Ssu=46mm砂性土：Ssu=610mm,砂性土：Sbu=d/12d/10mm粘性土：Sbu=d/10d/4mm,.,36,相对桩长L/D愈大，桩端阻力和桩侧下端摩阻力发挥愈低。,相对桩长L/D愈小，桩土相对刚度Rps=Ep/Es愈高，桩端阻力发挥愈高；,相对桩长L/D愈小，端侧土相对刚度Rbs=Eb/Es愈高，桩端阻力发挥愈高；,荷载传递机理,.,37,4.3单桩竖向抗压承载力,一、直接试验法,四、近似理论法,三、半经验法,二、规范法,五、群桩分析,.,38,静载荷试验(Static Loading Test )高应变试验（G. G. Goble et. al., 1975）自平衡法（Osterberg Cell，Osterberg, 1989）动静试桩法（Statnamic Loading Device）,直接试验法种类,一、直接试验法,.,39,静载荷试验,单桩极限承载力的静载荷试验占主导地位，直接应用于工程设计。同时，得到单桩沉降与荷载关系曲线。 其它直接试验方法，各有特点，可作为静载荷试验的补偿，特定条件下有重要意义。,意义,.,40,高应变，以一维杆件中应力波传递原理为基础，方法简单，价格低廉，宜于高比例检测，结果代表性良好，但精度相对较低。 自平衡，预先埋置Osterberg荷载箱，以桩身摩阻力为反力，可避免反力平衡装置，特定场合，是一相对可靠的单桩承载力直接试验方法。 动静试桩，理论基础是牛顿运动定律，兼有静载荷试验和高应变测试两方面特点，可显著降低反力配重，简单快捷；精度良好。,特点,.,41,Osterberg Cell,.,42,二、建筑桩基规范规范法,嵌岩桩,LDBPs,一般桩,.,43,三、半经验法,直接物理模拟的方法直接数学回归或经验公式的方法间接数学回归的方法,基本原理,基本指标,室内试验指标原位测试指标,基本依据,土的分类基桩类型施工工艺,.,44,桩基工程中，原位测试技术确定桩基设计参数方法大多属于半经验法的范畴。,半经验法原位测试法,反映土原位结构特征有独到之处CPT应用排土桩物理模拟排土桩力学特征以直接数学回归方法最普遍,静力触探试验（CPT）标准贯入试验（SPT）旁压仪试验（PMT）,主要方法,特点,.,45,一般表达式,.,46,CPT确定单桩极限承载力,Vesic(1967)根据双桥的静力触探结果，基于直接物理模拟法，提出了,Meyerhof基于直接数学回归方法，采用锥尖阻力qc确定桩侧摩阻力fs,Lehane（2000）CPT- qc考虑粘土灵敏度、相对长度。,.,47,CPT在比利时、荷兰、法国、意大利和波兰等国家广泛采用。我国针对预制桩，提出类似方法。其中，比利时的NAD、法国的Fascicule 62-V和我国的建筑桩规（JGJ 94-94）中，b和s的取值参见表。,The empirical coefficients of b、s,.,48,意大利人Viggiani(1993)对SPT-N应用于非粘性土中排土桩进行研究; Wright & Reese(1979)和Reese & ONeill(1988)针对非粘性土中LDBPs，提出SPT-N确定其单桩极限承载力的方法。,SPT确定单桩极限承载力,Meyerhof(1956)针对饱和砂土中排土桩，提出,砂土,.,49,Bromham(1971)采用SPT-N应用于硬粘土中桩侧极限摩阻力， Kuwabara, 1998；Balakrishnan，1999也得到类似成果，一般采用表达式,The empirical coefficients of b、s,砂土,.,50,桩外部强度稳定准则,近似理论方法（semi-theoretical methods）半经验方法（semi-empirical methods）,四、近似理论法,静力计算法概念,.,51,桩侧极限摩阻力计算类似于直剪试验中土的库仑准则 桩端极限端载力的计算则类似于地基承载力极限平衡理论,近似理论基本原理,近似理论基本方法,不排水近似理论法，适用饱和粘性土，基于短期（short-term）条件，采用不排水强度指标和总应力法； 排水近似理论法，适用砂性土，基于长期（long-term）条件，采用有效强度指标和有效应力法。,.,52,简单，但精度和理论合理性存在质疑。有学者提出了相悖观点： Burland（1973）针对较硬的水下粘性土，提出了粘性土中桩土接触面排水条件占优， Findlay el at, 1997，英国等国家，在桩基规范中推荐排水近似理论法。,特点,不排水近似理论法,排水的近似理论法,概念清楚，理论相对合理。但是，有效强度指标获得困难。同时，桩周介质为砂性土时，由于弓架作用，一定深度后，桩侧法向应力与深度无关。,.,53,单桩竖向抗压承载力静力计算方法,核心,.,54,静力计算方法不排水法,.,55,静力计算方法排水法,.,56,静力计算方法桩侧极限摩阻力fs,“法”不排水“法”排水“法”界于之间,计算方法,分别适用于粘性土砂性土不同桩型,.,57,粘性土中桩侧极限摩阻力“法”,为附着因素（Adhesoin Factor），一般=0.350.8，且粘性土fs 80kPa。Tomlinson根据桩周土的不排水强度，提出一计算经验公式,.,58,式中 为桩周粘性土层历史上最小固结应力，且忽略现在粘土层上任何材料的重量； 为桩周粘性土的有效残余强度，且一般可取=0.8，且0.7。,粘性土中桩侧极限摩阻力“法”,英国人Burland and Twine（ 1988）针对伦敦的粘性土，即提基于经验的有效应力法,.,59,Vijaywergiya针对粘性土中开口钢管桩，桩端承载力可忽略，提出一种单桩极限承载力由桩身与桩周介质边界上极限摩阻力确定的方法 式中 桩长深度范围内，平均有效垂直应力，kPa； 桩长深度范围内，平均不排水强度，kPa；,粘性土中桩侧极限摩阻力“法”,.,60,非粘性土中桩侧极限摩阻力“法”,侧压力系数k取值，存在较大差异，例如意大利国家规范(Alessandro Mandolini, 1997)中，k=0.40.5；英国国家规范(Findlay, et al., 1997)中，则k=0.80.1。 复合参数，有效垂直应力 计算研究更加普遍。,.,61,ONeill, 1998; Cock, 1998; Findlay, 1997; Alessandro, 1997认为，计算桩端极限端承力qb时，有：,静力计算方法桩端极限端承力qb,粘性土持力层,粘性土桩端持力层，承载力计算采用不排水法。,.,62,早期有一些学者对Nc的取值进行过系统研究，具有代表性的有 Skempton（1951），Nc=6.149.0； Sowers（1961），Nc=5.08.0； Mohan（1961），Nc=5.78.2 Ladanyi，Nc=7.49.3。 Nc的值域相对比较稳定，且随桩的入土深度增长而趋于上限值（z4d）。目前，大多数桩基应用中实际桩长来看，采用Nc=9.0是合理的。,粘性土持力层Nc,.,63,在我国（JTJ024-85），大直径钻孔灌注桩LDBPs的单桩桩端土的极限端承力计算 其中， 一项是深度修正，且规定： 当桩长L40m时，桩端土层深度L超载修正； 当桩长L40m时，按深度L=40m超载修正。,公路桥涵地基与基础设计规范,.,64,五、建筑桩基规范群桩分析,.,65,群桩作用抗压承载力与抗力建筑桩基规范,端承型桩,摩擦型桩,.,66,表达式,群桩作用抗压承载力R,.,67,计算说明,R是考虑群桩效应后的基桩竖向承载力设计值，桩基承载力等于nR；,端承桩、n3的摩擦桩基，不考虑群桩效应和带桩作用。,承台底面与土脱开时，不考虑承台效应，c=0；且s、p和sp按bc/l=0.2查表确定。,嵌岩桩不考虑群桩、带桩效应,.,68,桩顶荷载作用效应,中心荷载,偏心荷载,.,69,桩基作用效应与竖向承载力验算,中心荷载,偏心荷载,一般,地震,地震,一般,.,70,桩基软弱下卧层承载力验算,整体,局部,.,71,验算方法,下卧层承载力验算,整体,局部,.,72,桩周土体沉降超过桩身沉降时，土对桩产生向下作用摩阻力，为负摩阻力。负摩阻力大小决定于桩周土体抗剪强度，且具有时效性。,定义,地面大面积堆载地下水位下降欠固结土自重固结沉降排挤桩群超静孔隙水压力引起地基再固结黄土、冻土、盐渍土环境改变引起附加沉降,原因,4.4桩基负摩阻力验算,.,73,负摩阻力分布特征,.,74,负摩阻力中性点,端承桩ln/l0=0.850.95基岩上的桩ln/l0=1.0,端承型桩,摩擦型桩,端承力5%， ln/l0=0.7 端载力=5%50%， ln/l0=0.8,.,75,负摩阻力计算,粘性土,砂性土,排水法,负摩阻力,经验法,半理论法,.,76,负摩阻力承载力验算,端承型桩,摩擦型桩,摩擦型桩计算竖向承载力设计值时，中性点以上的侧摩阻力按零计算。,端承桩上应考虑负摩阻力引起的下拉荷载,结构对不均匀变形敏感时，应计算负摩阻力引起的下拉荷载，进行桩基沉降验算,.,77,群桩整体验算,群桩基桩验算,4.5桩的抗拔承载力验算,.,78,4.6基桩内部稳定承载力验算,轴向受压,桩作为一根全部或部分埋入土中的轴向受压杆件,压屈作用,细长轴向受压杆件或偏心受压杆件，宜发生轴向挠曲而压屈失,.,79,b桩的工作条件系数，0.95c砼的安全系数，1.25s钢筋安全系数，1.25,轴向受压,临界荷载Ni,分项修正系数,当 3%,.,80,砼桩纵向弯曲系数,1.0,系数与参数lp/b (or lp/d or lp/r）负相关,.,81,桩受弯时的计算长度lp,.,82,偏心受压,钢筋半径相对系数,偏心增大系数,当 3%，Ih=1.2Ih,.,83,其中，C1、C2和C3分别为钢筋表面形状系数、荷载作用系数和构件形式系数。容许裂缝宽度，一般分布0.2mm0.25mm，根据受弯构件荷载组合确定。,最大裂缝宽度,.,84,4.7水平荷载作用基桩承载力,水平荷载,长期作用反复作用瞬间作用,基本问题,水平承载力荷载效应分析基桩内力及位移,设置方向,垂直设置倾斜设置,破坏特征,桩身断裂桩侧土开裂隆起,.,85,基桩水平承载力,确定方法,基桩水平静载荷试验，可同步测试基桩内力。,理论计算方法，包括根据桩顶位移限制，采用水平荷载基桩计算理论；桩身材料强度和抗裂结构设计原理确定。,地区经验方法,.,86,基桩水平承载力静载荷试验,试验装置,加载方式,试桩、反力装置、加载传力系统、变形量测系统等。,多循环加载 每级荷载增量2.5kN20kN 加载4min，卸载2min，或 加载10min，卸载10min。分级连续加载 各级荷载维持10min。,.,87,试验装置示意图,.,88,终止条件,试验曲线,试桩桩身断裂桩侧地表隆起桩顶位移2030mm或软土30mm达到极限荷载,H0tu0曲线或H0u0曲线H0u0/ H0（位移梯度）曲线H0g曲线,.,89,试验成果曲线,.,90,成果整理,H0tu0曲线第1突变点前一级荷载H0u0曲线第1直线段终点H0u0/ H0曲线第1直线段终点H0g曲线第1直线段终点,临界荷载Hcr,极限荷载Hu,H0tu0曲线包络线凹向确定H0u0曲线明显陡降点H0u0/ H0曲线第2直线段终点H0g曲线桩身断裂钢筋应力流变的前一级荷载,.,91,工程应用,临界荷载Hcr作为单桩水平承载力 基值H0极限荷载Hu确定容许承载力应除以安全系数2地面处水平位移10mm（6mm）为单桩水平承载力设计值,地区经验,北京灌注桩(D=400，612)，H0=4060kN，约为轴向容许承载力的1/101/20。广东灌注桩（ D=340 ） H0=10kN，约为轴向容许承载力的1/30,.,92,基桩水平容许承载力预测方法,灌注桩配筋率0.65%时,灌注桩配筋率0.65%时，以及预制桩、钢桩等,群桩时，水平承载力设计值,单桩,基桩,.,93,桩身最大弯矩系数和桩顶水平位移系数,.,94,基桩荷载作用效应,基桩水平承载力验算,基桩水平承载力验算,.,95,4.8桩基内力和位移计算,基本概念,将桩作为弹性地基上的梁，按文克尔假定进行求解，简称弹性地基梁法。 文克尔假定，梁身任意点土抗力与该点位移成正比，从土力学观点不够严密，但概念明确、方法简单。 求解的方法一般有，半解析解(幂级数解、积分方程解、微分算字解等)、有限差分法和有限单元法等。,.,96,地基系数C,横向土抗力文克尔假定,地基系数C定义为，弹性限度内，单位面积土单位变形所产生力，kN/m3。 地基系数C，主要与土的分类、土体性质有关。 同时，地基系数C与桩身刚度、桩的入土深度、桩的截面性状、桩距和荷载水平等相关。,.,97,地基系数分布规律与横向抗力计算,.,98,地基系数计算方法,“m”法,“K”法,“c”法,“常数”法,实测结果表明，上部土层对庄的位移和内力起主要影响。因此， 超固结土和地面为硬壳层时，可考虑“常数法”； 其他土层一般采用“m”法和“C”法，桩径较大容许位移较小时，宜选用“C”法； “K”法误差较大，较少采用。,.,99,刚性桩、弹性桩和柔性桩,刚性桩,弹性桩,长桩或柔性桩,.,100,“m”法,“m”法地基系数的比例系数m值，可根据试验实测决定，或按下表选用。,.,101,关于地基系数比例系数m值讨论,“m”法中，地基系数的比例系数m值，应随荷载和位移增加，而有所降低。 一般结构在地面处最大位移不超过10mm，对位移敏感结构不超过6mm，可按表中取m值。 当位移相对较大时，应适当降低表列m值。,主要影响层hm范围内为多层土时，需换算当量m值。,.,102,多层土地基比例系数m换算示意图,.,103,桩底地基土竖向地基系数C0,桩底为一般土时，近似地m0=m；桩的入土深度h10m时，按10m计算。 岩石的地基系数C0，不随岩石的埋藏深度而变。,.,104,桩的计算宽度,桩在水平荷载作用下，桩身受力作用平面宽度范围内桩侧土受力外，桩身外一定范围土亦受到一定影响，不同截面形状的桩，受到影响的范围不同。 计算时简化为平面受力，即将桩的设计宽度（直径），换算成相当的工作条件下矩形截面桩的宽度b0。,.,105,形状换算系数与受力换算系数,.,106,桩间相互影响系数,桩间净距,桩间净距,计算深度,.,107,水平受荷桩理论分析扰屈方程,.,108,力与位移的符号规定,.,109,水平受荷桩扰屈方程求解,材料力学,.,110,边界条件确定x0和0,悬浮桩,摩擦桩h2.5或支承桩h3.5,.,111,悬浮桩桩端弯矩,.,112,嵌岩桩,大量计算表明， h4.0，桩身地面处转角与桩底边界无关，上述计算公式可以通用。,.,113,桩身内力及位移无量纲法,悬浮桩,嵌岩桩,摩擦桩h2.5或支承桩h3.5,.,114,桩身各截面弯矩主要是检验桩的截面强度和配筋计算，弯矩最大截面位置ZMmax和最大弯矩Mmax确定可以采用：1.计算绘制Mzz图，图解求得。2.数值解法，即求解剪力Q=0处的截面位置和弯矩,工程应用,应用1最大弯矩位置和最大弯矩,.,115,桩身最大弯矩及其位置,.,116,桩身最大弯矩及其位置,.,117,应用2桩顶位移计算,.,118,下端固定，长度为l0的悬臂梁的解答,摩擦桩h2.5，或支承桩h3.5，z=0的解答,.,119,桩顶位移计算公式,.,120,下端固定，长度为l0的变截面悬臂梁的解答。,.,121,桩顶位移计算公式,