桥梁基础工程-桩基础

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1、第3章 桩基础,3.1 概 述,优 点：承载力高，沉降小，稳定性好。不需大范围的开挖，减少了支护、降水工作。,3.1.1 桩基础及其应用,缺 点：施工较为复杂，造价较高。,组 成：桩群和承台。,适用范围：,（1）荷载大，软弱土层厚时。,（2）河床冲刷较大时。,（3）对地基沉降及不均匀沉降控制有较高要求时。,（4）水平荷载较大时。,（5）河水位较高时。,（6）地震区需抗砂土液化时。,3.1.2 桩和桩基的分类,钢管桩,H型钢桩,木桩基础,材料类型,木桩,混凝土桩,钢筋混凝土桩,钢桩,（已少用）,（较少）,（主力）,（价高）,1. 桩的分类,优 点：桩身质量容易保证；水上施工方便；施工工效高。,缺

2、 点：单价较灌注桩高；锤击、振动法下沉时噪音大；属挤土桩，易导致地面的隆起；桩接头是薄弱环节；不易穿透坚硬地层。,优 点：适用于各种地层；可采用大直径，以获得高承载力；与预制桩相比，钢筋用量较少，更为经济。,（1）预制桩,缺 点：桩身质量不易保证；孔底沉积物不易清净（挖孔桩除外），影响承载力；一般不宜用于水下施工。,（2）灌注桩,施工方法：打入、振入、压入等。,施工方法（钢筋混凝土桩）,施工方法：钻孔、冲孔、沉管成孔、人工挖孔等。,（3）管柱基础,施工方法：先下沉预制钢筋混凝土管，内部钻挖后，再填钢筋混凝土。,特 点：承载力高，适合于深水施工。,打入桩（房建）,钻孔桩,冲孔桩,直桩和斜桩,斜桩

3、：可抵抗较大的水平荷载。,桩的设置效应,挤土桩,非挤土桩,部分挤土桩,根据对周围土的扰动程度,实心预制桩、下端封闭的管桩等,冲孔灌注桩、钢桩等,钻（挖）孔灌注桩等,扰动后的土影响桩的承载力及沉降。,直 桩,斜 桩,按（轴向）承载性状的分类,（1）桩的轴向受力特征,轴向荷载=侧阻力+端阻力,极限荷载=极限侧阻力+极限端阻力,主要取决于桩侧与桩底以下土（岩）层的性质的刚度、强度以及桩所受荷载的大小。,（2）桩侧、桩端阻力的分担比例,（3）铁路桥基规范(规范中没有?),摩擦桩：在承载力极限状态下，轴向荷载由侧阻和端阻承担。轴向荷载几乎完全由侧阻承担时，称为纯摩擦桩。,柱 桩：在承载力极限状态下，轴向

4、荷载几乎全由桩端阻力承担。,端承型桩：在承载力极限状态下，轴向荷载主要由桩端阻力承担。全部由端阻承担时，称为端承桩；桩侧承担少部分时，为摩擦端承桩。,摩擦型桩：在承载力极限状态下，轴向荷载主要由桩侧阻力承担。全部由侧阻承担时，称为摩擦桩；桩底承担少部分时，为端承摩擦桩。,（5）建筑桩基技术规范,（4）公路桥基规范,端承桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩端阻力承担。,摩擦桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩侧阻力承担。,端承型桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩端阻力承担。,摩擦型桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩侧阻力承担。,（6）建筑地基基础规范,低承台桩

5、基：承台底面低于地面或局部冲刷线的桩基础。,低承台,高承台桩基：承台底面高于地面或局部冲刷线的桩基础。,高承台,2. 桩基础的分类,3.2 桩基设计计算的主要内容,1. 设计内容,桩的类型（施工方法）,承台底面的标高,桩截面形状及尺寸、桩长,桩的根数及平面布置方式,桩的材料类型,桩及承台的配筋,2. 验算内容,单桩轴向承载力（岩土阻力）,桩基础的承载力,桩基础的沉降,墩台顶的水平位移,桩身材料强度,承台强度,3.3 单桩轴向容许承载力,3.3.1 轴向荷载传递的方式和特点,通过建立微单元平衡方程（竖向）,1. 轴向荷载和侧摩阻力,得到侧摩阻力与轴力的关系,侧摩阻力的直接量测很困难，应用上式，可

6、通过量测轴力得到摩阻力的分布形式。,轴 力,摩阻力,2. 桩身沉降确定,桩顶沉降,桩身沉降,桩身压缩量,振弦式应变计,3. 荷载传递的一般规律,（1）加载过程中，侧阻发挥先于端阻，并先于端阻达到极限。,（2）与桩土间的相对位移有关。通常，端阻达到极限状态所需的位移高于侧阻所需位移。,（3）与桩的长径比及桩端土（岩）与桩侧土的相对刚度等有关。长径比越大，端阻力越小。端/侧相对刚度越大，端阻力越大。,侧阻-荷载关系,端阻-荷载关系,深 度,4. 桩侧负摩阻力,条 件：桩周土的下沉量大于桩的下沉量。,危 害：降低桩的承载力，增大位移。,负摩擦力：与轴向压力方向相同的侧摩阻力。,摩阻力,沉 降,轴 力

7、,中性点,中性点的位置,（1）大范围降水。,产生负摩阻力的原因,（2）桩侧地面大范围堆载。,（3）欠固结土或新填土。,（4）湿陷性黄土湿陷。,（5）冻土融陷。,（软土或中等强度粘性土）,（砂土）,总的负摩擦力,减小负摩擦力的措施,（1）改善土层性质，降低其沉降。,（2）桩土隔离。,（1）,（2）,负摩阻力的确定（经验公式）,桩周土摩擦力系数,标准贯入数,侧压力系数,桩的周长,3.3.2 单桩的破坏模式,压屈破坏,整体剪切破坏,刺入破坏,小直径柱桩、嵌岩桩、 超长桩,打入式短桩、钻孔短桩,钻孔灌注桩,柱 桩,摩擦桩,3.3.3 单桩竖向承载力确定,单桩承载力,轴 向,横 向,受压（抗压）,受拉（

8、抗拔）,单桩抗压承载力,材料强度,岩土的支承力,1. 按静载试验确定抗压承载力,试验装备,反力系统：,锚桩（或堆重）、,主梁等,加 载：,千斤顶、,油压表,沉降量测：,百分表、,基准梁等,试验方法,慢速维持荷载法,（1）试验装置及方法,单桩静载试验（堆载）,千斤顶,主梁,次梁,支墩,试桩,锚桩,锚索,单桩静载试验（锚桩）,千斤顶,试桩（帽）,基准梁,百分表,陡变型：曲线明显发生下降的起始点。,缓变型：取s=40或0.05D(大直径桩，桩端直径）所对应的荷载。,P-s曲线法确定极限荷载,陡变型,缓变型,（2）确定单桩承载力,铁路基桩检测技术规程（TB10218-2008）,方 法,P-s曲线,s

9、-logt曲线,（1）所有试桩的极差不超过平均值的30时，取平均值为单桩竖向抗压极限承载力 。,（2）极差超过平均值的30，应分析极差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时增加试桩数量；,（3）对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3根时，应取低值。,极限承载力,容许承载力,极限承载力平均值,安全系数,2. 按经验法确定抗压承载力,铁路桥基,打入、振动下沉、桩尖爆扩桩,钻（挖）孔灌注桩,（1）摩擦桩,振动沉桩对端阻的影响系数,桩端极限承载力,爆扩桩端阻修正系数,极限侧阻力,振动沉桩对侧阻的影响系数,安全系数,安全系数,桩身周长,承台底面或局部冲刷线以下各土层厚度,桩底支撑

10、力折减系数,桩底面积,桩底土容许承载力，按桩底埋深修正,极限侧阻力,（2）柱 桩,桩底面积,单轴抗压强度,修正系数,支承于岩石上的打入、震动下沉桩（包括管柱）,支承于岩石层上与嵌人岩石层内的钻(挖)孔灌注桩及管桩,桩或管柱的周长,岩石及清底情况系数,嵌岩深度,岩石及清底情况系数,2. 抗拔承载力的确定,（1）单桩抗拔试验,承受较大的水平荷载的桩基、,抗浮桩、,锚桩等。,桩承受竖向拉拔荷载的能力。,主要针对：,（2）桥规公式,轴向受拉容许承载力,符号意义同前,3.3.4 单桩轴向容许承载力检算,摩擦桩,轴向压力,桩的自重,被置换的土重,承载力计算值,柱 桩,受拉桩,主+附（特）时,主力时,主力+

11、附加力作用时，P可提高20%; 主力+特殊荷载（除地震力外）时柱桩可提高40%，摩擦桩20%40%。,3.3.5 按桩身强度确定抗压容许承载力,通常，摩擦桩的承载力主要取决于土（岩）的阻力，柱桩则主要取决于桩身的强度。,（1） 按轴心受压构件计算,普通箍筋,螺旋式或焊接环式间接钢筋,结构重要性系数,轴向力组合设计值,轴压杆件稳定系数,混凝土抗压强度,桩的截面积,钢筋抗压强度,纵筋截面积,（2） 按偏心受压构件计算,（见“结构设计原理”课程）,3.4 单桩横向承载力,工作特点,（1）竖直单桩的水平承载力远小于竖向承载力。,（2） 单桩水平承载力的大小主要取决于桩身的强度、刚度、桩周土的性质、桩的

12、入土深度及桩顶约束条件等。,3.4.1 工作特点及破坏模式,2种破坏模式,（1）桩侧土体失稳破坏。,桩的相对刚度（与周围土相比）较大时,（2）桩身材料破坏。,桩的相对刚度较小时,要 求,（1）桩侧土体不破坏，桩身不断裂。,（2）桩顶水平位移及转角不超过容许值。,3.4.2 单桩水平静载试验,1. 试验装置,2. 试验加载方法,3. 终止加载条件,单向多循环加卸载法,慢速连续加载法,（长期承受水平荷载时）,（与桥梁桩基水平荷载作用特点相符）,或：（1）桩身折断；（2）水平位移达到3040mm或设计容许值。,4. 水平承载力的确定,临界荷载Hcr：桩身开裂、受拉区混凝土退出工作时的桩顶水平力。,极

13、限荷载Hu：桩身应力达到极限强度时的桩顶水平力。,水平承载力特征值,桩身强度控制时，取临界荷载。,位移控制时，取设计要求位移对应的荷载。,长期水平荷载作用且控制开裂时，取0.8倍临界荷载。,临界荷载,极限荷载,H0tx0,H0x0/H0,H0g,单桩水平荷载试验,试桩（帽）,千斤顶,反力梁,反力桩,3.5 横向荷载作用下单桩内力和位移计算,作 用,土的横向地基系数,计算宽度,是计算桩基础的水平位移、内力、桩侧土体横向抗力的基础。,3.5.1 桩侧土的横向抗力,横向抗力：基础在外力作用下发生侧移挤压土体时，侧面土体对基础的抗力。,（1）概念,（2）计算公式,假 设：横向抗力的大小与桩的水平位移成

14、正比。,kN/m3,横向位移,深 度,或,（3）计算宽度b0,桩侧横向抗力的分布宽度大于实际宽度b，为b0。,单桩（包括其他形式的基础）时,根据基础截面（侧面）形状查表确定。,多排桩时,考虑桩之间的相互影响，通过系数k确定。,两桩之间的净间距,与桩数有关的系数,计算深度,计算深度h0,桩（其他形式的基础）局部冲刷线以下的计算深度。,且不大于入土全长h。,（4） 横向地基系数,常数法,k法,m法,c法,（5） 比例系数 m,“m法”我国铁路、公路、建筑规范中采用的方法。,多层土时的m,（对所围面积的加权平均）,计算深度hm：刚性桩， hm=h；弹性桩， hm=2（d+1）,多层土时m的计算图式,

15、1. 单桩的挠曲方程（m法）,方 程,3.5.2 横向荷载作用下单桩的内力及位移计算,（转角：逆时针方向为正）,刚性桩,弹性桩,桩的抗弯刚度，通常取为0.8EhI，Eh为混凝土的抗压弹性模量,（单位：m-1）,横向变形系数,解 答, l所反映的是桩-土之间的相对刚度,水平位移,转 角,弯 矩,剪 力,横向抗力, y的函数,桩顶水平位移、转角、弯矩、横向荷载,2. 桩顶横向位移X0和转角0的确定,根据桩底边界条件确定。,（1）桩底支承于土层或岩面时,竖向地基系数,桩底截面的惯性矩,弯矩正向与转角正向相反,桩底截面,桩底边界条件1：,桩底边界条件2：,将y=l代入y、My 、 Qy 的计算公式，并

16、应用上述边界条件，可得到,柔度系数,柔度系数AB：桩顶B方向作用单位荷载时，在A方向产生的位移。,弯矩：顺时针方向为正。,转角：逆时针方向为正。,柔度系数计算公式,桩底端支承于一般土层且l 2.5时,桩底端支承于岩面且l 3.5时,可近似地取Kh= 0,2）下标l 表示A、B、C、D取y=l 时的值。,1）式中A、B、C、D是y的函数。,3）,说 明：,（2）桩下端嵌固于岩层内时,（3）当l 4.0时，桩底约束（边界条件）对桩受力变形的影响可以忽略。,（4）桩身内力及位移的简捷算法,将X0 、0的表达式直接代入桩的变形及内力计算公式，可得到,式中的A、B是y、l、Kh的函数，当查表计算时，为便于制表，需忽略Kh的影响，为此应满足：,1）桩底端支承于一般土层时，l 2.5；,2）桩底端支承于岩面时，l 3.5。,（桩侧土横向抗力）,3.5.3 高承台桩的变形及内力计算,