4.3桩的竖向承载力

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4.桩基础
影响荷载传递的因素
综上所述，可归纳为以下几点： 1、 荷载增加时，桩身上部侧阻先于下部侧阻发挥作用。 2 、一般情况下，侧阻先于端阻发挥作用。 3 、工作荷载作用下，对于一般摩擦型桩，侧阻发挥作用的 比例明显高于端阻发挥作用的比例。
4 、对于l/d较大的桩，即使桩端持力层为岩层或坚硬土层，
4.桩基础
请回答：
1、什么是桩基础？什么情况下使用桩基础？
2、桩与承台的作用？
3、桩基础的特点？
4、摩擦型桩与摩擦桩、端承型桩与端承桩、
挤土桩与非挤土桩。
5、高承台桩基础与低承台桩基础。
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4.桩基础
4.3 单桩竖向承载力
4.3.1 单桩轴向荷载的传递机理

承载机理
荷载→桩压缩→侧摩阻消耗荷载→桩底阻力→桩 顶荷载全部桩端阻承担→持力层破坏。 此时桩顶所承受的荷载就是极限承载力。 土对桩的支撑力
和减去桩的重量；单桩轴向容许承载力为桩的极限阻力除以安
全系数。
Qu Qsu Qbu G
单桩承载力特征值为：
Qu Ra 2
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4.桩基础
☼ 按土的抗剪强度指标确定 （2）粘性土中单桩的承载力
对于正常固结、弱固结或灵敏粘性土中的桩：
Qu u p cai li cu Nc Ab
Nc 、Nq ——承载力系数，均与土的内摩擦角有关；
h
——桩底平面以上土的平均容重（KN/m3）；
——桩的入土深度(m)。
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4.桩基础
4.3.2 单桩竖向承载力确定
单桩竖向承载力的确定取决于两方面：
地层的支撑力
桩身材料强度
如按桩的载荷试验确定，则以兼顾到了两 个方面。 一般说来，桩的承载力主要由前者决定； 材料强度往往不能充分利用，只有对端承桩、 超长桩以及桩身质量有缺陷的桩，才可能由桩 身材料强度控制桩的承载能力。
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4.桩基础
影响荷载传递的因素
桩端扩底直径与桩身直径之比D/d：
D/d越大，桩端阻力分担的荷载比越大。
对扩底桩，增大扩底直径与桩身直径之比D/d，桩
端分担的荷载可以提高。
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4.桩基础
影响荷载传递的因素
随长径比
增大而减小，桩身下部侧阻
பைடு நூலகம்
的发挥也相应降低。
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4.桩基础
4.3.2 单桩竖向承载力确定
横梁：1.7m×2.7m
反力装置
锚桩 d=1.8m
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直接堆载
锚桩反力梁法
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4.桩基础
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4.桩基础
锚桩法静载试验
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4.桩基础
锚桩法静载试验
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4.桩基础
• 卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60min测读桩
顶沉降量；卸载至零后测读桩顶残余沉降量，维持3h， 测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。
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4.桩基础
4.3.2 单桩竖向承载力确定
桩顶荷载Q(10kN) 20 40 60 80 100 120 140 160
当桩长较大时，桩端土的性质对荷载传递的影
响较小，荷载主要由桩侧的摩阻力分担。当桩很长
时，则不论桩端土刚度多大．端阻均可忽略不计，
荷载全部由桩侧阻力分担。因此，很长的桩实际上
总是摩擦桩．此种情况下，用扩大桩端直径来提高 承载力是徒劳的。
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4.桩基础
影响荷载传递的因素
深度效应
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4.桩基础
4.3.2 单桩竖向承载力确定

按桩周土的支承能力确定
现将《建筑地基基础设计规范》中推荐的几种主要
方法介绍如下：
☼竖向抗压静载试验确定
由试验结果可绘出桩顶荷载和桩顶沉降关系曲线，
根据上述曲线特性，可用下列方法确定单桩竖向极限
承载力。
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4.桩基础
• 侧阻深度效应——侧阻随深度增大而增加，但当桩入 土深达某一临界深度后，侧阻就不随深度增加了。这 个现象称为侧阻深度效应。 • 端阻也存在深度效应现象。当桩端入土深度现象增加， 而大于该深度后则保持恒值不变，这一深度称为端阻 的临界深度，它随持力层密度的提高，上覆荷载的减 小而增大。
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强度。按库仑强度理论得知:
h tg Ca K v tg Ca
（4—7）
——桩侧单位面积的极限摩阻力（桩 式中：
土间剪切面上的抗剪强度）（kPa）；
h , v ——土的水平应力及竖向应力（KPa）；
Ca ,
——桩、土间的粘结力(KPa)及摩擦角；
K
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桩端阻很小，也可忽略成摩擦桩。
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4.桩基础
影响荷载传递的因素 上述理论分析结果表明，为了有效地发挥桩的 承载性能和取得良好的经济效益，设计时应根据土 层的分布性质并注意桩的荷载传递特性，合理确定 桩长、桩径和桩端持力层。
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4.桩基础
桩侧极限摩阻力的确定 桩侧单位面积的极限摩阻力取决于桩土间的剪切
式中右侧两项分别与 Qsu 和 Qbu 对应。 式中： c u 应为桩底以上3倍桩径至桩底以下一倍桩径（或桩宽） 范围内土的不排水抗剪强度平均值，可按实验结果取值。对钻 孔桩，裂隙粘土的 c 可取三轴不排水抗剪强度的0.75倍。
4.桩基础
4.3.2 单桩竖向承载力确定
重物 主梁 次梁
试验装置及方法
加压
千斤顶 沉降观 测点 试验桩 锚桩 （四根）
支墩
千斤顶
加压 沉降观测点
试验桩
(a)
(b)
图4.18 静载实验装置
• 试验装置：①加荷系统：包括加力装置和反力装
置、②位移观测系统 • 测试方法：分级（开始阶段1/5－1/8倍预估破坏荷 载，终了阶段1/10—1/15）慢速维持荷载法。
Qbu则为单桩总极限端阻力(kN)。
单桩竖向承载力特征值：Ra=QU/K 2014-8-15 K——安全系数, 常取2
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4.桩基础
4.3.2 单桩竖向承载力确定
我国确定桩的承载力的方法有两种：根据《建 筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）方法； 根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）。桩的 承载力包括单桩竖向承载力、群桩竖向承载力和桩 的水平承载力。
s0
qs(z)udz x
l
z dz
qs ( z) d dz N ( z) dN ( z) N ( z) 0
qs(z)
x
N(z)+dN(z) sp
qs ( z )
1 dN d dz
qp
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桩荷载传递的 基本微分方程
5
z
4.桩基础
4.3.1 桩的荷载传递机理

桩侧摩阻力和桩端阻力：
何种为主，与桩身压缩量有关。

桩的荷载传递过程实质上就是桩侧摩阻力与桩端
阻力逐步发挥的过程。
2
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4.桩基础
4.3.1 桩的荷载传递机理
Q Q
桩上部侧阻先于下部侧阻，侧阻

• • • •
先于端阻发挥，发挥程度与桩 土相对位移相关； 侧阻充分发挥桩土相对位移值： 粘性土：4～6mm； 砂土：6～10mm； 端阻充分发挥桩底极限位移值： 砂类土: (0.08～0.1) d； 粘性土：0.25d，硬粘土 0.1d。 桩侧阻与桩端阻存在深度效应。
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4.桩基础
4.3.2 单桩竖向承载力确定
终止条件
• 某级荷载下，桩顶沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍；
• 某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍，
且经24h尚未达到相对稳定； • 已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重量时。
卸载观测
• 每级卸载为加载时的两倍。
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4.桩基础
4.3.2 单桩竖向承载力确定
单桩竖向承载力分析
作用于桩顶的竖向荷载Q是由桩侧土的总摩阻 力Qs和桩端土的端阻力Qb共同承担。 Q ＝Qs＋ Qb
当桩顶荷载加大至极限值时，Q u＝Qsu＋ QPu
Q u称为单桩竖向抗压极限承载力(kN)；
Qsu为单桩总极限摩侧阻力(kN)；
侧阻力沿桩身的分布
测出桩顶竖向位移s0后， 可利用上述已测轴力分 布曲线N(z)计算出桩端 位移和任意深度处桩截 面的位移s(z)，即：
s p s0
ss z z sp
N0=Q
0
N
0
qs
s0 0 s
qs(z)
1 Ap E p
N ( z)dz
0
l
z
Qs Qp=Nl
桩身截面位移s(z)：
1 s( z ) s0 Ap E p
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4.桩基础
影响荷载传递的因素
桩与桩侧土的相对刚度
定义为桩与桩侧土的压缩模量或变形模量之 比。当 增大，桩端阻力也增大；反之．桩端阻
力分担的荷载比例降低。对于E p / Es ≤10的中长桩，
桩端阻力接近于零。这说明对于碎石桩、灰土桩等
低刚度桩组成的基础，应按复合地基原理设计。
4.3.2 单桩竖向承载力确定
☼竖向抗压静载试验确定
特点：是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法。 基本原则 • 桩数：不宜小于总数1％，不少于3根； • 时间：对于预制桩，桩设置后开始载荷试验所需
的间歇时间：对于砂类土不得少于7天；粉土和粘 性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。
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4.3.2 单桩竖向承载力确定
慢速维持荷载法
• 每级荷载大小
分级（初始阶段：每级荷载为1/5－1/8倍预估破坏荷载， 终了阶段1/10－1/15）。 • 测读沉降时间 在每级荷载施加后第一个小时内，按5、15、30、45、 60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降 稳定为止。 • 稳定标准 每级荷载下桩顶沉降量小于0.1mm/h，并连续出现两次。
桩端土体的压缩量和桩尖刺入桩端土层而引起的整个桩身
的位移），另一部分为桩身在轴向力作用下产生的压缩变
形ss 。 s0=sp+ss
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4.桩基础
4.3.1 桩的荷载传递机理
取微桩段上力的平衡 条件，可得到桩侧阻 力qs与桩身轴力N(z) 的关系：
侧阻力沿桩身的分布
Q
N(z)
qs(z)udz
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0 4 8 12
桩顶下沉量s(mm
Qu=780kN
16 20 24 28 32 36 40 44 48 1 2 Qu=1500kN
图4.12 单桩Q-s曲线
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4.桩基础
☼ 按土的抗剪强度指标确定 （1）单桩承载力的一般表达式
单桩净极限承载力等于桩底总极限阻力与桩侧总极限摩阻力之
软弱土层
(a)
中密土层
岩层
(b)
图4.11 桩身荷载传递
(a) 摩擦桩；(b)端承桩
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4.桩基础
4.3.1 桩的荷载传递机理
侧阻力沿桩身的分布
桩侧摩阻力发挥作用的程度与桩和桩土间的相对位 移有关，对于摩擦桩，当桩顶有竖向压力Q时，桩顶位移 为s0 。
s0由两部分组成：一部分为桩端的下沉量sp（包括
N ( z)dz
0
z
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4.桩基础
4.3.1 桩的荷载传递机理
影响荷载传递的因素
根据桩的长径比，桩可分为短桩（L/d＜10)、中长 桩（L/d＞10)、长桩（L/d＞40)和超长桩（L/d＞100)。 澳大利亚学者Poulos等运用弹性理论来分析桩基， 结果表明竖向受压时桩的荷载传递有以下规律： 桩端土与桩侧土的相对刚度 Rbs 有关。 Rbs 定义为桩端土与桩侧土的压缩模量或变形模量之 比Eb/Es。其值越大，说明桩端土抵抗变形的能力强于桩 Rbs 侧土。 越小，桩身轴力沿深度衰减越快，即传递到桩 端的荷载越小。 当 Rbs = 0时，荷载全部由桩侧阻力承担,属于摩擦桩。
试验成果处理—极限荷载确定 • 按沉降随荷载的变化特征确定 对陡降型Q-s曲线，取曲线发生明显 陡降的起始点所对应的荷载为Qu • 由沉降量确定Qu 对缓变型Q-s曲线，可取s=40mm 对应的荷载值为Qu。大直径桩可取 s=0.03~0.06d对应的荷载值(大桩取 低值，小桩取高值)，细长桩(l/d >80) 可取s=60～80mm对应的荷载。 • 沉降速率法—s-lgt法 • 取破坏荷载的前一级荷载
——土的侧压力系数。
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4.桩基础
桩底极限阻力的确定
把桩作为深埋基础，在做了某些假定的前提下，运用
极限平衡理论，导出地基极限荷载（即桩底极限阻力）的
理论公式：
q pu ccNc qhNq
（4—10）
式中：q pu——桩底地基单位面积的极限荷载（kPa）；
c、 q——与桩底形状有关的系数；