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1、第四节 单桩承载力,1单桩轴向荷载传递机理和特点2.单桩轴向容许承载力按土的支承力的确定3.单桩横轴向容许承载力的确定4.按桩身材料强度确定单桩承载力5.关于桩的负摩阻问题,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。,桩顶轴向位移桩身弹性压缩桩底以下土层压缩 土对桩的支承力桩侧摩阻力桩底阻力 桩的极限荷载桩侧极限摩阻力桩底极限阻力,桩底阻力的充分发挥需要较大位移值。,1单桩轴向荷载传递机理和特点,柱桩：桩底位移小，桩侧摩阻力不易发挥，常忽略不计 较长柱桩且覆盖层较厚，计算桩侧摩阻力,摩擦桩：桩侧摩阻
2、力先充分发挥，桩底阻力才逐渐发挥,1 荷载传递过程与土对桩的支承力,影响因素：桩土间的相对位移、土的性质、桩的刚度、时间因 素、土中应力状态、桩的施工方法等。,2 桩侧摩阻力的影响因素及其分布,桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题，极限摩阻力值与桩侧土的剪切强度有关，随着土的抗剪强度增大而增大。,桩的刚度较小，桩顶处桩侧摩阻力较大；桩刚度较大，桩下部桩侧摩阻力较大。,桩侧摩阻力所承担荷载随时间由桩身上部向桩下部转移。,主要影响因素：土的类别、性状,假设：打入桩桩侧摩阻力在地面为零，沿桩入土深度成线性分布；钻孔灌注桩桩侧摩阻力按桩身均匀分布。,打入桩,钻孔灌注桩,影响因素：土的性质、持力层上覆荷载
3、（覆盖土层厚度）、桩径、桩底作用力、时间及桩底端进入持力层深度等。,3 桩底阻力的影响因素及其深度效应,主要影响因素：桩底地基土的性质,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、上覆荷载、桩径大小,桩底阻力随土层固结度提高而随时间增长。,深度效应：桩的承载力随桩的入土深度，特别是进入持力层深 度变化。,临界深度hc：桩底端进入持力层一定深度后，桩底阻力的极限 值保持稳值。上覆荷载越小，持力层土密度越大，hc越大。,临界厚度tc：持力层下为软弱层时的临界厚度。持力层土密度越高、桩径越大，tc越大。,4 单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式,（1）桩底支
4、承在坚硬地层，桩侧土为软土层，桩在受压荷载 作用下，如同一根压杆似地出现纵向挠曲破坏。桩的承载力取决于桩身材料强度。（2）桩穿过抗剪强度较低的土层到达抗剪强度较高土层时，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。桩的承载力取决于桩底土的支承力(主)和桩侧摩阻力(次)。,（3）桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴 向受压荷载作用下，出现刺入式破坏。桩的承载力取决于桩底土的支承力和桩侧摩阻力。,单桩轴向容许承载力：单桩在轴向荷载作用下，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所 容许承受的最大荷载。,2.单桩轴向容许承载力按土的支承力的确定,
5、1用静载试验确定单桩轴向容许承载力 在桩顶逐级施加轴向荷载，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。,（1）试验装置 锚桩梁、横梁、油压千斤顶,（2）测试方法 试桩加载分级进行，每级荷载为预估破坏荷载1/10-1/15；采用递变加载方式，开始阶段取预估破坏荷载1/2.5-1/5，终了阶段1/10-1/15。,测读沉降时间：在每级加荷后的第一个小时内，按2、5、15、30、45、60min测读一次，以后隔30min测读一次，直至沉降稳定。,沉降稳定标准：砂性土;30min内不超过0.1mm 粘性土：1h内不超
6、过0.1mm,出现下列一种情况，则桩破坏，达到破坏荷载：1）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。,（3）极限荷载和轴向容许承载力的确定单桩轴向容许承载力,确定桩极限荷载的方法1）P-S曲线明显转折点法 静载试验绘制的P-S曲线上，曲线出现明显下弯转折点所对应 的作用荷载为极限荷载。,2）S-logt法（沉降速率法）S=mlogtS-每级下沉量；t-时间；m-直线斜率,随桩上荷载增加而增大，m越大桩的沉降速率越大。将相应于S-logt线型由直线变成折线的那一级荷
7、载定为桩的破坏荷载，其前一级荷载为桩的极限荷载。,2按设计规范经验公式确定单桩轴向容许承载力1）摩擦桩,2）柱桩,由于桩侧摩阻力与桩底阻力是异步发挥，且发生极限状态的时效不同，因此各自安全度不同。,3按静力触探法确定单桩容许承载力 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，通过大量资料累积和分析研究，建立经验公式确定轴向受压单桩容许承载力。我国公桥基规：,迄今还没有一些理论能很圆满地解释静力触探的贯入机理。因此，静力触探在实际工程的应用中，常常用一些经验关系把贯入阻力与土的物理力学性质联系起来，建立经验公式；或根据对贯入机理的认识做定性的分析，在此基础上建立半经验的公式。,
8、单桥探头只能测定一个触探指标比贯入阻力ps，该指标的基本概念为：（1）这一贯入阻力对应于一定几何形状的探头，因此是相对贯入阻力。经大量实验研究，按表1确定的探头规格，则触探结果不受其规格尺寸的影响。,静力触探探头规格,（2）ps值是探头锥尖底面积A与总贯入阻力P的比值；,总贯入阻力P 包括了锥尖阻力和侧壁摩擦力两部分的综合作用，故Ps植称为比贯入阻力。但就圆锥体的贯入来说，所受的阻力大小只取决于土体的抗剪强度，而与土的压缩性无关。,双桥探头能同时测出锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs,。故可用于单桩的模型试验，分别测得单桩桩尖承载力和侧壁摩擦力。,qc、Pf,分别为锥尖总阻力和侧壁摩阻力；,分别为锥
9、底截面面积和摩擦筒表面积,A、F,4按动测试桩法确定单桩轴向受压容许承载力 动测法：给桩顶施加一动荷载，量测桩土系统的相应信号，分析计算桩的性能和承载力。,动测法,高应变动测法,低应变动测法,高应变动测法 以重锤敲击桩顶，使桩贯入，桩土间产生相对位移，可分析对桩的外来抗力和测定桩的承载力，检验桩体质量。,低应变动测法 施加于桩顶的荷载远小于桩的使用荷载，不足以使桩土间发生相对位移，通过应力波沿桩身的传播和反射原理分析，可检验桩身质量。,高应变动测法,锤击贯入法,波动方程法,动力打桩公式,1）锤击贯入法 通过不同落距的锤击试验确定单桩承载力 桩的贯入度大则承载力低，贯入度小则承载力高；桩周土达到
10、极限状态后破坏，则贯入度有较大增大。,2）波动方程法 将打桩锤击看成杆件的撞击波传递问题研究，运用波动方程的方法分析打桩时整个力学过程，编成计算机程序计算，预测打桩应力及单桩承载力。,3）打桩公式 反映桩的贯入度与土对桩的阻力之间关系,5按静力分析法确定单桩容许承载力 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，除以安全系数来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，将桩作为深埋基础，假定地基的破坏滑动面模式，运用塑性力学中的极限平衡理论，导得地基极限荷载理论公式。,（2）桩侧极限阻力的确定,（3）单桩轴向容许承载力的确定,极限阻力桩底极限
11、阻力桩侧极限阻力,3.单桩横轴向容许承载力的确定,横向承载力：桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。,1在横向承载作用下，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，桩身对土产生侧向压力，桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力。1）桩的相对刚度较大时，桩身挠曲变形不明显。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 能力或破坏。基桩的横向容许承载力可能由桩侧土的强度 及稳定性决定。2）桩的相对刚度较小时，桩身发生挠曲变形，侧向位移随入土 深度增大而逐渐减小，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。继续增大荷载，桩身可能在较大弯矩 处断裂或发生过大
12、侧向位移超过容许变形值。基桩的横向容许 承载力可能由桩身材料抗弯强度或侧向变形条件决定。,2单桩横向容许承载力的确定方法1）单桩水平静载试验,（1）试验装置,（2）试验方法,单向多循环加卸载法a试验方法 试验加载分级，每级取预估横向极限荷载的1/10-1/15，桩身折断或水平位移超过30-40mm（软土40mm）时，中止试验。b单桩横向临界荷载Hcr与极限荷载Hu的确定 Hcr：桩身受拉区混凝土开裂前的荷载，取H0-T-U0曲线突变 点的前一级荷载或H0-曲线第一直线段终点相对应 的荷载。,Hu：取H0-T-U0曲线明显陡降的前一级荷载或H0-曲线第二 直线段终点相对应的荷载,慢速连续加载法,
13、a试验方法 试验加载分级b横向临界荷载与极限荷载的确定临界荷载：取H0-U0及H0-曲线第一拐点的前一级荷载极限荷载：取H0-U0 曲线陡降点的前一级荷载和H0-曲线 第二拐点相对应的荷载。,单向单循环恒速水平加载法 恒定荷载下，横变急剧增加、变位速率逐渐加快，或已达到试验要求的最大荷载或最大变位时终止加载。,极限荷载除以安全系数（取2），得桩的横向容许承载力。极限荷载时的位移，不能超过结构使用要求的水平位移，否则按照变形条件控制。水平位移容许值根据桩身材料强度、土发生横向抗力的要求、墩台顶水平位移结构和使用要求确定。公桥基规取试桩在地面处水平位移不超过6mm。,2）分析计算法,根据某些理论，
14、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及桩顶或墩台顶位移等，从而评定桩的横向容许承载力。,4.按桩身材料强度确定单桩承载力,钢筋混凝土桩1 轴向受压情况,考虑纵向挠曲影响，验算时将截面强度乘以1的纵向挠曲系数,1）钢筋混凝土桩，配有普通箍筋，轴心受压情况下,2）钢筋混凝土桩，采用螺旋式或焊接环式间接钢筋,2偏心受压情况 1）强度验算,2）最大裂缝宽度验算,5.关于桩的负摩阻问题,1 负摩阻力的意义及其产生原因,正摩阻力：桩受轴向荷载作用后，桩相对于桩侧土体作向下位移，土对桩产生向上作用的摩阻力。负摩阻力：桩周土体沉降速率大于桩的下沉时，桩侧土相
15、对于桩作向下位移，使土对桩产生向下摩阻力。负摩阻力使桩侧土的部分重力传递给桩，是施加在桩上的外荷载。,负摩阻力产生原因：1）在桩附近地面大面堆载，引起地面沉降产生；2）土层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土层产生 自重固结下沉；3）桩穿过欠压密土层进入硬持力层，土层产生自重固结下沉；4）密集群桩打桩时，桩周土中产生很大超孔隙水压力，停止 打桩后桩周土再固结作用引起；5）黄土、冻土中的桩，黄土湿陷、冻土融化产生。桩穿过软弱高压缩土层而支承在坚硬的持力层上时最易发生桩的负摩阻问题。,2中性点及其位置的确定,负摩阻力产生范围是桩侧土层对桩产生相对下沉的范围。中性点：正、负摩阻力变换处的位置。,中性点的位置取决于桩与桩侧土的相对位移，与作用荷载和桩周土的性质有关。,负摩阻力的范围和强度大小的确定,桩侧下沉量随深度减小，在某一深度处可能与桩身位移量相等，此处不产生负摩阻力。此深度以上，桩侧土下沉大于桩身位移，桩身受到向下的摩阻力；此深度以下，桩的位移大于桩侧土下沉，桩身受到向上作用的正摩阻力。,假设中性点位置，计算出负摩阻力，加到桩上荷载中，计算桩的弹性压缩，以分层总和法计算桩周土层及桩底下土层的压缩变形，绘出桩侧土层下沉曲线(a)和桩身位移曲线(c)，两曲线交点为中性点。若与假设点未重合，重新试算。,3负摩阻力的计算,桩土间的粘着力和桩的负摩阻力强度取决于土的抗剪强度。,
