《基礎(chǔ)工程》4-1單樁承載力

1、第一節(jié) 單樁承載力 單樁承載力：是指單樁在荷載作用下，地基土和樁本身的強(qiáng)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。一般情況下，樁受到軸向力、橫軸向力及彎矩作用，因此須分別研究和確定單樁的軸向承載力和橫軸向承載力。 第四章 樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與計(jì)算一、單樁軸向荷載傳遞機(jī)理和特點(diǎn) （一）荷載傳遞過(guò)程與土對(duì)樁的支承力 當(dāng)豎向荷載逐步施加于單樁樁頂，樁身上部受到壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于土的向下位移，與此同時(shí)樁側(cè)表面就會(huì)受到土的向上摩阻力。樁頂荷載通過(guò)所發(fā)揮出來(lái)的樁側(cè)摩阻力傳遞到樁周土層中去，致使樁身軸力和樁身壓縮變形隨深度遞減。在樁土相對(duì)位移等于零處，其摩阻力尚未開(kāi)始發(fā)揮

2、作用而等于零。隨著荷載增加，樁身壓縮量和位移量增大，樁身下部的摩阻力隨之逐步調(diào)動(dòng)起來(lái)，樁底土層也因受到壓縮而產(chǎn)生樁端阻力。樁端土層的壓縮加大了樁土相對(duì)位移，從而使樁身摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮到極限值。樁端極限阻力的發(fā)揮需要比發(fā)生樁側(cè)極限摩阻力大得多的位移值，這時(shí)總是樁側(cè)摩阻力先充分發(fā)揮出來(lái)。當(dāng)樁身摩阻力全部發(fā)揮出來(lái)達(dá)到極限后，若繼續(xù)增加荷載，其荷載增量將全部由樁端阻力承擔(dān)。由于樁端持力層的大量壓縮和塑性擠出，位移增長(zhǎng)速度顯著加大，直至到樁端阻力達(dá)到極限，位移迅速增大而破壞。此時(shí)樁所受的荷載就是樁的極限承載力。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狀有關(guān)，并各自達(dá)到極限值時(shí)所需要的位移量是不相同

3、的。試驗(yàn)表明：樁底阻力的充分發(fā)揮需要有較大的位移值，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位移就能得到充分的發(fā)揮，一般認(rèn)為粘性土為46mm，砂性土為610mm。樁側(cè)摩阻力和樁底阻力的發(fā)揮程度：（二）樁側(cè)摩阻力的影響因素及其分布 樁側(cè)摩阻力除與樁土間的相對(duì)位移有關(guān)，還與其它因素有關(guān)。 土的性質(zhì)樁的剛度時(shí)間因素土中應(yīng)力狀態(tài)樁的施工方法等 樁底阻力影響因素樁底地基土的性質(zhì)（主要影響因素）持力層上覆荷載（覆蓋土層厚度）樁徑樁底作用力時(shí)間樁底進(jìn)入持力層深度等。 （三）樁底阻力的影響因素及其深度效應(yīng) （四）單樁在軸向受壓荷載作用下的破壞模式 軸向受壓荷載作

4、用下，單樁的破壞是由地基土強(qiáng)度破壞或樁身材料強(qiáng)度破壞所引起。而以地基土強(qiáng)度破壞居多。 土強(qiáng)度對(duì)樁破壞模式的影響 縱向撓曲破壞（圖a）：當(dāng)樁底支承在很堅(jiān)硬的地層，樁側(cè)土為軟土層其抗剪強(qiáng)度很低時(shí)，樁在軸向受壓荷載作用下，如同一受壓桿件呈現(xiàn)縱向撓曲破壞。樁的承載力取決于樁身的材料強(qiáng)度。 整體剪切破壞（圖b）：當(dāng)具有足夠強(qiáng)度的樁穿過(guò)抗剪強(qiáng)度較低的土層而達(dá)到強(qiáng)度較高的土層時(shí)，樁在軸向受壓荷載作用下，由于樁底持力層以上的軟弱土層不能阻止滑動(dòng)土楔的形成，樁底土體將形成滑動(dòng)面而出現(xiàn)整體剪切破壞。樁的承載力主要取決于樁底土的支承力，樁側(cè)摩阻力也起一部分作用。 刺入式破壞（圖c）：當(dāng)具有足夠強(qiáng)度的樁入土深度較大或

5、樁周土層抗剪強(qiáng)度較均勻時(shí)，樁在軸向受壓荷載作用下，將出現(xiàn)刺入式破壞。根據(jù)荷載大小和土質(zhì)不同 ，樁所受荷載由樁側(cè)摩阻力和樁底反力共同承擔(dān)，一般摩擦樁或純摩擦樁多為此類破壞，且基樁承載力往往由樁頂所允許的沉降量控制。二、按土的支承力確定單樁軸向容許承載力 （一）靜載試驗(yàn)法 概念：在樁頂逐級(jí)施加軸向荷載，直至樁達(dá)到破壞狀態(tài)為止，并在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量每級(jí)荷載下不同時(shí)間的樁頂沉降，根據(jù)沉降與荷載及時(shí)間的關(guān)系，分析確定單樁軸向容許承載力。 試樁要求：試樁可在已打好的工程樁中選定，也可專門(mén)設(shè)置與工程樁相同的試驗(yàn)樁。試樁數(shù)目應(yīng)不小于基樁總數(shù)的2%，且不應(yīng)少于2根；試樁的施工方法以及試樁的材料和尺寸、入土深度均應(yīng)

6、與設(shè)計(jì)樁相同。 靜載試驗(yàn)法的特點(diǎn)：確定單樁容許承載力直觀可靠，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，通常只在大型、重要工程或地質(zhì)較復(fù)雜的樁基工程中進(jìn)行試驗(yàn)。配合其他測(cè)試設(shè)備，它還能較直接了解樁的荷載傳遞特征，提供有關(guān)資料，因此也是樁基礎(chǔ)研究分析常用的試驗(yàn)方法。 1、試驗(yàn)裝置 加載系統(tǒng)：主要有堆載法與錨樁法兩種。堆載法是在荷載平臺(tái)上堆放重物，一般為鋼錠或砂包，也有在荷載平臺(tái)上置放水箱，向水箱中充水作為荷載。堆載法適用于極限承載力較小的樁。錨樁法是在試樁周圍布置46根錨樁，常利用工程樁群。錨樁深度不宜小于試樁深度，且與試樁有一定距離，一般應(yīng)大于3d且不小于1.5m(d為試樁直徑或邊長(zhǎng))，以減少錨樁對(duì)試樁承載力的影響。 錨

7、樁法試驗(yàn)裝置 堆載法靜載試驗(yàn)錨樁法靜載試驗(yàn)錨樁法靜載試驗(yàn)錨樁法靜載試驗(yàn)千斤頂及位移傳感器 觀測(cè)系統(tǒng)：主要有樁頂位移和加載數(shù)值的觀測(cè)。位移通過(guò)安裝在基準(zhǔn)梁上的位移計(jì)或百分表量測(cè)。加載數(shù)值通過(guò)油壓表或壓力傳感器觀測(cè)。每根基準(zhǔn)梁固定在兩個(gè)無(wú)位移影響的支點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)上，支點(diǎn)或基準(zhǔn)樁與試樁中心距應(yīng)大于4d且不小于2m（d為試樁直徑或邊長(zhǎng)）。 2、試驗(yàn)方法 分級(jí)加載：試樁加載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)荷載約為預(yù)估破壞荷載的1/101/15；有時(shí)也采用遞變加載方式，開(kāi)始階段每級(jí)荷載取預(yù)估破壞荷載的1/2.51/5，終了階段取1/101/15。 測(cè)讀沉降時(shí)間：在每級(jí)加荷后的第一小時(shí)內(nèi)，按2、5、15、30、45、60mi

8、n測(cè)讀一次，以后每隔30min測(cè)讀一次，直至沉降穩(wěn)定為止。沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，通常規(guī)定為對(duì)砂性土為30min內(nèi)不超過(guò)0.1mm；對(duì)粘性土為1h內(nèi)不超過(guò)0.1mm。待沉降穩(wěn)定后，方可施加下一級(jí)荷載。循此加載觀測(cè)，直到樁達(dá)到破壞狀態(tài)，終止試驗(yàn)。 破壞荷載的確定：當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，一般認(rèn)為樁已達(dá)破壞狀態(tài)，所相應(yīng)施加的荷載即為破壞荷載： （1）樁的沉降量突然增大，總沉降量大于40mm，且本級(jí)荷載下的沉降量為前一級(jí)荷載下沉降量的5倍。 （2）本級(jí)荷載下樁的沉降量為前一級(jí)荷載下沉降量的2倍，且24h樁的沉降未趨穩(wěn)定。 3、極限荷載和軸向容許承載力的確定 破壞荷載求得以后，可將其前一級(jí)荷載作為極限荷載，從而

9、確定單樁軸向容許承載力 式中：P單樁軸向受壓容許承載力（kN）； 試樁的極限荷載（kN）； K安全系數(shù)，一般為2。單樁荷載沉降（P-S）曲線 單樁S-logt曲線 試驗(yàn)曲線法： （1）P-S曲線明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)法 （2）S-logt法（沉降速率法）（二）經(jīng)驗(yàn)公式法 我國(guó)現(xiàn)行各設(shè)計(jì)規(guī)范都規(guī)定了以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算單樁軸向容許承載力的方法，這是一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法。規(guī)范根據(jù)全國(guó)各地大量的靜載試驗(yàn)資料，經(jīng)過(guò)理論分析和統(tǒng)計(jì)整理，給出不同類型的樁，按土的類別、密實(shí)度、稠度、埋置深度等條件下有關(guān)樁側(cè)摩阻力及樁底阻力的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、數(shù)據(jù)及相應(yīng)公式。 下面以公橋基規(guī)為例簡(jiǎn)介如下（以下各經(jīng)驗(yàn)公式除特殊說(shuō)明者外均適用于鋼筋混凝土樁、

10、混凝土樁及預(yù)應(yīng)力混凝土樁）。 1、摩擦樁 單樁豎向容許承載力的基本形式為： 單樁容許承載力P=樁側(cè)極限摩阻力PSU+樁底極限阻力PPU/安全系數(shù) （1）鉆（挖）孔灌注樁： （2）打入樁 （3）管柱受壓容許承載力確定 管柱受壓容許承載力可按打入樁計(jì)算，也可由專門(mén)試驗(yàn)確定。 （4）單樁軸向受拉容許承載力確定 當(dāng)樁的軸向力由結(jié)構(gòu)自重、預(yù)加力、土重、土側(cè)壓力、汽車荷載、和人群荷載短期效應(yīng)組合所引起，樁不允許受拉； 當(dāng)樁的軸向力由上述荷載并與其他作用組成的短期效應(yīng)組合或者偶然組合（地震力除外），則允許樁受拉。單樁軸向受拉容許承載力可按下式計(jì)算： 2、端承樁（柱樁） 支承在基巖上或嵌入巖層中的單樁，其軸向

11、受壓容許承載力，取決于樁底處巖石的強(qiáng)度和嵌入巖層的深度，可按下式計(jì)算。（三）動(dòng)測(cè)試樁法 動(dòng)測(cè)法是指給樁頂施加一動(dòng)荷載（用沖擊、振動(dòng)等方式施加），量測(cè)樁土系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)，然后分析計(jì)算樁的性能和承載力，可分為高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法與低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法兩種。 低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法由于施加樁頂?shù)暮奢d遠(yuǎn)小于樁的使用荷載，不足使樁土間發(fā)生相對(duì)位移，而只通過(guò)應(yīng)力波沿樁身的傳播和反射的原理作分析，可用來(lái)檢驗(yàn)樁身質(zhì)量，不宜作樁承載力測(cè)定但可估算和校核基樁的承載力。 高應(yīng)變動(dòng)測(cè)法一般是以重錘敲擊樁頂，使樁貫入土中，樁土間產(chǎn)生相對(duì)位移，從而可以分析土體對(duì)樁的外來(lái)抗力和測(cè)定樁的承載力，也可檢驗(yàn)樁體質(zhì)量。 （四）靜力分析法 靜力分析法是根據(jù)土

12、的極限平衡理論和土的強(qiáng)度理論，計(jì)算樁底極限阻力和樁側(cè)極限摩阻力，也即利用土的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算樁的極限承載力，然后將其除以安全系數(shù)從而確定單樁容許承載力。 1、樁底極限阻力的確定 把樁作為深埋基礎(chǔ)，并假定地基的破壞滑動(dòng)面模式，運(yùn)用塑性力學(xué)中的極限平衡理論，導(dǎo)出地基極限荷載（即樁底極限阻力）的理論公式：樁側(cè)單位面積的極限摩阻力取決于樁側(cè)土間的剪切強(qiáng)度。按庫(kù)侖強(qiáng)度理論得知： 2、樁側(cè)極限摩阻力的確定 三、按樁身材料強(qiáng)度確定單樁承載力 一般說(shuō)來(lái)，樁的豎向承載力往往由土對(duì)樁的支承能力控制。但當(dāng)樁穿過(guò)極軟弱土層，支承（或嵌固）于巖層或堅(jiān)硬的土層上時(shí)，單樁豎向承載力往往由樁身材料強(qiáng)度控制。此時(shí)，基樁將象一根受壓

13、桿件，在豎向荷載作用下，將發(fā)生縱向撓曲破壞而喪失穩(wěn)定性，根據(jù)公路橋規(guī)，對(duì)于鋼筋混凝土樁，當(dāng)配有普通箍筋時(shí)，可按下式確定基樁的豎向承載力：四、單樁橫軸向容許承載力的確定 樁的橫向承載力，是指樁在與樁軸線垂直方向受力時(shí)的承載力。樁在橫向力（包括彎矩）作用下的工作情況較軸向受力時(shí)要復(fù)雜些，但仍然是從保證樁身材料和地基強(qiáng)度與穩(wěn)定性以及樁頂水平位移滿足使用要求來(lái)分析和確定樁的橫軸向承載力。（一）在橫向荷載作用下，樁的破壞機(jī)理和特點(diǎn) 樁在橫向力作用下變形示意圖 a)剛性樁；b)彈性樁（二）單樁橫向容許承載力的確定方法單樁水平靜載試驗(yàn) 樁水平靜載試驗(yàn)裝置示意圖 五、關(guān)于樁的負(fù)摩阻問(wèn)題（一）負(fù)摩阻力的意義及其

14、產(chǎn)生原因 在一般情況下，樁受軸向荷載作用后，樁相對(duì)于樁側(cè)土體作向下位移，土對(duì)樁產(chǎn)生向上作用的摩阻力，稱正摩阻力。但當(dāng)樁周土體因某種原因發(fā)生下沉，其沉降變形大于樁身的沉降變形時(shí)，在樁側(cè)表面的全部或一部分面積上將出現(xiàn)向下作用的摩阻力，稱其為負(fù)摩阻力。 樁的正、負(fù)摩阻力 負(fù)摩阻力的危害： 樁的負(fù)摩阻力的發(fā)生將使樁側(cè)土的部分重力傳遞給樁，因此，負(fù)摩阻力不但不能成為樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外荷載，對(duì)入土深度相同的樁來(lái)說(shuō)，若有負(fù)摩力發(fā)生，則樁的外荷載增大，樁的承載力相對(duì)降低，樁基沉降加大，這在確定樁的承載力和樁基設(shè)計(jì)中應(yīng)予以注意。對(duì)于橋梁工程特別要注意橋頭路堤高填土的橋臺(tái)樁基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力問(wèn)題，因路堤高填土是一個(gè)很大的地面荷載且位于橋臺(tái)的一側(cè)，若產(chǎn)生負(fù)摩阻力時(shí)還會(huì)有橋臺(tái)背和路堤填土間的摩阻問(wèn)題和影響樁基礎(chǔ)的不均勻沉降問(wèn)題。 樁的負(fù)摩阻力產(chǎn)生的原因有：1在樁附近地面大量堆載，引起地面沉降；2土層中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土層產(chǎn)生自重固結(jié)下沉；3樁穿過(guò)欠壓密土層（如填土）進(jìn)入硬持力層，土層產(chǎn)生自重固結(jié)下沉；4樁數(shù)很多的密集