《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)計與計算一、單樁軸向荷載傳遞機(jī)理和特點 （一）荷載傳遞過程與土對樁的支承力 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)生相對于土的向下位移，與此同時樁側(cè)表面就會受到土的向上摩阻力。樁頂荷載通過所發(fā)揮出來的樁側(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。在樁土相對位移等于零處，其摩阻力尚未開始發(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)動起來，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，這時總是樁側(cè)摩阻力先充分發(fā)揮出來。當(dāng)樁身摩阻力全部發(fā)揮出來達(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)到極限值時所需要的位移量是不相同

3、的。試驗表明：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位移有關(guān)，還與其它因素有關(guān)。 土的性質(zhì)樁的剛度時間因素土中應(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)樁底支承在很堅硬的地層，樁側(cè)土為軟土層其抗剪強(qiáng)度很低時，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)度的樁穿過抗剪強(qiáng)度較低的土層而達(dá)到強(qiáng)度較高的土層時，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土楔的形成，樁底土體將形成滑動面而出現(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，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）靜載試驗法 概念：在樁頂逐級施加軸向荷載，直至樁達(dá)到破壞狀態(tài)為止，并在試驗過程中測量每級荷載下不同時間的樁頂沉降，根據(jù)沉降與荷載及時間的關(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，也可專門設(shè)置與工程樁相同的試驗樁。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)計樁相同。 靜載試驗法的特點：確定單樁容許承載力直觀可靠，但費時、費力，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。配合其他測試設(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方法。 1、試驗裝置 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上堆放重物，一般為鋼錠或砂包，也有在荷載平臺上置放水箱，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)，以減少錨樁對試樁承載力的影響。 錨

7、樁法試驗裝置 堆載法靜載試驗錨樁法靜載試驗錨樁法靜載試驗錨樁法靜載試驗千斤頂及位移傳感器 觀測系統(tǒng)：主要有樁頂位移和加載數(shù)值的觀測。位移通過安裝在基準(zhǔn)梁上的位移計或百分表量測。加載數(shù)值通過油壓表或壓力傳感器觀測。每根基準(zhǔn)梁固定在兩個無位移影響的支點或基準(zhǔn)點上，支點或基準(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）。 2、試驗方法 分級加載：試樁加載應(yīng)分級進(jìn)行，每級荷載約為預(yù)估破壞荷載的1/101/15；有時也采用遞變加載方式，開始階段每級荷載取預(yù)估破壞荷載的1/2.51/5，終了階段取1/101/15。 測讀沉降時間：在每級加荷后的第一小時內(nèi)，按2、5、15、30、45、60mi

8、n測讀一次，以后每隔30min測讀一次，直至沉降穩(wěn)定為止。沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，通常規(guī)定為對砂性土為30min內(nèi)不超過0.1mm；對粘性土為1h內(nèi)不超過0.1mm。待沉降穩(wěn)定后，方可施加下一級荷載。循此加載觀測，直到樁達(dá)到破壞狀態(tài)，終止試驗。 破壞荷載的確定：當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，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，且本級荷載下的沉降量為前一級荷載下沉降量的5倍。 （2）本級荷載下樁的沉降量為前一級荷載下沉降量的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 試驗曲線法： （1）P-S曲線明顯轉(zhuǎn)折點法 （2）S-logt法（沉降速率法）（二）經(jīng)驗公式法 我國現(xiàn)行各設(shè)計規(guī)范都規(guī)定了以經(jīng)驗公式計算單樁軸向容許承載力的方法，這是一種簡化計算方法。規(guī)范根據(jù)全國各地大量的靜載試驗資料，經(jīng)過理論分析和統(tǒng)計整理，給出不同類型的樁，按土的類別、密實度、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)驗系數(shù)、數(shù)據(jù)及相應(yīng)公式。 下面以公橋基規(guī)為例簡介如下（以下各經(jīng)驗公式除特殊說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算，也可由專門試驗確定。 （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，可按下式計算。（三）動測試樁法 動測法是指給樁頂施加一動荷載（用沖擊、振動等方式施加），量測樁土系統(tǒng)的響應(yīng)信號，然后分析計算樁的性能和承載力，可分為高應(yīng)變動測法與低應(yīng)變動測法兩種。 低應(yīng)變動測法由于施加樁頂?shù)暮奢d遠(yuǎn)小于樁的使用荷載，不足使樁土間發(fā)生相對位移，而只通過應(yīng)力波沿樁身的傳播和反射的原理作分析，可用來檢驗樁身質(zhì)量，不宜作樁承載力測定但可估算和校核基樁的承載力。 高應(yīng)變動測法一般是以重錘敲擊樁頂，使樁貫入土中，樁土間產(chǎn)生相對位移，從而可以分析土體對樁的外來抗力和測定樁的承載力，也可檢驗樁體質(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面模式，運用塑性力學(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 一般說來，樁的豎向承載力往往由土對樁的支承能力控制。但當(dāng)樁穿過極軟弱土層，支承（或嵌固）于巖層或堅硬的土層上時，單樁豎向承載力往往由樁身材料強(qiáng)度控制。此時，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)，對于鋼筋混凝土樁，當(dāng)配有普通箍筋時，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 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 樁水平靜載試驗裝置示意圖 五、關(guān)于樁的負(fù)摩阻問題（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，樁相對于樁側(cè)土體作向下位移，土對樁產(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，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，對入土深度相同的樁來說，若有負(fù)摩力發(fā)生，則樁的外荷載增大，樁的承載力相對降低，樁基沉降加大，這在確定樁的承載力和樁基設(shè)計中應(yīng)予以注意。對于橋梁工程特別要注意橋頭路堤高填土的橋臺樁基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力問題，因路堤高填土是一個很大的地面荷載且位于橋臺的一側(cè)，若產(chǎn)生負(fù)摩阻力時還會有橋臺背和路堤填土間的摩阻問題和影響樁基礎(chǔ)的不均勻沉降問題。 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