第五章 豎向荷載下的群樁承載力計(jì)算

1、第五章 樁基工程,Pile Foundation,崔德山 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院 Engineering Faculty, CUG(WuHan),樁的承載力,確定方法有：建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50007-2002）和建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-94） 樁的承載力：單樁豎向承載力、群樁豎向承載力和樁的水平承載力,建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94-94）,按載荷試驗(yàn)確定 Quk=Qum 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)測平均值 按土的物理指標(biāo) Quk=Qsk+Qpk 單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值 RQsk /rs +Qpk /rp 樁側(cè)阻和端阻抗力分項(xiàng)系數(shù),豎向荷載下單樁承載力,單樁豎向承載力確

2、定,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法,小于800mm 非大直徑樁,大于800mm 大直徑樁,大直徑樁側(cè)阻修正系數(shù),大直徑樁端阻修正系數(shù),大直徑樁擾動效應(yīng),單位面積效應(yīng)降低,樁的極限側(cè) 阻力標(biāo)準(zhǔn)值,樁的極限端 阻力標(biāo)準(zhǔn)值,又稱尺寸效應(yīng)系數(shù),豎向荷載下單樁承載力,單樁豎向承載力確定,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法,鋼管樁,閉口 敞口,樁端土塞效應(yīng),形成類似閉口樁,土體大量涌入樁心,d1,豎向荷載下單樁承載力,單樁豎向承載力確定,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法,混凝土空心樁,豎向荷載下單樁承載力,單樁豎向承載力確定,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法,嵌巖樁,土體：,巖體：,飽和抗壓強(qiáng)度 粘土巖取天然濕度抗壓強(qiáng)度,嵌巖段側(cè)阻與端阻綜合系數(shù),15MPa,30MPa,母巖強(qiáng)度,樁基抗拔承

3、載力,抗拔樁基承載力驗(yàn)算,確定方法,試驗(yàn)方法,甲級和乙級建筑樁基,載荷試驗(yàn),經(jīng)驗(yàn)公式法,丙級建筑樁基,兩種破壞方式,單樁破壞模式,群樁破壞模式,抗拔樁基承載力驗(yàn)算,單樁破壞,基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值,516a,抗壓樁摩阻力經(jīng)驗(yàn)值,抗拔系數(shù)新老規(guī)范一致,擴(kuò)底樁有所調(diào)整,思路：對抗壓樁參數(shù)進(jìn)行折減得到抗拉樁抗拔極限承載力,抗拔樁基承載力驗(yàn)算,整體破壞,基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值,群樁數(shù),群樁外圍周長,思路： 首先將群樁看成一個(gè)整體破壞的大樁 然后進(jìn)行所有樁的平均,同時(shí)驗(yàn)算抗拔承載力,群樁整體破壞模式,單樁破壞模式,第三節(jié) 豎向荷載下的群樁承載力計(jì)算,Vertical bearing capacity

4、 of group piles,豎向荷載下的群樁承載力,單樁與群樁,基本概念,基樁(Foundation Pile),樁基礎(chǔ)中的單樁,復(fù)合樁基(Composite pile foundation),有基樁和承臺下地基土共同承擔(dān)荷載的樁基礎(chǔ),減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)(Composite foundation with settlement-reducing piles),軟土地基天然地基承載力基本滿足要求的情況下 為減少沉降采用疏布摩擦型樁的復(fù)合樁基,變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)(Optimized design of pile foundation stiffness to reduce differential

5、settlement),考慮上部結(jié)構(gòu)形式、荷載和地層分布以及相互作用效應(yīng)，通過調(diào)整樁徑、樁長、樁距等改變基礎(chǔ)支承剛度分布，以促使建筑物沉降趨于均勻、承臺內(nèi)力降低的設(shè)計(jì)方法,豎向荷載下的群樁承載力,承臺類型,條形承臺,對應(yīng)條形基礎(chǔ),獨(dú)立承臺,對應(yīng)獨(dú)立基礎(chǔ),筏型承臺,對應(yīng)筏型基礎(chǔ),箱型承臺,對應(yīng)箱型基礎(chǔ),豎向荷載下的群樁承載力,群樁的工作形狀,端承型群樁,承臺底部分擔(dān)荷載小,樁側(cè)荷載分擔(dān)小,主要荷載由樁端巖土體承擔(dān),群樁承載力,單樁承載力,樁基的沉降驗(yàn)算也可以簡化或者省掉,嵌巖樁 對沉降無特殊要求條形基礎(chǔ)下不超過兩排的樁基 簡單的工業(yè)廠房樁基（樁端為密實(shí)土層）,豎向荷載下的群樁承載力,群樁的工作形

6、狀,摩擦型群樁,上部荷載作用效應(yīng)分為：,樁端應(yīng)力效應(yīng) 樁側(cè)應(yīng)力效應(yīng) 承臺應(yīng)力效應(yīng),疊加,壓力值增大 影響深度增大 群樁承載力不等于 單樁承載力之和,群樁效應(yīng)： 摩擦群樁才具有的特征 受土性、樁距、樁數(shù)、樁的長徑比、樁長與承臺寬度比、成樁方法等多因素的影響而變化 群樁效應(yīng)又影響群樁基礎(chǔ)的荷載分配特征及群樁破壞模式,豎向荷載下的群樁承載力,群樁的工作形狀,反力與變形分布特征,邊樁和角樁承擔(dān)荷載大 中間沉降大兩邊小,蝶形沉降 馬鞍形反力分布,導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)和自身的附加彎矩、剪力，可能導(dǎo)致開裂,導(dǎo)致基礎(chǔ)內(nèi)力加大 彎矩增加,負(fù)面效應(yīng),Pmax/Pmin 剛性基礎(chǔ) 柔性基礎(chǔ) 擠密樁基礎(chǔ) 非擠密樁,解決途徑：

7、 變剛度調(diào)平設(shè)計(jì),豎向荷載下的群樁承載力,群樁的工作形狀,摩擦型群樁破壞模式,群樁破壞模式 整體與非整體破壞,群樁破壞模式 端阻破壞與側(cè)阻破壞,軟弱下臥層沖剪破壞,豎向荷載下的群樁承載力,承臺分擔(dān)荷載,1 樁距離大小,樁側(cè)阻力,樁直徑,樁中心距,當(dāng)rnd時(shí) Wr0,實(shí)測nd610d,當(dāng)土體的變形模量小 取小值,樁間距越大 樁間土體承擔(dān)的荷載越大 承臺效應(yīng)越大,r,d,豎向荷載下的群樁承載力,承臺分擔(dān)荷載,2 承臺土抗力隨承臺寬度與樁長之比而變化,Bc,L,施加荷載/極限荷載,承臺荷載/施加荷載,當(dāng)Bc/L1時(shí): 承臺土抗力形成的壓力泡包圍整個(gè)樁群，導(dǎo)致樁側(cè)阻力、端阻力發(fā)揮值降低，相應(yīng)的承臺土抗

8、力增大。,豎向荷載下的群樁承載力,承臺分擔(dān)荷載,3 承臺土抗力隨承臺區(qū)位和排列的變化,承臺內(nèi)區(qū)（樁群包絡(luò)線以內(nèi)）土抗力明顯小于外區(qū) 單排樁條基承臺土抗力大于其他排列形式群樁,施加荷載/極限荷載,承臺荷載/施加荷載,豎向荷載下的群樁承載力,考慮群樁效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值,承臺效應(yīng)系數(shù),0.5Bc且小于5m深度范圍內(nèi)各土層地基土承載力按厚度加權(quán)平均值,0.5Bc且小于5m,Ac(AnAps)/n,取消了側(cè)阻效應(yīng)和端阻效應(yīng)系數(shù) 簡化了計(jì)算過程,對于端承型樁基 樁數(shù)少于4根摩擦型樁不計(jì)承臺效應(yīng) 對于液化土 濕陷性土 欠固結(jié)土 新填土 高靈敏軟土 沉樁導(dǎo)致超孔隙水壓力及隆起等不考慮承臺效應(yīng),豎向

9、荷載下的群樁承載力,考慮群樁效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值,豎向荷載下的群樁承載力,考慮群樁效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值,滿足承載力要求,豎向荷載下的群樁承載力,群樁基礎(chǔ)整體破壞情況下承載力計(jì)算,等代墩基法,群樁基礎(chǔ)整體破壞情況下承載力,深寬修正承載力,基礎(chǔ)太深可能過高,側(cè)摩阻要根據(jù)土層條件調(diào)整,豎向荷載下的群樁承載力,群樁基礎(chǔ)整體破壞情況下承載力計(jì)算,實(shí)體深基礎(chǔ)法,中心距小于6d的摩擦群樁 樁數(shù)超過9根(含9根)且多于2排的樁基,土體的/4內(nèi)摩擦角進(jìn)行擴(kuò)散,K 安全系數(shù)23 摩擦角取有效摩擦角,豎向荷載下的群樁承載力,軟弱下臥層承載力驗(yàn)算,等代墩基法,應(yīng)力擴(kuò)散,軟弱下臥層承載力驗(yàn)算,軟弱層

10、頂面附加壓力,軟弱層頂面土層重度厚度加權(quán),深度修正后承載力特征值,擴(kuò)散角,Es1/Es2范圍擴(kuò)大,當(dāng)t0.25B0 =0,第四節(jié) 豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,Settlement calculation for pile foundation with vertical load,豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,樁基沉降計(jì)算的基本要求,控制指標(biāo)： 沉降量 沉降差 整體傾斜 局部傾斜,采用地基規(guī)范中 中低壓縮性土指標(biāo),高聳結(jié)構(gòu)沉降量比地基規(guī)范小50mm,遵循了地基規(guī)范的原則,豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,樁基沉降計(jì)算與天然地基沉降計(jì)算比較,導(dǎo)致樁底面下壓力加大,實(shí)體深基礎(chǔ),樁基沉降樁體范圍的變形樁下土體沉降

11、,豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,樁中心距不大于6倍樁徑,實(shí)體深基礎(chǔ)法 等效基礎(chǔ)面積等于承臺投影面積,豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,樁中心距不大于6倍樁徑,等效基礎(chǔ)面積等于承臺投影面積 等效作用的附加壓力p0j取承臺底附加壓力 等效作用面以下（等代實(shí)體深基礎(chǔ)底以下）的應(yīng)力分布按Boussinesq解確定 附加壓力統(tǒng)一取準(zhǔn)永久值 上述公式是角點(diǎn)法公式 矩形基礎(chǔ)中心點(diǎn)沉降可簡化,經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù),樁基等效系數(shù),承臺底面附加壓力,豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,樁中心距不大于6倍樁徑,經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù),1.該表有一定改動（書表520） 2.對于后注漿施工工藝成樁的 乘以0.7（砂、礫、卵石）0.8（黏性土、粉土） 3.對于

12、飽和土體中采用一般預(yù)制樁 根據(jù)情況乘以1.31.8,相對94規(guī)范 適用地區(qū)更廣 考慮了施工因素 相對合理,豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,樁中心距不大于6倍樁徑,等效沉降系數(shù)e,C0、C1、C2由下列參數(shù)確定; 距徑比Sa/d 長徑比l/d 基礎(chǔ)長寬比Lc/Bc,矩形布樁時(shí)短邊樁數(shù),豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,單樁 單排樁 疏樁基礎(chǔ),思路： 采用Mindlin解決側(cè)阻與端阻形成的附加壓力 采用Boussinesq解決承臺底反力在樁端下形成的附加反力 分別計(jì)算對沉降計(jì)算范圍內(nèi)所有樁與承臺的作用形成的附加壓力 將附加壓力求和 采用分層總和法計(jì)算沉降計(jì)算點(diǎn)的沉降 考慮樁壓縮量,豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,單樁

13、 單排樁 疏樁基礎(chǔ),附加壓力,影響范圍內(nèi)基樁數(shù),壓縮層范圍內(nèi)土層,該式假設(shè)側(cè)阻為三角形分布,端阻比例系數(shù),Ip與Is查表得到,樁身壓縮量,Ip Is采用Mindlin解,承臺底均布壓力,Boussinesq解,豎向荷載下的樁基沉降計(jì)算,單樁 單排樁 疏樁基礎(chǔ),計(jì)算繁瑣 精度有限,有限元進(jìn)行地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)共同分析,第五節(jié) 樁基設(shè)計(jì),Structure design of pile foundation,總步驟,樁基設(shè)計(jì)步驟,1、收集設(shè)計(jì)資料 2、選擇樁型、樁斷面尺寸、樁長的選擇 3、確定單樁承載力 4、確定群樁的樁數(shù)及布樁,5、群樁承載力與變形驗(yàn)算 6、樁基中各樁受力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7、承臺結(jié)

14、構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)過程中要滿足構(gòu)造要求,樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)包括以下幾方面,1、選擇樁的類型（根據(jù)樁的承載性狀、樁的材料和施工方法） 2、確定樁的規(guī)格與單樁豎向承載力 3、計(jì)算樁的數(shù)量進(jìn)行平面布置 4、樁基礎(chǔ)驗(yàn)算（承載力、沉降） 5、樁承臺設(shè)計(jì)（作用、種類、材料與施工、尺寸、內(nèi)力計(jì)算）,兩種設(shè)計(jì)狀態(tài),一. 樁基礎(chǔ)的兩種極限狀態(tài),（一）樁基承載力極限狀態(tài) 1、超過最大承載力 2、產(chǎn)生不適于繼續(xù)承載的變形 3、樁基發(fā)生整體失穩(wěn) （二）樁基正常使用極限狀態(tài) 變形、耐久性,樁基的設(shè)計(jì)等級：甲、乙、丙,資料準(zhǔn)備,二.資料準(zhǔn)備,巖土工程勘察資料 巖土體物理力學(xué)參數(shù) 及原位測試資料 不良地質(zhì)作用 地下水 巖土體液化評價(jià) 特

15、殊土地基評價(jià) 2. 環(huán)境條件：場地現(xiàn)狀 周圍建筑 周圍建筑樁基經(jīng)驗(yàn) 環(huán)境要求等 3. 建筑物有關(guān)資料 安全等級 平面布置 結(jié)構(gòu)類型 荷載 使用及要求 4.施工條件,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,灌注樁,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,灌注樁,有所提高,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,灌注樁,混凝土強(qiáng)度予以提高：滿足鋼筋混凝土規(guī)范要求 保護(hù)層厚度按二a環(huán)境類別確定,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,灌注樁,受壓柱最小配筋0.6%鋼混 專門抗拔樁通長配筋 摩擦樁至少配樁長1/3l,加勁箍提高鋼籠剛度 小于600mm樁 布于籠外,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,擴(kuò)底灌注樁,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造

16、要求,擴(kuò)底灌注樁,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,預(yù)制樁,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,預(yù)制樁,要求提高,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,預(yù)制樁,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,承臺構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,承臺構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,承臺構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,承臺構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,承臺構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,承臺構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,承臺構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,三.樁基構(gòu)造要求,承臺構(gòu)造要求,樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,上部結(jié)構(gòu)

17、：形式 荷載 變形敏感性 及一些特殊要求,地質(zhì)條件：地層空間展布及其性質(zhì) 地下水,環(huán)境條件：施工環(huán)境污染容忍度 地下管道 周圍建筑等,施工條件及施工能力,樁基形式,筏型及箱型承臺能有限提高基礎(chǔ)及建筑物整體性 筏型承臺可以提供連續(xù)的地下空間,樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,10層 直徑500mm左右的灌注樁 邊長400mm的預(yù)制樁 1020層 直徑8001000mm的灌注樁 邊長450500mm的預(yù)制樁 2030層 直徑10001200mm的灌注樁 邊長等于或大于500mm的預(yù)制樁 30-40層 直徑大于1200mm的灌注樁 直徑 500-550mm的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和大直徑鋼管樁

18、高層建筑所采用的挖孔灌注樁直徑可達(dá)5m左右,樁長與樁徑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,樁的布置,如何合理布置樁,從樁的承載力發(fā)揮分析,從樁施工工藝上分析,從樁與承臺共同作用分析,從樁 承臺上部結(jié)構(gòu)共同作用分析,從經(jīng)濟(jì)上考慮,樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,樁最小樁間距的要求,大樁距有利于摩阻力和承臺反力的發(fā)揮,過大的樁間距加大承臺造價(jià),樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,進(jìn)入持力層深度要求,進(jìn)入持力層深度,嵌巖樁嵌入巖層深度,注意：樁的入持力層深度均指全截面深度 不計(jì)樁尖部分,樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,樁間距下限：34.5d,樁入持力層深度：12d,樁端下硬層：3d,0.2d且0.2m,0.4d且0.5m,樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,100mm,約50mm,約20mm,箱型承臺,外框內(nèi)筒,主裙一體,主體156m,裙房4層,地下室3層,蝶形沉降,樁基構(gòu)造要求,四.樁基形式的選擇及樁的布置,武漢一大廈樁反力分布：馬鞍形分布,22層框剪結(jié)構(gòu) 樁箱基礎(chǔ) 持力層砂層,問題： 是在邊緣增加樁 VS