1、3.4 單樁承載力,3.4.4關于樁的負摩阻問題,3.4.3按樁身材料強度確定單樁承載力,3.4.2按土的支承力確定單樁豎向容許承載力,3.4.1單樁軸向荷載傳遞的機理和特點,本 節(jié) 內 容,3.4.1單樁軸向荷載傳遞的機理和特點,孤立的一根樁稱為單樁，群樁中性能不受鄰樁影響的一根樁可視為單樁。 單樁承載力：單樁在荷載作用下，地基土和樁本身的強度和穩(wěn)定性均能得到保證，變形也在容許范圍內，以保證結構物的正常使用所能承受的最大荷載。 單樁工作性能的研究是單樁承載力分析理論的基礎。通過樁土相互作用分析，了解樁土間的傳力途徑和單樁承載力的構成及其發(fā)展過程，以及單樁的破壞機理等，對正確評價單樁軸向承載力

2、具有一定的指導意義。,樁基礎的作用是將荷載傳遞到下部土層，這是通過樁與樁周土的相互作用進行的。 樁在軸向壓力荷載作用下: 樁頂將發(fā)生軸向位移(沉降)=樁身彈性壓縮+樁底土層壓縮之和 置于土中的樁與其側面土是緊密接觸的，當樁相對于土向下位移時就產生土對樁向上作用的樁側摩阻力。樁頂荷載沿樁身向下傳遞的過程中，必須不斷地克服這種摩阻力，樁身軸向力就隨深度逐漸減小，傳至樁底的軸向力也就是樁底支承反力： 樁底支承反力=樁頂荷載-全部樁側摩阻力,一 單樁軸向荷載的傳遞,樁頂荷載是樁通過樁側摩阻力和樁底阻力傳遞給土體，即土對樁的支承力由樁側摩阻力和樁端阻力兩部分組成。 土對樁的支承力=樁側摩阻力+樁底阻力

3、樁的極限荷載(或稱極限承載力)=樁側極限摩阻力+樁底極限阻力,Qs 樁側摩阻力 Qp 樁端阻力,二、樁的豎向承載力發(fā)揮的特點,樁側摩阻力和樁底阻力的發(fā)揮程度與樁土間的變形性態(tài)有關，并各自達到極限值時所需要的位移量是不相同的。 試驗表明：樁底阻力的充分發(fā)揮需要有較大的位移值，在粘性土中約為樁底直徑的25%，在砂性土中約為8% 10%，而樁側摩阻力只要樁土間有不太大的相對位移就能得到充分的發(fā)揮，具體數(shù)量目前認識尚不能有一致的意見，但一般認為粘性土為46mm，砂性土為6 10mm。,隨著荷載增加，樁身上部側阻力先于下部側阻力的發(fā)揮 一般摩擦樁，側阻力先于端阻力發(fā)揮，側阻發(fā)揮的比例明顯高于端阻 對于長

4、樁，即使樁端土很好，工作荷載下端阻力也很難發(fā)揮。,端承樁：由于樁底位移很小，樁側摩阻力不易得到充分發(fā)揮。對于一般端承樁，樁底阻力占樁支承力的絕大部分，樁側摩阻力很小常忽略不計。但對較長的端承樁且覆蓋層較厚時，由于樁身的彈性壓縮較大，也足以使樁側摩阻力得以發(fā)揮，對于這類柱樁國內已有規(guī)范建議可予以計算樁側摩阻力。 摩擦樁： 樁底土層支承反力發(fā)揮到極限值，則需要比發(fā)生樁側極限摩阻力大得多的位移值，這時總是樁側摩阻力先充分發(fā)揮出來，然后樁底阻力才逐漸發(fā)揮，直至達到極限值。對于樁長很大的摩擦樁，也因樁身壓縮變形大，樁底反力尚未達到極限值，樁頂位移已超過使用要求所容許的范圍，且傳遞到樁底的荷載也很微小，此

5、時確定樁的承載力時樁底極限阻力不宜取值過大。,三、樁側摩阻力及其分布,單樁在軸向荷載作用下，樁身的截面位移、樁側的摩阻力分布以及軸力分布見下圖。,樁側摩阻力是樁截面對樁周土的相對位移的函數(shù) qs= f(s)，可用下圖中的曲線OCD表示，且常簡化為折線OAB。AB段表示一旦樁土界面相對滑移超過某一極限值，側摩阻力將保持極限值不變。,極限摩阻力可用類似于土 的抗剪強度的庫倫表達式：,式中ca和a為樁側表面與土之間的附著力和摩擦角，x為深度z處作用于樁側表面的法向壓力，它與樁側土的豎向有效應力成正比例，即：,式中Ks為樁側土的側壓力系數(shù)，對擠土樁，K0KsKp；對非擠土樁，因樁孔中土被清除，而使Ka

6、KsK0 。此處， Ka 、 K0和Kp分別為主動、靜止和被動土壓力系數(shù)。,擠土樁,非擠土樁,采用上述公式計算深度z處的單位側阻時，如取 則側阻將隨深度線性增大。 然而砂土中的模型樁試驗表明，當樁入土深度達到某一臨界值后，側阻就不隨深度增了，這個現(xiàn)象稱為側阻的深度效應。,綜上所述，樁側極限摩阻力與許多因素有關：,超靜孔隙水壓力消散,土的觸變性,qs 隨著深度增加,砂土中存在臨界深度,但是，樁側摩阻力達到極 限值所需的樁土滑移極限值則 與土的類別有關、而與樁徑大小無關，根據(jù)試驗資料約為46mm（對粘性土）或610mm（對砂類土）。,單樁受荷過程中樁端阻力的發(fā)揮不僅滯后于樁側阻力，而且其充分發(fā)揮所

7、需的樁底位移值比樁側摩阻力達到極限所需的樁身截面位移值大的多。根據(jù)小型樁試驗所得的樁底極限位移值，對砂類土約為d/12d/10，對粘性土約為d/10d/4（d為樁徑）。因此，對工作狀態(tài)下的單樁，其樁端阻力的安全儲備一般大于樁側摩阻力的安全儲備。,四、樁端阻力,單樁靜載荷試驗所得的 荷載沉降（Qs）關系曲線 可大體分為陡降型（A）和緩變型（B）兩類形態(tài)。,單樁的荷載沉降曲線,對樁底持力層不堅實、樁 徑不大、破壞時樁端刺入持力 層的樁，其曲線多呈“急進破壞”的陡降型，相應于破壞時的特征點明顯，據(jù)之可確定單樁極限承載力。 對樁底為非密實砂類土或粉土、清孔不凈殘留虛土、樁底面積大、樁底塑性區(qū),隨荷載增

8、長逐漸擴展的樁，則 呈“漸進破壞”的緩變型，其曲 線不具有表示變形性質突變的明顯特征點，因而較難確定極限承載力。為了發(fā)揮這類樁的潛力，其極限承載力宜按建筑物所能承受的最大沉降確定。換句話說，這類樁的承載力極限狀態(tài)是受“不適于繼續(xù)承載的變形”制約的。,樁的端承力 (1)常作為基礎承載力問題(太沙基解),(1)很難達到整體破壞 (2)端承力與深度有關 (3)存在臨界深度,樁的承載機理,(2) 土的極限端阻力影響因素 與土性有關,存在臨界深度,與施工方法有關,樁端充填粉土,二 單樁豎向承載力的確定,1 在荷載作用下，樁在地基土中不喪失穩(wěn)定性。 2 樁頂不產生過大位移 3 樁身不發(fā)生材料破壞,混凝土R

9、= cfc Ap 鋼筋混凝土R=c fc Ap +fyAg,鋼筋抗壓強度設計值,單樁承載力確定,二 確定單樁豎直向承載力的方法,1 靜載荷試驗 2 其他現(xiàn)場試驗方法 3 經驗方法：靜力觸探 經驗公式,單樁承載力確定,1、靜載試驗法 獲得單樁承載力最可靠的方法,錨樁反力梁,單樁承載力確定,錨樁反力梁法,單樁承載力確定,單樁承載力確定,單樁承載力確定,錨樁 桁架法,2400噸,Q (kN),次梁,錨筋,錨樁,主梁,千斤頂,百分表,樁的荷載試驗成果荷載沉降曲線,單樁承載力確定,(2) 載荷試驗確定極限承載力Qu(各規(guī)范不同) 如果有陡降點,取為Qu 緩變曲線取樁頂總沉降 s=40mm對應荷載 24h

10、未穩(wěn)定,Sn對應的荷載 確定平均值 (極限承載力標準值) 如離散太大,增加試樁數(shù)，具體確定 設計值R=,單樁承載力確定,二 確定單樁豎直向承載力的方法,2 其他現(xiàn)場試驗方法 動測樁法 樁端深層平板載荷試驗 離心模型試驗,單樁承載力確定,動測樁法,氣缸,堆載,樁,消音器,力傳感器,Statnamic大應變動測樁承載力方法加拿大和荷蘭,單樁承載力確定,深層平板載荷試驗確定樁端承載力,承載力特征值： 1 比例界限 2 極限荷載之半 3 s/d0.010.05對應荷載, 0.8 m,剛性板直徑800mm,單樁承載力確定,二 確定單樁豎直向承載力的方法,3 原位測試和經驗方法： 靜力觸探 標準貫入試驗

11、經驗公式,單樁承載力確定,(1)靜力觸探Static Cone Penetration 地基基礎設計為丙級的建筑物 通過單橋探頭得到比貫入阻力ps 單樁豎向承載力特征值為,傳感器,qs 樁周土承載力標準值 qp 樁端土承載力標準值,Ap 樁底橫截面面積 up 樁身周長 li 第i層土的厚度,單樁承載力確定,(2) 經驗公式法,根據(jù)相應的地基規(guī)范,豎向承載力小節(jié) 承載機理 確定方法,單樁承載力確定,第三節(jié) 樁的抗拔承載力與負摩擦力 Pullout strength and negative shaft friction,、單樁的抗拔承載力 抗浮樁，凍拔樁 抗拔樁,抗拔樁承載力,1.抗拔承載機理特

12、點,抗拔時，樁周土的應力狀態(tài)、應力路徑和土的變形與承壓樁不同。一般抗拔的摩阻力小于抗壓的摩阻力。,抗拔樁承載力,2.單樁抗拔承載力特征值Ta1 ) 現(xiàn)場抗拔靜載荷試驗重要建筑物2 ) 公式非重要建筑物,第i層土抗拔折減系數(shù)pi：砂土0.5-0.7, 粉,粘土0.7-0.8,抗拔樁承載力,單樁的抗拔承載力設計值：,抗拔樁承載力,1 負摩擦的產生 (1)樁周附近地面大面積堆載 (2)大面積降低地下水位 (3)欠固結土,新填土 (4)濕陷性黃土遇水濕陷 (5)砂土液化、凍土融陷,正摩阻,負摩阻,二 樁的負摩阻力,樁相對土向下,土相對樁向下,2 負摩擦力的確定 下部為巖石的端承樁,可能全樁為負阻力。,

13、抗拔樁承載力,一 單樁軸向荷載的傳遞 1樁身軸力和截面位移 在軸向荷載作用下，樁身將發(fā)生壓縮變形；同時樁頂部分荷載通過樁身傳遞到樁底，致使樁底土層發(fā)生壓縮變形，這兩部分壓縮變形之和構成樁頂軸向位移。 由于樁與樁周土體的緊密接觸，當樁相對于土向下位移時，樁側表面受到土向上的摩阻力。,在樁頂荷載沿樁身向下傳 遞的過程中，必須不斷地克服 這種摩阻力，故樁身截面的軸向力隨深度逐漸減小，傳至樁底截面的軸向力為樁頂荷載減去全部樁側摩阻力，并與樁底支承反力（即樁端阻力）大小相等、方向相反。 樁通過樁側阻力和樁端阻力將荷載傳遞給土體，即土對樁的支承力由樁側阻力和樁端阻力兩部分組成。,由樁底土層的壓縮變形導 致

14、的樁端位移加大了由于樁身 的壓縮變形引起的樁身各截面的位移，并促使樁側摩阻力進一步發(fā)揮。一般來說，靠近樁身上部土層的摩阻力先于下部土層發(fā)揮出來，樁側阻力先于樁端阻力發(fā)揮出來。 單樁在軸向荷載作用下，樁身的截面位移、樁側的摩阻力分布以及軸力分布見下圖。,二、樁側摩阻力和樁端阻力 樁側摩阻力是樁截面對樁 周土的相對位移的函數(shù) qs= f(s)，可用下圖中的曲線OCD表示，且常簡化為折線OAB。AB段表示一旦樁土界面相對滑移超過某一極限值，側摩阻力將保持極限值不變。,樁截面位移,樁側摩阻力,O,C,D,A,B,極限摩阻力可用類似于土 的抗剪強度的庫倫表達式：,式中ca和a為樁側表面與土之間的附著力和

15、摩擦角，x為深度z處作用于樁側表面的法向壓力，它與樁側土的豎向有效應力成正比例，即：,式中Ks為樁側土的側壓力 系數(shù)，對擠土樁，K0KsKp； 對非擠土樁，因樁孔中土被清除，而使KaKsK0 。此處， Ka 、 K0和Kp分別為主動、靜止和被動土壓力系數(shù)。 采用上述公式計算深度z處的單位側阻時，如取,則側阻將隨深度線性增大。然 而砂土中的模型樁試驗表明， 當樁入土深度達到某一臨界值后，側阻就不隨深度增加了，這個現(xiàn)象稱為側阻的深度效應。 綜上所述，樁側極限摩阻力與所在的深度、土的類別和性質、成樁方法等許多因素有關。,但是，樁側摩阻力達到極 限值所需的樁土滑移極限值則 與土的類別有關、而與樁徑大小

16、無關，根據(jù)試驗資料約為46mm（對粘性土）或610mm（對砂類土）。,單樁受荷過程中樁端阻力 的發(fā)揮不僅滯后于樁側阻力， 而且其充分發(fā)揮所需的樁底位移值比樁側摩阻力達到極限所需的樁身截面位移值大的多。根據(jù)小型樁試驗所得的樁底極限位移值，對砂類土約為d/12d/10，對粘性土約為d/10d/4（d為樁徑）。因此，對工作狀態(tài)下的單樁，其樁端阻力的安全儲備一般大于樁側摩阻力的安全儲備。,單樁靜載荷試驗所得的 荷載沉降（Qs）關系曲線 可大體分為陡降型（A）和緩變型（B）兩類形態(tài)。,單樁的荷載沉降曲線,對樁底持力層不堅實、樁 徑不大、破壞時樁端刺入持力 層的樁，其曲線多呈“急進破壞”的陡降型，相應于破

17、壞時的特征點明顯，據(jù)之可確定單樁極限承載力。 對樁底為非密實砂類土或粉土、清孔不凈殘留虛土、樁底面積大、樁底塑性區(qū),隨荷載增長逐漸擴展的樁，則 呈“漸進破壞”的緩變型，其曲 線不具有表示變形性質突變的明顯特征點，因而較難確定極限承載力。為了發(fā)揮這類樁的潛力，其極限承載力宜按建筑物所能承受的最大沉降確定。換句話說，這類樁的承載力極限狀態(tài)是受“不適于繼續(xù)承載的變形”制約的。,第4節(jié) 單樁豎向承載力 的確定,單樁極限承載力Qu由總極限側阻力Qsu和總極限端阻力Qpu組成，若忽略二者間的相互影響，可表示為：,式中 li 、Ui樁周第i層土厚度和相應的樁 身周長； Ap樁底面積； qsui、qpu第i層

18、土的極限側阻力和持 力層極限端阻力。 Qu 、 qsui 、 qpu的確定通常采用下列幾種方法：,一、原型試驗法 原型靜載荷試驗是傳統(tǒng)的 也是最可靠的確定承載力的方法。它不僅可確定樁的極限承載力，而且通過埋設各類測試元件可獲得樁身軸力、樁側阻力、樁端阻力、荷載沉降關系等諸多資料。,由于土體因打樁擾動而降 低的強度有待隨時間而恢復， 在樁身強度達到設計要求的前提下，樁設置后開始載荷試驗所需的間歇時間：對于砂類土不得少于10天；粉土和粘性土不得少于15天，飽和軟粘土不得少于25天。,在同一條件下，進行靜載 荷試驗的樁數(shù)不宜少于總樁數(shù) 的1%，工程樁總樁數(shù)在50根以內時不應少于2根，其他情況不應少于

19、3根。 關于單樁豎向靜載（抗壓）試驗的方法、終止加載條件以及單樁豎向承載力標準值的確定詳見建筑樁基技術規(guī)范JGJ9494。,二、靜力學計算法 根據(jù)樁側阻力、樁端阻力的 破壞機理，按靜力學原理，分別對樁側阻力和樁端阻力進行計算。由于計算模式、強度參數(shù)實際的某些差異，計算結果的可靠性受到限制，往往只用于一般工程或重要工程的初步設計階段，或與其他方法綜合比較來確定承載力。,三、原位測試法 對地基土進行原位測試， 利用樁的靜載荷試驗與原位測試參數(shù)間的關系，確定樁的側阻力和端阻力。常用的原位測試法有靜力觸探法(CPT)、標準貫入試驗法(SPT)、旁壓試驗法(PMT)。,第5節(jié) 樁基礎設計,和淺基礎一樣，

20、樁基的設計也應符合安全、合理和經濟的要求。對樁和承臺來說，應有足夠的強度、剛度和耐久性；對地基來說，要有足夠的承載力和不產生過量的變形。,一、基本設計資料 設計樁基之前必須具備各種 資料：建筑物類型及其規(guī)模、巖土工程勘察報告、施工機具和技術條件、環(huán)境條件及當?shù)貥痘こ探涷?。勘察報告應符合勘察?guī)范的一般規(guī)定和樁基工程的專門勘察要求。,二、樁型、截面和樁長的選擇 樁基設計的第一步就是根 據(jù)結構類型及層數(shù)、荷載情況、地層條件和施工能力，選擇樁型（預制樁或灌注樁）、樁的截面尺寸和長度。 確定樁長的關鍵，在于選擇樁端持力層。堅實土（巖）層（可用觸探試驗或其它指標作為堅實土層的鑒別標準）最適宜作為樁端持力

21、層。,對于10層以下的房屋，如 在樁端可達的深度內無堅實土 層時，也可選擇中等強度的土層作為持力層。 對于樁端進入堅實土層的深度和樁端下堅實土層的厚度，應該有所要求。一般可以這樣考慮： 1.對粘性土、粉土進入的深度不宜小于2倍樁徑，砂類土不宜小于1.5倍樁徑；,2.對碎石類土不宜小于1倍 樁徑。 3.樁端以下堅實土層的厚度，一般不宜小于4倍樁徑。穿越軟弱土層而支撐在傾斜巖層面上的樁，當風化層厚度小于2倍樁徑時，樁端應進入新鮮或微風化基巖。端承樁嵌入微風化或中等風化巖體的深度不宜小于0.5m，以確保樁端與巖體接觸。,嵌巖樁或端承樁樁底下3倍 樁徑范圍內應無軟弱夾層、斷 裂帶、洞穴、和空隙的分布。

22、 在確定樁長之后，施工時樁的設置深度必須滿足設計要求。如果土層比較均勻，堅實土層層面比較平坦，那么樁的實際長度常與設計樁長比較接近；當場地土層復雜，或者樁端持力層層面起伏不平時，樁的實際長度常與設計樁長不一致。,打入樁的入土深度應按所 設計的樁端標高和最后貫入度 兩方面控制。最后貫入度是指打樁結束以前每次錘擊的沉入量，通常以最后每陣（10擊）的平均貫入量表示。一般要求最后二、三陣的平均貫入量為1030mm/陣（錘重、樁長者取大值，質量為7t以上的單動蒸汽錘、柴油錘可增至3050mm/陣）；振動沉樁者，可用1min作為一陣。,在確定樁的類型和幾何尺 寸后，應初步確定承臺底面標 高。一般情況下，主要從結構要求和