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1、第2章 竖向荷载下桩基的承载力和变形,21单桩竖向承载力,单桩基础的竖向承载力极限承载力标准值。单柱在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。 它取决于土对桩的支承阻力和桩身材料强度，一般由土对桩的支承阻力控制，对于端承桩、超长桩和桩身质量有缺陷的桩，可能由桩身材料强度控制。 单桩竖向极限承载力标准值除以安全系数后的承载力值为单桩竖向承载力特征值。 其常用的确定方法有静力法、经验公式法 、规范法和原位测试方法，尤以原位测试方法被公认为最为准确。 按照静力荷载-位移曲线，从总体上可以分为两大类：缓变型和陡降型.,图2-1 静力荷载-位移曲线,对于陡降型（A），其
2、极限承载力即为与破坏荷载相等的陡降起始点，第二拐点； 对于缓变型(B)，取法不一，有取第二拐点，也有的对Q-S曲线进行处理后取舍。,2.1.1桩侧阻力和桩端阻力的性状 1) 桩侧阻力的性状,一旦荷载施加于桩顶，桩首先发生压缩而向下位移，于是侧面受到土阻力的作用，荷载在向下传递过程中必须不断地克服这种摩阻力。 由于桩身压缩量的积累，上部桩身的下沉总是大于下部，因此上部桩身的摩阻力总是先于下部而发挥出来；上部桩身的摩阻力达到极限之后，就保持不变或有所减小，随着荷载的增加，下部桩身的摩阻力将逐渐调动出来，直至整个桩身的摩阻力全部达到极限，继续增加的荷载就全部由桩端土承受; 最后桩端荷载亦达到桩端土的
3、极限承载力，桩便发生较急剧而不停滞的下沉而破坏，这时达到的荷载为桩所承受的极限荷载。 按照传统经验，发挥极限侧阻所需桩土相对位移与桩径大小无关，只是与土性有关；对于粘性土约为5-10mm，对于砂性土，约为1020mm。 越来越多的测试表明并非定值，而是与桩径大小、施工工艺、土层性质与分布位置有关,2）桩端阻力的性状 （1） 桩端阻力的破坏模式,整体剪切破坏：地基中塑性区连成整体，产生整体滑动破坏，连续的剪切滑裂面开展至基底水平面，基底水平面土体出现隆起，破坏时基础沉降急剧增大，P-S曲线上破坏特征点明显。一般出现在基础埋深较浅，上部荷载较大时。 局部剪切破坏：基础沉降所产生的土体侧向压缩量不足
4、以使剪切滑裂面开展至基底水平面，基础侧面土体隆起量较小。当基础埋深加大，加载速率快时，地基发生局部剪切破坏。 刺入剪切破坏：由于持力层的高压缩性，土体的竖向和侧向压缩量较大，基础竖向位移量大，,其破坏模式主要取决于桩端土层及桩端上覆土层的性质，并受成桩效应、加载速率的影响。 一般来讲，当桩长不大，上覆土层为软土时，端阻呈整体剪切破坏； 当上覆土层为非软弱土层时，一般呈局部剪切破坏； 当桩端以下存在软弱下卧层时，可能出现冲剪破坏； 当桩端持力层为松砂、中密砂，粉土压缩性粘土时，端阻呈刺入剪切破坏； 对于桩端土为饱和粘土的情况，一般形成“梨形”的剪切破坏面，为局部剪切破坏或整体剪切破坏。,图2-2
5、 桩端地基破坏模式,（2）端阻力的成桩效应,对于非挤土桩，成桩过程桩端不被挤密，反而被扰动或产生虚渣或沉渣，降低端阻力，残渣形成所谓“软垫”. 对于挤土桩，桩端阻力增加，但是对于非粘性土和粘性土的效果是不同的。,(3)端阻力的深度效应,当桩端进入均匀持力层的深度h小于某一深度时，其极限端阻力随深度线形增大；大于该深度后，基本保持不变。此深度称为临界深度 。,2.1.2单桩承载力计算,总体来讲，分为三大类：静力法计算单桩承载力，偏向于理论分析；原位测试法确定单桩承载力，偏向于地质勘测；经验方法确定单桩承载力，偏向于设计计算。 1）静力法计算单桩承载力： （1）计算桩端阻力的极限平衡理论公式,（）
6、桩侧阻力计算公式,对 的计算总体上可以分为总应力法和有效应力法。又根据表达式采用的系数可以分为 法， 法属总应力法， 法属有效应力法， 法则是两者的综合。 法 0.4-1.25；cu桩侧饱和土的不排水剪切强度，可以采用无侧限压缩、三轴不排水压缩试验、十字板试验、旁压试验获得。, 法 （2-6) 对于正常固结粘土， ， 因而得： 系数，当有效内摩擦角位于20-30度时， =0.24-0.29；试验统计： =0.25-0.40；平均值0.32； 桩侧计算土层的平均竖向有效应力，地下水位以下取有效重度。 法的基本假定为超孔隙水压力已经消散，并且在长径比较大时需要考虑桩侧的深度效应，进行修正。, 法,
7、2）原位测试法确定单桩承载力,（1）静力触探试验（CPT）确定： TBJ2-85 JGJ94-2008 （2）标准贯入试验（SPT）确定: （3）旁压试验确定,在试验现场的旁压仪,2.2规范方法确定单桩承载力 2.2.1建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）,总原则：应以竖向静载荷试验确确定为主， （1）初步设计 单桩竖向承载力特征值可按下式估算： 当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中时，可按下式估算单桩竖向承载力特征值：,（2）桩身混凝土强度验算,计算中应按桩的类型和成桩工艺的不同将混凝土的轴心抗压强度设计值乘以工作条件系数c，桩身强度应符合下式要求： 桩轴心受压时 fc Q-相应于
8、荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值； Ap-桩身横截面积；c-工作条件系数，预制桩取0.75，灌注桩取0.6-0.7(水下灌注桩或长桩时用低值)。 fc,尺寸效应,JGJ94-2008中规定：小直径桩：d 250mm；中等直径桩： 250mm d 800mm；大直径桩： d 800mm。 直径大于800mm的桩称为大直径桩，大量试验证明大直径桩的桩端阻力与桩径有明显关系，称其为尺寸效应。,对于粘性土、粉土取n=1/4；砂、碎石：n=1/3；,对于 粘性土，不折减；对于砂、碎石折减。,嵌岩桩,表2-1嵌岩段侧阻和端阻综合系数,2.2.2交通部规范（JTG D632007）,摩擦桩单桩轴向受压承
9、载力容许值 ，可按下列公式计算: 1）钻（挖）孔灌注桩的承载力容许值,H桩端的埋置深度（m），对于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；计算值不大于40m，当大于40m时，按40m计算；,地基土承载力宽度、深度修正系数,表2-5 清底系数,注：（1）t、d 为桩端沉渣厚度和桩的直径； （2）d 1.5m时，t 300mm；d 1.5m时，t 500mm，且0.1t/d0.3。,表2- 4 值,2） 沉桩的承载力容许值,单桩轴向受压承载力容许值（kN）桩身自重标准值与置换土重标准值（当桩重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
10、 桩身周长（m）； n土的层数； 承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）； 与 对应的各土层与桩侧摩阻力标准值（kPa），按表2-6 采用或采用静力触探试验测定； 桩端处土的承载力标准值（kPa），按表采用或采用静力触探试验测定； 、 分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数，按表采用；对于锤击、静压沉桩其值均取为1.0。,3）支承在基岩上或嵌入基岩内的钻（挖）孔桩、沉桩的单桩轴向受压承载力容许值 ，可按下式计算：,C1根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，按表2-9采用； C2I根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数， 对于钻孔桩，C1
11、 C2系数 值应降低20采用,系数 C1、C2 值,4）当河床岩层有冲刷时，桩基须嵌入基岩，嵌岩桩按桩底嵌固设计。其应嵌入基岩中的深度，可按下列公式计算：,圆形桩 矩形桩,5） 桩端后压浆灌注桩单桩轴向受压承载力容许值,当在饱和土层中压浆时，仅对桩端以上8.012.0m范围的桩侧阻力进行增强修正； 当在非饱和土层中压浆时，仅对桩端以上4.05.0m的桩侧阻力进行增强修正；,6) 按上述规定计算的单桩轴向受压承载力容许值 ，应根据桩的受荷阶段及受荷情况乘以下表规定的抗力系数。,7）其它规定：,摩擦桩应根据桩承受作用的情况决定是否出现拉力。当桩的轴向力由结构自重、预加力、土重、土侧压力、汽车荷载和
12、人群荷载短期效应组合所引起，桩不允许受拉；当桩的轴向力由上述荷载并参与其他作用组成的短期效应组合或荷载效应的偶然组合（地震作用除外）所引起，则桩允许受拉。摩擦桩单桩轴向受拉承载力容许值按下列公式计算：,练习：,一矩形柱，边长bc=400mm,hc=600mm， 柱底标高（-0.5m）处设计标高值：F=4000kN, M(长边方向)=210kNm,H=180kN.拟采用砼 钻孔灌注桩。承台埋深1.5m,d=500mm,桩长 15m，承台下地基土层分布及土的指标见 图示。为二级桩基，承台砼C20,级钢筋， 布桩见图示： 1单桩竖向承载力标准值Quk=( )KN？ A.840； B.510.3； C
13、.1350.2； D.623.5 单桩承载力特征值为（） KN. 2.桩径采用1000mm，桩长采用14mm,单桩承载 力特征值为（） KN.,2.3单桩竖向沉降的计算方法 2.3.1综述,桩基的沉降计算日益重要，在软土地基中摩擦桩的重要作用是减少建筑物的绝对沉降和差异沉降，特别在软土地基的桩承载力在多数情况下可归结为控制多大的容许变形值的问题。 目前虽不能提出一个完善的计算方法，但其研究工作还是取得了长足的发展 。,计算方法主要有下述几种： 荷载传递分析法； 弹性理论法； 剪切变形传递法； 有限单元分析法和其它简化方法;,2.3.2荷载传递法,(1)荷载传递法,荷载传递法也称传递函数法，Se
14、ed和Reese1957年首先提出了荷载传递法. 这种方法的基本概念是把桩划分为许多弹性单元，每一单元与土体之间用非线性弹簧联系，以模拟桩土间的荷载传递关系。桩端处土也用非线性弹簧与桩端联系，那么这些弹簧得应力-应变（位移）关系就表示桩侧摩阻力（桩端阻力） 和剪切位移S之间的关系，这一关系就称为传递函数。该方法是解以下方程,该方法是解以下方程,为传递函数法的基本微分方程，其解取决于传递函数-s的形式，根据求解微分方程的两条途径，分为： 解析法：由Kezdi（1957）、左藤悟（1965）等提出，把传递函数简化假定为某种曲线方程，然后直接求解平衡微分方程。 位移协调法：Seed和Reese(19
15、57)、Coly和Reses（1966）等提出。采用实测或通过试验方法求得传递函数，然后建立各单元桩得静力平衡条件及位移协调条件。,传递函数形式（应用于解析法）：,a)Kezdi方法 (b)佐滕悟方法 (3)Gardner方法,Kezdi方法: 指数曲线,K-土的侧压力系数：,左藤悟方法： 双折线（完全弹塑性）,Cs剪切变形系数：KN/M3,Gardner方法： 1975 双曲线关系(K A为试验常数),Kraft(1981)方法（土体非线性），Vijayvergiya(1977)方法(抛物线)，Heydinger和ONeil(1987)方法。 缺点：假定桩侧任一点的位移只与该点摩阻力有关，忽
16、略了土体的连续性。,2.3.3弹性理论法：,从六十年代开始，许多学者(Poulos，Davis，Mattes)对以弹性理论为根据的桩性状分析方法作了大量的研究。 这些方法的共同特点都以弹性连续介质理论模拟桩周土体的响应，并都使用了在半无限体内施加荷载的Mindlin方程求解。,弹性理论法把土体看作线弹性体，用弹性模量和泊松比两个变形指标表示土的性能， 的大小对分析结果影响不大， 则是关键指标。 但很难从室内土工室内试验取得精确的数值，使得弹性理论法的应用受到限制。,摩擦桩分析图,它基于以下假定： 桩的周边粗糙而桩底平滑，即桩与桩侧土之间保持位移协调，桩土之间始终保持接触并无相对滑动； 桩与土的径向变形很小，略而不计。 Poulos和Davis
