基础工程课件：桩基础

基础工程地基与基础教研室FoundationEngineering 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。杂填土软土天然地基Naturalground桩基Pile好土地基处理Groundimprovement承载力变形 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、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dD2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(25~80cm)、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 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，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，ShaftfrictionQp——桩端阻力，端承力Point，endresistance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S0SLQqsS0SL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为桩侧土的侧压力系数。对挤土桩：K07天粘性土>15天软粘土>25天承载力：不丧失稳定；不过分下沉；桩身材料不破坏试桩数量：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sQ0QuQ~s曲线Qu确定方法：规范附录QQ-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：l≤20d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l1≤20d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期极限承载力取假设则排水条件下的长期承载力表达式：打入桩：Ks=1.5K0钻孔桩：Ks=0.75K0Ks 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0.2~0.5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，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4d～6d（d为桩身直径）。减沉桩基的设计理论尚不成熟 4桩基础沉降的计算1单桩沉降的计算竖向荷载作用下的单桩沉降的组成桩身弹性变形引起的桩顶沉降；桩侧阻力引起的桩周土中的附加应力以压力扩散角向下传递，致使桩端下土体压缩而产生的桩端沉降；桩端荷载引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降。单桩沉降计算方法荷载传递分析法；弹性理论法；剪切变形传递法；有限单元分析法；其他简单方法。 2群桩沉降的计算群桩沉降的组成桩间土的压缩变形（包括桩身压缩、桩端贯入变形）；桩端平面以下土层受群桩荷载共同作用产生的整体压缩变形。群桩沉降计算方法规范法：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桩基础的最终沉降量。实体深基础方法Mindlin公式法 FlGb0A实体深基础方法（s≤6d）考虑扩散作用不考虑扩散作用考虑扩散作用（荷载扩散法）将桩基础视为天然地基上的实体深基础，按浅基础的沉降计算方法进行计算，将沉降计算的经验系数改为实体深基础的桩基沉降计算经验系数p，即： FlGb0实体深基础方法不考虑扩散作用时（扣除侧阻法）Gk为桩基承台自重及承台上土自重Gfk为实体深基础的桩与桩间土自重侧摩阻力 FlB0采用Mindlin解计算地基中竖向附加应力，逐根桩叠加明德林应力公式方法＋＋=QQQ(1--)Q详见教材或2002地基设计规范附录R端阻侧阻侧阻 作业：4-1，4-2 桩周附近地面大面积堆载大面积降低地下水位欠固结土,新填土，灵敏土湿陷性黄土遇水湿陷砂土液化、冻土融解打桩时使已设置的邻桩抬升正摩阻负摩阻负摩阻的产生定义：在土层相对于桩侧向下位移时，产生于桩侧的向下的摩阻力称为负摩阻力。5桩的负摩擦问题 5.1负摩阻力的荷载传递中性点正摩阻力的累积值负摩阻力的累积值或下拉荷载时间效应 5.2负摩阻力的计算单桩负摩阻力的计算中性点的位置中性点的位置取决于桩与桩侧土的相对位移；原则上根据桩沉降与桩周图沉降相等的条件确定；中性点的稳定深度ln按压缩土层深度l0的经验取值（表4-4）负摩阻力强度负摩阻力的大小与很多因素有关，已有的计算公式都有近似性和经验性。 负摩阻力的强度计算1）对软土和中等强度粘土，按K.太沙基建议的方法：2）根据产生负摩阻力的土层中点的竖向有效覆盖压力计算：式中：－桩周土负摩阻力系数，取值见表4-5－土中有效覆盖压力，取值如下：当地下水位降低时：当地面有均布荷载时：对砂类土，可按下式估算： 单桩负摩阻力的计算下拉荷载的计算下拉荷载为中性点深度范围内负摩阻力的累积值，按下式计算： 群桩负摩阻力的计算群桩效应按等效圆法计算，等效圆半径按下式计算：群桩所发生的摩阻力因群桩效应而降低。 群桩负摩阻力的计算负摩阻力的群桩效应系数：群桩中任一单桩的极限负摩阻力为：群桩中任一单桩的下拉荷载为： 5.3减小负摩阻力的工程措施预制混凝土桩和钢桩涂以软沥青涂层的方法减小负摩阻力；支撑于坚硬持力层上的灌注桩沉降土层范围内插入比钻孔小50~100mm的预制砼桩，然后用高稠度膨润土泥浆填充预制桩形成隔离层；干作业成孔灌注桩：浇注砼前，在沉降土层范围内的孔壁先铺设双层筒形塑料薄膜，使桩身和孔壁间形成可自由滑动的塑料薄膜隔离层。 5桩的水平承载力取决于桩土的相互作用承载力大小取决于：土性、桩长和桩断面刚度和桩的约束条件。l长期作用的水平荷载反复作用的水平荷载地震作用产生的水平力可以考虑斜桩，一般水平与竖向荷载的合力与竖直线夹角小于5°时，竖直桩可以满足设计要求。 6.1水平荷载下桩的工作性状（1）刚性桩：短桩或桩周土很软弱时，桩、土的相对刚度很大。发生转动或平移。（2）弹性桩：分为半刚性桩（中长桩）和柔性桩（长桩）。桩身发生挠曲变形。半刚性桩：桩身位移曲线只出现一个位移零点。柔性桩：桩身位移曲线出现二个以上位移零点。 6.2水平荷载作用下弹性桩的计算计算方法：弹性地基梁法（地基反力系数法）地基模型：文克勒地基模型基本假定：把承受水平荷载的单桩视为弹性地基（由水平向弹簧组成）中的竖直梁；单桩承受水平荷载时深度z处的水平抗力等于该点的水平抗力系数与该点水平位移x的乘积；忽略桩土之间的摩阻力及邻桩的影响。 kx水平抗力系数常数法m法k法C值法桩的位移m和C值法比较接近实际桩截面计算宽度 m法计算水平荷载下的单桩内力和位移水平变形系数挠曲微分方程m法（表4-6）M0 m法计算水平荷载下的单桩内力和位移？ 桩身最大弯矩及其位置的求取由系数查表得到相应的换算深度，则桩身最大弯矩的深度为：由系数或换算深度，查表得到相应的系数，则桩身最大弯矩为：注意：表4-7是按照桩长编制，当桩长时，可查有关设计手册。 6.3单桩水平静载荷试验主梁百分表试验装置：水平放置的千斤顶加荷方法：宜采用多循环加卸载方法终止加荷的条件：见教材或规范试验结果：桩顶水平荷载-时间-桩顶水平位移曲线水平荷载-位移梯度曲线水平荷载-最大弯矩截面钢筋应力曲线 6.3单桩水平静载荷试验水平临界荷载Hcr和极限荷载Hu的确定 6.4单桩水平承载力特征值（1）根据水平静载荷试验确定；（2）对于预制桩、钢桩、桩身全截面配筋率大于0.65％的灌注桩，取地面处水平位移10mm所对应的荷载；（3）配筋率小于0.65％的灌注桩，取载荷试验的临界荷载；（4）无试验资料，配筋率小于0.65％的灌注桩，按下式估算：（5）无试验资料，配筋率大于0.65％的灌注桩，按下式估算： 7桩的平面布置原则一般原则为使桩基受力均匀，群桩横截面的重心应与竖向永久荷载合力的作用点重合或接近。平面布置：对称式、梅花式、行列式和环状排列采用不等距排列时，宜采用外密内疏的布置方式桩距：桩的间距（中心距）一般采用3~4d。具体要求详见表4-9、4-10。 7桩的平面布置原则 8桩承台的设计承台的作用将各桩联成一个整体，把上部结构传来的荷载转换、调整、分配于各桩。桩基承台的分类柱下独立承台柱下或墙下条形承台筏板承台箱形承台承台设计应按现行《混凝土结构设计规范》进行进行受弯、受冲切、受剪切和局部承压承载力计算。 8.1构造要求形状方,矩型,三角形,多边形,圆形最小宽度50cm最小厚度30cm，埋深同浅基桩外缘距离承台边15cm边桩中心距离承台边1.0D桩嵌入承台大桩10cm,小桩5cm,钢筋伸入承台30d混凝土标号C20cm,保护层7cm配筋要求：直径10mm，间距≤200mm1.0d15cm>5、10cm承台 8.2柱下桩基础独立承台1承台的抗弯计算如果承台厚度较小，配筋量不足，承台可能发生弯曲破坏。XXYYxiyixy1）多桩矩形承台发生梁式破坏计算截面在柱边和承台截面变化处Mx=NiyiMy=Nixi 多桩矩形承台受弯计算h0h0XXYYNixiyiMx=NiyiMy=Nixi 1承台受弯计算2）三桩三角形承台梁式破坏特征 三桩三角形承台受弯计算等边三桩承台取两种模式的平均值作为设计值；等腰三桩承台s为桩距；c为方柱边长，圆柱时c=0.866ds为长向桩距；为短向桩距与长向桩距之比；C1c2分别为垂直于和平行于等腰三角形底边的柱截面边长。 2、承台受冲切计算计算目的：确定承台厚度破坏形式：柱对承台的冲切；角桩对承台的冲切 柱对承台冲切的承载力冲切力：冲切系数：冲跨比： 角桩对承台的冲切多桩矩形承台受角桩冲切的承载力 角桩对承台的冲切三桩三角形承台受角桩冲切的承载力底部角桩：顶部角桩：对于圆柱和圆桩：将圆形截面换算成正方形 3.承台受剪切计算抗剪计算，在小剪跨比的条件下具有深梁的特征。计算截面：柱边和桩边、变截面和桩边联线形成的斜截面。斜截面受剪承载力：剪切系数：计算截面跨比：当承台砼等级低于柱或桩的等级时，还应进行柱下或桩上承台的局部受压承载力的计算计算宽度见教材 9桩基础设计主要内容：1设计步骤2桩的类型和桩长选择3桩的根数及平面布置4桩基承载力及沉降验算5桩身结构设计 9桩基础设计1设计步骤1.收集资料2.确定桩型、桩长、断面及承台底面标高3.确定单桩竖向承载力确定桩数及平面布置FlB05.桩基础验算：承载力，必要时沉降验算6.承台和桩身结构设计7.绘制桩基施工图 2桩型和桩长的选择桩型的选择：桩长的选择：根据结构类型及层数、荷载大小、地层条件和施工机械设备进行选择。关键在于选择坚实的桩端持力层，且桩端应进入持力层一定深度（1d～3d）。端承桩嵌岩深度不小于0.5m。同一结构单元不宜采用不同类型的桩同一基础相邻桩底高差不宜过大（s或l/10）FG坚实持力层注意：≥4d1-3d 3桩的根数和平面布置桩的根数中心荷载下＝1.0偏心荷载下＝1.1～1.2桩的中心距满足最小中心距要求，一般3~4d（表4-9，4-10）桩的平面布置使群桩形心与长期荷载重心重合，且桩基受水平力和力矩较大方向有较大的抵抗矩。对于摩擦桩，增加桩长比增加桩数更合理 中心荷载下：1群桩中单桩承载力验算偏心荷载下：实际分布FG假设的分布4桩基础的验算水平荷载下： FGMyMx987216345XYx7y7偏心荷载下： 单桩承载力验算轴心竖向力作用的桩基：偏心竖向力作用的桩基：水平荷载作用的桩基：抗震设防区的桩基，应进行下列抗震验算：轴心竖向力作用的桩基：偏心竖向力作用的桩基： 4桩基础的验算2桩基软弱下卧层承载力验算：视作实体深基础按浅基础软弱下卧层验算方法进行验算3桩基沉降验算：采用实体深基础法或明德林解析法验算桩端以下地基变形4桩基负摩阻力验算：考虑负摩阻力的桩基，承载力特征值只计中性点以下部分的侧阻力和端阻力。1）摩擦型桩基：2）端承型桩基 一、桩身砼强度：满足承载力要求设计要求：二、结构构造要求(1)预制桩：满足吊运和锤击沉桩的要求(2)灌筑桩：满足构造配筋要求5桩身结构设计 5桩身结构设计c－工作条件系数。预制桩0.75，灌注桩0.6~0.7桩轴心受压时：桩身混凝土强度应满足抗压设计要求主筋应经过计算确定，最小配筋率为：打入式预制桩不宜小于：0.8%；静压式预制桩不宜小于：0.6%；灌注桩不宜小于：0.2%~0.65%。钢筋长度按构造要求确定。例题4-2 设计要求：1承台埋深要求(1)高承台：由建筑物决定,如桥(过船),码头；(2)低承台：确定基础埋深60cm建筑物要求地质水文冻胀6承台设计 2承台的结构设计要求形状：矩型、三角形、多边形、圆形最小宽度50cm最小厚度30cm桩外缘距离承台边15cm边桩中心距离承台边1.0D桩嵌入承台：大桩10cm，普通桩5cm，钢筋伸入承台30d（I级）(6)混凝土标号C15cm，保护层7cm1.0d15cm 3承台的厚度根据冲切验算等确定，须验算：沿柱边的冲切强度角桩冲切验算斜截面抗剪验算F45oh0h0Faixaiyc1c245o 斜截面抗剪验算axh03承台的厚度 4承台的配筋根据抗弯验算确定计算出弯矩后，按《混凝土结构设计规范》配筋 作业：4-3 本章小结概述桩的分类和质量检验单桩轴向荷载的传递单桩竖向承载力的确定群桩承载力桩基础设计 侧阻端阻单桩承载力确定：1载荷试验确定单桩承载力2静力触探确定单桩承载力3经验公式确定单桩承载力4动测法5桩身材料验算使用规范：1《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）2《建筑桩基技术规范》（GBJ7-94）本章小结 载荷试验确定单桩承载力2002《地基规范》Ra单桩承载力特征值1994《桩基规范》sp=1.6~1.75抗力分项系数本章小结 群桩承载力计算2002《地基规范》本章小结