基础工程课件：桩基础

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1、基础工程,地基与基础教研室,Foundation Engineering,桩基础,如何设计地基与基础？,三种方案都可以,要做方案的技术经济比较。,杂填土,软土,好土,本章内容,1 概述 2 桩的类型 3 桩的竖向承载力 4 桩基础沉降的计算 5 桩的负摩擦问题 6 桩的水平承载力 7 桩的平面布置原则 8 桩承台的设计 9 桩基础设计的一般步骤,1 概述,软 土 层,将荷载传递到下部好土层,承载力高、变形小,承台,桩,侧阻,端阻,1 概述,早期：木桩 后来：钢筋混凝土桩、钢桩,优点,承载力大，沉降小,抗震性能好,能用于复杂的受力方式：抗拔（抗浮桩）、 横向力（护坡桩）,缺点,比浅基、复合地基造

2、价高,1.1 桩基础的使用,天然地基不能满足要求的高、重建筑物； 利用桩基减少沉降的建筑物； 重型工业厂房和荷载很大的建筑物； 软弱地基或特殊土上的各类永久性建筑物； 作用较大水平荷载和力矩的高耸结构物的基础； 动力机器基础或地震区建筑物的抗震措施； 可能被水流冲刷的桥梁基础； 穿越水体和软弱土层的港湾与海洋构筑物的基础,1.2 桩基础的类型,按承台与地面的相对位置,高承台桩,低承台桩,承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥 常用于桥梁、港湾及海洋构筑物,承台在地面以下, 承台本身可以承担部分荷载 常用于工民建中,竖直桩,斜桩,低承台桩基,高承台桩基,杭州湾跨海大桥的桩基,螺旋钢管桩基础,杭州湾跨海

3、大桥,1.3 桩基设计原则,设计依据,修订中,1.3 桩基设计原则,设计要求 承载力要求： 单桩承受的竖向荷载不宜超过单桩竖向承载力特征值； 变形要求： 桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值； 稳定性要求： 位于坡地岸边的桩基础应进行桩基础稳定性验算。,按变形控制设计,特殊地区的桩基设计要采取特殊措施,减沉桩,1.4 桩基设计内容,1、桩的类型和几何尺寸的选择； 2、单桩竖向（水平）承载力的确定； 3、确定桩的数量、间距和平面布置； 4、桩基承载力和沉降验算； 5、桩身结构设计； 6、承台设计； 7、绘制桩基施工图。,2 桩的类型,按承台,高承台桩,低承台桩,按形状,按纵断面：楔形桩、十字桩

4、、X形桩、树根桩、螺旋桩、多节（分叉）桩、扩底桩,按横断面：,桩身,2 桩的类型,桩端,2 桩的类型,横断面,2 桩的类型,按材料,木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢管（钢板）桩、组合材料桩,钢筋混凝土：普通混凝土、预应力（离心预制）混凝土、高强混凝土,按尺寸,按桩径：大直径桩 (80cm)、中等直径桩 (2580cm)、 小桩 (25cm),按长度或相对刚度系数：长桩、短桩,2 桩的类型,按承载性状（荷载传递方式）,端承桩（嵌岩桩）,端承型桩,摩擦型桩,摩擦桩,端承摩擦桩,按施工工艺,预制桩（实心桩、管桩、预应力管桩）,灌注桩（沉管灌注桩和钻（冲、磨、挖）孔灌注桩）等,2 桩的类型,摩擦端承桩

5、,预制桩,工厂或现场预制,锤击,振动,静压,成桩,特点：,强度高，抗裂性好，施工方便 地面隆起，桩的上浮、侧移、断裂 桩径受限 噪音扰民,2 桩的类型,预制桩的施工,现场成孔,浇注混凝土,成桩,特点：,无噪音，桩径、桩长不受限 泥浆护壁 泥皮，桩端虚土 缩颈、断桩,钻孔,冲孔,沉管,夯扩,挖孔,后压浆,动测法检测,灌注桩的施工,灌注桩的施工,灌注桩的施工,人工挖孔桩,桩的质量检验,开挖检查 钻孔取芯法 声波检测法 动测法 大应变检测（PDA） 小应变检测（PIT）,超声波检测法,大应变检测,小应变检测,2 桩的类型,根据成桩方法对桩周土层的影响 挤土桩 实心的预制桩、下端封闭的管桩、打入桩 部

6、分挤土桩 开口的钢管桩和预应力砼管桩、H型钢桩 非挤土桩 先钻孔再打入的预制桩、钻（冲、挖）孔桩,成桩效应,成桩效应与土性、饱和状态及密实程度有关,2.2 桩的成型方式效应,挤土桩的成桩效应 粘性土中挤土桩的成桩效应 砂土中挤土桩的成桩效应 饱和粘性土中挤土摩擦型桩承载力 的时间效应,挤土作用使桩周土扰动重塑，侧向压应力增加，桩端附近土体也会受到挤密。,超孔压,密实度,超孔压消散,土的触变作用,2.2 桩的成型方式效应,非挤土桩的成桩效应 粘性土中非挤土桩的成桩效应 砂土中非挤土桩的成桩效应 粘性土中非挤土摩擦型桩承载力的时间效应,随着孔壁侧向应力的解除，桩周土将出现侧向松弛变形而产生松弛效应

7、，导致桩周土体强度削弱，桩侧阻力随之降低，与土性、护壁、孔径大小等有关。,土的触变作用,泥浆护壁的触变硬化,松弛效应,比挤土桩小,侧阻,端阻,主要内容：,1、 单桩轴向荷载传递机理 2 、单桩竖向承载力的确定 3、 竖向荷载下的群桩效应 4 、减沉桩基,3 桩的竖向承载力,重点掌握： 单桩竖向承载力的确定方法,侧阻,端阻,竖向承载 力的组成,Qs 桩侧摩阻力 Skin， Shaft friction Qp 桩端阻力，端承力 Point， end resistance,摩阻力发挥所需位移很小；,端阻力发挥需要较大位移；,不同荷载阶段二者分担比不同。,3.1 单桩轴向荷载的传递机理,侧阻,端阻,S

8、0,SL,Q,qs,S0,SL,各点位移,轴向力,摩阻力,桩身轴力和截面位移,?,?,单桩轴向荷载的传递规律,单桩轴向荷载的传递过程是桩侧阻力与桩端阻力的渐次发挥过程； 桩身上部土层的摩阻力先于下部土层发挥； 桩侧阻力先于端阻力发挥； 桩端阻力充分发挥所需的桩底位移明显大于桩身摩阻力达到极限所需的桩身截面位移； 桩身压缩变形和轴力由上到下逐渐减小； 桩侧摩阻力是桩截面对桩周土相对位移的函数； 桩侧摩阻力沿桩身的分布形态与土的类别等有关。,影响单桩轴向荷载的传递的因素,（1）桩端土和桩周土的刚度比 ：愈小，传递到桩端的荷载愈小。,（2）桩土刚度比 ：愈大，传递到桩端的荷载愈大。,（3）桩端扩底直

9、径与桩身直径之比 ：愈大，桩端阻力分担的荷载愈大。,（4）桩的长径比 ：愈大，传递到桩端的荷载愈小。,桩按l/d划分,10 短桩,40 长桩,100 超长桩,10 中长桩,摩擦桩,较低时按复合地基考虑,桩侧摩阻力,桩侧摩阻力是桩截面对桩周土的相对位移的函数，可用右图中的曲线OCD表示，且常简化为折线OAB。AB段表示一旦桩土界面相对滑移超过某一极限值，侧摩阻力将保持极限值不变。,与土的类别、位置、成桩方法等有关,极限摩阻力，可用类似库伦公式求得,ca和a为桩侧表面与土之间的附着力和摩擦角； x为深度z处作用于桩侧表面的法向压力，它与桩侧土的 竖向有效应力成正比例。,桩侧摩阻力,极限摩阻力,Ks

10、为桩侧土的侧压力系数。对挤土桩：K0KsKp 对非挤土桩：KaKsK0,砂土存在 侧阻深度效应,桩侧极限摩阻力与所在深度、土性及成桩方法等因素有关,桩端阻力,按照土体极限平衡理论导出（类似地基极限承载力公式）,理论上：桩端阻力随入土深度h线性增加。 实际上：桩端阻力也存在深度效应现象，即存在端阻临界 深度，超过这一深度，端阻不在线性增加。,当桩端持力层下存在软弱下卧层、且桩端与软弱下卧层的距离小于端阻临界厚度时，桩端阻力会降低。,侧阻与端阻的深度效应问题还有待于进一步的研究,单桩的破坏模式,现场载荷试验Q-s曲线 陡降型 摩擦桩的刺入破坏 桩身材料强度破坏 缓变型 端承桩桩端持力层破坏 不同的

11、破坏模式，确定单桩 承载力的方法也不同,3.2 单桩竖向承载力的确定,单桩竖向承载力,地层的支承力,桩身材料强度,取小值,按材料强度确定,视桩为轴心受压杆件,对于低承台桩不考虑纵向压屈的影响（纵向弯曲系数取1）,考虑纵向压屈的情况：通过深厚软土层的端承桩 承台下存在可液化土层的桩 高承台桩,3.2 单桩竖向承载力的确定,按地层的支承力的确定方法： 单桩静载荷试验； 按土的抗剪强度指标确定； 丙级建筑物可采用静力触探或标贯试验确定； 初步设计时可采用经验公式估算； 嵌岩灌筑桩根据岩石饱和单轴抗压强度确定； 动测法确定：大应变法,国标采用单一安全系数确定单桩竖向承载力，通常取K=2,1、静载荷试验

12、确定单桩承载力,灌注桩,混凝土达龄期后,测试时间：,预制桩,砂类土 7 天,粘性土 15 天,软粘土 25 天,试桩数量：,不宜少于总桩数的1,且不应少于3根,载荷试验装置,载荷试验装置,载荷试验确定单桩承载力,试验成果,Ra 单桩竖向承载力特征值 Qu 单桩竖向极限承载力,Qu,Qs曲线,Qu确定方法 ：规范附录Q,Q-s曲线 s-logt曲线,2 按土的抗剪强度指标确定,单桩承载力的一般表达式,经验性公式,单桩净极限承载力为：,式中桩侧总极限摩阻力和桩端总极限阻力可根据公式计算,单桩竖向承载力特征值：,按不同类别的土分别计算,粘性土中单桩的承载力,正常固结、弱超固结或灵敏粘性土中的桩,宜按

13、总应力分析法取不固结不排水抗剪强度估算短期极限承载力：,取,假设,则短期极限承载力表达式：,粘性土中单桩的承载力,计算参数的确定,cu 取桩底以上三倍桩径至桩底以下一倍桩径（或桩宽）范围内土的不排水抗剪强度平均值，按试验结果取值。,软粘土：=1或更大； 全长打入硬粘土中的桩：l20d时， 桩顶部=0.4； 打入桩穿过其它土层进入硬土层：进入硬土层 l120d时 砂砾层： =1.25；软土层： =0.4； 其它情况： =0.7； 钻孔桩： =0.45；扩底桩：桩底上2d范围内=0。,例题4-1,涂抹作用,粘性土中单桩的承载力,强超固结土或非灵敏粘土中的桩,宜按有效应力法取固结不排水抗剪强度估算长

14、期极限承载力,取,假设,则排水条件下的长期承载力表达式：,无粘性土中单桩的承载力,因为：,如果取：,式中各种参数详见教材。,3 规范经验公式法,嵌岩桩：,岩石饱和单轴抗压强度标准值,折减系数，无经验时，完整岩体取0.5；较完整岩体取0.20.5,桩端岩石承载力特征值,由打桩公式确定承载力,由波动理论,小应变动测法,大应变动测法,主要检查桩身质量,4、动测法确定,3.3 竖向荷载下的群桩效应,基本概念 群桩基础：由2根以上的桩组成的桩基成为群桩基础。 基桩：群桩基础中的单桩。 群桩效应：群桩基础受竖向荷载后，由于承台、桩、土的相互作用，使其桩侧阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化而与单桩明显不同，

15、群桩基础的承载力（Qg）往往不等于各单桩承载力之和（Qi），称其为群桩效应。群桩效应受土性、桩距、桩数、桩的长径比、桩长与承台宽度比、成桩方法等多因素的影响而变化 。 群桩效应系数：用以衡量群桩基础中各根单桩的平均承载力因群桩效应比独立单桩而降低或提高幅度的指标。,端承型群桩基础,端承型群桩基础中的各单桩的工作性状接近于独立单桩；群桩的承载力等于各单桩承载力之和，群桩效应系数,摩擦型群桩基础,承台底面脱地的情况（非复合桩基）,桩端平面附加应力扩散直径：,当桩距 时，桩周扩散应力相互叠加而增大。摩擦型群桩的沉降大于独立单桩，群桩效应系数可能大于1，也可能小于1。,群桩效应的影响因素： 1）承台刚

16、度的影响 2）基土性质的影响 3）桩距s的影响,摩擦型群桩基础,承台底面贴地的情况（复合桩基）,承台贴地的桩基，除了呈现承台脱地的各种效应外，还通过承台底面的反力分担桩基荷载。 承台分担荷载的作用是随着桩群相对于基土向下位移幅度的加大而增强的。 承台贴地引起的群桩效应概括为 1）对桩侧阻力的削弱作用； 2）对桩端阻力的增强作用； 3）对基土侧移的阻挡作用。,3.4 减沉桩基,基本概念 减沉桩基是介于天然地基上的浅基础和常规意义上的桩基础之间的一种基础型式，因其考虑了桩土承台的相互作用，实质是属于摩擦型群桩承台贴地时的“复合桩基”。 设计要求： 桩身强度应按桩顶荷载设计值验算； 桩、土荷载分配应按上部结构与地基共同作用分析确定； 桩端进入较好的土层，桩端平面处土层应满足下卧层承载力设计要求； 桩距可采用4d6d（d为桩身直径）。,