4.3.3豎向荷載作用下的群樁效應(yīng)4.44.5解析課件

1、4.3.3 豎向荷載作用下的群樁效應(yīng) 實際工程中的樁基礎(chǔ)既有一柱一樁形式、也有一柱多樁的形式，即既有單樁基礎(chǔ)，又有由若干根基樁組成，并在樁頂用承臺連接成一個整體的群樁基礎(chǔ)。 群樁中的基樁與前面介紹的獨立單樁的工作性狀是否相同？ 群樁的承載力是否等于相應(yīng)根數(shù)的單樁承載力之和？ 群樁基礎(chǔ)的沉降量是否與獨立單樁相同？ 什么是群樁效應(yīng)？ 回答這些問題需要探討群樁基礎(chǔ)在地基中的工作特點，即承臺、樁群、地基土體的共同作用機理。第1頁，共48頁。 群樁基礎(chǔ)在外荷載作用下，由于樁基的承載類型和幾何形式不同，其工作特點也不同。1端承型群樁的工作特點 對于端承群樁，由于樁端處持力層為巖層或堅硬土層，樁端的沉降很小

2、，樁側(cè)摩阻力不易發(fā)揮，上部荷載通過樁身直接傳至樁端土層中，樁端地基土所受壓力僅局限于樁底面積范圍內(nèi)，各樁端的壓力彼此相互影響小，如圖4-14所示。在這種情況下，可認為端承群樁中的各基樁的工作性狀與獨立單樁相同，因此端承群樁的承載力等于相應(yīng)根數(shù)的單樁承載力之和，其沉降量也與單樁沉降量相同。一、 群樁基礎(chǔ)工作特點分析第2頁，共48頁。第3頁，共48頁。第4頁，共48頁。 2摩擦群樁的工作特點（有兩種情況） （1） 摩擦群樁與端承群樁相反，作用其上的荷載主要是通過每根樁側(cè)面的摩阻力傳布到樁周及樁端的土層中去。一般假定，樁側(cè)摩阻力在土中引起的附加應(yīng)力按照一定的角度沿樁長向下擴散分布，至樁端平面處，壓力

3、分布如圖4-15中的陰影部分所示。 當樁數(shù)少n4根），樁距Sa較大時，例如Sa 6d（d為樁徑），這時群樁中各基樁的工作情況仍和單樁的工作狀況相似，故群樁中基樁的承載力也近似等于單樁承載力（如前圖（a）。第5頁，共48頁。 （2）但當樁距較小， Sa 6d，樁數(shù)較多（n 4根）時，樁端處地基中各樁傳來的壓力就會相互重疊（圖4-15（b），使得樁端處壓力要比單樁時增大許多，樁端以下壓縮土層的厚度也要比單樁深很多。這樣，群樁中各樁的工作狀態(tài)就與單樁時截然不同，群樁中的基樁承載力并不等于單樁單獨工作時的承載力，沉降量也大于單樁的沉降量，這就叫群樁效應(yīng)。思考：在樁基中產(chǎn)生群樁效應(yīng)是有利還是有弊？第6頁

4、，共48頁。群樁效應(yīng)的基本概念： 群樁在豎向荷載作用下，由于承臺、樁、土之間相互影響和共同作用，群樁的工作性狀趨于復(fù)雜，樁群中任一根樁的工作性狀都不同于孤立的單樁，群樁承載力將不等于各單樁承載力之和，群樁沉降也明顯地超過單樁，即是群樁效應(yīng)。 群樁效應(yīng)受土性、樁距、樁數(shù)、樁的長徑比、樁長與承臺寬度比、成樁類型和排列方式等多個因素的影響而變化。 群樁效應(yīng)可用群樁效率系數(shù)和沉降比表示。第7頁，共48頁。 群樁效率系數(shù)是指群樁豎向極限承載力Qg與群樁中所有樁的單樁豎向極限承載力Qi總和之比，即=Qg/Q i 。 沉降比是指在每根樁承擔相同荷載條件下，群樁沉降量sn與單樁沉降量s之比，即= sn /s。

5、 群樁效率系數(shù)越小、沉降比越大，表示群樁效應(yīng)越強，也就意味著群樁承載力越低、沉降越大 群樁效率系數(shù)和沉降比主要取決于樁距和樁數(shù)，其次與土質(zhì)和土層構(gòu)造、樁徑、樁的類型及排列方式等因素有關(guān)。第8頁，共48頁。各類型群樁基礎(chǔ)特點歸納（1）端承型群樁基礎(chǔ) 由端承樁組成的群樁，通過承臺分配到各樁樁頂?shù)暮奢d，其大部或全部由樁身直接傳遞到樁端。通過承臺土反力、樁側(cè)摩阻力傳遞到土層中的應(yīng)力較小，樁群中各樁之間，承臺、樁、土之間的相互影響較小，其工作性狀與獨立單樁相近。因而端承型群樁的承載力可近似取為各單樁承載力之和，即群樁效率系數(shù)、沉降比可近似取為1。端承型群樁基礎(chǔ)無群樁效應(yīng)。第9頁，共48頁。（2）摩擦型群

6、樁基礎(chǔ) 由摩擦樁組成的群樁，樁頂荷載主要通過樁側(cè)摩阻力傳布到樁周和樁端土層中，在樁端平面處將產(chǎn)生應(yīng)力重疊。承臺土的反力也傳遞到承臺以下一定范圍內(nèi)的土層中，從而使樁側(cè)阻力和樁端阻力受到干擾。 除以上一、2摩擦群樁的工作特點（兩種情況）之（1）種摩擦形群樁情況無群樁效應(yīng)外。就一般情況下，在常規(guī)樁距(34d)下，粘性土中的群樁，隨著樁數(shù)的增加，群樁效率系數(shù)明顯下降，且1；而沉降比則除了端承樁=1外，均為1。第10頁，共48頁。由此可見，樁端處：z群z單則：S群S單若需 S群=S單必降低R群。模型及載荷試驗表明：1、樁距增大時，提高；2、樁距相同時，樁數(shù)越多，越低；3、樁距增大至一定值后，增加不顯著；

7、第11頁，共48頁。3承臺底面土對荷載的分擔作用 低承臺群樁基礎(chǔ)受荷后是否考慮承臺底面土對荷載的分擔作用是樁基礎(chǔ)設(shè)計中的一個重要問題。 傳統(tǒng)的方法認為，荷載全部由樁承擔，承臺下的地基土不分擔荷載，這種考慮無疑是偏于安全的。近二十多年來的大量室內(nèi)研究和現(xiàn)場實測表明，許多建筑物的低樁承臺不同程度地起到分擔外荷載的作用，承載的比例隨著樁群的幾何特征和承臺下土性的差異而有較大幅度的變化，從百分之十幾至百分之五十以上，且承載的比例隨樁距的增大而增大。 對于摩擦型樁，除下列情況不能考慮承臺下土體對荷載的分擔作用外，均應(yīng)考慮承臺底面土對荷載的分擔作用。第12頁，共48頁。摩擦型樁下列情況不考慮承臺下土體對荷

8、載的分擔作用： 當有經(jīng)常出現(xiàn)的動力荷載作用時，如鐵路橋梁的樁基； 承臺下存在可能產(chǎn)生負摩阻力的土層，如濕陷性黃土、欠固結(jié)土、新近填土、高靈敏度軟土及可液化土，或因水位下降而引起地基土與承臺脫開； 在飽和軟土中沉人密集樁群，引起超靜孔隙水壓力和土體隆起，隨著時間推移，樁間土逐漸固結(jié)下沉而與承臺脫離。第13頁，共48頁。 但對于那些建在一般土層上，樁長較短而樁距較大，或承臺外區(qū)面積較大的樁基，承臺下樁間土對荷載的分擔效應(yīng)較顯著，故應(yīng)考慮承臺底土反力效應(yīng)。承臺底土抗力的大小和分布形式，隨樁距、樁長、承臺剛度等因素而變化?？偟囊?guī)律是： （1）剛性承臺底面土反力呈馬鞍形分布，隨著樁距的增大，土抗力增加；

9、 （2）承臺內(nèi)區(qū)（群樁外包絡(luò)線以內(nèi)范圍）土抗力顯著小于承臺外區(qū)的土抗力，且內(nèi)區(qū)土反力比外區(qū)土反力較均勻；并當加大樁距時承臺內(nèi)外區(qū)土的反力差明顯降低。 故在實際工作中可以通過加大外區(qū)和內(nèi)區(qū)的面積比來提高承臺分擔荷載的份額。第14頁，共48頁。承臺底反力圖示1.承臺底土反力；2.土層位移；3.樁端位移第15頁，共48頁。不同樁距承臺底土反力分布圖第16頁，共48頁。 綜上可知：影響群樁基礎(chǔ)的豎向承載力的因素除其基樁自身的承載力外，還包括樁土之間的相互作用對樁側(cè)阻力和端阻力的影響，以及承臺底土抗力的分擔荷載效應(yīng)。因此： （1）對于端承群樁基礎(chǔ)和樁的中心間距Sa6d的摩擦群樁基礎(chǔ)，其承載力等于相應(yīng)根數(shù)

10、的獨立單樁承載力之和，沉降量也與單樁沉降量一致，無需考慮群樁效應(yīng)，因而僅需作單樁承載力驗算； （2）而對于樁數(shù)較多且樁的中心間距Sa 6d的摩擦群樁基礎(chǔ)，應(yīng)考慮群樁效應(yīng)，除要驗算單樁的豎向承載力之外，還需對群樁基礎(chǔ)的承載力及沉降進行驗算。第17頁，共48頁。二、 復(fù)合基樁豎向承載力特征值 建筑樁基規(guī)范將考慮承臺底土阻力的群樁樁基定義為復(fù)合樁基，包括承臺底土阻力的基樁稱為復(fù)合基樁。規(guī)范指出：對于端承樁基、樁數(shù)小于4根的摩擦型樁基，以及由于地層土性、使用條件等因素不宜考慮承臺效應(yīng)時，群樁中的基樁豎向承載力特征值取單樁豎向承載力特征值，即第18頁，共48頁。c區(qū)別擠土樁和非擠土樁，可按規(guī)范表5.2.

11、5-1取值規(guī)范5.2.5-1第19頁，共48頁。式中： 承臺效應(yīng)系數(shù)，非擠土樁可按規(guī)范表取值；對于擠土樁按表5.2.5值乘以0.7。當計算基樁為非正方形排列時， ，A為計算區(qū)域承臺面積，n為總樁數(shù)；fak承臺下1/2承臺寬度且不超過5m深度范圍內(nèi)地基承載力特征值的加權(quán)平均值； Ac計算樁基所對應(yīng)的承臺底的凈面積； Ap為樁截面面積；對于柱下獨立樁基，A為全承臺面積；對于樁筏基礎(chǔ)，A為柱、墻筏板的1/2跨距和懸臂邊2.5倍筏板厚度所圍成的面積；樁集中布置于墻下的樁筏基礎(chǔ)，取墻兩邊1/2跨距圍成的面積，按條基計算。 第20頁，共48頁。 sa/dBc/l 345660.40.40.80.8單排樁條

12、基0.120.140.140.160.160.180.200.300.180.210.210.240.240.260.300.400.250.290.290.330.330.370.400.500.320.380.380.440.440.500.500.600.600.80承臺效應(yīng)系數(shù) 第21頁，共48頁。三、樁頂作用效應(yīng)計算 在初步確定樁基中的樁數(shù)和基樁的布置后，應(yīng)驗算群樁中各基樁所承受的荷載是否超過基樁的承載力特征值。計算假定承臺為絕對剛性，并樁身壓縮變形在線性范圍內(nèi)，則可由材料力學方法得：1、軸心荷載作用下單樁受力設(shè)計要求 規(guī)范5.2.1-1 規(guī)范5.1.1-1第22頁，共48頁。2、偏

13、心受力各樁受力設(shè)計要求為規(guī)范5.2.1-2 規(guī)范5.1.1-2各公式中字母含義參見樁基規(guī)范51 樁頂作用效應(yīng)計算第23頁，共48頁。四、 軟弱下臥層驗算 當樁端平面以下荷載影響范圍內(nèi)存在軟弱下臥層時，由于樁端持力層厚度有限，兩層的承載力差異過大，如果樁距較小，則樁與樁間土的性狀類似于實體墩基礎(chǔ)，而可能會引起沖破硬持力層的整體沖切破壞，如下圖 (a)所示；如果樁距較大(或單樁基礎(chǔ))且硬持力層厚度較小，單樁可能會產(chǎn)生單獨沖剪破壞，如下圖 (b)所示。 為了防止上述情況的發(fā)生，需進行相應(yīng)的群樁承載力驗算，驗算原則：擴散到軟臥層頂面的附加應(yīng)力與軟臥層頂面土自重應(yīng)力之和要小于軟臥層的設(shè)計承載力。第24頁

14、，共48頁。第25頁，共48頁。1.對于樁距不超過6d 的群樁基礎(chǔ)，樁端持力層下存在承載力低于樁端持力層承載力1/3 的軟弱下臥層時，可按下列公式驗算軟弱下臥層的承載力 ： 公式各符號意義參考規(guī)范5.4 特殊條件下樁基豎向承載力驗算規(guī)范5.4.1-1規(guī)范5.4.1-2第26頁，共48頁。 實際工程中，在持力層以下存在相對軟弱土層是常見的現(xiàn)象，一般只有當樁長較小、強度相差過大時才進行必要驗算。因當樁長很長時，樁側(cè)阻力的擴散效應(yīng)比較顯著，相應(yīng)傳遞到其下軟弱層的應(yīng)力較小，不致于引起下臥層的破壞。 若下臥層與持力層的地基承載力差異過小時，土體塑性擠出和失穩(wěn)現(xiàn)象也不會出現(xiàn)。第27頁，共48頁。4.4 樁

15、基礎(chǔ)的沉降計算 （1）對于端承群樁或樁中心間距大于6倍樁徑的摩擦群樁基礎(chǔ)，樁基的總沉降量可認為與單樁的沉降量相同； （2）對于樁中心間距小于6倍樁徑的摩擦群樁基礎(chǔ)，或樁端持力層下存在軟弱土層，或遇有重要的對基礎(chǔ)沉降有特殊要求的建筑物時（安全等級較高），不但要驗算樁基的承載力，還應(yīng)對樁基進行變形（沉降量）驗算。第28頁，共48頁。規(guī)范規(guī)定對以下樁基礎(chǔ)應(yīng)進行沉降驗算：地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級的建筑樁基礎(chǔ)；體形復(fù)雜、荷載不均勻或樁端以下存在軟弱土層的設(shè)計等級為乙級的建筑物樁基礎(chǔ)；摩擦型樁。 建筑樁基規(guī)范認為：對于樁中心間距小于6倍樁徑的摩擦群樁基礎(chǔ)，其最終沉降量可采用等效作用分層總和法（見規(guī)范圖5.5

16、.6）。等效作用面位于樁端平面，等效作用面積為樁承臺投影面積；等效作用附加應(yīng)力近似取承臺底面的平均附加應(yīng)力。等效作用面以下的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論，然后仍按淺基礎(chǔ)的沉降計算步驟計算沉降量S。第29頁，共48頁。第30頁，共48頁。1.單樁沉降的計算樁頂沉降樁身壓縮量樁端沉降按材料力學公式計算（1）樁側(cè)阻力引起的樁周土中的附加應(yīng) 力以壓力擴散角向下傳遞，致使樁 端下土體壓縮而產(chǎn)生的樁端沉降；（2）樁端荷載引起樁端下土體壓縮所產(chǎn) 生的樁端沉降。第31頁，共48頁。目前單樁沉降計算主要方法有：（1）荷載傳遞分析法（2）彈性理論法（3）剪切變形傳遞法（4）有限單元分析法（5）其他簡化法

17、第32頁，共48頁。2. 群樁沉降計算p143 群樁的沉降主要是由樁間土的壓縮變形（包括樁身壓縮、樁端貫入變形）和樁端平面以下土層受群樁荷載共同作用產(chǎn)生的整體壓縮變形兩部分組成。由于群樁的沉降性狀涉及群樁幾何尺寸、成樁工藝、樁基施工與流程、土類與土性、荷載大小及持續(xù)時間、承臺設(shè)置方式等等眾多復(fù)雜因素，故目前仍未有較完善的樁基礎(chǔ)沉降計算方法。2011基礎(chǔ)規(guī)范推薦的群樁沉降計算方法，不考慮樁間土的壓縮變形對沉降的影響，采用單向壓縮分層總和法按下式計算樁基礎(chǔ)的最終沉降量：第33頁，共48頁。地基內(nèi)的應(yīng)力分布宜采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論，可按實體深基礎(chǔ)（樁距不大于6d）或其他方法（包括明德林應(yīng)力公

18、式方法）計算。 第34頁，共48頁。變形特征容許值砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部傾斜0.002各類建筑相鄰柱（墻）基的沉降差框架、框剪、框筒結(jié)構(gòu)砌體墻填充的邊排柱當基礎(chǔ)不均勻沉降時不產(chǎn)生附加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)0.002l00.0007 l0 0.005 l0 單層排架結(jié)構(gòu)（柱距為6m）柱基的沉降量（mm）120建筑物樁基的變形允許值 第35頁，共48頁。橋式吊車軌面的傾斜（按不調(diào)整軌道考慮）縱向橫向0.0040.003多層和高層建筑基礎(chǔ)的傾斜 Hg2424Hg6060Hg100Hg1000.0040.0030.00250.002體形簡單的剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑樁基最大沉降量（mm）200高聳結(jié)構(gòu)樁基的整體傾斜 H

19、g2020 Hg 5050 Hg100100Hg150150 Hg200200 Hg2500.0080.0060.0050.0040.0030.002高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降量（mm） Hg100100Hg200200Hg250350250150第36頁，共48頁。4.5 樁的負摩擦問題 p.1464.5.1 產(chǎn)生負摩擦的條件和原因 在樁頂豎向荷載作用下，當樁相對于樁側(cè)土體向下位移時，土對樁產(chǎn)生的向上作用的摩阻力，稱為正摩阻力。但是，當樁側(cè)土體因某種原因而下沉，且其下沉量大于樁的沉降（即樁側(cè)土體相對于樁向下位移）時，土對樁產(chǎn)生的向下作用的摩阻力，稱為負摩阻力。 負摩阻力的存在將導(dǎo)致增大樁身荷載（或降

20、低了樁的承載力），并增大樁基的沉降危害！后果第37頁，共48頁。中性點第38頁，共48頁。（1）負摩阻力的產(chǎn)生條件第39頁，共48頁。第40頁，共48頁。（2）負摩阻力的分布 正負摩阻力分界的地方，即樁土之間不發(fā)生相對位移的截面稱為中性點（見圖4-19（b）。在中性點以上，土層相對于樁產(chǎn)生向下的位移，在這部分樁長范圍內(nèi)出現(xiàn)負摩阻力；在中性點以下，樁截面產(chǎn)生相對于土層的向下位移，因而產(chǎn)生樁側(cè)正摩阻力，同時在中性點處下拉荷載（即由負摩阻力在樁身引起的最大軸力）達到最大值（見圖4-19 （d）。 中性點的深度Ln與樁周土的壓縮性和變形條件及樁和持力層土的剛度等因素有關(guān)，理論上可根據(jù)樁的豎向位移和樁周

21、土的豎向位移相等處來確定，但實際上準確確定中性點的位置比較困難。第41頁，共48頁。一些實測資料表明： 對于欠固結(jié)的軟弱土層中的摩擦型樁，中性點的位置大多在樁長的7080深度處； 對于穿過軟土、自重濕陷性黃土，支撐在基巖、砂卵石上的端承型樁，當沉降在允許范圍之內(nèi)時，中性點的位置在樁長的8595深度處，當樁沉降量接近于零時，負摩阻力可分布于全樁身，中性點接近基巖面。 在有可壓縮土層L0的范圍內(nèi)，中性點深度Ln是隨樁端持力層的強度和剛度的增大而增加的，表4-4為建筑樁基規(guī)范給出的中性點深度Ln與樁周軟弱土層下限深度L0之比，即中性點深度比Ln/ L0的經(jīng)驗值，可供設(shè)計時參考。第42頁，共48頁。第43頁，共48頁。4.5.2 負摩阻力的計算（不成熟） 由于影響負摩阻力的因素很多，如樁側(cè)與樁端土的變形與強度性質(zhì)、土層應(yīng)力歷史、地面堆載的大小和范圍、地下水降低的深度和范圍、樁的類型和成樁工藝等，因此很難從理論上精確計算負摩阻力，迄今國內(nèi)外學者提出的負摩阻力的計算方法都是近似的和經(jīng)驗性的