桩基础知识课件.ppt
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1、4.3 桩的竖向承载力,单桩轴向荷载的传递机理 荷载传递的基本概念,上部结构荷载 承台 桩群 地基,桩受荷载的作用产生向下的位移,同时通过桩土间的摩擦力带动桩周的环形土体向下运动,这种运动通过土体间的剪应变一环一环地向外扩散,直到离桩心比较远的位置时收敛为零。另外,当桩向下运动而使桩端土层产生压缩,桩端土产生相应的抗力。这两种抗力合称为轴力桩的土阻力。通常,桩的土阻力由桩身位移而产生,随其发展而增长,一直到其极限。如果外荷载继续增加,桩土体系便进入破坏状态。,a)变形示意 b)影响范围 桩侧土的变形示意,通过桩土间的摩擦力带动桩周的环形土体向下运动,并通过土体间的剪应变一环一环地向外扩散,单桩
2、轴向荷载的传递过程就是桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程。桩顶荷载通过侧阻传递到桩周土中,使桩身轴力与桩身压缩变形随深度递减。,1、桩身轴力和截面位移,单桩轴向荷载传递的基本分析图式,桩受力示意图,桩身截面竖向位移,侧摩阻力分布,轴力分布,承受竖向力的桩,桩上部摩阻力首先发挥,随时间或荷载增加,摩阻力逐渐向下发展,桩端阻力也逐渐发挥;桩身位移、桩身轴力随深度递减;桩侧摩阻力自上而下逐步发挥;桩端阻力一般滞后于桩侧阻力的发挥。,由材料力学:,轴向荷载(通过桩周剪应力)传递的微分形式,分析微段周长,dz微段压缩量,Q,Qb,边界条件:z=0,N(0)=Q z=l,,任一深度z处桩身轴力:,桩侧总摩阻力:
3、,边界条件:z=0,s(0)=s0 z=l,,桩身总压缩量:,桩顶荷载,桩端阻力,桩身截面位移为桩顶位移与z深度范围内桩身压缩量之差:,桩端位移,桩顶位移,桩顶位移,2、影响荷载传递的因素,桩端土与桩周土的刚度比 Eb/Es,Eb/Es越小,侧摩阻力分担的荷载比例越大,桩身轴力沿深度衰减越快,传递到桩端的荷载越小。Eb/Es=1时,桩侧阻充分发挥,且接近均匀分布,属于摩擦桩;Eb/Es=100时,桩身轴力上段随深度减小,下段近乎沿深度不变,即上段侧阻发挥,下段因桩土相对位移小,侧阻无法发挥,属于端承桩。,桩身刚度与桩侧土的刚度比 Ec/Es。,Ec/Es越大,传递到桩端的荷载增大,但当Ec/E
4、s 超过1000后,对端阻分担的荷载比的影响不大;若Ec/Es 小于等于10的中长桩,其桩端阻力分担的荷载几乎为零。,桩的长径比L/d,L/d增大,传递到桩端的荷载减小,桩身下部侧阻力发挥值相应降低。对于超长桩,不论桩端土的刚度多大,其桩端阻力分担的荷载都近似为零,即桩端土的性质对荷载传递无影响。,桩端扩径比D/d,D/d增大,桩端阻力分担的荷载比增加。,挤土效应,挤土桩、部分挤土桩:非密实砂土地基挤土效应使桩侧阻力、桩端阻力提高;饱和粘性土地基挠动、重塑、再固结、触变的作用,使桩侧阻力、桩端阻力产生显著的时间效应。非挤土桩:孔壁松弛效应或“泥皮”的作用导致桩侧阻力减小;孔底沉渣或虚土导致桩端
5、阻力减小。,临界位移(u)桩侧阻力达到极限值时所对应的桩土相对位移,与桩周土的类别有关,而与桩径大小无关。,桩侧摩阻力与桩土相对位移 桩侧摩阻力与桩土界面之间的相对位移有关。,3、桩侧摩阻力和桩端阻力,u时,随线性增大,OAB为OCD的简化折线,u时,保持极限值u不变,桩侧极限摩阻力,临界位移,一般粘性土中打入桩的临界位移 17mm 砂土中打入桩的临界位移 410mm 非挤土桩的临界位移大于挤土桩的临界位移,因为非挤土作用桩与周边土体的摩擦作用较小,桩侧极限摩阻力,按库仑强度理论表示的桩侧极限摩阻力:ca、a桩侧表面与桩周土之间的附着力和摩擦角,与土的性质、桩身材料、桩的设置效应等有关。ca、
6、a 一般为常数,x(侧表面的法向压力,其与桩侧土的竖向有效应力v成正比:x=Ksv,Ks为桩侧土的侧压力系数,对挤土桩K0KsKp,对非挤土桩KaKsK0)随深度增加而增大,理论上u也随深度增加而增大。事实上,当桩的入土深度达到某临界深度后,侧阻力就不随深度增加了,将此称为侧阻的深度效应。,桩端阻力,桩端阻力的性状类似于浅基础地基土的承载力,在传递至桩端的轴向压力作用下,地基产生整体剪切、局部剪切和刺入破坏等破坏模式;桩端阻力的发挥与桩端土层性质、桩侧摩阻力发挥、成桩工艺等因素有关;桩端阻力的发挥要滞后于桩侧摩阻力的发挥;桩端阻力的理论表达式(式中各项的物理意义参见P131说明):由于N与Nq
7、接近,且桩径b远小于桩深h,故桩端阻力的理论表达式可简化为:,桩端阻力深度效应(临界深度),与临界深度hcp相关的影响因素:随砂的相对密度Dr增大而增大 随桩径的增大而增大 随上覆压力的增大而减小与稳定端阻qpl相关的影响因素 随相对密度Dr增大而增大 与桩径及上覆压力无关,与桩侧阻深度效应一样,桩端阻也存在深度效应现象。即当桩端入土深度小于某一临界值hcp时,极限端阻随深度线性增加,而大于该深度后则保持不变,这一深度称为端阻的临界深度。,4、单桩的破坏模式,单桩在竖向荷载下是否破坏取决于两种强度:地基土强度 桩身材料强度,根据工程实践,单桩在竖向荷载下的破坏模式可以归纳为5种模式:桩身材料屈
8、服破坏 持力土层整体剪切破坏 刺入剪切破坏 沿桩身侧面纯剪切破坏(侧摩阻力作用)上拔力作用下的沿桩身侧面纯剪切破坏,(1)桩身材料屈服,桩侧和桩端土能提供的承载力要超过桩身强度所能承受的荷载,桩身先于土发生曲折或桩顶压屈破坏。,易发生桩身材料屈服破坏的桩型:,端承桩超长摩擦桩,桩端阻力很大桩身曲折,桩侧摩阻力过大,桩顶压屈,桩端土阻力过大,桩身曲折,(2)持力土层整体剪切破坏,桩穿透较软弱土层进入较硬持力土层,当桩底压力超过持力土层的极限承载力时,在土中形成完整的滑裂面,土体向上挤出而破坏。易发生整体剪切破坏的桩型:,桩端进入硬土层的摩擦桩,桩端硬土,(3)刺入剪切破坏,桩周与桩端以下均为具有
9、中等强度的均质土层。易发生刺入剪切破坏的桩型:,均质土中的摩擦桩,均质土,(4)沿桩身侧面纯剪切破坏,桩底土十分软弱,基本不能提供承载力,仅靠桩侧摩阻力承受荷载的纯摩擦桩破坏模式。易发生桩身侧面纯剪切破坏的桩型:钻(冲)孔灌注桩,桩端土极软弱,(5)上拔力作用下的沿桩身侧面纯剪切破坏,桩顶承受上拔荷载,仅靠桩侧摩阻力承受荷载。,单桩静载试验所得的荷载-沉降曲线(Q-S),大体上分为陡降型(A)和缓变型(B)两类。,(1)当桩底持力层不坚实、桩径不大、破坏时桩端刺入持力层桩,其Q-S曲线呈陡降型,其极限承载力Qu为与破坏荷载相等的陡降起始点,第二拐点。,(2)当桩底为非密实砂土或粉土、清孔不净残
10、留虚土、桩底面积大、桩底塑性区随荷载增长而扩展的桩,Q-S曲线呈缓变型,其极限承载力Qu由建筑物所能承受最大沉降su确定。,1、单桩竖向承载力的概念单桩竖向极限承载力单桩在竖向荷载作用下,到达破坏状态或变形过大不能再继续承载时所对应的最大荷载。单桩竖向极限承载力一般取决于两个方面的因素:土对桩的支持阻力;桩本身的材料强度。,上述因素中某一个因素为支配因素。一般情况下,地基土的支承能力为支配因素,而桩身材料强度往往不能充分发挥(因为一般情况下桩身强度要比地基强度大得多,等桩承载力完发挥时,地基土早已破坏)。只有端承桩,超长桩或桩身质量有缺陷的桩,桩身材料才可能成为支配因素。,4.3.2 单桩竖向
11、承载力的确定,设计时按这两方面确定桩承载力后取较小值,但如按桩的载荷试验确定,则兼顾了这两方面的要求。,按11建筑地基基础设计规范,确定单桩竖向极限承载力标准值需满足下列规定:单桩竖向承载力特征值 Ra 应通过单桩竖向静载荷试验确定;地基基础设计等级为丙级的建筑物,可采用静力触探及标贯 试验参数确定 Ra 值;初步设计时,单桩竖向承载力特征值Ra可按下式估算:按桩身混凝土强度确定单桩竖向承载力:,2、单桩竖向承载力的确定原则,工作条件系数:非预应力预制桩取0.75,预应力桩取,灌注桩取,砼轴心抗压强度设计值,单桩竖向承载力设计值,按 08建筑桩基技术规范,确定单桩竖向极限 承载力标准值需满足下
12、列规定:设计等级为甲级的建筑桩基,应通过单桩静载试验确定;设计等级为乙级的建筑桩基,当地质条件简单时,可参照地质条件相同的试桩资料,结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定;其余均应通过单桩静载试验确定;设计等级为丙级的建筑桩基,可根据原位测试和经验参数确定。,静载荷试验是确定单桩竖向承载力的基本标准,其他方法是静载试验的补充。,2、按单桩竖向抗压静载试验法确定 静载试验装置及方法,单桩静载荷试验的加载装置(a)锚桩横梁反力装置;(b)压重平台反力装置,加载方式,慢速维持荷载法,快速维持荷载法,等贯入速率法,等时间间隔加载法,循环加载法,常用方法,终止加载条件 参见建筑地基基础设计规范GB50
13、007 附录Q。按试验成果确定单桩承载力(建筑桩基技术规范)根据静载试验得到桩的荷载、位移以及时间之间的关系,据此可以作出各种分析曲线,其中最主要的是Qs曲线和slgt 曲线,根据这些曲线可以求单桩竖向极限承载力。1.对于陡降型Q-s曲线,可取曲线发生明显陡降的起始点(第二个拐点)所对应的荷载为Qu;2.对于缓变型Q-s曲线,一般可取su4060mm对应的荷载值为Qu。对于大直径桩可取su 0.030.06d所对应的荷载值,(大桩径取低值,小桩径取高值),对于细长桩(l/d 80),可取su 6080mm对应的荷载。,单桩 Q-s 曲线 单桩 s-lgt 曲线,缓变,陡降,su,3.也可根据沉
14、降随时间的变化特征确定Qu,取 s-lgt曲线尾部出 现明显向下弯曲的前一级荷载值作为Qu;4.测出每根试桩的极限承载力值Qui后,可通过统计(计算参加统计的极限承载力平均值,当满足极差不超过平均值的30%时,可取平均值作为单桩竖向极限承载力Qu,当极差大于30%时,宜增加试桩数并分析极差过大原因,结合工程具体情况确定单桩极限承载力Qu)确定单桩竖向承载力特征值Ra:,式中:K安全系数,取K2,对于端承型桩基、桩数少于4 根的摩擦型柱下独立桩基、或由于地层土性、使用条件等因素不宜考虑承台效应时,基桩竖向承载力特征值应取单桩竖向承载力特征值。,国外广泛采用以土力学原理为基础的单桩极限承载力公式,
15、此类公式在土的抗剪强度指标的选取上考虑了理论公式所无法概括的影响因素,如土类别、排水条件、桩类型、桩设置效应等,故仍是带经验性的。Polous推荐由土抗剪强度指标确定的单桩竖向极限承载力计算式为:Qu Qsu Qpu(GApl)式中:G-桩的重力;Apl-与桩同体积的土重,若假设其值等于桩重G,则上式简化:Qu Qsu Qpu 关于Qsu与Qpu的详细计算,国外学者作了较多研究,也提出了不少计算公式,P134公式(4-14)是其中的一种形式。,3、按土的抗剪强度指标确定,单桩净极限承载力(由端阻和侧阻之和扣除桩自重),由桩自重附加于地基的压力,单桩竖向承载力特征值Ra:,单桩承载力特征值与标准
16、值区别?(特征值考虑了安全系数,而标准值则未考虑K,一般直接由静载等原位试验或规范表格确定的承载力为标准值),静力触探与桩打入土中的过程基本相似,可把静力触探近似看成是小尺寸打入桩的现场模拟试验。建筑桩基技术规范提出,当按双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值Quk时,对于粘性土、粉土和砂土,如无当地经验时可按下式计算:Quk qcAp uli i fsi,4、按静力触探法确定(08 建筑桩基技术规范),单桥探头静力触探结果见规范P17-18,(1)11建筑地基基础设计规范的经验公式:Ra-单桩竖向承载力特征值;qpa、qsia-桩端阻力、桩侧阻力特征值,由当地载荷试验结
17、果统计得到;Ap-桩底截面积;Up-桩周长;Li-第i土层厚度。,5、按经验公式法确定,1)一般预制桩及中小直径灌注桩(预制桩、d800mm的灌注桩)应根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时,宜按下式估算:Quk-单桩竖向极限承载力标准值;qpk、qsik-极限端阻力标准值,极限侧阻力标准值,如无当地经验,可按规范P19-21表格查表确定;Ap-桩底截面积;U-桩周长;li-第i土层厚度。,(2)08建筑桩基技术规范的经验公式:,岩石饱和单轴抗压强度,大直径桩的桩底持力层一般呈渐进式破坏,Qs曲线为缓变型曲线,其极限端阻 力随桩径的增大而减小;大直径桩一般采用
18、钻、冲、挖孔灌注桩,孔壁有应力松弛现象,使桩侧阻力的降 幅随孔径的增大而增大;大直径桩的侧阻及端阻要考虑尺寸效应。,2)大直径灌注桩(d=800mm),嵌岩桩是指下端嵌入中等风化、微风化或新鲜基岩中的桩。高层建筑及大跨度桥梁的发展,嵌岩桩应用日益广泛;只要嵌岩桩不是很短,上覆土层的侧阻力能部分发挥;嵌岩深度内也有侧阻力作用,传递到桩端的压力随嵌岩深度的赠大而减小,当嵌岩深度达 5d 时,压力接近于零,因此,嵌岩深度一般不必很大,超过界限则无助于提高桩的竖向承载力。,3)嵌岩桩,单桩竖向承载力特征值与设计值 建筑地基基础设计规范里面,单桩竖向承载力是取承载力特征值 Ra 作为桩基础的设计依据,可
19、按单桩竖向静载荷试验所得单桩竖向极限承载力除以安全系数2得到,也可采用其他方法确定。地基规范所称的单桩竖向承载力特征值是表示正常使用极限状态下的单桩竖向承载力值;建筑桩基技术规范的单桩竖向承载力设计值是指单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载(即单桩竖向极限承载力)经分项系数处理后得到的承载力值。两者在荷载取值中也存在一定差别,按单桩竖向承载力特征值设计应取荷载效应的标准组合,而按单桩竖向承载力设计值计算时则取荷载效应的基本组合。,基本概念 群桩基础桩数多于1根的桩基础;基桩群桩中的每根桩;群桩效应竖向荷载作用下的群桩基础,由于承台、桩、土的相互作用,基
20、桩的承载力与沉降性状与相同地质条件、设置方法同样的单桩存在差别,称群桩效应。,承台、桩、土相互作用,对基桩承载力的增强与削弱承台底面土体对上部荷载的分担效应(低承台群桩承台底土阻力分担了一部分荷载,可达20%-35%,但当承台底面与地基土脱开时,不考虑土阻力对荷载的分担作用。),4.3.3 竖向荷载下的群桩效应,沉入挤土桩桩周土因孔压剧增引起的隆起,待承台修筑后孔压消散而固结下沉;车载振动;在桩周产生负摩阻力,桩周土沉降大于桩沉降;湿陷性黄土或砂土地震液化引起的承台底面与地基土突然脱开。,s-d,1、端承型群桩基础 端承型桩基的特点是持力层坚硬,桩顶沉降小,桩侧摩阻力不易发挥,桩顶荷载基本上通
21、过桩身直接传到桩端处硬土层上,并近似按某一压力扩散角向下扩散。桩端处承压面积较小,各桩端的压力没有重叠,即使在距桩底深度为h=(sa-d)/(2tan)之下产生应力叠加,也并不足以引起坚硬持力层明显的附加变形,可认为端承型群桩基础的工作性状与单桩基本一致;同时,由于桩侧摩阻力不易发挥,桩与桩之间的干扰很小,群桩基础的承载力就等于各单桩的承载力之和;群桩的沉降量也与单桩基本相同。,结论端承型群桩基础中各基桩的工作状态接近单桩,群桩基础承载力等于各基桩相应单桩承载力之和。,h=(s-d)/(2tan),s,2、摩擦型群桩基础 摩擦型群桩主要通过每根桩侧的摩擦阻力将上部荷载传递到桩周及桩端土层中。一
22、般假定桩侧摩阻力在土中引起的附加应力z按某一角度沿桩长向下扩散分布。,a、当桩距sD,桩底平面处附加应力不发生叠加,群桩中基桩的工作状态与单桩接近;b、当桩距sD,桩底平面处的附加应力因相邻各桩附加应力的叠加而增大,使得摩擦型群桩的沉降要大于单桩。,(1)非复合桩基(承台底面脱离地面),各桩在桩端平面上附加应力分布面积的直径:D=d+2ltan,ltg,国内外的工程实践和研究结果表明,一般情况下,桩基位于砂土和粉土中时,群桩效应使桩的侧阻力提高;而位于粘性土中时,群桩效应往往使侧阻力降低。考虑群桩效应后,桩端平面处压应力增加较多,极限桩端阻力相应提高。因此,群桩基础中桩的极限承载力问题极为复杂
23、,其与桩的间距、土质、桩数、桩径、入土深度以及桩的类型和排列方式等因素有关。目前工程上考虑群桩效应的方法有两种:基于概率极限设计法的群桩分项效应系数法;把承台、桩和桩间土视为一假想的实体基础的实体基础法。,桩距过小(s6d)时,桩间相互影响很小,性状近似于单桩,(2)复合桩基(承台底面接触地面)除了存在一般摩擦型群桩基础所具有的群桩效应外,通过承台底面土反力分担桩基荷载,使承台兼具有浅基础的作用,称复合桩基。它的基桩承载力含有承台底土阻力的贡献在内,称复合基桩,以区别于承载力仅由桩侧阻力和桩端阻力两个分量组成的非复合基桩。研究表明,桩基承台下的土反力比平板基础底面下的土反力要低(桩侧土因桩的竖
24、向位移而发生剪切变形所致),其大小及分布型式,随桩顶荷载水平、桩径桩长、台底和桩端土质、承台刚度以及桩群的几何特征等因素而变化。通常,承台底土分担荷载的比例可从0增大到20%-35%。,刚性承台下土反力通常呈马鞍形分布。若以桩群外围包络线为界,将台底面分为内外两区,内区反力比外区小而且比较均匀,当桩距增大时内外区反力差明显降低。,复合桩基1.承台底土反力;2.上层土位移 3.桩端贯入、桩基整体下沉,刚性承台,承台分担荷载是以桩基的整体下沉为前提条件,故只有在桩基沉降不会危及建筑物安全和正常使用、且承台底不与软土直接接触时(否则会产生过大沉降),才宜于开发利用承台底土阻力的潜力。通过加大外区与内
25、区面积比(Ace/Aci),可提高承台底土阻力分担荷载的比例。,由桩承台贴地引起的群桩效应,可概括为以下几个方面:对桩侧阻力的削弱作用 低承台桩基,因桩-承台整体下沉,贴地承台使上部桩间土压缩 而下移,进而减小了桩群上部的桩土相对位移,使基桩上部的 侧阻力发挥值降低;承台对桩群上部桩土相对位移的制约,影响桩身荷载的传递性状,使得桩侧阻力发挥不是始于桩顶,而是始于桩身下部(短桩)或桩身中部(中、长桩)。对桩端阻力的增强作用 对于低承台桩基础,当承台宽度与桩长之比Bc/L0.5,承台底压力扩散到桩端平面上的竖向压力可提高对桩端土侧向挤出的约束作用,使桩端阻力提高;承台底压力在桩间土中引起的桩侧法向
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