第四章桩基础(三)课件.ppt

桩在水平荷载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以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的水平承载力。 桩在水平荷载作用下，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，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力。桩土共同作用，互相影响。,一、单桩在水平荷载作用下的破坏机理和特点,4.4 单桩水平承载力,第1种情况(a):基桩的水平承载力可能由桩侧土的强度及稳定性决定；,第2种情况(b):基桩的水平承载力将由桩身材料的抗弯强度（低配筋率灌注桩）或侧向变形条件决定。,1、对于受水平荷载较大的设计等级为甲级、乙级的建筑桩基，单桩水平承载力特征值应通过单桩水平静载试验确定；试验方法可按现行行业标准建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003执行。 2、对于钢筋砼预制桩、钢桩、桩身全截面配筋率不小于0.65%的灌注桩，可根据静载试验结果取地面处水平位移为10mm（对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm）所对应荷载的75%为单桩水平承载力特征值。,二、单桩水平承载力的确定单桩水平承载力特征值应按下列规定确定：,3、对于桩身配筋率小于0.65%的灌注桩，可取单桩水平静载试验的临界荷载 的75%为单桩水平承载力特征值。 4、当缺少单桩水平静载试验资料时，可按经验公式估算单桩水平承载力特征值。,桩的水平静载试验是确定桩的横向承载力的较可靠的方法，也是常用的研究分析试验方法。试验是在现场条件下进行，所确定的单桩水平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，则可测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。1、试验装置见图6-11。试验是采用千斤顶施加水平荷载，其施力点位置宜放在实际受力点位置。在千斤顶与试桩接触处宜安置一球形铰座，以保证千斤顶作用力能水平通过桩身轴线。桩的水平位移宜采用大量程百分表测量。,(一) 单桩水平静载试验,2. 试验加载方法,单向多循环加卸载法荷载分级： 取小于预估水平极限承载力或最大试验荷载的1/10作为每级荷载的加载增量。加载程序与位移观测： 每级加荷后，恒载4min测读水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次便完成一级荷载的试验观测。试验不得中途停歇。终止试验的条件： 当桩身折断或水平位移超过3040mm(软土取40mm)或水平位移达到设计要求的水平位移允许值时，可终止试验。,3.单桩水平临界荷载和极限荷载的确定,根据试验数据可绘制荷载一时间一位移 曲线(图6-12)和荷载一位移梯度 曲线(图6-13)，据此可综合确定单桩水平临界荷载 与极限荷载 。 单桩水平临界荷载：系指桩身受拉区混凝土开裂退出工作前的荷载，会使桩的横向位移增大。相应地可取 曲线出现突变点的前一级荷载为水平临界荷载(图6-12)，或取 曲线 第一拐点对应的水平荷载值为水平临界荷载，当有钢筋应力测试数据时，取 曲线第一拐点对应的水平荷载值值。综合考虑。,可取 曲线明显陡降的前一级荷载作为极限荷载 (图6-12)；或取 曲线第二直线段终点相对应的荷载为水平极限荷载(图6-13)；取桩身折断或钢筋应力达到流限的前一级荷载为极限荷载。综合考虑。 单桩水平临界荷载统计值与水平极限荷载统计值的确定方法同单桩竖向抗压极限承载力统计值。 单位工程同一条件下的单桩水平承载力特征值的确定应符合下列规定：1、当水平承载力按桩身强度控制时，取水平临界荷载统计值；2、当桩受长期水平荷载作用且不允许开裂时，取水平临界荷载统计值的0.8倍作为单桩水平承载力特征值。,单桩水平极限荷载：,1.桩身配筋率小于0.65%的灌注桩的单桩水平承载力特征值计算公式: 式中号根据桩顶竖向力性质确定,压力取“+”,拉力取“-”; -单桩水平承载力特征值; -桩的水平变形系数;（计算方法见后）,(二)规范推荐经验公式,(4.4.2-1),-桩截面模量塑性系数,圆形截面取2.0,矩形截面取1.75; -桩身砼抗拉强度设计值; -桩身换算截面受拉边缘的截面模量,圆形截面为: ；方形截面为: 其中 为桩直径， 为扣除保护层的桩直径;为方桩边长， 为扣除保护层的方桩边长; 为钢筋弹性模量与砼弹性模量的比值;,-桩身最大弯矩系数,按表4.4-1取值,单桩基础和单排桩基纵向轴线与水平力相垂直的情况,按桩顶铰接考虑; -桩身配筋率; -桩身换算截面积,圆形截面为: 方形截面为： -桩顶竖向力影响系数,竖向压力取0.5,竖向拉力取1.0; N在荷载效应标准组合下桩顶的竖向力。,表4.4-1 桩顶（身）最大弯矩系数 和桩顶水平位移系数注：1 铰接（自由）的 系桩身的最大弯矩系数，固接的 系桩顶的最大弯矩系数； 2 当 时取 。,对于砼护壁的挖孔桩,计算单桩水平承载力时,其设计桩径取护壁内直径。 桩的水平变形系数 (1/m): m -桩侧土水平抗力系数的比例系数 (MN/ ),该系数为地面以下2(d+1) m深度内各土层的综合值;宜通过单桩水平静载试验确定,当桩顶自由且水平力作用位置位于地面处,计算公式为:,(4.4.2-2),-单桩水平临界荷载; -单桩水平临界荷载对应的位移; -桩身计算宽度； 圆形桩:当直径不大于1m时, 当直径大于1m时, 方形桩:当边宽不大于1m时, 当边宽大于1m时, -桩顶水平位移系数,按表4.4-1取值。,(4.4.2-3),当无水平静载试验资料时，按表4.4-2取值。表4.4-2 桩侧土水平抗力系数的比例系数,注：1 当桩顶水平位移大于表列数值或灌注桩配筋率较高（0.65%）时， 值应适当降低；当预制桩的水平向位移小于10mm时， 值可适当提高； 2 当水平荷载为长期或经常出现的荷载时，应将表列数值乘以0.4降低采用； 3 当地基为可液化土层时，应将表列数值乘以 表4.3.3-5中相应的土层液化折减系数 。2. 对于混凝土护壁的挖孔桩，计算单桩水平承载力时，其设计桩径取护壁内直径。,3.当桩的水平承载力由水平位移控制，且缺少单桩水平静载试验资料时，预制桩、钢桩、桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩的单桩水平承载力设计值计算公式: EI桩身抗弯刚度,对于钢筋混凝土桩, 式中 为桩身换算截面惯性矩,圆形截面, ；矩形截面, -桩顶容许水平位移。,(4.4.2-4),4.验算永久荷载控制的桩基的水平承载力时，应将上述方法确定的单桩水平承载力特征值乘以调整系数0.80；验算地震作用桩基的水平承载力时,应将上述方法确定的单桩水平承载力特征值乘以调整系数1.25 。,5.群桩基础（不含水平力垂直于单排桩基纵向轴线和力矩较大的情况）的基桩水平承载力特征值应考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应，可按下列公式确定： 考虑地震作用且 时：,(4.4.2-5),(4.4.2-6),(4.4.2-7),其它情况：,(4.4.2-8),(4.4.2-9),(4.4.2-10),(4.4.2-11),(4.4.2-12),(4.4.2-13),式中： 群桩效应综合系数； 桩的相互影响效应系数； 桩顶约束效应系数（桩顶嵌入承台长度50100mm时），按表4.4-3取值； 承台侧向土抗力效应系数（承台侧面回填土为松散状态时取 ）； 承台底摩阻效应系数； 沿水平荷载方向的距径比； ， 分别为沿水平荷载方向与垂直水平荷载方向每排桩中的桩数； 承台侧面土水平抗力系数的比例系数，当无试验资料时可按表4.4-2取值；,桩顶（承台）的水平位移允许值，当以位移控制时，可取 =10mm（对水平位移敏感的结构物取 =6mm）；当以桩身强度控制（低配筋率灌注桩）时，可近似按前述式（4.4.2-9）确定； 承台受侧向土抗力一边的计算宽度； 承台宽度； 承台高度； 承台底与基土间的摩擦系数，可按表4.4-4取值； 承台底地基土分担的竖向总荷载标准值； 承台效应系数，可按表表4.3-6取值； A 承台总面积； 桩身截面面积。,表4.4-3 桩顶约束效应系数表4.4-4 承台底与地基土间的摩擦系数,6.计算水平荷载较大和水平地震作用、风载作用的带地下室的高大建筑物桩基的水平位移时，可考虑地下室侧墙、承台、桩群、土共同作用，按附录C方法计算基桩内力和变位，与水平外力作用平面相垂直的单排桩基础可按规范附录C中表C-2计算。,内力和位移的计算方法:弹性地基梁法。 将桩作为弹性地基上的梁，按Winkler假定(梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比)的解法。从土力学的观点认为是不够严密的，基本概念明确，方法较简单，所得结果一般较安全。弹性地基梁的弹性挠曲微分方程的求解方法可用数值解法、差分法及有限元法。 (一)桩侧土的水平抗力及其分布规律 外荷载 桩 位移 竖向荷载 竖向位移 桩侧摩阻力、桩底抗力 水平荷载和力矩 水平位移和转角 桩侧土对桩产生水平抗力p(x,z),三、单桩及单排桩中基桩的内力和位移计算,(z,x)-深度z处桩侧土的水平抗力，kN/m； 作用：抵抗外力和稳定桩基础 取决于：土体性质、桩身刚度、桩的入土深度、 桩的截面形状、桩距及荷载等。 假定桩侧土的水平抗力符合Winkler假定，可表示为： 式中：p(z,x)-桩侧土的水平抗力(kN/m); C -桩侧土的水平抗力系数(KN/m3); x -深度z处桩的水平位移(m)；,-桩的计算宽度(m) 。 桩侧土的水平抗力系数C：单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需施加的力。C土的类别及其性质，深度。 采用的C值随深度的分布规律如图6-15所示的几种形式，相应产生几种基桩内力和位移计算的方法，即：1）“C”法，又称“张有龄法”:假定桩侧土的水平抗力系数C沿深度为均匀分布，不随深度而变化，如图6-15(a)所示； 2）“m”法: 假定桩侧土的水平抗力系数C随深度成正比例地增长，即C=mz。如图6-15(b)所示。m称为桩侧土水平抗力系数的比例系数(kN/m4)；,3） “K”法: 假定桩侧土的水平抗力系数C随深度呈折线变化：即在桩身挠曲曲线第一挠曲零点B(图6-15(C)所示深度t处)以上，桩侧土的水平抗力系数C随深度增加呈凹形抛物线变化;在第一挠曲零点以下，桩侧土的水平抗力系数C不再随深度变化而为常数K； 4） “C值 ”法: 假定桩侧土的水平抗力系数C随着深度成抛物线规律增加，即： 如图6-15(d)所示。c为比例系数(kN/ )。,(二) “m”法弹性桩基桩内力和位移计算弹性桩： 当桩的入土深度h2.5/时桩的相对刚度小，必须考虑桩的实际刚度，按弹性桩来计算。刚性桩： 当桩的入土深度2.5/时，则桩的相对刚度较大，计算时认为属刚性桩。弹性地基梁m法的基本假定： 1）认为桩侧土为Winkler离散线性弹簧； 2）不考虑桩土之间的粘着力和摩阻力； 3）桩作为弹性构件考虑； 4）当桩受到水平外力作用后，桩土协调变形；,5）任一深度z处所产生的桩侧土水平抗力与该点水平位移x成正比即p(z,x)=Cx ，且桩侧土的水平抗力系数C随深度成正比增长即C=mz。力和位移的符号规定：（取图6-16所示的坐标系） 水平位移顺x轴正方向为正值； 转角逆时针方向为正值； 弯矩当左侧纤维受拉时为正值； 水平力顺x轴方向为正值；,1、桩的挠曲微分方程的建立及其解 桩顶与地面平齐， 桩顶作用有水平荷载 及弯矩 此时桩将发生弹性挠曲，桩侧土将产生横向抗力p(z,x)，如图6-16所示。从材料力学中知道，梁轴的挠度与梁上分布荷载q之间的关系式，即梁的挠曲微分方程为：式中:EI 梁的弹性模量及截面惯性矩。,(4.4.3-1),令： 式中：称为桩的水平变形系数；,(4.4.3-2),(4.4.3-3),(4.4.3-4),当z=0， , , , 可表示如下：,(4.4.3-5),式（4.4.3-4）为一个4阶线形变系数奇次常微分方程，用幂级数展开方法求解，设方程的解为：对（4.4.3-6）求导：,(4.4.3-6),(4.4.3-7),(4.4.3-8),(4.4.3-9),(4.4.3-10)将（4.4.3-10）、（4.4.3-6）代入（4.4.3-4）：(4.4.3-11) 展开(4.4.3-11)，恒等式两边z之幂相同的项的系数相等，并代入边界条件，经整理后可得到求桩身水平位移x、桩身转角 、弯矩M、剪力Q以及桩侧土水平抗力q(z,x)的计算公式如下：, 桩身水平位移(桩轴线挠曲方程 ):式中, 、 为桩顶处的水平位移和转角；A1、B1、C1、D1是( )的函数,为无量纲数值。 深度z处桩侧土水平抗力q(z,x)： 深度z处桩身的转角： 对（6-12）求一次导数：,(4.4.3-14),(4.4.3-13),(4.4.3-12),式中, A2、B2、C2、D2分别是将A1、B1、C1、D1求一次导数并除以而得。 深度z处桩身的弯矩M： 对（4.4.3-14）求一次导数： 由于： （4.4.3-15）可改写为：,(4.4.3-15),(4.4.3-16),式中, A3、B3、C3、D3分别是将A2、B2、C2、D2求一次导数并除以而得。 深度z处桩身的剪力Q： 对（4.4.3-15）求一次导数： 由于： （4.4.3-17）可改写为：式中, A4、B4、C4、D4分别是将A3、B3、C3、D3求一次导数并除以而得。,(4.4.3-17),(4.4.3-18),2、摩擦桩、端承桩 、 的计算 式中：,(4.4.3-19),式中, -桩底面积; -桩对其重心轴的惯性矩; -基底土的竖向地基系数; 根据分析，摩擦桩h2.5(h-桩的入土深度)或端承桩h3.5时，桩底的弯矩值几乎为零，且此时 对 、 等影响极小，可以认为 ，则式(4.4.3-19) 可简化为:,(4.4.3-20)其中， 、 、 、 均为z的函数，已根据z值制成表格，可参考公桥基规,3、嵌岩桩 、 的计算嵌岩桩-桩底嵌固于末风化岩层内有足够的深度 (4.4.3-21)式中： 、 、 、 均为z的函数，已根据z值制成表格，可查阅有关规范,大量计算表明，h4.0时，桩身在地面处的位移 、转角 与桩底边界条件无关，因此h4.0时，嵌岩桩与摩擦桩(或端承桩)计算公式均可 通用。 求得 、 后，便可连同已知的 、 一起代入式(4.4.3-12)、(4.4.3-13)、(4.4.3-14)、(4.4.3-16)及式(4.4.3-18)，从而求得桩在地面以下任一深度的内力、位移及桩侧土抗力。,4、桩身在地面以下任一深度处内力及位移计算的简捷方法-无量纲法 对于h2.5的摩擦桩、h3.5的端承桩,(4.4.3-22a),(4.4.3-22b),(4.4.3-22c),(4.4.3-22d), 对于h2.5的嵌岩桩式中： 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 为无量纲系数，均是 和 的函数，可查有关表格。,(4.4.3-23a),(4.4.3-23b),(4.4.3-23c),(4.4.3-23d),使用时，应根据不同的桩底支承条件，选择不同的计算公式，然后按h和z查出相应的无量纲系数，再将这些系数代入式(4.4.3-22)、(4.4.3-23)求出所需的未知量。当h4时，无论桩底支承情况如何，均可采用式(4.4.3-22)或式(4.4.3-23)及相应的系数来计算。其计算结果极为接近。由式(4.4.3-12)-(4.4.3-16)可较迅速地求得桩身各截面的水平位移、转角、弯矩、剪力，以及桩侧土抗力。从而就可验算桩身强度、决定配筋量，验算桩侧土抗力及桩上墩台位移等。,5、桩身最大弯矩位置 和最大弯矩 的确定 令：(4.4.3-24)式中： 及 也为与z有关的系数，可按相关表格采用。 或 值从式(4.4.3-24)求得后即可从相关表格中求得相应的z值，因为已知，所以最大弯矩所在的位置z= 即可求得。,由(4.4.3-24)可得： 将(6-25)代入(6-22C)并化简,得：式中： ； 及 也为与z有关的系数，可查相关表格。,(4.4.3-26),(4.4.3-25),6、高桩承台桩顶位移的计算公式,桩顶端的位移可应用叠加原理计算： 上两式中的 、 可按计算所得的 及 分别代入(4.4.3-19)或(4.4.3-20)(此时式中的无量纲系数均用z=o时的数值)求得。式(4.4.3-27a)、(4.4.3-27b)中的 、 、 、 是把露出段作为下端嵌固、跨度为 的悬臂梁计算而得，即：,(4.4.3-27a),(4.4.3-27b),把(4.4.3-19)或(4.4.3-20)以及(4.4.3-28)代入(4.4.3-27)，再经整理归纳，便可写成如下表达式：式中， 、 、 、 均为 和 的函数，可查相关表格。 对于桩底嵌固于岩基中，桩顶为自由端的桩顶位移计算，只要按式(4.4.3-21) 计算出z=0时的 、 即可按上述方法求出桩顶水平位移 及转角 。,(4.4.3-29),4.5 单桩抗拔承载力,4.5.1 概述,桩基础承受上拔力的结构类型：高压输电线路塔架、高耸建筑物(如电视塔)、受地下水浮力的地下结构物、水平荷载作用下出现上拔力的结构物以及膨胀土地基上的建筑物等。,影响桩抗拔承载力的因素：桩的几何特性;桩的施工方法;桩的材料特性;桩侧土的特性;桩上荷载特性。,4.5.2 单桩抗拔极限承载力的确定,1、承受拔力的桩基,应按下列公式同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力： 式中 -按荷载效应标准组合计算的基桩拔力; -群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值，按第2条确定; -群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值，按第2条确定;,(4.5.2-1),(4.5.2-2),-群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数,地下水位以下取浮重度; -基桩(土)自重设计值,地下水位以下取浮重度；对于扩底桩应按表4.5-1确定桩、土柱体周长，计算桩、土自重。2、群桩基础及其基桩的抗拔极限承载力应按下列规定确定:1） 对于设计等级为甲级和乙级建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。单桩上拔静载荷试验及抗拔极限承载力标准值取值可按现行行业标准建筑基桩检测技术规范（JGJ 106）进行。2） 如无当地经验时，群桩基础及设计等级为丙级建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力取值可按下列规定计算：,(1) 群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算: 式中 - 基桩抗拔极限承载力标准值; - 桩身周长,对于等直径桩取 ;对于扩底桩,可按表4.5-1取值; - 桩侧表面第 层土的抗压极限侧阻力标准值，可按表4.3.3-1 桩的极限侧阻力标准值取值; - 抗拔系数,与土质有关,可按表4.5-2取值。,表4.5-1 扩底桩破坏表面周长注： 对于软土取低值，对于卵石、砾石取高值； 取值按内摩擦角增大而增加。表4.5-2 抗拔系数注：桩长 与桩径 之比小于20时， 取小值。,(2) 群桩呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算: 式中 - 基桩抗拔极限承载力标准值; -桩群外围周长。3、季节性冻土上轻型建筑的短桩基础，应按下列公式验算其抗冻拔稳定性: ,式中 -冻深影响系数，按表4.5-3采用; - 切向冻胀力，按表4.5-4采用; - 季节性冻土的标准冻深; - 标准冻深线以下群桩呈整体破坏时基桩抗拔极限承载力标准值，可按第2条确定; - 标准冻深线以下单桩抗拔极限承载力标准值，可按第2条确定; - 基桩承受的桩承台底面以上建筑物自重、承台及其上土重标准值。,表4.5-3 冻深影响系数表4.5-4 切向冻胀力注： 1 表面粗糙的灌注桩，表中数值应乘以系数1.11.3； 2 本表不适用于含盐量大于0.5%的冻土。,4、膨胀土上轻型建筑的短桩基础，应按下列公式验算其抗冻拔稳定性:式中 群桩呈整体破坏时，大气影响急剧层下稳定土层中基桩的抗拔极限承载力标准值，可按第2条确定； 群桩呈非整体破坏时，大气影响急剧层下稳定土层中基桩的抗拔极限承载力标准值，可按第2条确定； 大气影响急剧层中第 层土的极限胀切力，由现场浸水试验确定； 大气影响急剧层中第 层土的厚度。,桩的竖向抗拔静载试验是确定桩的抗拔极限承载力的较可靠的方法。1、试验装置 试验是采用油压千斤顶加载。荷载可用放置于千斤顶上的应力环,应变式压力传感器直接测定。试桩上拔变形采用百分表测量,布置方法与竖向抗压试验相同。,4.5.3 单桩竖向抗拔静载试验,2.测试方法(慢速维持荷载法),加载应分级： 同单桩竖向抗压静载试验。测读沉降时间： 同单桩竖向抗压静载试验。变形相对稳定的标准： 同单桩竖向抗压静载试验。,终止加载条件： 当出现下列情况之一时,即可终止加载:(1)按钢筋抗拉强度控制，桩顶上拔荷载达到钢筋强度标准值的0.9倍时;(2)某级荷载作用下,桩顶上拔量达到前一级荷载作用下的5倍;(3)累计上拔量超过100mm；(4)对于验收抽样检测的工程桩，达到设计要求的最大上拔荷载值。,3. 极限承载力的确定,单桩竖向抗拔极限承载力的判定： (1)对于陡变型 曲线,取陡升起始点荷载为极限荷载(图6-22);(2)对于缓变型 曲线,根据上拔量和 曲线变化综合判定,即取 曲线尾部显著弯曲或曲线斜率明显变陡的前一级荷载为极限荷载；(3)当在某一级荷载下抗拔钢筋断裂时,取前一级荷载值。,单桩竖向抗拔极限承载力统计值的确定方法同单桩竖向抗压极限承载力统计值。 单位工程同一条件下的单桩竖向抗拔承载力特征值按单桩竖向抗拔极限承载力统计值的一半取值。 注：当工程桩不允许带裂缝工作时，取桩身开裂的前一级荷载作为单桩竖向抗拔承载力特征值，并与按极限荷载一半取值确定的承载力特征值相比较取小值。,