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1、单桩承载力,一、单桩轴向荷载传递机理和特点 二、单桩轴向容许承载力按土的支承力的确定三、单桩横轴向容许承载力的确定 四、按桩身材料强度确定单桩承载力五、关于桩的负摩阻问题,back,一、单桩轴向荷载传递机理和特点,(一)荷载传递过程与土对桩的支承力(二)桩侧摩阻力的影响因素及其分布(三)桩底阻力的影响因素及其深度效应(四)单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式,back,（一）荷载传递过程 与土对桩的支承力,桩基础=承台+基桩单桩承载力：单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力及弯矩
2、作用，因此须分别研究和确定单桩的轴向承载力和横轴向承载力。桩的承载力是桩与土共同作用的结果，了解单桩在轴向荷载下桩土间的传力途径、单桩承载力的构成特点以及单桩受力破坏形态等基本概念，将对正确确定单桩承载力有指导意义。,桩在轴向压力荷载作用下:桩顶将发生轴向位移(沉降)=桩身弹性压缩+桩底土层压缩之和 置于土中的桩与其侧面土是紧密接触的，当桩相对于土向下位移时就产生土对桩向上作用的桩侧摩阻力。桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断地克服这种摩阻力，桩身轴向力就随深度逐渐减小，传至桩底轴向力也即桩底支承反力，桩底支承反力=桩顶荷载-全部桩侧摩阻力 桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩底阻力传递给土体。
3、,（一）荷载传递过程 与土对桩的支承力,土对桩的支承力=桩侧摩阻力+桩底阻力桩的极限荷载(或称极限承载力)=桩侧极限摩阻力+桩底极限阻力 桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的。试验表明：桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，在粘性土中约为桩底直径的25%，在砂性土中约为8%10%，而桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥，具体数量目前认识尚不能有一致的意见，但一般认为粘性土为46mm，砂性土为610mm。,（一）荷载传递过程 与土对桩的支承力,柱桩：由于桩底位移很小，桩侧摩阻力不易得到充分发挥。对于一般柱桩，桩底阻力
4、占桩支承力的绝大部分，桩侧摩阻力很小常忽略不计。但对较长的柱桩且覆盖层较厚时，由于桩身的弹性压缩较大，也足以使桩侧摩阻力得以发挥，对于这类柱桩国内已有规范建议可予以计算桩侧摩阻力。摩擦桩：桩底土层支承反力发挥到极限值，则需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来，然后桩底阻力才逐渐发挥，直至达到极限值。对于桩长很大的摩擦桩，也因桩身压缩变形大，桩底反力尚未达到极限值，桩顶位移已超过使用要求所容许的范围，且传递到桩底的荷载也很微小，此时确定桩的承载为时桩底极限阻力不宜取值过大。,（一）荷载传递过程 与土对桩的支承力,back,（二）桩侧摩阻力的影响 因素及其分布,桩
5、侧摩阻力=f(土间的相对位移，土的性质，桩的刚度，时间，土中应力状态，桩的施工）桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题。桩侧土极限摩阻力值桩侧土的剪切强度桩侧土的剪切强度=f(类别、性质、状态和剪切面上的法向应力)桩的刚度较小时，桩顶截面的位移较大而桩底较小，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较大时，桩身各截面位移较接近，由于桩下部侧面土的初始法向应力较大，土的抗剪强度也较大，以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。,由于桩底地基土的压缩是逐渐完成的，因此桩侧摩阻力所承担荷载将随时间由桩身上部向桩下部转移。在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、状态在一定范围内会有变化，影响脏侧摩阻力，并且往往也有时间效应。
6、影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要因素。在分析基桩承载力等问题时，各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响，应分别情况予以注意。在塑性状态粘性上中打桩，在桩侧造成对土的扰动，再加上打桩的挤压影响会在打桩过程中使桩周围土内孔隙水压力上升，土的抗剪强度降低，桩侧摩阻力变小。待打桩完成经过一段时间后，超孔隙水压力逐渐消散，再加上粘土的触变性质，使桩周围一定范围内的抗剪强度不但能得到恢复，而且往往还可能超过其原来强度，桩侧摩阻力得到提高。,（二）桩侧摩阻力的影响 因素及其分布,在砂性上中打桩时，桩侧摩阻力的变化与砂土的初始密度有关，如密实砂性上有剪胀性会使摩阻力出现峰值后有所下降。桩侧摩阻力的大
7、小及其分布决定着桩身轴向力随深度的变化及数值，因此掌握、了解桩侧摩阻力的分布规律，对研究和分析桩的工作状态有重要作用。由于影响桩侧摩阻力的因素即桩土间的相对位移、土中的侧向应力及上质分布及性状均随深度变比，因此要精确地用物理力学方程描述桩侧摩阻力沿深度的分布规律较复杂。,（二）桩侧摩阻力的影响 因素及其分布,如图所示两例来说明其分布变化。其中 a)为上海某工程钢管打入桩实测资料,在粘性土中的打入桩的惦侧摩阻力沿深度分布的形状近乎抛物线，在桩顶处的摩阻力等于零，桩身中段处的摩阻力比桩的下段大。现常近似假设打入桩桩侧摩阻力在地面处为零，b)图为我国某工程钻孔灌注桩实测资料，从地面起的桩侧摩阻力呈线
8、性增加，其深度仅为桩径的5一10倍，而沿桩长的摩阻力分布则比较均匀。而对钻孔灌注桩则近似假设桩侧摩阻力沿桩身均匀分布。,（二）桩侧摩阻力的影响 因素及其分布,back,back,（三）桩底阻力的影响因素及其深度效应,桩底阻力=f(土的性质，持力层上覆荷载，桩径，桩底作用力、时间及桩底端进持力层深度）桩底地基土的受压刚度和抗剪强度大则桩底阻力也大，桩底极限阻力取决于持力层土的抗剪强度和上覆荷载及桩径大小的影响。由于桩底地基土层受压固结作用是逐渐完成的，桩底阻力将随土层固结度提高会随着时间而增长。模型和现场的试验研究表明，桩的承载力(主要是桩底阻力)随着桩的入土深度，特别是进入持力层的深度而变化。
9、这种特性称为深度效应，桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度h。,h与持力层的上覆荷载和持力层土的密度有关。上部荷载越小、持力层土密度越大，则h越大。当持力层下为软弱土层也存在一个临界厚度tc 当桩底下卧软弱层顶面的距离ttc时，桩底阻力将随着t的减小而下降，持力层土密度越高、桩径越大，则tc越大。由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩底下硬层的厚度。必须指出，群桩的深度效应概念与上述单桩不同。在均匀砂或有覆盖层的砂层中，群桩的承载力始终
10、随着桩进入持力层的深度而增大，不存在临界深度，当有下卧软弱土层时，软弱土对单桩的影响更大。,（三）桩底阻力的影响因素及其深度效应,back,（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式,第一种情况：当桩底支承在很坚硬的地层，桩侧土为软上层其抗剪强度很低时，（如图a)，桩在轴向受压荷载作用下，如同一根压杆似地出现纵向挠曲破坏。在荷载-沉降(P-s)曲线上呈现出明确的破坏荷载。桩的承载力取决于桩身的材料强度。,（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式,第二种情况：当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时(如图b)，桩在轴向受压荷载作用下，桩底土体能形成滑动面出现整体剪切破坏，这是
11、因为桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成。在PT曲线上可求得明确的破坏荷载。桩的承载力主要取于桩底士的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。,（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式,第三种情况：当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时(如图c)，桩在轴向受压荷载作用下，将会出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同，试验中得到的P-S曲线上可能没有明显的转折点或有明显的转折点(表示破坏荷载)。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同支承，即一般所称摩擦桩或几乎全由桩侧摩阻力支承即纯摩擦桩。,back,二、单桩轴向容许承载力按土的支承力的确定,单桩轴向容许承载力：单桩在轴向荷载作
12、用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极限承载力(极限桩侧摩阻力与极限桩底阻力之和）考虑必要的安全度后求得的。确定方法有多种，考虑地基土具有多变性、复杂性和地域性，几种方法作综合考虑和分析，合理地确定。,二、单桩轴向容许承载力按土的支承力的确定,(一)用静载试验确定单桩转向容计承载力(二)按设计规范经验公式确定单桩转向容 许承载力(三)按静力触探法确定单桩容许承载力(四)按动测试桩法确定单桩轴向受压容许承载力(五)按静力分析法确定单桩容许承载力,back,（一)用静载试验确定单桩转向容计承载力,垂直静载试验法：在桩顶逐级施加轴向
13、荷载，直至桩达到破坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向容许承载力。试桩的要求：可在已打好的工程桩，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。考虑到试验场地的差异性及试验的离散性，不少2%，不应少于2根，试桩的施工方法以及试桩的材料和尺寸、入土深度均应与设计桩相同。,（一）用静载试验确定单桩转向容计承载力,1.试验装置2.测试方法 3.极限荷载和轴间容许承载力的确定,back,1.试验装置,锚桩法：锚桩、锚梁、横梁和油压千斤顶组成，如下图所示。锚桩：4一6根，入土深度等于或大于试桩的入土深度。锚桩与试桩的间距应大于试桩桩径的3倍，以减小
14、对试桩的影响。桩顶沉降常用百分表或位移计量测。观测装置的固定点(如基准桩)应与试锚桩保持适当距离可参阅表3-3。,back,2.测试方法,加载应分级：每级荷载约为预估的破坏荷载的1/10-1/15。有时也采用递变加载，开始1/2.51/5，终了阶段1/101/15。测读沉降时间：每级加荷后的第一小时内，按2、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。沉降稳定的标准：对砂性土为30min内不超过0.lmm，对粘性土为lh内不超过0.lmm。,2.测试方法,终止试验：待某一级沉降稳定后，施加下一级。循此加载观测，直至桩达到破坏状态。破坏状态标准：所相应
15、施加的荷载即为破坏 荷载（1）桩的沉降量突然增大，总沉降量大于40mm，且本级荷载下的沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍以上。(2)本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉降量的2倍，且24h桩的沉降未趋稳定。,back,3.极限荷载和轴间容许承载力的确定,极限荷载 破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，从而确定单桩轴向容许承载力 P=Pj/K式中：P单桩轴向受压容许承载力(kN);Pj 试桩的极限荷载(kN);K 安全系数，一般为2。,3.极限荷载和轴间容许承载力的确定,破坏荷载的标准方面的分歧意见：因为上述破坏标准虽然也符合桩开始破坏时将发生剧烈的或不停滞的下沉这一概念，但却人为地统一
16、规定了以某个沉降值或沉降速率作为破坏标准，实际上对处于各种土层中的桩，在破坏荷载下的沉降量及沉降速率是不相同的。因此，比较准确地确定桩极限荷载的方法，应当根据试验测得资料所作成的试验曲线来分析，分析试桩曲线的方法很多，下面仅介绍两种常用方法。,3.极限荷载和轴间容许承载力的确定,（1）P-S曲线明显转折点法 在由静载试验绘制的P-S曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的作用荷载作为极限荷载，如图所示。这是因为当荷载超过极限荷载后，桩底下土达到破坏阶段发生大量塑性变形，引起起桩发生较大或长时间仍不停止的沉降，所以在P-S曲线上呈现出明显的下弯转折点。但有时P-S曲线的转折点不明显，此时极限荷载
17、就难以确定，需借助其他方法辅助判定，例如用对数坐标绘制logP-logS曲线，可能使转折点显得明确些。,3.极限荷载和轴间容许承载力的确定,back,3.极限荷载和轴间容许承载力的确定,(2)S-logt法(沉降速率法)这种方法是按沉降随时间的变化特征来确定极限荷载的，根据以往大量的试桩资料分析，发现桩在破坏荷载以前的每级下沉量(S)与时间(t)的对数成线性关系(如图所示)，用公式表示为 S=mlogt 直线的斜率m在某种程度上反映了桩的沉降速率。m值不是常数，它随着桩上荷载增加而增大,m越大则桩的沉降速率越大。当桩上荷载继续增大时，如发现绘得的S-logt线不是直线而是折线时，则说明在该级荷
18、载作用下桩沉降骤增，此为地基土塑性变形骤增的结果即为桩破坏的标志。因此可将相应于S-logt线型由直线变为折线的那一级荷载定为该桩的破坏荷载，其前一级荷载即为桩的极限荷载。,back,3.极限荷载和轴间容许承载力的确定,back,（二）按设计规范经验公式确定单桩转向容许承载力,1.摩擦桩 2.柱桩,back,1.摩擦桩,下面以公桥基规所用经验公式为例，说明此种方法(以下各经验公式除特殊说明者外均适用于钢筋混凝土桩、混凝土桩及预应力混凝土桩)单桩容许承载力P=桩侧极限摩阻力Psu十桩底极限阻力Ppu/安全系数(1)打入桩的容许承载力按下式计算 P=Uilii+AR/2,1.摩擦桩,上式中：P 单
19、桩轴向受压容许承载力(KN);当荷载为附加组合、临时施工荷载或拱承受单向自重推力时，可予以提高;U 桩的周长(m);Li 桩在承台底面或最大冲刷线以下的第i层土层中的长度(m);i 与li相对应的各土层与桩侧的极限摩阻力(kPa)，可按表3-4查用;A 桩底面积(m)i；R 桩底处上的极限承载力(kPa)，可按表3-5查用;i，分别为振动下沉对各土层桩侧摩阻力和桩底抵抗力的影响系数，按表3-6查用，对于打入桩其值均为1.0。,1.摩擦桩,钢管桩（考虑桩底端闭塞效应及其挤土效应）Pj=sUlii+pAR 当hb/ds5 p=0.16hbs/ds 当hb/ds5 p=0.8s式中：p 桩底端闭塞效
20、应系数，对于闭口钢管桩p=1，对于敞口钢管宜按式（3-9）（3-10）取值 s 侧阻挤土效应系数，对于闭口钢管桩s=1敞口钢管桩s宜按表3-7确定;hb 桩底端进入持力层深度(m);ds 钢管桩内直径(m);A 桩底投影面积，其余符号意义同式(3-7)。,1.摩擦桩,(2)钻（挖）孔灌注桩单桩轴向容许承载力按下式计算P=(Ulii)/2+m0A0+K2 2(h-3)式中:U桩的周长(m)，接成孔直径计算，若无实测资料时，成孔直径可按下列规定采用：旋转钻:按钻头直径增大30-50mm；冲击钻:按钻头直径增大50l00mm；冲抓钻:按钻头直径增大100200mm;li 同式(3-7)所注;i 第i
21、层土对桩壁的极限摩阻力(kPa)，可按表3-8采用;考虑桩入土长度影响的修正系数，按表3-9采用;m0 考虑孔底沉淀淤泥影响的清孔系数，按表3-10采用;,1.摩擦桩,A 桩底截面积(m,)，一般用设计直径(钻头直径)计算;但采用换浆法施工(即成孔后，钻头在孔底继续旋转换浆)时，则接成孔直径计算;h 桩底的埋置深度(m)，对有冲刷的基桩，由一般冲刷线起算;对无冲刷的基桩，由天然地面(实际开挖后地面)起算;当h40m时可按h=40m考虑;0 桩底处土的容许承载力(kPa)，可参照规范或按本书第二章中表2-3、2-4查用;2 桩底以上土的容重，多层土时按换算容重计算;K2 地基土容许承载力随深度的
22、修正系数，可参照规范或本书第二章中表2-5采用，表中土名系按桩底土层确定。采用式(3-11)计算时，应以最大冲刷线下桩重的一半值作为外荷载计算。,1.摩擦桩,(3)管柱受压容许承载力确定 管柱受压容许承载力可按打入桩式(3-7)计算，也可由专门试验确定。(4)单桩轴向受拉容许承载力确定 当荷载组合、组合l或组合作用时，单桩轴向受拉容许承载力可按下式计算：P1=0.3Ulii十W(3-12)式中：P1 单桩轴向受拉容许承载力(kN);W 桩身自重(kN);其余符号意义可参见式(3-7)及式(3-11)。当荷载组合l作用时，桩不宜出现上拔力。,back,2.柱桩,取决于桩底处岩石的强度和嵌入岩层深
23、度P=(C1A十C2Uh)Ra(3-13)式中：A桩底截面面积(m);Ra 天然湿度的岩石单轴极限抗压强度(kPa)，试件直径为70100mm;试件高度与试件直径相等;h 桩嵌人未风化岩层深度(m）；U 桩嵌入基岩部分的横截面周长(m)，按设计直径计算;C1、C2 根据岩石破碎程度、清孔情况等因素而定的系数，可参考表3-11。,2.柱桩,经验公式中一些问题的探讨：由于土的类别和性状以及桩土共同作用过程都较复杂，有些土的试桩资料也较少，因此对重要工程的桩基础在运用规范法确定单桩容许承载力的同时，应以静载试验或其他方法 验证其承载力;经验公式中有些问题也有待进一步探讨研究，例如以上所述经验公式是根
24、据桩侧土极限摩阻力和桩底土极限阻力的经验值计算出单桩轴向极限承载力，然后除以安全系数K(我国一般取K=2)来确定单桩轴向容许承载力的，即对桩侧摩阻力和桩底阻力引用了单一的安全系数。而实际上由于桩侧摩阻力与桩底阻力是异步发挥，且其发生极限状态的时效也不同，因此各自的安全度是不同的，此时单桩轴向容许承载力可用分项安全系数表示为:,2.柱桩,P=Psu/Ks+Ppu/Kp式中：P单桩轴向容许承载力(kN);Psu桩侧极限摩阻力蚀N);Ppu桩底极限阻力伙N);Ks桩侧阻安全系数;Kp桩端阻安全系数。一般情况下，KsKp。采用分项安全系数确定单桩容许承载力要比单一安全系数更符合桩的实际工作状态。但要付
25、诸应用,还有待积累更多的资料。,2.柱桩,建筑桩基技术规范确定单桩承载力的分项系数极限状态设计方法：以上均为按容许应力设计方法来确定单桩轴向容许承载力的。为使建筑结构、公路桥涵结构设计达到更经济的效果，使结构钧更好的在使用期限内满足安全、适用、耐久功能要求，我国建筑结构，公路桥涵结构设计已采用以概率理论为基础的分项系数的极限状态设计方法。但由于桩基础的工作性状和承载力与变异性很大的地基上性质有关，而桩基的施工条件也使其质量变异性很大，迄今积累有关资料还少公桥基规采用上述原则进行桩基设计尚存在许多困难。,2.柱桩,1995年城乡建设部颁发的建筑桩基技术规范介绍了桩按土支承力确定单桩承载力的分项系
26、数极限状态设计方法:（摘录如下供学习参考）确定单桩轴向承载力设计值R=Qsk/s十Qpk/p 当根据静载试验确定单桩轴向极限承载力标准值时，基桩的轴向承载力设计值R=Quk/sp 式中：Qsk、Qpk 分别为单桩总极限桩侧阻力和总极限桩底阻力标准值;Quk 单桩轴向极限承载力标准值;s、p、sp 分别为桩侧阻力抗力分项系数、桩底阻力抗力分项系数、桩侧阻力桩底阻力综合抗力分项系数，按表3-12采用。,back,（三）按静力触探法确定单桩容许承载力,触探仪的探头贯入土中时的贯入阻力与受压单桩在土中的工作状况有相类似，将探头压入土中测得探头的贯入阻力，取得资料与试桩结果进行比较，通过大量资料的积累和
27、分析研究，建立经验公式确定轴向受压单桩容许承载力。测试时，可采用单桥或双桥探头。公桥基规采用的，根据双桥探头资料确定沉入桩的单桩容许承载力公式:,（三）按静力触探法确定单桩容许承载力,P=Uii lii+AR/2(3-16)式中：P单桩轴向受压容许承载力(kN);i 桩侧第i层土的静力触探测得的平均局部侧摩阻(kPa)，当i 5kPa时取i=5kPa;R 桩底(不包括桩靴)标高以上和以下4d(d为桩径或边长)范围内静力触探端阻(kPa)的平均值，若桩底标高以上4d范围内的端阻平均值大于桩底以下4d范围内的端阻平均值，则R 取桩底以下4d范围内的端阻平均值;U、li、A、i、同式(3-7);i、
28、分别为侧摩阻和端阻的综合修正系数。,back,（四）按动测试桩法确定单桩轴向受压容许承载力,动测法：指给桩顶施加一动荷载(用冲击、振动等方式施加)，量测桩土系统的响应信号，然后分析计算桩的性能和承载力。低应变动测法：由于施加于桩顶的荷载远小于桩的使用荷载，不足使桩土间发生相对位移，而只通过应力波沿桩身的传播和反射的原理作分析，可用来检验桩身质量，不宜作桩承载力测定。高应变动测法：一般是以重锤敲击桩顶，使桩贯入，桩土间产生相对位移，从而可以分析对桩的外来抗力和测定桩的承载力，也可检验桩体质量。,高应变动测单桩承载力的方法有：1.锤击贯入法(简称锤贯法)桩在锤击下入土的难易，在一定程度上反映土对桩
29、的抵抗力。因此，桩的贯入度(桩在一次锤击下的入土深度，与土对桩的支承能力间存在有一定的关系，即贯入度大表现为承载力低，贯入度小表现为承载力高；且当桩周土达到极限状态后而破坏，则贯入度将有较大增大。锤贯法根据这一原理，通过不同落距的锤击试验来分析确定单桩的承载力。试验时，桩锤落距由低到高(即动荷载由小到大，相当于静载试验中的分级荷载)，锤击812击，量测每锤的动荷载Pd(可通过动态电阻应变仪和光线示波器测定)和相应的贯入度ed(可采用大量程百分表或位移传感器或位移遥测仪)，,（四）按动测试桩法确定单桩轴向受压容许承载力,曲线，即Pded曲线或logPd-ed曲线，便可用类似静载试验的分析方法(如
30、明显拐点法)确定单桩轴向受压极限承载力或容许承载力。锤贯法已有规程(中国工程建设标准化协会标准，CECS35:91)，该规程指出:试验锤的质量(以kg计)不宜小于预估的试桩极限承载力值(以kN计);试桩数量不宜少于总桩数的2%，并不应少于5根;试桩要求桩顶完整、顶面水平、有足够强度，如不符合要求应进行处理;锤贯法适用于中、小型桩，即桩长在152Om、桩径在0.40.5m之内。,（四）按动测试桩法确定单桩轴向受压容许承载力,2波动方程法 3打桩公式 桩在锤击下入土的难易，反映了土对桩的阻力(即支承力的大小）。桩的贯入度(锤一击，桩的入土距离，与土对桩的阻力之间存在着一定关系，反映这种关系的表达式
31、即称为打桩公式。打桩公式是基于碰撞理论能量守恒原理。桩锤打桩所做的动，在打桩锤击时能量转换的基本形式如下：QH=Re十QY十QH(3-30)式中：QH锤击功刀为桩锤重力，H为桩锤的落距;Re消耗于桩沉入土中一般距离e所做的功。,（四）按动测试桩法确定单桩轴向受压容许承载力,e、R分别为桩的贯入度及相应贯入度时土的阻力;QY消耗于土与桩材料弹性变形的功;QH消耗于桩和桩垫材料的非弹性变形和士挤出及打桩时克服一切其他阻力的功，为能量消耗系数。由于打桩过程中，锤击能量的转换是随各种条件而不同的，锤击时无效损耗的功能(Qy十QH)也无法直接测定;且值的影响因素很复杂，变化范围也大，与桩的材料、打桩方法
32、、土的性质等都有关，很难准确确定;目前国内外已有的许多繁简不一的打桩公式，均引进一些大概的经验数值或假设，所以用打桩公式来确定桩的承载力，其精确度不高，在桩基设计中已很少运用。,（四）按动测试桩法确定单桩轴向受压容许承载力,back,方法：静力分析法是根据土的极限平衡理论和土的强度理论，计算桩底极限阻力和桩侧极限摩阻力，也即利用土的强度指标计算桩的极限承载力，然后将其除以安全系数从而确定单桩容许承载力。1桩底极限阻力的确定 按极限平衡理论公式计算即将桩作为深埋基础，假定地基的破坏滑动面模式是假定地基为刚一塑性体的几种破坏滑动面形式。除此，还有多种其它有关地基破坏滑动面的假定)运用塑性力学中的极
33、限平衡理论，导得地基极限荷载(即桩底极限阻力)的理论公式。,（五）按静力分析法确定单桩容许承载力,各种假定所导的桩底地基的极限荷载公式均可归纳为式(3-31)所列一般形式，只是所求得有关系数不同。关于各理论公式的推导和有关系数的表达式可参考有关土力学书籍。R=c Nc c+q Nqh 式中:R 桩底地基单位面积的极限荷载(kPa);c、q 与桩底形状有关的系数;Nc、Nq 承载力系数，均与土的内摩擦角有关;c 地基土的内聚力(kpa)；桩底平面以上土的平均容重(kN/m3);h 桩的入土深度(m)。,（五）按静力分析法确定单桩容许承载力,在确定计算参数土的抗剪强度指标C、时，应区分总应力法及有
34、效应力法两种情况。若桩底土层为饱和粘土时，排水条件较差，常采用总应力法分析。这时用=0,C采用土的不排水抗剪强度Cu，Nq=l，代入公式计算。对于砂性上有较好的排水条件，可采用有效应力法分析。此时C=0，q=h取桩底处有效竖向应力vo代入公式计算。2桩侧极限摩阻力的确定 桩侧单位面积的极限摩阻力是取决于桩侧桩土间的剪切强度。按库仑强度理论得知:,（五）按静力分析法确定单桩容许承载力,=htg+Ca=Kv tg+Ca(3-32)式中：桩侧单位面积的极限摩阻力(即桩土间剪切面上的抗剪强度)(kPa);h、v 土的水平应力及竖向应力（kPa）;Ca、桩、土间的粘结力（kPa)及摩擦角;K 土的侧压力
35、系数。式(3-32)的计算仍有总应力法和有效应力两类。在具体确定桩侧极限摩阻力时，根据各家计算表达式所用系数不同，人们将其归纳为法、法和法。,（五）按静力分析法确定单桩容许承载力,3单桩轴向容许承载力的确定 桩的极限阻力等于桩底极限阻力与桩侧极限摩阻力之和，单桩轴向容许承载力计算表达式同式(3-7)。,（五）按静力分析法确定单桩容许承载力,back,三、桩横轴向容许 承载力的确定,（一）在横向荷载作用下桩的破坏机理和特点（二）单桩横向容许承载力的确定方法,back,（一）在横向荷载作用下桩的破坏机理和特点,桩的横向承载力：指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。桩在横向力(包括弯矩)作用下的工作
36、情况较轴向受力时要复杂些，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的横轴向承载力(一)在横向荷载作用下，桩的破坏机理和特点 桩在横向荷载作用下，桩身产生横向位移或挠曲，并与桩侧土协调变形。桩身对土产生侧向压应力，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力。桩土共同作用，互相影响。,第一种情况：当桩径较大，入土深度较小或周围土层较松软，即桩的刚度远大于土层刚度，桩的相对刚度较大时，受横向力作用时桩身挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一点转动，如左图a。如果不断增大横向荷载，则可能由于桩侧土强度不够而失稳，使桩丧失承载的能力或破坏。因此，基桩的横向容许承载力
37、可能由桩侧土的强度及稳定性决定。,（一）在横向荷载作用下桩的破坏机理和特点,第二种情况：当桩径较小，入土深度较大或周围土层较坚实，即桩的相对刚度较小时，由于桩侧土有足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度增大而逐渐减小，以至达到一定深度后，几乎不受荷载影响。形成一端嵌固的地基梁，桩的变形呈左图b所示的波状曲线。如果不断增大横向荷载，可使桩身在较大弯矩处发生断裂或使桩发生过大的侧向位移超过了桩或结构物的容许变形值。因此，基桩的横向容许承载力将由桩身材料的抗弯强度或侧向变形条件决定。,（一）在横向荷载作用下桩的破坏机理和特点,back,（二）单桩横向容许承载力的确定方法,1单桩水平静
38、载试验 2分析计算法,back,1.单桩水平静载试验,桩的水平静载试验是确定桩的横向承载力的较可靠的方法，也是常用的研究分析试验方法。试验是在现场条件下进行，所确定的单桩水平承载力和地基土的水平抗力系数最符合实际情况。如果预先已在桩身埋有量测元件，则可测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。(1)试验装置 试验装置如下图所示。试验是采用千斤顶施加水平荷载，其施力点位置宜放在实际受力点位置。在千斤顶与试桩接触处宜安置一球形铰座，以保证千斤顶作用力能水平通过桩身轴线。桩的水平位移宜采用大量程百分表测量。固定百分表的基准桩宜打设在试桩侧面靠位移的反方向，与试桩的净距不小于1倍试桩直径。,1.单桩
39、水平静载试验,back,(2)试验方法 单向多循环加卸载法：这种方法可模拟基础承受反复水平荷载(风载、地震荷载、制力和波浪冲击力等循环性荷载）。a试验方法 试验加载分级，一般取预估横向极限荷载的1/10一1/15作为每级荷载的加载增量。恨据桩径大小并适当考虑土层软硬，对于直径300一1000mm的桩，每级荷载增量可取2.5一20kN。每级荷载施加后，恒载4min测读横向位移，然后卸载至零，停2min测读残余横向位移，至此完成一个加卸载循环力次循环后，开始加下一级荷载。当桩身折断或水平位移超过30一40mm(软土取40mm)时，终止试验。,1.单桩水平静载试验,b单桩横向临界荷载与极限荷载的确定
40、 根据试验数据可绘制荷载时间位移(H0-T0-U0)曲线(如图所示)，据此可综合确定单桩横向临界荷载Hcr与极限荷载Hu。横向临界荷载Hcr系指桩身受拉区混凝土开裂退出工作前的荷载，会使桩的横向位移增大。相应地可取(H0-T0-U0)曲线出现突变点的前一级荷载为横向临界荷载(如图)，或取(H0-U0/H0)曲线第一直线段终点相对应的荷载为横向临界荷载，综合考虑。横向极限荷载Hu可取(H0-T0-U0)曲线明显陡降(图中位移包络线下四)的前一级荷载作为极限荷载，或在(H0-U0/H0)曲线的第二直线段终点相对应的荷载作为极限荷载，综合考虑。,1.单桩水平静载试验,1.单桩水平静载试验,back,
41、慢速连续加载法(此法类似于垂直静载试验)a.试验方法 试验荷载分级同上种方法。每级荷载施加后维持其恒定值，并按5、10、15、30Min测读位移值，直至每小时位移小于0.lmm，开始加下一级荷载。当加载至桩身折断或位移超过3040mm便终止加载。卸载时按加载量的2倍逐级进行，每30min卸载一级，并于每次卸载前测读一次位移。b横向临界荷载和极限荷载的确定 根据试验数据绘制H0-U0及H0U0/H0曲线。,1.单桩水平静载试验,可取(H0-U0)及H0U0/H0曲线上第一拐点的前一级荷载为临界荷载。取(H0-U0)曲线陡降点的前一级荷载和(H0U0/H0)曲线的第二拐点相对应的荷载为极限荷载。单
42、向单循环恒速水平加载法。此法加载方法是加载每级维持20min，第0、5、10、15、20min测读位移。卸载每级维持l0min，第0、5、l0min测读。零荷载维持30min，第0、l0、20、30min测读。此法确定临界荷载及极限荷载的方法同慢速加载法。,1.单桩水平静载试验,问题讨论：用上述方法求得的极限荷载除以安全系数，即得桩的横向容许承载力，安全系数一般取用水平静载试验确定单桩横向容许承载时，还应注意到按上述强度条件确定的极限荷载时的位移，是否超过结构使用要求的水平位移，否则应接变形条件来控制。水平位移容许值可恨据桩身材料强度、土发生横向抗力的要求以及墩台顶水平位移结构和使用要求来确定
43、。目前在水平静载试验中根据公桥基规有关的精神可取试桩在地面处水平位移不超过6mm，定为确定单桩横向承载力的判断标准，以满足结构物和桩、土变形条件安全度要求，这是一种较概略的标准。,1.单桩水平静载试验,back,此法是根据作了某些假定而建立的理论(如弹性地基梁理论），计算桩在横向荷载作用下，桩身内力与位移及桩对土的作用力，验算桩身材料和桩侧土的强度与稳定以及桩顶或墩台顶位移等，从而可评定桩的横向容许承载力。关于桩身的内力与位移计算将在本章第五节详细讨论，有关验算的内容也将在下述的章节中介绍。,2.分析计算法,back,(一)轴向受压情况(二)偏心受压情况,四、按桩身材料强度确定单桩承载力,ba
44、ck,计算模型：在轴向压力作用下，单桩受力情况是一根全部或部分埋入土中的轴向受压杆件;若除了轴向压力作用外，还作用有弯矩和横轴向力作用时，则单桩是一偏心受压杆件。材料力学中指出，对于细长的轴向或偏心受压杆件，在轴向荷载到达一定数值时，会发生纵向挠曲而压屈失稳，因此按桩身材料强度确定单桩承载力时，除了需验算桩身截面强度外，还应进行桩身压屈稳定的验算。按极限状态设计方法对桩身承载能力进行验算，现以钢筋混凝土桩为例分轴向受压和偏心受压情况简介如下。桩在轴向压力作用下，桩身抗压屈强度验算可归结于桩身截面强度验算，即考虑纵向挠曲影响，验算时将截面强度乘以一个1的纵向挠曲系数。,(一)轴向受压情况,1钢筋
45、混凝土桩，当配有普通箍筋时，在轴心受压情况下，其截面强度按下式验算:Nj=b(RaA/c+RgAg/s)(3-36)式中：Nj 计算的纵向力，又称临界荷载;钢筋混凝土桩的纵向弯曲系数，可由表3-13查用Ra 混凝土抗压设计强度A 桩身截面面积Rg 纵向钢筋抗压设计强度Ag 纵向钢筋截面面积b 桩的工作条件系数，取b=0.95c 混凝土安全系数，取c=1.25s 钢筋安全系数，取s=1.25。,(一)轴向受压情况,运算式(3-36)确定计算的纵向力Nj，按承载能力极限状态设计时公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（以下简称公路桥涵设计规范）对荷载组合及荷载安全系数作了下列规定采用：当结构重力
46、产生的效应与汽车(或挂车或履带车)荷载产生的效应同号时为 1.2SG十1.45SQ1(3-37)1.2SG十1.1SQ1(3-38)式中：SG-永久荷载中结构重力产生的效应;SQ1-基本可变荷载中汽车(包括冲击力)、人群产生的效应;SQ1-基本可变荷载中平板挂车或履带车产生的效应。,(一)轴向受压情况,并规定式(3-37)中SG和SQ1的系数按下列情况提高:汽车荷载效应占总荷载效应5%及以上时，提高5%;33%及以上时，提高3%;50%及以上，不再提高。式(3-38)中SG和SQ1的系数按以下列情况提高:挂车或履带车荷载效应占总荷载效应90%及以下时，提高3%;60%及以下时，提高2%;45%
47、及以下时，不再提高。2.钢筋混凝土桩，当采用螺旋式或焊接环式间接钢筋时，其截面强度按下式验算:,(一)轴向受压情况,Njb(RaAke/c+RgAg/s+2RgAjg/s)(3-39)式中：Ake桩的核心截面面积Rg 间接钢筋抗拉设计强度;Ajg 间接钢筋换算截面面积，Ajg=dhe aj/sdhe 桩的核心直径;aj 单根间接钢筋截面面积;s 沿桩轴线方向间接钢筋的间距;其余符号同式(3-36)。,(一)轴向受压情况,公路桥涵设计规范中规定按式(3-39)计算所得的桩截面强度不得比按式(3-36)计算所得强度大50%;同时还规定凡属下列情况之一者，不再考虑间接钢筋的影响，而按普通箍筋桩进行计
48、算:当lp/d7时;按式(3-37)算得的强度小于按式(3-36)算得的强度时;当Ajg小于25%Ag时。,(一)轴向受压情况,back,(二)偏心受压情况,1强度验算 由于桩顶有水平力及弯矩作用使桩身轴线发生偏倚，因此应考虑桩在水平力、弯矩作用平面内的挠度对纵向力偏心距的影响，应将纵向力对截面重心轴的偏心距向乘以偏心距增大系数=1/(1-cNj lp2/10eEhIhb)（3-40）式中：Eh 混凝土弹性模量Ih 混凝土截面惯性距Nj、b、c同式(3-36);lp 桩的计算长度，按表3-14采用e 考虑偏心距对值的影响系数，按下式计算：,e=0.1/(0.3+e0/d)+0.143 当e0/
49、d 1时，取=0.2 d 圆形截面直径。式(3-40)为公路桥涵设计规范引用的公式，在桩的长细比很小时即lp/d7时，在计算时可不必考虑附加挠度的影响；当长细比很大时，按式(3-40)算得的值可能出现负值或大于3时，说明所选定的截面尺寸偏小，应加大截面尺寸;当全部纵向钢筋的配筋率大于3%时，式(3-40)中的Ih乘以系数1.2，以计钢筋的影响。由于水平力及弯矩作用使纵向力对截面重心轴偏心距的增大，纵向力必然会对截面产生附加弯矩，此时，沿周边,(二)偏心受压情况,均匀配置钢筋的圆形截面偏心受压桩的截面强度计算公式为：Nj=b r2(RaA/c+RgC/s)(3-42)Nje0=Mjb r3(Ra
50、B/c+g RgD/s)（3-43）式中r桩的圆形截面半径 含筋率；Mj计算弯矩Ra 混凝土抗压设计强度Rg 钢筋抗拉设计强度e0 纵向力初始偏心距;g 钢筋半径相对系数，g=rg/r A、B、C、D 圆形截面偏心受压截面强度计算系数，可查公路桥涵设计规范已编成表格查用;余下符号同式(3-36)。,(二)偏心受压情况,强度复核验算步骤：(1)由式(3-43)除以式(3-42)可得 e0=Mj/Nj=(RaB+g RgD)r/(RaA+RgC)(2)假定值为i，查表得系数A、B、C、D;代大上式求得e0i。若e0ie0(实际值)，则认为所假定值与实际相符，即可取=i进行计算。否则要重新假定值。(
