建筑地基基础测试.ppt

建筑地基基础现场测试,贺怀建中国科学院武汉岩土力学研究所,内 容,一、地基原位试验二、桩身质量检测新方法三、桩身内力和桩端阻力测试四、基桩静载试验五、波速测试六、基坑监测,一、地基原位试验,（一）原位测试的概念原位测试（In-Situ Testing）：在岩土体原有的位置上，在保持岩土的天然结构、天然含水量以及天然应力状态条件下测定岩土性质称为原位测试。土体原位测试：一般指的是在工程地质勘察现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标。,1、优点（与室内试验比较）不需经过钻探取样，直接测定岩土力学性质，更能真实反映岩土的天然结构及天然应力状态下的特性。原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大得多，因而更能反映土的宏观结构如裂隙等)对土的性质的影响，比土样具代表性。可重复进行验证，缩短试验周期。,2、土体原位测试的种类土体原位测试方法很多，可以归纳为下列两类：(1)土层剖面测试法(logging or stratigraphic profiling methods)：主要包括静力触探、动力触探、扁铲松胀仪试验及波速法等。土层剖面测试法具有可连续进行、快速经济的优点。(2)专门测试法(specific test methods)：主要包括载荷试验、旁压试验、标准贯入实验、抽水和注水试验、十字板剪切试验等。土的专门测试法可得到土层中关键部位土的各种工程性质指标，精度高，测试成果可直接供设计部门使用。其精度超过室内试验的成果。,3、土体原位测试的应用根据不同的测试方法（包括CPT、DPT、PLT、PMT、FVST、SDPT），其应用可归纳为：（1）、土层土类划分；（2）、求天然地基承载力；（3）、测定土的物理力学性质指标；（4）、在桩基勘察中的应用；（5）、评价砂土和粉土的地震液化；（6）、求解土的固结系数、渗透系数及不排水抗剪强度等；（7）、检验压实填土的质量及强夯效果；（8）、进行浅基础的沉降计算；（9）、其它。,（二）静力触探 1、定义静力触探(Static Cone Penetration Test,简称CPT)是借助机械把一定规格的圆锥形探头匀速压入土中，通过测定探头的端阻q，侧壁摩阻力f来确定土体的物理力学参数，划分土层的一种土体勘测技术。,静力触探首先在荷兰研制成功，因此静力触探也叫“荷兰锥”试验。按测量机理分：机械式静力触探和电测式静力触探按探头功能分：单桥静力触探、双桥静力触探、孔压静力触探电测式静力触探的优点：（1）测试连续、快速，效率高，功能多，兼具勘探与测试双重作用；（2）测试数据精度高，再现性好；（3）采用电测技术，便于实现测试工程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，减少了工作强度。,2、测试设备与种类设备组成：触探主机和反力装置触探主机可分为液压式和机械式反力装置可分为自重式和锚式 测量与记录显示装置 探头和探杆,触探主机为液压传动式的，反力装置为自重式。,单用（桥）探头 双用（桥）探头 多用（孔压）探头,3、测试原理,I电流R电阻 U电压（根据欧姆定律）,电阻应变片,电桥,4、测试步骤探头率定率定的目的是求出测量仪表的读数与荷载之间的关系率定系数率定的设备可分为两个主要部分a.可移动的活动架b.量力环,探头率定的步骤:a.安装设备b.把连着电缆线和记录仪表的探头安装上c.旋转手轮施加压力，边记录仪表上的读数 d.画压力读数曲线，一般情况下应该是直线e.求率定系数KK等于直线的斜率,野外测试的关键步骤:a.布孔位，平整场地b.安装触探机，并调平机座（为使贯入压力保持垂直方向），把机座与反力装置衔接 c.将探头、测量电缆、探杆连接起来，并检查测量仪表，并调零d.将连着探杆的探头压入地下，同时记录深度值和测量仪表的数据,注意事项：触探机就位后，应调平机座，并使用水平尺校准，使贯入压力保持竖直方向，并使机座与反力装置衔接、锁定。触探机的贯入速率应控制在1-2cm/s，一般为2cm/s；使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀。使用记读式仪器时，每贯入0.1m或0.2m时应记录一次读数。遇下列情况时应停止贯入：a、触探主机负荷达到其额定荷载的120%时；b、贯入时探杆出现明显弯曲；c、反力装置失效；d、探头负荷达到额定荷载时；e、记录仪器显示异常。,5、测试成果的应用CPT（静力触探）在土木工程中的应用特别广泛 土层划分:绘制CPT的贯入曲线（包括qc-H，fs-H，FR-H），然后根据相近的qc、fs和FR，将触探孔分层力学分层，并计算各参数的平均值。结合钻探取样，考虑临界深度进一步分层工程地质分层，并定土名。,临界深度模型试验及实测表明，地表厚层均质土的贯入阻力自地表向下是逐渐增大的。当超过一定深度后，阻力才趋近一个常数值，这个土层表面一定深度就称为临界深度。临界深度在砂土中表现明显，在粘土中基本不存在。,土类划分单桥探头根据Ps，Ps 大的一般为砂层，Ps 小的一般为粘土层。双桥探头 在划分土类时，以qc为主，结合fs（或FR），并在同一层内的触探参数值基本相近为原则。不同的土有不同的FR，砂类土 FR通常小于或等于1，粘性土FR常大于2。,确定土的物理力学性质指标CPT可以确定如 c,Cu,Dr,Es,sat,等土的物理力学性质指标。,确定浅基的承载力用静力触探确定地基承载力一般依据的是经验公式，是建立在静力触探与载荷试验的对比关系上。确定的是地基承载力的基本值，需经过修正。用于一般的建筑物。地基土的成因、时代及含水量等对静力触探求地基承载力的经验公式有影响，经验公式有地区性。,确定单桩的承载力静力触探机理和桩的作用机理类似，静力触探相当于沉桩的模拟试验。与静力触探相比，桩的表面粗糙，直径大，沉桩对桩周土的扰动大，沉降速度慢。应与桩载荷测试配合使用，互相验证。静力触探法计算单桩极限承载力的基本公式如下：,（三）孔压静力触探 1、定义孔隙水压力静力触探(Piezo Cone penetration Test)，简称孔压触探(CPTU)，它是在普通的CPT探头上安装了可以测量孔隙水压力的传感器，使贯入时能在测量q，s的同时，测量贯入引起的超孔隙水压力，当停止贯入时，可测量超孔隙水压力的消散过程及完全消散时的静止孔隙水压力u孔压触探是可测孔隙水压力的电测式静力触探。,孔压触探与一般的静力触探相比，具有下面一些突出优点：由于不同土体的渗透性差别很大，CPTU量测孔隙水压力的灵敏度很高，能够分辨12cm厚的薄土层土性的变化，因而可以详细分层。特别是在区分砂层和粘土层方面精度很高。可以量测到孔隙水压力，从而有可能进行有效应力分析。可以估算土体的渗透系数和固结系数。可以测定土层不同深度的静止水压力，获得地下水条件的资料。可以区分排水、部分排水和不排水的贯入条件。可计算土的超固结比，评价土层应力历史，计算静止侧压力系数k等。,2、孔压探头,3、孔压探头的饱和与标定,探头饱和的方法有加热排气法和真空排气法可以用水、硅油、甘油等对探头进行饱和孔压探头饱和与检验的装置,孔压探头测力传感器的检验与率定同常规探头对孔压探头，还应进行如下检验与标定1.饱和度检验（采用孔压响应试验）2.测力传感器与孔压传感器之间的干扰3.探头孔压传感器的绝缘性检验孔压传感器的率定孔压率定系数ku,（四）动力触探 1、定义动力触探测试(DPT:dynamic penetration test)：是利用一定的锤击动能，将一定规格的探头打入土中，根据打入土的难易程度（可用贯入度、锤击数或探头单位面积动贯入阻力来表示）判定土层性质的一种原位测试的方法。优点：（1）设备简单，且坚固耐用；（2）操作及测试方法容易，一学就会；（3）适用性广；（4）快速，经济，能连续测试土层；（5）有些动力触探，可同时取样，观察描述；（6）经验丰富，使用广泛。,分类：依据为穿心锤的重量和探头类型,标贯与一般动探的主要区别在于探头不同,圆锥动力触探简称动力触探或动探标准贯入测试(Standard penetration Test)简称标贯(SPT)：63.5kg的穿心锤自0.76m高处自由下落，撞击锤座，通过探杆将标准贯入器贯入孔底土层中，记录贯入0.30m的锤击数，用来测试土层物理力学参数的一种测试方法。每次测试共贯入0.45m，其中仅0.3m记锤击数,2、测试设备与测试原理 测试设备 a.探杆（包括导向杆）b.提引器（分内挂式和外挂式两种）c.穿心锤d.锤座（包括钢砧与锤垫）e.探头,测试原理DPT 的基本原理可以用能量平衡法来分析。在一次锤击作用下的功能转换按能量守恒原理，其关系可写成：Em=Ek+Ec+Ef+Ep+Ee 式中：Em-穿心锤下落能量；Ek-锤与触探器碰幢时损失的能量；Ec-触探器弹性变形所消耗的能量；Ef-贯入时用于克服杆侧壁磨阻力所耗能；Ep-由于土的塑性变形而消耗的能量；Ee-由于土的弹性变形而消耗的能量；,考虑在动力触探测试中，只能量测到土的永久变形，故将和弹性有关的变形略去，通过推导可得土的动贯入阻力Rd为：其中：e贯入度（mm），每击贯入的深度；M重锤质量；m触探器质量；A圆锥探头底面积（m2）,3、测试程序与要求（1）轻型动力触探 先用轻便钻具钻至试验土层标高以上0.3m处，然后对土层进行连续触探；试验时，穿心锤落距为0.500.02m，记录每打入0.30m所需的锤击数；如想取样，则需把触探杆拔出，换钻头进行取样。一般用于触探深度小于4m的土层。（2）中型动力触探（省略）,重型动力触探 试验前将触探架安装平稳，使触探保持垂直地进行。垂直度的最大偏差不得超过2%；贯入时应使穿心锤自由落下。地面上的触探杆的高度不宜过高，以免倾斜与摆动太大；锤击速率宜为每分钟15-30击；及时记录每贯入0.10m所需的锤击数；对于一般砂、圆砾和卵石，触探深度不宜超过12-15m；超过该深度时，需考虑触探杆的侧壁摩阻的影响；每贯入0.1m所需锤击数连续三次超过50击时，即停止试验。,4、测试成果的应用 划分土类或土层剖面锤击数越少，土的颗粒越细；锤击数越多，土的颗粒越粗。,动力触探直方图及土层划分,确定地基土承载力,确定单桩容许承载力,Meyerhof法,式中：B为桩宽度或直径m，h为桩进入砂层的深度m,日本法,式中：N1为桩端处的N值，N2为桩尖上10B范围内的平均N值,（五）载荷试验1、概述载荷平板试验是一种地基土的原位测试方法，可用于测定承压板下应力主要影响范围内岩土的承载力和变形特性。载荷试验可分为浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验和螺旋板载荷试验三种。浅层平板载荷试验适用于浅层地基土；深层平板载荷试验适用于埋深大于3m和地下水位以上的地基土；螺旋板载荷试验适用于深层地基土或地下水位以下的地基土。岩土工程勘察规范(GB50021-2001)第条规定，载荷试验应布置在有代表性的地点，每个场地不宜小于3个点，当场地内岩土体不均匀时，应适当增加试验点。浅层平板载荷试验应布置在基础底面标高处。,2、平板载荷试验平板载荷试验(PLT)是在一定面积的刚性承压板上加荷，通过承压板向地基土逐级加荷，测定地基土的压力与变形特性的原位测试方法。它反映承压板下1.52.0倍承压板直径或宽度范围内，地基土强度、变形的综合性状。平板载荷试验可用于以下目的：1）确定地基土承载力的特征值，为评定地基土的承载力提供依据。2）确定地基土的变形模量（排水或不排水）。3）估算地基土的不排水抗剪强度。4）确定地基土基床反力系数。5）估算地基土的固结系数。平板载荷试验分为浅层载荷试验和深层载荷试验，适用于各种地基土，特别适用于各种填土及含碎石的土。平板载荷试验反映承压板下不超过2倍承压板宽度（或直径）范围内地基土的特性，如在这影响范围内地基土为非均质土时，试验结果为一综合性状，给试验数据的分析造成一定的困难。,平板载荷试验基本理论典型的平板载荷试验ps曲线(p为施加于承压板上的压力)；s为在相应压力下的沉降）可分为3个阶段（见图）,直线变形阶段：当压力小于临塑荷载py（比例极限压力），ps成直线关系。剪切阶段：当压力大于py、小于极限压力pu,ps关系曲线由直线变为曲线。破坏阶段：当压力大于pu，沉降急剧增加。对于直线变形阶段，可以用弹性理论来分析压力与变形的关系。,平板载荷试验的技术要求：1)平板载荷试验的常用装置如图所示。2）承压板尺寸。承压板尺寸对评定承载力影响一般不大。对于含碎石的土，承压板宽度应为最大碎石直径的1020倍；对于不均匀的土层，承压板面积不宜小于0.5m2。一般情况下，宜用面积为0.250.5m2的承压板。3）承压板埋深对评定承载力有影响，一般要求承压板埋深等于零（要求荷载施加在半无限空间的表面），即承压板在基坑底面时，试坑宽度应等于或大于承压板宽度的3倍。在个别情况下，为了挖掘地基土承载力的潜力，可模拟实际基础的埋深进行有一定埋深的嵌入式载荷试验。,4）加荷方式：分级维持荷载沉降相对稳定法（常规慢速法）。分级加荷按等荷载增量均衡施加。荷载增量一般取预估试验土层极限荷载的10%20%，或临塑荷载的20%25%。每一级荷载，自加荷开始按时间间隔，10、10、10、15、15 min,以后每隔30min 观测一次承压板沉降，直至在连续2 h 降量不超过0.1mm/h,或连续1h内每30min沉降不超过0.05mm，即可施加下一级荷载。分级维持荷载沉降非稳定法（快速法）。分级加荷与慢速法同，但每一级荷载按间隔15min观察一次沉降。每级荷载维持，即可施加下一级荷载。等沉降速率法。控制承压板以一定的沉降速率沉降，测读与沉降相对应的所施加的荷载，直至试验达破坏状态。,5)试验结束条件，一般应尽可能进行到试验土层达到破坏阶段，然后终止试验。当出现下列情况之一时，可认为已达破坏阶段：在某级荷载作用下，24h沉降速率不能达到相对稳定标准；承压板周围出现明显侧向挤出，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；相对沉降(s/b)超过0.060.08。,浅层平板载荷试验要点岩土工程勘察规范（GB50021-2001)规定浅层平板荷载试验的要点为：1）地基土浅层平板荷载试验可适用于浅部地基土层的承压板下应力主要影响范 围内的承载力。承压板面积不应小于0.25m2,对于软土不应小于0.5m。2）试验基坑深度不应小于承压板宽度或直径的3倍。应保持试验土层的原状结构和天然湿度。宜在拟试压表面用粗砂或中砂找平，其厚度不超过20mm。3）加荷分级不应少于8级。最大加载量不应小于设计要求的2倍。4）每级加载后，按间隔10、10、10、15、15 min,以后每隔30mi测读一次沉降量，当在连续内2h沉降量小于0.1mm/h时，则认为已稳定，可加下一级荷载。,5）当出现下列情况之一时，即可终止加载：承压板周围的土明显地侧向挤出；沉降急剧增大，荷载沉降(ps）曲线出现陡降段；在某一级荷载下，24h 内沉降速率不能达到稳定；当沉降量与承压板或直径之比大于或等于0.06。当满足前三种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。,深层平板载荷试验的要点岩土工程勘察规范(GB50021-2001)规定深层平板载荷试验要点为：1)深层平板载荷试验可适用于确定深部地基土层及大直径桩桩端土层在承压板下应力主要影响范围内的承载力。2）深层平板载荷试验的承压板采用直径为0.8m的刚性板，紧靠承压板周围外侧的土层高度应不少于0.8m3）加荷等级可按预估极限承载力的1/101/15分级施加，以后为每隔。4）每级加荷后，第一个小时内按间隔10、10、10、15、15 min,以后每隔30mi测读一次沉降。当在连续2h内沉降量小于0.1mm/h时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。,5）当出现下列情况之一时，可终止加载：沉降s急剧增大，荷载-沉降(pS)曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且沉降量超过0.04d(d为承压板直径);在某 荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定；本级沉降量大于前一级沉降量的5倍；当持力层土层坚硬，沉降量很小时，最大加载量不小于设计要求的2倍。,试验资料的整理A相对稳定法试验 a 根据原始记录绘制ps和st曲线图。b 修正沉降观测值so 和 ps曲线斜率C。so 和C的求法有图解法和最小二乘法 图解法。在ps曲线草图上找出 比例界限点，从比例界限点引一直线，使比例界限前的各点均匀靠近该直线，直线与纵坐标交点的截距即为so。将直线上任意一点s、p和so代入下式求得C值：S=so+Cp(7-1),最小二乘法。计算式如下：解上两式得式中 N 加荷次数so 教正值，cmp 单位面积压力，kpas 各级荷载下的原始沉降，cmC 斜率,求得so和C值后，按下述方法修正沉降观测值，对于比例界限以前各点，根据C、P值按s=Cp计算；对于比例界限以后各点，则按s=s-so计算。根据p和修正后的s值绘制ps曲线。,二、桩身质量检测,检测前的准备工作,根据桩径大小，受检桩宜布置2个4个检测点，每个检测点记录的有效信号数不宜少于3个。,D,桩头处理,凿掉浮浆或松散、破碎部分，露出新鲜混凝土桩头的材质、强度、截面尺寸应与桩身基本等同 敲击点与传感器安装点打磨平整 桩头干净干燥、无破碎,传感器安装,传感器放置距桩心2/3 R处且安装位置平整尽可能使传感器垂直与桩头平面，空心桩的激振点与测量传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成的夹角宜为90度，激振点和测量传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处 桩顶面应平整、密实、并与桩轴线基本垂直,在桩中传播的应力波,基本假设：一维杆平面波压缩、拉伸（纵波）,在桩中传播的应力波,表面波,质点振动,软材料,底部反射,硬材料,在桩中传播的应力波,L,L,L,当波长大于L时，应力波将产生绕射,在桩中传播的应力波,桩身截面变小,在桩中传播的应力波,桩身截面变大,在桩中传播的应力波,半断桩,断桩,在桩中传播的应力波,离析桩,扩底桩,在桩中传播的应力波,嵌岩桩,应力波波速计算,桩身混凝土纵波波速可按下列规定进行判定：应力波在桩身内的传播速度c可根据实测波形测得的时间参数按下列公式计算：,桩身完整的摩擦桩纵波波速计算示意图,C=2000L/tC=2L*f,平均波速计算,式中：Cm桩身材料的纵波平均波速值(m/s)；Ci第i根桩的波速(m/s)；n参加计算的桩数。,nCm=Ci/n i=0,单位工程的桩身混凝土平均波速值应由桩身结构完整的工程桩的波速来计算确定，参加计算的工程桩数量不应少于5根，可按下式计算：,可能出现的问题,蜂窝,疏松,夹泥,缩径,裂纹,弯曲,沉渣,浮浆,可能出现的问题,接缝,断裂,裂纹,内部裂纹,松散,缺损,可能出现的问题,（1）泥浆护壁成孔灌注桩塌孔在成孔过程中或成孔后，孔壁塌落，造成钢筋笼放不到底，桩底部形成泥夹层，影响桩基承载力缩孔孔径小于设计孔径梅花孔孔断面形状不规则，呈梅花形断桩成桩后，桩身中部没有混凝土，夹有泥土；混凝土拉裂,（2）沉管灌注桩缩径成形后的桩身局部小于设计要求断桩及桩身混凝土坍塌桩身局部分离，甚至有一段没有混凝土；桩身某一部位混凝土坍塌，坍塌处上部没有混凝土桩身夹泥桩身混凝土有泥夹层,可能出现的问题,（3）干作业成孔灌注桩孔底虚土过厚超过规范要求；桩身混凝土质量差桩身有蜂窝、空洞、桩身夹土、分段级配不均匀；塌孔成孔后孔壁局部塌落；斜孔桩孔垂直偏差超过规范要求。,可能出现的问题,（4）预制桩裂隙运输过程和打入时产生裂隙；接头胶结不好两节桩未对接好或不在一直线上。,可能出现的问题,基桩开挖,沉管灌注桩：=0.35m L=5.8m V=3300m/s,距桩顶2.8m处，缩3/5,距桩顶3m处，断,距桩顶2.8m处，缩3/5,172#,173#,174#,基桩开挖,0.9米处轻度缩径，3米处严重缩径,基桩开挖,桩型：成孔灌注桩桩径：0.40m桩长：13.6m,0.98m处空洞,基桩开挖,桩型：成孔灌注桩桩径：0.40m桩长：15m,基桩开挖,桩型：挖孔桩桩长：17.2m,2.6处严重的缺陷,（二）旁孔透射波法,一种用旁孔透射波法检测既有建筑物基桩质量的方法，它是通过在既有建筑物基桩旁埋设平行于基桩的PVC管，利用工程地震仪沿PVC管深度方向测试经基桩透射过来的地震波，根据检波器所接收到地震波的初至时间和振幅来判断基桩长度和完整性的方法。,该测试方法的原理是：地震波在基桩的传播速度远远大于在桩周土，而衰减系数小于桩周土，当检波器远离基桩底端时，接收到的地震波在土壤中传播的距离增大，必然加大初至时间的后延且加速振幅的衰减，同理在基桩缺陷的位置也会出现初至时间的突然增大和振幅的突然衰减，因此可通过对地震波波列初至时间和振幅综合分析，判断基桩长度和完整性。,不密实区和空洞,不密实区和空洞检测基本方法,不密实区和空洞,不密实区和空洞检测基本方法,钻孔灌注桩缺陷,钻孔灌注桩质量检测方法示意图,钻孔灌注桩缺陷,声测管布置示意图,钻孔灌注桩缺陷,声测管安装示意图,钻孔灌注桩缺陷,缺陷范围的确定,钻孔灌注桩缺陷,缺陷范围的确定,三、桩身内力和桩端阻力测试,滑动测微计,80 年代初,瑞士联邦苏黎世科技大学K.Kovari 教授等提出了线法监测原理。其显著特点区别于以应变计为代表的点法监测原理。点法监测只能测定元件埋设处的应变信息,而线法监测是连续地测量相邻2 点间的信息,从而导出整条测线上的变形分布。本工程采用瑞士生产的滑动测微计，运用线法检测原理，确定灌注桩在荷载作用下轴力、摩阻力、端承力等参数及其变化规律。,四、基桩静载试验,作用于桩顶的竖向荷载Q是由桩侧土的总摩阻力Qs和桩端土的总端阻力Qp 共同承担。,Qs桩侧总摩阻力；,Qp桩端总阻力。,当桩顶荷载加大到极限值时,Qu单桩的极限承载力；,Qpu单桩总极限端阻力。,Qsu单桩总极限摩阻力；,1、单桩竖向荷载的传递机理,研究表明，桩顶受竖向荷载Q后，首先，桩身上部受到压缩而产生相对土的向下位移，与此同时，桩侧表面受到土的向上摩阻力Qs的作用。随着荷载增加，桩身压缩量和位移量逐渐增加，桩身下部的摩阻力也做逐渐被调动并发挥。桩身荷载传至桩底，桩底土层受到压缩而产生桩端阻力Qp，即作用于桩顶的荷载通过桩侧阻力与桩端阻力传递到桩周土层中。一般说来，靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，而侧阻力先于端阻力发挥出来。荷载传递过程中，Qs、Qp的发挥程度与桩土间的相对位移情况有关。当桩身全长的侧阻力都到达极限值之后，桩顶荷载增量就全归桩端阻力承担，直到桩底持力层破坏、无力支持更大的桩顶荷载为止。此时，桩项所承受的荷载就是桩的极限承载力。由此可见，单桩轴向荷载的传递过程就是桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程。,(a)轴向受压的桩(b)轴力分布(c)摩阻力分布(d)截面位移 桩土体系荷载传递分析,（1）桩侧摩阻力qs,由微分段dz的竖向平衡可求得,微分段dz的压缩量为：,式中：A桩身截面积；Ep桩身弹性模量；u桩身周长。,以桩顶为坐标原点，积分得：,设测出的桩顶位移为s0，则桩身某截面的位移为桩顶位移与该截面范围内桩身压缩量之差：,由（1）（2）得,单桩轴向荷载传递基本微分方程（2）,通过在桩身埋设应力或位移测试元件，获得桩身轴力分布图，就可作出摩阻力qs(z)、截面位移s(z)分布图。,砂土中实测桩侧摩阻力随桩身的分布,（2）桩端阻力qp,理论分析,端阻的深度效应,建筑桩基技术规范中汇聚了国内大量试桩资料，按不同类型的桩分别给出了极限端阻力的深度范围，例如：预制桩或水下钻孔桩：30m；沉管灌注桩和干作业钻孔桩：15m；仍需作进一步研究。,（3）桩的荷载传递一般规律,(2)桩土刚度比Ep/Es越大，传递到桩底的荷载就越大，但当Ep/Es超过1000后，对桩端阻力分担的荷载比影响不大，而对Ep/Es小于等于10的中长桩,桩端阻力分担的荷载为0。,(3)桩端扩底直径与桩身直径比D/d越大,桩端阻力分担的荷载比也大.,(4)桩的长径比l/d越大,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.当桩长l/d超过100 时,上述各种影响都将大大减弱，甚至失去意义。,桩端土与桩侧土的模量比Eb/Es越小，桩身轴力沿深度衰减越快，即传递到桩端的荷载越小。,桩身材料屈服：端承桩、超长桩；持力层土的整体剪切破坏：摩擦桩；刺入剪切破坏：均质土中的摩擦桩，无明显拐点；沿桩身侧面纯剪切破坏：钻孔灌注桩存在泥浆。,（4）单桩的破坏模式,2、单桩竖向承载力的确定,单桩竖向承载力的确定，取决于两方面：其一，桩身的材料强度；其二，地层的支承力设计时分别按上述两方面确定后取其中的小值。,单桩竖向极限承载力Qu，桩侧总极限摩阻力Qsu和桩端总极限阻力Qpu组成，若忽略二者间的相互影响，可表示为：,单桩竖向承载力特征值Ra 建筑地基基础设计规范,通常单一安全系数K2;分项安全系数KsKp,单一安全系数法：,分项安全系数法：,单桩竖向承载力的确定方法：静载荷试验法静力触探法标准贯入法动力分析法经验分析法（按规范经验参数法),建筑桩基技术规范对单桩竖向承载力的确定有如下规定：一级建筑桩基：现场静载荷实验，结合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定；二级建筑桩基：静力触探、标准贯入、经验参数估算，并参照地质条件相同的试桩资料，当缺乏可参照的试桩资料或地质条件复杂，应由现场静载荷试验确定；三级建筑桩基：如无原位测试资料时，利用承载力经验参数估算。,静载荷试验是评价单桩承载力诸法中可靠性较高的一种方法。试验要求：成桩后间歇时间：挤土桩在设置后须隔一段时间才开始载荷试验。这是由于打桩时土中产生的孔隙水压力有待消散，且土体因打桩扰动而降低的强度也有待随时间而部分恢复。所需的间歇时间：预制桩在砂类土中不得少于7天；粉土和粘性土不得少于15天；饱和软粘土不得少于25天。应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行。测桩数：在同一条件下，进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的1，且不应少于3根。试验装置：主要包括加荷稳压部分、提供反力部分和沉降观测部分。静荷载一般由安装在桩顶的油压千斤顶提供。千斤顶的反力可通过锚桩承担，或借压重平台上的重物来平衡。量测桩顶沉降的仪表主要有百分表或电子位移计等。,静载荷试验方法,加荷装置：,试验方法、终止加载条件：（1）加载 逐级等量加载，分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10，其中第一级可取分级荷载的2倍。为设计提供依据的竖向抗压试验测试应采用慢速荷载维持法（满足连续两小时内每小时的桩顶沉降量不超过0.1mm的相对稳定标准时，施加下一级荷载）。每级荷载施加后按第5，15，30，45，60min测读桩顶沉降量（及桩侧阻力与桩端阻力），以后每隔30min测读一次。工程桩验收检测宜采用慢速荷载维持法。当有成熟的地区经验时，也可采用快速荷载维持法（每级荷载至少维持1h，是否延长维持荷载时间应根据桩顶沉降收敛情况确定）。(2）卸载分级卸载，每级卸载量取分级加载量的2倍。每级荷载维持1h,按第15，30，60min测读测试值。卸载至零后，测读桩顶残余沉降量，维持3h，测读时间为第15，30min，以后每隔30min测读一次。,（3)终止加荷条件 某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍。（注：当桩顶沉降能相对稳定且总沉降量小于40mm时，宜加载至桩顶总沉降超过40mm。）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到稳定标准。已达到设计要求的最大加载量。工程桩做锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值。当荷载一沉降曲线呈缓变型时，加载至桩顶总沉降量达6080mm；特殊情况下，根据具体要求加载至桩顶总沉降量超过80mm。,单桩承载力确定 试验成果：竖向荷载一沉降（Q-s）曲线；沉降一时间对数（s-logt)曲线。单桩竖向抗压极限承载力Q。按下列方法综合确定：根据沉降随荷载变化特征确定。对于陡降型Q-s曲线，其发生明显陡降的起始点对应的荷载值。根据沉降随时间变化的特征值确定。取s-logt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。根据相对稳定标准确定。某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到稳定标准时，取前一级荷载值。,根据沉降量确定。对于缓变型Q-s曲线，一般取：s=40 60mm 对应的荷载值（当桩长大于40m时，宜考虑桩身弹性压缩量）；对于大直径桩可取：s（0.030.06)D（D为桩端直径，大直径取低值，小直径取高值）所对应的荷载值；对于细长桩(l/d80)可取，s=6080mm对应的荷载值。按上述四款判定桩的竖向抗压承载力未达到极限时，取最大试验荷载值。(3)确定竖向抗压极限承载力的统计值的要求：参加统计的试桩结果，当满足其极差不超过平均值的30时，取其平均值；极差超过平均值的30时，应分析极差过大的原因，综合工程具体情况确定，必要时可增加试桩数量；对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3根时，应取低值。(4)单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值R。应按单桩竖向抗压极限承载力统计值的一半取值。,试验成果：,试桩静荷载试验曲线,试桩静荷载试验曲线,试桩静荷载试验曲线,试桩桩身压缩曲线,试桩桩端摩阻力比曲线,试桩S2、S3沿桩身摩阻力分布曲线,试桩S1桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线,自平衡法，是一种基于在桩基内部寻求加载反力的静载荷试验方法。相应地，这种试验方法的实施技术，称为“自反力法测桩技术”或者“自平衡法测桩技术”。,3、自平衡法,Osterberg试桩法的主要特点,O-cell可放在桩身的不同部位,O-cell法在国外的应用,国外应用Osterberg试桩法测得的最大单桩承载力（t=美吨=2000磅）,日本的一项研究成果,日本学者曾于1960年代末提出桩底加载法，并获得专利,清华大学李广信教授进行了不同加载方式下桩侧阻力研究及模型试验+现场试验,江苏南京的研究应用,1997、2000 龚维明教授申请获得了“桩承载力测定装置”及“桩承载力测定用荷载箱”专利 提出了“自平衡法”之名称桩承载力自平衡测试技术规程出台 在国内大面积推广,O-cell法的优点和局限性,它是一种构思独特、装置简单，试验方便安全，有巨大推广价值的试桩方法 由于试桩的受荷状态，毕竟不同于桩在正常工 作时的状态，诸多问题有待深入研究,例如：桩侧阻力的问题 荷载箱的摆放位置，影响试桩结果 判定单桩承载力的方法不一，有待研究 对长桩测试可能问题较多；对嵌岩桩测试较好 不能应用于桩基竣工后检测，等等,某地方标准第一节总则第1.1条称：“自平衡试桩法是接近于竖向抗压（拔）桩的实际工作条件 的一种试桩方法”。,几个问题供大家商榷（一）,几个问题供大家商榷,“自平衡法”，要找到自平衡点，是一个困难 而又复杂的问题（龚维明教授语）所谓“自平衡法”已经纳入某一行标，等 所谓“美国在80年代在研究自平衡法”,几个问题供大家商榷（三）,已经发现此法最大的问题可能是，所测得的单桩 承载力将会随着荷承箱摆放位置不同而不同。,几个问题供大家商榷(四）,判定单桩承载力目前有简化转换法、等效转换法，还有精确法，等等，以及经处理而得.-岩土工程不求计算精确，只求判断正确（顾宝和大师语）实际上，已做的试验大多是成功的，也有失败的，亟需总结交流；建议举行专题研讨会；建议拟订有关规程,大多数桩以承受竖向荷载为主，有时也要承受一定的水平荷载。作用于桩顶的水平荷载性质包括：长期作用的水平荷载：如上部结构传递的或由土、水压力施加的以及拱的推力等水平荷载；反复作用的水平荷载：如风力、波浪力、船舶撞击力以及机械制动力等水平荷载；地震作用所产生的水平力。若桩基以承受水平荷载为主，可考虑采用斜桩。但受斜桩施工施工条件的限制，且一般的工民建筑所承受的水平荷载不大，如果不超过竖向荷载的1/101/12，应采用竖直桩。本节只讨论竖直桩。,（二）水平静荷载法,1、水平荷载种类,桩的水平（横向）承载力指桩能够承担的水平力的大小。对于抗弯性能差的桩（如低配筋率的灌注桩）：水平承载力可能由桩身强度来控制；对于抗弯性能好的桩（如钢筋混凝土预制桩）：通常由桩周围土体所能提供的横向抵抗力控制，且以桩顶水平位移达到一定值或桩侧土出现明显破坏，作为桩达到横向极限承载力的标志。水平承载力与桩身抗弯刚度、桩周土的刚度、桩的入土深度、桩顶约束条件有关。桩顶嵌固于承台中的桩比桩顶自由的桩，水平承载力要大。,2、影响桩水平承载力的因素,3、水平荷载下桩的工作性状,取决于桩-土之间的相互作用：作用过程大概如下：在水平荷载作用下，桩产生变形并挤压桩周土，促使桩周土发生相应的变形而产生水平抗力。水平荷载较小时，桩周土的变形是弹性的，水平抗力主要由靠近地面的表层土提供；随着水平荷载的增大，桩的变形加大，表层土逐渐产生塑性屈服，水平荷载将向更深的土层传递；当桩周土失去稳定、或桩体发生破坏（低配筋率的灌注桩常是桩身首先出现裂缝，然后断裂破坏）、或桩的变形超过建筑物的允许值（抗弯性能好的混凝土预制桩和钢桩，桩身虽未断裂但桩周土如已明显开裂和隆起，桩的水平位移一般已超限）时，水平荷载也就达到极限。,依据桩、土相对刚度不同，水平荷载作用下的桩可分为：刚性桩、半刚性桩、柔性桩。半刚性桩和柔性桩统称为弹性桩。（1）刚性桩：当桩很短或桩周土很软弱时，桩、土的相对刚度很大，属刚性桩。刚性桩的桩身不发生挠曲变形且桩的下段得不到充分的嵌制，因而桩顶自由的刚性桩发生绕靠近桩端的一点作全桩长的刚体转动（图 a)，而桩顶嵌固的刚性桩则发生平移（图b）。刚性桩的破坏一般只发生于桩周土中，桩体本身不发生破坏。刚性桩常用B.B.布诺姆斯（Broms，1964）的极限平衡法计算。,（2）弹性桩：半刚性桩（中长桩）和柔性桩（长桩）的桩、土相对刚度较低，在水平荷载作用下桩身发生挠曲变形，桩的下段可视为嵌固于土中而不能转动，随着水平荷载的增大，桩周土的屈服区逐步向下扩展，桩身最大弯矩截面也因上部土抗力减小而向下部转移，一般半刚性桩的桩身位移曲线只出现一个位移零点（图a、a），柔性桩则出现两个以上位移零点和弯矩零点（图b、b）。当桩周土失去稳定、或桩身最大弯矩处（桩顶嵌固时可在嵌固处和桩身最大弯矩处）出现塑性屈服、或桩的水平位移过大时，弹性桩便趋于破坏。,4、单桩水平静载荷试验,目前，确定单桩水平承载力的方法有两类：现场试验；理论计算。现场静载荷试验结果更可靠。,试验装置,加荷方法 对于承受反复作用的水平荷载的桩基，其单桩试验宜采用多循环加卸载方式。每级荷载的增量为预估水平极限承载力的1/101/15，或取2.520kN（当桩径为300l000mm时）。每级各加卸载5次，即每次施加不变的水平荷载4min；（用千斤顶加荷时，达到预计的荷载值所需要的时间很短，不另外计算），卸载2min;或者加载、卸载各10min，并按上述时间间隔记录百分表读数，每次卸载都将该级荷载全部卸除。承受长期作用的水平荷载的桩基，宜采用分级连续的加载方式，各级荷载的增量同上，各级荷载维持10min并记录百分表读数后即进行下一级荷载的试验。如在加载过程中观测到l 0min时的水平位移还未稳定，则应延长该级荷载的维持时间，直至稳定为止。其稳定标准可参照竖向静载荷试验。终止加荷的条件 当出现下列情况之一时，即可终止试验：(1)桩身已断裂；(2)桩侧地表出现明显裂缝或隆起；(3)桩顶水平位移超过30一40mm（软土取40mm）；(4)所加的水平荷载已超过按下述方法所确定的极限荷载。,资料整理 由试验记录可绘制桩顶水平荷载一时间一桩顶水平位移曲线（H0-t-u0）（如图4-26）及水平荷载一位移梯度曲线（H0-u0/H0）（图4-27）。当具有桩身应力量测资料时，尚可绘制桩身应力分布图以及水平荷载与最大弯矩截面钢筋应力曲线(H0-g），如图4-28所示。,水平临界荷载与极限荷载 根据一些试验成果分析，在上列各种曲线中常发现两个特征点，这两个特征点所对应的桩顶水平荷载，可称为临界荷载和极限荷载。水平临界荷载（Hcr）是相当于桩身开裂、受拉区混凝土不参加工作时的桩顶水平力。其数值可按下列方法综合确定：a 取H0-t-u0曲线出现突变点（在荷载增量相同的条件下出现比前一级明显增大的位移增量）的前一级荷载。b 取H0-u0/H0曲线的第一直线段的终点所对应的荷载。c 取H0-g曲线第一突变点对应的荷载。,水平极限荷载（Hu）是相当于桩身应力达到强度极限时的桩顶水平力，此外