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1、4.3 竖向荷载下单桩的工作性能,本节重点： 竖向荷载作用下单桩的工作性能。 本节难点： 单桩的破坏模式已及单桩承载力的确定。,单桩工作性能的研究是单桩承载力分析理论的基础，通过桩土相互作用分析，了解桩土间的传力途径和单桩承载力的构成及其发展过程，以及单桩的破坏机理等，对正确评价单桩承载力设计值具有一定的指导意义。,桩顶荷载一般包括轴向力、水平力和力矩，为简化起见，在研究桩的受力性能及计算桩的承载力时，对竖向受力情况单独进行研究。,4.3 竖向荷载下单桩的工作性能,竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部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上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的
2、过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程 。,如果桩侧摩阻力不足以抵抗竖向荷载，一部分竖向荷载将传递到桩底，桩底持力层也将产生压缩变形，故桩底土也会对桩端产生阻力。,4.3.1 桩的荷载传递,地基土对桩的支承作用,但两者并不是同步发挥的,单桩承载力的构成,对10根桩长为2746m的大直径灌注桩的荷载传递性能的足尺试验结果。试验表明，桩侧发挥极限摩阻力所需要的位移很小，粘性土为13mm，无粘性土为57mm；除两根支承于岩石的桩外，其余各桩（桩端持力层为卵石、砾石、粗砂或残积粉质粘土）在设计工作荷载下，端承力都小于桩顶荷载的10。,不同荷载下轴力沿深度的变化,单桩荷载传递的基本规律,基础
3、的功能在于把荷载传递给地基土。作为桩基主要传力 构件的桩是一种细长的杆件，它与土的界面主要为侧表面， 底面只占桩与土的接触总面积的很小部分（ 一般低于1%）， 这就意味着桩侧界面是桩向土传递荷载最重要的，甚至是主要 的途径。,竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部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上的 摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力 并通过它向土中扩散的过程 。,桩侧摩阻力和桩端阻力的分布规律及影响因素,1.桩的侧阻随深度呈线性增大; 2.桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质、成桩方法等多种因素有关; 3.随着桩顶荷载的逐级增加，桩截面
4、的轴力、位移和桩侧摩阻力不断变化; 4.桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截面位移值大得多; 5.桩长对荷载的传递也有着重要的影响。,4.3.2单桩的破坏模式,一、单桩的破坏模式影响因素,桩周土的抗剪强度 桩端支承情况 桩的尺寸 桩的类型,二、常见的单桩破坏模式,轴向荷载下基桩的破坏模式,屈曲破坏,整体剪切破坏,刺入破坏,当桩底支承在坚硬的土层或岩层上，桩周土层极为软弱，桩身无约束或侧向抵抗力。桩在轴向荷载作用下，如同一细长压杆出现纵向挠曲破坏，荷载沉降(Q-S)关系曲线为“急剧破坏”的陡降型，其沉降量很小，具有明确的破坏荷载。桩的承
5、载力取决于桩身的材料强度。如穿越深厚淤泥质土层中的小直径端承桩或嵌岩桩，细长的木桩等多属于此种破坏。,（一）屈曲破坏,当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层，达到强度较高的土层，且桩的长度不大时，桩在轴向荷载作用下，由于桩底上部土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体形成滑动面而出现整体剪切破坏。此时桩的沉降量较小，桩侧摩阻力难以充分发挥，主要荷载由桩端阻力承受，荷载沉降(Q-S)关系曲线也为陡降型，呈现明确的破坏荷载。桩的承载力主要取决于桩端土的支承力。一般打入式短桩、钻扩短桩等均属于此种破坏。,（二）整体剪切破坏,当桩的入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向荷载作用下将出现刺入破坏
6、。此时桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承受，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。一般当桩周土质较软弱时， 荷载沉降(Q-S)关系曲线为“渐进破坏”的缓变型，无明显拐点，极限荷载难以判断，桩的承载力主要由上部结构所能承受的极限沉降su确定；当桩周土的抗剪强度较高时，荷载沉降(Q-S)关系曲线可能为陡降型，有明显拐点，桩的承载力主要取决于桩周土的强度。一般情况下的钻孔灌注桩多属于此种情况。,（三）刺入破坏,4.3.3 桩侧负摩阻力,桩土之间相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力。,正摩阻,负摩阻,引起桩侧负摩阻力的条件是： 桩侧土体下沉必须大于桩的
7、下沉。,1. 负摩阻力发生的条件,在软土地区，大范围地下水位下降，使桩周土中有效应力增大，导致桩侧土层沉降； 2) 桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面有大面积堆载（包括填土）时； 3) 桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时； 4) 冻土地区，由于温度升高而引起桩侧土的缺陷。,2、桩侧负摩阻力的分布规律,对于下部为岩石的端承桩,可能全桩为负阻力； 对于一般桩,因为桩土都有变形,视二者的相对位移量和方向而变。,桩周土与桩截面沉降相等，两者无相对位移发生，其摩阻力为零，这种摩阻力为零的点称为中性点,ln,Negative,中性点,3.减少桩侧负摩阻力影响的措施
8、,1）在桩的中性点以上部分涂一薄层涂料，以降低负摩阻力， 常用沥青涂层，价格便宜，效果比较好。 2）对钢桩再加一层厚度为3mm的塑料薄膜(兼作防锈蚀用)； 3）对现场灌注桩也可在桩与土之间灌注斑脱土浆等方法，来消除或降低负摩阻力的影响。,4.4 单桩竖向承载力的确定,单桩的承载力： 是指单桩在竖向荷载作用下，不丧失稳定性、不产生过大变形时的承载能力。,单桩的竖向承载力主要取决于两方面：,一是地基土对桩的支承能力； 二是桩身的材料强度。 一般情况下，桩的承载力由地基土的支承能力所控制，材料强度往往不能充分发挥，只有对端承桩、超长桩以及桩身质量有缺陷的桩，桩身材料强度才起控制作用。,4.4.1 按
9、材料强度确定,按桩身材料强度确定单桩竖向承载力时，可将桩视为轴心受压构件，根据桩材按混凝土结构设计规范(GB50010-2012)或钢结构规范计算。对于钢筋混凝土桩：,混凝土预制桩，预应力混凝土空心桩取0.85;,干作业非挤土灌注桩取0.9;,泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩，部分挤土灌注桩及挤土灌注桩取0.7-0.8;,软土区挤土灌注桩取0.65;,注意：当桩顶以下5d范围内桩身箍筋间距不大于100mm，且符合相关构造要求时才考虑纵向主筋对桩身受压承载力的作用。,静载荷试验是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法，其除了考虑到地基土的支承能力外，也计入了桩身材料强度对承载力的影响。对于甲级、乙级建
10、筑基桩，必须通过静载荷试验。在同一条件下的试桩数量，不宜少于总数的1%，并不少于3根。工程总桩数在50根以内时不应少于2根。,4.4.2 按单桩竖向抗压静载荷试验确定,单桩竖向极限承载力标准值 ： 单桩在竖向荷载作用下达到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。,（1）静载荷试验装置及其方法：,试验装置主要由加荷稳压、提供反力和沉降观测三部分组成。,锚桩桁架法,试验时加载方式通常有慢速维持荷载法、快速维持荷载法、等贯入速率法、等时间间隔加载法以及循环加载法。,工程中最常用的是慢速维持荷载法，即逐级加载，每级加载值为单桩承载力特征值的1/8-1/5，当每级荷载下桩顶沉降量小于0.
11、1mm/h时，则认为已趋于稳定。然后施加下一级荷载直到试桩破坏，再分级卸载到零。,当出现下列情况之一时即可终止加载： 某级荷载下，桩顶沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍； 某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍，且经过24小时尚未达到相对稳定； 已达到设计要求的最大加载量或达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大质量时。 当荷载-沉降曲线为缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60-80mm，特殊情况下可按具体要求加载至桩顶累计沉降量超过80mm。,（2）终止加载条件：, 根据沉降随荷载的变化特征确定：,此外，也可根据终止加载条件中的 前一级荷载值作为, 根据沉降量确定 ：,对于陡降型 Qs 曲线
12、，可取曲线 发生明显陡降的起始点所对应的荷 载为 ；,（3）按试验结果确定单桩竖向极限承载力 ：,对于缓变型 Qs 曲线，一般可取 s=4060mm对应的荷载值为 对于大直径桩可取 所对应的荷载值。,测出每根试桩的极限承载力值后，通过统计确定单桩竖向抗压极限承载力。 1）参加统计的所有试桩，当满足其级差不超过平均值的30% 时，取平均值为单桩竖向抗压极限承载力。 2）若级差超过平均值的30%，应分析级差过大的原因，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，或工程桩抽检数少于3根，应取低值。,单桩竖向承载力特征值Ra的确定：,4.4.3 按经验公式法确
13、定,（1）对直径 d 800mm 的灌注桩和预制桩，单桩竖向 极限承载力标准值：,桩侧第i层土的极限侧阻力标准值,桩端极限端阻力标准值,桩身周长,单桩总极限侧阻力标准值（kN）,单桩总极限端阻力标准值（kN）,单桩竖向极限承载力标准值,表4.2 桩的极限侧阻力标准值qsik,kPa,表4.3 桩的极限端阻力标准值qpk,kPa,（2）对大直径桩（d800mm）：,桩身周长,4.4.4 抗拔桩承载力,桩基承受上拔力的情况有两类，设计的要求不完全一样。一类是恒定的上拔力，如地下水的浮托力。为了平衡浮托力，避免地下室上浮，需要设置抗拔桩，完全按抗拔桩的要求验算抗拔承载力、配置通长的钢筋、设置能抗拉的
14、接头等。另一类是在某一方向水平荷载作用下才会使某些桩承受上拔力，但在荷载方向改变时这些桩可能又承受压力，设计时应同时满足抗压和抗拔两方面的要求，或按抗压桩设计并验算抗拔承载力。,抗拔桩极限承载力确定:,（1）设计等级为甲、乙级的桩基：应通过静载试验确定； （2）设计等级为丙级的桩基，可通过计算确定。,抗拔桩基础应同时验算群桩呈整体破坏和非整体破坏基桩的抗拔承载力：,抗拔桩极限承载力确定:,非整体破坏:,式中:ui桩周长；等直径桩 u=d；,qsik抗拔桩极限侧阻力标准值。,i抗拔系数，按表4.5取值；,单桩竖向承载力特征值：,4.4.5 桩基水平承载力,1）水平荷载下基础的受力特性,在水平荷载
15、和弯矩作用下，桩身产生挠曲变形，并挤压桩侧土体，土体则对桩侧产生水平抗力，而桩周土体水平抗力的大小则控制着竖直桩的水平承载力，其大小和分布与桩的变形、土质条件以及桩的入土深度等因素有关。,终止加载条件：,当桩身折断或桩顶水平位移超过 30-40mm （软土取40mm ) 或桩侧地表出现明显裂缝或隆起时，即可终止试验。,2）单桩水平静载荷试验,4.6 群桩基础计算,4.6.1 群桩的工作特点,群桩基础：由2根以上桩组成的桩基。,竖向荷载作用下，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
16、桩效应系数：,1=11,1.端承型群桩基础,端承型群桩基础中各根单桩的工作性状接近于独立单桩，故1。,由于桩的变形很小，桩间土基本不承受荷载，群桩基础的承载力就等于各单桩的承载力之和，群桩的沉降量也与单桩基本相同，故可不考虑群桩效应。,2.摩擦型群桩基础,应力重叠,沉降增加,单桩承载力下降，1。,当桩距小于3d（d为桩径）时，桩端处应力重叠现象严重；当桩距大于6d时，应力重叠现象较小。,对打入较疏松的砂类土和粉土中的挤土群桩，其桩间土和桩端土被明显挤密，所以群桩效应系数常大于1。,3.承台底面贴地的影响,由摩擦型桩组成的群桩基础，当其承受竖向荷载而沉降时，承台底面一般与地基土紧密接触，因此承台底面必产生土反力，从而分担了一部分荷载，使桩基承载力随之提高。考虑到一些因素可能会导致承台底面与基土脱开（例如挤土桩施工时产生的孔隙水压力会在承台修筑后继续消散而引起地基土固结下沉），为了保证安全可靠，设计时
