[建筑工程]基础工程学课件.ppt

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1、建筑工程基础工程学课件,建筑工程基础工程学课件,建筑工程基础工程学课件,建筑工程基础工程学课件,建筑工程基础工程学课件,桩基础,沉井基础,地下连续墙基础,桩基础 沉井基础 地下连续墙基础,沉井平面长69m，宽51m，下沉深度为58m，相当于9个半篮球场大的20层高楼埋进地下。,世界上最大的沉井江阴长江公路大桥锚碇。,沉井平面长69m，宽51m，下沉深度为58m,强 度：保证基础结构不发生破坏。刚 度：保证荷载的良好传递、分配，降低地基沉降的不均匀性。,1.3 对基础的要求,一是满足地基承载和变形的要求，二是基础自身强度和刚度的要求。,承载力：地基不发生破坏。变 形：地基不能产生过大的变形（如沉

2、降、不均匀沉降、倾斜等）。稳定性：不会在外荷载作用下发生浅层和深层滑移。,1地基,2基础,强 度：保证基础结构不发生破坏。1.3 对基础的要求,2.1 地基承载力的确定,间接法：旁压仪试验、标准贯入试验、静力及动力触探试验等其中载荷试验是最常用和可靠的方法。,1现场试验,直接法：载荷试验。,2经验法,3理论法,Rankine (1857),Prandtl (1920),Reissner (1924),Terzaghi (40年代),Meyerhof (50年代),Hansen (60年代),Vesic (70年代),通过对大量实测数据进行整理、分析、归纳等得到的计算公式，如规范中的经验公式。,

3、2.1 地基承载力的确定 间接法：旁压仪试验、标准贯入试,Prandtl公式,假 设：地基材料为刚塑性，无重量，基础与地基之间光滑。,出现的问题：置于砂土表面的基础（c=0，D=0）承载力为0。,Prandtl公式假 设：地基材料为刚塑性，无重量，基础,Vesic公式,假设：地基材料为刚塑性，基础与地基之间无摩擦（光滑），但地基有重量。,Vesic公式假设：地基材料为刚塑性，基础与地基之间无摩,Terzaghi公式,假 设：地基材料为刚塑性，考虑重度，基础与地基之间完全粗糙（或光滑）。,（矩形基础）,（圆形基础）,（条形基础）,Terzaghi公式 假 设：地基材料为刚塑性，考虑,2.2.1

4、持力层承载力验算,2.2 地基承载力验算,中心荷载,偏心荷载（小偏心）,大偏心,2.2.1 持力层承载力验算2.2 地基承载力验算中心荷载,2.2.2 软弱下卧层承载力验算,矩形基础,条形基础,2.3 地基稳定性验算,1水平荷载作用下的滑移2偏心、水平荷载作用下的建筑物倾斜3地基整体滑动、建筑物倾覆,2.2.2 软弱下卧层承载力验算矩形基础条形基础 2.3 地,2.4 地基变形计算,2.4.1 土的压缩及地基变形计算,（1）土的压缩的特点,加 载,卸载再加载,（2）地基沉降计算的特点,沉降全部为再压缩量。,（p pc）,再压缩量不能忽略。,基底最终压力,再压缩量可忽略不计。,（p pc ）,（

5、3）深基坑,（p pc）,（1）浅基坑,（2）中深基坑,自重压力,2.4 地基变形计算2.4.1 土的压缩及地基变形计算11（,1. 利用压缩模量、回弹再压缩模量计算地基沉降（高层建筑箱形与筏形基础技术规范）,（1）p pc=gd 时（部分补偿）,（2）ppc时（全补偿或超补偿）,建筑地基基础设计规范,2.4.2 地基沉降计算方法,压缩模量,再压缩模量,（3）p pc时（独立基础和条形基础，埋深较小）,1. 利用压缩模量、回弹再压缩模量计算地基沉降（高层建筑箱,2利用压缩指数、回弹指数计算沉降(高层建筑岩土工程勘察规程),（1）正常固结土（OCR=1）,（2）超固结土（OCR1）,（m层土）,

6、（n层土）,附加应力,自重应力,先期固结压力,2利用压缩指数、回弹指数计算沉降(高层建筑岩土工程勘察规,（3）欠固结土,3由载荷试验变形模量用于地基变形计算（高层建筑箱形与筏形基础技术规范）,源于叶果罗夫（）法，假设基础为刚性，按弹性理论推得。,与分层总和法的比较,“规范”法中，假设基础为刚性，采用总压力按弹性力学方法计算位移；,分层总和法中，荷载均匀作用在地表，采用基底附加应力按弹性力学方法计算应力，再假设土层无侧向变形来计算沉降。,（3）欠固结土 3由载荷试验变形模量用于地基变形计算源于叶,3.1 上部结构基础地基相互作用的概念,（2）上部结构基础、基础地基之间的变形协调方程,由于上部结构

7、、基础、地基的受力变形相互影响，故合理的计算方法是将其一同考虑。即满足：,（1）上部结构、基础、地基各自的平衡方程,3.1 上部结构基础地基相互作用的概念 （2）上部结构,3种不同的计算方法,（1）不考虑结构、基础、地基之间的相互作用 仅满足各自的平衡方程，但相互之间的变形协调条件不满足。,（2）仅考虑基础地基之间的相互作用 满足地基基础变形协调条件，但不满足上部结构基础变形协调条件。,（3）考虑上部结构基础地基之间的相互作用满足结构基础、基础地基变形协调方程。最合理但计算也最复杂。,3种不同的计算方法 （1）不考虑结构、基础、地基之间的相互,不同方法计算结果的比较,不同方法计算结果的比较,3

8、.2 不考虑相互作用（变形协调）的计算方法,1静定法,2倒梁法,以上两种方法可见本科基础工程教材。,3.2 不考虑相互作用（变形协调）的计算方法1静定法2倒,假定地基土界面上任一点处的沉降与该点所承受的压力成正比。,3.3 地基模型,3.3.1 Winkler模型及其改进形式,1Winkler模型（1867）,将实际的地基土层简化为便于计算分析的模型。,Winkler模型及其改进形式,弹性半空间模型,有限压缩层模型,地基实体模型,基底压力-基底沉降之间的关系。,假定地基土界面上任一点处的沉降与该点所承受的压力成正比。3.,缺 陷：忽略了地基中的剪应力，因而无法考虑应力的扩散。,优 点：计算方便

9、，常可得到直接使用的解析解。,适用范围：厚度较小的软土。,基础底面,沉降,压力,柔度矩阵,基底压力-沉降关系,缺 陷：忽略了地基中的剪应力，因而无法考虑应力的扩散。优,（1）费罗年柯-鲍罗基契（-,1940,1945）模型,相当于用薄膜将独立的弹簧联系起来，因此有,2双参数模型,目 的：弥补Winkler模型不考虑应力及变形扩散的缺点。,（1）费罗年柯-鲍罗基契（-,以抗弯刚度为D 的薄板将独立的弹簧联系起来，因此有,（2）海腾尼（Hetenyi，1946）模型,（3）巴斯捷纳克(，1954)模型,以只能产生横向剪切变形而不可压缩的剪切层将独立的弹簧联系起来，因此有,以抗弯刚度为D 的薄板将独

10、立的弹簧联系起来，因此有（2,3. 三参数模型（利夫金模型，1967）广义Winkler模型,3. 三参数模型（利夫金模型，1967）广,3.3.2 地基模型参数的确定,3.3.3 弹性半空间模型,对均匀的各向同性弹性半无限空间，由Boussinesq解，集中力P作用下地表r点的沉降为,i 网格内均匀荷载作用下，中心点的沉降为,3.3.2 地基模型参数的确定 3.3.3 弹性半空间模型,j网格集中力作用下， i网格中心点的沉降为,故柔度矩阵为,优 点：地基变形不仅与该点所受的力有关，而且与其它点作用力有关，较 Winkler模型合理。,缺 点：没有考虑到地基土的塑性，导致基础边缘下地基反力过大

11、。,j网格集中力作用下， i网格中心点的沉降为故柔度矩阵为优 点,3.3.4 有限压缩层地基模型,按分层总和法计算地基竖向变形，计算时假设压缩过程中地基土无侧向膨胀，最终下沉量为基础底面下压缩层范围内各土层压缩量的总和。,柔度矩阵为,能较好地反映出基底下土层的变化，但计算工作量大。,3.3.4 有限压缩层地基模型 按分层总和法计算,3.3.5 地基土的非线性本构模型,将地基作为实体进行计算，采用相应的计算模型模拟土的受力变形性质，即本构关系（应力应变关系）。,（1）双线性与多段线性模型,1线弹性模型,2非线性弹性模型,（广义Hooke定律 ）,3.3.5 地基土的非线性本构模型 将地基作为实体

12、进行,（2）E-模型（双曲线模型，Duncan-Chang模型，1970）,应力-应变关系为双曲线关系,或,（2）E-模型（双曲线模型，Duncan-Chang模型，,应力-应变曲线的切线模量为,根据Mohr-Coulomb准则，土样破坏时，应有,因此，必有,c,需由三轴试验确定的参数,n,k,应力-应变曲线的切线模量为根据Mohr-Coulomb准则，,泊松比的计算公式为,需由三轴试验确定的参数,G、F、d,（2）剑桥模型（Roscoe，1968）及修正剑桥模型,（3）K-G模型,3弹塑性模型,（1）Lade-Duncan模型（1975）,泊松比的计算公式为 需由三轴试验确定的参数G、F、d

13、（,3.4 考虑地基-基础相互作用的条形基础的计算方法,3.4.1 Winkler地基上的梁,根据力的平衡条件 ,可得,条形基础所受之力通常为由柱传来的集中力（矩）,3.4 考虑地基-基础相互作用的条形基础的计算方法3.4.1,（单位：m-1）,弹性特征长度，反映梁与地基间的相对刚度。,上述微分方程的通解为,注意：,例如，对集中力P0作用下的无限长梁，其解为,（单位：m-1）弹性特征长度，反映梁与地基间的相对刚度。,建筑工程基础工程学课件,有限长梁,(1) 叠加法,利用无限长梁的计算公式通过叠加法得到有限长梁的公式。,有限长梁(1) 叠加法利用无限长梁的计算公式通过叠加法得到,xa时，直接采用

14、上式计算；,xa时，交换a、b，B为原点，x轴指向左。,（2）解析法（Hetenyi，1946）,xa时，直接采用上式计算；xa时，交换a、b，B为原点，,3.4.2 弹性半无限空间地基上的梁,弹性半无限空间地基上一点的沉降为,设梁下地基反力分布为p(x),梁上分布荷载为q(x)，且梁底与地基密切接触，则梁的挠度可表示为,代入方程,3.4.2 弹性半无限空间地基上的梁弹性半无限空间地基上一点,还应满足平衡方程,力,力矩,哥尔布诺夫-波沙道夫(-)采用级数法解决了该问题。,还应满足平衡方程 力力矩哥尔布诺夫,设梁长为2l，高度为h，宽度B=1，中点作用集中力P，该梁处于平面应力状态。,（1）选定

15、级数形式,由于荷载对称，故反力对称，有,设梁长为2l，高度为h，宽度B=1，中点作用集中力P，该梁处,弯矩平衡方程自动满足，其竖向平衡方程为,（2）列出平衡方程,（3）建立变形协调方程,当处于平面应力状态时，地基的沉降可表示为(Flamant解),弯矩平衡方程自动满足，其竖向平衡方程为（2）列出平衡方程（3,（4）联立求解,在集中力P及反力作用下，简支梁中点的挠度为 （4）联立求解,n+2个未知数,3.4.3 链杆法（热莫奇金，1947）,1基本假设,（1）条形基础视为梁；,（2）地基为弹性半无限体；,（3）基础地基之间以链杆（支座）连接，模拟地基-基础间相互作用。,2计算模型及方法,（1）未

16、知数,n根链杆的内力及梁端转角和竖向位移,(i=1,2,3,n),n+2个未知数3.4.3 链杆法（热莫奇金，,（2）方程,(i=1,2,3,n),I. 链杆处的变形协调方程（地基沉降=梁的挠度）,梁的挠度,（梁的左端为固定端时，得到vij的计算公式）,链杆内力,梁端沉降,梁端转角,外荷载产生的挠度,（2）方程(i=1,2,3,n)I. 链杆处的变形协调方,(i=1,2,3,n),II. 平衡条件,竖向力,弯矩（对端点）,地基的沉降（半无限弹性体地基）,(i=1,2,3,n),由,得,xj=1作用下i点处地基的沉降sij及梁的竖向位移vij之和,III. 求 解,3个方程联立求得,(i=1,2

17、,3,n),(i=1,2,3,n)II. 平衡条件竖向力弯矩（对端点,3.4.4 差分法,以差分方程代替微分方程和边界条件，将微分方程的求解变为线性代数方程组的求解。,由梁的弯曲关系式,3.4.4 差分法 以差分方程代替微分方程和边界,Winkler地基的每段反力为,根据梁左段的平衡，有,（i=2,3,n1),弯矩,力,3.4.5 有限元法,Winkler地基的每段反力为根据梁左段的平衡，有（i=2,作 业 1,请于第7周结束以前，发至。,承受集中荷载的条形基础的抗弯刚度EI=2106 kN.m2 ,梁长l =10m，底面宽度b=2m，地基土的弹性模量E=20MPa ，泊松比=0.3。试按链杆

18、法计算梁的挠度、弯矩、地基反力分布曲线。要求： （1）为保证较为准确地给出挠度、弯矩、地基反力的分布形式，要求计算截面不少于11个。 （2）建议编程或借助于Excel、Matlab等计算。提交的文本中应给出详细计算过程。 （3）独立完成，且勿抄袭，否则该作业成绩为0。,作 业 1请于第7周结束以前，发至jqmaoswjtu.c,（1）筏基的类型,平板式,梁板式,梁板式筏基,（3）内力计算,（2）计算内容,地基承载力、变形、稳定性,基础底面尺寸,基础结构内力,基础高度和配筋,平板式,梁板式,板,梁,板,刚性板法,弹性板法,概 述,（1）筏基的类型平板式梁板式梁板式筏基（3）内力计算（2）计,（4

19、）板的内力,弯 矩,剪 力,扭 矩,截面上的应力分布,截面上的内力,刚性板法：地基反力线性分布（Winkler地基，板刚性），筏板刚性较大时比较适用。属完全不考虑上部结构、地基、基础之间的相互作用的算法。,弹性板法：将筏板视作放在Winlkler地基或半无限空间地基上的板，它考虑了基础地基间的相互作用，较刚性板法更为合理。,（4）板的内力弯 矩剪 力扭 矩截面上的应力分布截面上,4.1 简化计算方法刚性板法,4.1.1地基反力荷载的计算,当柱荷载相对比较均匀（相邻柱荷载变化不超过20），柱距相差不大（相邻柱距变化不大于20）时，若柱距小于1.75/，或筏基支承着刚性的上部结构时，可认为基底反力

20、呈线性分布。,刚性板法：地基反力线性分布（Winkler地基，板刚性），筏板刚性较大时比较适用。属完全不考虑上部结构、地基、基础之间的相互作用的算法。,柔度系数、特征系数,（1）适用条件,4.1 简化计算方法刚性板法4.1.1地基反力荷载的计算,（2）基底压力计算,4.1.2 内力计算-条带法,双向偏心计算公式,将板分别沿纵向、横向分割成互不联系的梁进行计算。,适用于平板式筏基。,缺 点：忽略了板-板之间的联系和相互影响。,承 受 2/3 的 荷 载,承 受1/6 的 荷 载,承 受1/6 的 荷 载,（2）基底压力计算 4.1.2 内力计算-条带法双向偏心计算,4.1.3 双向板法,该法适用

21、于筏基沿柱网布置肋梁而网柱单元内无小肋梁，且柱网在纵、横两个方向上的柱间距lx及距ly的比值小于2.0的情况。,2肋梁的受力计算,1适用条件,梁板式筏基,梁,板,基底反力,基底反力,网格板上的基底反力向肋梁的传递,作用在肋梁上的荷载,连续梁,连续梁,4.1.3 双向板法 该法适用于筏基沿柱网布置肋,3板的内力计算,（1）方法1结构力学法,将每格中的板分别看作沿纵、横两个方向发生弯曲的梁，其相应的挠度分别为wx和wy，分担的荷载分别为qx和qy,qx和qy,原 理,3板的内力计算（1）方法1结构力学法 将每,按四周约束的不同形式，网格板可分为5种,简支：位于筏板外边界的梁对网格板的约束视为简支约

22、束。,网格板所受约束的分类,固支：位于筏板中间的梁对网格板的约束视为固支约束。,1. 三边简支，一边固定； 2. 两对边简支，两对边固定；3. 两邻边简支，两邻边固定； 4. 三边固定，一边简支；5. 四边固定。,按四周约束的不同形式，网格板可分为5种简支：位于筏板外边界,跨中弯矩,（1）单列连续板 （情况 i =12）,支座弯矩,弯矩系数，查表确定,弯矩系数，查表确定,跨中弯矩（1）单列连续板 （情况 i =12）支座弯矩弯矩,跨中弯矩,（2）双列列连续板 （情况 i =34）,支座弯矩,跨中弯矩（2）双列列连续板 （情况 i =34）支座弯矩,跨中弯矩,（3）双列列连续板 （情况 i =5

23、）,支座弯矩,跨中弯矩（3）双列列连续板 （情况 i =5）支座弯矩,（2）方法2弹性力学法,泊松比 =0时对应的弯矩,按弹性力学中板的计算方法，可得到=0时板中的弯矩Mx 和My，再经过修正，得到真实的弯矩。,（2）方法2弹性力学法 泊松比 =0时对应的弯矩,4.2 考虑基础地基相互作用的板的内力计算,4.2.1 置于地基上的板的基本方程,或,抗弯刚度,荷 载,反 力,4.2 考虑基础地基相互作用的板的内力计算4.2.1 置于,内力计算公式,内力计算公式,4.2.2 置于地基上的板的解析解,1集中力作用下的Winkler地基上的无限大板,对轴对称问题，同时地基视为Winkler地基，有,以极

24、坐标表示板的平衡方程，有,4.2.2 置于地基上的板的解析解1集中力作用下的Wink,直角坐标系下,有效刚度半径（柱的影响范围约为4l）,直角坐标系下 有效刚度半径（柱的影响范围约为4l）,2集中力作用下弹性半无限地基上的无限大板,舍赫捷尔（）,定义长度参数,（单位：m）,内力解为,时,时,板,地基,2集中力作用下弹性半无限地基上的无限大板舍赫捷尔（,直角坐标系下的计算公式（-）,直角坐标系下的计算公式（-）,4.2.3 筏基内力的计算,1Winkler地基上的筏基,（1）计算筏基有效刚度半径,集中荷载的影响半径为约4l,（2）当筏基的边线处于柱荷载的影响半径之外时,（3）当筏基的边线处于柱荷

25、载的影响半径之内时,（4）将各柱荷载产生的内力叠加，得到最终结果。,应用无限大板的计算结果，按与“有限长梁”计算相似的叠加法计算。,此时筏基相当于无限大板，可按相应的公式计算。,4.2.3 筏基内力的计算1Winkler地基上的筏基 （,2弹性半无限空间上的筏基,（1）适用条件为筏板的宽度B4a。,（2）当柱距筏基边线的最小距离d 1.5a时按无限大板计算，d1.5a时按半无限大板计算。,（3）将各柱荷载产生的内力叠加，得到最终结果。,4.3 差分法,4.4 有限元法,2弹性半无限空间上的筏基（1）适用条件为筏板的宽度B4a,5.1 基底反力的计算（反力系数法）,反力系数法通过对大量高层建筑箱

26、形基础基底反力现场实测结果进行统计和分析，最终归纳总结出不同地基土、不同基底形状时地基反力的分布形式。,(i=1,2,5；j=1,2,3,8；),反力系数表（矩形基底）,5.1 基底反力的计算（反力系数法） 反力系数法,5.2 箱形基础的整体弯曲与局部弯曲,为便于计算和分析，将箱基的变形分为整体变形和局部变形，前者是指将箱基视作一个整体时所产生的变形，而后者是指顶、底板被墙分割所形成的每一块板（或内、外墙本身）在荷载作用下所产生的变形。,5.2 箱形基础的整体弯曲与局部弯曲 为便于计算,5.3 箱型基础的内力计算,5.3.1 整体弯曲的内力计算,1. 当上部结构为现浇剪力墙体系或框架剪力墙体系

27、时,2. 当上部结构为框架体系时,箱基整体弯曲很小，可忽略不计，即计算时仅考虑局部弯曲。,同时考虑整体弯曲及局部弯曲的作用,建筑物整体弯曲的弯矩,箱基整体弯曲弯矩,箱基刚度,上部结构刚度,5.3 箱型基础的内力计算5.3.1 整体弯曲的内力计算 1,5.3.2 局部弯曲时的内力计算,5.3.3 墙体截面剪力计算,同筏形基础的刚性板法。,5.3.2 局部弯曲时的内力计算5.3.3 墙体截面剪力计算,与浅基础相比，桩基础将荷载传至更深、范围更大的土层来承受，因此能提供更高的承载力，并降低沉降。,为什么桩基础较浅埋基础具有更高的承载力、更低的沉降？,浅基础,桩基础,与浅基础相比，桩基础将荷载传至更深

28、、范围更大的,单桩承载力,轴向抗压,6.1 单桩轴向抗压承载力的确定,轴向抗拔,横向受力,（1）地基土（岩）对桩的支承能力达到极限；,6.1.1 单桩竖向极限承载力,两种破坏形式,通常，桩的承载力取决于土（岩）对桩的支承能力。,（2）桩身强度达到极限。,而土（岩）对桩的支承能力来源于桩侧摩阻力、桩端阻力。,基础及地基在保证不发生破坏、不产生过大变形时，能够承受的最大外荷载。,单桩承载力 轴向抗压6.1 单桩轴向抗压承载力的确定轴向抗拔,2. 影响因素,（1）桩侧土（岩）层分布与性质,桩侧土的强度与变形性质直接影响桩侧阻力的大小及分布，从而影响到单桩的承载力。湿陷性、液化、欠固结等常会降低桩侧阻

29、力，甚至出现负摩阻力。,（2）桩端土（岩）层的性质,桩端持力层直接影响端阻的大小及沉降量。低压缩性、高强度的砂、砾、岩层等是理想的高端阻的持力层，而高压缩性、低强度的软土几乎不能提供端阻。,1. 极限承载力（按土（岩）阻力）,极限承载力=极限侧阻力+极限端阻力,2. 影响因素（1）桩侧土（岩）层分布与性质,（3）桩的几何特征及强度,包括桩的截面尺寸及形状、长度等。对端承桩（柱桩），强度常会成为桩承载力的控制因素。,（4）成桩效应,挤土桩、非挤土桩、部分挤土桩三种主要成桩工艺的成桩效应是不同的。通常，饱和土的成桩效应大于非饱和土，群桩大于单桩。,（5）施工因素的影响,灌注桩成孔对周围土体扰动及松

30、弛效应，会降低侧阻。,因清孔不彻底，桩底虚土、沉渣降低端阻。,护壁泥浆形成的泥皮降低侧阻。,砂土中打（压、振）入预制桩，因挤密作用可提高桩的侧阻、端阻。,（3）桩的几何特征及强度 包括桩的截面尺寸及形状,3. 侧阻、端阻的发挥,（1）侧阻先于端阻发挥出来。,（2）侧阻完全发挥所需的桩-土间相对位移较小，而端阻完全发挥所需的相对位移较大。,包树黄河大桥试桩直径1.8m，长90m,3. 侧阻、端阻的发挥 （1）侧阻先于端阻发挥出来。,6.1.2 按承载特性进行桩的分类,1.铁路桥涵地基和基础设计规范（TB 10002.5-2005 J464-2005）,摩擦桩：在承载力极限状态下，桩底位于较软土层

31、，轴向荷载由侧阻和端阻承担，且桩侧阻力在其中起主要支承作用。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，桩底支于坚硬土层（岩层），轴向荷载几乎全由桩端阻力承担。,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。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。,2. 建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）,6.1.2 按承载特性进行桩的分类1.铁路桥涵地基和基础,6.1.3 单桩承载力的计算 方法（规范中的经验公式法）

32、,单桩承载力的确定方法,原型试验法（现场试验）,理论计算法,利用原位测试结果进行推算,经验法,1.铁路桥涵地基和基础设计规范中桩的容许承载力,打入、振动下沉、桩尖爆扩桩,钻（挖）孔灌注桩,（1）摩擦桩,侧阻,端阻,侧阻,端阻,6.1.3 单桩承载力的计算 方法（规范中的经验公式法）单桩,端阻,（2）柱 桩,2.建筑桩基技术规范中桩的极限承载力,d800mm的桩,侧阻,端阻,d800mm的桩,侧阻折减系数,端阻折减系数,端阻（2）柱 桩2.建筑桩基技术规范中桩的极限承载力d,通过建立微单元平衡方程（竖向）,6.1.4 桩-土体系的荷载传递,研究竖向荷载作用下桩侧摩阻、桩身轴力、位移的分布情况。,

33、通过建立微单元平衡方程（竖向）6.1.4 桩-土体系的荷载传,得 到侧摩阻力与轴力的关系,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,得 到侧摩阻力与轴力的关系 侧摩阻力的直接量测,振弦式应变计,振弦式应变计,6.1.5 负摩擦桩,危 害：承载力下降，沉降增大。,原 因：桩侧土的竖向位移大于相应的桩的位移。,软土、湿陷性黄土、欠固结土；,桩周地面大面积堆载；,地下水位下降等。,负摩阻力：与桩的轴向荷载方向相反的桩侧摩阻力。,6.1.5 负摩擦桩危 害：承载力下降，沉降增大。 原 因：,湿陷性黄土,地表堆载,填 土,湿陷性黄土 地表堆载填 土,6.1

34、.6 单桩竖向抗压静载试验,1. 试验目的,（1）获得桩的沉降-荷载曲线，并由此确定桩的极限承载力等承载特性，以及桩的沉降特性。,（2）获得沿桩长的轴力分布情况，进一步得到侧摩阻力的分布及端阻力的大小。,2. 试验设备及元件,（1）反力系统：主梁、锚固系统（专用或借用工程桩）或堆载；,（2）加载系统：千斤顶，精密压力表；,（3）沉降量测设备：基准梁、百分表；,（4）应变量测元件及仪器：振弦式应变计（光纤）及量测仪。,6.1.6 单桩竖向抗压静载试验1. 试验目的 （1,应变计布置图,应变计布置图,千斤顶,主梁,次梁,支墩,试桩,锚桩,锚索,千斤顶主梁次梁支墩试桩锚桩锚索,千斤顶,试桩（帽）,基

35、准梁,百分表,千斤顶试桩（帽）基准梁百分表,振弦式应变计,振弦式应变计,3. 试验原理及过程,（1）采用千斤顶分级加载。,（2）每级荷载施加后，用百分表定时量测沉降量。沉降稳定后，量测桩身应变，然后施加下一级荷载。,（3）沉降无法稳定或超过规定限值时，停止加载。,（4）逐级卸载。,4. 试验成果,（1）桩顶沉降-荷载曲线；,极限承载力,（2）桩身轴力分布图；,桩侧摩阻力分布图,桩底端阻力,桩侧摩阻力,桩周长,i,i+1,3. 试验原理及过程 （1）采用千斤顶分级加载。,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。,极限荷载的确定,陡变型

36、,缓变型,(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。,建筑基桩检测技术规范（JGJ 106-2003）,陡变型：曲线明显发生下降的起始点。缓变型：取s=40或0.0,沉降-荷载曲线,冲孔灌注桩，长22m，桩径0.8m,轴力图,摩阻力,轴力图,沉降-荷载曲线冲孔灌注桩，轴力图摩阻力轴力图,6.1.7 桩承载力的自平衡法,1. 基本原理和方法,通过荷载箱的加载，可得到上段桩和下段桩

37、的极限承载力，二者之和即为整根桩的承载力。,6.1.7 桩承载力的自平衡法1. 基本原理和方法,建筑工程基础工程学课件,2. 荷载箱的位置,（1）需确定整个桩的承载力时，应尽量使上、下段同时达到极限荷载。 （2）按试验目的，置放在不同位置。,3. 优点及缺点,（2）可用于水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩、斜桩、嵌岩桩、抗拔桩等，这些都是传统试桩法难以做到的。,（1）适用于大型桩。,（3）试验费用通常较高（荷载箱是一次性的）。,端阻侧阻,端阻侧阻,抗拔,扩底抗拔,端阻侧阻,嵌岩段阻力,桩顶低于地面,逐段浇筑测试,多箱测试,（4）需准确预估桩的阻力。,2. 荷载箱的位置 （1）需确定整

38、个桩的承载力时，应尽,5. 实例,自平衡法与静载试验结果的对比（桩长63m，桩径0.8m）,4. 转换后的单桩极限抗压承载力为,修正系 数K1，是因为上段向下的桩侧摩阻力（试验时的试桩）小于向下的摩阻力（实际的工程桩）。,试验结果,转换后,5. 实例自平衡法与静载试验结果的对比4. 转换后的单桩极限,桩长60m，桩径2.8m。,润扬长江公路大桥南汊桥南塔基础,桩长60m，桩径2.8m。润扬长江公路大桥南汊桥南塔基础,6.2.1 群桩的工作特点,6.2 群桩基础的承载力,结 论,(2) 承台下土的无分担作用。,1. 端承桩（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

39、的沉降与各单桩沉降量相等。,(1) 桩底压应力不叠加;,特 点,6.2.1 群桩的工作特点6.2 群桩基础的承载力 结 论,（1）桩底压应力的叠加效应,2. 摩擦型群桩基础,桩间距较大时,应力不叠加,桩间距较小时,（2）群桩对桩间土性质的影响,砂土：预制桩沉桩过程中，砂土变得密实，侧摩阻力及端阻提高。,粘 土：预制桩沉桩过程中，扰动土体，使侧摩阻力降低。,桩间距较大时,桩间距较小时,应力叠加,（3）承台的分担作用,叠加效应使桩基的承载力降低，沉降加大。,低承台桩基的承台可分担部分荷载。,在设计时应选择合理的桩间距。,（1）桩底压应力的叠加效应2. 摩擦型群桩基础 桩间距较大时,6.2.2 群桩

40、效应及其影响因素（摩擦型群桩）,1侧阻的破坏形式,砂土、粉土、非饱和松散粘性土中的挤土型群桩，桩距较小时,非挤土桩,低承台桩基,整体破坏,非整体破坏,2桩底土的破坏形式,整体剪切局部剪切刺入式,整体剪切,局部剪切,6.2.2 群桩效应及其影响因素（摩擦型群桩）1侧阻的破,3砂土中的摩擦型群桩,（Meyerhof，1960；Kishida，1964；）,群桩效率：群桩中一根桩的承载力与单独一根桩的承载力之比。,（1）对松砂（30o）、中密砂（35o），1，即群桩承载力高于单桩承载力，且随着桩间距的减小而增大。过小时将降低。,（2）对很密的砂（45o），群桩效应系数1，因为很密实的砂在受到扰动后，

41、其密实度将降低。,（3）当桩距Sa(67)d时，群桩效应基本消失 。,3砂土中的摩擦型群桩 （Meyerhof，1960；Kis,4粉土中的摩擦型群桩,（刘金砺等，1984，1987）,（1）当无承台的影响时（即高承台），Sa1，之后1并保持稳定。对低承台桩基，由于承台可提供部分承载力，故其 明显高于高承台桩基。,4粉土中的摩擦型群桩（刘金砺等，1984，1987）,（2）群桩效应提高了桩的极限侧阻，并在Sa3d时出现峰值，无承台影响时，在Sa6d后群桩效应逐渐消失。此外，承台消弱了侧阻的发挥。,（3）对高承台桩基，极限端阻力低于单根桩，但低承台桩基使端阻的发挥得到了增强。,侧 阻,端 阻,（

42、2）群桩效应提高了桩的极限侧阻，并在Sa3d,5粘性土中的摩擦型群桩,（刘金砺等，1991）,（1）对群桩基础来说，由于在成桩过程中对土的扰动，造成其强度下降，因此群桩中的极限侧阻低于单桩，且随着桩距的减小而降低，这与前述砂、粉土等是不同的。,（2）群桩的极限端阻明显高于单桩，且随桩距的增大而降低。,侧 阻,端 阻,5粘性土中的摩擦型群桩（刘金砺等，1991） （,（3）群桩效率值 随桩距的增大而增加，且由于承台的作用（低承台桩基），Sa3d后1。,（3）群桩效率值 随桩距的增大而增加，且由于承台的,6.2.3 承台土反力及其对桩基承载力的贡献,承台的作用是将各单桩连接为整体，将荷载分配给各桩

43、，并使桩协调地工作。,（1）承台底土的压缩性愈低，强度愈高，承台承受的土反力愈大。,（2）承台外缘（外区）土反力大于群桩内部（内区）反力。桩距愈大，承台土反力愈大。,（3）桩愈短（与承台的宽度比愈小），承台土反力愈高。,（4）承台土反力所占比例随荷载水平的提高而提高。,6.2.3 承台土反力及其对桩基承载力的贡献,6.2.4 群桩基础的承载力,1.建筑桩基技术规范 中复合基桩的极限承载力承载力,老规范（JGJ 94-94）,抗力分项系数,群桩分项效应系数,桩的侧阻,桩的端阻,承台土阻力,基 桩：群桩中的一根桩。,复合基桩：考虑了承台效应的基桩。,6.2.4 群桩基础的承载力1.建筑桩基技术规范

44、 中复合,承台效应,实际上是为计算方便，忽略了群桩效应（Sa3d），但考虑了承台的作用。,单桩承载力特征值,安全系数，取为2,（1）由单桩极限承载力计算承载力特征值。,（2）由单桩承载力特征值计算复合基桩的承载力。,新规范（JGJ 94-2008）,承台效应 实际上是为计算方便，忽略了群桩效应（,除单桩进行承载力检算外，还需将群桩基础作为一个实体基础进行检算。,2.铁路桥涵地基和基础设计规范,除单桩进行承载力检算外，还需将群桩基础作为一,6.2.5 群桩软弱下卧层的承载力计算,为减小桩长节约投资，或由于穿透硬层困难，可能会将桩端设置于存在软弱下卧层的有限厚度硬层上。,6.2.5 群桩软弱下卧层

45、的承载力计算 为减小桩,6.2.6 群桩中桩顶（竖向）荷载的分配,荷载的分配的基本规律是角桩边桩中心桩,6.2.6 群桩中桩顶（竖向）荷载的分配 荷载的分配的基,6.4 单桩沉降计算,1. 对高速铁路中的桥梁基础及高层建（构）筑物来说，起控制作用的往往是基础的沉降变形，而不是承载力。,6.4.1 概述,铁路桥涵地基和基础设计规范新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定新建时速300500公里客运专线铁路设计暂行规定,6.4 单桩沉降计算 1. 对高速铁路中的桥梁基础,(1) 桩的沉降 = 桩自身的变形 + 桩底以下土层的压缩（摩擦桩）,(2) 活载作用下所产生的变形是瞬间的、弹性的，可以恢复

46、，故计算沉降变形时只考虑恒载的作用。,3. 沉降的计算方法,2. 沉降计算的基本原理及原则,较 小（钢筋砼的弹性模量30000MPa）,较 大（土的压缩模量数十数百MPa）,沉降确定方法,现场试验,理论方法,经验方法,数值计算方法,即：桩的沉降通常取决于土层（岩）的性质。,(1) 桩的沉降 = 桩自身的变形 +,4. 沉降计算模型,（1）桩周围的土体可用一系列独立的弹簧来模拟，如荷载传递法中；均质的弹性半无限体，如弹性理论法中；或按实际的土层进行计算，如有限元等数值方法中。,桩基的沉降与周围土层及其性质密切相关，因此合理模拟土层是沉降计算的重要前提。,（2）土体可看作：弹性的、弹塑性的、粘性的

47、等。,4. 沉降计算模型 （1）桩周围的土体可用,6.4.2 单桩沉降计算,传递函数法,桩侧阻力的传递函数,以Kezdi法（1957）为例,反映土的类别及性质的参数,极限侧摩阻力时的位移,1. 荷载传递法,优点：计算较为简单。,缺点：合理的传递函数难以确定。,荷载传递分析法,弹性理论法,剪切变形传递法,6.4.2 单桩沉降计算传递函数法 桩侧阻力的传递函数 以,2. 剪切变形传递法,(Cooke，1974),假设：（1）荷载在土层中产生的的竖向应力不随深度变化；（2）桩的沉降由剪切变形的积累而产生的。,剪应变,剪应力,平衡方程,影响半径 ,rm=20r0,问题：为什么会出现rm时s 的情况？,

48、 0r0, r,对土层,2. 剪切变形传递法(Cooke，1974) 假设：（1）荷,3. 弹性理论法（20世纪60年代 ）,（1） 基本假定,土为均质、各向同性的弹性半无限体；桩侧完全粗糙，即桩、土之间沿切向无相对位移。,（1）作用在各单元中点处桩轴上的集中荷载（DAppolonia&Romualdi，Thurman&DAppolonia）；,（2）各单元中点处的圆形面积上的均布荷载（Nair）；,（3）作用在各单元四周侧面上的均布荷载 （Poulos&Davis，Polous&Mattes）。,发展过程（对桩侧阻力的简化方法）,3. 弹性理论法（20世纪60年代 ）（1） 基本假定,桩侧单

49、位剪应力在桩侧产生的竖向位移,桩底单位正应力在桩侧产生的竖向位移,桩侧最终位移为,以矩阵形式表示为,（2）土的位移方程,桩侧单位剪应力在桩侧产生的竖向位移 桩底单位正应力在桩侧产生,（3）Iij、Ibj、Iib、Ibb的计算,单元j单位侧摩阻力在任意点i产生的位移量Iij,（3）Iij、Ibj、Iib、Ibb的计算单元j单位侧摩阻力,由Mindlin竖向位移解,对于变量，由于直接积分比较困难，故采用数值积分,由Mindlin竖向位移解对于变量，由于直接积分比较困难，,（4）桩的位移方程,由桩微单元的平衡方程可得,用差分法，可得,（4）桩的位移方程由桩微单元的平衡方程可得 用差分法，可得,（5）

50、建立求解方程,相容条件,假设桩、土之间无相对位移,优 点：较用弹簧模拟土层作用更符合实际。,缺 点：计算较为复杂；无法模拟多种土层。,（7）对群桩基础，可采用叠加法计算。,（6）不均匀土层的计算,（5）建立求解方程相容条件 假设桩、土之间无相对位移 优,6.5.2 规范中沉降的计算方法,6.5 群桩的沉降计算 （规范）,6.5.1 理论法,（1） 弹性理论法,（2） 剪切变形传递法,问题：荷载传递法是否可以？,（1）铁路桥涵地基和基础设计规范,（2）建筑地基基础设计规范,（3）建筑桩基技术规范,6.5.2 规范中沉降的计算方法6.5 群桩的沉降计算,1.铁路桥涵地基和基础设计规范的计算方法 （