第八讲 桩基础(3)概要课件.ppt

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1、基础工程,东南大学,主讲教师 ： 童立元 电 话： 83795005E-mail:,第 06 讲,1 基桩水平承载力,3 桩基内力和位移计算,主要内容,4 桩基础设计,2 基桩内部稳定承载力验算,1 水平荷载作用基桩承载力,水平荷载,长期作用反复作用瞬间作用,基本问题,水平承载力荷载效应分析基桩内力及位移,设置方向,垂直设置倾斜设置,破坏特征,桩身断裂桩侧土开裂隆起,基桩水平承载力,确定方法,基桩水平静载荷试验，可同步测试基桩内力。,理论计算方法，包括根据桩顶位移限制，采用水平荷载基桩计算理论；桩身材料强度和抗裂结构设计原理确定。,地区经验方法,基桩水平承载力静载荷试验,试验装置,加载方式,试

2、桩、反力装置、加载传力系统、变形量测系统等。,单向多循环加卸载 每级荷载增量2.5kN20kN 加载4min，卸载2min，或 加载10min，卸载10min。分级连续加载 各级荷载维持10min。,试验装置示意图,终止条件,试验曲线,试桩桩身断裂桩侧地表隆起桩顶位移2030mm或软土30mm达到极限荷载,H0tu0曲线或H0u0曲线H0u0/ H0（位移梯度）曲线H0g曲线,试验成果曲线,成果整理,H0tu0曲线第1突变点前一级荷载H0u0曲线第1直线段终点H0u0/ H0曲线第1直线段终点H0g曲线第1直线段终点,临界荷载Hcr,极限荷载Hu,H0tu0曲线包络线凹向确定H0u0曲线明显陡

3、降点H0u0/ H0曲线第2直线段终点H0g曲线桩身断裂钢筋应力流变的前一级荷载,工程应用,临界荷载Hcr作为单桩水平承载力 基值H0极限荷载Hu确定容许承载力应除以安全系数2地面处水平位移10mm（6mm）为单桩水平承载力设计值,地区经验,北京灌注桩(D=400，612)，H0=4060kN，约为轴向容许承载力的1/101/20。广东灌注桩（ D=340 ） H0=10kN，约为轴向容许承载力的1/30,基桩水平容许承载力预测方法,灌注桩配筋率0.65%时,灌注桩配筋率0.65%时，以及预制桩、钢桩等,群桩时，水平承载力设计值,单桩,基桩,桩身最大弯矩系数和桩顶水平位移系数,基桩荷载作用效应

4、,基桩水平承载力验算,基桩水平承载力验算,2 基桩内部稳定承载力验算,轴向受压,桩作为一根全部或部分埋入土中的轴向受压杆件,压屈作用,细长轴向受压杆件或偏心受压杆件，宜发生轴向挠曲而压屈失稳,b桩的工作条件系数，0.95c砼的安全系数，1.25s钢筋安全系数，1.25,轴向受压,临界荷载Ni,分项修正系数,当 3%,砼桩纵向弯曲系数,1.0,系数与参数lp/b (or lp/d or lp/r）负相关,桩受弯时的计算长度lp,偏心受压,钢筋半径相对系数,偏心增大系数,当 3%，Ih=1.2Ih,其中，C1、C2和C3分别为钢筋表面形状系数、荷载作用系数和构件形式系数。容许裂缝宽度，一般分布0.

5、2mm0.25mm，根据受弯构件荷载组合确定。,最大裂缝宽度,3 桩基内力和位移计算,基本概念,将桩作为弹性地基上的梁，按文克尔假定进行求解，简称弹性地基梁法。 文克尔假定，梁身任意点土抗力与该点位移成正比，从土力学观点不够严密，但概念明确、方法简单。 求解的方法一般有，半解析解(幂级数解、积分方程解、微分算字解等)、有限差分法和有限单元法等。,地基水平抗力系数C,横向土抗力文克尔假定,地基系数C定义为，弹性限度内，单位面积土单位变形所产生力，kN/m3。 地基系数C，主要与土的分类、土体性质有关。 同时，地基系数C与桩身刚度、桩的入土深度、桩的截面性状、桩距和荷载水平等相关。,地基系数分布规

6、律与横向抗力计算,地基系数计算方法,“m”法,“K”法,“c”法,“常数”法,实测结果表明，上部土层对桩的位移和内力起主要影响。因此， 超固结土和地面为硬壳层时，可考虑“常数法”； 其他土层一般采用“m”法和“C”法，桩径较大容许位移较小时，宜选用“C”法； “K”法误差较大，较少采用。,刚性桩、弹性桩和柔性桩,刚性桩,弹性桩,长桩或柔性桩,“m”法,“m”法地基系数的比例系数m值，可根据试验实测决定，或按下表选用。,关于地基系数比例系数m值讨论,“m”法中，地基系数的比例系数m值，应随荷载和位移增加，而有所降低。 一般结构在地面处最大位移不超过10mm，对位移敏感结构不超过6mm，可按表中取

7、m值。 当位移相对较大时，应适当降低表列m值。,主要影响层hm范围内为多层土时，需换算当量m值。,多层土地基比例系数m换算示意图,桩的计算宽度,桩在水平荷载作用下，桩身受力作用平面宽度范围内桩侧土受力外，桩身外一定范围土亦受到一定影响，不同截面形状的桩，受到影响的范围不同。 计算时简化为平面受力，即将桩的设计宽度（直径），换算成相当的工作条件下矩形截面桩的宽度b0。,形状换算系数与受力换算系数,桩间相互影响系数,桩间净距,桩间净距,计算深度,水平受荷桩理论分析扰屈方程,力与位移的符号规定,水平受荷桩扰屈方程求解,材料力学,桩身各截面弯矩主要是检验桩的截面强度和配筋计算，弯矩最大截面位置ZMma

8、x和最大弯矩Mmax确定可以采用：1.计算绘制Mzz图，图解求得。2.数值解法，即求解剪力Q=0处的截面位置和弯矩,工程应用,应用1最大弯矩位置和最大弯矩,4 桩基础设计, 调查研究，场地勘察，收集资料； 勘察报告、荷载性质、使用要求、上部结构等确定桩基持力层； 选择桩材，确定桩的类型、外形尺寸和构造； 确定单桩承载力设计值； 上部结构荷载，初步拟定桩的数量和平面布置； 桩平面布置，初步拟订承台的轮廓尺寸及承台底标高； 验算作用于单桩上的竖向和横向荷载； 验算承台尺寸及结构强度； 必要时，验算桩基的整体承载力和沉降量，当桩端下有软弱下卧层时，验算软弱下卧层的地基承载力； 单桩设计，绘制桩和承台

9、的结构及施工详图。,桩基础的设计应力求选型恰当、经济合理、安全适用，对桩和承台有足够的强度、刚度和耐久性；对地基（主要是桩端持力层）有足够的承载力和不产生过量的变形。,桩型的选择,桩基设计时，首先应根据建筑物的结构类型、荷载情况、地层条件、施工能力及环境限制（噪音、振动）等因素，选择预制桩或灌注桩的类别。,环境条件,在居民生活、工作区周围，应避免使用锤击、振动法沉桩的桩型；当工作区周围环境存在市政管线或危旧房屋，对挤土效应较敏感时，避免使用。,结构荷载,荷载是选择桩型时考虑的重要条件之一。 预制小方桩、沉管灌注桩受桩身穿越硬土层能力和机具施工能力的限制，不能提供很大的单桩承载力，因此仅适用于多

10、层、小高层建筑； 对于大直径钻孔（扩底）灌注桩、钢管桩、嵌岩桩等几种桩型，可以提供很大的竖向、侧向单桩承载力，可满足超高层建筑和桥梁、码头的要求。,地质、施工条件,桩型的选择要求所选定桩型在该地质条件下是可以施工的，施工质量是有保证的，最大限度地发挥地基和桩身承载能力。 对于基岩或密实卵砾石层埋藏不深的情况，通常首先考虑桩的端承作用，采用扩底桩，如地下水位较深或覆盖层渗透系数很低，可采用大直径挖孔扩底桩。 当基岩埋藏很深时，则只能考虑摩擦桩或端承摩擦桩；但如果上部建筑物要求不能产生过大的沉降，应使桩端支承于具有足够厚度的性能良好的持力层（中密以上的厚砂层或残积土层）。 不同的桩型有不同的工艺特

11、点，成桩质量的稳定性也差异较大，一般预制桩的质量稳定性要好于灌注桩。,1、同一结构单元宜避免采用不同的桩 同一基础相邻桩的桩底标高差，非嵌岩端承型桩，不宜超过相邻桩中心距；摩擦型桩，在相同土层中不宜超过桩长1/10。 一般情况下，同一建筑物应该尽量采用相同桩径的桩基，但当建筑物基础平面范围内的荷载分布很不均匀时，可根据荷载和地基的地质条件采用不同直径的基桩。 2、选择较硬土层作为桩端持力层 尽可能选定硬土层作为桩端持力层和下卧层，初步确定桩长。强度较高、压缩性较低的粘性土、粉土、中密或密实砂土、砾石土以及中风化或微风化的岩层，是常用的桩端持力层。如果饱和软粘土地基深厚，硬土层埋深过深，可采用超

12、长摩擦桩方案。,几何尺寸确定,3、桩端全断面进入持力层的深度 粘土、粉土不宜小于2d ；砂土不宜小于 1.5d；碎石类土不宜小于 1d 。 存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于 4d 。 嵌岩灌注桩的周边嵌入微风化或中等风化岩体的最小深度不宜小于0. 5m，以确保桩端与岩体接触。 4、考虑经济条件 当所选定桩型为端承桩，而坚硬持力层又埋藏不太深时，尽可能考虑采用大直径（扩底）单桩； 对于摩擦桩，则宜采用细长桩，以取得桩侧较大的比表面积，但要满足抗压能力的要求。,竖向轴心荷载和竖向偏心荷载作用下的桩数，可按下式估算： 式中：F作用于桩基承台顶面的竖向力设计值； G桩基承台和承台上土自重

13、设计值，自重荷载分项系数当 其效应对结构不利时取 1.2 ，有利时取 1.0 ；并应对地下 水位以下部分扣除水的浮力 ; 考虑偏心荷载时各桩受力不均而增加桩数的经验系数， 可取,确定桩数及其平面布置,桩数确定,桩的间距过大，承台体积增加，造价提高；间距过小，桩的承载能力不能充分发挥，且给施工造成困难。桩的最小中心距应符合下表 的规定。对于大面积桩群，尤其是挤土桩，桩的最小中心距宜按表列值适当加大。,桩的中心距,排列基桩时，宜使桩群形心与长期荷载重心重合，并使桩基受水平力和力矩较大方向有较大的抵抗矩。 桩在平面内可布置成方形、矩形、三角形和梅花形等。,桩群的布置,式中：0建筑桩基重要系数，安全等

14、级为一、二、三级建筑 物分别取1.1，1.0，0.9 N桩顶轴向压力设计值； 纵向弯曲系数，对低桩承台，取=1.0 fc混凝土轴心抗压强度设计值，施工工艺系数，干作业 非挤土灌注桩乘以 0.9，泥浆护壁和套管护壁非挤土 灌注桩、部分挤土灌注桩应乘以 0.8； A0桩身截面面积。,桩身截面强度计算,桩身结构强度验算需考虑整个施工阶段和使用阶段期间的各种最不利受力状态。预制混凝土桩，吊运和沉桩过程中所产生的内力控制设计；灌注桩的桩身结构设计由使用荷载确定。,材料强度确定单桩抗压承载力,低承台下单桩,k桩在吊运过程中可能受到的冲撞和振动影响， 而采取的动力系数k=1.5,q桩单位长度的自重。,预制桩

15、施工过程桩身结构计算,预制桩施工过程中最不利受力状况出现在吊运和锤击沉桩时。吊运过程中受力状态与梁相同，一般按两支点（桩长 L 18m 时）起吊和运输。桩架下竖起时，按一点吊立。吊点的设置应使桩身在自重下产生的正负弯矩相等。,预制桩的混凝土强度等级不宜低于 C30 ，采用静压法沉桩时，可适当降低（但不宜低于 C20 ) ；预应力混凝土桩的混凝土强度等级不宜低于 C40 。 混凝土预制桩的截面边长不应小于 200mm ；预应力混凝土预制桩的截面边长不宜小于 350mm ；预应力混凝土离心管桩的外径不宜小于 300mm。 预制桩的桩身应配置一定数量的纵向钢筋（主筋）和箍筋。预制桩的最小配筋率一般不

16、宜小于0.80。如采用静压法沉桩时，其最小配筋率不宜小于 0.4。,截面边长350550mm时，采用81225纵向钢筋。 截面边长在300mm以下者，可用4根。 箍筋68，间距不大于200mm ，在桩顶和桩尖处应适当加密。 打入法沉桩时，直接受到锤击的桩顶应放置三层钢筋网。桩尖在沉入土层以及使用期中要克服土阻力，应把所有主筋焊在一根圆钢上，或在桩尖处用钢板加强。 主筋的混凝土保护层应不小于 30mm 。,方形截面混凝土预制桩构造,对轴心受压桩，若桩身混凝土强度能满足设计要求，受力桩头部分设构造配筋如下： 一级建筑桩基，应配置桩顶与承台的连接钢筋笼，其主筋配筋率不小于0.2% ，并锚入承台30倍

17、主筋直径，伸入桩身长度不小于 10 倍桩身直径，且不小于承台下软弱土层层底深度； 对于三级建筑桩基，可进一步减少配筋。 对受水平荷载较大的桩、抗拔桩、嵌岩端承桩要根据计算确定配筋量，端承桩、抗拔桩沿桩身通长配筋； 受水平荷载的摩擦型桩（包括受地震作用的桩基），配筋长度宜采用4.0/(桩的变形系数）； 对于单桩竖向承载力较高的摩擦端承桩，宜沿深度分段变截面配通长或局部长度钢筋；,灌注桩配筋,对承受负摩阻力和位于坡地岸边的基桩，应通长配筋。箍筋采用 宜采用螺旋式箍筋； 受水平荷载较大的桩基和抗震桩基，桩顶35d范围内，箍筋应适当加密； 当钢筋笼长度超过 4m 时，为加强其刚度，应每隔 2m 左右设

18、一道 焊接加劲箍筋。 混凝土强度等级一般不得低于C20，为保证桩头具有设计强度，施工时应超灌 50 cm 以上，以除掉混凝土浇注面处浮浆层。 主筋的混凝土保护层厚度不应小于 35mm ，水下灌注混凝土桩的保护层厚度不得小于 50mm 。,灌注桩配筋,承台设计和计算,承台构造要求,承台尺寸,桩中心距一般不小于 3 倍桩径或边长。扩底灌注桩不小于 1.5 倍扩底直径。承台最小宽度不应小于 2 倍桩的直径或边长 500mm 。承台边缘至边桩的中心距不小于桩的直径或边长，边缘挑出部分150mm。承台厚度应300mm。,钢筋,受力筋应通长配置。矩形承台宜按双向均匀布置。不宜少于10200；承台梁的受力筋

19、不宜小于12mm ，架立筋不应小于10mm ，箍筋不应小于6mm ，钢筋保护层厚度不小于70mm，当有混凝土垫层时40mm。,桩顶伸入 承台要求,桩顶应嵌入承台一定长度，对大直径桩宜100mm，对中等直径桩宜 50mm。混凝土桩的桩顶主筋应伸入承台内，其锚固长度宜30倍钢筋直径，对于抗拔桩基应40倍钢筋直径。,横向系梁,混凝土,两桩桩基的承台，宜在其短向设置连系梁。连系梁顶面宜与承台顶位于同一标高，梁宽应 200mm ，梁高可取承台中心距的1/101/15，并配置不小于 412的钢筋。,强度等级C20,承台的内力计算,模型试验研究表明，柱下独立桩基承台（四桩及三桩承台）在配筋不足的情况下将产生

20、弯曲破坏，其破坏特征呈梁式破坏。 破坏时屈服线如图 所示，最大弯矩产生于屈服线处。,柱下多桩矩形承台： 弯矩的计算截面应取在柱边和承台高度变化处（杯口外侧或台阶边缘），并按下式计算：,Ni扣除承台和承台上土自重设计值后 i 桩竖向净反力设计值； 当不考虑承台效应时，则为 i 桩竖向总反力设计值。,受弯计算, 柱下或墙下条形承台梁正截面弯矩设计值一般可按弹性地基梁进行分析，地基的计算模型应根据地基土层的特性选取。,柱下三桩三角形承台，计算截面应取在柱边，并按下式计算：,当计算弯矩截面不与主筋方向正交时，须对主筋方向角进行换算。,承台厚度及强度计算,承台厚度可按冲切及剪切条件确定，一般可先按冲切计

21、算，再按剪切复核；其强度计算包括受冲切、受剪切、局部承压及受弯计算。当桩基承台的有效高度不足时，承台将产生冲切破坏。承台冲切破坏的方式，一是沿柱（墙）边的冲切，一是单一基桩对承台的冲切。柱边冲切破坏锥体斜面与承台底面的夹角大于或等于 45，该斜面的上周边位于柱与承台交接处或承台变阶处，下周边位于相应的桩顶内边缘处。 承台的受冲切承载力与该冲切锥角有关，可采用冲跨比来表达。,柱（墙）下桩基承台受冲切承载力计算：式中 作用于冲切破坏锥体上冲切力设计值； 承台混凝土抗拉强度设计值； 冲切破坏锥体有效高度中线周长； 承台冲切破坏锥体有效高度； 冲切系数； 冲跨比， ， 为冲跨，即柱（墙）边或承台变阶处

22、到桩边水平即离 ； 当 时，取 ， 当 时，取 ，,承台冲切计算,作用于柱（墙）底竖向荷载设计值； 冲切破坏锥体范围内各基桩的净反力 （不计承台和承台下土自重）设计值之和； 对于圆柱及圆桩，计算时应将截面换算成方柱或方桩，即换算柱或桩截面边宽 柱下矩形独立承台受柱冲切的承载力可按下列公式计算：,式中：,自柱长边或短边到最近桩边距离,柱截面长、短边尺寸,斜截面的最大剪力设计值； 混凝土轴心抗压强度设计值； 承台计算截面处的计算宽度； 计算截面的剪跨比； 承台计算截面处的有效高度； 剪切系数；,受剪切计算,桩基承台的剪切破坏面为一通过柱（墙）边与柱边连线所形成的斜截面。对柱下等厚度承台，其斜截面受剪承载力按下式计算：,可根据承台内力验算正截面受弯承载力，计算方法同一般梁板。承台底部两个方向配筋近似按下式计算：,局部受压计算,对于柱下桩基承台，当混凝土强度等级低于柱的强度等级时，应按现行 混凝土结构设计规范 （ 50010-2002）验算承台的局部受压承载力。,受弯计算,桩基设计的若干新进展,变刚度调平设计软土地基减沉复合疏桩基础,