基础工程课件4桩基础.ppt

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1、,4.桩基础,2,4.桩基础,内容提要,桩基础及其分类 桩基础的施工 单桩竖向抗压承载力计算 水平荷载下基桩的内力及位移计算 群桩基础受力分析 桩基础设计简介,3,4.桩基础,组成：基桩和连接于桩顶的承台。作用：将上部结构荷载通过承台传 递给基桩，再由基桩传递到 地基土体（持力层）。特点：历史悠久、承载力高、稳定 性好、沉降量小而均匀、便 于机械化施工、适应性强。,低承台桩基示意图,4.1 桩基础及其分类,4.1.1 概述,4,4.桩基础,单桩基础,群桩基础,承台,基桩,上部结构荷载,4.1.1 概述,5,4.桩基础,地基土质差或软硬不均，不能满足上部结构对变形的要求。地基软弱或土性特殊，自重

2、湿陷性黄土、膨胀土等。荷载大，且伴有较大偏心、水平、动力或周期性荷载作用。水中基础施工困难，如桥梁、码头、钻采平台等。需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。,4.1.1 概述,桩的作用：,（1）将荷载传至硬土层（图4-1a），或分配到较大的深度范围（图4-1b），以提高承载力。,4.桩基础,（2）减小沉降，从而也减小沉降差，故地基强度够，而变形不合要求时亦用。,4.桩基础,（3）抗拔：用于抗风、抗震、抗浮等（图4-1c）（4）有一定抗水平荷载能力，特别是斜桩（图4-1b）（5）抗液化：深层土不易液化，浅层土液化后，有桩支撑，有助于上部结构的稳定。,4.桩基础,所以应用广泛，沿海、内陆地区均用

3、。同基坑支护、地基处理并为土木工程三大热点。,桩基古已应用。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。,4.桩基础,木桩和石桩基础,西安灞桥（1834年清道光14年）,以后在 宋、明、清期间曾先后几次废毁，到清乾隆四十六年（1781年），陕西巡 抚毕沅重建桥，但桥已非过去规模。直到清道光十四年（1834年）巡抚杨 公恢才按旧制又加建造。桥长380米，宽7米，旁设石栏，桥下有72孔，每 孔跨度为4米至7米不等，桥柱408个。,灞桥位于西安城东12公里处，是一座颇有影响的古桥。灞桥

4、建于汉代，是座木梁石柱墩桥，墩台上加木梁并铺设灰土石板桥面。是石柱墩的首创者。,木桩基础,上海河南路桥木桩基础（1875年）,河南路桥始建于1875年，至今已在苏州河上横跨超过百年。,新加坡发展银行,四墩,每墩直径7.3m将荷载传递到下部好土层,承载力高,大直径钻孔桩,风化砂岩及粉砂岩,部分风化及不风化泥岩,新加坡发展银行,四墩7.3m,现场灌注护坡桩造价低,现场灌注护坡桩造价低,2 特点,优点将荷载传递到下部 好土层,承载力高沉降量小抗震性能好，可穿过液化层承受抗拔(抗滑桩)及水平力(如风载荷)与其他深基础比较,施工造价低,缺点比浅基础造价高施工环境影响大 预制桩施工噪音大 钻孔灌注桩的泥浆

5、,适用条件,(1)水上建筑物(2)深持力层 高地下水位(3)抗震地基(4)对沉降非常敏感的建筑，如精密仪器,日本阪神地震中发生的桩基础的破坏导致墩倾倒,23,4.桩基础,按承载性状：摩擦型桩、端承型桩 按施工方法：预制桩、灌注桩 按设置效应：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩 按桩径大小：小桩(250mm)、中等直径桩(250 800mm)、大直径桩(800mm)按使用功能：受压桩、抗拔桩、横向受荷桩、锚桩 按截面形状：圆桩、方桩、多边形桩、异形桩、DX桩等,4.1.2 桩基的分类,基桩分类,(一)按承台 承台:将几个桩结合起来传递荷载高承台桩 承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥低承台桩 承台在地面以

6、下,承台本身承担部分荷载,低承台 桩,高承台桩,（二）按材料：木桩、混凝土、钢筋混凝土、钢管（型钢）桩、复合桩 钢筋混凝土：普通混凝土、预应力混凝土（离心预制）、高强混凝土,4.桩基础,钢 桩,钢管桩和预应力桩,木桩水位以上耐久性差，强度低，我国森林资源不足，应少用,钢桩本身强度高，易加工，接头容易，运输方便，但造价是混凝土的3-4倍，用于海洋平台及陆上重要工程，如宝钢高炉、金茂大厦用钢管桩。,钢砼桩取材方便，价格便宜，耐久性好，可预制、现浇，尺寸易调，适用性强，故应用广泛，是主要研究对象。,4.桩基础,31,4.桩基础,混凝土预制桩 要求：截面边长300500mm，分节长度12m。预应力 管

7、桩外径300600mm，每节长513m；优点：承载力高，耐久性好，质量较易保证。缺点：自重大，打桩难，桩长难统一，工艺复杂。钢桩 要求：直径2501200mm，批量生产。优点：穿透性强，承载能力高，应用方便。缺点：成本高，易锈蚀。木桩 要求：桩径160 260mm，桩长4 6m。优点：制作运输方便，打桩设备简单。缺点：承载力低，仅在一些加固工程与临时工程中采用。,（三）按形状,按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节（分叉）桩、扩底桩、支盘桩、微型桩按横断面：圆形，八边形，十字桩、X形桩,4.桩基础,桩身,桩身,桩端,D,d,（四）按尺寸,按断面(直径）的大小：大直径:d80cm;小直径d60m

8、（3):长桩；L10m短桩 L/（：桩的特征长度）,(四)按尺寸,按断面(直径）的大小：大直径：d800mm;小直径：d 60m（3)长桩 l 10m 短桩 水平变形系数，,l 2.5 为刚性短桩2.5 l 2.5 为弹性中长桩l 4.0 为弹性长桩,(五)按荷载传递方式,（1）竖直荷载：端承桩（嵌岩桩）、摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩Q=Qp+QsQp端承力,Qs侧摩阻力端承桩 主要由桩端承受极限荷载,桩不长,桩端土坚硬摩擦桩 主要由桩侧壁与土的摩擦力承受极限荷载,桩长,深,端承桩,摩擦桩,（六）按施工方法,施工方法沉桩方法1 预制桩 Prefabricated pile 挤土桩2 现场灌注

9、桩 Cast in place 非挤土桩,1 预制桩2 现场灌注桩,气锤打入振动沉桩静压桩,引孔,部分挤土,大面积地面隆起不引孔,挤土桩,成孔方法,人工挖孔螺旋钻正反循环地下水以下泥浆护壁冲击,夯扩,爆破沉管灌注,浇注法,省,易泥皮,虚土,断桩,水上水下其他,工厂,现场,预制桩优点：桩身质量易于保证，单桩承载力较高；缺点:（1）桩身规格、长度受限，接桩影响桩质量和承载力发挥；（2）打入或压入式沉桩存在挤土效应问题；（3）噪音污染、接、截桩麻烦。,适用条件：（1）不需考虑噪音污染和震动影响的环境；（2）持力层上覆盖为较松软地层，无坚硬夹层；（3）持力层顶起伏变化不大，桩长易于控制；（4）水下桩基

10、工程（5）大面积打桩工程；,挤土效应,挤土效应，这是由于沉桩时使桩四周的土体结构受到扰动，改变了土体的应力状态而产生的。挤土效应一般表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，挤土效应对周围路面和建筑物引起破坏，使周围开挖基坑坍塌或推移增大，对已经施打的桩的影响表现为桩身倾斜及浅桩（20 m）上浮。如果压桩施工方法与施工顺序不当，每天成桩数量太多、压桩速率太快就会加剧挤土效应。,预 制 桩,振动沉桩预制桩113m,Pile Point,离心预应力预制钢筋混凝土,50,4.桩基础,锤击 振动下沉 静压,预制桩的施工方法,4.2.1 预制桩的施工,4.2 桩基础的施工,51,4.桩基础,打入第一节桩

11、体,电焊接桩,打入末节桩体,锤击预制桩,52,4.桩基础,沉桩深度控制,以最后贯入度（指沉至某标高时，每次锤击的沉入量）和桩尖设计标高两方面控制。要求最后两阵的平均贯入度为10-50mm/阵。锤击法：常以10次锤击为一阵。振动法：以1min为一阵。,4.2.1 预制桩的施工,灌注桩按成孔方法分为:钻孔法 适于一般土层沉管法 适于土质差、水位高爆扩法 适于土质好、无地下水人工挖孔法 适于桩径大、土较好,4.2.2 灌注桩的施工,54,4.桩基础,沉管灌注桩 利用锤击或振动等方法沉管成孔，然后浇灌混凝土拔出套筒。可避免流砂、坍孔及排渣等弊病。锤击沉管灌注桩 振动沉管灌注桩,4.2.2 灌注桩的施工

12、,55,4.桩基础,沉管灌注桩,4.2.2 灌注桩的施工,56,4.桩基础,优点：设备简单、打桩进度快、成本低。缺点：在土层软、硬交界处或软弱土层处易发 生缩颈、断桩现象。克服办法：复打浇灌混凝土并拔管后，立即在原位再次 沉管及浇灌混凝土；反插法灌满混凝土后，先振动再拔管，一般 拔0.51.0m，再反插0.30.5m。,沉管灌注桩特点,4.2.2 灌注桩的施工,57,4.桩基础,钻（冲）孔灌注桩,原理 用钻机(如螺旋钻、振动钻、冲抓锥钻等)钻土成孔(需泥浆护壁)，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土。施工方法 有正循环、反循环施工法。优缺点 优点：入土深，能进入岩层，刚度大，承载力高，桩身

13、变形小，并可方便地进行水下施工。缺点：要求有专门的设备（钻机），清孔较难彻底。,4.2.2 灌注桩的施工,58,4.桩基础,钻孔灌注桩护筒埋设,护筒作用 固定桩位，并作钻孔导向；保护孔口，防止孔内土层坍塌 隔水，稳固孔壁。,4.2.2 灌注桩的施工,59,4.桩基础,泥浆制备与运输,要求：膨胀土或高塑性粘土现场加水搅拌，比重1.11.15，粘度1025s，含砂率小于6，胶体率大于95。作用：护壁、携渣、防渗、润滑钻头等。,4.2.2 灌注桩的施工,60,4.桩基础,钻进机械,图 4.6 冲击钻机示意图 1滑轮；2主杆；3拉索；4斜撑；5卷扬机；6垫木；7钻头,旋转钻进 冲击钻进 冲抓钻进,4.

14、2.2 灌注桩的施工,螺旋钻,63,4.桩基础,图4.8 反循环泥浆循环成孔工艺 1钻头；2泥浆循环方向；3沉淀池；4泥浆池；5泥浆泵；6砂石泵；7水龙头；8钻杆；9钻机回转装置,钻进方法,图4.7 正循环泥浆循环成孔工艺 1钻头；2泥浆循环方向；3沉淀池；4泥浆池；5泥浆泵；6砂石泵；7水龙头；8钻杆；9钻机回转装置,4.2.2 灌注桩的施工,正循环和反循环的区别,正反循环钻机在钻进成孔的工艺上是差不多的，对地质要求差别也不是很大，主要的区别是看其泥浆循环的方式，正循环钻机的泥浆是从泥浆池里用泥浆泵通过钻杆打到钻井里去的,再从井口自然的益出来,同时把钻渣带出来.这种自然循环的排渣方式只能排出

15、一部分钻渣,对于叫大颗粒石渣是不能循环上来排出去的,反循环钻机的泥浆的是用泥浆泵从井的孔口向井里打的,再用我以前说过的气举法或泥浆泵,从导管或者钻杆的中间抽出来,这种循环方式的排渣能力很好,可以把颗粒很大的石头都能冲出来,相对而言正循环钻机的泥浆循环一台泥浆泵就够了,对于反循环钻一般要配一台空压机，或者两台大功率的泥浆泵。,65,4.桩基础,清 孔,目的,除去孔底沉渣，保证孔底砼质量及桩的承载力。,方法,抽浆清孔：用空气吸泥机吸出泥浆。换浆清孔：正、反循环钻孔完成后不停钻、不 进尺。掏渣清孔：孔用掏渣筒掏清孔内粗粒铅渣。继续循环换浆清渣。,要求,孔底0.5m内1.25；含砂率8；粘度28s。,

16、4.2.2 灌注桩的施工,66,4.桩基础,将导管居中插入，上接漏斗，设隔水栓；放开隔水栓使混凝土向孔底猛落，将水挤出，并使导管始终埋在混凝土内，此后连续灌注混凝土；不断提升导管，直至灌注完毕。,水下砼灌注直升导管法,施工步骤,图4.9 灌注水下混凝土 1-通混凝土储料槽；2-漏斗 3-隔水栓；4-导管,4.2.2 灌注桩的施工,67,4.桩基础,混凝土搅拌必须均匀；防止卡管事故；必须连续作业，避免中断灌注，并防止混凝土上升顶起钢筋笼；随时记录孔内混凝土灌注标高和导管入孔长度，防止导管提升过猛，形成断桩；桩顶标高应比设计值愈加一定高度，以确保混凝土质量。一般取0.5m。,注意事项,4.2.2

17、灌注桩的施工,68,4.桩基础,基本要求：内径800mm，开挖直径1000mm，护壁厚100mm分节支护，每节高5001000mm桩长小于40m。优点：符合国情，经济，设备简单，噪音小，场区内各桩可同时施工，可直接观察地层情况，孔底易清除干净，且桩径大、适应性强。缺点：可能遇到流砂、塌孔、缺氧、有害气体、触电和地面掉重物等危险而造成伤亡事故。,原理：采用人工或机械挖掘成孔，逐段边开挖边支护，达所需深度后再进行扩孔，利用钻（冲）孔机具钻土成孔，然后清除孔底残渣，安装钢筋笼，浇灌混凝土。,4.2.3 人工挖孔桩,69,4.桩基础,70,4.桩基础,人工挖孔桩,人工挖孔桩,广州市亚洲大酒店人工挖孔桩

18、,扩底桩,人工挖孔扩孔桩（芝加哥法）,UK英国,1.0-3.0 m,0.6-0.9 m,爆破扩底桩,内夯式扩底桩200kN钢锤,碎石,混凝土,钢筋笼,钻扩桩,挤扩桩（支盘桩）,多节扩孔桩与直孔桩相比,承载力大大提高,沉降小,技术经济效益显著。,79,4.桩基础,4.2.5 桩基的质量检测,可能存在的质量问题 预制桩：桩位偏差、桩身裂缝过大、断桩等 灌注桩：缩颈、夹泥、断桩、沉渣过厚等。常用质量检测方法 开挖检查：只限于对所暴露的桩身进行观察检查。抽芯检查：在灌注桩桩身内钻孔，取混凝土芯样进行观察，看它的连续性。反射波法：测砼的连续性，是否存在孔洞、断桩等。动测法：高应变测桩承载力，低应变只能测

19、砼质量。,1 断桩 原因：邻桩施工时，桩距过小，土体因挤压隆起造成已灌完的尚未达到足够强度的混凝土桩断裂；软硬土层传递水平力大小不同，使桩产生剪应力，推挤桩身造成断桩。处理措施：控制桩中心距离3.5d；打桩方法应用跳打法或控制时间法；发现断桩，应拔去后重新补做桩身。,4.2.5 桩基的质量检测,2 缩径桩 缩径桩也称瓶颈桩，指桩身某部分桩径缩小 原因：拔管时，土体受扰动，产生很高的孔隙水压，桩管拔出后，水压作用于砼桩身；砼和易性差；桩间距过小，受邻桩沉桩时挤压。处理措施：控制拔管速度0.81.2米/分，慢抽密击5070次/分；管内砼必须略高于地面，保持有足够的重压力；有专人测定砼落下情况（浮标

20、法）用复打法处理。,3 吊脚桩 指桩底部混凝土隔空或混凝土混入泥砂而形成软弱夹层 原因：桩靴打坏挤入管内，拔管时，桩靴未及时脱离桩管；桩靴与桩管连接不密实，泥、砂流入；活瓣桩靴拔管到一定高度才张开，砼下落。处理措施：控制砼桩靴强度；活瓣桩靴应在抽管时注意砼下落情况。拔管开始500mm范围，可翻插几下；已灌砼时，用复打法处理。,桩靴,桩靴一般是打桩过程中加在桩尖上的，一般为钢靴，桩靴的作用：为了保护桩尖；二是为了打桩方便，因为桩靴的强度很大，容易切入土层中，特别是比较坚硬的土层，加上桩靴打入效果很好。,有两种构造，一种是开口，在沉管时套以钢筋混凝土预制桩尖，拔管时，桩尖留在桩底土中；另一种是管端

21、带有活瓣 桩尖，其构造如图示，沉管时，桩尖活瓣合拢，灌注混凝土及拔管时活瓣打开。,1.桩靴 桩靴可分为钢筋混凝土预制桩靴和活瓣式桩靴两种如图2.18、2.19、2.20,图 2.18 预制桩尖,图 2.20,桩尖埋设,4 灌注桩的桩头处理 灌注桩养护完毕，砼达到规定强度，要把桩头打掉1米左右。原因：（1）砼浇灌时石子先下沉，产生离析，桩头部分基本上是浮浆，强度达不到要求；（2）将桩中的钢筋打出与承台钢筋连接，以形成整体；（3）统一桩顶标高。,(一)按承台(二)材料(三)形状(四)承载机理(五)按尺寸：小 普通 大(六)施工方法：预制 灌注,4.桩基础,桩的分类总结,摩擦桩端承桩,90,4.桩基

22、础,4.2.6 桩基设计原则,GB50007-2002：基于正常使用极限状态的概率设计原则 JGJ94-94：采用以概率理论为基础的极限状态设计法，并按极限状态设计表达式计算，考虑桩基的两种极限状态，即承载能力、正常使用。并根据桩基损坏所造成的后果的严重性分为3个等级。,91,4.桩基础,桩基的竖向承载力（抗压和抗拔）、水平承载力计算 桩端平面以下的软弱下卧层验算 桩基抗震承载力计算 承载及桩身结构计算（包括预制桩吊运和锤击过程中的强度验算、桩身屈曲稳定计算）,所有桩基均应进行承载能力极限状态计算,桩基尚应进行变形验算,桩端持力层为软弱土的一、二级建筑物（竖向沉降）桩端持力层为粘性土、粉土或存

23、在软弱下卧层的一级建筑桩基（竖向沉降）承受较大水平荷载或对水平变位要求严格的一级建筑桩基（水平变位）,4.2.6 桩基设计原则,92,4.桩基础,4.3 单桩承载力,承载机理 荷载桩压缩侧摩阻消耗荷载桩底阻力。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 桩的荷载传递过程,单桩承载力的构成,单桩轴向荷载的传递机理,4.3桩的竖向承载力,桩土相互作用,竖向承载力的组成,摩阻力所需位移很小端阻力需要较大位移摩阻力先于端阻力发挥上部土层摩阻力先于下部土层发挥不同阶段二者分担比不同,Q/kN,Qs,Qp,

24、Q,S/mm,Qs 桩侧摩阻力 Qp 桩端阻力,1.桩身轴力和截面位移,1.桩身轴力和截面位移（1）单桩轴向荷载的传递,(2)建立单桩轴向荷载基本微分方程,材料力学,静力平衡条件,(3)方程的运用,由试验获得桩身轴力 分布图，则可通过方程求出桩侧阻和截面位移分布图，研究侧阻与端阻的分布及发展。,积分,计算沿桩身轴力,积分,计算沿桩身截面位移量,2.影响荷载传递的因素,4)桩的长径比：桩径比过大，影响桩端阻力的发挥，设计时不宜使桩长径比太大。,1)桩端土和桩周土的刚度比：影响桩的承载性状,承载性状,1 100,摩擦桩端承桩,2)桩土刚度比：影响桩端阻力分担荷载的大小。EpEs愈大，传递到桩端的荷

25、载愈大低刚度桩基（砂桩、碎石桩、灰土桩），按复合地基设计,3)桩端扩底直径与桩身直径之比：影响桩端分担荷载的大小；,1）桩侧摩阻力（1）桩侧摩阻力产生的原因：桩土相对位移（桩对土的位移、桩身压缩）；（2）桩侧摩阻力的计算,3.桩侧摩阻力和桩端阻力,2）桩端阻力（1）产生原因：桩端土压缩（2）端阻深度效应 端承力与深度有关，存在临界深度端阻的临界深度当桩端入土深度小于某一临界值时，极限端阻随深度增加，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。端阻的临界厚度当桩端持力层下存在软弱下卧层时、且桩端与软弱下卧层的距离小于某一厚度时，桩端阻力将受软弱下卧层影响而降低，这一厚度称端阻的临界

26、厚度。(3)土的极限端阻力影响因素 土性 下卧层 持力层密度 上覆荷载,小结1.单桩轴向荷载传递的过程是桩侧摩阻力和桩端阻力发挥的过程。2.单桩轴向荷载传递的过程分析。3.桩的侧阻和端阻都随深度呈线性增大,但具有深度效应。4.随着桩顶荷载的逐级增加，桩截面的轴力、位移和桩侧摩阻力不断变化。5.桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其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。6.桩长对荷载的传递有重要的影响,102,4.桩基础,桩侧摩阻力影响因素,土的性质：如抗剪强度(c,j)决定摩阻力的可能最大值 桩土相对位移 决定摩阻力的发挥程度 时间因素：土的固结随t增加向下

27、部转移 决定摩阻力发挥的时间 桩的刚度：影响桩周应力的分布。土中的应力状态：主要指侧向压力 施工方法：a)挤土桩；b)非挤土桩。,4.3.1 桩的荷载传递过程,103,4.桩基础,图4.12 压曲破坏,图4.13 整体剪切破坏,图4.14 刺入破坏,压曲破坏：沉降量很小，桩端阻为主，桩材控制承载力，穿 越软弱土层的小直径桩和嵌岩桩属于此类；整体剪切：沉降量较大，桩端阻为主，桩端桩侧土控制承载 力，打入式短桩、钻孔短 桩属于此类；刺入破坏：沉降量大，桩侧阻为主，桩顶容许沉降控制承载 力，一般情况下的钻孔灌注桩属于此类。,4.3.2 单桩的破坏模式,(1)屈曲破坏荷载-沉降(Q-S)关系曲线特征：

28、呈“急进破坏”的陡降型破坏模式特点：当桩底支承在坚硬的土层或岩层上，桩周土层极为软弱，桩身无约束或侧向抵抗力。桩在轴向荷载作用下，如同一细长压杆出现纵向挠曲破坏，其沉降量很小，具有明确的破坏荷载（图a)桩的承载力取决于桩身的材料强度。穿越深厚淤泥质土层中的小直径端承桩或嵌岩桩，细长的木桩等多属于此种破坏。,(2)整体剪切破坏荷载-沉降(Q-S)关系曲线的特征：呈“急进破坏”的陡降型破坏模式特点：当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层，达到强度较高的土层，且桩的长度不大时，桩在轴向荷载作用下，由于桩底上部土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体形成滑动面而出现整体剪切破坏。此时桩的沉降量较小，桩侧

29、摩阻力难以充分发挥，主要荷载由桩端阻力承受，呈现明确的破坏荷载(图b)。桩的承载力主要取决于桩端土的支承力。一般打入式短桩、钻扩短桩等均属于此种破坏。,(3)刺入破坏(Q-S)关系曲线特征：一般当桩周土质较软弱时,荷载沉降(Q-S)关系曲线为呈“渐进破坏”的缓变型曲线，无明显拐点，极限荷载难以判断，桩的承载力主要由上部结构所能承受的极限沉降su确定；当桩周土的抗剪强度较高时，荷载沉降(Q-S)关系曲线可能为陡降型，有明显拐点，桩的承载力主要取决于桩周土的强度。破坏模式特点：当桩的人士深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向荷载作用下将出现刺入破坏，如图c所示。此时桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承

30、受，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。一般情况下的钻孔灌注桩多属于此种情况。,107,4.桩基础,定义：桩周土相对于桩身下沉时产生的摩阻力。,4.3.3 桩侧负摩阻力,图4.15 桩侧摩阻力示意图,108,4.桩基础,桩侧大范围降低地下水，如大面积抽水，基坑降水等 桩侧地面大面积堆载；桩身穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层；冻土区升温引起桩侧土沉陷。,产生负摩阻力的条件,图4.6 住宅楼建于有新填土的斜坡上,4.3.3 桩侧负摩阻力,109,4.桩基础,中性点,定义：桩土相对位移为零处桩侧摩阻力为零处。在某深度处桩周土与桩截面沉降相等；或两者无相对位移发生；或其摩阻力为零

31、。特点：在中性点处桩身轴力达到最大值。,4.3.3 桩侧负摩阻力,110,4.桩基础,中性点位置还与时间因素、环境因素、地质条件等有关，精确计算有困难，目前采用经验估算法：（0.51.0l0）l0桩周变形土层下限深度，即软弱压缩层厚度。,中性点位置的确定,中性点的位置取决于桩土间的相对位移：当桩侧压缩变形大，桩地下土层坚硬，抗下沉量小，下移；反之，中性点位置上移。,图4.17 有负摩阻力时的荷载传递,4.3.3 桩侧负摩阻力,111,4.桩基础,1）在预制桩表面涂一薄层沥青；2）对钢桩再加一层厚度为3mm的塑料薄膜(兼作防锈蚀用)；3）对现场灌注桩也可在桩与土之间灌注斑脱土浆等方法，来消除或降

32、低负摩阻力的影响。,减小负摩阻力的措施,4.3.3 桩侧负摩阻力,112,4.桩基础,按桩材强度确定 按静载试验确定 按土的抗剪强度指标确定 按静力触探法确定 按经验公式确定 按动力试桩法确定,4.3.4 单桩竖向抗压承载力确定,113,4.桩基础,建工 路桥,按桩材强度确定,fcd 砼轴心抗压强度设计值；f sd 纵向钢筋抗压强度设计值；A 桩身截面积，当纵向筋的配筋率大于3%时，A应改为An=A-As；As 全部纵向钢筋的截面积；,4.3.4 单桩竖向抗压承载力确定,114,4.桩基础,按经验公式确定（建工）,一般预制桩与 中小直径灌注桩,大直径桩,嵌岩桩,800mm 为界,4.3.4 单

33、桩竖向抗压承载力确定,115,4.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；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）,4.3.4 单桩竖向抗压承载力确定,116,4.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）,4.3.4 单桩

34、竖向抗压承载力确定,117,4.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）,单桩竖向抗压承载力确定,118,4.桩基础,由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10天；粉土和粘性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。,4.3.4 单桩竖向抗压承载力确定,119

35、,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,120,4.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,121,4.桩基础,每级荷载大小 分级（初始阶段：每级荷载为1/51/8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

36、/h，并连续出现两次。,慢速维持荷载法,122,4.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、60min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,123,4.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

37、定Qu 对缓变型Q-s曲线，可取s=4060mm 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4.19 单桩Q-s曲线,124,4.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

38、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量。,按动力试桩法确定,4.3.4 单桩竖向抗压承载力确定,125,4.桩基础,作用机理：水平荷载(力和弯矩）作用下，桩身产生横向位移或挠曲变形，并挤压桩侧土体，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力，桩土共同作用,破坏模式 刚性桩(ah2.5)：桩身刚体转动破坏，承载力主要由桩的水平位移和倾斜控制 柔性桩(ah2.5)：桩身发生扰曲变形，破坏时桩身某点弯矩超过截面抵抗矩或土体屈服失稳，承载力由桩身水平位移及最大弯矩值控制,4.4 单桩水平承载力,126,4.桩基础,b1 桩身计算宽度（简化为平面受力）,EI桩身抗弯刚

39、度时，对于钢筋砼桩，取EI 0.85EcI0(建工)或0.80EcI0(路桥)，其中Ec为砼的弹模，I0为桩身截面惯性矩.,a为桩的水平变形系数，量纲为L-1 h为桩的入土深度，,m 地基土横向抗力系数的比例系数(MN/m4)，受桩材和刚度、土类及其性质、荷载作用方式、荷载水平、桩身水平位移等因素影响，对多层地基可取当量m值计算，取层厚2(d+1)m；如无试验资料，m值可参照规范表格,4.4 单桩水平承载力,127,4.桩基础,多采用线弹性地基反力法。假设x与桩的水平位移x成正比。关键在于确定土体抗力系数沿深度的分布，分为：(a)常数法；(b)k法；(c)m法；(d)c法,4.4 单桩水平承载

40、力,128,4.桩基础,微分方程的建立,取一基桩微元体，由平衡条件可得挠曲微分方程：采用幂级数求解：,图4.24 微元体受力示意图,相关系数可查表确定。,4.4 单桩水平承载力,129,4.桩基础,单桩水平静载荷试验,试验装置：加荷系统：千斤顶、试桩 位移观测：百分表,图4.20 单桩水平静载荷试验,4.4 单桩水平承载力,130,4.桩基础,每级荷载大小 约为预估水平极限承载力的（1/10-1/15）。读数方法 每级加荷后恒载4min测读桩顶水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，如此循环5次，再施加下一级荷载。终止加载条件 桩身折断 桩顶水平位移超过3040mm 桩侧地表出现明

41、显裂缝或隆起。,试验方法,单桩水平静载荷试验,131,4.桩基础,水平极限承载力的确定,两特征点对应的荷载称为临界荷载Hcr和极限荷载Hu,图4.21 单桩H0 x0/H0曲线,图4.22 单桩H0g曲线,132,4.桩基础,4.5 群桩基础,图4.25 群桩效应,4.5.1 群桩效应,133,4.桩基础,端承型群桩桩的荷载传递 桩底持力层刚硬，桩的贯入量小。群桩承载力 各单桩承载力之和，不必考虑群桩效应。摩擦型群桩的荷载传递 桩顶作用荷载通过侧阻传至桩周土体，并经扩散使桩底压力分布范围比桩身截面大很多。当桩距小于某距离时（一般为6d），桩底应力扩散面积交叉重叠，与原来单桩端应力叠加，使群桩桩

42、底地基所受压力比单桩大，故群桩承载力小于各单桩承载力之和。,4.5.2 群桩的荷载传递特性,134,4.桩基础,承台下土对荷载的分担作用 复合桩基:由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基。条 件:桩及桩间土整体下沉，保证承台底不脱空。特 性:承台底分担荷载的作用随桩群相对于地基 土向下位移幅度的加大而增强，桩身弹性 压缩产生桩土相对位移也使承台底反力增 加。通常，台底分担荷载的比例可从百分 之十几直至百分之三十。,4.5.2 群桩的荷载传递特性,135,4.桩基础,4.5.3 群桩的竖向承载力设计值,JGJ94-94考虑土类别、桩距-桩径比、承台宽-桩长比等因素，通过引进侧阻群桩效应系数、端桩群

43、桩效应系数、侧阻端阻综合群桩效应系数等，从而建立群桩竖向承载力与单桩侧阻、端阻之间的关系式：当由载荷试验确定基桩竖向极限承载力标准值时，侧阻和端阻已同时综合考虑，故基桩的竖向承载力设计值为：,136,4.桩基础,要求 和浅基础一样，桩基设计也应符合安全、合理和经济的要求。,4.6 桩基础设计,基本原则,对桩和承台有足够的强度、刚度和耐久性；对地基（主要是桩端持力层）有足够的承载力 和不产生过量的变形。,137,4.桩基础,竖向承载力验算 软弱下卧层承载力验算 竖向抗拔承载力及负摩阻力验算 水平承载力验算 沉降验算,桩基础验算内容,4.6 桩基础设计,138,4.桩基础,设计步骤,收集有关资料；

44、确定桩基持力层；选择桩材，确定桩型、外形尺寸和构造；定单桩承载力设计值；初拟桩的数量和平面布置；初拟承台的轮廓尺寸及承台底标高；验算作用于单桩上的竖向和横向荷载；验算承台尺寸及结构强度；必要时验算桩基整体承载力和沉降量，若桩端下有软弱下 卧层，验算软弱下卧层地基承载力；单桩设计，绘制桩和承台的结构及施工详图。,4.6 桩基础设计,139,4.桩基础,4.6.1 收集设计资料,包括建筑类型（上部结构型式、平面、使用上要求）、荷载及其性质、工程地质勘察资料、材料来源及施工技术设备、建筑场地条件（如交通、周边建筑物、管线设施）等情况，并尽量了解当地使用桩基的经验。详细勘察除满足现行勘察规范有关要求外

45、，勘探间距和勘探深度还有要求。,140,4.桩基础,4.6.2 桩型、桩长和截面尺寸选择,桩型选择（在了解各种桩型优缺点基础上）桩长选择：主要取决于桩端持力层的选择。桩端进入持力层的深度据土类别而有所不同。截面尺寸：根据桩型与受荷大小等确定。承台埋深：从结构要求和方便施工的角度选择，平面尺寸根据桩数及构造要求定,141,4.桩基础,4.6.3 桩数及桩位布置,桩数 初估桩数时，先不考虑群桩效应，根据单桩竖向承载力设计值R定桩数n。轴心受压时，可按下式估算：F作用在承台上的竖向压力设计 值；G承台及其上方填土的重力。偏心受压时，分为两种情况：若群桩重心与荷载合力点重合，桩数仍可按上式确定。若不能

46、满足，则应增加(10-20)桩数。,142,4.桩基础,桩中心距 一般桩的最小中心距为（34）d，具体应符合规范规定对大面积桩群，尤其是挤土桩，桩最小中心距应按表列数值适当加大。桩位布置 原则：应尽可能使上部荷载的中心与桩群的横截面形心重合或接近形式可多种多样。,4.6.3 桩数及桩位布置,143,4.桩基础,4.6.4 桩身截面强度计算,预制桩要求 混凝土强度等级宜C30 主筋(纵向)按计算选用48根1425mm的钢筋。最小配筋率min宜0.8 箍筋可取68200mm，桩顶桩端应加密 打入法沉桩时，桩顶应设置三层64070的钢筋网，层距50。桩尖所有主筋应焊接在一根圆钢上，或在桩尖处用钢板加

47、强 主筋的混凝土保护层应30mm，桩上需埋设吊环，位置由计算确定。,144,4.桩基础,混凝土强度等级应C20，混凝土预制桩尖应C30。当桩顶轴向力和水平力满足规范条件时，可按构造要求配置桩顶与承台的连接钢筋笼。对一级建筑桩基，主筋为6-10根12-14，min0.2，锚入承台30dg（主筋直径），伸入桩身长度10d；对二级建筑桩基，可配置4-8根10-12的主筋，锚入承台30dg，且伸入桩身长度5d，对于沉管灌注桩，配筋长度不应小于承台软弱土层层底厚度；对三级建筑桩基可不配构造钢筋。,灌注桩要求,4.6.4 桩身截面强度计算,145,4.桩基础,4.6.5 承台设计,承台的作用是将桩联结成一

48、个整体，把建筑物荷载传到桩上，因而承台应有足够的强度和刚度。,外形尺寸及构造要求,平面尺寸由上部结构、桩数及布桩形式决定。厚度应 300mm，宽度500mm，边缘至边桩中心距应d。配筋按计算定，对矩形承台板，宜双向均匀配置；对于三桩承台，应按三向板带均匀配置。,146,4.桩基础,承台的内力计算,柱下独立桩基承台配筋不足时将产生弯曲破坏，最大弯矩产生于屈服线处，只需计算承台正截面最大弯矩，具体分为：柱下多桩矩形承台 柱下三桩三角形承台 柱下或墙下条形承台梁,图4.27 四桩承台弯曲破坏模式,4.6.5 承台设计,147,4.桩基础,承台厚度及强度计算,承台厚度可按冲切及剪切条件确定，一般可先按冲切计算，再按剪切复核。强度计算 受冲切 受剪切 局部承压 受弯计算,4.6.5 承台设计,