桩基础的承载力-荷载传递规律精简.ppt

桩基础的承载力,单桩承载力的确定是桩基设计的重要内容，而要正确地确定单桩承载力又必须了解桩土体系的荷载传递，包括桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状与破坏机理。,桩的荷载传递机理,地基土对桩的支承作用不同荷载下轴力沿深度的变化单桩荷载传递的基本规律,地基土对桩的支承作用,地基土对桩的支承由两部分组成：桩端阻力和桩侧摩阻力。如果认为两者是同步增大的，那么对任何的荷载阶段，这个表达式都是正确的：,而实际上，桩侧摩阻力和桩端阻力不是同步发挥的。竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部首先受到压缩而发生相对于土的向下位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程。,对10根桩长为2746m的大直径灌注桩的荷载传递性能的足尺试验结果。试验表明，桩侧发挥极限摩阻力所需要的位移很小，粘性土为13mm，无粘性土为57mm；除两根支承于岩石的桩外，其余各桩（桩端持力层为卵石、砾石、粗砂或残积粉质粘土）在设计工作荷载下，端承力都小于桩顶荷载的10。,不同荷载下轴力沿深度的变化,单桩荷载传递的基本规律,基础的功能在于把荷载传递给地基土。作为桩基主要传力构件的桩是一种细长的杆件，它与土的界面主要为侧表面，底面只占桩与土的接触总面积的很小部分（一般低于1%），这就意味着桩侧界面是桩向土传递荷载的重要的，甚至是主要的途径。,竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部首先受到压缩而发生相对于土的向下位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程。设桩身轴力为Q，桩身轴力是桩顶荷载N与深度Z的函数，Qf（N、Z）,桩身轴力沿深度分布的实测资料,桩身轴力Q 沿着深度而逐渐减小；在桩端处Q 则与桩底土反力Qp相平衡，同时桩端持力层土在桩底土反力Qp作用下产生压缩，使桩身下沉，桩与桩间土的相对位移又使摩阻力进一步发挥。随着桩顶荷载N 的逐级增加，对于每级荷载，上述过程周而复始地进行，直至变形稳定为止，于是荷载传递过程结束。,由于桩身压缩量的累积，上部桩身的位移总是大于下部，因此上部的摩阻力总是先于下部发挥出来；桩侧摩阻力达到极限之后就保持不变；随着荷载的增加，下部桩侧摩阻力被逐渐调动出来，直至整个桩身的摩阻力全部达到极限，继续增加的荷载就完全由桩端持力层土承受；当桩底荷载达到桩端持力层土的极限承载力时，桩便发生急剧的、不停滞的下沉而破坏。,桩的长径比L/d是影响荷载传递的主要因素之一，随着长径比L/d增大，桩端土的性质对承载力的影响减小，当长径比L/d接近100时，桩端土性质的影响几乎等于零。发现这一现象的重要意义在于纠正了“桩越长，承载力越高”的片面认识。希望通过加大桩长，将桩端支承在很深的硬土层上以获得高的端阻力的方法是很不经济的，增加了工程造价但并不能提高很多的承载力。,桩越长，端阻力所占的比例越低,若干特殊桩型的承载性状,大直径超长灌注桩的承载特性灌注桩的后注浆技术嵌岩桩静力压桩钢管混凝土桩,大直径超长灌注桩的承载特性,超高层建筑和大跨度桥梁的建设使得基底荷载越来越大，往往要求桩基穿越深厚的土层进入相对较好的持力层以获取较高的承载力并控制变形，大直径超长桩的应用成为一种趋势，且普遍采用后注浆工艺。,上海华敏帝豪大厦,苏州东方之门,东海大桥,大跨度桥梁与超高层建筑普遍采用大直径超长灌注桩桥梁工程东海大桥采用了桩径为2500mm的灌注桩，桩长为112m苏通大桥采用了桩径为2500mm的灌注桩，桩长为125m杭州钱塘江六桥钻孔灌注桩长为130m超高层建筑上海中心大厦（132层，632m）中国最高的超高层建筑之一天津117大厦（117层，600m）中国最高的超高层建筑之一天津津塔（75层，336.9m）天津在建的第二高楼上海白玉兰广场(66层，300m)上海浦西第一高楼温州世贸中心（68层，323m）浙江第一高楼,桩基设计建筑高度：336.9m建筑层数：75桩型：后注浆钻孔灌注桩桩径：1000mm桩端埋深：79.1m有效桩长：55.6持力层：11层粉砂层桩身混凝土强度等级：C40,大直径超长灌注桩天津津塔,天津津塔,试桩极限承载力皆不小于14400kN,大直径超长灌注桩天津津塔,试桩建筑高度：600m建筑层数：117桩型：桩端、桩侧联合后注浆灌注桩桩径：1000mm桩长：100m,120m持力层：10-5粉砂层，12-1粉砂层试桩桩身混凝土强度等级：C50最大加载：42000kN,大直径超长灌注桩天津117大厦,采用双套管隔离开挖范围段的桩侧摩阻力2根120m和2根100m后注浆灌注桩的极限承载力皆不小于42000kN,试桩1（120m）,试桩2（120m）,试桩3（100m）,试桩4（100m）,大直径超长灌注桩天津117大厦,超长桩的特点是承载力较高的土层埋深较大，只能通过加大桩径和桩长，进入较好持力层获取较高的承载力并控制沉降。桩身长、长径比大导致桩土相对刚度小，直接影响其受力特性大直径超长桩的工程实践主要以现场实测为先导，并基于实测开展了承载特性的探索,荷载位移关系曲线 桩端清渣干净和采用桩端后注浆工艺的超长灌注桩，加载至极限承载力的资料极少，QS曲线在试验荷载作用下基本呈缓变型，无明显拐点，其极限承载力往往由桩顶变形值确定。,天津津塔试桩QS曲线（桩径1m,桩端埋深79m，粉砂层）,长峰虹口商城试桩QS曲线（桩径1.2m,桩端埋深71.5m，细砂层）,大直径超长灌注桩承载变形性状,桩身压缩与沉降在极限荷载作用下桩顶沉降主要表现为桩身压缩，压缩量由弹性压缩和塑性变形两部分组成，在高应力水平下，不能将其仅作为弹性杆件进行计算。超长桩的沉降计算，除要计算桩端力及桩侧摩阻力传递到桩端引起的桩端沉降外，还要充分考虑到桩身压缩变形量。,侧摩阻力的发挥上部土层的侧摩阻力先于下部发挥作用，荷载达到一定水平后，下部土层的侧摩阻力才逐渐发挥出来。桩身上部变形大且与土体之间发生滑移，相对位移可达20mm以上，导致侧阻软化，有研究认为其残余强度约为峰值的0.9倍。,桩侧土-z曲线,上海世博500kv地下变电站试桩,虹桥综合交通枢纽试桩,桩端阻力的发挥桩身下部位移小，深层侧阻和端阻的发挥有明显的滞后性，且得不到充分发挥。由于桩身长且端阻很难充分发挥，桩侧摩阻力占总承载力的比例较大，超长桩主要表现为摩擦型桩。,端阻与侧摩阻力的关系桩侧摩阻力的发挥与桩端支承条件有关，当桩端软弱或沉渣较厚，不仅端阻承载力低还会使侧摩阻力的发挥大打折扣，使得其在相对较小的荷载作用下便发生陡降破坏。桩端后注浆改善了桩端支承条件，桩端的嵌固作用加强，桩侧摩阻力可以发挥到较高的水平。,图 注浆前后桩端阻力曲线 图 注浆前后桩侧阻力曲线,未注浆,注浆,大直径超长桩穿越土层深且土性复杂，加深了对其承载变形特性的认识难度,且受施工工艺的影响较大。目前的相关认识主要以现场实测数据为主建立桩径、桩长与土层对承载与变形影响的理论模型将有助于大直径超长桩的定量认识与合理设计 尽管超长桩已被大量使用，规范没有建立在超长桩承载变形性状之上的计算方法，其设计仍沿用常规桩，存在理论与实践之间的矛盾超长桩的设计应充分考虑其施工难点、承载变形特点，采取相应的对策,桩型选择 超长桩桩身长径比大，桩顶荷载不易向下传递，很难达到侧阻与端阻皆达到极限的理论状态。在设计过程中应增大桩体刚度增加桩身刚度的最直接有效的办法是控制长径比采用桩侧与桩端后注浆来提高地基土的支承力，可减少桩长增加桩身刚度，促进端阻与侧阻的充分发挥此外，后注浆对于解决泥浆护壁大直径超长桩施工引起的桩身泥皮和桩端沉渣等突出的工艺局限问题有着积极的意义,大直径超长灌注桩设计对策,承载力取值 实际工程中应重视以载荷试验成果确定承载力，载荷试验应加强对桩身轴力与沉降的量测目前大直径超长灌注桩采用后注浆工艺已成为趋势，更需要通过载荷试验来确定注浆效果与承载力提高幅度 超长桩在承受较高承载力的同时桩顶产生较大的变形，极限承载力的确定需考虑变形控制和桩身强度,大直径超长灌注桩设计对策,桩身强度随着水下混凝土材料与浇筑工艺的发展，C40、C45高等级水下混凝土成为大直径超长桩应用的趋势对水下混凝土材料配制和施工质量的控制提出了更高的要求，需增加超声波、钻孔取芯等检测比例桩基沉降计算桩端阻力及桩侧摩阻力传递到桩端引起的桩端沉降外，还要充分考虑到桩身压缩变形引起的沉降,大直径超长灌注桩设计对策,成桩工艺超长桩成孔深度大，施工时间长，导致泥浆比重大、含砂率高。桩身泥皮、沉渣与垂直度的控制问题更为突出。采用人工造浆、泵吸反循环清孔、泥浆静化装置除砂、后注浆等都是保证大直径超长灌注桩的成功经验。质量检测与控制大直径超长灌注桩更应注重对孔径、垂直度、沉渣等成孔质量进行全面的检测。受高、低应变动力测检测范围的限制，工程实践中应以超声波和静载荷试验为主评价桩身质量。,大直径超长灌注桩设计对策,灌注桩的后注浆技术,后注浆技术是在灌注桩浇注混凝土以后，通过预埋的管子将水泥砂浆注入桩端以下，以挤压桩底的沉渣，压密桩端土层，从而提高端承力，也可以将水泥砂浆注入桩侧土层中以提高桩侧摩阻力的一种技术。,根据注浆的目的，可以分成如下不同的注浆类型：1）桩端注浆2）桩侧注浆3）复式注浆4)压浆修补桩的缺损部位新版建筑桩基技术规范将灌注桩后注浆纳入规范，规定了施工的要求和设计参数的取法。,根据一些试验的结果，认为后压浆处理后可以达到比较好的效果，对细粒土中的桩，单桩承载力可提高3070；对粗粒土中的桩，增幅可达60120。压浆后的侧摩阻效应表现为侧摩阻力提高和桩侧土的剪切刚度提高；从而使摩阻力充分发挥时的位移值移后，这就意味着桩的韧性增大。,压浆对侧摩阻力的影响,常规桩的曲线,压浆桩的曲线,1）在事故处理、补强中的应用；单桩承载力不足时的补强；此时只能在桩体外下管注浆。2）设计时承载力不能满足要求，事先在桩体中预设压浆管的加强措施。后压浆技术推广应用中的问题主要是如何控制压浆的均匀性和如何实现注浆的技术要求。压浆后单桩承载力的提高幅度与压浆工艺密切相关，而均匀性和稳定性是在工程中应用的关键；,后压浆技术推广应用中的问题主要是如何控制压浆的均匀性和如何实现注浆的技术要求。压浆后单桩承载力的提高幅度与压浆工艺密切相关，而均匀性和稳定性是在工程中应用的关键；标准化将有助于这一技术的推广应用。,后注浆增强系数,后注浆增强系数系通过数十根不同土层中的后注浆桩与普通桩的静载对比试验求得。其侧阻和端阻增强系数不同，而且变化很大。总的变化规律是：端阻的增幅高于侧阻，粗拉土的增幅高于细粒土，桩端、桩侧复式注浆高于单一注浆。根据北京、上海、天津、河南、山东、西安、武汉、福州等地106份资料验证。,嵌 岩 桩,嵌岩桩是在端承桩的基础上发展起来的，在基岩埋藏深度不深的地区，常将桩嵌入基岩一定的深度，在计算嵌岩桩承载力时，过去常忽略覆盖层的侧阻力，将嵌岩桩作为直接传递荷载给基岩的受压柱看待，荷载全部由桩端承担。但是，大量实测资料表明，嵌岩桩的端阻力与侧阻力之比并不接近于1.0，如嵌岩桩端超过5倍桩径后，端阻力反而趋近于零，但嵌岩桩又显然不同于摩擦桩。,灌注型嵌岩桩,预制型嵌岩桩,嵌岩桩可采用机械钻孔或人工挖孔方法成孔，将桩嵌入岩体内一定的深度。嵌岩部分的嵌固力是嵌岩桩的承载力高于端承桩的主要原因，是研究嵌岩桩的核心问题。嵌入基岩部分的桩与基岩的相互作用比较复杂，嵌岩段的嵌固力与底部的端阻力发挥的过程是不同的。实测资料说明，当嵌岩深度为3倍桩径时，桩的嵌固力与端阻力可以得到很好的配合，嵌固力占总承载力的75%以上，可以用最少的工程量获得最佳的承载效果，因此称为最佳嵌岩深度。,在嵌岩桩承载力计算时，如何考虑桩侧摩阻力是一个有争议的问题。一种意见认为嵌岩桩的端阻力很小，构成嵌岩桩承载力的主要是侧摩阻力，认为嵌岩桩是摩擦桩；另一种意见认为桩侧土的摩阻力在总承载力中所占的比例较小，一般不超过10%左右，在大约10m厚的土层中，桩侧土的摩阻力所占的比例更低，因此没有必要计入。,上述分歧的主要原因一是所依据的资料代表性不同，二是对桩侧摩阻力的理解不同，如将嵌岩部分的阻力定义为嵌固力而不是摩阻力，则将摩阻力限制在覆盖层土的作用，则土的摩阻力所占的比例就不一定很高，也不会将嵌岩桩作为摩擦桩来研究，两种意见也就可以统一。,嵌岩桩的端阻力在总承载力中所占的比例不高这是已为大量实测阻力所证明了的，也是得到公认的事实。但分析的角度不同，得到的观点也会有差异。根据国内外150根嵌岩桩的实测资料（其中国内39根，国外111根；无覆盖层20根，有覆盖层130根，长度L=3.055.0m，直径d=0.58.0m，L/d=163.7），给出了嵌岩桩在竖向荷载下端阻分担荷载比与桩的长径比之间的关系。,当L/d从1增加至20时，Qp/Qu自100%随L/d增大而递减至大约30%；当L/d从20增大至 63.7时，Qp/Qu一般不会超过30，其中大部分桩的Qp/Qu在20以下，不少桩在5以下。与此相对应，桩的侧阻力（严格地说应包括侧阻力和嵌固力）大约在L/d 1020时开始起主要作用，随L/d增大而增大，Qs/Qu一般保持在70以上，大部分在以上80%，不少桩在95%以上。,嵌岩桩的长度也越来越长，长径比越来越大，嵌岩桩的性状离端承桩也越来越远；嵌入基岩部分的桩与基岩的相互作用比较复杂，嵌岩段的侧阻力与底部的端阻力发挥的过程是不同的。嵌岩桩的端阻力在总承载力中所占的比例不高这是已为大量实测阻力所证明了的，也是得到公认的事实。,包括嵌固力在内的侧阻力占很大比例的原因有三点:1)较长的桩受荷后桩身的弹性压缩量比较大，桩土之间相对位移也比较大，足以使侧阻得以发挥；2)由于施工工艺的限制，桩底沉渣很难清除干净，桩愈长，沉渣愈难清除，沉渣的压实使桩身位移，提供了侧阻发挥的条件；3)由于岩石与桩的连接是脆性的，在比较小的位移条件下嵌固段的阻力就可以达到峰值，而且先于土的侧阻力得到发挥，嵌固深度愈深，端阻力的比例愈低。,嵌岩桩的承载性状,通过对比试验和对桩端阻力所占比例的分析可以得到嵌岩桩不一定是端承桩的概念，从而改变了人们对嵌岩桩承载性状的认识；其实质是认识嵌岩桩的侧阻力的存在和作用的问题，也是研究侧阻力的发挥条件的问题。,嵌岩桩与非嵌岩桩的试验结果,A2和A3进入中风化泥岩2.2m，B3和B4进入中风化泥岩0.4m。,桩身轴力随深度变化曲线比较,嵌岩与非嵌岩桩的荷载传递规律惊人地相似,增加了桩长，嵌入了岩石，但承载力并没有显著提高；桩身轴力随深度明显地减小；说明侧摩阻力得到了比较充分地发挥；嵌岩与不嵌岩的条件并不影响侧阻力的发挥；,进入新鲜岩石和强风化岩的比较,嵌入新鲜岩石和强风化岩石的桩的荷载传递规律也惊人地相似；嵌入强风化岩5d，d0.6m；嵌入风化泥质砂岩3.7m、新鲜泥质砂岩2.0m，d1.0m；两者的轴力都随深度递减；其端阻力都比较小；,嵌岩桩荷载传递的特点,1.大量资料表明，桩的侧阻力和端阻力之比都超过了60，大部分在80以上；2.桩侧阻力的分担比例随长径比（l/d）的增大而增大；3.当桩的长径比较大（l/d 35），而覆盖层又不太软弱的情况下，端阻力分担荷载的比例很小（5），且桩的破坏常因桩身破坏而引起。,嵌岩桩侧阻力的发挥,侧摩阻力在几个毫米时就可以发挥；桩身的压缩量很容易达到毫米级，就足以发挥侧摩阻力；因此，荷载是从桩顶依次向下传递；桩顶的荷载大部分被侧阻力所平衡；传给桩端的荷载就剩下不多了。,嵌岩段的侧阻力,嵌岩段的侧阻力是构成嵌岩桩竖向承载力的重要因素；嵌岩段的侧阻力在很小的相对位移时就能被调动起来；嵌岩段的侧阻力与桩嵌岩段岩石之间的粗糙程度有关。,嵌岩深度与端阻的关系,嵌岩桩的端阻与桩的极限承载力之比随嵌岩深度与桩的半径之比增大而急剧减小；桩嵌岩越深，端阻的贡献越小；与一般的观念正好相反。,嵌岩桩承载力的组成,嵌岩桩的承载力由3个部分组成，即土层的侧阻力、端阻力和嵌岩段的侧阻力；,端阻力和嵌岩段的侧阻力都和岩石的饱和单轴抗压强度建立联系，用经验的计算系数表示。,静 力 压 桩,静力压桩法是以设备本身自重（包括配重）作反力，液压驱动，用静压力将桩压入地基土中的一种沉桩工艺。这种施工工艺具有无震动、无噪声、无污染、无冲击力和施工应力小等特点。有利于沉桩震动对邻近建筑物和精密设备的影响，避免对桩头的冲击损坏，降低用钢量。在沉桩过程中还可以测定沉桩阻力，为设计和施工提供参数，预估和验证单桩极限承载力，检验桩的工程质量。,近年来，由于大吨位压桩机的出现，提高了静力压桩法施工的适用范围，能将长桩压入砂层，可适用于对单桩极限承载力设计要求超过5000kN的超高层建筑。例如在上海地区，曾使用800 t 压桩机，将0.50m0.50 m38.5m的预制方桩压进中密砂层（此层的静力触探比贯入阻力为12.5MPa）2.4m，至设计标高时的压桩阻力为4778kN5868kN，静载荷试验测定的单桩极限承载力为6750kN。,静力压桩方案成立的前提,能否将桩压到预定的深度？关注压桩阻力与设备的能力；压桩阻力与单桩承载力之间存在什么样的关系？能否用压桩阻力来估计承载力？能否用地层的静力触探数据来估计压桩阻力以选择压桩设备？,压桩阻力的性质,静力压桩施工过程中可以得到每根桩的压桩阻力，对判定桩的承载力和桩身质量是最直接的依据；但是，压桩阻力不等于桩的承载力；压桩阻力所反映的是桩体压入土中所需要克服的动阻力；是桩尖贯穿端部土层时的冲剪力。,压桩阻力与桩端土的类别和性质直接有关；又与桩长、桩距及桩群大小等因素有关；在粘性土中，压桩过程中的阻力最小，经过休息，土的强度逐渐恢复与增长，因此，承载力通常显著地高于压桩阻力；粉砂就相反，压桩时急剧升高的孔隙水压力夸大了桩的阻力，经过休息，孔隙水压力消散，端阻力下降，桩的承载力常会低于压桩阻力。,压桩经验的地方性特别强；各地的经验大致的趋势是相似的；但存在许多差别，与各地的地质条件及技术条件的不同有关；还缺少地方技术标准；更没有全国性的技术标准。,广东的经验,利用终止压力估计极限承载力值的范围桩长小于14m，0.600.8014m至21m，0.801.00大于21m，1.001.20,上海的经验,根据已有的估计单桩承载力来估计压桩阻力研究压桩阻力与承载力的关系,钢 管 混 凝 土 桩,钢管混凝土桩的承载特性,在软土覆盖层很厚的地区建造超高层建筑，常采用6070m长的超长桩。但实践表明，超长桩的承载能力常常由桩身强度控制的，地基对桩的承载能力没有充分得到发挥。为了充分发挥超长的钢管桩的承载能力，开发了一种新型的桩钢管混凝土桩，简称为SCP桩。,钢管混凝土桩的施工步骤是先将钢管桩沉至设计标高，然后用抛灌方法灌注微膨胀的混凝土直至灌满为止。由于钢管混凝土桩具有足够的桩身强度，可以获得较高的承载能力，桩径愈大，提高承载力的比例愈大。,