《樁豎向極限承載力》PPT課件.ppt

1、第三節(jié)單樁豎向極限承載力、單樁豎向承載力是指單樁在豎向荷載作用下，樁周土體均能保持自身穩(wěn)定，且變形在允許范圍內(nèi)，能滿足建筑物正常使用要求的最大荷載。 在確定單樁的垂直承載力之前，需要知道單樁的工作性狀，即施加在樁頂上的垂直荷載如何傳遞到地基上(樁土系荷載傳遞規(guī)則)，縱向受壓樁的荷載傳遞，一、縱向荷載作用訂貨樁的工作反應(yīng)歷程，一、 作用于單樁縱向荷載傳遞規(guī)律樁基礎(chǔ)的縱向荷載q由樁側(cè)土的總摩阻力Qs和樁端土的總阻力Qp共同承擔(dān)，如圖49(a )所示，根據(jù)力的縱向平衡，Q Qs十Qp在樁頂荷載極大的樁的荷載傳遞過程研究表明，樁在外荷載q的作用下，樁側(cè)總阻力Qs和樁端。 樁基礎(chǔ)承受縱向載荷后，樁體發(fā)生

2、壓縮向下的位移，樁側(cè)面受到土的向上摩擦阻力qs，樁側(cè)土體發(fā)生剪切變形，將樁體的載荷傳遞給樁周土層，使樁體的載荷和樁體的壓縮變形隨深度減小。 隨著載荷的增加，樁端出現(xiàn)垂直位移和樁端反作用力qp。 樁端位移使樁主體各斷面的位移變大，進(jìn)一步發(fā)揮樁側(cè)阻力。 一般來(lái)說(shuō)，接近樁體部的土層的側(cè)阻比下部土層先發(fā)揮，發(fā)揮樁端阻力所需的極限位移明顯大于發(fā)揮樁側(cè)阻力所需的極限位移，因此側(cè)阻力比端阻力先發(fā)揮。 在樁體的摩阻全部發(fā)揮到達(dá)極限后，如果繼續(xù)增加負(fù)荷，則負(fù)荷增量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形變，位移加速度顯著增大，直到樁端阻力達(dá)到極限，位移才迅速增大到破壞。 此時(shí)，樁已達(dá)到其極限承載力

3、。 對(duì)樁的荷載傳遞規(guī)律可歸納如下：縱向荷載作用下樁土系荷載傳遞過程簡(jiǎn)單，樁身位移s(z )和樁身荷載Q(z )隨深度減小，側(cè)摩阻力qs(z )從上到下逐漸發(fā)揮。 s(z )、Q(z )和qs(z )三者間的關(guān)系可以用數(shù)學(xué)式記述(式4-1樁的負(fù)荷傳遞基本方程)。 單樁的荷載傳遞分析表明，對(duì)于一般的摩擦樁，當(dāng)縱向荷載q作用于頂部時(shí)，其樁頂位移S0一般由兩部分構(gòu)成，一部分為樁端下沉量sp，它包括樁側(cè)荷載作用下的樁端以下的土體壓縮和扎入樁尖土層引起的樁體整體位移在內(nèi)的另一部分樁身材料由軸力n 為了了解樁側(cè)摩擦阻力qs、軸力n和樁體截面位移s的關(guān)系，可以進(jìn)行專業(yè)的試驗(yàn)研究。 例如，圖49(a )是一根試

4、驗(yàn)片樁，長(zhǎng)度為l、截面積為a、周長(zhǎng)為u，通過預(yù)先沿樁體的不同截面埋設(shè)應(yīng)力修正，測(cè)定各截面的應(yīng)力，能夠計(jì)算各截面軸力N(z )的沿樁體z的分布曲線。 當(dāng)然，當(dāng)摩擦阻力qs的方向朝上時(shí)，N(z )隨著深度增大而減小。 例如圖49(d )所示。樁的軸向力與樁側(cè)摩擦阻力、樁體位移的關(guān)系，現(xiàn)在從樁體的任意深度z取dZ微段，其受力狀況參照?qǐng)D49(a )，根據(jù)微段的垂直力平衡條件(忽略樁體自重)，可以得到4-1式樁的負(fù)荷傳遞基本方程，測(cè)定樁軸向力N(z )的分布曲線在對(duì)樁進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，如果將樁基礎(chǔ)的垂直位移s0和樁的彈性模數(shù)e測(cè)定為云同步，則利用上述測(cè)定的軸向力分布曲線N(z )，根據(jù)材料力學(xué)式，求出樁端位移

5、Sp和任意深度處的樁體截面位移S(z )，即圖4-9中的載荷傳遞曲線(Nz曲線) 可以求出如何采用不同載荷作用下的載荷傳遞曲線，了解側(cè)阻和端阻隨載荷增大的發(fā)展變化、它們的發(fā)揮程度以及兩種阻力與樁身位移的關(guān)系等規(guī)律，對(duì)于合理確定樁身承載力，進(jìn)行樁身基礎(chǔ)的設(shè)置糾正非常有意義。 (1)樁側(cè)阻力、樁與樁之間相對(duì)位移的大小直接影響其阻力的發(fā)揮程度。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外的原型樁和模型實(shí)驗(yàn)，在樁和樁周土之間只有非常小的相對(duì)位移時(shí)，就會(huì)發(fā)生樁側(cè)摩擦阻力。 在粘性土，樁側(cè)的摩擦阻力全部發(fā)揮的相對(duì)位移量約為46mm，砂土約為610mm，該位移量不受樁的尺寸或長(zhǎng)度的影響。 (大直徑的鉆孔樁，如果孔壁為凹凸形，則發(fā)揮側(cè)摩擦阻

6、力所需的極限位移大到20mm以上，更大到40mm，約為樁徑的2.2%，如果孔壁平滑，則發(fā)揮側(cè)摩擦阻力所需的極限位移小到34mm。 2、樁側(cè)阻力和樁端阻力、樁側(cè)阻力沿樁體的分布受多種因素(如樁的類型、樁的下沉方式、土的種類和性質(zhì)等)的影響。 試驗(yàn)研究結(jié)果表明，一般粘性土中的樁，其摩阻沿樁體分布的形狀始終接近拋物線，樁頂摩阻為零，樁體中段摩阻大于樁下段(圖49c )。 土砂中的樁，其摩擦阻力在距離地面約520倍的樁徑(打人的樁為約1020倍的樁徑灌注樁為約510倍的樁徑)范圍內(nèi)，隨著深度的增加而增大。 深度更大的表兄弟過濾的摩擦阻力接近均勻分布或逐漸減少。 (2)樁端阻力、樁端阻力是在載荷作用下在

7、樁與樁周土之間產(chǎn)生一定程度的相對(duì)位移后，載荷傳遞到樁端引起土的壓縮變形而產(chǎn)生的。 在用于樁基礎(chǔ)的負(fù)荷q不斷增大，樁側(cè)摩擦阻力完全發(fā)揮達(dá)到極限值后，持續(xù)增加的負(fù)荷由樁端阻力的增大來(lái)承擔(dān)，在樁端下的土體達(dá)到極限平衡之前，樁端阻力也達(dá)到極限值，此時(shí)樁所承受的負(fù)荷成為極限承載力Qu。 由于樁端阻力是在一定程度上發(fā)揮樁側(cè)阻力后發(fā)生的，因此為了使樁端阻力在一盞茶上發(fā)揮，需要比樁側(cè)阻力全部發(fā)揮時(shí)的樁與土的相對(duì)位移量大得多的相對(duì)位移量。 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在給定地基條件下，在一盞茶中發(fā)揮樁端阻力所需的樁土相對(duì)位移量是樁徑(或邊長(zhǎng))的函數(shù)。 一般土的情況下，對(duì)于樁與土之間的相對(duì)位移為0.25倍樁徑的硬粘土，對(duì)于

8、0.1倍樁徑的土砂，為0 .080.1倍樁徑。 由于樁基礎(chǔ)載荷，樁側(cè)總摩擦阻力與樁端總阻力之比不一定。 由此可知，樁基礎(chǔ)載荷的傳遞過程復(fù)雜。 1 )摩擦型樁摩擦型樁是指由于縱向極限載荷而承受的樁頂載荷的全部或主要由樁側(cè)阻力承受。 根據(jù)樁側(cè)阻力分擔(dān)載荷的大小，摩擦型樁分為摩擦樁和端承摩擦樁兩種。 (3)樁側(cè)、樁端阻力的負(fù)荷分擔(dān)比和樁的分類樁側(cè)、樁端阻力的負(fù)荷分擔(dān)狀況，除了與樁側(cè)、樁端土的性質(zhì)有關(guān)外，還與樁土的相對(duì)剛性、屏幕縱橫比l/d有關(guān)。 樁土的相對(duì)剛性越大，屏幕縱橫比l/d越小，從樁端傳遞的載荷越大。 根據(jù)樁側(cè)阻力和樁端阻力的發(fā)揮程度和分擔(dān)荷重比，將樁分為摩擦型樁和端承型樁2種和4種亞類。在

9、深松軟土層作中，堅(jiān)硬的土層作為樁端持力層，或者樁端持力層堅(jiān)硬但樁的屏幕縱橫比l/d大，向樁端傳遞的軸向力小，由于極限負(fù)荷，樁頂負(fù)荷的大部分由樁側(cè)阻力承受，樁端阻力小，可以忽視的樁稱為摩擦樁。 當(dāng)樁的l/d不太大，樁端持力層為較硬的粘性土、粉土和砂類土?xí)r，除樁側(cè)阻力外，一定的樁端阻力樁頂荷載由樁側(cè)阻力和樁端阻力共同承擔(dān)，但大部分樁側(cè)阻力受到的樁稱為端承摩擦樁。 這種樁所占的比例很大。 端承型樁是指在垂直極限載荷作用下，樁基礎(chǔ)載荷全部或主要由樁端阻力承受，樁側(cè)阻力相對(duì)于樁端阻力較小或可以忽略的樁。 根據(jù)樁端阻力的發(fā)揮程度和分擔(dān)負(fù)荷的比例，可以分為摩擦端承樁和端承樁兩種。 樁端進(jìn)入中密以上的砂土、碎

10、石類土或中微化巖層，樁頂極限載荷由樁側(cè)阻力和樁端阻力共同承擔(dān)，主要受樁端阻力，稱為摩擦端樁。 當(dāng)樁的l/d小(一般小于10 )時(shí)，樁主體橫穿軟土層，樁端設(shè)置于實(shí)心砂層，在碎石類土層中，設(shè)置于微風(fēng)化巖層中，樁頂負(fù)荷的大部分由樁端阻力承受，樁側(cè)阻力小，無(wú)法糾正。 對(duì)于鉆(沖)孔灌注樁，樁側(cè)和樁荷載分擔(dān)比也與孔底沉渣有關(guān)，如摩擦型樁。 (2)端承型樁，(4)極限樁側(cè)阻力、樁端阻力的影響因素，(1)深度效應(yīng)樁端進(jìn)入均勻持力層的深度h小于某深度時(shí)，其端阻力隨深度線性增大，進(jìn)入深度大于某深度時(shí)，極限端阻力大致保持一定，將該深度與端阻力的臨界深度hcp Hcp隨砂的相對(duì)密度Dr和樁徑的增大而增大，隨營(yíng)銷對(duì)象

11、壓力p0的增大而減小。 qpl與樁徑和營(yíng)銷對(duì)象壓力p0無(wú)關(guān)，隨著砂的相對(duì)密度Dr的增大而增大。 但端阻受其下存在的弱下臥層的影響而降低，端阻的臨界厚度tc主要隨砂的相對(duì)密度Dr和樁徑d的增大而增大。 在上海、安徽蚌埠對(duì)樁端進(jìn)入粉砂不同深度的打入樁進(jìn)行系列試驗(yàn)結(jié)果表明，臨界深度在7d以上，端阻臨界厚度為(5-7)d。 硬粘性土中的臨界深度與臨界厚度大致相等，為hcp tc 7d。 2 )打樁效果(a )土擠壓樁、部分土擠壓樁的打樁效果非密土砂中的土擠壓樁，在打樁過程中，樁周土被擠出而變密，提高了樁側(cè)、樁端阻力。 相對(duì)于樁群，樁周土的壓實(shí)效果更為顯著。 飽和黏土中的擠土樁在打樁過程中對(duì)樁周土受到擠

12、壓、擾動(dòng)、重建，產(chǎn)生超孔隙水壓力，然后引起孔壓消散、再固結(jié)和波動(dòng)恢復(fù)，對(duì)側(cè)阻、端阻具有顯著的時(shí)間效應(yīng)，即軟黏土中的擠土摩擦型樁的承載力隨時(shí)間增加，越接近打樁時(shí)間，增加的速度越快非擠土樁的打樁效果非擠土樁(挖掘、沖擊、挖孔挖掘樁)，在造孔過程中孔壁側(cè)應(yīng)力被解除，出現(xiàn)側(cè)向土松弛變形。 孔壁土松弛效果會(huì)減弱土體強(qiáng)度，降低樁側(cè)阻力。 采用泥漿護(hù)壁成孔灌注樁，在樁土界面之間形成“泥皮”弱界面，樁側(cè)阻力顯著降低，泥漿增稠，成孔時(shí)間越長(zhǎng)，“泥皮”越厚，樁側(cè)阻力越低。 形成的孔壁比較粗糙(有凹凸)，由于混凝土和土的咬合作用，接觸面的抗剪強(qiáng)度不易受泥皮的影響，樁側(cè)摩擦阻力比較一盞茶。 對(duì)于非擠壓樁，打樁過程中的

13、樁端土不僅不會(huì)被擠壓，而且會(huì)出現(xiàn)虛土和沉渣現(xiàn)象，因此降低端阻，沉渣越厚，端阻越低的情況越多。 這表明鉆孔灌注樁的承載特性受到很多施工因素的影響，很難控制施工質(zhì)量。 掌握成熟的施工技術(shù)，加強(qiáng)質(zhì)量管理，對(duì)工程可靠性尤為重要。3、樁側(cè)負(fù)摩擦阻力，先討論的是正常情況下樁與周圍土體之間的荷載傳遞情況，即由于樁基礎(chǔ)荷載，樁相對(duì)于樁周圍土體產(chǎn)生向下的位移，土在樁側(cè)產(chǎn)生向上的摩擦力，構(gòu)成樁承載力的一部分，稱為正摩擦阻力。 但是，在某些特殊情況下，樁周土層的下沉量大于相應(yīng)深度處的樁體的下沉量，即當(dāng)土層相對(duì)于樁產(chǎn)生向下的位移時(shí)，在土對(duì)樁側(cè)產(chǎn)生向下的摩擦力，將該摩擦力稱為負(fù)摩擦阻力(參照?qǐng)D410 )。 負(fù)摩擦阻力的

14、存在使樁基負(fù)荷增大(或者使樁的承載力降低)，使樁基的沉降危害增大，將負(fù)摩擦阻力的分布和中性點(diǎn)，(1)負(fù)摩擦阻力的發(fā)生條件，(2)負(fù)摩擦阻力的分布，正負(fù)摩擦阻力的邊界的部位，即樁土間不發(fā)生相對(duì)位移的截面稱為中性點(diǎn)(參照?qǐng)D4-10(b ) ) 在中性點(diǎn)以上，土層相對(duì)于樁產(chǎn)生向下位移，在該部分的樁長(zhǎng)范圍出現(xiàn)負(fù)摩擦阻力的中性點(diǎn)以下，樁截面相對(duì)于土層向下方位移，由此，產(chǎn)生樁側(cè)的正摩擦阻力，且在中性點(diǎn)的下拉負(fù)荷(即，在樁體上由負(fù)摩擦阻力產(chǎn)生的最大軸力)達(dá)到最大值中性點(diǎn)的深度Ln與樁周土的可壓縮性和變形條件以及樁和持力層土的剛性等因素有關(guān)，理論上樁的垂直位移和樁周土的垂直位移相等，可由表兄弟等確定，但實(shí)際上

15、中性點(diǎn)的位置難以準(zhǔn)確確定。 有些實(shí)測(cè)資料表明，對(duì)于固結(jié)不足的軟土層中的摩擦型樁，中性點(diǎn)的位置通過樁長(zhǎng)7080深的軟土自重濕陷性黃土，對(duì)于被基巖、砂礫支撐的端承型樁，在允許范圍內(nèi)沉降時(shí)，中性點(diǎn)的位置處于樁長(zhǎng)8595深，樁沉降量接近零在具有可壓縮土層L0的范圍內(nèi)，中性點(diǎn)深度Ln隨著樁端持力層的強(qiáng)度和剛性的增大而增加，表4-2是建筑樁基礎(chǔ)規(guī)范給出的中性點(diǎn)深度Ln與樁周松軟土層下限深度L0之比，即中性點(diǎn)深度比Ln/L0的經(jīng)驗(yàn)值，在設(shè)定時(shí)可作為參考。 如4-3所示，對(duì)于砂類土，可按下式估算： n樁周土鉆桿長(zhǎng)度修正的平均標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)在工程實(shí)際中，應(yīng)盡量減小樁基礎(chǔ)的負(fù)摩擦阻力對(duì)降低樁縱向承載力的影響，在

16、設(shè)置修正與施工時(shí)采取有效的預(yù)防措施：如a、固結(jié)不足土受濕限性土層及地面堆積的影響而沉降的土層中的預(yù)制鋼筋混凝土樁和鋼樁，一般通過對(duì)產(chǎn)生負(fù)摩擦阻力的一段樁實(shí)施柔軟的瀝青膠涂層來(lái)減少負(fù)摩擦阻力，在施工時(shí)利用樁側(cè)的正摩擦阻力留心涂層不擴(kuò)展到樁部分。 對(duì)于通過b、固結(jié)不足等土層由硬持力層支撐的灌注樁，可采用以下措施減少負(fù)摩擦阻力：1)在沉降土層范圍內(nèi)采用雙重管樁，使內(nèi)管承受樁頂負(fù)荷，使外管承受負(fù)摩擦阻力，在內(nèi)外管之間填充潤(rùn)滑物質(zhì)(高黏性系數(shù)膨潤(rùn)土泥漿盡量減少外管承受的負(fù)摩擦阻力2 )在鋼樁上再加入厚度3mm的塑料薄膜(兼作防銹用)，去除或減少負(fù)摩擦阻力的影響等。 二、豎向荷載接受訂貨樁的破壞模式、豎向

17、受壓?jiǎn)螛兜钠茐哪Ｊ脚c樁的傳遞力性狀(樁的尺寸、樁的類型)、樁體材料和樁周土體性能關(guān)系密切。 了解單樁受力破壞的特點(diǎn)對(duì)正確確定單樁承載力有指導(dǎo)意義。 縱向載荷導(dǎo)致樁的破壞形態(tài)不同，總結(jié)如下： 1樁身結(jié)構(gòu)破壞2樁周土體破壞，1樁身結(jié)構(gòu)破壞彎曲破壞，樁端由硬巖土層支撐或通過極軟土層時(shí)，縱向載荷導(dǎo)致樁端土提供的承載力超過樁身結(jié)構(gòu)承載的載荷，樁周如上圖所示，該破壞在負(fù)荷沉降(Qs )曲線上出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，即破壞負(fù)荷。 一般來(lái)說(shuō)，細(xì)長(zhǎng)的嵌巖樁和長(zhǎng)的摩擦樁，例如長(zhǎng)薄壁管樁和h形樁等，容易發(fā)生這樣的破壞。 此時(shí)樁的縱向承載力取決于樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。2樁周土體破壞整體剪切破壞和穿刺破壞，樁通過抗剪強(qiáng)度低的軟土層支撐在堅(jiān)硬的持力層上，當(dāng)樁端壓力超過持力層的極限承載力時(shí)，樁端以上的軟土體無(wú)法阻止樁端折動(dòng)土楔的形成，樁端土體形成連續(xù)的整體折動(dòng)面，折動(dòng)土楔向上擠壓形成整體剪切破壞。 如上圖(b )所示，其QS曲線具有明顯的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。 此類樁的承載