桩基础的基础知识

4.桩基工程直接试验法规范法半经验法近似理论法4.1桩的定义与分类4.2桩的设计原则4.3单桩竖向抗压承载力4.4桩基负摩阻力4.5桩基抗拔承载力4.7基桩水平承载力4.6基桩内部稳定承载力验算4.8桩基内力和位移计算桩是深入土层的柱型受力构件，有桩顶、桩身、桩端（尖）三部份组成。桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。其作用是将上部结构的荷载，通过较软弱的土层或水传递到深部较坚硬的、压缩性较小的土层或岩层中。在一般基础工程中，桩主要承受竖向（轴向垂直）荷载，在桥梁、高耸塔型建筑、支档建筑以及抗地震等工程中，桩还承受来自侧向的风力、波浪力、土压力和地震力等水平荷载。桩通过桩周土阻力或桩端土阻力来支承轴向荷载，依靠桩周土层的侧向阻力抵抗水平荷载。适用条件第一、荷载较大．地某广部亡层软弱，适宜的地基持力层位置较深，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时；第二、河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易计算正确，如采用浅基础施工困难或不能保正基础安全时；第三、当地基计算沉降过大或结构物对不均匀沉降敏感时，采用桩基础穿过松软(高比缩性)土层将荷载传到较坚硬低压缩性)土层，减少结构物沉降并使沉降较均匀第四、当施工水位或地下水位较高时，采用桩基础可减小施工困难和避免水下施工第五、地震区，在可液比地基中，采用桩基础可增加结构物的抗震能力，桩基础穿越可液化土层并伸入下部密实稳定土层，可消除或减轻地层对结构物的危害。以上情况也可以来用其他型大的深基础，但桩基础由于耗用材料少、施工快速简便，往往是优先考虑的深基础方案。设置方向周围介质结构特性定义4.1桩的定义与分类垂直或微斜埋置于土岩中的受力杆件荷载传递至桩周和桩端深层土岩主要承受垂直荷载也可以承受水平荷载作用基本要素桩的分类桩基分类桩和桩基的分类单桩基础群桩基础承载性状施工方法设置效应使用功能桩基础分类——桩数n单桩基础群桩基础单根桩形式承受或传递上部荷载独立基础2根或以上多根桩群和上部承台组合形式承受或传递上部荷载的基础群桩基础中一根桩称为基桩桩基础分类——承台承台与地面相对位置承台类型高承台桩基低承台桩基基桩分类——使用功能竖向抗压桩竖向抗拔桩水平受荷桩复合受荷桩基桩分类——承载性能摩擦型桩端承型桩摩擦桩端承摩擦桩端承桩摩擦端承桩基桩分类——施工方法预制桩灌注桩木桩钢筋混凝土桩基桩分类——材料钢桩组合桩基桩分类——设置效应挤土桩小桩d250mm普通桩250d800mm大直径桩d800mm基桩分类——桩径、桩长部分挤土桩非挤土桩深长桩：桩长40m相对桩长30超常桩：桩长50m相对桩长40施工预制桩灌注桩挖孔灌注桩沉管灌注桩水中施工桩基全面质量控制•桩的几何受力条件检验平面布置、桩身倾斜度、桩顶和桩底标高•桩身质量的检验桩的尺寸、构造及其完整性进行检测，验证桩的制作或成桩的质量•桩身强度与单桩承载力检验桩身材料抗压强度单桩承载力的检测，在施工过程中，对干打入桩惯用最终贯入度和桩底标高进行控制，而钻孔灌注桩还缺少在施工过程中监测承载力的直接手段。成桩可做单桩承载力的检验．常采用单桩静载试验或高应变动力试验确定单桩承载力4.2桩的设计原则桩基达到建筑物正常使用变形限制或耐久性能的某项限值。桩基极限状态分类承载能力极限状态ULTUltimateLimitState）桩基达到最大承载能力，或不适用继续承载的变形或变位。正常使用极限状态SLSServiceabilityLimitState《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）根据桩基损坏时造成建筑物的破坏后果（危及人的生命，造成经济损失、产生社会影响）的严重性，将建筑桩基安全等级分为三类安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的工业与民用建筑物，对地基变形有特殊要求的工业建筑物二级严重一般的工业与民用建筑物三级不严重次要的建筑物根据《建筑结构设计统一标准》的规定，一级建筑物是指：（1）十四层以上体型复杂的建筑及二十层以上的高层建筑；（2）对地基变形有特殊要求的重要工业建筑物；（3）单桩荷载在4000kN以上的建筑物。所谓体型复杂的建筑物是指平面上有L形、Y形、T形、弧形以及不同线条或形状组合而成的平面。所谓地基变形有特殊要求的重要工业建筑，主要指那些有高压管道或易燃气体、液体管道设施的化工、炼油厂中的高压、易爆、易燃管道相联的装置，其基础的绝对沉降和差异沉降限制都很严格，否则会导致接头受损，引起泄气、漏气后的燃烧、爆炸。大直径单桩荷载在4000kN以上的建筑系指一柱一桩、一柱二桩或三桩结构体系。这种建筑上部结构多属大跨度框架结构，对沉降敏感性极高，桩间差异沉降不应超过20/00。承载力极限状态计算桩基计算与验算变形验算抗裂或裂缝宽度验算桩基承载力软弱下卧层整体稳定性抗震桩基础结构承载力沉降水平位移桩身承台单桩竖向抗压承载力单桩竖向抗拉承载力单桩水平向承载能力桩的承载性能种类所谓单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载作用下，到达桩基破坏状态前或出现不适应于继续承载的变形时所对应的最大荷载。它取决于土对桩的支承阻力和桩身结构强度，在多数情况下由土对桩的支承阻力起控制作用。所谓单桩竖向承载力特征值是指正常使用极限状态计算时采用的单桩承载力值，其函义即在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。其值相当于单桩竖向极限承载力值的一半。群桩中作用于单桩桩顶的竖向荷载采用正常使用极限状态标准组合下的竖向力，承台与承台上土自重采用标准值。其意义在于以荷载标准组合值确定桩数，与天然地基确定基础尺寸的原则相一致。所谓单桩竖向极限承载力标准值指建筑场地检测桩单桩竖向极限承载力的统计值，取其值的一半即为单桩竖向承载力特征值。桩的内部强度稳定准则桩的外部强度稳定准则桩的功能性稳定准则单桩竖向抗压承载力分析确定基本原则确定方法直接试验确定打桩公式静力计算公式dzmfszQ(z)Q0WQbLQ(z)+dQ(z)dSSbS0S0Q0SbQbSzqszQz桩的荷载传递0.5bqVLcqDNNNctanuaahzaVzqcck桩侧摩阻力桩端承载力qsSsuqs=qu截面位移S桩侧摩阻力qsqbSbuqb=qbu桩端位移Sb桩端承载力qb粘性土：Ssu=46mm砂性土：Ssu=610mm砂性土：Sbu=d/12d/10mm粘性土：Sbu=d/10d/4mm相对桩长L/D愈大，桩端阻力和桩侧下端摩阻力发挥愈低。相对桩长L/D愈小，桩土相对刚度Rps=Ep/Es愈高，桩端阻力发挥愈高；相对桩长L/D愈小，端侧土相对刚度Rbs=Eb/Es愈高，桩端阻力发挥愈高；荷载传递机理4.3单桩竖向抗压承载力一、直接试验法四、近似理论法三、半经验法二、规范法五、群桩分析静载荷试验(StaticLoadingTest)高应变试验（G.G.Gobleet.al.,1975）自平衡法（OsterbergCell，Osterberg,1989）动静试桩法（StatnamicLoadingDevice）直接试验法种类一、直接试验法静载荷试验单桩极限承载力的静载荷试验占主导地位，直接应用于工程设计。同时，得到单桩沉降与荷载关系曲线。其它直接试验方法，各有特点，可作为静载荷试验的补偿，特定条件下有重要意义。意义高应变，以一维杆件中应力波传递原理为基础，方法简单，价格低廉，宜于高比例检测，结果代表性良好，但精度相对较低。自平衡，预先埋置Osterberg荷载箱，以桩身摩阻力为反力，可避免反力平衡装置，特定场合，是一相对可靠的单桩承载力直接试验方法。动静试桩，理论基础是牛顿运动定律，兼有静载荷试验和高应变测试两方面特点，可显著降低反力配重，简单快捷；精度良好。特点OsterbergCell二、《建筑桩基规范》规范法ukskpksikipkpQQQuqlqAukskpksisikippkpQQQuqlqAukskrkpksisikirrcrprcpQQQQuqlufhfA嵌岩桩LDBPs一般桩三、半经验法直接物理模拟的方法直接数学回归或经验公式的方法间接数学回归的方法基本原理基本指标室内试验指标原位测试指标基本依据土的分类基桩类型施工工艺桩基工程中，原位测试技术确定桩基设计参数方法大多属于半经验法的范畴。半经验法——原位测试法反映土原位结构特征有独到之处CPT应用排土桩物理模拟排土桩力学特征以直接数学回归方法最普遍静力触探试验（CPT）标准贯入试验（SPT）旁压仪试验（PMT）主要方法特点bbisiqAAfsQbQuQ)p(elecebbNqq或或)p(ilicisissiNqFf或或或一般表达式ssbcLuAFAqQ2CPT确定单桩极限承载力Vesic(1967)根据双桥的静力触探结果，基于直接物理模拟法，提出了csqf005.0Meyerhof基于直接数学回归方法，采用锥尖阻力qc确定桩侧摩阻力fsLehane（2000）CPT-qc考虑粘土灵敏度、相对长度。CPT在比利时、荷兰、法国、意大利和波兰等国家广泛采用。我国针对预制桩，提出类似方法。其中，比利时的NAD、法国的Fascicule62-V和我国的建筑桩规（JGJ94-94）中，b和s的取值参见表。Theempiricalcoefficientsofb、s1501200130150132311501100145.005.5siF55.004.10siF意大利人Viggiani(1993)对SPT-N应用于非粘性土中排土桩进行研究;Wright&Reese(1979)和Reese&O’Neill(1988)针对非粘性土中LDBPs，提出SPT-N确定其单桩极限承载力的方法。504sppuANANQSPT确定单桩极限承载力Meyerhof(1956)针对饱和砂土中排土桩，提出砂土avsNavaNf,Bromham(1971)采用SPT-N应用于硬粘土中桩侧极限摩阻力，Kuwabara,1998；Balakrishnan，1999也得到类似成果，一般采用表达式Theempiricalcoefficientsofb、s砂土WQQQbusuu桩外部强度稳定准则近似理论方法（semi-theoreticalmethods）半经验方法（semi-empiricalmethods）四、近似理论法静力计算法概念桩侧极限摩阻力计算类似于直剪试验中土的库仑准则桩端极限端载力的计算则类似于地基承载力极限平衡理论近似理论基本原理近似理论基本方法不排水近似理论法，适用饱和粘性土，基于短期（short-term）条件，采用不排水强度指标和总应力法；排水近似理论法，适用砂性土，基于长期（long-term）条件，采用有效强度指标和有效应力法。简单，但精度和理论合理性存在质疑。有学者提出了相悖观点：Burland（1973）针对较硬的水下粘性土，提出了粘性土中桩土接触面排水条件占优，Findlayelat,1997，英国等国家，在桩基规范中推荐排水近似理论法。特点不排水近似理论法排水的近似理论法概念清楚，理论相对合理。但是，有效强度指标获得困难。同时，桩周介质为砂性土时，由于弓架作用，一定深度后，桩侧法向应力与深度无关。单桩竖向抗压承载力——静力计算方法bbsLpqAdzfCbuQsuQWuQ00.5bqVLcqDNNNcVzahzaskccfWADNcNNdzCkcWbuQsuQuQbcVLqLpVza)5.0()(0DmfszhzvzQuWqbL核心WAAcNdzCcWAcNdzCcWbQsQuQbVLbucLpubcVLLpa00)(静力计算方法——不排水法WADNcNNdzCkcWbuQsuQuQbcVLqLpVza)5.0()(0bucLpuAcNdzCcWbQsQuQ0WAVLb0u0LuVzpVLqbQCdzNAW