基础工程(4.桩基础).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 桩基础,基 础 工 程,石家庄经济学院工程学院土木教研室,桩基础概述,1、桩基础的历史回顾,2、桩基础的适用性,3、桩基设计原则,4、桩的类型,基础的类型（复习）,深基础埋置深度比较大，而且往往需要采用特殊的施工方法做成的基础。,深基础与浅基础的区别：,1）埋置深度比较大；,2）施工方法特殊；,3）荷载传递方式与浅基础有明显差异。,附图2 桥梁工程中的桩基础,上海龙华塔，7层，40.4m,相当于13层楼高,初建于三国东吴时代(AD220-280),重建于宋代AD977年,用木桩,桩周用灰土防腐，是,软基上建高层的范例,。,桩基技术的发展历史阶段,阶段,年代,主要桩型,特点,初期阶段,人类有历史记载以前（我国7000多年前）19世纪,木桩,石桩,1.有天然材料制作而成，桩身较短，桩径小；,2.桩竖直设置，主要用于传递竖向荷载；,3.多设置于地基条件不良的河谷及洪积地区；,4.采用简单人工锤打沉桩。,发展阶段,19世纪中叶20世纪20年代,除天然材料做成的桩外，主要是混凝土桩和钢筋混凝土桩,1.受水泥工业出现及其发展的影响；,2.桩型不多，开始使用打桩机械沉桩；,3.桩基设计理论和施工技术比较简单，处于“萌芽”阶段；,4.桩身尺寸有所扩大，桩径约30cm，桩长915m；,5.土力学的建立为桩基技术的发展提供了理论基础。,现代化,阶 段,第二次世界大战后现在,除钢筋混凝土桩外，发展了一系列的桩系，如钢桩系列、水泥土系列、特种桩（超高强度、超大直径、变截面等）系列，以及天然材料的砂桩、灰土桩和石灰桩等。,1.,发展了众多的新型的桩型，形成现代桩基的各种不同体系；,2.,桩基技术和理论引进了其它学科的先进的研究成果，大大地拓宽了它的研究领域和深度，桩的应用范围大大扩展；,3.,人工沉桩被复杂的机械和专门化的工艺代替。,桩基础的适用性,地基上层土的土质太差而下层土的土质较好；或地基土软硬不均；或荷载不均，不能满足上部结构对不均匀变形限制的要求。,上部结构对基础的不均匀沉降相当敏感；或建筑物受到大面积地面超载的影响。,除承受较大竖向荷载外，尚有较大的偏心荷载、水平荷载、动力或周期性荷载作用。,地基软弱或地基土性特殊，如存在较深厚的软土、可液化土层、自重湿陷性黄土、膨胀土及季节性冻土等，采用地基改良和加固措施不合适。,桩基设计原则,建筑桩基安全等级,安全等级,破坏后果,建筑物类型,重要性系数,一级,二级,三级,很严重,严重,不严重,重要的工业与民用建筑；对桩基变形有特殊要求的工业建筑,一般的工业与民用建筑,次要的建筑,1.1（1.2）,1.0（1.1）,0.9（1.0）,桩基计算的荷载效应组合,根据建筑地基基础设计规范GB50007-2002进行设计时：,按单桩承载力确定桩数时，传至承台底面上的荷载效应按,正常使用极限状态下荷载效应的标准组合,；相应的抗力采用单桩承载力特征值。,计算地基变形时，传至承台底面上的荷载效应按,正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合,；相应的限值为地基变形允许值。,确定桩承台高度、配筋和验算桩身材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合,按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合,，采用相应的分项系数。,验算桩台或桩身的裂缝宽度时，,按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合,。,由永久荷载控制的基本组合值可以取标准组合值的1.35倍，即：,桩基设计应满足下列基本条件：,1单桩承受的竖向荷载不宜超过单桩竖向承载力特征值；,2桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值；,3对位于坡地岸边的桩基应进行桩基稳定性验算。,桩基础的类型,承台底与地面不接触,高承台桩基,承台底在地面以下，与地基土接触,低承台桩基,工业与民用建筑中常用低承台桩基础,按桩的承载性状和使用功能分类,(1).竖向抗压的桩(2).侧向受荷桩(3).抗拔桩,按桩侧与桩端阻力大小及分担比例差异，分为如下两大类：,端承型桩,摩擦型桩,摩擦端承桩,：,荷载主要由桩端阻力承担，桩侧,阻力承担部分荷载；,端 承 桩：,（,l/d,10,）荷载绝大部分由桩端,阻力承担，桩侧阻力不计。,端承摩擦桩：,荷载主要由桩侧阻力承担，桩端,阻力承担部分荷载；,摩 擦 桩：,（,l/d,较大）荷载绝大部分由桩侧,阻力承担，桩端阻力不计。,较软弱土层,软弱土层,较坚硬,土层,(a)摩擦桩,(b)端承摩擦桩,软弱土层,较坚硬,土层,极软弱土层,坚硬,土层,(c)摩擦端承桩,(d)端承桩,按施工工艺分类,桩按施工工艺可分为,预制桩,和,灌注桩,两大类。,(一)预制桩的种类,预制桩系指借助于专用机械设备将预先制作好的具有一定形状、刚度与构造的桩杆打入、压入、或振入土中的桩型。主要有以下几种：,预制钢筋混凝土桩,预应力钢筋混凝土桩,钢桩：钢管桩和,H,形桩。,1,.预制钢筋混凝土桩,预制钢筋混凝土桩最常用的是实心方桩，该桩型质量可靠、制作方便、沉桩快捷，是我国解放以来应用最普遍的一种桩型。断面尺寸从200mm,200mm到600mm,600mm；桩长在现场制作时可达2530m，在工厂预制时一般不超过12m。分节制作的桩应保证桩头的质量，满足桩身承受轴力、弯矩和剪力的要求。,接桩的方法有：钢板角钢焊接、法兰盘螺栓和硫磺胶泥锚固等。前两种适用于各类土层，第三种硫磺胶泥适用于软土。,预制种类：,断面尺寸：,300mm300mm,550 mm550mm,方形桩,三角形桩,适合软土层，增加,侧面积与摩阻力。,钢筋砼桩,预制桩接头工艺：,浆锚接头,：用硫磺胶泥或环氧树脂制成黏合剂，,桩体上留插筋下留插孔，浆锚结合。,焊接接头,：每段端部预埋角钢或钢板，施工时,上下段对接，用扁钢贴焊成整体。,法兰盘接头,：预埋管法兰盘螺栓连接或焊接。,浆锚接头,焊接接头,法兰盘接头,预埋件,法兰盘,内插管,贴板,预应力钢筋砼桩（预制桩）,特点：利用桩的主筋作预应力张拉钢筋，通,过预应力减小桩身砼的拉应力和弯拉,应力，提高抗冲击力、抗弯能力。,钢桩,特点：强度高，抗冲击疲劳，贯入能力强，,便于加工运输，挤土效应小，但，,造价高宜腐蚀，慎重选用。,圆形管桩,H形桩,预应力桩按其制作工艺分为两类：,一类是普通立模浇制的，断面形状为含内圆孔的正方形，称为预应力空心方桩，或简称预应力空心桩；,另一类是离心法旋制的，断面形状为圆环形的高强预应力管桩（Prestressed High Strength Concrete Tube shaped Piles），简称,PHC桩,。,空心桩,敞口管桩,目前常用的预应力空心桩主要有两种规格：,500500mm和600600mm。,PHC桩主要有以下几种规格：,外径,500mm、,550mm、,800mm、,1000mm，壁厚90mm130mm，桩段长4m至15m，钢板电焊或螺栓连接，混凝土强度达C60C80。,2.沉桩施工工艺,锤击式,锤击方式,蒸汽锤,柴油锤,液压锤,特点,产生振动、挤土、噪音；,引起地面附加沉降或隆起；,应采取监控与防护措施；,适于松软土质和空旷地区。,静压式,采用液压或机械方法对桩顶施加静压沉桩。,特点：无振动和噪音，适于软土地带城区。,振动式,采用振动锤使桩周围土受扰动或液化，地基强度与阻力降低而沉桩入土，有噪音与挤土影响。,（二）灌注桩,灌注桩系指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基中成孔并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而成的桩。,减少施工工序，桩不用承受弯折与锤击应力，节省钢材和造价，对基岩起伏变化大的地质条件适应性强。,地下“隐蔽”施工质量不易保证。,优点：,缺点：,1.沉管灌注桩,沉管方法：锤击、振动、静压均可,施工程序,就位,沉管,浇筑,振动,拔管,浇灌,放钢筋笼,成型,优点：造价低，管内无水作业桩身砼质量好；,缺点：产生缩颈、夹土、断桩，因挤土效应,相邻桩可能破坏。,防治措施：,控制拔管速度，快振慢拔；,合理选择打桩顺序,2.钻孔灌注桩：,护筒,指用机械方法取土成孔灌注桩,施工程序,湿作业法,就位,成孔,浇筑,钢筋笼,放导管,成型,钻头,泥浆,钻杆,泥浆泵,钻机,导管,钢筋笼,砼,浇注漏斗,按成桩方法对土层的影响分类,分为：挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类,(1).挤土桩,挤土桩也称为排土桩，在成桩过程中，桩周围的土被压密或挤开，因而使周围土层受到严重扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质有很大改变（与原始状态相比）。这类桩主要有打入或压入的预制木桩和混凝土桩，打入的封底钢管桩和混凝土管桩，以及沉管式就地灌注桩等。,(2).部分挤土桩,部分挤土桩也称为少良排土桩，在成桩过程中，桩周围的土受到相对较少的扰动，土的原状结构和工程性质的变化不明显。这类桩主要有打入小截面的I型和H型钢桩、钢板桩，开口式的钢管桩(管内土挖除)，和螺旋桩等。,(3).非挤土桩,非挤土桩也称为非排土桩，在成桩过程中，将与桩体积相同的土挖出，因而桩周围的土受到较轻的扰动，但有应力松弛现象。这类桩主要有各种型式的挖孔或钻孔桩、井筒管柱和预钻孔埋桩等。,各类桩的主要特点,1、振动、噪音,预制桩、沉管灌注桩在锤击或振动法下沉时，施工噪音大，污染环境，不宜在居住区周围使用。,预制桩用静压法施工可消除噪音污染，是城区预制桩的主要施工方法。,钻孔桩的施工过程振动、噪音小，是城区建筑的常用桩型。,2挤土效应,钻孔灌注桩、挖孔灌注桩为非挤土桩，对邻近建筑物及地下管线危害很小。,端部开口或半闭口管桩为部分挤土桩，预制钢筋混凝土桩、沉管灌注桩（无论打入、压入或振入）均属于挤土桩。,3.沉桩能力与承载力,受设备能力的限制，单节预制桩的长度不能过长，一般在30m以内，更长时需接桩。预制钢筋混凝土桩不易穿透较厚的坚硬地层，沉桩困难时需采用射水辅助振动沉桩法。由于节长规格无法临时变更，沉桩无法达到设计标高时，就不得不截桩。因此除钢桩、嵌岩桩外，受沉桩能力的限制，预制混凝土桩、沉管灌注桩桩径、桩长不可太大，单桩极限承载力一般不超过6000kN。,钻孔灌注桩直径可大至12m，桩长可达100m，可适用于各种地层，桩端不仅可进入微风化基岩而且可扩底，挖孔灌注桩直径更可扩大至23m，因此单桩的总承载能力大，单桩极限承载力可达15000kN以上。,4.施工应力与配筋量,预制桩的配筋往往是由搬运起吊和锤击时的施工工况来控制的，远远超过正常工作荷载对强度的要求，因此桩身混凝土标号、含筋率高，主筋要求通长配置，用钢量大。,灌注桩的优点是省去了预制桩的制作、运输、吊装和打入等工序，桩不承受这些过程中的弯折和锤击应力，从而节省了钢材和造价。仅承受轴向压力时，按工作荷载要求通常只在上部配筋，混凝土不用接头，节约了钢的用量，也不需使用高标号混凝土，一般情况下，比预制桩经济。,5质量稳定性,预制桩,接头常形成桩身的薄弱环节，沉桩的挤土效应可使先打设的桩被抬起，如果接桩不牢固，可使上下两节桩脱开。,沉管灌注桩,挤土效应可能使混凝土尚未结硬的邻桩被剪断，对策是采取“跳打”顺序施工，待混凝土强度足够时再在它的近旁施打相邻桩。,与预制桩相比，灌注桩桩身的混凝土质量不易控制和保证，在地下、水下灌注混凝土过程中容易出现断桩、缩颈、露筋和夹泥的现象。其中挖孔桩的施工质量比钻孔桩有保证，但其挖土和浇灌混凝土都必须在无水环境下进行。,思考,竖向抗压承载桩，打入式预制方桩、打入式沉管灌注桩、静压式预制方桩的含筋率大小顺序一般为：,(A)静压式预制方桩打入式沉管灌注桩打入式预制方桩；,(B)打入式沉管灌注桩打入式预制方桩静压式预制方桩；,(C)打入式沉管灌注桩静压式预制方桩打入式预制方桩；,(D)静压式预制方桩打入式沉管灌注桩 打入式预制方桩。,下列哪类桩属于挤土桩?,A 锤击沉管灌注桩,B 钻孔桩,C 冲孔桩,D 预应力混凝土管桩,某建筑桩基工程,地面下5.5m处有一厚2.5m的流动性淤泥层,地下水位4m,地面下12m处有厚4.5m的密实砂层,桩端持力层为砾石层,应采用的桩型是?,A 人工挖孔桩,B 打入式预制桩,C 泥浆护壁钻孔桩,D 沉管灌注桩,竖向荷载下单桩荷载传递机理,1、桩的荷载传递,2、影响因素,3、单桩破坏模式,1、桩的荷载传递,施加于桩顶的竖向荷载是如何通过桩土相互作用传递给地基的?,1.增加桩顶荷载，桩身上部压缩而产生相对位移从而受到向上 摩阻力。随着荷载增加，桩身压缩和位移随之增大，遂使桩侧摩阻力从上向下渐次发挥；,2.持力层因受压引起反力，导致桩身整体下移，加大各截面位移，引发摩阻力进一步发挥;,3.当摩阻力都达极限值，桩顶荷载增量就全归桩端阻力承担，直到桩底持力层破坏,无力支承为止。,单桩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,：桩顶荷载通过发挥出来的侧 阻力传递到桩周土层中去，从而使桩身轴力与桩身压缩变形随深度递减.,一般，桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，侧阻力先于端阻力发挥。,荷载传递基本方程的建立,取深度,z,处的微小桩段为对象，由力的平衡条件,：,任一深度z处的桩身轴力桩身截面位移：,如取z=l，则式a变为桩底轴力(即桩端总阻力Q,p,)表达式；式b则变为桩端位移表达式。,单桩静载荷试验时，如通过沿桩身若干截面预先埋设的应力或位移量测元件(钢筋应力计、应变片、应变杆等)获得桩身轴力N分布图，便可利用式(4-2)及式(4-6)作出摩阻力和截面位移分布图(图4-8e，d，c)。,练习,某预制桩A=0.350.35m,L=12m,在N,0,=1200KN作用下测得轴力为分布,桩端轴力为0,计算桩侧阻力的分布.,影响荷载传递的因素,根据l/d的大小，桩可分为：,短桩(l/d10);长桩(l/d40);超长桩(l/d100),(1)桩端土与桩周土的刚度比E,b,E,s,E,b,/E,s,愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快，即传递到桩端的荷载愈小。,对于中长桩，,当 E b/Es=1(即均匀土层)时，桩侧摩阻力接近于均匀分布、几乎承担了全部荷载，桩端阻力仅占荷载的 5 左右，即属于摩擦桩；,当 E b/Es=100 时，桩身轴力上段随深度减小,下段近乎沿深度不变，即桩侧摩阻力上段可得到发挥，下段则因桩土相对位移很小(桩端无位移)而无法发挥出来，桩端阻力分担了 60 以上荷载，即属于端承型桩；,(2)桩身刚度与桩侧土刚度之比E,p,/E,s,E,p,/E,s,愈大，传递到桩端的荷载愈大;,E,p,/E,s,1000后，对桩端阻力分担荷载比的影响不大。,E,p,/E,s,10的中长桩，其桩端阻力分担的荷载接几乎近于零.,(3)桩端扩底直径与桩身直径之比D/d,D/d愈大，桩端阻力分担的荷载比愈大。,对于均匀土层中的中长桩，当D/d=3时，桩端阻力分担的荷载比将由等直径桩(D/d=1)的约5增至约35；,(4)桩的长径比l/d,随l/d的增大，传递到桩端的荷载减小;,在均匀土层中的长桩，其桩端阻力分担的荷载比趋于零。,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小到可略而不计，即桩端土的性质对荷载传递不再有任何影响，且上述各影响因素均失去实际意义。,本图是桩径1m、嵌入风化泥质砂岩3.7m 和新鲜泥质砂岩2.0m的灌注桩的实测荷载传递曲线。可见，即使对于长径比1520 的嵌岩桩，也属于摩擦型桩，其桩端总阻力也较小。,2、桩侧摩阻力和桩端阻力,极限摩阻力,桩的侧阻随深度呈线性增大?,试验表明，,侧阻有深度效应,。,维西克Vesic：桩周竖向有效应力不一定等于覆盖应力，其线性增加到临界深度时达到某一限值，其原因是土的“,拱作用,”。,极限端阻力：,端阻也存在深度效应!,单桩桩端阻力的安全储备一般大于桩侧阻力的安全储备。,(,桩端阻力的发挥滞后于桩侧阻力，充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截面位移值大得多。),3、单桩的破坏模式,荷载-沉降,关系曲线所呈现的沉降特征和破坏模式，是荷载作用下桩-土相互作用内在机制的宏观反映，大体分为,陡降型,(A),和缓变型,(B)两类型态。,“急进破坏”的,陡降型:,桩底持力层不坚实、桩径不大、破坏时桩端刺人持力层的桩.,“渐进破坏”的,缓变型:,桩底为非密实砂类土或粉土、清孔不净残留虚土、桩底面积大、桩底塑性区随荷载增长逐渐扩展的桩.,概念,单桩竖向极限承载力Q,u,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所对应的最大荷载。,建筑桩基技术规范,：单桩承载力设计值,建筑地基基础设计规范,：单桩承载力特征值R,a,R,a,=Q,u,/2,单桩竖向承载力确定,桩基础,单桩竖向承载力确定,桩基破坏类型,桩材料强度,地基承载力,按材料强度确定,可将桩视为轴心受压杆件，根据桩材相应按混凝土结构设计规范或钢结构设计规范计算。对于混凝土桩：,Q,单桩竖向承载力设计值(kN)；,混凝土构件稳定系数。对低承台桩基，考虑土的侧向约束可取=1.0；但穿过很厚软粘土层和可液化土层的端承桩或高承台桩基，其值应小于1.0；,f,c,混凝土的轴心抗压强度设计值(kPa)；,纵向钢筋的抗压强度设计值(kPa)；,A,g,纵向钢筋的横截面面积(m,2,),Q,c,f,c,A,p,c,工作条件系数，预制取0.75，灌注取0.60.7。,单桩竖向承载力确定,单桩承载力特征值确定规定：,1.单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载,荷试验确定，试桩数,1%总数，且3根；,2.地基基础设计为丙级的建筑物，单桩承载力,特征值可由静力触探和标准贯入试验参数确定；,3.初步设计时，可按公式估算。,静载荷试验是先在准备施工的地点打试桩，在试桩顶上分级施加静载荷，直到土对桩的阻力被破坏时为止，从而求得桩的极限承载力。,由于成桩时对土体的扰动，所以试桩必须待机周土体的强度恢复后方可开始。,预制桩在砂土中入土7天后才能进行试验，粘性土中一般不得少于15天，对饱和软粘土不得少于 25 天。,灌注桩应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行。,按静载荷试验确定,单桩承载力的确定,锚桩反力装置,试桩,压重,千斤顶,支墩,横梁,压重平台反力装置,小梁,横梁,锚桩,试桩,锚桩,千斤顶,1.按静载荷试验确定,试验方法,慢速维持荷载法：,1.试验加载应分级进行。加荷分级不应小于 8 级，每级加载量宜为预估极限荷载的,1/8-1/10,。,2.测读桩沉降量的间隔时间：每级加载后，每第 5.10.15min时各测读一次，以后每隔 15min读一次，累计一小时后每隔半小时读一次。,在每级荷载作用下，桩的沉降量连续两次在每小时内小于 0.1mm时可视为稳定。,终止加载条件,当出现下列情况之一时即可终止加载：,Q-S曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过40mm；,某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；,25m以上的非嵌岩桩，Q-S曲线呈缓变形时，加载至S 60mm-80mm。,卸载观测：,每级卸载值为加载值的两倍。卸载后隔 15min 测读一次，读两次后，隔半小时再读一次，即可卸下一级荷载。全部卸载后，隔 3，4 小时再测读一次。,按试验成果确定单桩承载力,Q,（荷载）,s,（桩顶位移）曲线和,s,lg,t,曲线,荷载Q,沉降量s,s=40mm,陡降点,Q,u,1,2,（二）按经验公式估算,1.一般岩土估算：,R,a,=u,p,l,i,q,sia,+q,pa,A,p,2.嵌岩桩：,这里所说的嵌岩桩是指下端嵌入中等风化、微风化或新鲜基岩中的桩。,R,a,=q,pa,A,p,回顾-单桩承载力的确定,桩基破坏,桩材料强度,地基承载力,试桩,压重,千斤顶,支墩,横梁,小梁,横梁,锚桩,试桩,锚桩,千斤顶,荷载Q,沉降量s,s=40mm,陡降点,Q,u,1,2,建筑桩基技术规范,：单桩承载力设计值,建筑地基基础设计规范,：单桩承载力特征值R,a,R,a,=Q,u,/2,按经验公式估算,1.一般岩土估算：,R,a,=u,p,l,i,q,sia,+q,pa,A,p,2.嵌岩桩：,R,a,=q,pa,A,p,地基承载力控制,桩身强度控制,c,1.0,预制桩,0.9 干作业灌注桩,0.8 其他,4.7 单桩承载力验算,桩顶荷载,x,i,，,y,i,桩,i,分别至通过桩群重心的,y,轴和,x,轴的距离,M,x,，,M,y,作用于桩群上的外力对通过桩群形心的,x,轴和,y,轴的力矩(kN,m)；,4.7 单桩承载力验算,单桩承载力验算,如图所示的桩基础，相应于荷载效应标准组合作用在桩基上（至承台底面）的竖向力,F+G,=25000KN,，偏心距,e=0.8m,，则,桩6,的顶端压力值为,kN。,A.2662 B.2891 C.3210 D.3588,如图所示,作用在桩基上（至承台底面）的竖向偏心力,F+G,=25000kN,，所产生的,弯矩,为,12000kNm,，则,桩1,所受的最大压力为,kN。,A.2861.6 B.3000.0 C.3625.0 D.3806.1,思考,某群桩基础如图，承台下有六根基桩，上部结构荷载和承台及上覆土重8000KN，M,x,=250KNm，M,y,=600KNm，试计算,1,和,2,桩顶所受的荷载大小.,4.8 群桩基础竖向承载力及沉降验算,4.8.1 竖向荷载下的群桩效应,4.8.2 群桩承载力验算,4.8.3 桩基沉降验算,4.8.1 竖向荷载下的群桩效应,群桩概念；群桩单桩关系如何？,桩端处：,z群,z单,则：,S,群,S,单,R,群,=nR,单,S,群,=S,单,群桩效率系数,群桩的极限承载力,群桩中各根单桩极限承载力之和,两个指标:,群桩效应系数,和,沉降比,群桩沉降比,群桩上作用荷载nQ时的沉降量,单桩上作用荷载Q时的沉降量,S,S相同,桩数,S增加到一定值后,值增加不明显;,承台面积保持不变，增加桩数，,；,随S 而；,当荷载与桩距都相同时，随着桩数而。,摩擦型桩群桩效应,承台刚度,刚性：引起桩顶荷载配额差异,柔性：荷载分配一致,基土性质,砂土和粉土：桩侧摩阻力提高,粘 土：桩侧摩阻力降低,桩距s（主导因素）,桩间距大，,桩底压应力不叠加,桩间距小，,桩底压应力叠加,承台下土对荷载的分担作用,复合桩基,：桩+承台底地基土；,前提,：桩群相对于基土有向下位移；,刚性承台土反力,马鞍形,分布；,可,加大外区与内区的面积比,提高承台分担荷载的份额。,不考虑的情况：,(1),桩穿过,未固结的软土或新填土；(2)大面积地面荷载(3)场地地下水大量抽降(4)湿陷性(5)地面因打桩隆起后孔压消散固结,群桩的地基变形及破坏形态,1.桩距较小，土质坚硬，呈“,整体破坏,”,2.桩距足够大，土质较软，呈“,刺入破坏,”,一般群桩不同程度地,兼有两种,变形特征。,群桩工作状态,桩距大，桩数少,R,群,=nR,单,；,桩距小，桩数多，用实体深基础法进行强度和变形验算。,4.8.2 群桩承载力验算,1.折减法,2.实体深基础法,(建筑地基基础设计规范（）推荐）,建筑地基基础设计规范,（）,不再要求群桩按实体深基础进行验算，但仍将实体深基础法作为桩基沉降验算的方法之一。,群桩软弱下卧层承载力验算,可分为,整体冲剪破坏,和,基桩冲剪破坏,两种情况,验算时要求,：,对桩距,s,a,6d,的群桩基础，一般可作,整体冲剪破坏,考虑，按下式计算下卧层顶面,z,：,对桩距,s,a,6d,、且硬持力层厚度,t(s,a,-D,e,)cot,/2,的群桩基础，以及,单桩基础,，应作,基桩冲剪破坏,考虑，下卧层顶面,z,的表达式为：,案例分析,q,sa,=13KPa,q,sa,=32KPa,=5000KN,承台:2.62.6m,A,0,=B,0,=2.3m,要求:验算软弱下卧层承载力.,4.8.3桩基础沉降的计算,竖向荷载作用下单桩沉降计算,为什么,关心单桩沉降问题？,第一，,用已建立的群桩与单桩沉降关系估计群桩沉降。,第二，,群桩内力分析时需单桩轴向刚度数据，而其往往依赖于单桩沉降分析。,第三，,单桩结构的情况日益增多，单桩沉降计算是一个实际工程问题。,单桩沉降量由三个部分组成：,桩本身的弹性压缩量；,由于桩侧摩阻力向下传递，引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降；,由于桩端荷载引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降。,影响因素：,桩的长度、桩与土的相对压缩性、土层剖面及性质有关，荷载水平、荷载持续时间等。,单桩沉降计算方法：,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；各种简化分析法。,这里仅介绍简化方法。,单桩沉降的经验统计关系,Frank（1985）,总结了单桩的工程实践经验，统计出在特定地质条件和设计荷载下单桩沉降S的典型数值与桩径d的经验关系：,对于打入桩：,平均：,S0.9d,变化范围：,S（0.81.2）d,对于钻孔桩：,平均：,S0.6d,变化范围：,S（0.31.0）d,群桩沉降计算,规范规定对以下建筑物的桩基应进行沉降验算：,.地基基础设计等级为甲级的建筑物桩基；,.体型复杂、荷载不均匀或桩端以下存在软弱土层的设计等级为乙级的建筑物桩基；,.摩擦型桩基。,规范GB50007推荐的群桩沉降计算方法：,不考虑桩间土的压缩变形，采用单向分层总和法按下式计算桩基的最终沉降量：,p,应根据地区桩基础沉降观测资料及经验统计确定，不 具备条件时可查下表：,地基内的应力分布采用,线弹性理论,实体深基础法（桩距6d）,群桩与桩间土视为整体，桩端处为实体基础的埋深；,基底附加压力即为桩底平面处的附加压力。,考虑扩散作用,0,为桩长范围内各土层(厚度为,h,i,),内摩擦角,i,的加权平均值。即,不考虑扩散作用,支承面积为群桩外围的实际面积，基底附加压力为基础附加荷载减去群桩外围摩阻力后与支承面积之比。,Mindlin应力公式法,1.将侧阻和端阻简化为各集中力;,2.按Mindlin解求由各集中力作用叠加形成的土中应力场;,3.分层总和法计算各土层压缩量.,单桩荷载分担,单桩荷载作用下土体中的应力分布,根据求得的土中应力解,按单向压缩分层总和法沉降计算公式计算,求得桩基础的沉降量,并乘以经验系数p,与实体深基础法相比,该法能考虑到桩基中桩数,桩距,不规则布桩等对沉降的影响.,在公式 ，t是指,。,A.桩底至软弱下卧层顶面的距离,B.软弱下卧层的厚度,C.地面至软弱下卧层顶面的距离,D.地面至桩底的距离,桩的负摩擦问题,产生负摩擦力的原因,桩周土层相对于桩有向下的位移,原因,(1),桩穿过,未固结的软土或新填土,(2)大面积地面荷载,(3)场地地下水大量抽降,(4)湿陷性黄土的湿陷性,(5)地面因打桩隆起后孔压消散固结,(二)负摩擦力的影响因素,桩基沉降及地面沉降的大小、沉降速率、稳定历时。,影响中性点的深度l,n,的因素主要有：,(1),持力层越硬，l,n,越深；,(2),桩周土层的变形性质和应力历史，桩周土层压缩性越高，欠固结度越大，欠固结土层越厚，l,n,越大；,(3),当负摩阻力系由沉桩后外部条件变化所致，在桩顶荷载作用下的沉降已完成的情况下，堆载强度和面积越大，地下水降幅和面积越大，则l,n,越大；,(4),在桩承受荷载过程中，随承受荷载及沉降的增加，l,n,逐渐变小。,思考,对负摩擦桩，轴力最大的截面位于,。,A.桩的顶端 B.底端,C.中性点处 D.桩的竖向位移为0处,桩产生负摩阻力时，下列说法中正确的时（）,A桩距越大，下拉荷载可能越大,B桩身轴力、桩身沉降沿深度逐步衰减,C单桩极限承载力由桩周土总侧阻力和桩端阻力所组成,D采用涂层法措施后，可使桩身负摩阻力、沉降减小，但中性点深度变大,C AD,桩产生负摩阻力时，关于中性点深度以下说法正确的是（）中性点深度越大。,A持力层越硬，桩的截面刚度越大,B持力层越硬，桩的截面刚度越小,C持力层越软，桩的截面刚度越大,D持力层越软，桩的截面刚度越小,负摩阻力的计算,负摩阻力强度,a.,取决于土的抗剪强度；,虽有时效，但从安全考虑，可取用其最大值以土的强度来计算。,软土和粘性土中的桩,：,b.根据产生负摩阻力的土层中点的竖向有效覆盖应力计算：,对于砂类土：,桩身总的负摩阻力（下拉荷载）：,群桩负摩阻力计算,群桩效应:,桩距较小的群桩，群桩所发生的负摩阻力小于相应的单桩值。,原因:,桩群中各桩表面单位面积所分担的土体重量小于单桩的负摩阻力极限值.,计算:,等效圆法,假设独立单桩单位长度的负摩阻力由相应长度范围内半径r,e,形成的土体重量与之等效，则：,等效圆法,(远腾，1969),消减与避免负摩阻力的措施,(1)桩侧涂层法,在桩侧涂沥青或其他化合物的办法来降低土与桩身的摩擦,(2)预钻孔法,在桩位采用预钻孔，然后将桩插入，在桩周围灌人膨润土混合浆,(3)双重套管法,即在桩外侧设置套管，用套管承受负摩阻力的方法。,(4)设置消减负摩阻桩群法,即在群桩总围设置一排桩，用以承受负摩阻力，从而达到消减负摩阻力的方法。,(5)地基处理法,桩的水平承载力,一、,水平荷载作用下桩的变位,二、,影响桩水平承载力的因素,三、,单桩水平静载荷试验,四、,水平荷载作用下弹性桩的理论计算,五、,单桩水平承载力特征值,4.6 桩的水平承载力,水平荷载性质：,长期作用的水平荷载；反复作用的水平荷载；地震作用产生的水平力。,桩的水平承载力,，系指与桩轴方向垂直的承载力。,桩基础上作用有较大的水平荷载时必须对桩的水平承载力进行验算。,桩基中单桩的水平承载力应按下式验算：,一、水平荷载作用下桩身的变位,由水平荷载引起的桩身变位，通常有两种形式：,1当地基松软，桩身短，桩的抗弯刚度大大超过地基刚度时，桩身如同刚体一样围绕桩轴上某一点而转动，当桩前方的土体在桩全长范围内超过地基的屈服强度时，结构产生大变位，甚至倾倒。,2当地基较密实，入土很深的长桩(或刚度很小)，桩身产生弹性挠曲，不出现桩全长范围内的水平向地基屈服。屈服是由地表逐渐向深处发展的，如图所示。破坏是由于过大的水平位移引起桩身断裂而造成的。,本章仅介绍弹性桩承载力的确定方法。,二、影响桩水平承载力的因素,桩的截面尺寸和地基土强度越大，桩的水平承载力也越高。,桩头嵌固条件对桩的水平承载力影响也很大。,桩的入土深度对水平承载力也有影响。但存在一个“有效长度”。,桩距的大小，对桩的水平承载力也有影响。,三、单桩水平静载荷试验,1、试验装置,2、加荷方法,连续加荷法,或,循环加荷法,。,连续加荷法,：,每级加荷后保持l0min，测读水平位移，再加下一级荷载，这样连续加至极限荷载。在确定桩的极限荷载时，以这种方法为好。,循环加荷法,：,加载后保持l0min，记录水平位移读数，然后卸至零，再经过l0min，读测剩余变形，继续加荷载，如此即为一循环。反复35次左右，即完成这级水平荷载试验，后加下一级荷载，直至极限荷载或满足设计要求为止。,3、终止加荷的条件,当出现下列情况之一时，即可终止试验：,(1),桩身已断裂；,(2),桩侧地表出现明显裂缝或隆起；,(3),桩顶水平位移超过30-40mm(软土取40mm)；,(4),所加的水平荷载已超过按下述方法所确定的极限荷载。,4、极限荷载的确定,(1)对循环加荷法,绘(H,o,tx,o,)曲线,突变点的荷载为临界荷载H,cr,明显陡降点的荷载为极限荷载H,u,(2)连续加荷法,绘制,H,o,x,o,曲线。第一直线段的终点H,cr,，陡升段的起点H,u,。,绘制,H,0,x,0,/H,0,曲线，第一直线段的终点H,cr,；第二直线段的终点H,u,。,四、水平荷载作用下桩的理论计算,国内外关于水平荷载下桩的理论分析方法有几十种，我国多采用,线弹性地基反力法,。该法将土体视为弹性体，用梁的弯曲理论来求解桩的水平抗力,x,，并假设,x,与桩的水平位移x成正比，且不计桩土之间的摩阻力以及邻桩对水平抗力的影响，即：,K,x,地基的水平抗力系数。,地基反力系数法所假定的4种较为常用的k,x,分布图式：,1.计算参数,单桩在水平荷载作用下所引起的桩周土的抗力不仅分布于荷载作用平面内，而且受桩截面形状的影响。计算时简化为平面受力，故取,桩的截面计算宽度,b,0,为：,k,f,桩的形状系数，,方形截面桩k,f,1.0，圆形截面桩k,f,0.9；,d,桩的直径，方形截面时为桩的边长b。,2.单桩挠曲微分方程及解答,单桩桩顶荷载可分别按下列各式确定：,式中n为同一承台中的桩数。,计算桩身抗弯刚度,EI,时，对于钢筋混凝土桩，可取,EI=0.85E,c,I,0,，其中,E,c,为混凝土的弹性模量；,I,0,为桩身换算截面惯性矩。,单桩在,H,0,、M,0,及地基水平抗力,x,作用下产生挠曲变形，根据材料力学中粱的挠曲微分方程可得：,3.桩身最大弯矩及其位置,为了简化，可根据桩顶荷载及桩的变形系数,计算如下系数:,由系数C,查表得相应的换算深度和系数C,。,则桩身最大弯矩的深度和最大弯矩为：,五、单桩水平承载力特征值,确定单桩水平承载力的方法，以水平静载荷试验最能反映实际情况。此外，也可根据理论计算，有可能时还应参考当地经验。,1、根据水平静载荷试验结果确定,可根据桩的类型和材料，分别按,强度控制,和,按变形控制,来确定。,按变形控制确定,对于混凝土顶制桩、钢桩、桩身全截面配筋率大于0.65的灌注桩，根据静载试验结果取地面处水平位移为l0mm(对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm)所对应的荷载为单桩水平承载为特征值。,按强度控制确定,对于桩身配筋率小于0.65的灌注桩，取单桩水平静载试验的临界荷载为单桩水平承载力特征值。,2、根据计算方法确定,桩身配筋率小于0.65的灌注桩的单桩水平承载力特征值（按强度控制）：,2、根据计算方法确定,预制桩、钢桩、桩身配筋率大于0.65的灌注桩等的单桩水平承载力特征值（按变形控制）；,练习,某直径为2m的灌注桩,=0.68%,l=25m,桩顶允许水平位移.m，桩侧水平抗力系数的比例系数mm,，计算桩顶固接的单桩水平承载力（.,m,）,桩基础设计,设计要求,1.桩基有足够的竖向与水平承载力；,2.桩基的沉降与水平位移在允许范围内；,3.设计方案在技术与经济上应合理可行。,设计步骤,1.选择桩的持力层、桩的类型和几何尺寸，初拟承台底面标高；,2.确定单桩承载力特征值；,3.确定桩的数量及其平面布置；,4.验算桩基承载力和沉降量；,5.必要时，验算桩基水平承载力和变形；,6.桩身结构设计；,7.承台设计与计算；,8.绘制桩基施工图。,设计前的资料收集,1.上部结构的类型、尺寸、构造和使用要求；,2.工程地质勘察报告；,3.当地建材与施工能力、条件（包括施工机,具、方法、经验等）；,4.施工场地及周围环境（包括交通、进出场,条件、周围建筑要求、环境要求等）。,一、桩型、桩身断面尺寸，桩长及承台底面标高的选择,（一）桩型的选择,考虑因素,1.荷载大小及性质；,2.工程地质条件；,3.施工条件；,4.环境条件；,5.经济条件。,1.经济合理；,2.安全适用。,同一结构单元避免采用不同类型的桩。,（二）桩断面尺寸的选择,1.混凝土灌注桩,断面形式：圆形,沉管灌注桩直径：,300500mm,；,钻孔灌注桩直径：,5001200mm,；,扩底钻孔灌注桩：扩底直径,12d.,扩底钻孔灌注桩,2.混凝土预制桩,断面形式：方形、圆形、三角形等,断面尺寸：,550mm,3.桩长的选择,考虑因素：,主要桩端持力层选择,，同时考虑,桩的材料及施工工艺。,桩端持力层选择：较硬土层,桩端全截面进入持力层深度：,粘性土、粉土：,2d,；,砂土：,1.5d,；碎石土：,1d,。,有软弱下卧层时桩基下持力层厚度：,4d,嵌岩桩嵌入岩层深度：,0.5m,端承桩,摩擦桩,考虑因素：,承载力与沉降量,注意：,1.同一种建筑物尽量采用同一种桩；,2.除落在岩面上的桩，桩端间高差,d,；,3.摩擦型桩，桩端间高差,l,/10,；,4.高层及荷载大的建筑物宜用大桩径(挖孔)。,4.承台埋深的选择,满足,结构要求，方便施工；,同浅基，d0.5m；,考虑特殊性土质对承台埋深的影响。,平面布置一般原则,1.,群桩横截面的重心应与竖向永久荷载合力的作用点重合或接近。,2.桩的间距一般采用3-4倍桩径。,3.使桩基在其承受较大弯矩的方向上有较大的抵抗矩：外密内疏，探头桩等。,三、桩的平面布置及桩数的确定,（一）墙下桩基,纵横墙交接处宜