《建筑桩基技术规范》2008版讲解(下.ppt
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1、建筑桩基技术规范2008版本 讲解(下),同济大学 高大钊 2008年9月济南,第五章 桩基计算,5-1 桩顶作用效应计算 5-2 桩基竖向承载力计算 5-3 基桩竖向承载力取值 5-4 设计中考虑承台效应按复合桩基设计的条件 5-5 桩土共同作用承台效应 5-6 单桩竖向极限承载力,5-7 后注浆灌注桩承载力 5-8 软弱下卧层验算 5-9 负摩阻力 5-10 抗拔桩承载力和裂缝控制验算 5-11 等效作用分层总和法沉降计算桩距小于和等于6d的群桩 5-12 单桩、单排桩、疏桩基础沉降计算 5-13 软土地区减沉复合疏桩基础设计 5-14 桩基水平承载力(不讲),5-15 桩身受压承载力计算
2、 5-16 承台计算,5-1 桩顶作用效应计算,对于一般建筑物和受水平力(包括力矩和水平剪力)较小的高层建筑群桩基础,按下列公式计算柱、墙、核心筒群桩中基桩或复合基桩的桩顶作用效应。 1) 考虑竖向力的设计状况 轴心竖向力作用下,偏心竖向力作用下 式中 Fk荷载效应标准组合下,作用于承台顶面的竖向力; Gk桩基承台和承台上土自重标准值,对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力; Nk荷载效应标准组合轴心竖向力下,基桩或复合基桩的平均竖向力;,Nik荷载效应标准组合轴心竖向力下,第i基桩或复合基桩的竖向力; Mxk 、Myk荷载效应标准组合下,作用于承台底面,绕通过群桩形心的x、y主轴的力矩xi、
3、xj、yi、yj第i、j基桩或复合基桩至y、x轴的距离; n桩基中的桩数。,5-2 桩基竖向承载力计算,桩基竖向承载力就是群桩基础的承载力,在不考虑群桩效应的条件下,基桩或复合基桩的平均竖向力与基桩或复合基桩的承载力特征值的关系必须满足下列设计表达式: (1)荷载效应标准组合 轴心竖向力作用下,偏心竖向力作用下,除满足上式外,尚应满足下式要求: (2)地震作用效应和荷载效应标准组合 轴心竖向力作用下,偏心竖向力作用下,除满足上式外,尚应满足下式要求: 式中 Nk荷载效应标准组合轴心竖向力作用下,基桩或复合基桩的平均竖向力; Nkmax荷载效应标准组合偏心竖向力下,桩顶最大竖向力; R基桩或复合
4、基桩竖向承载力特征值。,5-3 基桩竖向承载力取值,建筑桩基技术规范规定,单桩竖向承载力特征值应由下式确定: 式中 Quk单桩极限承载力标准值; K安全系数,取K2;,建筑地基基础设计规范规定,初步设计时单桩竖向承载力特征值可按下式估算: 式中 Ra单桩竖向承载力特征值; qpa、qsia桩端阻力、桩侧阻力特征值,由当地静载荷试验结果统计分析算得; Ap桩底端横截面面积; up桩身周边长度; li第i层岩土厚度。,比较的结论,1) 单桩承载力的特征值,就是取安全系数为2的单桩容许承载力; 2) 按照建筑桩基技术规范的术语和符号规定,对单桩的端阻力和侧阻力,只定义力单桩极限端阻力标准值和单桩极限
5、侧阻力标准值,不定义桩端阻力和桩侧阻力的特征值;,3) 建筑地基基础设计规范在其术语和符号的规定中没有定义桩端阻力和桩侧阻力的特征值的条文,但规定了桩端阻力和桩侧阻力特征值是由静载荷试验结果统计分析得到的; 5) 根据建筑地基基础设计规范附录Q中的规定:“将单桩极限承载力除以安全系数2,为单桩竖向承载力特征值Ra”;,6) 由此可见,建筑地基基础设计规范实际上规定了桩端阻力特征值、桩侧阻力的特征值与桩的极限端阻力标准值及桩的极限侧阻力标准值之间存在下列的关系: ? ?,7)建筑地基基础设计规范的桩基设计方法是建立在桩端阻力和桩侧阻力同步发挥假定的基础上,而这个假定已为桩的荷载传递机理的研究所否
6、定。,单桩竖向静载荷试验不仅可以测定单桩在荷载作用下的桩顶变形性状曲线,还可以测定桩的轴向力随深度的变化,根据试验结果能进行单桩荷载传递的分析、单桩破坏机理的分析和单桩承载力的分析。,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 超长桩的试验,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
7、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。,最近的试验资料 哈大线高速铁路鞍辽特大桥桩径1m,桩长43m 单桩荷载传递试验结果: 达到极限承载力9600kN时,极限桩端阻力2400kN,占25% 工作荷载时,容许承载力4800kN,端阻力400kN,占8.5% 端阻力的安全系数为,不同荷载下轴
8、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
9、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
10、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,工作状态的安全度,如果要用安全系数来表示的话,桩端阻力的安全系数Kb必然大于2,而桩侧摩阻力的安全系数Kf则必然小于2。,桩端、桩侧的不同安全系数,1984年,同济大学洪毓康教授根据17根桩长为862m的试桩资料和5根模型桩的试验结果,通过分析研究,提出了“考虑到桩侧摩阻力和
11、桩尖抵抗力发挥的过程不同,在确定桩的轴向容许承载力时,应该采用两个承载力安全系数Kb与Kf的结论”并给出了桩端阻力和桩侧摩阻力取用不同安全系数的建议如表所示。,超长桩的试验,90年代末,陕西省建筑科学研究院等单位在陕西信息大厦进行了超长桩的试验研究,陕西信息大厦地上51层,总高度191m,地下3层,深17.6m,基础采用桩筏基础,桩为泥浆护壁钻孔灌注桩,直径1.0m。,场地内第四系土层厚度700800m,勘探深度150m,在地面下30m范围内为黄土和古土壤,在30m至54m范围内为可塑状态的粉质粘土,在54m以下为含钙质结核的硬塑粉质粘土层。试桩直径1.0m,桩长82.2m,进行了单桩竖向承载
12、力及桩身荷载传递机理的测试与研究,还作了压浆前后的承载性状的对比试验研究。,研究成果不仅对黄土地区的桩基础设计有指导的意义,而且对其他地区的桩也有参考作用。实测荷载传递资料表明,黄土地区的超长桩没有测到桩端阻力,在桩长6070m处桩身轴力已经趋于零,说明在这个深度以下的桩侧阻力也得不到发挥;在压浆以后,由于提高了浅层土的侧摩阻力,轴力为零的深度明显减小。,基桩竖向承载力特征值,不考虑承台效应:端承型桩基、桩数少于4根的摩擦型桩基、土性特殊、使用条件等因素不宜考虑承台效应时:,考虑承台效应,不考虑地震作用 考虑地震作用,群桩效应设计方法退出规范,群桩效应及其工程意义 建筑桩基技术规范考虑群桩效应
13、的设计方法的定量依据是群桩试验的结果。 规范方法过于复杂,与桩基设计的误差水平不一致。 具体计算方法退出规范不等于群桩效应不存在。,群桩效应的工程意义,1. 桩的平面布置对于单桩承载力发挥的作用,桩的中心距的影响; 2. 载荷试验的沉降在什么条件下才具有工程意义? 3. 有没有变形控制的单桩承载力?,群桩在竖向荷载作用下,由于承台、桩、土之间相互影响和共同作用,群桩的工作性状趋于复杂,桩群中任一根桩即基桩的工作性状都不同于孤立的单桩,群桩承载力将不等于各单桩承载力之和,群桩沉降也明显地大于单桩,这种现象就是群桩效应。群桩效应可用群桩效率系数和沉降比表示。,群桩效率和沉降比,由端承桩组成的群桩,
14、通过承台分配到各桩桩顶的荷载,其大部或全部由桩身直接传递到桩端。因而通过承台土反力、桩侧摩阻力传递到土层中的应力较小,桩群中各桩之间以及承台、桩、土之间的相互影响较小,其工作性状与独立单桩相近。因而端承型群桩的承载力可近似取为各单桩承载力之和,即群桩效率和沉降比 可近似取为1。,由摩擦桩组成的群桩,桩顶荷载主要通过桩侧摩阻力传递到桩周和桩端土层中,在桩端平面处产生应力重叠。承台土反力也传递到承台以下一定范围内的土层中,从而使桩侧阻力和桩端阻力受到干扰。就一般情况而言,在常规桩距(34d)下,粘性土中的群桩,随着桩数的增加,群桩效率明显下降,且1;而沉降比则除了端承桩 =1外,均为 1;同时承台
15、下土反力分担上部荷载可使群桩承载力增加。,桩基设计方法变化的概括,新版规范有4个变化: 群桩效应退出 承台效应有条件地保留 荷载设计值标准值 分项系数改为安全系数,5-4 设计中考虑承台效应按复合桩基设计的条件,1.上部结构整体刚度较好、体型简单的建(构)筑物; 2.对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物; 3.按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区; 4.软土地基的减沉复合疏桩基础。,5-5 桩土共同作用承台效应,1. 桩距越大,承台下土反力越大; 2. 承台分担荷载比随承台宽度与桩长之比增大而增大。 3. 承台分担荷载比随桩数增加而降低; 4. 承台分担荷载比随荷载的变化,一种是趋于
16、稳定,另一种是持续增大。,1. 桩距越大,承台下土反力越大; 桩周土受桩侧剪应力作用而产生的竖向位移为: 位移随桩侧剪应力及桩径的增大而增大,随桩中心距增大而呈自然对数关系减小。当中心距达到nd时,位移为零。,2. 承台分担荷载比随承台宽度与桩长之比增大而增大。,3. 承台分担荷载比随桩数增加而降低;,4. 承台分担荷载比随荷载的变化,一种是趋于稳定,另一种是持续增大。,5-6 单桩竖向极限承载力,94规范的试桩资料229根; 本次修订增加资料416根; 桩的极限端阻力增加了全风化、强风化等土类; 桩的侧摩阻力增加了角砾和碎石的侧阻力。,大直径桩单桩极限承载力,混凝土空心桩单桩极限承载力,hb
17、/d5 p=0.16 hb/d hb/d5 p =0.8 桩端进入持力层深度 Aj 桩端净面积 Ap1空心桩敞口面积,嵌岩桩单桩极限承载力,嵌岩桩的承载性状 嵌岩桩与非嵌岩桩的试验结果 嵌岩桩荷载传递的特点 嵌岩段的侧阻力 嵌岩深度与端阻的关系 嵌岩桩承载力的组成,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
18、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
19、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。,嵌岩段粗糙程度比较,A3桩,直径315mm,砂岩,7.5mm槽; S3桩,直径1170mm,泥岩,粗糙嵌岩段;
20、 S12桩,直径335mm,泥岩,3mm蚀坑; C2桩,直径160mm,砂岩,光滑嵌岩段。,嵌岩段粗糙程度对侧阻的影响,嵌岩段侧阻发挥的相对位移条件,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2个部分组成,即土层的侧阻力、端阻力与嵌岩段的侧阻力之和;,端阻力与嵌岩段的侧阻力之和与岩石的饱和单轴抗压强度建立联系,用经验的综合系数r表示。,软岩、极软岩指frk15MPa;较硬岩、坚硬岩指frk30MPa。介于两者之间的可以内插取值。 深径比非表内数值时也可
21、以内插取值。,5-7 后注浆灌注桩承载力,后注浆的作用 规范关于后注浆工艺的规定 桩端条件对试桩曲线的影响 后注浆对侧摩阻力的影响 后注浆增强系数,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。,规范关于后注浆工艺的规定,后注浆装置的设置 浆液水灰比 注浆终止压力 单桩
22、注浆量 注浆顺序 终止注浆的条件,后注浆装置的设置: 1.后注浆导管应采用钢管,与钢筋笼加劲筋绑扎固定或焊接; 2.注浆导管数量,直径小于1200mm的用2根,12002500mm的用3根;,3.桩长超过15m,且对承载力增幅要求较高时,采用桩端桩侧复式注浆; 4.桩侧后注浆管阀的设置应结合地层情况、桩长和承载力增幅要求等因素确定,可在桩端515m以上,桩顶8m以下,每隔612m设置一道注浆阀。,浆液水灰比根据饱和度和渗透性确定: 饱和土:0.450.65 非饱和土:0.70.9 松散碎石土、砂砾:0.50.6 注浆终止压力根据土层性质及注浆点的深度确定: 风化岩、非饱和粘性土、粉土:310M
23、Pa; 饱和土层:1.24MPa。,单桩注浆量设计时应考虑桩径、桩长、桩端桩侧土层性质、单桩承载力增幅及是否复式注浆等因素确定: 注浆量经验系数 n桩侧注浆断面数 注浆量以水泥质量计(t),注浆顺序: 饱和土中,先桩侧后桩端; 非饱和土中,先桩端后桩侧; 桩侧桩端注浆间隔时间不宜小于2小时。 成桩后两天才可以注浆; 注浆作业点距其他成孔作业点的距离不宜小于810m。,终止注浆的条件: 1.注浆总量和注浆压力已达到设计要求; 2.注浆总量已达到设计值的75,且注浆压力超过设计值; 检测条件: 在注浆后20天进行; 掺入早强剂的可在注浆后15天进行检测。,后压浆具有如下的作用: 1)胶结孔底沉渣,
24、提高单桩承载力,消除桩的过大沉降; 2)增强桩身混凝土与桩侧土的结合,提高侧摩阻力; 3)修补桩身缺陷部位,保证设计承载力; 减少桩基的不均匀沉降。,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。,桩端条件对试桩曲线的影响,后注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
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