地下空間工程基礎(chǔ)單樁承載力計算[詳細]

1、單樁承載力,1單樁軸向荷載傳遞的機理和特點,孤立的一根樁稱為單樁，群樁中性能不受鄰樁影響的一根樁可視為單樁。 單樁承載力：單樁在荷載作用下，地基土和樁本身的強度和穩(wěn)定性均能得到保證，變形也在容許范圍內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)物的正常使用所能承受的最大荷載。 單樁工作性能的研究是單樁承載力分析理論的基礎(chǔ)。通過樁土相互作用分析，了解樁土間的傳力途徑和單樁承載力的構(gòu)成及其發(fā)展過程，以及單樁的破壞機理等，對正確評價單樁軸向承載力具有一定的指導(dǎo)意義。,樁基礎(chǔ)的作用是將荷載傳遞到下部土層，這是通過樁與樁周土的相互作用進行的。 樁在軸向壓力荷載作用下: 樁頂將發(fā)生軸向位移(沉降)=樁身彈性壓縮+樁底土層壓縮之和 置于土

2、中的樁與其側(cè)面土是緊密接觸的，當(dāng)樁相對于土向下位移時就產(chǎn)生土對樁向上作用的樁側(cè)摩阻力。樁頂荷載沿樁身向下傳遞的過程中，必須不斷地克服這種摩阻力，樁身軸向力就隨深度逐漸減小，傳至樁底的軸向力也就是樁底支承反力： 樁底支承反力=樁頂荷載-全部樁側(cè)摩阻力,一 單樁軸向荷載的傳遞,樁頂荷載是樁通過樁側(cè)摩阻力和樁底阻力傳遞給土體，即土對樁的支承力由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力兩部分組成。 土對樁的支承力=樁側(cè)摩阻力+樁底阻力 樁的極限荷載(或稱極限承載力)=樁側(cè)極限摩阻力+樁底極限阻力,Qs 樁側(cè)摩阻力 Qp 樁端阻力,二、樁的豎向承載力發(fā)揮的特點,樁側(cè)摩阻力和樁底阻力的發(fā)揮程度與樁土間的變形性態(tài)有關(guān)，并各自達

3、到極限值時所需要的位移量是不相同的。 試驗表明：樁底阻力的充分發(fā)揮需要有較大的位移值，在粘性土中約為樁底直徑的25%，在砂性土中約為8% 10%，而樁側(cè)摩阻力只要樁土間有不太大的相對位移就能得到充分的發(fā)揮，具體數(shù)量目前認識尚不能有一致的意見，但一般認為粘性土為46mm，砂性土為6 10mm。,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。,端承樁：由于樁底位移很小，樁側(cè)摩阻力不易得到充分發(fā)揮。對于一般端承樁，樁底阻力占樁支承力的絕大部分，樁側(cè)摩阻力很小常忽略不計。但對較長的端

4、承樁且覆蓋層較厚時，由于樁身的彈性壓縮較大，也足以使樁側(cè)摩阻力得以發(fā)揮，對于這類柱樁國內(nèi)已有規(guī)范建議可予以計算樁側(cè)摩阻力。 摩擦樁： 樁底土層支承反力發(fā)揮到極限值，則需要比發(fā)生樁側(cè)極限摩阻力大得多的位移值，這時總是樁側(cè)摩阻力先充分發(fā)揮出來，然后樁底阻力才逐漸發(fā)揮，直至達到極限值。對于樁長很大的摩擦樁，也因樁身壓縮變形大，樁底反力尚未達到極限值，樁頂位移已超過使用要求所容許的范圍，且傳遞到樁底的荷載也很微小，此時確定樁的承載力時樁底極限阻力不宜取值過大。,三、樁側(cè)摩阻力及其分布,單樁在軸向荷載作用下，樁身的截面位移、樁側(cè)的摩阻力分布以及軸力分布見下圖。,樁側(cè)摩阻力是樁截面對樁周土的相對位移的函數(shù)

5、 qs= f(s)，可用下圖中的曲線OCD表示，且常簡化為折線OAB。AB段表示一旦樁土界面相對滑移超過某一極限值，側(cè)摩阻力將保持極限值不變。,極限摩阻力可用類似于土 的抗剪強度的庫倫表達式：,式中ca和a為樁側(cè)表面與土之間的附著力和摩擦角，x為深度z處作用于樁側(cè)表面的法向壓力，它與樁側(cè)土的豎向有效應(yīng)力成正比例，即：,式中Ks為樁側(cè)土的側(cè)壓力系數(shù)，對擠土樁，K0KsKp；對非擠土樁，因樁孔中土被清除，而使KaKsK0 。此處， Ka 、 K0和Kp分別為主動、靜止和被動土壓力系數(shù)。,擠土樁,非擠土樁,采用上述公式計算深度z處的單位側(cè)阻時，如取 則側(cè)阻將隨深度線性增大。 然而砂土中的模型樁試驗表

6、明，當(dāng)樁入土深度達到某一臨界值后，側(cè)阻就不隨深度增了，這個現(xiàn)象稱為側(cè)阻的深度效應(yīng)。,綜上所述，樁側(cè)極限摩阻力與許多因素有關(guān)：,超靜孔隙水壓力消散,土的觸變性,qs 隨著深度增加,砂土中存在臨界深度,但是，樁側(cè)摩阻力達到極 限值所需的樁土滑移極限值則 與土的類別有關(guān)、而與樁徑大小無關(guān)，根據(jù)試驗資料約為46mm（對粘性土）或610mm（對砂類土）。,單樁受荷過程中樁端阻力的發(fā)揮不僅滯后于樁側(cè)阻力，而且其充分發(fā)揮所需的樁底位移值比樁側(cè)摩阻力達到極限所需的樁身截面位移值大的多。根據(jù)小型樁試驗所得的樁底極限位移值，對砂類土約為d/12d/10，對粘性土約為d/10d/4（d為樁徑）。因此，對工作狀態(tài)下的

7、單樁，其樁端阻力的安全儲備一般大于樁側(cè)摩阻力的安全儲備。,四、樁端阻力,單樁靜載荷試驗所得的 荷載沉降（Qs）關(guān)系曲線 可大體分為陡降型（A）和緩變型（B）兩類形態(tài)。,單樁的荷載沉降曲線,對樁底持力層不堅實、樁 徑不大、破壞時樁端刺入持力 層的樁，其曲線多呈“急進破壞”的陡降型，相應(yīng)于破壞時的特征點明顯，據(jù)之可確定單樁極限承載力。 對樁底為非密實砂類土或粉土、清孔不凈殘留虛土、樁底面積大、樁底塑性區(qū),隨荷載增長逐漸擴展的樁，則 呈“漸進破壞”的緩變型，其曲 線不具有表示變形性質(zhì)突變的明顯特征點，因而較難確定極限承載力。為了發(fā)揮這類樁的潛力，其極限承載力宜按建筑物所能承受的最大沉降確定。換句話說

8、，這類樁的承載力極限狀態(tài)是受“不適于繼續(xù)承載的變形”制約的。,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,樁的承載機理,(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,二 單樁豎向承載力的確定,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,混凝土R= cfc Ap 鋼筋混凝土R=c fc Ap +fyAg,鋼筋抗壓強度設(shè)計值,單樁承載力確定,二 確定單樁豎直向承載力的方法,1 靜載荷試驗 2 其他現(xiàn)場試驗方法 3 經(jīng)驗方法：靜力觸探

9、 經(jīng)驗公式,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,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,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 (極限承載力標準值) 如離散太大,增加試樁數(shù)，具體確定 設(shè)計值R=,單樁承載力確定,二 確定單樁豎直向承載力的方法,2 其他現(xiàn)場試驗方法 動測樁法 樁端

10、深層平板載荷試驗 離心模型試驗,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,二 確定單樁豎直向承載力的方法,3 原位測試和經(jīng)驗方法： 靜力觸探 標準貫入試驗 經(jīng)驗公式,單樁承載力確定,(1)靜力觸探Static Cone Penetration 地基基礎(chǔ)設(shè)計為丙級的建筑物 通過單橋探頭得到比貫入阻力ps 單樁豎向承載力特征值為,傳感器,qs 樁

11、周土承載力標準值 qp 樁端土承載力標準值,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,(2) 經(jīng)驗公式法,根據(jù)相應(yīng)的地基規(guī)范,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,1.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Ta1 ) 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)

12、pi：砂土0.5-0.7, 粉,粘土0.7-0.8,抗拔樁承載力,單樁的抗拔承載力設(shè)計值：,抗拔樁承載力,1 負摩擦的產(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 下部為巖石的端承樁,可能全樁為負阻力。,抗拔樁承載力,一 單樁軸向荷載的傳遞 1樁身軸力和截面位移 在軸向荷載作用下，樁身將發(fā)生壓縮變形；同時樁頂部分荷載通過樁身傳遞到樁底，致使樁底土層發(fā)生壓縮變形，這兩部分壓縮變形之和構(gòu)成樁頂軸向位移。 由于樁與樁周土體的緊密

13、接觸，當(dāng)樁相對于土向下位移時，樁側(cè)表面受到土向上的摩阻力。,在樁頂荷載沿樁身向下傳 遞的過程中，必須不斷地克服 這種摩阻力，故樁身截面的軸向力隨深度逐漸減小，傳至樁底截面的軸向力為樁頂荷載減去全部樁側(cè)摩阻力，并與樁底支承反力（即樁端阻力）大小相等、方向相反。 樁通過樁側(cè)阻力和樁端阻力將荷載傳遞給土體，即土對樁的支承力由樁側(cè)阻力和樁端阻力兩部分組成。,由樁底土層的壓縮變形導(dǎo) 致的樁端位移加大了由于樁身 的壓縮變形引起的樁身各截面的位移，并促使樁側(cè)摩阻力進一步發(fā)揮。一般來說，靠近樁身上部土層的摩阻力先于下部土層發(fā)揮出來，樁側(cè)阻力先于樁端阻力發(fā)揮出來。 單樁在軸向荷載作用下，樁身的截面位移、樁側(cè)的摩

14、阻力分布以及軸力分布見下圖。,二、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力 樁側(cè)摩阻力是樁截面對樁 周土的相對位移的函數(shù) qs= f(s)，可用下圖中的曲線OCD表示，且常簡化為折線OAB。AB段表示一旦樁土界面相對滑移超過某一極限值，側(cè)摩阻力將保持極限值不變。,樁截面位移,樁側(cè)摩阻力,O,C,D,A,B,極限摩阻力可用類似于土 的抗剪強度的庫倫表達式：,式中ca和a為樁側(cè)表面與土之間的附著力和摩擦角，x為深度z處作用于樁側(cè)表面的法向壓力，它與樁側(cè)土的豎向有效應(yīng)力成正比例，即：,式中Ks為樁側(cè)土的側(cè)壓力 系數(shù)，對擠土樁，K0KsKp； 對非擠土樁，因樁孔中土被清除，而使KaKsK0 。此處， Ka 、 K0和Kp

15、分別為主動、靜止和被動土壓力系數(shù)。 采用上述公式計算深度z處的單位側(cè)阻時，如取,則側(cè)阻將隨深度線性增大。然 而砂土中的模型樁試驗表明， 當(dāng)樁入土深度達到某一臨界值后，側(cè)阻就不隨深度增加了，這個現(xiàn)象稱為側(cè)阻的深度效應(yīng)。 綜上所述，樁側(cè)極限摩阻力與所在的深度、土的類別和性質(zhì)、成樁方法等許多因素有關(guān)。,但是，樁側(cè)摩阻力達到極 限值所需的樁土滑移極限值則 與土的類別有關(guān)、而與樁徑大小無關(guān)，根據(jù)試驗資料約為46mm（對粘性土）或610mm（對砂類土）。,單樁受荷過程中樁端阻力 的發(fā)揮不僅滯后于樁側(cè)阻力， 而且其充分發(fā)揮所需的樁底位移值比樁側(cè)摩阻力達到極限所需的樁身截面位移值大的多。根據(jù)小型樁試驗所得的樁

16、底極限位移值，對砂類土約為d/12d/10，對粘性土約為d/10d/4（d為樁徑）。因此，對工作狀態(tài)下的單樁，其樁端阻力的安全儲備一般大于樁側(cè)摩阻力的安全儲備。,單樁靜載荷試驗所得的 荷載沉降（Qs）關(guān)系曲線 可大體分為陡降型（A）和緩變型（B）兩類形態(tài)。,單樁的荷載沉降曲線,對樁底持力層不堅實、樁 徑不大、破壞時樁端刺入持力 層的樁，其曲線多呈“急進破壞”的陡降型，相應(yīng)于破壞時的特征點明顯，據(jù)之可確定單樁極限承載力。 對樁底為非密實砂類土或粉土、清孔不凈殘留虛土、樁底面積大、樁底塑性區(qū),隨荷載增長逐漸擴展的樁，則 呈“漸進破壞”的緩變型，其曲 線不具有表示變形性質(zhì)突變的明顯特征點，因而較難確

17、定極限承載力。為了發(fā)揮這類樁的潛力，其極限承載力宜按建筑物所能承受的最大沉降確定。換句話說，這類樁的承載力極限狀態(tài)是受“不適于繼續(xù)承載的變形”制約的。,第4節(jié) 單樁豎向承載力 的確定,單樁極限承載力Qu由總極限側(cè)阻力Qsu和總極限端阻力Qpu組成，若忽略二者間的相互影響，可表示為：,式中 li 、Ui樁周第i層土厚度和相應(yīng)的樁 身周長； Ap樁底面積； qsui、qpu第i層土的極限側(cè)阻力和持 力層極限端阻力。 Qu 、 qsui 、 qpu的確定通常采用下列幾種方法：,一、原型試驗法 原型靜載荷試驗是傳統(tǒng)的 也是最可靠的確定承載力的方法。它不僅可確定樁的極限承載力，而且通過埋設(shè)各類測試元件可

18、獲得樁身軸力、樁側(cè)阻力、樁端阻力、荷載沉降關(guān)系等諸多資料。,由于土體因打樁擾動而降 低的強度有待隨時間而恢復(fù)， 在樁身強度達到設(shè)計要求的前提下，樁設(shè)置后開始載荷試驗所需的間歇時間：對于砂類土不得少于10天；粉土和粘性土不得少于15天，飽和軟粘土不得少于25天。,在同一條件下，進行靜載 荷試驗的樁數(shù)不宜少于總樁數(shù) 的1%，工程樁總樁數(shù)在50根以內(nèi)時不應(yīng)少于2根，其他情況不應(yīng)少于3根。 關(guān)于單樁豎向靜載（抗壓）試驗的方法、終止加載條件以及單樁豎向承載力標準值的確定詳見建筑樁基技術(shù)規(guī)范JGJ9494。,二、靜力學(xué)計算法 根據(jù)樁側(cè)阻力、樁端阻力的 破壞機理，按靜力學(xué)原理，分別對樁側(cè)阻力和樁端阻力進行計

19、算。由于計算模式、強度參數(shù)實際的某些差異，計算結(jié)果的可靠性受到限制，往往只用于一般工程或重要工程的初步設(shè)計階段，或與其他方法綜合比較來確定承載力。,三、原位測試法 對地基土進行原位測試， 利用樁的靜載荷試驗與原位測試參數(shù)間的關(guān)系，確定樁的側(cè)阻力和端阻力。常用的原位測試法有靜力觸探法(CPT)、標準貫入試驗法(SPT)、旁壓試驗法(PMT)。,第5節(jié) 樁基礎(chǔ)設(shè)計,和淺基礎(chǔ)一樣，樁基的設(shè)計也應(yīng)符合安全、合理和經(jīng)濟的要求。對樁和承臺來說，應(yīng)有足夠的強度、剛度和耐久性；對地基來說，要有足夠的承載力和不產(chǎn)生過量的變形。,一、基本設(shè)計資料 設(shè)計樁基之前必須具備各種 資料：建筑物類型及其規(guī)模、巖土工程勘察報

20、告、施工機具和技術(shù)條件、環(huán)境條件及當(dāng)?shù)貥痘こ探?jīng)驗?？辈靾蟾鎽?yīng)符合勘察規(guī)范的一般規(guī)定和樁基工程的專門勘察要求。,二、樁型、截面和樁長的選擇 樁基設(shè)計的第一步就是根 據(jù)結(jié)構(gòu)類型及層數(shù)、荷載情況、地層條件和施工能力，選擇樁型（預(yù)制樁或灌注樁）、樁的截面尺寸和長度。 確定樁長的關(guān)鍵，在于選擇樁端持力層。堅實土（巖）層（可用觸探試驗或其它指標作為堅實土層的鑒別標準）最適宜作為樁端持力層。,對于10層以下的房屋，如 在樁端可達的深度內(nèi)無堅實土 層時，也可選擇中等強度的土層作為持力層。 對于樁端進入堅實土層的深度和樁端下堅實土層的厚度，應(yīng)該有所要求。一般可以這樣考慮： 1.對粘性土、粉土進入的深度不宜小于

21、2倍樁徑，砂類土不宜小于1.5倍樁徑；,2.對碎石類土不宜小于1倍 樁徑。 3.樁端以下堅實土層的厚度，一般不宜小于4倍樁徑。穿越軟弱土層而支撐在傾斜巖層面上的樁，當(dāng)風(fēng)化層厚度小于2倍樁徑時，樁端應(yīng)進入新鮮或微風(fēng)化基巖。端承樁嵌入微風(fēng)化或中等風(fēng)化巖體的深度不宜小于0.5m，以確保樁端與巖體接觸。,嵌巖樁或端承樁樁底下3倍 樁徑范圍內(nèi)應(yīng)無軟弱夾層、斷 裂帶、洞穴、和空隙的分布。 在確定樁長之后，施工時樁的設(shè)置深度必須滿足設(shè)計要求。如果土層比較均勻，堅實土層層面比較平坦，那么樁的實際長度常與設(shè)計樁長比較接近；當(dāng)場地土層復(fù)雜，或者樁端持力層層面起伏不平時，樁的實際長度常與設(shè)計樁長不一致。,打入樁的入土深度應(yīng)按所 設(shè)計的樁端標高和最后貫入度 兩方面控制。最后貫入度是指打樁結(jié)束以前每次錘擊的沉入量，通常以最后每陣（10擊）的平均貫入量表示。一般要求最后二、三陣的平均貫入量為1030mm/陣（錘重、樁長者取大值，質(zhì)量為7t以上的單動蒸汽錘、柴油錘可增至3050mm/陣）；振動沉樁者，可用1min作為一陣。,在確定樁的類型和幾何尺 寸后，應(yīng)初步確定承臺底面標 高。一般情況下，主要從結(jié)構(gòu)要求和方便施工的角度來選擇承