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1、第二章 竖向荷载作用下单桩计算,2.1 单桩的荷载传递及其破坏模式2.2 确定单桩容许承载力的常规方法2.3 桩的侧阻力分析2.4 桩土界面特性研究2.5 单桩轴向综合刚度计算及实例2.6 超长单桩模型试验结果分析2.7 桩承受负摩阻力的计算,（1）荷载传递机理,2.1 轴向承压桩的荷载传递机理,任一深度z桩身截面的荷载为,竖向位移为：,微分段 的压缩量为：,故,将式（2-2）代入式（2-3)可得：,牛顿运动定律 Fma物体的平衡,柔性支护结构,板桩,（2）三种破坏形式：,P-S曲线特点：,支承于基岩上的短桩，P-S曲线全程受端阻制约。支承于较硬持力层上的中长扩底桩（），P-S曲线前段同时受侧
2、阻和端阻性状的制约。超长桩（），桩端土的性质对荷载传递不再有任何影响，P-S曲线全程受侧阻性状的制约。,有关规范中桩侧阻力的取值及承载力确定方法,2.2 确定单桩容许承载力的常规方法,公路桥涵地基与基础设计规范,1 摩擦桩：(1）钻（挖）孔灌注桩,(2）打入（包括振动下沉）桩,公路桥涵地基与基础设计规范,(3）嵌岩桩,公路桥涵地基与基础设计规范,钢管桩：,建筑桩基技术规范,建筑桩基技术规范,（4）轴向受拉容许承载力,（2）影响荷载传递的因素,桩端、桩周土的刚度比 桩、土的刚度比 桩的长径比,载荷板,千斤顶,百分表,1,2,3,比例界限,极限荷载,Pcr,Pu,阶段1：弹性段,阶段2：局部塑性区
3、,阶段3：完全破坏段,PS曲线,临塑荷载,1 分级加载，分级不少于8级，每级沉降稳定后再进行下一级加载；,说明：,当出现下列情况之一时，可终止加载：,终止加载标准：,建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）：,1 承压板周围的土明显侧向挤出,2 沉降 s 急骤增大，荷载沉降（ps）曲线出现陡降段,2 Pu取值：满足终止加载标准（破坏标准）的某级荷载的上一级荷载作为极限荷载,3 在某一荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定,4 沉降量与承压板宽度或直径之比0.06,3 冲剪破坏,1 整体破坏,土质坚实，基础埋深浅；曲线开始近直线，随后沉降陡增，两侧土体隆起。,2 局部剪切破坏,松软地基，
4、埋深较大；曲线开始就是非线性，没有明显的骤降段。,松软地基，埋深较大；荷载板几乎是垂直下切，两侧无土体隆起。,1,2,3,1,3,2,1 整体剪切破坏,2 局部剪切破坏,3 冲剪破坏,软粘土上的密砂地基的冲剪破坏,临塑荷载与临界荷载,临塑荷载：,2.局部塑性区,1.弹性阶段,地基处于弹性阶段与局部塑性阶段界限状态时对应的荷载。此时地基中任一点都未达到塑性状态，但即将达到,临塑荷载与临界荷载计算(条形基础),q=0d,p,2,z,M,自重应力 s1=0d+z s3=k0(0d+z),设k0=1.0,合力=,附加应力,B,极限平衡条件：,将1，3的解代入极限平衡条件，得到：,由z与的单值关系可求出
5、z的极值,Zmax=0,pcr=0 dNq+cNc,临塑荷载,其中,Zmax=B/4 或 B/3：,p1/4=B N1/4+0 d Nq+cNc,临界荷载,p1/3=B N1/3+0 d Nq+cNc,其中,各种临界荷载的承载力系数,三种理论的破坏假定,算例,如图所示，某钻孔灌注桩采用旋钻施工，桩径1.2m，河床地质为卵石。孔隙中填充砂，桩底地基土的基本承载力为，经测定桩底沉淀土厚度为48cm，试按地基规范法计算此桩的容许承载力。,算例,解：,由于采用旋钻施工故,影响单桩承载力的因素：桩侧土的性质及土层分布桩端土层的性质桩的几何特征成桩工艺,2.3 桩的侧阻力分析,（1）影响桩侧阻力发挥的因素
6、,桩周土的性质,桩土相对位移：是桩侧阻力发挥的前提,临界位移,临界位移,临界位移,临界位移,（1）影响桩侧阻力发挥的因素,桩径的影响,桩径的影响,（1）影响桩侧阻力发挥的因素,桩土界面条件的影响不同类型的桩具有不同的桩土界面条件不同施工工艺具有不同的桩土界面条件,（2）桩侧阻力的强化效应和退化效应,1、桩身下部靠近桩端附近处的极限侧阻力比规范值大许多，呈明显的增强现象，桩端土的强度越高，这种现象越明显;2、同场地进行的不同桩长的载荷试验结果表明，在某一指定的标高处，随着桩穿越该标高进入土层深度的增加，该标高处桩侧阻力会明显减小，桩长越长，桩侧阻力减小就越多。,（3）桩侧阻力强化效应的解释,图2
7、-10 焦枝复线某工程试桩桩侧 图2-11 国外几种桩侧阻力的取 阻力实测曲线 值方法,图2-12 打入过程中桩侧阻力分布 图2-13 静力压桩过程中桩侧阻力分布的基本模式 的基本模式,桩侧阻力强化效应的解释,桩侧阻力退化效应,强化效应和退化效应的综述：（1）无论抗压桩还是抗拔桩强化效应和退化效应都存在，是桩土共同作用决定的；（2）同一桩的桩身上部某一位置的侧阻力随着桩入土深度增加而不断减小，同时桩端附近阻力增大，两者共同作用下桩侧阻力性状变得十分复杂；（3）传统的按照土物性指标确定侧阻力的方法虽然简单适用，但与实际情况存在较大差异,（4）桩侧阻力性状分析,桩身受荷向下位移时由于桩土间摩阻力带
8、动桩周土位移，在桩周环形土体中产生剪应变；,2.4 桩土界面特征,（1）概述（2）桩与土接触面的力学特征（3）砂土中不同表面粗糙度桩承载力试验研究（4）桩岩界面特征对嵌岩桩承载力影响的研究（5）增加钻孔灌注桩孔壁粗糙度的施工措施,(1)概述 土界面特征是一个十分重要但长期以来被忽视的因素；人们发现在同一位置相同的两根桩具有不同的承载力。国外对桩土特征影响承载力的研究从嵌岩桩开始的。,（2）桩与土接触面的力学特征 土与结构物之间的相互作用问题一直是岩土工程领域研究的一个重要研究内容。Clough和Duncan利用直剪试验研究了土与混凝土接触面的力学特征，认为接触面剪应力和相对剪切位移为双曲线关系
9、 不同粗糙度时接触面剪应力与的相对剪切位移的关系：,桩土界面特征对承载力影响,桩土界面特征对承载力影响,桩土界面特征对承载力影响,接触面附近砂土颗粒的位移：,桩土界面特征对承载力影响,（3）砂土中不同表面粗糙度桩承载力的试验研究 1992年同济大学所做的试验：三根表面粗糙度不同的试桩,桩土界面特征对承载力影响,桩土界面特征对承载力影响,试验结果,桩土界面特征对承载力影响,桩表面粗糙度的描述：桩土之间的抗剪强度与桩周土抗剪强度之比为粗糙程度系数,（介于0和1之间）,桩土界面特征对承载力影响,考虑表面粗糙度的单桩承载力计算方法,是桩截面积；,是桩端土强度；,承载力系数；,桩自重；,是桩周长；,沿桩
10、身分布的有效应力；,土的侧压系数；,桩侧面与桩周土的摩擦角。,桩土界面特征对承载力影响,桩土界面特征对承载力影响,混合桩概念及其对承载力公式的改进,桩土界面特征对承载力影响,是混合桩截面积；,是混合桩周长；,是混合桩直径,（4）桩岩界面特征对嵌岩桩承载力影响,桩土界面特征对承载力影响,描述孔壁粗糙度的定量方法:,桩土界面特征对承载力影响的研究,通过模型试验对比，Horvath提出桩侧阻力与粗糙度因子的关系：,是岩石无侧限抗压强度。孔壁粗糙度影响嵌岩桩侧阻力的机理,桩的法向应力计算：,增加钻孔灌注桩孔壁粗糙度的施工措施进尺较慢有利于孔壁粗糙度的提高；采用正循环法施工比反循环法施工具有较大的孔壁粗
11、糙度；充盈系数大的钻孔灌注桩具有较大的孔壁粗糙度；使用稳定性差的钻机可以得到较大的孔壁粗糙度；上下移动导管有利于提高孔壁粗糙度；,2.5 单桩轴向刚度 单桩轴向刚度是桩顶产生单位位移时所需要的桩顶轴力。分为初始切线刚度和初始割线刚度,初始切线刚度初始割线刚度,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,桩在开始承受荷载的初始阶段，桩顶荷载和沉降量都不大，可将桩看作均质的弹性杆件，桩周土对桩的约束可以简化为沿着整个桩的深度分布的线性弹簧，其等效刚度系数为，桩端的地基土也可简化为等效刚度系数为 的集中弹簧,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,在桩顶处
12、,桩顶荷载Q与桩顶位移S的关系为：,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,单桩的轴向刚度(初始切线刚度)可以写为：,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,单桩轴向刚度影响因素分析,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,单桩轴向刚度与桩身材料弹性模量 的关系,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,单桩刚度与桩直径D的关系,桩周土的抗剪刚度系数,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,单桩刚度与桩周土等效刚度,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,单桩刚度与桩端土等效刚度,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,纯摩擦桩与嵌岩桩刚度与桩长L的关系,（2)单桩轴向刚度的非线性分析,（2)单桩轴向刚度的非线性分析,
13、单桩轴向刚度K与桩长L的关系,（2)单桩轴向刚度的非线性分析,（1)单桩轴向刚度的线弹性分析,单桩轴向刚度K与桩身弹性模量E的关系,单桩轴向刚度K与桩直径D的关系,（2)单桩轴向刚度的非线性分析,桩侧阻力发挥的归一化曲线,（2)单桩轴向刚度的非线性分析,2.6 超长单桩模型试验结果分析,本次模型试验的模型桩相对较大，模型箱的尺寸也较大，为4m3m5m（长宽高）的钢筋混凝土模型箱。模型桩的制作与实际钻孔桩基本一致，在模型箱的填土内先钻孔，孔径9cm，然后居中放入事先串联好的钢筋应力计，浇注水泥砂浆成桩，桩长4.8m。,2.6 超长单桩模型试验结果分析,图2.54 单桩荷载-沉降曲线图,2.6 超
14、长单桩模型试验结果分析,图2.55 荷载为,超长单桩的轴向综合刚度分析,图2.61 1试验单桩综合刚度与桩顶轴力关系图,图2.63 2试验单桩综合刚度和桩顶轴力关系图,超长单桩的轴向综合刚度分析,超长单桩的轴向综合刚度分析,轴向综合刚度变化的原因有哪些？,当桩周地基土由于某种原因，产生的沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部或一部分面积上将出现向下作用的摩阻力，称之为负摩阻力；负摩阻力不仅会使桩的承载力变小，还会增加桩的沉降或不均匀沉降。应避免桩产生负摩阻力。,2.7 桩的负摩阻力,概 念,2011年9月17日论证回填保护方案,负摩阻力产生的条件：,1）桩穿过新沉积的欠固结软粘土或新填
15、土而支承在硬持力层上时，土层产生自重固结下沉；2）饱和软土中打入密集的桩群，引起超孔隙水压力，土体大量上涌，随后土体因超孔隙水压力消散而重新固结时；3）在正常固结粘土和粉土地基中，由于下卧砂层或砾石层中抽取地下水或其他原因，地下水位降低，使土层产生自重固结下沉；4）桩侧地面因大面积堆载或大面积填土而大量下沉时；5）在黄土、冻土中的桩基，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉 6）由于地层应力松弛，如挡土工程中板桩挠曲变形等，桩周非粘性土在动力作用下被夯、振密实时。,2.6 桩负摩阻力,中性点的概念：,当桩侧土和桩身的某断面处的相对位移为零时，则该处的摩阻力等于零，该断面称之为中性点。,中性点的表达式
16、,中性点计算示意图,时间效应,由于负摩阻力系由桩侧土层的固结沉降所引起的，因此负摩阻力的产生和发展要经历一段时间过程。,基本假定：,1）桩周负摩阻力是均匀分布的；2）对于分层地基，在同一土层的负摩阻力也是均匀分布的；3）对于同一土类，作用与桩周单位面积的负摩阻力和正摩阻力在数值上大致相等.,单桩负摩阻力的计算,按室内外测定的土力学参数确定单位负摩阻力,对于软粘土层：,对于砂类土层：,下拉荷载的计算,按上式算出的下拉荷载不应大于单桩所分配承受的桩周下沉土重。,单桩下拉荷载的计算,考虑负摩阻力的单桩承载力计算,单桩下拉荷载的计算,预制混凝土桩和钢桩：在中性点以上桩身涂以软沥青涂层。,减少负摩阻力的
17、措施,2.4.6 减少负摩阻力的措施,2 灌入桩：,在沉降土层范围内插入比钻孔直径小5cm10cm的预制砼段，再在外围填充稠度较高的膨润土泥浆以形成隔离层；,在干作业成桩的条件下，可采用双层筒形塑料薄膜预先置于钻孔沉降土层范围内来降低桩与土的摩阻力系数。,算例,某预制桩基地质情况如右图所示，试确定该单桩的容许承载力。,算例,解:,由地质剖面图可知，软粘土层将产生较大的固结沉降，因此需考虑桩侧负摩阻力计算。（1）中性点的深度。压缩土层深度，桩端为密实砂土，N20,根据书表2-18，（2）下拉荷载有图所示，分三层计算，分布计算如下：,对于0点：,对于1点：,对于2点：,对于3点：,（3）正摩阻力,（4）该桩的容许承载力,
