桩基工程第二章

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桩基工程第二章

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'第二章桩基设计计算1单桩竖向抗压承载力1.1桩土体系的荷载传递 1.1.1桩土体系的荷载传递机理桩顶加F——桩身上部压缩变形下移δ——桩身上部侧表面产生QS——增加F——桩下移δ增加直至整个桩身产生位移S——全部桩周产生侧摩阻力并达到极限QSU——桩下移压缩桩底土层——产生QP——F增加——S增大——QP达到极限QPU,QS下降——整个桩达到极限承载力QU——再增加F——桩底土挤出,桩底刺入土体——桩位移S急剧增大——Q急剧减小,桩土体系破坏。从荷载传递过程可知,桩顶荷载是通过桩身传递到桩周土层及桩端土层达到承载目的。 字母αβγζηθψ读音alphabetagammazetaetathetapsi字母δεστφωξ读音deltaepsilonsigmatauphiomegakesai 一桩一柱单桩基础:低承台群桩基础:;QC——承台底土阻力;高承台群桩基础: 单桩桩顶的沉降:ss——桩身在轴向压力作用下的压缩变形;sb——桩端随土体压缩所产生的沉降sc——桩端土产生剪切破坏或刺入破坏引起的沉降。 1.1.2影响荷载传递的因素(1)桩端土与桩周土的刚度比Eb/EsA、Eb/Es=0,QP≈0,,为纯摩擦桩;B、Eb/Es=1,,一般QS》QP,也属于摩擦桩;此时对于灌注桩:L/d>40,QP≈0,,属于纯摩擦桩;L/d=10-40,,属于摩擦桩;L/d<10,,属于端承摩擦桩; C、Eb/Es=∞,;此时对于灌注桩:L/d<10,短桩,属于端承桩;L/d=10-30,中长桩,属于摩擦端承桩;L/d=30-80,长桩,属于端承摩擦桩;L/d>80,超长桩,属于摩擦桩。 (2)桩身与桩周土的刚度比Ep/Es摩擦桩:承载力主要取决于桩周土的刚度与强度,可用低强度桩。大荷载端承桩:承载力取决于桩端阻力,即桩底岩土强度和桩身强度,宜用高强度桩。(3)桩底扩大头与桩身直径之比D/dD/d越大,QP越大,一般D/d=1.5~3,当Ep/Es越大,采用扩底桩效果好且L/d越小——承载力增大。(4)桩长径比L/dL/d越大,QS增大,QP减小。因此,摩擦桩L/d>30;端承桩L/d<30;扩底桩L/d<10。 (5)桩身的几何特征(形状),QS与桩身比表面积成正比,异形桩和扩底桩均可提高桩的承载力。(6)成桩工艺A、在松散地层中,挤土桩的Q/非挤土桩的Q=1.5~7.5,干作业桩Q>泥浆护壁桩Q;B、泥皮厚度大——Q大大减小,桩底沉渣厚,Q变小,S变大;C、非挤土钻孔桩使地层土压力释放——土体松散——地层承载力R下降;D、灌注桩后压浆工艺可大幅度提高Q。 1.2单桩破坏模式与极限承载力1.2.1单桩破坏模式与强度的关系A、单桩破坏模式:桩身材料的破坏:主要是指端承桩;地基土强度的破坏:一般摩擦桩的Q由地基土强度大小决定。B、QSU——SU;QPU——S’U;S’U>SU。1.2.2单桩的Q-S曲线Q-S曲线分为两大类:突变陡降型(急进型破坏):(a,d,f)渐变缓降型(渐进型破坏):(b,c,e)见P11图2-3 1.3单桩竖向抗压承载力的确定(R)确定单桩竖向抗压承载力应同时考虑并计算:桩身强度R1和土对桩的支承力R2,取两者较小者作为桩基单桩承载力R值。A、承载力设计值R:为桩基设计中R采用值;B、承载力标准值Rk:为经验法等计算方法得出的标准值,一般R=1.2Rk(对于土而言);C、极限承载力标准值QUK:为规范法计算或Q-S曲线计算值,R=QUK/γsp。γsp——抗力分项系数,等同于安全系数K。 1.3.1按桩材强度确定单桩竖向抗压承载力A、对于均质材料的桩(钢、木桩):B、对于钢筋混凝土桩(预制桩、灌注桩):设计值:标准值: 1.3.2按土对桩的支承力确定单桩竖向承载力方法静力触探法动力测试法经验公式法静载荷试验法 (1)、经验公式法A、《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)、《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-90)推荐的经验公式:(适用于摩擦桩和预制桩)桩数为3根及3根以下的柱下承台。 B、《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)推荐的经验公式:①适用于混凝土预制桩、水下钻(冲)孔桩、沉管灌注桩、干作业钻孔桩,其单桩极限承载力标准值:对于大直径桩,单桩极限承载力标准值:③对于钢管桩,单桩极限承载力标准值:C、基桩竖向承载力设计值: (2)静力触探成果估算法:(适用于混凝土预制桩)A、按单桥探头的比贯入阻力值确定:B、按单桥探头qc、fsi值估算: 1.4桩的负摩阻力及计算公式1.4.1概念A、正摩阻力:正常情况下,桩受压——桩身相对桩周土下移——桩周产生向上摩阻力以阻止其下移。B、负摩阻力:下列情况时,会出现地层沉降大于桩身沉降,桩周土体相对桩向下位移,桩周受到向下的摩阻力。①桩周土固结下沉:桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层时;②地面超载压密桩周土:桩周存在软弱土层,邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载,或地面大面积堆载时;③地下水位下降:由于降低地下水位,使桩周土中有效应力增大,并产生显著压缩沉降时。 C、中性点N:桩与土无相对位移,桩身轴向力出现最大值。N点位置与地层土性质(压缩性)、地下水条件、桩的刚度及桩端持力层刚度等因素有关,且随着地层不断沉降固结而变化直至最后地层沉降稳定,并不断上移。消除负摩阻力措施:采用排水固结法、预压法、注水沉降法等在桩基施工前将地层(主要是上部)预先固结压实以减少负摩阻力。 1.4.2负摩阻力计算公式单桩负摩阻力设计值的确定方法:负摩阻力标准值: A、各地层负摩阻力标准值的计算方法:B、根据工勘报告资料估算法:粘土:砂土:C、当考虑负摩阻力作用时,单桩承载力设计值: 2嵌岩灌注桩的承载力2.1概述嵌岩灌注桩:在基岩埋深不太大的情况下,常将大直径灌注桩穿过全部覆盖层嵌入基岩而成为嵌岩灌注桩。适用于高层建筑、重型厂房及桥基础中,抗震性能好,承载力高,沉降小。嵌岩桩的竖向承载力一般认为主要由桩与土间的侧摩阻力,嵌岩段的侧摩阻力(嵌固力)及桩端阻力三部分组成,根据规范和经验可确定其承载力标准值。 (1)根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)嵌岩桩单桩竖向承载力标准值,由桩周土总侧阻,嵌岩段总侧阻和总端阻三部分组成,计算公式如下: 表2-1嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数嵌岩深度比hr/d00.512345侧阻力修正系数r00.0250.0550.0700.0650.0620.050端阻力修正系数p0.500.500.400.300.200.100 (2)《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)按端承桩设计:其中: (3)铁路工程技术规范和公路桥涵设计规范的承载力设计值公式如下:R=(C1A+C2uhr)frk表2-20系数C1和C2取值 3、抗拔桩的承载力抗拔桩一般不存在桩端支承力,故属于纯摩擦桩,其承载力(抗拔力)U大小取决于桩身抗拉强度及桩土间的抗拔摩擦力,因此应同时计算桩身强度与抗拔摩擦力,取两者的小值为桩的抗拔力设计值。 3.1由桩身材料强度所决定的抗拔承载力一般上式中第一项不计,由桩身材料所确定的单桩抗拔力设计值U应满足: 3.2由地基土的强度所确定的抗拔桩承载力A、《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)规定对于一级建筑桩基,必须通过现场单桩抗拔试验确定:(1)对陡变型U-S曲线取转折点(即拐点)值为极限荷载;(2)对缓变型U-S曲线取允许上拔量S=80-100mm时对应的荷载值或根据上拔量-时间曲线确定。抗拔桩的抗拔力设计值:分项阻力系数取1.60~1.75。 B、对于二、三级建筑桩基,可用经验公式计算U:(1)单桩或群桩呈非整体性破坏时:(2)群桩呈整体性破坏时: 4单桩沉降计算4.1经验公式法:建筑桩基规范建议采用经验公式法,一般竖向工作荷载作用下,单桩沉降有:桩侧摩阻力:桩端阻力: 设则有:桩端荷载引起的桩端沉降:桩侧荷载引起的桩端沉降: 4.2铁路、公路规范的设计方法:4.3经验法:打入桩:s=0.8~1.2%d(平均为0.9%d);灌注桩:s=0.3~1.0%d(平均为0.6%d)。 5、群桩承载力与群桩沉降计算5.1概念A、群桩效应:群桩中,各基桩桩顶荷载均通过桩侧摩阻力传递到桩周土层中或桩端阻力传递到桩端土层中,进而通过桩周(端)地层土去影响相邻桩基的R或S,引起相邻桩基R、S产生变化,这种作用叫群桩效应。 常用群桩效应系数ξ及沉降比η来衡量其大小,公式如下:R——群桩总承载力设计值;Ri——各基桩承载力设计值;s——群桩沉降量;si——各基桩平均沉降量。一般ξ≤1,η≥1,ξ愈小,或η愈大,说明群桩效应就越大。对于端承桩与摩擦桩由于荷载传递机理不同,群桩效应各异,一般摩擦桩(尤其是挤土桩)桩基群桩效应较大,而端承桩相对较小。 B、群桩效应影响因素:a、桩距b:b小——影响大,ξ减小,η增大,桩侧阻力不能充分发挥;b、桩长L,L越大——影响大,ξ减小,η增大;c、桩数n,n越多——影响大,ξ减小,η增大;d、承台形式:低承台——台下土阻止承台下移——桩侧摩阻力减小——影响大;高承台——桩土相对位移大——桩侧摩阻力增大——影响小。e、土性质:土越软弱——影响大;f、成桩方式:挤土桩——桩间土扰动大——影响大非挤土桩影响小。 5.2群桩破坏模式5.2.1桩群侧阻力的破坏(包括整体破坏和非整体破坏)整体破坏:桩土间致密,形成一个整体,如同复合(实体)基础一样整体承载及变形,桩侧阻力之破坏面发生于群桩外围,此时群桩犹如一个整体大基桩。如桩距小于3倍直径的挤土桩,低承台短桩,群桩效应大。非整体破坏:是指各桩的桩土之间产生相对位移,各桩侧阻力剪切破坏发生在各桩侧面。当桩距较大时,或非挤土桩一般为此类,群桩效应小。 5.2.2群桩端阻的破坏单桩端阻的破坏形式有三种:A、整体剪切破坏:B、局部剪切破坏:C、刺入剪切破坏:群桩破坏模式:对于群桩,由于上部承台为刚性结构,大多数情况下为整体结构,即整体受力并产生整体破坏,相当于一个整体大基桩。由于整体周长及底面积很大,不会产生整体剪切破坏,大多为平缓沉降型破坏,只有在桩底土层下存在大面积软弱下卧层时才可能产生侧向挤出引起群桩失稳,但不会引起不均匀沉降。反之对于大面积非刚性承台且桩间距较大时,群桩效应较小,此时由于上部荷载不均匀分布及各基桩承载力差异,就会引起各桩承载力和沉降不同,破坏方式各异,进而导致地面上部产生不均匀沉降,为非整体性破坏模式。 5.3各类土中的群桩效应5.3.1砂土中的摩擦型群桩A、在松砂(),中密砂()中,当桩距b=1.8~2.5d时,η=1.8~2.5,达到极值时,群桩呈整体破坏,当桩距b>2.5d时,η<1.8,呈非整体性破坏。B、在密砂()中打桩使地层扰动,η<1,、桩的打入使砂变松所致。因此在实际工程中,应在松砂、中密砂中打桩而将密砂作为持力层,一般当桩距大于6d时,无挤土效应,η≤1。 5.3.2粉土中的摩擦型群桩一般当b<4d时,η=1.0~1.7;b>4d时,η≤1。5.3.3粘土中的摩擦型群桩一般η≤1,且桩距b越大,η越大。 5.4群桩桩顶荷载效应计算5.4.1群桩中复合基桩或基桩桩顶承受的竖向力计算:轴心受压:偏心受压:满足:5.4.2地震作用效应组合:系数乘以1.25 5.4.3端承型群桩承载力计算(1)一般端承型群桩(包括挖孔桩、嵌岩桩,大口径短桩,短扩底桩)由于群桩效应小,其承载力计算可直接根据单桩之和进行计算:群桩承载力:群桩沉降量: (2)端承型群桩下软弱下卧层承载力验算A、桩距S≤6d:B、S>6d,群桩效应小。 5.4.4摩擦型群桩承载力计算 6、桩基水平承载力与位移计算6.1水平桩工作原理桩顶(身)受水平荷载H作用——桩顶(身)产生水平位移压缩桩周土体——桩周土提供水平抗力支承桩体——H增大——桩周土体位移增大——桩身倾斜直至桩周土体失稳或桩体倾斜超过允许程度——桩土体系破坏。 根据两种桩土体系作用原理不同,水平桩有刚性短桩与弹性长桩两种。刚性短桩:若桩身长度较短,且桩身强度超过地基土强度,在水平力的作用下桩身发生整体位移而不产生挠曲变形,一般桩头自由型(单桩)绕桩身中一点发生转动倾斜位移,而桩头嵌固型(群桩)则发生整体位移,由于刚性短桩均是桩周土体强度不够,桩身位移过大而失效,因此其水平承载力取决于桩周土体强度。弹性长桩:可分为桩头自由型(单桩)和桩头嵌固型(群桩)两种。由于桩长较大,桩身强度相对较低,在水平力作用下,桩体上段产生挠曲变形,而不是产生转动或移动,直至挠曲破坏失稳。桩基的水平承载力取决于桩体上段强度。 6.2单桩水平承载力设计值的计算方法6.2.1影响因素包括桩身强度(刚度)、入土深度、桩周土性质、桩顶嵌固情况、桩顶(身)水平力作用位置、桩顶(身)允许位移、水平荷载性质等。6.2.2水平承载力确定方法(1)静载试验法确定Rh由水平荷载——水平位移曲线确定。 (2)公式估算法确定RhA、对于二、三级建筑水平桩基,可用下列公式估算配筋率小于0.65%的灌注桩:其中:B、对于预制桩,或配筋率大于0.65%的灌注桩: 7桩承台承台:连接桩与上部建筑物(构筑物)之间的平台叫承台。根据构造的不同,可分成独立桩基承台(板式承台)、筏式承台(整片式承台)、箱形承台、梁式承台(条形承台)等。 7.1承台的构造要求7.2板式承台计算主要是确定承台板的厚度和板的配筋。7.2.1承台冲切计算(1)按柱对承台的冲切计算所谓冲切破坏就是指承台在上部通过柱体传递的荷载压力N和承台下桩基的支承力R上顶力的作用下,两力对承台体的冲切作用造成的对承台的冲切(剪切)破坏。 冲切破坏锥体计算公式:冲切系数:柱下矩形独立承台受柱冲切的承载力可按下式计算: (2)按基桩对承台的冲切计算A、对于四桩(含四桩)以上承台受角桩冲切的承载力验算式:B、三桩三角形承台受角桩冲切的承载力验算式:底部角桩:顶部角桩: (3)承台斜截面受剪切力计算:剪切系数: 7.2.3承台板配筋(1)矩形承台:平行x方向的钢筋总面积:平行y方向的钢筋总面积: (2)三角形承台:'