基礎(chǔ)工程-樁基礎(chǔ)(20084).ppt

第六章 樁基礎(chǔ) Pile foundation,本章主要內(nèi)容,概述-樁的功能及類型 Pile foundation 樁的承載機理 Mechanism 單樁承載力 Capacity of a single pile 樁基礎(chǔ)設(shè)計 Design of pile foundation,如果建筑場地淺層的土質(zhì)不能滿足建筑物對地基承載力和變形的要求、而又不宜采取地基處理措施時，就需要考慮以下部堅實土層或巖層作為持力層的深基礎(chǔ)方案。樁基礎(chǔ)是應(yīng)用最為廣泛的一類深基礎(chǔ)。,第1節(jié) 概 述,、樁的應(yīng)用（常用而古老的深基礎(chǔ)形式） 1 、歷史十九世紀以前，木樁 (1)7000-8000年前湖上居民,浙江河姆渡 (2)3000-4000年前羅馬 (3)西安灞橋,北京御河橋,隋唐建塔 2 、十九世紀開始，材料和動力進步 鑄鐵管樁，1824年波特蘭水泥注冊專利蒸汽動力 3、十九世紀末，現(xiàn)場鉆孔樁 (1897, Raymond) 目前，我國樁基最大入土深度已達 107m，樁徑已超過5m.,4、樁的適用范圍（常用而古老的深基礎(chǔ)形式） (1)、天然地基土質(zhì)軟弱 (2)、高層建筑 (3)、重型設(shè)備 (4)、水上建筑物 (5)、深持力層,高地下水位 (6)、抗震地基 (7)、對沉降非常敏感的建筑,如精密儀器,軟 土 層,樁Pile：指垂直或者稍傾斜布置于地基中，其斷面相對其長度較小的桿狀構(gòu)件。 樁的功能：通過桿件的側(cè)壁摩阻力和端阻力將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深處的地基上。,樁的功能及類型,沉井caisson,深基礎(chǔ),樁的功能,新加坡發(fā)展銀行,四墩, 每墩直徑7.3m 將荷載傳遞到下部好土層,承載力高,樁的功能,新加坡發(fā)展銀行,四墩7.3m,現(xiàn)場灌注 護坡樁 造價低,樁的功能,樁的功能,樁的功能及類型,樁基礎(chǔ)：是由基樁和連接于樁頂?shù)某信_共同組成。承臺把樁聯(lián)結(jié)起來并承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，然后通過樁傳遞到地基中去。 樁是垂直或微斜埋置于土中的受力桿件，它的橫截面尺寸比長度小得多。其作用是將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞給土層或巖層。 樁基礎(chǔ)設(shè)計也應(yīng)注意滿足地基承載力和變形這兩項基本要求。,按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ9494），建筑樁基設(shè)計與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計一樣，應(yīng)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法，并按極限狀態(tài)設(shè)計表達式計算。樁基的極限狀態(tài)分為下列兩類： (1) 承載能力極限狀態(tài) 對應(yīng)于樁基受荷達到最大承載能力導(dǎo)致整體失穩(wěn)或發(fā)生不適于繼續(xù)承載的變形； (2) 正常使用極限狀態(tài) 對應(yīng)于樁基變形達到為保證建筑物正常使用所規(guī)定的限值或樁基達到耐久性要求的某項限值。,5、特點,優(yōu)點： 將荷載傳遞到下部好土層,承載力高 沉降量小 抗震性能好,穿過液化層 承受抗拔(抗滑樁)及橫向力(如風(fēng)載荷) 與其他深基礎(chǔ)比較,施工造價低,樁的功能及類型,缺點 比淺基礎(chǔ)造價高 施工環(huán)境影響, 預(yù)制樁施工噪音, 鉆孔灌注樁的泥漿 有地下室時,有一定干擾,深基坑中做樁,樁的功能及類型,日本阪神地震中發(fā)生的樁基礎(chǔ)的破壞導(dǎo)致墩傾倒,樁的功能及類型,二、樁的分類、 不同的分類標(biāo)準(zhǔn),(一) 按承臺 承臺:將幾個樁結(jié)合起來傳遞荷載 (二)材料 (三)形狀 (四)承載機理 (五)按尺寸 (六)施工方法,樁的功能及類型,(一) 按承臺 承臺:將幾個樁結(jié)合起來傳遞荷載 高承臺樁 承臺在地面以上,橋樁,碼頭,棧橋 低承臺樁 承臺在地面以下, 承臺本身承擔(dān)部分荷載,樁的功能及類型,低承臺 樁,樁的功能及類型,高承臺樁,(二) 按材料 木樁、混凝土、鋼筋混凝土、鋼管(型鋼)樁、復(fù)合樁 鋼筋混凝土：普通混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土(離心預(yù)制)、高強混凝土,樁的功能及類型,(三) 按形狀,按縱斷面：楔形樁、樹根樁、螺旋樁、多節(jié)(分叉)樁、擴底樁、支盤樁、微型樁 按橫斷面：圓形，八邊形，十字樁、X形樁,樁的功能及類型,樁身,樁的功能及類型,樁端,樁的功能及類型,橫斷面,樁的功能及類型,(四) 按尺寸,按斷面(直徑）的大?。捍笾睆?d80cm; 小直徑d 60m（3) 長樁 l 10m 短樁 水平變形系數(shù),l 2.5 為剛性短樁 2.5 l 2.5 為彈性中長樁 l 4.0 為彈性長樁,樁的功能及類型,(五) 按荷載傳遞方式,(1) 豎直荷載：端承樁(嵌巖樁)、摩擦樁、端承摩擦樁、摩擦端承樁 Q = Qp+Qs Tip resistance(端承力), Skin friction(側(cè)摩阻力) 端承樁 主要由樁端承受極限荷載,樁不長,樁端土堅硬 摩擦樁 主要由樁側(cè)壁與土的摩擦力承受極限荷載,樁長,深,樁的功能及類型,端承樁,摩擦樁,樁的功能及類型,(六) 按施工方法,施工方法沉樁方法 1 預(yù)制樁 Prefabricated pile 擠土樁 2 現(xiàn)場灌注樁 Cast in place 非擠土樁,樁的功能及類型,1 預(yù)制樁 2 現(xiàn)場灌注樁,氣錘打入 振動沉樁 靜壓樁,引孔,部分擠土, 大面積地面隆起 不引孔,擠土樁,成孔方法,人工挖孔 螺旋鉆 正反循環(huán)地下水以下泥漿護壁 沖擊,夯擴,爆破 沉管灌注,澆注法,省,易 泥皮,虛土,斷樁,水上 水下 其他,離心,預(yù)應(yīng)力, 工廠,現(xiàn)場,樁的功能及類型,振動沉樁 預(yù)制樁113m,樁的功能及類型,接樁,樁的功能及類型,離心預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼筋混凝土,樁的類型,人工挖孔樁,樁的功能及類型,廣州市亞洲大酒店人工挖孔樁,樁的功能及類型,螺旋鉆,沉管螺旋鉆孔灌注樁,粘性土,砂性土,樁的功能及類型,擴底樁,人工挖孔擴孔樁 （芝加哥法）,樁的功能及類型,UK英國,1.0-3.0 m,0.6-0.9 m,樁的功能及類型,爆破擴底樁,樁的功能及類型,內(nèi)夯式擴底樁200kN鋼錘,碎石,混凝土,鋼筋籠,樁的功能及類型,鉆擴樁,擠擴樁（支盤樁）,樁的功能及類型,樁的功能及類型,奇特的擴底樁,北京西北某工地一技術(shù)員(實為包工頭)考慮樁的載荷試驗。此為人工控孔擴底樁，樁長大約20m。擴底部分在地下水位以下，并且為粉細砂。如何施工，倒坡開控天論如何是站不住的。技術(shù)員講：不用擔(dān)心，我早已擴底了。那就是從地面往下一級一級地擴大，控成一個甕形，到了地下水位以下的粉細砂就好挖了。他控的擴底樁見左圖，右圖為設(shè)計樁形。,(一) 按承臺 (二)材料 (三)形狀 (四)承載機理 (五)按尺寸 (六)施工方法,樁的功能及類型,樁的分類總結(jié),擠土樁 (打入預(yù)制樁) 非擠土樁 (現(xiàn)場鉆孔) 摩擦樁 端承樁 Q = Qp+Qs kN,豎向受壓樁 豎向抗拔樁 水平承載樁,樁的承載機理,第二節(jié) 豎向受壓樁的承載力 Bearing capacity of a single pile,樁的承載力機理 單樁承載力確定方法,樁基礎(chǔ)的作用是將荷載傳遞到下部土層，通過樁與樁周土的相互作用進行的,樁的承載機理,Qp,Q,Qs,一、樁的承載機理,1 、豎向承載力的組成,對于摩擦為主的樁 摩阻力所需位移很小 端阻力需要較大位移; 不同階段二者分擔(dān)比不同,Qs 樁側(cè)摩阻力 Skin， Shaft friction Qp 樁端阻力 Point,end resistance,樁的承載機理,樁的承載機理,2、豎向荷載下單樁的荷載傳遞,樁側(cè)阻力與樁端阻力的發(fā)揮過程就是樁土體系荷載的傳遞過程。 樁頂受豎向荷載后，樁身壓縮而向下位移，樁側(cè)表面受到土的向上摩阻力，樁側(cè)土體產(chǎn)生剪切變形，并使樁身荷載傳遞到樁周土層中去，從而使樁身荷載與樁身壓縮變形隨深度遞減。,樁的承載機理,隨著荷載增加，樁端出現(xiàn)豎向位移和樁端反力。樁端位移加大了樁身各截面的位移，并促使樁側(cè)阻力進一步發(fā)揮。,豎向承載力的兩個組成部分：即樁側(cè)阻力與樁端阻力的相對大小與樁徑、樁長、樁身的壓縮性、樁間距，以及樁側(cè)土體性狀、樁端土體性狀、成樁方式、荷載水平等因素有關(guān)。,S0,Sp,樁的承載機理,樁軸向力N=Q(z),樁的承載機理,深度z處樁身截面的荷載為：,豎向位移為：,由微分段dz的豎向平衡可得：,微分段dz的壓縮量：,樁土體系荷載傳遞分析計算的基本微分方程。通過在樁身埋設(shè)應(yīng)力或位移測試元件，即可求得軸力和側(cè)阻力沿樁身的變化曲線。,由此可得：,3、樁的豎向承載力發(fā)揮的特點,隨著荷載增加，樁身上部側(cè)阻力先于下部側(cè)阻力的發(fā)揮 一般摩擦樁，側(cè)阻力先于端阻力發(fā)揮，側(cè)阻發(fā)揮的比例明顯高于端阻 對于長樁，即使樁端土很好，工作荷載下端阻力也很難發(fā)揮。,樁的承載機理,K土的側(cè)壓力系數(shù)，隨著 深度增加,砂土中存在臨 界深度,樁的側(cè)摩阻力,4、樁側(cè)摩阻力 （1）單樁側(cè)摩阻力的分布,樁的側(cè)摩阻力影響因素,超靜孔隙水壓力消散,土的觸變性,預(yù)制單樁靜載試驗前，砂土中7天，粘性土的15天， 飽和軟粘土25天,飽和軟粘土,樁的側(cè)摩阻力,樁的側(cè)摩阻力影響因素,樁的側(cè)摩阻力,擠土樁,非擠土樁,樁的側(cè)摩阻力,樁的側(cè)摩阻力,5、樁的端承力 (1)常作為基礎(chǔ)承載力問題(太沙基解),(1)很難達到整體破壞 (2)端承力與深度有關(guān) (3)存在臨界深度,樁的端承力,(2) 土的極限端阻力影響因素 與土性有關(guān),存在臨界深度,與施工方法有關(guān),樁端充填粉土,樁的端承力,二、單樁豎向承載力的確定,要求： 1、在荷載作用下，樁在 地基 土中不喪失穩(wěn)定 性。 2、樁頂不產(chǎn)生過大位移 3、樁身不發(fā)生材料破壞,單樁承載力確定,二、確定單樁豎直向承載力的方法,1、靜載試驗法 2、靜力觸探法 3、按樁身材料強度計算 4、規(guī)范規(guī)定的經(jīng)驗公式 5、其他現(xiàn)場試驗方法,單樁承載力確定,1、靜載試驗法,獲得單樁承載力最可靠的方法。,錨樁反力梁,單樁承載力確定,單樁承載力確定,錨樁反力梁法,單樁承載力確定,單樁承載力確定,單樁承載力確定,錨樁 桁架法,2400噸,樁頂試驗中,單樁承載力確定,Q (kN),次梁,錨筋,錨樁,主梁,千斤頂,百分表,樁的荷載試驗成果荷載沉降曲線,單樁承載力確定,(2) 載荷試驗確定極限承載力Qu(各規(guī)范不同) 如果有陡降點,取為Qu 緩變曲線取樁頂總沉降 s=40mm對應(yīng)荷載 ，24h未穩(wěn)定,Sn對應(yīng)的 荷載 確定平均值 (極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值) 如離散太大,增加試樁數(shù)，具體確定 設(shè)計值R= ，安全系數(shù) K = 2,單樁承載力確定,2、靜力觸探 （Static Cone Penetration） 靜力觸探分單橋探頭和雙橋探頭兩種。通過傳感器，測出探頭端組和側(cè)阻，可算出極限單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值。,單樁承載力確定,、i：修正系數(shù) qc, fsi ：探頭的端阻與側(cè)阻,傳感器,3、按樁身材料強度計算 混凝土樁：R= cfc Ap 鋼筋混凝土樁： R=（c fc Ap +fyAg）,R：單樁軸向承載力設(shè)計值 fy：鋼筋抗壓強度設(shè)計值 ：樁的穩(wěn)定系數(shù)，一般取1。 c：施工工藝系數(shù)。,單樁承載力確定,4、規(guī)范規(guī)定的經(jīng)驗公式,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，對于地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級的建筑物，初步設(shè)計時，單樁承載力特征值可估算為：,qsia 樁周土承載力標(biāo)準(zhǔn)值 qpa 樁端土承載力標(biāo)準(zhǔn)值,Ap 樁底橫截面面積 up 樁身周長 li 第i層土的厚度,單樁承載力確定,5、其他現(xiàn)場試驗方法 Osterberg法 動測樁法 樁端深層平板載荷試驗 離心模型試驗 巖基載荷試驗（不介紹）,單樁承載力確定,Osterberg法,單樁承載力確定,安裝,單樁承載力確定,多動式,單樁承載力確定,動測樁法,氣缸,堆載,樁,消音器,力傳感器,Statnamic大應(yīng)變動測樁承載力方法加拿大和荷蘭,單樁承載力確定,深層平板載荷試驗確定樁端承載力,承載力特征值： 1 比例界限 2 極限荷載之半 3 s/d0.010.05對應(yīng)荷載, 0.8 m,剛性板直徑800mm,單樁承載力確定,左:土工離心機 右上:離心機中的入樁設(shè)備 右下:模型樁,單樁承載力確定,第三節(jié) 樁的抗拔承載力與負摩擦力 Pullout strength and negative shaft friction,、單樁的抗拔承載力 抗浮樁，凍拔樁 抗拔樁,抗拔樁承載力,1.抗拔承載機理特點,抗拔時，樁周土的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力路徑和土的變形與承壓樁不同。一般抗拔的摩阻力小于抗壓的摩阻力。,抗拔樁承載力,2.單樁抗拔承載力特征值Ta （1）現(xiàn)場抗拔靜載荷試驗重要建筑物 （2）公式非重要建筑物,第i層土抗拔折減系數(shù)pi：砂土0.5-0.7, 粉,粘土0.7-0.8,抗拔樁承載力,Nk Ta G Gp Nk 相應(yīng)于荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，單樁上拔力 Gp 為樁的自重,水下為浮重 G 永久荷載的分項系數(shù),單樁的抗拔驗算,抗拔樁承載力,1 、摩擦的產(chǎn)生 (1)樁周附近地面大面積堆載 (2)大面積降低地下水位 (3)欠固結(jié)土,新填土 (4)濕陷性黃土遇水濕陷 (5)砂土液化、凍土融陷,正摩阻,負摩阻,二 、樁的負摩阻力,樁相對土向下,土相對樁向下,2、負摩擦力的確定 負摩擦力成為荷載，下部為巖石的端承樁,可能全樁為負阻力。,抗拔樁承載力,ln,Negative,對于一般樁,因為樁土都有變形,視二者的相對位移量和方向,l,抗拔樁承載力,第四節(jié) 樁基在水平荷載下的承載力,風(fēng)荷載 吊車制動荷載 地震荷載,風(fēng)荷載,水平承載樁,1 水平承載機理,樁土的相互作用 承載力大小取決于：土性、樁長和樁斷面剛度和樁的約束條件。,l,水平承載樁,2. 橫向受力樁的承載力確定,靜力載荷試驗 RH為設(shè)計值,Hu為橫向極限荷載 H 為抗力分項系數(shù) 理論公式計算 彈性地基梁撓度方程 kh 水平抗力系數(shù) 常數(shù)法、 m法、k法、c法,水平承載樁,常數(shù)法,m法,k法,C法,kh 抗力系數(shù),樁的位移,水平承載樁,不同荷載作用下樁的承載力小結(jié),豎向承壓樁承載力=摩阻力+端阻力 摩阻力-土性，深度（臨界深度），入樁方式，樁土相對位移 端阻力-土性，深度（臨界深度） ，入樁方式 確定單樁承載力的方法 抗拔樁及負摩擦力 水平荷載作用下樁的承載力,水平承載樁,F,第五節(jié) 樁基沉降計算,多數(shù)樁基需要進行沉降驗算 荷載采用準(zhǔn)永久組合 基本假設(shè)：單向壓縮、均質(zhì)各向同性和彈性假設(shè)的分層總和法 方法：假想實體基礎(chǔ)法布氏解；明德林（Mindlin)方法,F,l,G,b0,A,、實體深基礎(chǔ)法 （一）荷載擴散法,a0、b0 ：群樁外緣長短邊的長度 l ： 樁的入土深度 ：所有土層內(nèi)摩擦角平均值 G ： 擴散后面積上的重量(矩形),p0,如果忽略樁身l長度部分在入樁前后重量的變化,a、b 承臺的長度和寬度 所有土層內(nèi)摩擦角平均值 pc0 承臺底面處地基土自重應(yīng)力 Gk 承臺和承臺以上土的重量(矩形),F,l,G,b0,A,p0,s ：樁基最終計算沉降量 n ：樁端面以下計算分層數(shù) Esi ：樁端面以下土層壓縮模量 pi ：樁端面以下第i層土的豎向 附加應(yīng)力平均值 p ：沉降計算經(jīng)驗系數(shù),按照擴散后的面積進行分層總和法計算沉降,F,l,G,b0,A,p0,F,l,G,b0,A,、實體深基礎(chǔ)法 （二）扣除樁群側(cè)壁摩阻力法,hi ：樁身穿越第i層土層厚度 l ：樁的入土深度 qsia ：第i層土側(cè)阻力特征值 Gk ：承臺和承臺以上土的重量 按照前面的分層總和法計算沉降,p0,l,Q,二 、明德林蓋得斯附加應(yīng)力計算方法,pi ：第i層土層中點處的附加應(yīng)力 m ：樁數(shù) zp,k ：第k根樁端荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力 zs,k ：第k根樁側(cè)荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力,Q,(1)Q,i,第六節(jié) 樁基礎(chǔ)設(shè)計,一 、群樁與群樁效應(yīng) 二 、樁基設(shè)計,問題 單樁承載力加起來等于群樁承載力？,實際工程中樁基礎(chǔ)是由多根樁組成，上部由承臺連接。由三根和三根以上的樁組成的樁基礎(chǔ)稱為群樁基礎(chǔ) 作用：1 加強土，2 將荷載傳遞到更深土層中,一、群樁與群樁效應(yīng) Pile group and group efficiency,巖石,土,壓力擴散深度,一、群樁與群樁效應(yīng),1、預(yù)制樁沉樁 砂土,非飽和土和一般粘性土,填 土有擠密作用,使承載力增加 飽和粘土,超靜孔壓積累,地面上浮,先入樁上 浮,土層擾動,使承載力降低 2、應(yīng)力疊加 樁底應(yīng)力增加,使承載力不足;總的 沉降增加 3、樁之間互相調(diào)節(jié)個別樁承載力低總體上可互 補;個別樁受荷,其他樁幫助傳遞荷載 4、承臺可部分承受荷載,應(yīng)力疊加 樁底應(yīng)力增加,側(cè)阻發(fā)揮程度降低，端阻發(fā)揮程度提高;總的沉降增加,關(guān)于承臺承載力問題,承臺可以承擔(dān)荷載，最高達30 剛性承臺下各樁承擔(dān)的荷載不同 在動力荷載下(鐵路橋梁);負摩擦力(地面下沉);端承樁情況下不考慮承臺承載力,群樁效應(yīng)與很多因素相關(guān)?？梢杂萌簶缎?yīng)系數(shù)估計，群樁效應(yīng)系數(shù)可能小于1，也可能大于1。,對于砂土、長樁和大間距條件下，取 1.0，工程設(shè)計中常取 1.0, =,群樁承載力,群樁中各單樁承載力之和,二、樁基礎(chǔ)設(shè)計,1. 樁基礎(chǔ)設(shè)計步驟 2. 群樁中的單樁承載力 3.承臺設(shè)計,樁基礎(chǔ)的設(shè)計步驟,荷載、持力層、相鄰建筑,根據(jù)施工條件決定樁型 根據(jù)持力層深度確定樁長 根據(jù)荷載大小決定樁截面 樁端進入持力層深度：13d，進入較好巖體0.5m。樁端下持力層厚度 4d。,根據(jù)第二節(jié)的方法確定單樁承載力特征值 1單樁的靜載荷試驗 2 其他現(xiàn)場試驗 3原位測試 4 經(jīng)驗方法,初估樁數(shù)n Fk 豎向荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合 Gk 設(shè)計地面下承臺底面以上結(jié)構(gòu)和土的自重，容重用19.6kN/m3 樁距 摩擦樁一般3d 擴底灌注樁擴底直徑的1.5倍 群樁承載力合力作用點與長期荷載的重心重合,承載力驗算采用正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合,沉降驗算采用正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合,承臺和樁身強度驗算時采用正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合 承臺尺寸、厚度 承臺的抗沖切、抗彎、抗剪驗算 鋼筋混凝土樁的配筋等設(shè)計,2、群樁基礎(chǔ)中的單樁承載力驗算,（1）中心豎直荷載,實 際 分 布,假設(shè)的分布,F,假設(shè)每個樁的荷載相同,Gk ：承臺以上總自重 n ： 樁數(shù),G,（2）偏心豎向荷載 荷載線性分布假設(shè),Y,x7,y7,Qik 第i根樁底豎向力 Mxk，Myk 作用于承臺底面通過樁群形心的x，y軸的力矩,9,8,7,2,1,6,3,4,5,X,X,Y,三根樁的荷載計算,、承臺的設(shè)計計算,獨立承臺、條形承臺梁，筏板承臺和箱形承臺 承臺的埋置深度一般與淺基礎(chǔ)相同，主要由建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計和環(huán)境條件決定 對于承臺應(yīng)進行抗彎、抗沖切和抗剪計算。,、承臺的設(shè)計計算 （1）構(gòu)造基本要求：,形狀：方,矩型,三角形,多邊形,圓形 最小寬度 50