土力学及地基基础-10桩基础

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1、10 桩 基 础 10 1 概述 10 2 桩的分类及施工工艺 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 10 4 桩基在水平荷载下的性状与计算 10 5 桩基础的设计 10 桩 基 础 10 1 概述 如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载 力和变形的要求 而又不适宜采取地基处理措施时 就要 考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深基础方案 深 基础主要有桩基础 沉井和地下连续墙等几种类型 其中 桩基础是最常用的深基础形式 桩基础 是由基桩和连接于桩顶的承台共同组成 承台把桩 联结起来并承受上部结构的荷载 然后通过桩传递到地基中 去 10 1 概述 一 组成及作用 组成 桩 承台 作用

2、将上部结构荷载 通 过较软弱的地层传递给深部较 坚硬的土层或岩层 1 承载力高 2 稳定性好 3 沉降小 4 便于机械化施工 桩基础已成为建筑 交通 水利 港口等工程中广为采用的基础形 式 10 1 概述 二 特点 选用桩基础条件 1 对地基沉降要求严格 不允许有不均匀或过大沉降的建筑物 2 采用地基加固措施不合适的软弱地基或特殊土地基 3 当施工水位或地下水位很高或基础位于水中的建筑物 4 高耸建筑物等 5 建筑物受到大面积地面超载的影响 或软土上活荷载比较大的筒仓 油库等 6 承受大荷载 动荷载 大偏心荷载的建筑物 7 精密或大型设备的基础 对基础振动有较高要求的建筑 8 意义重大或需长期

3、保存的建筑物 三 应用 桩基础主要通过作用于桩尖土层的阻力和桩周土的摩阻力来支承轴向 荷载 也可利用桩侧土的侧向阻力抵抗水平荷载 10 1 概述 不宜采用采用桩基础的情况 1 上层土比下层土硬得多 2 土层中有障碍物而又无法排除 如孤石 3 只能采用打入或振入法施工 而附近有重要的或对振动强烈敏感的建筑 物时 是否采用桩基础需要综合考虑多项因素 10 1 概述 10 2 桩的分类及施工工艺 现行 建筑桩基技术规范 将桩分别按承载性状 使用功能 桩身 材料及桩径大小等进行分类 一 按承载性状分类 二 按桩的使用功能分类 三 按桩身材料分类 四 按成桩方法分类 五 按桩对桩周土的挤压作用分类 六

4、按桩径大小分类 一 按承载性状分类 1 端承型桩 端 承 桩 在极限承载力状态 桩顶荷载由桩端承受 桩侧阻力可忽略不计 摩擦端承桩 在极限承载力状态 桩顶荷载主要由桩端阻力承受 桩侧阻力属 次要地位 2 摩擦型桩 根据竖向极限荷载作用下桩侧阻力与桩端阻力所分担荷载的 比例 分为摩擦桩和端承摩擦桩 请注意区分 端承型桩 端承桩 摩擦型桩 摩擦桩 摩 擦 桩 竖向极限荷载作用下 桩顶荷载绝大部分由桩侧阻力承担 桩端 阻力可忽略不计 端承摩擦桩 桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担 大部分由桩侧阻 力承担 但桩端阻力不可忽略不计 根据桩土相互作用的特点 按桩侧阻力与桩端阻力的发挥程度及各自对荷载

5、的 分担比例 桩基础分为端承型桩和摩擦型桩 端承型桩与摩擦型桩 如图 二 按桩的使用功能分类 可分为以下四类 1 竖向抗压桩 以承受竖向荷载为主的桩 2 竖向抗拔桩 以承受竖向上拔荷载为主的桩 3 水平受荷桩 以承受水平荷载为主的桩 4 复合受荷桩 所受的竖向 水平荷载均较大的桩 三 按桩身材料分类 1 混凝土桩 预制桩 在工厂或工地预先将桩身制作好 待就位后 用打入或射水法将桩送入土中 灌注桩 用机械或人工在现场开孔 就地浇筑混凝土 而形成的桩 2 钢桩 钢桩主要有钢管桩 H型钢桩和钢板桩 3 木桩 四 按成桩方法分类 按照成桩的方法和工艺 桩基础可分为 1 打入桩 将预制好的桩体用击打或振

6、动的方法打入地下 成桩 2 灌注桩 先成孔后浇筑混凝土 3 静压桩 利用机械以强力将预制桩压入到设计位置 五 按桩对桩周土的挤压作用分类 1 挤土桩 2 部分挤土桩 少量挤土桩 3 非挤土桩 开口钢管桩 H型钢桩 开口的预应力钢筋混凝土桩 预制桩 沉管灌注桩 预钻孔的钢筋混凝土桩 钻 挖 冲孔 灌注桩 六 按桩径大小分类 按照桩径大小 桩基础可分为 1 小 桩 d 250mm 2 中等直径桩 250mm d 800mm 3 大直径桩 d 800mm 工程中选用何种桩型 受地质条件 场地条件 承载力要求 施工设备 地下水位和经济条件等方面的限制 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 一 单桩的

7、破坏模式 二 单桩的竖向承载能力 三 单桩的荷载传递 四 负摩阻力 一 单桩的破坏模式 1 桩身材料屈服 非压曲 2 持力层整体剪切破坏 3 刺入剪切破坏 4 沿桩身侧面纯剪切破坏 5 在拔力作用下沿沿桩身 侧面纯剪切破坏 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 一 单桩的极限承载力的影响因素 1 土的支撑能力所能提供的承载力 判定标准 土的强度条件 土的变形条件 判定方法 静载试验法 规范经验法 静力触探法和动 力法等 2 桩身结构强度所能提供的承载力 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 二 单桩的竖向承载力确定 一 按材料强度确定单桩竖向承载力 二 按静荷载试验确定单桩轴向承载力 三

8、静力触探法确定单桩轴向承载力 1 单桥探头法 2 双桥探头法 四 经验参数法 五 动力检测法 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 一 按材料强度确定单桩竖向承载力 单桩竖向承载力设计值 混凝轴心受压构件的稳定系数 混凝土轴心抗压强度设计值 纵向受力钢筋的抗压强度设计值 桩身横截面面积 纵向受力钢筋的截面面积 按材料强度计算单桩竖向承载力时 将桩视为一轴向受压构件 混凝土桩 单桩竖向承载力设计值公式 式中 二 按静荷载试验确定单桩轴向承载力 静载试验是在施工现场进行的 考虑 1 地基土的支承能力 2 桩身材料强度对承载力的影响 规范规定 对于一级建筑物必须通过静荷载试验 同一条件下的试桩数不

9、宜 少于总桩数的1 并不少于3根 工程桩总数在50根以内时 不应少于2根 对于地基条件复杂 桩的施工质量 可靠性低等某些情况下的二级建筑桩基 也须通过静荷载试验 测出n根试桩极限承载力 后 可 通过统计的方法 确定单桩竖向极限承 载力 的标准值 1 稳定标准 1 持力层为粘性土时 沉降速率不大于0 1mm h 2 持力层为砂土时 沉降速率不大于0 5mm h 遵守此稳定标准的试验称为慢速维持荷载法试验 快速维持荷载试验法 则规定 每级荷载下观测沉降1小时即可加载下一级荷载或卸载 2 破坏标准 出现以下任一种情况 即认为试桩达到破坏状态 1 桩发生急剧的 不停滞的下沉 2 该级荷载下的沉降大于其

10、前一级沉降的五倍 3 该级沉降大于其前一级沉降的2倍 且在24h内不能稳定 4 试桩的总沉降超过100 L 40 mm L为桩长 m 二 按静荷载试验确定单桩轴向承载力 极限荷载的判定 Q s曲线明显转折点法 1 线性变形阶段 从加荷至第一拐点A 2 弹塑性变形阶段 从第一拐点A到第 二拐点B 3 破坏阶段 从第二拐点B往后 第一拐点对应的荷载称为临界 屈 服 荷载 第二拐点对应的荷载称为极 限荷载 记为Qu 二 按静荷载试验确定单桩轴向承载力 二 按静荷载试验确定单桩轴向承载力 极限荷载的判定 沉降速率法 s lgt法 当荷载较小时 各级荷载下的s lgt 关系成一条条平坦的直线 超过屈服荷

11、 载 s lgt的斜率逐渐增大 超过极限 荷载时 s lgt的斜率急剧增大 且随 着时间而向下曲折 表明桩的沉降速率 在随着时间而增加 标志着桩已处于破 坏状态 三 静力触探法确定单桩轴向承载力 根据探头的不同分为单桥探头法和双桥探头法 一 单桥探头法 建筑桩基技术规范 中提出了根据比贯入阻力确定混凝土预制桩单桩竖向极限承 载力的标准值 桩身周长 用静力触探比贯入阻力值估算的桩周土第i层的极限侧阻力标准值 桩穿过第i层土的厚度 桩端阻力修正系数 桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值 桩端面积 桩端穿越粉土 粉砂细砂及中砂底面时 按 建筑桩基技术规范 估算的值 需乘以 进行修正 双桥探头可同时测出

12、探头侧阻力 和端阻力 该法较多采用 可按下式计算 式中 桩身周长 第 i层土层厚度 第 i层土的探头平均阻力 第 i层土桩侧阻力综合修正系数 桩端面积 桩端平面上 下探头阻力 二 双桥桥探头头法 三 静力触探法确定单桩轴向承载力 四 经验参数法 建筑桩基技术规范 中对各类桩基的单桩竖向极限承载力标准值的计 算公式如下 1 普通灌注桩及预制桩 式中 桩身周长 桩侧第i层土的极限侧阻力标准值 极限端阻力标准值 2 大直径 d 800mm 桩 式中 桩身周长 桩侧第i层土的极限侧阻力标准值 桩径为800mm的极限端阻力标准值 大直径桩侧阻尺寸效力系数 大直径桩端阻尺寸效应系数 四 经验参数法 ppk

13、psisiksiukA q l quQyy 四 经验参数法 3 钢管桩 桩端闭塞效应系数 4 嵌岩桩 嵌岩桩的极限承载力由桩周土总侧阻 嵌岩段总侧阻和总端阻三 部分组成 五 动力检测法 大应变动测法 能使桩土发生相对位移 产生永久贯入度 小应变动测法 不能使桩土发生相对位移 只产生桩土体系的弹性 变形 动力检测法确定单桩极限承载力 采用重锤冲击桩顶 实测桩顶 部的速度和力实程曲线 通过波动理论分析得到桩土体系力学性状 以判定单桩竖向承载力 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 三 单桩的荷载传递 竖向荷载作用于桩顶 上部桩身首先受到压缩而发生相对于土的向 下位移 于是桩周土在桩侧界面上产生向

14、上的摩阻力 荷载沿桩身 向下传递的过程就是不断的克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的 过程 桩身轴力沿深度减小 乃至桩端 桩身轴力与桩底反力相平 衡 同时使桩底土压缩 使桩身下沉 又使摩阻力进一步发挥 随 荷载的逐渐增加 上述过程周而复始地进行 直至变形稳定 荷载传递的一般规律 1 桩在竖向荷载下发生压缩和沉降 首先沿桩身侧面引起土体的剪切变形 该剪应变遵循土的剪切应力应变关系 当荷载传到桩底时 使桩底土 产生压缩变形 该压应变服从土的压缩应力应变关系 2 桩底土越硬 即桩底土与桩周土的刚度比越大 则经桩底传递的荷载越 多 3 桩身相对刚度越大 则经桩底传递的荷载越多 4 扩底直径越大 则桩底传

15、递的荷载越多 5 桩长对荷载传递有重要影响 当桩长超过L d 100时 上述各种影响都 将大大减弱 甚至失去意义 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 单桩承载力的时间效应 软粘土中挤土型摩擦桩的承载力随时间而增长 其增长机理为 1 粘性土具有触变性 受打 压 桩扰动而损失的强度随着时间得以逐渐 恢复 2 打 压 桩过程中在桩周积聚的超空隙水压力随着时间逐渐消散 有效 应力随之增加 而且桩周土由于挤压亦使密度得以提高 这两个因素都 将使土的强度增长 3 桩端土的强度由于压密与固结作用而逐渐恢复与增长 因此桩端总承载 力亦有所增加 1 桩穿过欠压密的软粘

16、土或新填土 而支承于坚硬土层时 硬粘性 土 中密以上砂土 卵石层或岩层 2 在桩周有大面积堆载或超填土使桩周土层压密 3 在正常固结或弱超固结的软粘土地区 4 由于抽取地下水或桩周地下水位下降 致使有效应力增加 使桩周 土下沉时 5 自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷 或冻土融化下沉时 6 打桩时使已设置的邻桩抬升等 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 四 负摩阻力 概念 桩土之间相对位移的方向 对于荷载传递的影响很大 在土层相 对于桩侧向下位移时 产生于桩侧的向下的摩阻力称为负摩阻力 产生负摩阻力的情况有多种 例如 在这些情况下 土的重力和地面荷载将通过负摩阻力传递给桩 10 3 单桩在竖向荷载下的性状与计算 四 负摩阻力 负摩擦力产生的危害 负摩擦问题可能会因为设计使用时被忽视或考虑不足 可能造成 1 桩端地基的屈服或破坏 2 桩身破坏 3 结构的不均匀沉降等而影响使用 甚至导致工程事故的发生 负摩擦力的分布及中性点 关于桩基负摩擦的应用研究主要是考虑如何确定负摩擦力沿桩身的分布及 中性点位置 所谓中性点就是桩的沉降量与地基沉降量相等的位置 也即 在桩与桩周地基之间无相对变位之点 在