基础工程-10竖向荷载下单桩工作性能

基础工程Foundationengineering刘海龙[e-mail]2016年10月桩的荷载传递竖向荷载作用下，桩身发生弹性压缩变形，桩与桩侧土体发生相对位移产生侧摩阻力。在侧摩阻力无法完全承担荷载的情况下一部分荷载传递到桩底，使下部持力层压缩，产生桩端阻力。桩的荷载传递侧阻端阻S0SpQqsS0Sp各点位移轴向力摩阻力??上部：相对位移大，发挥侧摩阻力最大值，强度随深度增大下部：相对位移随深度减小，未达到发挥侧摩阻力最大值桩的荷载传递单桩轴向荷载传递过程就是桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程桩侧阻力传递桩顶荷载到桩周土层，使桩身轴力与桩身压缩变形随深度递减上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，侧阻力先于端阻力发挥桩侧阻力一般发挥较快，完全发挥所需桩-土相对位移与土类别有关黏土中4~6mm；砂土中6~10mm桩端阻力发挥较慢，所需桩-土相对位移为10~25%的桩宽或桩径（下限值对应打入桩；上限值对应钻孔桩）黏土中:1/10d-1/4d例600mm直径：60~150mm砂土中:1/12d-1/10d50~60mm桩底沉渣较厚时，桩端阻力发挥所需的位移大桩的荷载传递不同深度侧阻力沿深度逐渐发挥Qbδ0QAQBCBQAQCQQs荷载位移曲线δτACBa点τδACBb点τττδ0δlGQQsQbNza点b点侧摩阻力桩侧总阻力桩端总阻力竖向力平衡：轴力分布图sbpQQQWGusubuQQQusubuQQQGNZZABCQAQBQCQbuQSuQbQs阶段A：桩侧阻力发挥，桩端阻力未发挥阶段B：两者之间阶段C：桩侧阻力和桩端阻力均完全发挥桩的荷载传递单元体的受力平衡条件：其中，up为周长可得桩侧摩阻力τz与桩身轴力Nz的关系：结合桩身压缩变形δz与轴力Nz间的关系有：其中，Ap及Ep为桩身横截面面积和弹性模量由上两式可得单桩轴向荷载传递的基本微分方程（）()0zzpzzNudzNdN1zzpdNudzzzppNddzAEzzppdNAEdz22ppzzpAEdudzNzNz+dNzσzσzτzτz~zz桩的荷载传递任一深度z处的桩身轴力Nz应为桩顶荷载N0=Q与z深度范围内桩侧总阻力之差：桩身截面位移δz则为桩顶位移δ0=s与z深度范围内桩身压缩量之差：001zzzppNdzAE0zzzpNQudzNzNz+dNzσzσzτzτz桩身轴力与桩身压缩变形随深度递减桩的荷载传递0zτ0zτNzzpdNudzQb0zδQδ0δz举例：侧摩阻力均匀分布00002011d12zzzppzzpppzpppNdzAEQuzzAEuQzzAE0dzzzpzpNQuzQuzz典型试桩的轴力分布温州金都大厦温州世贸大厦采用静压预制砼空心桩，600×600-φ350中空，桩长50m，桩尖持力层为砂卵石采用钻孔灌注桩，桩径φ1100，桩长119.85m，桩尖进入中风化基岩1.10m思考：判断桩荷载传递类型？侧摩阻力哪段较大？为何桩2承载力大？影响荷载传递的因素桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es：刚度比越小，传递到桩端的荷载越小，桩身轴力沿深度衰减越快•当Eb/Es=0时：荷载全部由桩侧阻力承担，属于纯摩擦桩•当Eb/Es=∞时：短桩时，为纯端承桩；中长桩时，桩身轴力上段随深度减小，下段近乎沿深度不变，即桩侧摩阻力上段可得到发挥，下段则因桩土相对位移很小而无法发挥出来，桩端阻力分担了60%以上荷载，即属于端承型桩桩土刚度比Ep/Es：刚度比越大，桩端阻力分担比例越大•但当Ep/Es超过1000后，对桩端阻力分担荷载比的影响不大•对于Ep/Es10的中长桩，桩端阻力分担的荷载很小。对于这样的低刚度桩（如砂桩、灰土桩）基础，应按复合地基工作原理设计桩端扩底直径与桩身直径之比D/d：比值越大，桩端阻力分担荷载比越大•对于均匀土层中的中长桩，当D/d=3时，桩端阻力分担的荷载比将由等直径桩（D/d=1）的约5%增到约35%桩的长径比l/d：对荷载传递性状影响较大。随长径比增大，传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻力的发挥值相应降低•长径比很大的桩都属于摩擦桩，无需采用扩底桩•短桩：l/d10；中长桩：l/d10；长桩：l/d40；超长桩：l/d100桩侧摩阻力桩侧摩阻力达到极限值τu可用类似于土的抗剪强度的库伦公式表示：式中，ca和φa为桩侧表面与土之间的附着力和摩擦角，σx为深度z处作用于桩侧表面的法向应力，与土的竖向有效应力σv’有：式中，Ks为桩侧土的侧压力系数，受施工影响很大tanuaxac'xsvK黏土中4-6mm砂土中6-10mmδu＝挤土桩:非挤土桩:KsK0KsK0桩侧摩阻力的深度效应qs粘土qs砂土15~20倍桩径'tanuvK在15~20倍桩径深度时σv’达到最大后随深度保持不变δ的值在0.5φ~0.8φ（φ为桩周土的内摩擦角）单桩的破坏模式竖向荷载作用下，单桩破坏模式主要取决于桩周土抗剪强度、桩端支撑情况、桩的尺寸等条件破坏形式可分为：屈曲破坏、整体剪切破坏以及刺入破坏桩侧负摩阻力正摩阻力:当桩相对于桩侧土体向下位移时,土对桩产生向上作用的摩阻力负摩阻力:当桩侧土体下移,且其下沉量大于桩的位移时,土对桩产生的向下作用的摩阻力正摩擦负摩擦桩侧负摩阻力欠固结土或新填土固结作用大面积堆载使桩周土层压密地下水位下降引起大面积沉降湿陷性黄土侵水而湿陷打桩产生的超静孔压消散引起的固结下沉。。。负摩阻力产生的原因：（桩侧土体下沉超过桩的下沉）桩侧负摩阻力负摩阻力变化规律：负摩阻力正摩阻力中性点：桩土之间不产生相对位移的截面位置（δ＝0，τ＝0，N=max）•中性点之上，土层产生相对于桩身的向下位移，出现负摩阻力•中性点之下，土层产生相对于桩身的向上位移，出现正摩阻力土桩单桩位移曲线侧摩阻力分布桩身轴力分布中性点Q+(Fn-Fp)(Q+Fn)最大轴力点桩端阻力Q桩侧负摩阻力宁海电厂实测桩侧负摩阻力0510152025303540-200020040060080010001200轴力（kN）深度（m）2003-12-182003-12-212003-12-252003-12-272003-12-292004-1-132004-1-152004-1-292004-2-92004-2-172004-2-27起始时间为2003-12-15F1000冲孔灌注桩，桩长37m，回填土8m厚思考：中性点位置？桩侧负摩阻力负摩阻力的危害和工程措施危害：桩侧负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而相当于施加于桩上的外荷载，导致桩的承载力降低，桩基沉降加大工程措施：预制桩:•填土场地，尽量等待沉降稳定后成桩•场地有大面积堆载时，成桩前对场地实施预压•湿陷性黄土地区，先行强夯、灰土挤密等地基处理•对预制桩中性点以上涂沥青，或加其它保护套，注意：涂层不要扩展到需利用桩侧正摩阻力的桩身部分灌注桩:•对穿过欠固结等土层支承于坚硬持力层上的灌注桩，可采用高稠度膨润土泥浆填充预制桩外围形成隔离层•干作业成孔灌注桩，可在沉降土层范围的孔壁布设双层筒形塑料薄膜形成可自由滑动的塑料薄膜隔离层