2019-基础工程设计原理-第4-2章

图3的Q-s曲线是在假定均质地基、传递函数为理 想弹塑性的基础上得到的，因此是理想化的曲线。实 际工程桩的Q-s曲线要复杂一些。
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内容回顾
一、 单桩的荷载传递规律
1. 单桩的荷载传递过程
上 部
2. 荷载传递函数
侧
阻
3. 桩侧、桩端阻力的荷载分担比与桩的分类
力
4. 单桩的破坏模式
下 部
5. 极限桩侧阻力、桩端阻力的影响因素
竖向荷载作用下基桩荷载传递特性测试方法： 如果有选择地在桩身某些截面（如土层分界面）
小，2－3直线段近似于竖直线，Q－s曲线陡降，在 点2处出现明显拐点，一般属刺入破坏。
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对于端承型桩，桩端阻力占承载力的比例较大， ks值较大，在点2处不出现明显拐点，而端阻破坏又 需要很大位移，整个Q－s曲线呈缓变型。
对于端承桩和 桩身有缺陷的桩， 在土的阻力尚未充 分发挥情况下，出 现桩身材料强度破 坏时，Q－s曲线也 呈陡降型。
理想弹塑性荷载传递函数如图2所示，其假定为
(1) 当 s < su 时， qs = Css
当 s ≥ su时， qs = qsu = 常数
(7)
式中 Cs 为剪切变形系数，沿深度方向相同。 (2) 桩端持力层垂直方向的地基反力系数为 ks
则 Q(l) = ks Al s(l) 。
其中 Al 为桩端截面面积； l 为桩长。
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5. 极限桩侧阻力、桩端阻力的影响因素
(1) 深度效应
当桩端进入均匀持力层的深度h小于某一深度时，
其端阻力一直随着深度线性增大；当进入深度大于某
个深度后，极限端阻力基本保持恒定不变，该深度称
为端阻力的临界深度hcp，该恒定极限端阻力称为端阻 稳定值qpl。
端阻的临界厚度tc : 桩端与软弱下卧层的距离小
在深厚的软弱土层作中，无较硬的土层作为桩端持 力层，或桩端持力层虽然较坚硬但桩的长径比l/d很大， 传递到桩端的轴力很小，桩顶荷载绝大部分由桩侧阻力 承受，桩端阻力很小可忽略的桩，称其为摩擦桩。
当桩的l/d不很大，桩端持力层为较坚硬的粘性土、 粉土和砂类土时，除桩侧阻力外，还有一定的桩端阻力 桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但大部分由 桩侧阻力承受的桩，称其为端承摩擦桩。
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一、 单桩的荷载传递规律
1. 单桩的荷载传递过程
当竖向荷载施于单桩桩顶时， 桩身受到压缩而产生相对于土的向 下位移，与此同时桩侧表面受到土 的向上摩阻力。
桩身荷载通过所发挥出来的桩 侧摩阻力传递至桩周土层中，致使 桩身荷载和压缩变形随深度递减。
上 部
侧 阻 力 下 部
端阻力 3
随着作用荷载的增加，桩身压
就能得到充分的发挥，一般认为： 粘性土中su为4～6mm； 砂性土中su为6～10mm。 大直径钻孔灌注桩，如果孔壁呈凹凸形，发
挥侧摩阻力所需极限位移较大，可达20mm以上， 甚至40mm，约为桩径的2.2%；
如果孔壁平直光滑，发挥侧摩阻力需要的极 限位移较小，只有3~4mm。
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(2) 桩端阻力qpu与对应的桩端极限位移spu 桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，
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2. 试验方法
沉降稳定条件:
每级加载后，按5、10、15、30、45、60，以后每30分钟读数。
每小时沉降不超过0.1mm，并连续出现两次，沉降 已达相对稳定，可加下一级荷载。
终止加载条件：
破
(1)桩沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍；
坏 荷
(2)桩沉降量为前一级荷载作用下沉降量的2倍，
载 且24小时尚未达到相对稳定；
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对于非挤土桩，成桩过程桩端土不仅不产生挤密， 反而出现虚土或沉渣现象，因而使端阻力降低，沉渣越 厚，端阻力降低越多。
钻孔灌注桩承载特性受很多施工因素的影响，施工 质量较难控制。
掌握成熟的施工工艺，加强质量管理对工程的可靠 性显得尤为重要。
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二、 荷载传递基本方程的建立
1. 荷载传递基本方程
ds(z) = −Q(z) dz AEP
可得，断面荷载
以及
Q(z)
=
− AEP
ds( z ) dz
=
Q0
−
u∫0zqs (z)dz
断面沉降
∫ s( z )
=
s0
−
1 EP A
z
Q ( z )dz
a(1) (2)(3)(4)(5)20
在以上各式中：z 为自桩顶以下的深度；
u 为桩身截面周长； AP 为桩身截面积； EP 为桩身弹性模量； qs (z)为桩侧摩阻力； s(z) 为桩身位移。 式(2)、(4)、(5)分别表示于图1(c)、(d)、(b)。 将式(4)代入式(2)，可得基本微分方程为
于某一厚度时，端阻将受软弱下卧层的影响而降低。 在上海、安徽蚌埠对桩端进入粉砂不同深度的打
入桩进行了系列试验，表明了临界深度在7d以上，临
界厚度为5~7d；硬粘性土中的临界深度与临界厚度接
近，hcp≌ tc≌ 7d。
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(2) 成桩效应 (a) 挤土桩、部分挤土桩的成桩效应
非密实砂土中的挤土桩，成桩过程使桩周土因挤 压而趋于密实，导致桩侧、桩端阻力提高。
确定单桩极限承载力方法： 静载荷试验法； 经验参数法； 静力计算法； 静力触探法； 高应变动测法。
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（一）竖向静载荷试验法 1. 试验装置
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反力系统也可以采用压重平台反力装置或锚桩压 重联合反力装置。
采用压重平台时，要求压重必须大于预估最大试 验荷载的1.2倍，压重应均匀稳固放置于平台上。
(3)桩顶加载达到设计规定的最大加载量；
(4)已达锚桩最大抗拔力或压重平台最大重量。
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终止加载后进行卸载，每级基本卸载量按每级基 本加载量的2倍控制，并按15、30、60、90分钟测读回 弹量，然后进行下一级的卸载。
全部卸载后，隔3小时再测回弹量一次。 慢速维持荷载法 快速维持荷载法（每隔1小时加一级荷载）
桩端阻力qpu对应的桩端极限位移spu ： 在粘性土中约为桩底直径的25％； 在砂性土中约为8％～10％； 对于钻孔桩，由于孔底虚土、沉渣压缩的影
响，发挥端阻极限值所需位移更大。
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3. 桩侧、桩端阻力的荷载分担比与桩的分类
桩侧、桩端阻力的荷载分担，除了与桩侧、桩端土 的性质有关外，还与桩土相对刚度、长径比l/d有关。
当桩l/d较小 (一般小于10)，桩身穿越软弱土层， 桩端设置在密实砂层，碎石类土层中、微风化岩层中 ，桩顶荷载绝大部分由桩端阻力承受，桩侧阻力很小 可忽略不计时，称其为端承桩。
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4. 单桩的破坏模式 单桩的破坏模式同桩的荷载－沉降曲线以及受
力特点有关。 对于摩擦型桩，桩端持力层地基反力系数ks值很
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取深度z处的微小桩段为对象，由平衡条件可得：
qs (z) ⋅ u ⋅ dz + Q(z) + dQ(z) = Q(z)
图1 单桩荷载传递分析 19
qs (z) ⋅ u ⋅ dz + Q(z) + dQ(z) = Q(z)
由式(1)可得
qs
(z)
=
−
1 u
dQ ( z ) dz
由桩身压缩量 ds(z) 与轴力 Q(z) 之间的关系
于孔壁侧向应力解除，出现侧向土松弛变形。孔壁土 的松弛效应导致土体强度削弱，桩侧阻力随之降低。
采用泥浆护壁成孔的灌注桩，在桩土界面之间将 形成“泥皮”的软弱界面，导致桩侧阻力显著降低， 泥浆越稠、成孔时间越长，“泥皮”越厚，桩侧阻力 降低越多。
如果形成的孔壁比较粗糙(凹凸不平)，由于混凝 土与土之间的咬合作用，接触面的抗剪强度受泥皮的 影响较小，使得桩侧摩阻力能得到比较充分的发挥。
(1) 深度效应
(2) 成桩效应：挤土桩（部分挤土桩）和非挤土桩
端阻力
二、 荷载传递基本方程的建立 1. 荷载传递基本方程 2. 荷载传递方程求解方法
d 2s(z) dz 2
−
u AP EP
qs (z)
=
0
3. 理想弹塑性模型的求解结果
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三、单桩承载力确定
单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载作用下 到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形所对应 的最大荷载。
桩土相对刚度越大，长径比l/d越小，桩端传递的荷
载就越大。
按桩侧阻力与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比， 将桩分为两大类和四个亚类。
摩擦桩 摩擦型桩
端承摩擦桩
摩擦端承桩 端承型桩 端承桩
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(1) 摩擦型桩
摩擦型桩是指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载 全部或主要由桩侧阻力承受。
根据桩侧阻力分担荷载的大小，摩擦型桩分为摩 擦桩和端承摩擦桩两类。
位移协调法是用实测的传递函数来描述土体与桩单 元的相互作用，由于实测的传递函数表达形式一般比 较复杂，难以直接求得解析解，这时可采用位移协调 法求解。求解时将桩划分成许多单元体，从桩端开始 分析，考虑每个单元的内力与位移协调关系，用迭代 法求解桩的荷载传递及沉降量。
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3. 理想弹塑性模型的求解结果
d 2s(z) dz 2
−
u AP EP
qs (z)
=
0
(6)
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2. 荷载传递方程求解方法
按照求解微分方程(6)的途径不同，荷载传递法可 分为解析法、位移协调法两种方法。
解析法是把传递函数假定为某简单的曲线方程，直 接代入微分方程(6)求得解析解，简单且有代表性的传 递函数模型是理想弹塑性模型等。
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2．荷载传递函数 桩侧和桩端阻力的
发挥，需要一定的桩土 相对位移，即桩侧和桩 端阻力是桩土相对位移 的某种函数，工程中将 这种特定的函数关系称 之为荷载传递函数。