基础工程PPT道路与桥梁专业桩基础的设计计算教学文案.ppt

基础工程PPT道路与桥梁专业桩基础的设计计算 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节 单桩承载力 单桩承载力容许值单桩承载力容许值 ：是指单桩在荷载作用下，地基土是指单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力及弯矩作用，因一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力及弯矩作用，因此须分别研究和确定单桩轴向承载力和横轴向承载力。此须分别研究和确定单桩轴向承载力和横轴向承载力。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算一、单桩轴向荷载传递机理和特点（一）荷载传递过程与土对桩的支承力 基本概念：基本概念：当轴向荷载逐步施加于单桩桩顶，桩身上部受到压缩而当轴向荷载逐步施加于单桩桩顶，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，与此同时桩侧表面就会受到土的产生相对于土的向下位移，与此同时桩侧表面就会受到土的向上摩阻力。向上摩阻力。桩顶荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层桩顶荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减。中去，致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移等于零处，其摩阻力尚未开始发挥作用在桩土相对位移等于零处，其摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着荷载增加，桩身压缩量和位移量增大，桩身而等于零。随着荷载增加，桩身压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，桩底土层也因受到压缩而下部的摩阻力随之逐步调动起来，桩底土层也因受到压缩而产生桩端阻力。产生桩端阻力。桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻力进一步发挥到极限值。力进一步发挥到极限值。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度：桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度：桩端极限阻力的发挥需要比发生桩侧极限摩阻力大得桩端极限阻力的发挥需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来。当桩多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来。当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，其身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。荷载增量将全部由桩端阻力承担。桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的。态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（二）桩侧摩阻力的影响因素及其分布 桩侧摩阻力除与桩土间的相对位移有关，还与土的性桩侧摩阻力除与桩土间的相对位移有关，还与土的性质、桩的刚度、时间因素和土中应力状态以及桩的施工方质、桩的刚度、时间因素和土中应力状态以及桩的施工方法等因素有关。法等因素有关。土的影响土的影响：桩侧土极限摩阻力值随着桩侧土的抗剪强：桩侧土极限摩阻力值随着桩侧土的抗剪强度的增大而增加。度的增大而增加。桩身刚度的影响桩身刚度的影响：桩的刚度较小时，桩顶处桩侧摩阻：桩的刚度较小时，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较大时，土的抗剪强度也较大，以致力常较大；当桩刚度较大时，土的抗剪强度也较大，以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 时间的影响时间的影响：在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性：在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、状态在一定范围内会有变化，影响桩侧摩阻力，并且质、状态在一定范围内会有变化，影响桩侧摩阻力，并且往往也有时间效应。往往也有时间效应。影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要因素。在分析基桩承载力时，各因素对桩侧摩阻力大小与因素。在分析基桩承载力时，各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响，应分别情况予以注意。分布的影响，应分别情况予以注意。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算a）沉桩（预制桩）沉桩（预制桩）b）钻孔灌注桩）钻孔灌注桩图图4-1 桩侧摩阻力分布曲线桩侧摩阻力分布曲线桩侧摩阻力沿深度分布的情况：桩侧摩阻力沿深度分布的情况：4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（三）桩底阻力的影响因素及其深度效应 桩底阻力与土的性质、持力层上覆荷载（覆盖土层厚桩底阻力与土的性质、持力层上覆荷载（覆盖土层厚度）、桩径、桩底作用力、时间及桩底进入持力层深度等度）、桩径、桩底作用力、时间及桩底进入持力层深度等因素有关，其主要影响因素仍为桩底地基土的性质。因素有关，其主要影响因素仍为桩底地基土的性质。深度效应深度效应：桩的承载力（主要是桩底阻力）随着桩的入：桩的承载力（主要是桩底阻力）随着桩的入土深度土深度(特别是进入持力层的深度而变化特别是进入持力层的深度而变化)的特性。的特性。临界深度临界深度：桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的：桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度hc c。由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩底硬要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩底硬层的厚度。层的厚度。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式 轴向受压荷载作用下，单桩的破坏是由地基土强度破轴向受压荷载作用下，单桩的破坏是由地基土强度破坏或桩身材料强度破坏所引起。而以地基土强度破坏居多。坏或桩身材料强度破坏所引起。而以地基土强度破坏居多。破坏模式分为如下破坏模式分为如下3种情形种情形：纵向挠曲破坏（图纵向挠曲破坏（图a）：）：桩在轴向受压荷载作用下，桩在轴向受压荷载作用下，如同一受压杆件呈现纵向挠曲破如同一受压杆件呈现纵向挠曲破坏。桩的承载力取决于桩身的材坏。桩的承载力取决于桩身的材料强度。料强度。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 整体剪切破坏（图整体剪切破坏（图b）：）：桩在轴向受压荷载作用下，由桩在轴向受压荷载作用下，由于桩底持力层以上的软弱土层不能于桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体将阻止滑动土楔的形成，桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏。形成滑动面而出现整体剪切破坏。桩的承载力主要取决于桩底土的支桩的承载力主要取决于桩底土的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。刺入式破坏（图刺入式破坏（图c）：）：当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向受压荷载作用下，将出现刺入式破强度较均匀时，桩在轴向受压荷载作用下，将出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同坏。根据荷载大小和土质不同 。桩所受荷载由桩侧摩阻力。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同承担，一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏，和桩底反力共同承担，一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏，且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算二、按土的支承力确定单桩轴向承载力容许值 单桩轴向承载力容许值单桩轴向承载力容许值，系指单桩在轴向荷载作用下，系指单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极限承载力（极限桩侧摩阻力与极限桩底阻力之和）考虑必限承载力（极限桩侧摩阻力与极限桩底阻力之和）考虑必要的安全度后求得。要的安全度后求得。单桩轴向承载力容许值的确定往往需选用几种方法作单桩轴向承载力容许值的确定往往需选用几种方法作综合考虑和分析，以合理确定单桩轴向承载力容许值。综合考虑和分析，以合理确定单桩轴向承载力容许值。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（一）静载试验法 概念：概念：在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破坏状态在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向承载力容根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向承载力容许值。许值。试桩要求：试桩要求：试桩可在已打好的工程桩中选定，也可专试桩可在已打好的工程桩中选定，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。门设置与工程桩相同的试验桩。静载试验法的特点：静载试验法的特点：确定单桩承载力容许值直观可靠，确定单桩承载力容许值直观可靠，但费时、费力，通常只在大型、重要工程或地质较复杂的桩但费时、费力，通常只在大型、重要工程或地质较复杂的桩基工程中进行试验。它还能较直接了解桩的荷载传递特征，基工程中进行试验。它还能较直接了解桩的荷载传递特征，提供有关资料。提供有关资料。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 1、试验装置、试验装置 加载系统：加载系统：主要有堆载法与锚桩法两种（图主要有堆载法与锚桩法两种（图4-3）。图图4-3 锚桩法试验装置锚桩法试验装置4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算堆载法：堆载法：在荷载平台上堆放重物，一般为钢锭或砂包，也有在在荷载平台上堆放重物，一般为钢锭或砂包，也有在荷载平台上置放水箱，向水箱中充水作为荷载。堆载法适荷载平台上置放水箱，向水箱中充水作为荷载。堆载法适用于极限承载力较小的桩。用于极限承载力较小的桩。锚桩法：锚桩法：在试桩周围布置在试桩周围布置46根锚桩，常利用工程桩群。锚桩根锚桩，常利用工程桩群。锚桩深度不宜小于试桩深度，且与试桩有一定距离，一般应大深度不宜小于试桩深度，且与试桩有一定距离，一般应大于于3d且不小于且不小于1.5m(d为试桩直径或边长为试桩直径或边长)，以减少锚桩对，以减少锚桩对试桩承载力的影响。试桩承载力的影响。观测系统：观测系统：主要有桩顶位移和加载数值的观测。位移通过安装主要有桩顶位移和加载数值的观测。位移通过安装在基准梁上的位移计或百分表量测。加载数值通过油压在基准梁上的位移计或百分表量测。加载数值通过油压表或压力传感器观测。表或压力传感器观测。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算锚桩法静载试验锚桩法静载试验4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算千斤顶及位移传感器千斤顶及位移传感器4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 2 2、试验方法、试验方法 分级加载：分级加载：试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏荷载的荷载的1/10-1/15；有时也采用递变加载方式，开始阶段每级荷；有时也采用递变加载方式，开始阶段每级荷载取预估破坏荷载的载取预估破坏荷载的1/2.5-1/5，终了阶段取，终了阶段取1/10-1/15。测读沉降时间：测读沉降时间：在每级加荷后的第一小时内，按在每级加荷后的第一小时内，按2、5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉测读一次，直至沉降稳定为止。沉降稳定的标准，通常规定为对砂性土为降稳定为止。沉降稳定的标准，通常规定为对砂性土为30min内不超过内不超过0.1mm；对黏性土为；对黏性土为1h内不超过内不超过0.1mm。待沉降稳定。待沉降稳定后，方可施加下一级荷载。循此加载观测，直到桩达到破坏状后，方可施加下一级荷载。循此加载观测，直到桩达到破坏状态，终止试验。态，终止试验。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 破坏荷载的确定：破坏荷载的确定：当出现下列情况之一时，一般当出现下列情况之一时，一般认为桩已达破坏状态，所相应施加的荷载即为破坏荷认为桩已达破坏状态，所相应施加的荷载即为破坏荷载：载：（1）桩的沉降量突然增大，总沉量大于）桩的沉降量突然增大，总沉量大于40mm，且本级荷载下的沉降量为前一级荷载下沉降量的且本级荷载下的沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍。倍。（2）本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉）本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉降量的降量的2倍，且倍，且24h桩的沉降未趋稳定。桩的沉降未趋稳定。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 3、极限荷载和轴向承载力容许值的确定、极限荷载和轴向承载力容许值的确定 破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，从而确定单桩轴向承载力容许值。从而确定单桩轴向承载力容许值。试验曲线法：试验曲线法：（1）P-S曲线明显转折点法曲线明显转折点法 在在P-S曲线上，以曲线出现曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的荷载明显下弯转折点所对应的荷载作为极限荷载，若作为极限荷载，若P-S曲线转折曲线转折点不明显，可用对数坐标绘制点不明显，可用对数坐标绘制lgP-lgS曲线，可能使转折点显曲线，可能使转折点显得明确些。得明确些。图图4-4 单桩荷载单桩荷载沉降沉降(P-S)曲线曲线 4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（2）S-lgt法（沉降速率法）法（沉降速率法）将相应于将相应于S-lgt线型线型由直线变为折线的那一由直线变为折线的那一级荷载定为该桩的破坏级荷载定为该桩的破坏荷载，其前一级荷载即荷载，其前一级荷载即为桩的极限荷载。为桩的极限荷载。图图4-5 单桩单桩S-lgt曲线曲线 4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（二）经验公式法 公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）规）规定了以经验公式计算单桩轴向承载力容许值的方法，这是一定了以经验公式计算单桩轴向承载力容许值的方法，这是一种简化计算方法。规范根据全国各地大量的静载试验资料，种简化计算方法。规范根据全国各地大量的静载试验资料，经过理论分析和统计整理，给出不同类型的桩，按土的类别、经过理论分析和统计整理，给出不同类型的桩，按土的类别、密实度、稠度、埋置深度等条件下有关桩侧摩阻力及桩底阻密实度、稠度、埋置深度等条件下有关桩侧摩阻力及桩底阻力的经验系数、数据及相应公式。力的经验系数、数据及相应公式。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 1、摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值计算 （1）钻（挖）孔灌注桩：式中：式中：单桩轴向受压承载力容许值（单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；浮力）的差值作为荷载考虑；桩身周长（桩身周长（m）；（）；（公路桥涵地基与基础设计规公路桥涵地基与基础设计规范范（JTG D632007）中规定按桩的设计直径计算桩）中规定按桩的设计直径计算桩的桩身周长，而通常情况下，施工时选用的钻头直径的桩身周长，而通常情况下，施工时选用的钻头直径与桩的设计直径相同，由于施工中钻头的摆动和碰撞，与桩的设计直径相同，由于施工中钻头的摆动和碰撞，而实际的成孔直径稍大于设计直径，因此，按设计直而实际的成孔直径稍大于设计直径，因此，按设计直径计算单桩轴向受压承载力容许值偏于安全径计算单桩轴向受压承载力容许值偏于安全.）4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算式中：式中：桩端截面面积（桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；），对于扩底桩，取扩底截面面积；n 土的层数；土的层数；承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m），扩孔部），扩孔部分不计；分不计；与与 对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（kPa），宜），宜采用单桩摩阻力试验确定，当无试验条件时按表采用单桩摩阻力试验确定，当无试验条件时按表4-1选用；选用；桩端处土的承载力容许值（桩端处土的承载力容许值（kPa），当持力层为砂土、碎），当持力层为砂土、碎石土时，若计算值超过下列值，宜按下列值采用：粉砂石土时，若计算值超过下列值，宜按下列值采用：粉砂1000 kPa；细砂；细砂1150 kPa；中砂、粗砂、砾砂；中砂、粗砂、砾砂1450 kPa；碎石土；碎石土2750 kPa；4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（2）沉桩的轴向受压承载力容许值计算：4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 当采用静力触探试验测定时，沉桩承载力容许值计算当采用静力触探试验测定时，沉桩承载力容许值计算中的中的 和和 取为：取为：4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 上列综合修正系数计算公式不适合城市杂填土条件下的上列综合修正系数计算公式不适合城市杂填土条件下的短桩；综合修正系数用于黄土地区时，应做试桩校核。短桩；综合修正系数用于黄土地区时，应做试桩校核。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 土的类别和性状以及桩土共同作用过程都较复杂，有土的类别和性状以及桩土共同作用过程都较复杂，有些土的试桩资料也较少。些土的试桩资料也较少。因此，对重要工程的桩基础在运用规范法确定单桩轴因此，对重要工程的桩基础在运用规范法确定单桩轴向承载力容许值的同时，应以静载试验或其他方法验证其向承载力容许值的同时，应以静载试验或其他方法验证其承载力；经验公式中有些问题也有待进一步探讨研究，实承载力；经验公式中有些问题也有待进一步探讨研究，实际上由于桩侧摩阻力和桩底阻力是不是同步发挥，且其发际上由于桩侧摩阻力和桩底阻力是不是同步发挥，且其发生极限状态的时效也不同，因此各自的安全度是不同的，生极限状态的时效也不同，因此各自的安全度是不同的，单桩轴向承载力容许值宜用分项安全系数表示为：单桩轴向承载力容许值宜用分项安全系数表示为：4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 采用分项安全系数确定单桩承载力容许值要比单一安全采用分项安全系数确定单桩承载力容许值要比单一安全系数更符合桩的实际工作状态。但要付诸应用，还有待积累系数更符合桩的实际工作状态。但要付诸应用，还有待积累更多的资料。更多的资料。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 钢管桩因需考虑桩底端闭塞效应及其挤土效应特点，钢管钢管桩因需考虑桩底端闭塞效应及其挤土效应特点，钢管桩单桩轴向极限承载力桩单桩轴向极限承载力 ，可按下式计算：，可按下式计算：当 时 当 时 4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（3）桩端后压浆灌注桩单桩轴向受压承载力容许值确定 桩端后压浆灌注桩单桩轴向受压承载力容许值，应通过桩端后压浆灌注桩单桩轴向受压承载力容许值，应通过静载试验确定。在符合静载试验确定。在符合公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）附录）附录N N后压浆技术规定的条件下，后压浆后压浆技术规定的条件下，后压浆单桩轴向受压承载力容许值可按下式计算：单桩轴向受压承载力容许值可按下式计算：4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（4）管柱管柱轴向受压承载力容许值计算 ：管柱轴向受压承载力容许值可按沉桩计算，也可由专管柱轴向受压承载力容许值可按沉桩计算，也可由专门试验确定。门试验确定。（5）单桩轴向受拉承载力容许值确定 最有效的单桩受拉承载力容许值的确定方法是进行现最有效的单桩受拉承载力容许值的确定方法是进行现场拔桩静载试验。对于非重要的建筑物，无当地经验时按场拔桩静载试验。对于非重要的建筑物，无当地经验时按公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63JTG D6320072007）规定，）规定，摩擦桩单桩轴向受拉承载力容许值按下式计算：摩擦桩单桩轴向受拉承载力容许值按下式计算：4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 注意：计算作用于承台底面由外荷载引起的轴向力时，注意：计算作用于承台底面由外荷载引起的轴向力时，应扣除桩身自重值。应扣除桩身自重值。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 2、端承桩 支承在基岩上或嵌入基岩内的钻（挖）孔桩、沉桩的单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桩轴向受压承载力容许值 ，可按下式计算：，可按下式计算：4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（三）动测试桩法 动测法是指给桩顶施加一动荷载（用冲击、振动等方动测法是指给桩顶施加一动荷载（用冲击、振动等方式施加），量测桩土系统的响应信号，然后分析计算桩的式施加），量测桩土系统的响应信号，然后分析计算桩的性能和承载力，可分为高应变动测法与低应变动测法两种。性能和承载力，可分为高应变动测法与低应变动测法两种。低应变不宜作桩承载力测定，但可估算和校核基桩的低应变不宜作桩承载力测定，但可估算和校核基桩的承载力。高应变可以分析土体对桩的外来抗力和测定桩的承载力。高应变可以分析土体对桩的外来抗力和测定桩的承载力，也可检验桩体质量。承载力，也可检验桩体质量。高应变动测单桩承载力的方法主要有锤击贯入法和波高应变动测单桩承载力的方法主要有锤击贯入法和波动方程法。动方程法。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算1 1锤击贯入法（简称锤贯法）锤击贯入法（简称锤贯法）原理：原理：桩在锤击下入土的难易，在一定程度上反映对桩的抵抗桩在锤击下入土的难易，在一定程度上反映对桩的抵抗力。因此，桩的贯入度（桩在一次锤击下的入土深度）与土力。因此，桩的贯入度（桩在一次锤击下的入土深度）与土对桩的支承能力间存在有一定的关系，即贯入度大表现为承对桩的支承能力间存在有一定的关系，即贯入度大表现为承载力低，贯入度小表现为承载力高；且当桩周土达到极限状载力低，贯入度小表现为承载力高；且当桩周土达到极限状态后而破坏，则贯入度将有较大增加。态后而破坏，则贯入度将有较大增加。锤贯法根据这一原理，通过不同落距的锤击试验来分析锤贯法根据这一原理，通过不同落距的锤击试验来分析确定单桩的承载力。确定单桩的承载力。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算2 2波动方程法波动方程法 波动方程法是将打桩锤击看成是杆件的撞击波传递问题波动方程法是将打桩锤击看成是杆件的撞击波传递问题来研究，运用波动方程的方法分析打桩时的整个力学过程，来研究，运用波动方程的方法分析打桩时的整个力学过程，可预测打桩应力及单桩承载力。可预测打桩应力及单桩承载力。普遍认为波动方程理论为基础的高应变动力试桩法（尤普遍认为波动方程理论为基础的高应变动力试桩法（尤为其中采用的实测波形拟合法），是较先进地确定桩承载力为其中采用的实测波形拟合法），是较先进地确定桩承载力的动测方法，但在分析计算中还有不少桩土参数仍靠经验决的动测方法，但在分析计算中还有不少桩土参数仍靠经验决定，尚待进一步深入研究来完善。定，尚待进一步深入研究来完善。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（四）静力分析法 静力分析法是根据土的极限平衡理论和土的强度理论，静力分析法是根据土的极限平衡理论和土的强度理论，计算桩底极限阻力和桩侧极限摩阻力，也即利用土的强度计算桩底极限阻力和桩侧极限摩阻力，也即利用土的强度指标计算桩的极限承载力，然后将其除以安全系数从而确指标计算桩的极限承载力，然后将其除以安全系数从而确定单桩承载力容许值。定单桩承载力容许值。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算1 1桩底极限阻力的确定桩底极限阻力的确定 把桩作为深埋基础，并假定把桩作为深埋基础，并假定地基的破坏滑动面模式（如图地基的破坏滑动面模式（如图4-6是假定地基为刚是假定地基为刚塑性体的塑性体的几种破坏滑动面形式，除此，还几种破坏滑动面形式，除此，还有多种其它有关地基破坏滑动面有多种其它有关地基破坏滑动面的假定），运用塑性力学中的极的假定），运用塑性力学中的极限平衡理论，导出地基极限荷载限平衡理论，导出地基极限荷载（桩底极限阻力）的理论公式。（桩底极限阻力）的理论公式。各种假定所导的桩底地基的极限各种假定所导的桩底地基的极限荷载公式均可归纳为下式所列一荷载公式均可归纳为下式所列一般形式。般形式。（4-14）图图4-6 桩底地基破坏滑动面图形桩底地基破坏滑动面图形a)太沙基理论；太沙基理论；b)梅耶霍夫理论；梅耶霍夫理论；c）别列选采夫理论）别列选采夫理论4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算2 2桩侧极限摩阻力的确定桩侧极限摩阻力的确定 桩侧单位面积的极限摩阻力取决于桩侧土间的剪切强度。桩侧单位面积的极限摩阻力取决于桩侧土间的剪切强度。按库仑强度理论得知按库仑强度理论得知 (4-15)4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 式（式（4-15）的计算仍有总应力法和有效应力法两类。在具）的计算仍有总应力法和有效应力法两类。在具体确定桩侧极限摩阻力时，根据各家计算表达式所用系数不同，体确定桩侧极限摩阻力时，根据各家计算表达式所用系数不同，人们将其归纳为人们将其归纳为法、法、法和法和法，下面简要介绍前两种方法。法，下面简要介绍前两种方法。（1）法法 对于黏性土，根据桩的试验结果，认为桩侧极限摩阻力与对于黏性土，根据桩的试验结果，认为桩侧极限摩阻力与土的不排水抗剪强度有关，可寻求其相关关系，即土的不排水抗剪强度有关，可寻求其相关关系，即（4-16）4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（2）法法有效应力法有效应力法4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算三、按桩身材料强度确定单桩承载力 当桩穿过极软弱土层，支承（或嵌固）于岩层或坚硬的土当桩穿过极软弱土层，支承（或嵌固）于岩层或坚硬的土层上时，单桩竖向承载力往往由桩身材料强度控制。此时，基层上时，单桩竖向承载力往往由桩身材料强度控制。此时，基桩将像一根受压杆件，在竖向荷载作用下，将发生纵向挠曲破桩将像一根受压杆件，在竖向荷载作用下，将发生纵向挠曲破坏而丧失稳定性，而且这种破坏往往发生于截面承压强度破坏坏而丧失稳定性，而且这种破坏往往发生于截面承压强度破坏以前，因此验算时尚需考虑纵向挠曲影响，即截面强度应乘上以前，因此验算时尚需考虑纵向挠曲影响，即截面强度应乘上稳定系数稳定系数 。根据。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规范（JTG D62JTG D6220042004），对于钢筋混凝土桩，当配有普通箍），对于钢筋混凝土桩，当配有普通箍筋时，可按下式确定基桩的竖向承载力：筋时，可按下式确定基桩的竖向承载力：（4-19）4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算四、关于桩的负摩阻问题（一）负摩阻力的意义及其产生原因 负摩阻力：负摩阻力：当桩周土体因某种原因当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降变形大于发生下沉，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部成一部分面积上表面的全部成一部分面积上将出现向下作用的摩阻力，将出现向下作用的摩阻力，称其为负摩阻力。称其为负摩阻力。图图4-7 桩的正、负摩阻力桩的正、负摩阻力 4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算负摩阻力的危害：负摩阻力的危害：负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若有负摩力发生，则；有负摩力发生，则；桩的外荷载增大桩的外荷载增大 桩的承载力相对降低桩的承载力相对降低 桩基沉降加大桩基沉降加大4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算桩的负摩阻力产生的原因有：桩的负摩阻力产生的原因有：1在桩附近地面大量堆载，引起地面沉降；在桩附近地面大量堆载，引起地面沉降；2土层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，土层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土层产生自重固结下沉；使土层产生自重固结下沉；3桩穿过欠压密土层（如填土）进入硬持力层，土桩穿过欠压密土层（如填土）进入硬持力层，土层产生自重固结下沉；层产生自重固结下沉；4桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土中产生很桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土中产生很大的超孔隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起大的超孔隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉；下沉；5在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。生地面下沉。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（二）中性点及其位置的确定图图4-8 中性点位置及荷载传递中性点位置及荷载传递a)位移曲线；位移曲线；b)桩侧摩阻力分布曲线；桩侧摩阻力分布曲线；c)桩身轴力分布曲线桩身轴力分布曲线Sd地面沉降；地面沉降；S桩的沉降；桩的沉降；Ss桩身压缩；桩身压缩；Sh桩底下沉；桩底下沉；Nhf由负摩阻力引起的桩身最大轴力；由负摩阻力引起的桩身最大轴力；Nf总的正摩阻力总的正摩阻力中性点4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（三）负摩力的计算 目前，国内外对负摩阻力的计算方法研究尚不够完目前，国内外对负摩阻力的计算方法研究尚不够完善，计算方法较多，且差异较大，而现场试验则投入大、善，计算方法较多，且差异较大，而现场试验则投入大、周期长。因此，多根据有关资料按经验公式进行估算。周期长。因此，多根据有关资料按经验公式进行估算。建议按以下方法计算单桩负摩阻力：建议按以下方法计算单桩负摩阻力：（4-20）（4-21）4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 注意注意，按式，按式(4-20)计算得单桩负摩阻力值不应大于单桩计算得单桩负摩阻力值不应大于单桩所分配承受的桩周下沉土重（以桩为中心，水平方向所分配承受的桩周下沉土重（以桩为中心，水平方向1/2桩桩间距、竖向间距、竖向ln深度范围内土体的重量）。深度范围内土体的重量）。对于群桩的负摩阻力问题，建议按照单桩负摩阻力计算对于群桩的负摩阻力问题，建议按照单桩负摩阻力计算方法进行群桩中任一单桩的下拉荷载计算。方法进行群桩中任一单桩的下拉荷载计算。在桩基设计中，可采用某些措施（如预制桩表面涂沥青在桩基设计中，可采用某些措施（如预制桩表面涂沥青层等）来降低或消除负摩阻力。层等）来降低或消除负摩阻力。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算五、单桩横轴向承载力容许值的确定 桩的横向承载力桩的横向承载力：是指桩在与桩轴线垂直方向受力时的：是指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。承载力。桩在横向力（包括弯矩）作用下的工作情况较轴向受力桩在横向力（包括弯矩）作用下的工作情况较轴向受力时要复杂些，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性时要复杂些，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的横轴向承以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的横轴向承载力。载力。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（一）在横向荷载作用下，桩的破坏机理和特点 桩在横向荷载作用下，桩身产生横向位移或挠曲，并桩在横向荷载作用下，桩身产生横向位移或挠曲，并与桩侧土协调变形。桩身对土产生侧向压应力，同时桩侧与桩侧土协调变形。桩身对土产生侧向压应力，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力。桩土共同作用，互相影土反作用于桩，产生侧向土抗力。桩土共同作用，互相影响。响。为了确定桩的横轴向承载力，应对桩在横向荷载作用为了确定桩的横轴向承载力，应对桩在横向荷载作用下的工作性状和破坏机理作一分析。通常有下列两种情况：下的工作性状和破坏机理作一分析。通常有下列两种情况：4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 第一种情况，第一种情况，当桩的刚当桩的刚度远大于土层刚度，桩的相度远大于土层刚度，桩的相对刚度较大时，受横向力作对刚度较大时，受横向力作用时桩身挠曲变形不明显，用时桩身挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一如同刚体一样围绕桩轴某一点转动，如图点转动，如图4-9a)所示。所示。基桩的横轴向承载力容基桩的横轴向承载力容许值可能由桩侧土的强度及许值可能由桩侧土的强度及稳定性决定。稳定性决定。图图4-9 桩在横向力作用下变形示意图桩在横向力作用下变形示意图 a)刚性桩；刚性桩；4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 第二种情况，第二种情况，桩的相对刚度桩的相对刚度较小时，较小时，由于桩侧土有足够大由于桩侧土有足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度增大而逐侧向位移随着入土深度增大而逐渐减小，以至达到一定深度后，渐减小，以至达到一定深度后，几乎不受荷载影响。形成一端嵌几乎不受荷载影响。形成一端嵌固的地基梁，桩的变形呈图固的地基梁，桩的变形呈图4-9b所示的波状曲线。所示的波状曲线。基桩的横轴向承载力容许值基桩的横轴向承载力容许值将由桩身材料的抗剪强度或侧向将由桩身材料的抗剪强度或侧向变形条件决定。变形条件决定。图图4-9 桩在横向力作用下变形示意图桩在横向力作用下变形示意图b)弹性桩弹性桩4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（二）单桩横向承载力容许值的确定方法1、单桩水平静载试验、单桩水平静载试验 桩的水平静载试验是确定桩的横轴向承载力的较可靠的桩的水平静载试验是确定桩的横轴向承载力的较可靠的方法，也是常用的研究分析试验方法。试验是在现场进行，方法，也是常用的研究分析试验方法。试验是在现场进行，所确定的单桩横轴向承载力和地基土的水平抗力系数最符合所确定的单桩横轴向承载力和地基土的水平抗力系数最符合实际情况。如果预先已在桩身埋有量测元件，则可测定出桩实际情况。如果预先已在桩身埋有量测元件，则可测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 （1 1）试验装置）试验装置图图4-10 桩水平静载试验装置示意桩水平静载试验装置示意4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算（2）试验方法）试验方法 试验方法主要有两种：试验方法主要有两种：单向多循环加卸载法单向多循环加卸载法 慢速连续法慢速连续法 一般采用前者，对于个别受长期横向荷载的桩也可一般采用前者，对于个别受长期横向荷载的桩也可采用后者。采用后者。4-1 单桩承载力的确定 第四章 桩基础的设计计算 2、分析计算法、分析计算法 此法是根据某些假定而建立的理论（如弹性地基梁理此法是根据某些