桩的竖向承载力解读课件.ppt

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1、2023/1/21,1,1、什么是桩基础？什么情况下使用桩基础？2、桩与承台的作用？3、桩基础的特点？4、摩擦型桩与摩擦桩、端承型桩与端承桩、挤土桩与非挤土桩。5、高承台桩基础与低承台桩基础。,请回答：,2023/1/21,2,2,4.桩基础,4.3 单桩竖向承载力,承载机理 荷载桩压缩侧摩阻消耗荷载桩底阻力桩顶荷载全部桩端阻承担持力层破坏。此时桩顶所承受的荷载就是极限承载力。土对桩的支撑力 桩侧摩阻力和桩端阻力：何种为主，与桩身压缩量有关。,桩的荷载传递过程实质上就是桩侧摩阻力与桩端阻力逐步发挥的过程。,4.3.1 单桩轴向荷载的传递机理,2023/1/21,3,3,4.桩基础,桩上部侧阻先

2、于下部侧阻，侧阻先于端阻发挥，发挥程度与桩土相对位移相关；侧阻充分发挥桩土相对位移值：粘性土：46mm；砂土：610mm；端阻充分发挥桩底极限位移值：砂类土:(0.080.1)d；粘性土：0.25d，硬粘土 0.1d。桩侧阻与桩端阻存在深度效应。,4.3.1 桩的荷载传递机理,图4.11 桩身荷载传递(a)摩擦桩；(b)端承桩,2023/1/21,4,桩侧摩阻力发挥作用的程度与桩和桩土间的相对位移有关，对于摩擦桩，当桩顶有竖向压力Q时，桩顶位移为s0。s0由两部分组成：一部分为桩端的下沉量sp（包括桩端土体的压缩量和桩尖刺入桩端土层而引起的整个桩身的位移），另一部分为桩身在轴向力作用下产生的压

3、缩变形ss。s0=sp+ss,4.3.1 桩的荷载传递机理,侧阻力沿桩身的分布,2023/1/21,5,取微桩段上力的平衡条件，可得到桩侧阻力qs与桩身轴力N(z)的关系：,桩荷载传递的基本微分方程,4.3.1 桩的荷载传递机理,侧阻力沿桩身的分布,2023/1/21,6,测出桩顶竖向位移s0后，可利用上述已测轴力分布曲线N(z)计算出桩端位移和任意深度处桩截面的位移s(z)，即：,桩身截面位移s(z)：,4.3.1 桩的荷载传递机理,侧阻力沿桩身的分布,2023/1/21,7,影响荷载传递的因素,根据桩的长径比，桩可分为短桩（L/d10)、中长桩（L/d10)、长桩（L/d40)和超长桩（L

4、/d100)。澳大利亚学者Poulos等运用弹性理论来分析桩基，结果表明竖向受压时桩的荷载传递有以下规律：桩端土与桩侧土的相对刚度 有关。定义为桩端土与桩侧土的压缩模量或变形模量之比Eb/Es。其值越大，说明桩端土抵抗变形的能力强于桩侧土。越小，桩身轴力沿深度衰减越快，即传递到桩端的荷载越小。当=0时，荷载全部由桩侧阻力承担,属于摩擦桩。,4.3.1 桩的荷载传递机理,2023/1/21,8,桩与桩侧土的相对刚度 定义为桩与桩侧土的压缩模量或变形模量之比。当 增大，桩端阻力也增大；反之桩端阻力分担的荷载比例降低。对于 10的中长桩，桩端阻力接近于零。这说明对于碎石桩、灰土桩等低刚度桩组成的基础

5、，应按复合地基原理设计。,影响荷载传递的因素,2023/1/21,9,影响荷载传递的因素,桩端扩底直径与桩身直径之比D/d：D/d越大，桩端阻力分担的荷载比越大。对扩底桩，增大扩底直径与桩身直径之比D/d，桩端分担的荷载可以提高。,2023/1/21,10,随长径比 增大而减小，桩身下部侧阻的发挥也相应降低。当桩长较大时，桩端土的性质对荷载传递的影响较小，荷载主要由桩侧的摩阻力分担。当桩很长时，则不论桩端土刚度多大端阻均可忽略不计，荷载全部由桩侧阻力分担。因此，很长的桩实际上总是摩擦桩此种情况下，用扩大桩端直径来提高承载力是徒劳的。,影响荷载传递的因素,2023/1/21,11,深度效应侧阻深

6、度效应侧阻随深度增大而增加，但当桩入土深达某一临界深度后，侧阻就不随深度增加了。这个现象称为侧阻深度效应。端阻也存在深度效应现象。当桩端入土深度现象增加，而大于该深度后则保持恒值不变，这一深度称为端阻的临界深度，它随持力层密度的提高，上覆荷载的减小而增大。,影响荷载传递的因素,2023/1/21,12,综上所述，可归纳为以下几点：1、荷载增加时，桩身上部侧阻先于下部侧阻发挥作用。2、一般情况下，侧阻先于端阻发挥作用。3、工作荷载作用下，对于一般摩擦型桩，侧阻发挥作用的比例明显高于端阻发挥作用的比例。4、对于l/d较大的桩，即使桩端持力层为岩层或坚硬土层，桩端阻很小，也可忽略成摩擦桩。,影响荷载

7、传递的因素,2023/1/21,13,上述理论分析结果表明，为了有效地发挥桩的承载性能和取得良好的经济效益，设计时应根据土层的分布性质并注意桩的荷载传递特性，合理确定桩长、桩径和桩端持力层。,影响荷载传递的因素,2023/1/21,14,桩侧极限摩阻力的确定桩侧单位面积的极限摩阻力取决于桩土间的剪切强度。按库仑强度理论得知:（47）式中：桩侧单位面积的极限摩阻力（桩土间剪切面上的抗剪强度）（kPa）；土的水平应力及竖向应力（KPa）；桩、土间的粘结力(KPa)及摩擦角；土的侧压力系数。,2023/1/21,15,桩底极限阻力的确定 把桩作为深埋基础，在做了某些假定的前提下，运用极限平衡理论，导

8、出地基极限荷载（即桩底极限阻力）的理论公式：（410）式中：桩底地基单位面积的极限荷载（kPa）；与桩底形状有关的系数；承载力系数，均与土的内摩擦角有关；桩底平面以上土的平均容重（KN/m3）；桩的入土深度(m)。,2023/1/21,16,16,4.桩基础,单桩竖向承载力的确定取决于两方面：地层的支撑力 桩身材料强度 如按桩的载荷试验确定，则以兼顾到了两个方面。一般说来，桩的承载力主要由前者决定；材料强度往往不能充分利用，只有对端承桩、超长桩以及桩身质量有缺陷的桩，才可能由桩身材料强度控制桩的承载能力。,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,17,单桩竖向承载力分析 作用于桩顶

9、的竖向荷载Q是由桩侧土的总摩阻力Qs和桩端土的端阻力Qb共同承担。Q Qs Qb 当桩顶荷载加大至极限值时，Q uQsu QPu Q u称为单桩竖向抗压极限承载力(kN)；Qsu为单桩总极限摩侧阻力(kN)；Qbu则为单桩总极限端阻力(kN)。,4.3.2 单桩竖向承载力确定,单桩竖向承载力特征值：Ra=QU/K,K安全系数,常取2,2023/1/21,18,我国确定桩的承载力的方法有两种：根据建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）方法；根据建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）。桩的承载力包括单桩竖向承载力、群桩竖向承载力和桩的水平承载力。,4.3.2 单桩竖向承载力确定,20

10、23/1/21,19,按桩周土的支承能力确定 现将建筑地基基础设计规范中推荐的几种主要方法介绍如下：由试验结果可绘出桩顶荷载和桩顶沉降关系曲线，根据上述曲线特性，可用下列方法确定单桩竖向极限承载力。,4.3.2 单桩竖向承载力确定,竖向抗压静载试验确定,2023/1/21,20,20,4.桩基础,竖向抗压静载试验确定,特点：是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法。基本原则 桩数：不宜小于总数1，不少于3根；时间：对于预制桩，桩设置后开始载荷试验所需的间歇时间：对于砂类土不得少于7天；粉土和粘性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,21,

11、21,4.桩基础,试验装置及方法,试验装置：加荷系统：包括加力装置和反力装置、位移观测系统 测试方法：分级（开始阶段1/51/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/101/15）慢速维持荷载法。,图4.18 静载实验装置,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,22,22,4.桩基础,直接堆载,锚桩反力梁法,锚桩d=1.8m,横梁：1.7m2.7m,反力装置,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,23,2023/1/21,24,锚桩法静载试验,2023/1/21,25,锚桩法静载试验,2023/1/21,26,26,4.桩基础,每级荷载大小 分级（初始阶段：每级荷载为1/51

12、/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/101/15）。测读沉降时间 在每级荷载施加后第一个小时内，按5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。稳定标准 每级荷载下桩顶沉降量小于0.1mm/h，并连续出现两次。,慢速维持荷载法,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,27,27,4.桩基础,某级荷载下，桩顶沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍；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；已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重量时。,终止条件,每级卸载为加载时的两倍。卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60m

13、in测读桩顶沉降量；卸载至零后测读桩顶残余沉降量，维持3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。,卸载观测,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,28,28,4.桩基础,试验成果处理极限荷载确定,按沉降随荷载的变化特征确定 对陡降型Q-s曲线，取曲线发生明显 陡降的起始点所对应的荷载为Qu 由沉降量确定Qu 对缓变型Q-s曲线，可取s=40mm 对应的荷载值为Qu。大直径桩可取 s=0.030.06d对应的荷载值(大桩取 低值，小桩取高值)，细长桩(l/d 80)可取s=6080mm对应的荷载。沉降速率法s-lgt法 取破坏荷载的前一级荷载,图4.12 单桩

14、Q-s曲线,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,29,按土的抗剪强度指标确定（1）单桩承载力的一般表达式 单桩净极限承载力等于桩底总极限阻力与桩侧总极限摩阻力之和减去桩的重量；单桩轴向容许承载力为桩的极限阻力除以安全系数。单桩承载力特征值为：,2023/1/21,30,按土的抗剪强度指标确定（2）粘性土中单桩的承载力 对于正常固结、弱固结或灵敏粘性土中的桩：式中右侧两项分别与 和 对应。式中：应为桩底以上3倍桩径至桩底以下一倍桩径（或桩宽）范围内土的不排水抗剪强度平均值，可按实验结果取值。对钻孔桩，裂隙粘土的 可取三轴不排水抗剪强度的0.75倍。,2023/1/21,31,按土

15、的抗剪强度指标确定 为塑性力学理论（土的不排水内摩擦角）确定的深基础地基承载力系数，当长径比 时，。为桩土间的附着力，等于附着力因数与 不排水抗剪强度平均值 相乘。对于软粘土 或更大，但随 的增大而降低。对于全长打入硬粘土中的桩，当桩长,2023/1/21,32,按土的抗剪强度指标确定 打入桩穿过上部其他土层时，上层土被桩拖带进入下卧硬粘土层而影响其，这种现象称为涂抹作用。当进入硬涂层的长度，上部为砂、砾，上部为软土。不属于上述情况者，取0.7.对于打入桩，取值不得超过100kPa。对于钻孔桩，取值还不成熟，平均取0.45.对于扩底桩，桩底以上2倍桩身直径范围内的附着力不考虑，即取。,2023

16、/1/21,33,【例4-1】承台底面下长度12.5m的预制桩截面为350mm350mm，打穿厚度 的淤泥质土（以重塑试样测定的），进入硬塑黏土的长度，取黏土的，试计算试计算单桩承载力特征值。,【解】，故取 对于硬黏土,取安全系数为2，则单桩承载力特征值为：,2023/1/21,34,按土的抗剪强度指标确定（2）粘性土中单桩的承载力 对于超固结或非灵敏粘性土中的桩：为桩侧厚为 的第i层土的有效自重压力平均值；,（3）粘性土中单桩的承载力（略）,2023/1/21,35,GB50007-2012确定单桩承载力特征值Ra,(1)单桩应Ra通过单桩竖向静载荷试验确定;(2)丙级建筑物桩基，可采用静力

17、触探、标贯试验确定；(3)初步设计可按下式估算:,(4)桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中:,4.3.2 单桩竖向承载力确定,经验公式法 利用经验公式确定单桩承载力的方法是种沿用多年的传统方法。这种方法适用于各种类型的桩，并用极限设计的形式表示。,2023/1/21,36,【例4-2】承台底面下长度12.5m的预制桩截面为350mm350mm，打穿厚度 的淤泥质土，进入硬塑黏土的长度，设淤泥的，硬塑黏土 试计算试计算单桩承载力特征值。,2023/1/21,37,37,4.桩基础,打入桩,li 承台底面或局部（最大）冲刷线以下各土层的厚度；i 与li对应的桩侧各土层的单位面积极限摩阻力；A 桩底面积

18、；R 桩底处土的极限承载力；i、振动下沉对桩侧摩阻力与桩端阻力的影响系数。,按经验公式确定（路桥）,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,38,38,4.桩基础,钻孔灌注桩,u 桩周长，(旋转钻增大35cm；冲击钻增大 510cm；冲抓钻增大1020cm)；考虑基桩长径比的修正系数；m0 清底系数；s0 桩端处土的容许承载力；h 桩底埋深，有冲刷时从一般冲刷线算起，取值应40m；A 按设计直径计算。,按经验公式确定（路桥）,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,39,39,4.桩基础,柱桩：,c1,c2 视清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的系数；U 桩身嵌入基岩部分

19、的截面周长，对于钻孔桩和管 柱按设计直径采用；Ra 天然湿度岩石单轴极限抗压强度(试件高径比相 等，直径710cm)。,按经验公式确定（路桥）,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,40,40,4.桩基础,原理：在桩顶施加动荷载，使桩身产生加速度和土阻尼等效应，通过设置于桩顶的传感器量测此动力响应信号（如位移、速度或加速度），据此分析确定桩身完整性或承载力。高应变法：一般以重锤敲击桩顶，使桩贯入，桩土间产生相对位移，从而分析对桩的外来抗力，可同时测定桩身完整性与承载力。低应变法：施加的荷载远小于桩的使用荷载，不足以使桩产生相对位移，而只通过应力波的反射和传播，主要用以检测桩身砼质

20、量。,按动力试桩法确定,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,41,按桩身材料强度确定 根据材料强度计算单桩承载力时，可把桩视为插在土中的受压杆件，在轴向压力作用下，计算桩身轴力受压强度时，一般可不考虑弯曲的影响，即取稳定系数1.0，则其承载力设计值可用下式确定：,4.3.2 单桩竖向承载力确定,2023/1/21,42,按桩身材料强度确定,建工 路桥,As 全部纵向钢筋的截面积；,2023/1/21,43,1、单桩轴向荷载的传递受哪些因素影响？2、单桩竖向承载力的确定方法有哪些？,请回答：,2023/1/21,44,44,4.桩基础,图4.14、15 群桩效应,4.3.3 群桩

21、效应,2023/1/21,45,实际工程中，大多的情况并不是由一根桩单独承担荷载，而是由承台将若干根桩连成一个整体共同承担外荷载，形成群桩。群桩是一个复杂的传力体系，它的承载性能不同于单桩，具有群桩效应。=群桩基础承载力/单桩承载力之和,4.3.3 群桩效应,2023/1/21,46,对于群桩基础，作用于承台上的荷载实际上是由桩、承台和地基共同承担的。(一)端承型群桩基础 端承桩组成的群桩基础，竖向荷载绝大部分由桩身传递到桩端，桩底压力分布面积较小，各桩端的压力可认为是互不影响的，群桩基础中各桩的工作状态与单桩的情况基本一致。此时群桩效应系数=1。,4.4.3竖向荷载下群桩效应,2023/1/

22、21,47,(二)摩擦型群桩基础摩擦桩组成的群桩基础，主要通过每根桩的桩侧摩擦力将上部荷载传递到桩周土及桩端土层中。,4.4.3竖向荷载下群桩效应,2023/1/21,48,4.4.3竖向荷载下群桩效应,主要随下列因素影响而变化。桩距影响 桩间土竖向位移受相邻桩影响而增大，桩土相对位移随之减小，使得在相等沉降条件下，群桩侧阻力发挥值小单桩。在桩距很小条件下，即使发生很大沉降，群桩中各基桩的侧阻力也不能得到充分发挥。一般情况下，端阻力随桩距减小而增大，这是由于邻桩的桩侧剪应力在桩端平面上重叠，导致桩端平面的主应力差减小，以及桩端土的侧向变形受到邻校逆向变形的制约而减小所致。其群桩端阻力因挤土效应

23、而提高，提高幅度随桩距增大而减小。,2023/1/21,49,4.4.3竖向荷载下群桩效应,主要随下列因素影响而变化。承台影响 低承台限制了桩群上部的桩土相对位移，从而使基桩上段侧阻力发挥值降低，即对侧阻力起“削弱效应”。侧阻力的承台效应随承台底土体压缩性提高而降低。对于低承台，当桩与承台宽度比L/Bc2时，承台土反力传布到桩端平面使主应力差减小，承台还具有限制桩土相对位移、减小桩端贯人变形的作用，从而导致桩端阻力提高。承台底地基土愈软，承台效应愈小。,2023/1/21,50,4.4.3 竖向荷载下群桩效应,影响群桩效应的主要因素，一是群桩自身的几何特征，包括承台的设置方式(高或低承台)、桩

24、距、桩长、及桩长与承台宽度比、桩的排列形式、桩数；二是桩侧与桩端的土性、土层分布和成桩工艺(挤土或非挤土)。群桩效应具体反映于以下几方面群桩的侧阻力、群桩的端阻力、承台土反力、桩顶荷载分布、群桩沉降及其随荷载的变化、群桩的破坏模式。,2023/1/21,51,4.4.3 竖向荷载下群桩效应,群桩效应一般针对摩擦型群桩。它主要表现在承载力和沉降两个方面。由于群桩影响而使承载力降低可以用群桩效应系数表示，而群桩沉降的增大可以用沉降比来表示。采用这两个系数将群桩与单桩的性状进行比较，并以此来评价群桩的工作性能。,2023/1/21,52,（2）沉降比,4.4.3 竖向荷载下群桩效应,群桩效应系数越小，沉降比越大。即群桩效应越强，则群桩承载力越低、沉降越大。和的定量评价是一个复杂的问题，主要受桩距、桩数、土质、土层构造、桩径、桩的类型、桩的排列方式等的影响。,2023/1/21,53,传统的方法认为，荷载全部由桩承担，承台底地基土不分担荷载，这种考虑无疑是偏于安全的。但大量研究和现场实测表明：对于摩擦型桩基，承台下的桩间土参与承担部分外荷载。承载的比例随桩群的几何特征变比，从百分之十几直至百分之五十以上。,二、承台下土对荷载的分担作用 桩基受荷载后是否考虑承台底面的桩间土分担荷载？,4.4.3 竖向荷载下群桩效应,2023/1/21,54,什么是群桩效应？群桩效应系数？,思考题,