《桩和桩基》PPT课件

1,4.1.1 桩基及其应用,4 桩和桩基,（2）桩基础适用情况,上部软弱土层较厚；,荷载大、地基软弱，需控制沉降；,地基压缩性相差悬殊；,动力基础、精密设备基础对变形有严格要求；,利用桩承台的侧向推力，以稳定边坡；,高桩承台，作为码头及其他港湾建筑物；,4.1 概述,高层建筑、重型厂房、有特殊要求的建筑物。,（1）桩基础,2,4.1.2 桩和桩基的种类,（1）按承台位置,低桩承台基础,高桩承台基础,（2）按桩的材料,木桩,钢筋砼桩,钢桩,砼桩,3,（3）按成桩方法,预制桩,灌注桩,沉管灌注桩,钻孔灌注桩,4,（4）按桩的受力情况,端承桩,摩擦桩,（5）按桩轴线方向,竖直桩,斜桩,叉桩,5,（6）按桩的直径,大直径桩：D800mm,中等直径桩：D250mm800mm,小桩： D800mm,（7）按成桩对土层的影响,挤土桩,部分挤土桩,非挤土桩,6,4.2 单桩垂直承载力的确定,（2）单桩垂直承载力确定方法,按桩材强度,按土的抗力,（1）单桩垂直承载力,极限承载力,标准承载力,设计承载力,（3）按桩材强度确定单桩垂直承载力,（4-1）,7,（4）桩的荷载传递机理,1）基本微分方程,8,从桩中取一微段，可得到以下的平衡式：,积分得,（q4-1）,将桩视为线弹性体，桩顶沉降和任一截面位移为：,将式（q4-3）代入式（q4-4）并取二阶导数得：,（q4-2）,（q4-3）,（q4-4）,9,式中，,（q4-5）,进行桩土荷载传递分析计算的基本微分方程,桩体横截面面积；,桩体弹性模量；,桩身周长；,桩顶处位移；,桩顶处荷载。,10,2）桩的荷载传递特征,桩的承载力桩侧摩阻力+桩端阻力,桩侧摩阻力自上而下逐渐发挥，后端阻力发挥,桩侧摩阻力产生原因及其影响因素：软土和硬土,11,（5）单桩破坏模式,1）桩身材料破坏,桩发生曲折,超长摩擦桩桩顶压屈,沉降-荷载曲线有明显 转折点，即破坏特征点,桩身材料破坏示意图,12,桩穿越软土层入较硬持力层,2）桩端土整体剪切破坏,桩端土发生整体剪切破坏,沉降-荷载曲线有 明显转折点,整体剪切破坏示意图,13,均质土层摩擦型桩,3）刺入剪切破坏,桩侧与桩端土发生剪切 与刺入破坏,沉降-荷载曲线没有 明显转折点,14,纯摩擦型桩，桩端无反力,4）桩侧纯剪切破坏,桩侧纯剪切破坏,15,4.2.1 桩的静载荷试验,（2）试验程序：参照平板载荷试验,（1）桩的静载荷试验优缺点,（3）技术要点：从成桩到试验的间歇时间,4.2.1.1 试验,（4）试验结果,沉降-荷载曲线,沉降-时间曲线,16,4.2.1.2 单桩极限承载力标准值的选取,（1）根据沉降-时间关系曲线确定,17,（2）根据沉降-荷载关系特征确定,18,（3）根据沉降量确定,（4）桩载荷试验数量的确定,缓变型s-p曲线：p(s=4060mm),大直径桩：p(s=0.030.06d)，d为桩径,细长桩（L/d80）：p(s=6080mm),19,，桩侧第i土层的厚度；,式中， 为桩径为0.8m时的极限桩端抗力标准值；,4.2.2 静力公式法（建筑桩基技术规范）,（4-2）,，桩底端横截面积；,，桩侧第i土层的极限摩阻力标准值；,，桩的横截面周长；,注：海上固定平台入级与建造规程 美国石油协会API-RP2A规范,单桩垂直极限承载力标准值：,20,，桩周第i层土的侧面摩阻力（双桥探头）。,，桩端附近探头阻力平均值；,，桩端阻力修正系数；,式中， 为桩端阻力修正系数（表4-3）；,4.2.3 静力触探法：打入式预制桩,（4-3）,，桩端附近的静力触探比贯入阻力平均值；,，桩周第i层土的侧面摩阻力修正系数；,（1）单桥探头,（4-4）,（2）双桥探头,21,（3） 的取值：,22,（4） 的取值,式中，,，桩所穿越土层的比贯入阻力平均值。,地表下6m范围内的浅层土，,粘性土,粉土、砂土,（5）,23,4.2.4 动力测试法,（1）原理,（2）方法,（3）大应变和小应变法,机械敲击法,打桩公式,波动方程分析法,动力参数法,水电效应法,机械阻抗法,24,4.2.4.1 打桩公式,（1）假定：在打桩的最后阶段桩锤一击所产生的能量桩克服土对桩的阻力而移动一段距离所做的功,（2）桩的动态极限承载力R（常用公式）,25,设一细长杆受到撞击后， 应变为,4.2.4.2 波动方程分析法,（1）应用,（2）应力波控制方程,1）假定,材料均匀的等截面杆；,杆在变形中，横截面为平面，且彼此平行；,杆横截面上应力分布是均匀的；,忽略杆的横向惯性效应；,2）推导,26,aa截面上的力为,bb截面上的力为,单元上的不平衡力为,加速度为,27,引入反映桩侧土阻力的参数R，得应力波控制方程,式中，c为应力波的传播速度。,式中，“”表示R可能向上作用也可能向下作用。,（4-5）,28,（3）史密斯波动方程法,离散单元差分解法；,将桩锤、桩帽、桩为分离单元，且为不可压缩刚性质块，由无质量弹簧相连；,桩周土为弹塑性介质，由弹簧、摩擦键和并联的阻尼器来模拟；,1）假定,29,土阻力R8,等待流变动力学模型 （Kelvin模型）,弹簧,摩擦键,阻尼器,30,2）时间步长,应力波经过一个桩单元所需的时间 （临界时间间隔）,（4-6）,建议：,3）基本计算公式,任一单元在t时刻的平衡方程式：,（4-7）,31,加速度：向后差分法,（4-8）,各单元位移,（4-9a）,（4-9b）,任一单元在t时刻的平衡方程式：,（4-7）,32,各单元一瞬间的速度随单元原有速度所受的不平衡力而发生变化，有,（4-11）,各单元的弹簧力,（4-10b）,各单元的变形（弹簧变形量，相邻单元位移差）,（4-10a）,33,计算各弹簧压缩值（式4-10a）及弹簧力（式4-10b），第一时间步时只有第一个弹簧有变形和力；,计算各桩段上的土阻力；,计算加速度和速度；,进入下一时段，重复4-7步；,收敛条件：各单元速度0或桩端位移不再增大。,4）计算步骤,假定计算的时间步长，选择合适的桩单元长度；,假设各单元的位移、速度、加速度、土的塑性位移、弹簧力和土阻力初始值，一般可令为零；,计算桩锤落体撞击初速度；,（4-12）,计算第1个时段末时各单元的位移（式4-9b）；,34,5）应用,（a）预估单桩承载力（步骤）,假定静极限承载力桩侧和桩尖的最大静阻力和；,确定分配系数和桩侧阻力的分布形式；,绘制图4-12；,实测打桩最终锤击数，查图获得静极限承载力；,（b）确定打桩时的桩身最大应力,（c）沉桩能力分析,35,6）打桩分析仪pile driving analyzer,Case波动方程法,实时分析；,大应变类；,36,（4）动力参数法,1）单桩竖向自振频率,（4-13）,2）单桩抗压刚度,（4-14）,37,3）单桩临界荷载,（4-15）,4）单桩垂直容许承载力,端承型桩,摩擦型桩,5）适用条件,6）小应变类,38,（5）水电效应法,1）检验原理,2）单桩垂直极限承载力,（4-16）,（4-17）,（4-18）,（4-19）,3）推测极限承载力的步骤,39,4.3 单桩水平承载力的确定,（1）水平承载桩的荷载传递与破坏机理,水平荷载由桩身结构和作用荷载附近与桩接触的土层承受；,随荷载增大，桩身发生水平位移，并将除桩身荷载的部分传至较深桩周围土层；,桩的破坏表现为桩身发生较大的水平位移，甚至导致桩断裂；及桩后土在地表出现裂缝并逐渐向深层发展；,桩的水平承载力由控制桩的水平位移或桩身裂缝的开展确定。,40,（2）单桩水平承载力影响因素,桩的截面尺寸,桩的抗弯刚度,桩的材料强度,桩顶约束情况,桩的入土深度,土质条件,（3）单桩水平承载力确定方法,水平静载试验水平承载力设计值,理论计算,41,（4）单桩水平承载力计算方法,极限地基反力法假定反力分布,弹性地基反力法,复合地基反力法,42,4.3.1 m法,（1）基本假定,土体为直线变形体，且 ， 即深度x处的水平抗力与水平位移 成正比；,横向抗力系数随深度成线性 增加，在地面为零，即k=mx.,43,（2）桩的挠曲微分方程（解可得内力、位移）,（4-20）,（4-21）,（4-22）,（4-24）,式中，m基土的比例系数，见表4-6；,b0桩的计算宽度；,44,Remark：成层土的比例系数（3层）,（4-25）,45,（3）桩身最大弯矩及其位置（弹性长桩）,求无量纲系数系数,表4-7,（4-26）,最大弯矩深度,表4-7,（4-27）,最大弯矩,适用条件：弹性长桩,46,（4-28）,（4-29）,桩顶自由,桩顶固接,由桩顶水平位移容许值 计算,（4）单桩水平承载力设计值,47,4.3.2 p-y曲线法,（2）Matlock法,（1）定义,在某个深度x处桩的水平位移y与单位桩长土抗力合力p之间的对应关系。,（4-30）,（4-31）,计算单位桩长上的极限土抗力,48,（4-32）,计算极限土抗力之半时的水平位移,式中， 为三轴压缩试验相当于大、小主应力差之半时的应变值；,，计算参数，取2.5。,49,（4-33）, p-y曲线（幂函数，非线性弹性理想塑性）,50,适用范围：软粘土（Su96kPa）,（4-34）,弹性地基梁/桩的微分方程,用差分解法求解,河海大学p-y曲线（硬粘土和软粘土）,51,（3）讨论,适用于软粘土,反映地基土的非线性、非弹性性质,能反映由地表开始的渐进破坏现象,扩展：建立符合实际的p-y曲线,不排水强度,确定合适的桩顶容许水平位移,旁压试验确定p-y曲线等,符合实际的基土应力应变关系,52,4.4 负摩阻力的近似计算,（2）产生原因,（1）负摩阻力,当地基相对于桩发生向下位移或有位移趋势，桩表面受到的向下作用的摩阻力。,（3）负摩阻力的影响因素,（4）中性点,4.4.1 中性点位置的确定,（1）影响中性点的因素,（2）经验方法,53,4.4.2 下拉荷载,（1）定义,（2）影响因素,（3）经验公式,粘性土,（4-35）,（4-36）,砂土,（4-37）, Bjerrum公式,（4-38）,（4-39）,54,（4）下拉荷载,（4-41）,4.4.3 消减下拉荷载的措施,扩大桩端,先处理地基、后成桩,灌注桩设双层塑料膜隔离或桩侧冲填膨润土泥浆,预制桩加沥青涂层,55,4.5 群桩承载力,4.5.1 群桩的基本概念,（1）群桩效应,（2）群桩效应的影响因素,土的性质,桩距,桩的支承方式,（3）群桩破坏型式,整体破坏,刺入破坏,影响因素,56,4.5.2 群桩承载力的验算,4.5.2.1 群桩效率系数法,式中，,一个桩列中的桩数。,群桩中桩列的数目；,桩的中心距离；,桩的直径；,公式,缺点,57,4.5.2.2 假想实体基础法,（1）考虑荷载扩散,桩基承受中心荷载,（4-42）,（4-43）,桩基承受偏心荷载,（4-45）,58,（2）考虑桩侧摩阻力,桩基承受中心荷载,（4-46）,桩基承受偏心荷载,（4-47）,（3）计算方法选择,59,4.5.3 群桩沉降量的验算,分层总和法,4.5.4 负摩阻力作用下桩基 的验算,（1）群桩下拉荷载,（4-49）,（2）群桩下拉荷载折减系数,（4-51）,60,（4）承载力验算,（3）等效半径,（4-50）,将作用在单桩单位长度上的下拉荷载换算成以桩中心为圆心的筒形土重，有,桩基承受中心荷载,（4-52）,61,桩基承受偏心荷载,（4-53）,4.5.5 群桩水平承载力的验算,（1）桩的相互影响效应，降低,（2）桩顶约束效应，增大,（3）承台侧抗效应，增大,（4）承台底摩阻效应，增大,（5）竖向荷载效应，增大,（6）不均匀分配效应,62,4.6 桩基承台计算,4.6.1 抗弯计算,4.6.1.1 柱下独立桩基承台的弯矩计算,（1）多桩矩形承台,（4-54）,（4-55）,63,（2）三桩三角形承台,（4-56）,（4-57）,4.6.1.2 箱、筏形承台 弯矩计算,（1）箱形承台,（2）筏形承台,64,4.6.2 抗冲切计算,4.6.2.1 柱对承台的冲切,（4-58）,（4-59）,65,4.6.2.2 基桩对承台的冲切,（4-61）,（4-62）,（1）多桩矩形承台受角桩冲切,（4-63）,66,（4-64）,（4-65）,（2）三桩三角形承台受角桩冲切,（4-67）,底部角桩,（4-66）,顶部角桩,67,4.6.3 抗剪切计算,（4-68）,68,4.7 灌注桩施工常见质量问题及其对策,4.7.1 泥浆护壁灌注桩,（1）沉渣过厚,（2）坍孔,（3）侧阻力降低,4.7.2 泥浆护壁灌注桩,（1）吊脚、端缩,（2）断桩、缩颈、离析,69,（1）掌握桩和桩基的分类及其特点； （2）熟悉单桩垂直承载力确定的公式，熟悉动力测试法； （3）掌握单桩水平承载力确定的弹性地基反力法； （4）掌握桩侧负摩阻力产生的原因及下拉荷载的确定； （5）掌握群桩的概念及其承载力和变形验算； （6）熟悉桩基承台的抗弯、抗冲切和抗剪切计算； （7）熟悉灌注桩施工常见问题及其对策。,本章要求：,习题：,复习题和习题4-14-4、4-6、4-7,70,参考资料：,1中国土木工程学会. 注册岩土工程师专业考试复习教程M. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007.,2杨进良. 土力学 M. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.,3中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ94-2008 建筑桩基技术规范S. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.,4中华人民共和国建设部. JGJ106-2003 建筑桩基检测技术规范S. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003.,71,