第4章 桩基础课件

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1、4.3 桩的竖向承载力,4.3.1 单桩轴向荷载的传递机理,桩轴向荷载的传递过程： 随着桩顶荷载的增加， 桩身上部受压缩，相对土层向下位移，桩侧受到向上的摩阻力 桩侧阻力从桩身上段向下逐渐发挥； 桩端土层受压，产生桩端反力； 当桩身摩阻力达到极限值时，新增加到荷载由桩端阻力承担； 直到，桩底持力层破坏，桩达到极限承载力。,1. 桩身轴力和截面位移,单桩轴向荷载的传递过程： 桩侧阻力和桩端阻力发挥的过程。 一般来说， 桩身上部土层侧阻力先于下部侧阻力； 侧阻力先于端阻力发挥。 沿桩身，桩的沉降、摩阻力、轴力的变化规律如何？,取桩身微元：,桩身微元平衡关系：,上式负号，表示轴力随深度减小。 根据桩

2、身轴向压缩变形和轴力的关系： （注意截面位移与压缩应变方向相反）,代入(4-2), 有,单桩轴向荷载传递的基本微分方程 微分方程表明：桩侧阻力是桩身沉降（轴向变形）的函数。,根据竖向平衡，有 桩身轴力 桩端轴力，即桩端总阻力Qp为 桩身截面位移 桩端位移为l,Nz,取深度z处以上桩体为研究对象，,在轴心力Q作用下，在桩身上贴应变片测定，由公式(4-3)计算轴力N，分别由公式 (4-2)、 (4-6)计算出沿桩身的摩阻力和位移,Mattes-Poulos根据线弹性理论分析(1969,1971)，单桩荷载传递的影响因素有： 桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es 桩土（桩侧土）刚度比Ep/Es 桩端扩底

3、直径与桩身直径之比D/d 桩的长径比 l/d,2. 影响荷载传递的因素,桩的长径比 l/d，在所有情况对荷载传递都有较大影响。 为此，根据桩的长径比，桩分为：,短桩： l/d10 长桩： l/d40 超长桩： l/d100,(1)桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es Eb/Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快，即传递到桩端荷载愈小 例如，对于中长桩(l/d10)， 当Eb/Es=1 (即均匀土层)时， 桩侧摩阻力接近均匀分布 几乎承担了全部荷载，桩端阻力仅占荷载的5%左右。 属于摩擦桩。 当Eb/Es=100时 桩端阻力分担了60%以上荷载。属于端承型桩； 当Eb/Es100时 桩端阻力分担荷载比变化

4、不大。,(2) 桩土（桩侧土）刚度比Ep/Es Ep/Es愈大 桩端荷载Qp分担荷载比例愈大； Ep/Es1000 桩端阻力分担荷载比例变化不大。 例如，中长桩（l/d10） Ep/Es10，即桩的刚度接近土的刚度。 桩端阻力分担荷载近于零。 这表明：对于土层中的砂桩、碎石桩、灰土桩等低刚度桩，应按复合地基工作原理进行设计。,(3) 桩端扩底直径与桩身直径之比D/d D/d愈大 桩端阻力分担的荷载比愈大。 例如，均匀土层中的中长桩（l/d10） ， D/d=1（等直径桩）时，桩端阻力分担的荷载比例约占5% D/d=3时，桩端阻力分担的荷载比例约占35% 因此，实际端土层好时，做成扩底桩。,(4

5、) 桩的长径比l/d 随l/d 增大， 传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻力的发挥降低。 例如，在均土层中的长桩(l/d40)，其桩端阻力分担的荷载 比例趋于零。 因此，长径比大的桩多为摩擦桩。,3. 桩侧摩阻力和桩端阻力,桩侧阻力是桩相对桩侧土位移函数，如图：,极限摩阻力u相对位移u，决定于土的类别： 粘性土：46mm 砂性土：610mm,极限摩阻力u,上式表明：侧阻力是随深度线性增大。 实际情况，不是如此。 在砂土中的模型实验表明，当桩入土深达某一临界深度后，侧阻力就不随深度增加了，这一现象称为侧阻的深度效应。,桩侧表面和土之间的附着力和摩擦角,Ks桩侧土的侧压力系数，与桩的施工工艺相关。

6、,x桩侧表面上的法向应力,v桩侧表面处的竖向应力,桩端阻力qpu：,由于：,因此，桩端阻力公式中，可以忽略第二项，有,桩端和桩侧阻力的整体发挥情况，可以通过桩的荷载-沉降曲线反映 桩的荷载-沉降曲线有什么特点？,单桩荷载-沉降曲线,陡降型(拐点明显，破坏特征突出)发生： 桩底持力层不坚实； 桩径不大； 破坏时桩端刺入持力层。,缓变型(拐点不明显，破坏特征不突出)发生： 桩底非密实砂类土、粉土； 桩底面积大； 桩底塑性区随荷载增长逐渐扩展,4.3.2 单桩竖向承载力的确定,单桩竖向承载力的确定，取决于两方面： 桩身的材料强度； 地层的支承力。 设计时分别按这两方面确定后，取两者中小值。,桩身的材

7、料强度 桩按轴心受压杆计算，由于桩周土地约束，不考虑纵向弯曲（纵向弯曲系数取1）。,地层的支承力Qu 由桩侧总极限摩阻力Qs和桩端总极限阻力Qb构成，忽略两者的相互影响，有 单桩竖向极限承载力特征值Ra为： 建筑地基基础设计规范目前仍取单一安全系数，K通常取2。,单桩竖向承载力如何确定？,1. 静载荷试验,静载荷试验是评价单桩承载力各种方法中可靠性较高的一种方法。,试验装置 I：,试验装置 II：,锚桩桁架法 2400吨,试验时间： 挤土桩需要考虑孔隙水压力u的消散， 预制桩试验间歇时间： 砂类土7天 粉土和粘性土15天 饱和软粘土25天 灌注桩达到混凝土设计强度 试桩根数： max(桩总数1

8、%，3根),试验成果I,荷载-沉降(Q-s)曲线,曲线的拐点相对的荷载为Qu；,曲线拐点不明显时，取su= 40mm所对应的荷载值为Qu。,试验成果II,沉降-时间(s-logt)曲线荷载为Qu相应的s-logt曲线的特点：沉降-时间曲线急剧变陡，同时向下发生转折。右图Qu=？,右图中曲线 f，相应的荷载为Qu,2、按土的抗剪强度指标确定,(1) 单桩承载力的一般表达式 单桩净极限承载力Qu： 桩侧总极限摩阻力Qsu与桩端总极限阻力Qbu之和，减去桩的自重 根据桩侧摩阻力u(式4-7)和端阻力qpu(式4-10)计算公式，有,2、按土的抗剪强度指标确定,(1) 单桩承载力的一般表达式 单桩承载

9、力特征值（竖向允许承载力）为,(2) 粘性土中单桩的承载力,(3) 无粘性土中单桩的承载力,根据土的强度特性，套用承载力公式。略,3. 确定单桩竖向承载力特征值的规范经验公式,建筑地基基础设计规范规定，对初步设计时，单桩承载力特征值可按下式估算： qpa、qsia桩端端阻力、桩侧阻力特征值，根据当 地静载荷试验统计得到。,嵌岩桩 对桩端嵌入完整或较完整的硬质岩石中，单桩承载力可按下式估算： qpa桩端岩石承载力特征值，可由饱和单轴抗压强 度frk确定： r折减系数。无经验时，完整岩石取0.5， 较完整岩石取0.20.5。,4.3.3 竖向荷载下的群桩效应,1. 端承型群桩基础,2. 摩擦型群桩

10、基础,(1)承台底面脱地的情况,(2)承台底面贴地的情况(承台、桩、桩间土复合桩基),群桩效应： 由于承台、桩、土相互作用，群桩基础中的一根桩单独受荷时的承载力和沉降性状，往往与相同地质条件和设置方法的同样独立单桩有显著差别，这种现象称为群桩效应。 群桩效应系数： Qg,Qi 群桩的承载力、各单桩的承载力之和。 值：可能1、=1或1,端承型桩、摩擦型桩的群桩效应各有什么特点？,1. 端承型群桩基础,端承型基础中各单桩工作性状与独立单桩相近， 群桩效应系数=1。,应力重叠，不足以引起明显的附加变形,2. 摩擦型群桩基础,桩端平面上，附加应力扩散范围：D=d+2ltan 当桩间距s D 时，在桩端

11、平面，桩因邻桩应力扩散而相互重叠而增大。所以，磨擦型群桩的沉降大于独立单桩。,(1)承台底面脱地的情况（高承台）,与单桩情况类似，群桩的桩顶荷载主要通过桩侧阻力在压力扩散角范围内在桩周土中产生附加压力。,由于承载力特性受很多因素影响，群桩效率系数可能1。,群桩效应实际情况非常复杂，受下列因素影响： 承台刚度的影响 承台刚度调整各桩顶荷载； 例如，刚性承台造成桩顶荷载分配一般是角桩最大，中心桩最小，边桩居中。（架越作用） 桩间土性质影响 群桩中各桩的相互挤密，造成摩阻力增加，增量以中间桩为大，边桩、角桩相对较小。 各桩的相互挤密，造成荷载分配趋势 与 承台刚度的影响相反，致使桩顶荷载分布趋于均匀

12、。,桩距的影响 桩距是影响摩擦型群桩基础的主要因素，常用桩距s=3d4d。 sD, D为桩端平面位置应力扩散范围的直径(一般为6d) 接近单桩。,摩擦型群桩的承台底面贴地，承台兼有浅基础作用，因此称为复合桩基。 复合桩基、非复合桩基的区别： 后者承载力仅由桩端阻力和桩侧阻力承担。 承台下土的反力发挥前提： 桩基发生整体下移。,(2)承台底面贴地的情况(复合桩基),复合桩基中，贴地承台对群桩效应的影响,承台贴地对群桩效应的影响包括以下三方面： 对桩侧阻力削弱作用； 削弱了桩土的相对滑移 对桩端阻力增强； 当承台宽度较宽，其宽度与桩长之比0.5, 承台约束力桩 端土的挤出，因此，承台压力提高了桩的

13、端阻力 对基土侧移的阻挡作用 限制了上部桩间土的侧向挤出。,4.3.4 减沉桩基,使用条件： 当天然地基承载力已基本接近于满足要求,但沉降不满足时,用桩来减小沉降量和弥补承载力不足。 目前，设计理论还不完善。,开始新课,4.4 桩基础沉降计算,4.4.1 单桩沉降的计算,4.4.2 群桩沉降计算,1）桩身弹性压缩； 2）桩侧阻力向下扩散传递，使桩端下土体压缩而产生沉降； 3）桩端荷载引起桩端下土体压缩沉降。,竖向荷载作用下，单桩沉降组成:,1）荷载传递分析法； 2）弹性理论法； 3）剪切变形传递法； 4）有限单元分析法； 5）其它简化方法,单桩沉降计算方法：,4.4.1 单桩沉降的计算,4.4

14、.2 群桩沉降计算,群桩的沉降组成： 1）桩间土的压缩变形(桩身压缩、桩端贯入变形引起) 2）桩端平面以下，土层受群桩荷载共同作用产生整体 压缩变形。,计算方法：地基基础设计规范：群桩沉降计算方法,其中附加应力，采用计算方法包括：,实体深基础计算（桩距6d） 基底附加应力计算：考虑应力的扩散； 不考虑应力扩散 (2) 明德林(Mindlin)应力公式 (3) 其它方法,地基基础设计规范推荐的方法,不考虑桩间土的压缩变形对沉降的影响，采用单向压缩分层总和法计算。,地基基础设计规范推荐的方法,p桩基沉降经验系数，根据当地的实测资料确定； m桩端平面以下缩影响范围内天然土层总数； nj第j层土地计算

15、分层数； Esj,i第j层土的第i分层从自重应力到 自重应力与附加应力之和对应的压缩模量（MPa）。 j,i桩端平面以下第j层土的第i分层竖向附加压力。,附加应力如何计算？,(1) 实体深基础计算（桩距6d）,实体深基础底面与桩端平齐, 桩基支持面积按如图所示： 考虑应力扩散 不考虑应力扩散,沉降计算方法 实体深基础沉降计算方法同浅基础。,其中p实体深基础的桩基础沉降经验系数根据地区沉降观测资料及统计确定，无条件时经验可查表4-3(p144)，查表方法类似浅基础沉降计算经验系数s 。,p0k如何计算？与应力是否扩散相关。,1）考虑扩散作用,pk 相应荷载效应准永久组合时实体深基础 底面处的基底压力；c实体深基础底面处原有的土的自重应力；Fk 相应荷载效应准永久组合时，作用在承台 顶面处的竖向力； Gk实体深基础自重，包括承台、承台以上土 重及承台底面到实体基础底面范围内土重 和桩重。近似计算：,a0、b0群桩外围包络线范围内矩形的长边、短边边长。,2)不考虑扩散作用,Fk 相应荷载效应准永久组合时，作用在承台 顶面处的竖向力；Gk 承台及承台以上土自重；m实体深基础底面以上各土层的加权平均 重度。 Gfk 实体深基础的桩及桩间土自重。,如果 则，附加压力p0k简化为：,（2）明德林(Mindlin)应力公式,盖德斯(Geddes)将桩顶荷载Q，在地