桩基逆作法的设计与应用课件

桩基逆作法的设计与应用桩基逆作法的设计与应用桩土荷载分配分析桩土荷载分配分析桩基逆作法按照施工过程分为以下三个阶段：第一阶段：在设计的基础埋深处施工地下室的地板（柱下为较厚的承台）或筏板，同时在设计的桩位处预留桩孔和锚杆；第二阶段：施工地面以上若干层的上部结构，当上部结构的自重荷载满足压桩反力要求而且天然地基的承载力满足这一阶段上部结构荷载时，按照设计的方案在地下部分分批进行压桩；第三阶段：继续施工上部结构，在沉降观测的基础上，在适当时机封桩,上部结构继续施工直到结构封顶，并继续观测结构的沉降变形。从上可知，筏板或承台的受力也可分为三个阶段：I阶段：在压桩之前，土体与承台将保持严密接触，筏板承受全部荷载，该阶段称为压密固结阶段，即浅基础阶段；II阶段：压桩后，封桩前，承台与桩体没有可靠连接，承台与上部结构刚度对土体与桩构成的复合地基基本没有影响，荷载在土体与桩体之间进行首次分配，此时荷载分配是按照复合地基的理论进行的，因此可以定义为复合地基阶段。III阶段：封桩以后，桩体与承台可靠连接生效以后，承台和上部刚度对荷载分配产生影响，后加荷载在土体与桩体之间发生分配，此时分配应考虑筏板刚度、桩体刚度、土体刚度之间的相互影响。很显然，这时处于共同作用阶段，或者称为复合桩基阶段。各阶段受力状况分析各阶段受力状况分析 1.压密固结阶段（第I阶段）土力学中，将土在某一压力作用下自由水逐渐排出，土体随之压缩，土体的密实度和强度随时间增长的过程称为土的固结过程，土体的固结程度称为固结度。第一阶段天然地基承载力的提高幅度虽然不大，为了准确预测桩土荷载分担比值，考虑随着固结度提高引起承载力的提高是必要的。在天然地基上建造层上部结构后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，地基发生固结变形。同时随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长。其承载力增长示意如图所示。饱和粘性土三轴固结不排水剪切试验结果用有效应力表达式为式中 c、分别为有效粘聚力（kPa）和有效内摩擦角（o）；为有效正应力。对正常固结饱和粘土，当时，抗剪强度为，在图2-1三角形ABC中，又据极限平衡条件式为：解联立式得：因此，的增量 与产生的强度增量 为线性关系式中 为地基中某点的固结度。设压桩前N1层荷载P1下浅基础承受的荷载，此时全部荷载由天然地基承担。此时，天然地基的承载力需满足：其中G为基础自重，F1为压桩前施工到N1层时上部传来的结构自重；F2为相应的施工活荷载；f和f为原有设计承载力和承载力提高值；An为筏板基础的净面积,实际设计中并不考虑其提高作用。2.复合地基阶段（第复合地基阶段（第II阶段）阶段）施工到一定阶段后要进行静压桩施工，此时上部结构提供的配重足以承担压桩力，此时桩体和承台尚未刚性连接，桩体与土体构成复合地基。这时候天然地基刚度明显改善，但是由于在桩位处预留孔洞，桩体上方并没有承受荷载，只是由于桩体加入而使复合土体变形模量增大，沉降速率明显降低，在桩数较多的饱和粘土中，结构有可能整体上抬（并非所有逆作法工艺中都会出现这种情况），所以直到封桩前，土体将承担全部上部荷载。3.共同作用阶段（第共同作用阶段（第III阶段）阶段）设为封桩以后又施工的层荷载（包括恒荷载和活载）下土体承担的荷载。封桩完毕后，桩与筏板已建立可靠连接，筏板在荷载分配中发挥了作用，此后添加的荷载将在桩和筏板之间发生分配。此时，桩筏基础复合刚度的计算可采用建议的表达式：桩筏基础中考虑桩、筏相互影响系数 。当两者的相互影响为0时，承台下土体承担的荷载为：式中：Kpr为桩筏基础刚度；Kp为桩体刚度或群桩刚度；Kr为筏板刚度，为相互影响系数；rm为单桩位移影响范围，在该范围以外可以认为由于桩体引起的沉降为0。rr为筏板的等效半径，a,b为筏板的长和宽。上式所确定的是在第三阶段分配给土体的荷载值，在第一和第二阶段，在作用下，土体的固结并未完全完成，在第三阶段，将有部分荷载应在第一、二阶段施加在土体上，却由于封桩后桩体的介入，一部分荷载在第三阶段被桩体承担。式中，Pp为土体转移给桩体的荷载；Stf为在(P1+P2)作用下浅基础的理论沉降值；为封桩时已经完成的沉降；为按照式（2-1-7）所应当分配给桩体的荷载比值；Us为(P1+P2)作用下基础沉降完成的固结度，显然，当(P1+P2)作用下沉降完全完成时，固结度为1，则在第三阶段不会发生荷载的转移，只有第三阶段的荷载在桩土之间分配。这样，就可以求出在总荷载下筏板承受的荷载：设 则桩承受荷载:从上述过程可以看到，在第一阶段和第二阶段，土体为承受荷载的主体，在第三阶段有部分荷载发生了转移，但第三阶段增加的荷载大部分由桩体承担。可以调整压桩及封桩的时机来调整桩土荷载分担比例，从而达到在控制结构总体沉降的前提下利用桩间土承担荷载的目的。从试点工程情况来看，实际设计中土体承担荷载控制在30%-40%之间，也有的工程达到较高的50%-70%的比例，考虑土体承担荷载是可观而且可行的。设计阶段桩基逆作法的荷载控制设计阶段桩基逆作法的荷载控制设计的基本原则与步骤为：1.确定桩数。确定桩数的原则是基于允许变形让土承担部分荷载，剩余部分由桩体承担，土承担部分约为土标准承载力的50-60%。记天然地基承载力设计值的利用系数为,单桩极限承载力的利用系数为 ，则桩数确定如下：此式的意义可以认为承台底土承担的荷载为常数，不足部分由群桩承担（一般）。2.单桩荷载与强度验算。竖向荷载偏心时，且应验算各桩顶荷载：其中，Mx、My为Q通过桩群重心的x轴、y轴的力矩，xi、yi为各桩坐标。鉴于水平荷载一般较小，这里假定力矩荷载全部由桩承担，没有考虑承台下土体的分担，这样计算简便也偏于安全。同时也要对桩身材料进行强度验算。3.变形验算，包括绝对沉降和差异沉降的验算。对复合桩基进行整体安全度复核。整体安全度应不小于2。Qs,Qr分别为土体和桩体的极限承载力，为上浮力，在基础位于地下水位以下时须考虑。桩基逆作法中的承台设计桩基逆作法中的承台设计静压桩的压桩力静压桩的压桩力压桩力的准确估算压桩力的准确估算 对锚杆静压桩来说，影响压桩力估算准确度的因素主要来自三个方面，即几何相似比误差，压桩阻力分布模型误差和时间误差（主要是指静力触探原位测试发生在地基开挖前，而桩基逆作法的压桩发生在经过上部结构预压后。）静力触探的圆锥锥头底面积一般为10cm2或15cm2，侧壁面积尺寸为150-300cm2，锥尖锥角为60o，探头匀速贯入速率大约为1-2m/min，而实际桩体底面积大约为625cm2，桩侧面积随桩长而异。压桩速度大约1-2m/min，所以两者的误差来自于尺寸效应和压桩速度两个方面。因为两者贯入速度基本相同,所以主要误差来源来自尺寸效应。对于压桩阻力分布形式，上海市特种基础工程研究所提出的计算沉桩时桩身摩阻力的分布模式得到广泛认可。该沉桩阻力分布基本图式将桩周动摩阻力大致分为三段，见图：柱穴区:L1也称为无侧阻区，在这个区的桩周单位摩阻力 。滑移区:在桩中部，这个区的桩周单位摩擦阻力qs2小于qs3，在这一部分 ;L3为挤压区，这个区的桩周单位摩擦阻力一般稍大于原状土的静态强度。图2-6压桩阻力分布故可以得到静力触探估算公式：式中：Pu沉桩总阻力；U0桩外周长；S桩尖截面积；L3挤压区土层厚度，通常为5-8倍桩径。当桩很大、土质硬时取小值，反之取大值；qs1，qs2静力触探探头单位侧摩阻力；ni挤压区土的桩周冲击系数：粘土中可取2.5-3.5，砂性土中可取2-3；L2滑移区土层厚度。当桩的入土深度L时，可取(50-60%)L，当L为（45-60）m时，可取（40-50）%L0；m桩尖处土层的桩尖冲击系数，粘性土中可取2，砂性土中可取1.2-1.5；桩尖尺寸效应折算系数。一般取为0.4-0.6；qs3静力触探探头的单位阻力。其取法可参考上述讨论。预制桩的沉桩效应预制桩的沉桩效应 贯入机理贯入机理 钢筋混凝土预制桩属于挤土桩。桩施工过程中，桩的贯入过程造成了桩周土颗粒的复杂运动，使桩周土体发生变化。桩尖“刺入”土体时，原状土的初始应力受到破坏，造成桩尖下土体的压缩变形，土体对桩尖相应产生阻力。随着桩贯入压力的增大，当桩尖处的土体所受应力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而达到极限破坏，土体产生塑性流动（粘性土）或挤密侧移和下拖（砂性土），桩尖下土体被向下和侧向压缩挤开，桩继续“刺入”下层土体中。随之桩周土体继续被压缩挤开。在地表中，粘性土体会向上隆起，砂性土则会被拖带下沉。在地深处由于上覆土层的压力，土体主要向桩周水平向挤压，使接近桩周处土体结构完全破坏。由于较大的辐射向压力的作用也使邻近桩周土体受到较大扰动影响。此时，桩身必然受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗，当桩顶施加的力和桩自重之和大于沉桩时的这些抵抗力，桩尖继续刺入下沉直至设计标高。沉桩效应主要表现在三各方面：地表土体的隆起，桩中部产生的土体（桩体）水平位移，先沉桩和后继沉桩的相互影响。土体的隆起土体的隆起1.半经验半理论公式：半经验半理论公式：假定入土桩小孔扩张的总面积为，小孔扩张的面积等于离小孔中心距离处土体位移环形面积，设是桩入土产生的总影响量。令 ，则 。水平位移：竖向位移：K1-挤土系数，Ip越大，K1越大；取决于土体的压缩性，相当于土的挤土体积变化系数，上海的经验值取 。K2-挤土施工系数，与桩的数量、密度、打桩流水方向有关，上海的经验值取 。KH-水平向位移的分配系数，。KV-竖向位移的分配系数，。2.理论研究公式：理论研究公式：ASVesic1972年的研究和其他学者的研究认为：沉桩时沿桩身周围土体应力变化是和圆柱型孔洞扩张时所产生的应力变化相似。因此，可以把沉桩过程模拟成在半无限弹性介质内的孔洞扩张理论，这样，如果桩周土体中所有应力、应变和位移都对称于桩轴线，是轴对称平面应变问题。考察具有初始半径为的圆形孔被均匀分布的内压力所扩张的课题，如图所示，当这个压力增加时，围绕着孔的圆柱形区将成为塑性状态。这时塑性区将随着内压力的增加而不断地扩张，一直达到最终值为止。这时，孔的半径为，而围绕着孔的塑性区的半径则扩大到。在半径以外的土体仍保持为弹性平衡状态。假定如下：塑性区内土体是可压缩的塑性固体，土体具有库仑-摩尔所定义的强度指标,以及平均体积应变，其值是由塑性区内的应力状态和土的体积变化-应力关系所确定的；假定塑性区以外的土体是线性变形、各向同性的固体，具有变形模量和泊松比;并假定承受各向同性的有效应力。轴对称课题的应力平衡方程式为：库仑-摩尔破坏条件：具体推导过程可参考有关文献，这里只列出主要微分方程及其解:其解为：径向位移拉梅解：扩张压力：刚度指标：修正刚度指标：塑性区半径：上述理论结果常常无从求解，因为塑性区内体积应变无法获得，对于粘性土可以认 为，梅耶霍夫、毕肖普等人的课题解建立在认为饱和粘性土理论上不可压缩，即。则值可以依次求得，于是可求得在距压入桩距离r处竖向的应力增量：由于圆筒形孔是平面应变问题，因此有 设 代入得：在离开桩心处距离为处的土体是否隆起的表达式即为：可见，桩周土体是否隆起跟桩周的土质特性有关，并且不会超过塑性区影响半径，例如：对粘土 换算桩半径为 ，其塑性区半径 ，计算结果如下所示，土体在3.15Ru处基本不再隆起。最大隆起深度传统桩基础逆作法桩基础距离最大隆起深度距离最大隆起深度12.18m11.18m7.88m6.88m4.83m3.83m2.46m1.46m0.53m0.453m0.0133m0.26m先沉桩对后继沉桩的影响先沉桩对后继沉桩的影响 先前沉桩除了在桩周土体产生隆起外，还将对桩侧土体产生挤密作用，挤密作用的最直接后果就是使后继沉桩阻力增大，在先期沉桩数量较多的情况下，后继沉桩将会发生困难，产生拒沉问题。后沉桩对先沉桩的影响后沉桩对先沉桩的影响 按照后继桩的沉桩阶段，可以分为三个不同时期的不同作用机理：1.侧向挤压挠曲作用 这一作用不仅仅在塑性区内，即使距离较远的弹性区内也存在，但在塑性区内作用力较大，也更重要。预制桩可以认为具有足够的抗挠曲能力，除了应注意邻桩的侧向位移外，可以不考虑桩身的强度问题。2.上拔作用 这是由于受沉桩挤压而向上移动的土体对邻桩的向上摩擦作用而产生的上拔力。这种作用仅仅在地表附近土体刚性抬起的范围内，在一定深度以下，土的压力P大于其密实度的临界压力Pc，或土的天然密度Dr小于其临界密度Drc，土体主要表现为体积压缩而土体的上向移动基本没有时，这时对邻桩的上台作用就基本没有。可以根据上述方法范围确定土体隆起的深度，然后用摩擦力估计上拔力，与其下部的负摩阻力和桩的自重之和比较大小，以判断桩会不会被抬起。3.端部上顶作用 当打入桩底部接近于相邻桩端附近时，打入桩底下土滑移场影响到邻桩时，就产生对邻桩端部的上顶作用。上顶作用力可用在桩端产生的扩张力估计。抗顶力即是整个桩身上的负摩擦力，两者大小的比较即可判断上顶作用会不会有效。