基礎(chǔ)工程-第四章-樁基礎(chǔ)公開課教案課件

1、2022年8月25日第章 樁基礎(chǔ) 4.1 概述樁基礎(chǔ)一般由樁和承臺組成。樁可以把承臺傳來的荷載傳遞到深層堅(jiān)硬土層中，因此樁基礎(chǔ)具有承載力大、沉降變形小、既抗壓又抗拔、抗震性能好以及便于機(jī)械化文明施工等優(yōu)點(diǎn)。工程中按承臺位置的高低分為低承臺樁基礎(chǔ)和高承臺樁基礎(chǔ)。一、樁基礎(chǔ)的應(yīng)用由于樁基礎(chǔ)具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，所以樁基礎(chǔ)的應(yīng)用歷史悠久且應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。工程中遇到以下情況通常采用樁基礎(chǔ)方案。(1)天然地基承載力和變形不能滿足要求的高重建筑物；(2)天然地基承載力基本滿足要求，但沉降量過大，需利用樁基礎(chǔ)減少沉降量的建筑物；(3)重型工業(yè)廠房和荷載很大的建筑物；(4)軟弱地基或某些特殊性土上的各類永久性

2、建筑物；(5)承受較大水平力和力矩以及上拔力的高聳結(jié)構(gòu)物；(6)需要降低振動影響的動力機(jī)器基礎(chǔ)，或需要采取抗震措施的建筑物；(7)地基土有可能被水沖刷的橋梁基礎(chǔ)；(8)需穿越水體或軟弱土體的港灣與海洋構(gòu)筑物基礎(chǔ)。2022年8月25日二、樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原則樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在原則上應(yīng)滿足以下基本條件；(1)單樁承受的豎向荷載不應(yīng)超過單樁豎向承載力特征值；(2)樁基礎(chǔ)的沉降量不得超過建筑物的沉降允許值；(3)對位于坡地岸邊的樁基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算；三、樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)樁的類型和幾何尺寸選擇；(2)單樁豎向（或水平向）承載力的確定；(3)確定樁的數(shù)量、間距和平面布置；(4)樁基礎(chǔ)承載力和沉降驗(yàn)算；(5)

3、樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(6)承臺設(shè)計(jì)；(7)繪制樁基礎(chǔ)施工圖。4.2 樁的類型一、樁的分類、端承型樁和摩擦型樁(1)端承型樁端承型樁是指樁端阻力分擔(dān)荷載較多的樁。當(dāng)分擔(dān)比接近100%稱端承樁。2022年8月25日(2)摩擦型樁摩擦型樁是指樁側(cè)阻力分擔(dān)荷載較多的樁。當(dāng)樁側(cè)阻力分擔(dān)荷載的比例接近100%時稱為摩擦樁。、預(yù)制樁和灌注樁(1)預(yù)制樁，包括混凝土預(yù)制樁、鋼樁和木樁三類。 1)混凝土預(yù)制樁，截面形式主要有方形和圓形兩種。當(dāng)截面尺寸不大時，通常制成實(shí)心截面，當(dāng)截面尺寸較大時，通常制成空心截面?；炷令A(yù)制樁的優(yōu)點(diǎn)是：施工質(zhì)量易于保證、施工效率高、承載力高；其缺點(diǎn)是：沉樁過程有噪音、對環(huán)境有影響、用鋼量

4、較大 2)鋼樁，工程中常用的截面形式主要有工字形和圓管形兩種。鋼樁的優(yōu)點(diǎn)是：施工速度快、施工效率高、承載力高；缺點(diǎn)是：沉樁有噪音、對環(huán)境有一定影響、鋼材耐腐蝕性差、用鋼量大，造價高。 3)木樁，是用樹干制成圓木成為木樁。木樁的優(yōu)點(diǎn)是制作簡便；缺點(diǎn)是承載力低，耐久性差。預(yù)制樁的沉樁方法主要有：錘擊法、振動法和靜壓法等。2022年8月25日(2)灌注樁灌注樁是直接在設(shè)計(jì)樁位成孔，在孔內(nèi)放置鋼筋籠，然后澆注混凝土而成。按成孔方法不同灌注樁可分為許多種。1)沉管灌注樁可分為錘擊沉管和振動沉管兩種；2)鉆（沖、磨）孔灌注樁可分為干作業(yè)鉆孔和潛水鉆孔兩種；3)挖孔樁可分為人工挖孔或機(jī)械成孔兩種；4)爆擴(kuò)灌

5、注樁二、樁的成型方式效應(yīng)樁的成型方式不同，對周圍土層的擾動和擠土作用不同。按樁的成型方式產(chǎn)生的擠土作用大小，可將樁分為擠土樁、部分?jǐn)D土樁和非擠土樁。、擠土樁、部分?jǐn)D土樁和非擠土樁(1)擠土樁，是指實(shí)心的預(yù)制樁。沉樁施工后樁體會排開與樁體積相同的土體積。(2)部分?jǐn)D土樁，是指開口的空心預(yù)制樁?；蚪?jīng)過引孔施工的實(shí)心預(yù)制樁。沉樁施工后樁體會排開小于樁體積的土體積。(3)非擠土樁，是指先鉆孔再打入的預(yù)制樁和鉆孔灌注樁。、擠土樁的成樁效應(yīng)(1)粘性土中擠土樁的成樁效應(yīng)，是樁側(cè)土受擠壓而發(fā)生塑性破壞，使得樁在沉入過程中側(cè)阻力較小，即樁的承載力較低。隨后樁側(cè)土強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，承載力也逐漸提高。2022年8月2

6、5日(2)砂土中擠土樁的成樁效應(yīng)，是不太密實(shí)的砂土受沉樁影響而密度提高。使得樁的承載力也得到提高。(3)飽和粘性土中擠土樁的成樁效應(yīng)，是擠土變形在場地中產(chǎn)生較高的孔隙水壓力，因而會出現(xiàn)樁很難打入的結(jié)果。先打入的樁會受到后打入樁的影響，出現(xiàn)上抬現(xiàn)象。待孔隙水壓力慢慢消散后，樁端與持力土層之間會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。、非擠土樁的成樁效應(yīng)(1)粘性土中非擠土樁的成樁效應(yīng)，是樁側(cè)土在成孔過程中受到擾動和應(yīng)力松弛，結(jié)果會降低樁的側(cè)阻力，使樁的承載力降低。樁的直徑越大，這種應(yīng)力松弛越嚴(yán)重。(2)砂土中非擠土樁的成樁效應(yīng)，與粘性土中大致相同。其應(yīng)力松弛想象較粘性土更嚴(yán)重，樁的承載力也降低更多。(3)粘性土中非擠土摩

7、擦型樁承載力的時間效應(yīng)，是樁周圍土受擾動后強(qiáng)度隨時間而慢慢恢復(fù)的現(xiàn)象。與擠土樁相比這種效應(yīng)相對較小。2022年8月25日(2)砂土中擠土樁的成樁效應(yīng)，是不太密實(shí)的砂土受沉樁影響而密度提高。使得樁的承載力也得到提高。(3)飽和粘性土中擠土樁的成樁效應(yīng)，是擠土變形在場地中產(chǎn)生較高的孔隙水壓力，因而會出現(xiàn)樁很難打入的結(jié)果。先打入的樁會受到后打入樁的影響，出現(xiàn)上抬現(xiàn)象。待孔隙水壓力慢慢消散后，樁端與持力土層之間會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。、非擠土樁的成樁效應(yīng)(1)粘性土中非擠土樁的成樁效應(yīng)，是樁側(cè)土在成孔過程中受到擾動和應(yīng)力松弛，結(jié)果會降低樁的側(cè)阻力，使樁的承載力降低。樁的直徑越大，這種應(yīng)力松弛越嚴(yán)重。(2)砂土

8、中非擠土樁的成樁效應(yīng)，與粘性土中大致相同。其應(yīng)力松弛想象較粘性土更嚴(yán)重，樁的承載力也降低更多。(3)粘性土中非擠土摩擦型樁承載力的時間效應(yīng)，是樁周圍土受擾動后強(qiáng)度隨時間而慢慢恢復(fù)的現(xiàn)象。與擠土樁相比這種效應(yīng)相對較小。2022年8月25日4.3 樁的豎向承載力一、單樁軸向荷載的傳遞機(jī)理、樁身軸力和截面位移當(dāng)樁頂作用軸向力，樁身產(chǎn)生軸向壓縮，樁側(cè)面產(chǎn)生向下位移，就會受到周圍土的摩擦阻力。由樁段單元的平衡條件可得樁側(cè)阻力：樁身軸力：樁段單元壓縮量和樁身位移量：、影響荷載傳遞的因素(1)樁端土與樁側(cè)土的剛度比， 愈小，樁身軸力衰減愈快。(2)樁土剛度比， 愈大，傳遞到樁端的荷載愈大。(3)樁端擴(kuò)底直徑

9、與樁身直徑之比，愈大樁端分擔(dān)的荷載比愈大。2022年8月25日(4)樁的長徑比，愈大，傳遞到樁端的荷載愈小。、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力樁側(cè)摩擦阻力極限值 可按試驗(yàn)確定，或按土的抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算：式中：樁端阻力極限值也可按試驗(yàn)確定，或按承載力公式計(jì)算：式中：2022年8月25日二、單樁豎向承載力的確定、按樁的靜載荷試驗(yàn)確定試驗(yàn)加載可采用錨樁反力梁法或堆載法。測試樁的極限承載力要求試驗(yàn)樁的數(shù)量不少于工程樁總數(shù)的，且不少于根。并要求試驗(yàn)進(jìn)行到破壞，根據(jù)各樁試驗(yàn)結(jié)果P-S曲線可統(tǒng)計(jì)確定出樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。再根據(jù)除以安全系數(shù)即得到單樁承載力特征值：、按土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定(1)單樁承載力的一般表達(dá)式（理

10、論公式）單樁凈極限承載力 等于樁側(cè)總極限摩阻力與樁端總極限阻力之和減去樁的自重：則單樁承載力特征值：2022年8月25日(2)粘性土中單樁的承載力1) 對于正常固結(jié)、弱超固結(jié)或靈敏粘性土，偏于安全考慮，取土的不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算。即 ，則承載力公式變?yōu)椋菏街袨榕c樁同體積的土重。可假設(shè)約等于樁重，則承載力公式變?yōu)椋菏街校瑸闃锻灵g的粘結(jié)力，對軟黏土 ，對硬黏土 。2) 對于超固結(jié)黏土或非靈敏黏土，取土的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算。即，令則承載力公式變?yōu)椋?3)無黏性土中單樁的承載力對于無黏性土有，則承載力公式變?yōu)椋菏街校?dāng)，當(dāng)，其中臨界深度以上 各參數(shù)均可按土的內(nèi)摩擦角查曲線獲得。2022

11、年8月25日、按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式確定單樁承載力特征值根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ5007-2002)規(guī)定，單樁承載力特征值可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中分別為樁端阻力和樁側(cè)阻力特征值?？砂匆?guī)范經(jīng)驗(yàn)表格查得。三、豎向荷載下的群樁效應(yīng)群樁效應(yīng)的定義：由于承臺、樁、土相互作用，使群樁中每根樁的荷載沉降性狀與相同地質(zhì)條件和設(shè)置方法的獨(dú)立單樁有顯著差別，這種現(xiàn)象被稱之為群樁效應(yīng)。具體表現(xiàn)為群樁承載力常常不等于其中各單樁承載力之和。通常用群樁效應(yīng)系數(shù)來衡量群樁基礎(chǔ)中各單樁的平均承載力比獨(dú)立單樁降低或提高的幅度。、端承型群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)由于端承型樁的樁尖持力層是堅(jiān)硬的土層，群樁基礎(chǔ)工作時沉降較小，承臺對樁間土

12、的壓迫不大，所以各樁相互影響較小。端承型群樁基礎(chǔ)中各樁的工作性狀接近于獨(dú)立單樁，群樁基礎(chǔ)的承載力等于各單樁的承載力之和，群樁效應(yīng)系數(shù)。、摩擦型群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)(1)高承臺情況由于樁群可以沉降較大，樁側(cè)土體在剪應(yīng)力、壓應(yīng)力共同作用下密度得到提高，使樁側(cè)阻力和樁端阻力都有可能提高，也可能使樁端土層超載而發(fā)生破壞，2022年8月25日、按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式確定單樁承載力特征值根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ5007-2002)規(guī)定，單樁承載力特征值可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中分別為樁端阻力和樁側(cè)阻力特征值?？砂匆?guī)范經(jīng)驗(yàn)表格查得。三、豎向荷載下的群樁效應(yīng)群樁效應(yīng)的定義：由于承臺、樁、土相互作用，使群樁中每根

13、樁的荷載沉降性狀與相同地質(zhì)條件和設(shè)置方法的獨(dú)立單樁有顯著差別，這種現(xiàn)象被稱之為群樁效應(yīng)。具體表現(xiàn)為群樁承載力常常不等于其中各單樁承載力之和。通常用群樁效應(yīng)系數(shù)來衡量群樁基礎(chǔ)中各單樁的平均承載力比獨(dú)立單樁降低或提高的幅度。、端承型群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)由于端承型樁的樁尖持力層是堅(jiān)硬的土層，群樁基礎(chǔ)工作時沉降較小，承臺對樁間土的壓迫不大，所以各樁相互影響較小。端承型群樁基礎(chǔ)中各樁的工作性狀接近于獨(dú)立單樁，群樁基礎(chǔ)的承載力等于各單樁的承載力之和，群樁效應(yīng)系數(shù)。、摩擦型群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)(1)高承臺情況由于樁群可以沉降較大，樁側(cè)土體在剪應(yīng)力、壓應(yīng)力共同作用下密度得到提高，使樁側(cè)阻力和樁端阻力都有可能提高，

14、也可能使樁端土層超載而發(fā)生破壞，2022年8月25日(1)高承臺情況由于樁群可以沉降較大，樁側(cè)土體在剪應(yīng)力、壓應(yīng)力共同作用下密度得到提高，使樁側(cè)阻力和樁端阻力都有可能提高，也可能使樁端土層超載而發(fā)生破壞，所以，高承臺群樁的群樁效率系數(shù)可能小于，也可能大于。具體由承臺剛度、土性、樁距等許多因素決定。(2)低承臺情況低承臺群樁的工作性狀也與高承臺群樁相似，但由于低承臺與土接觸，可傳遞一部分荷載，也可限制樁的刺入破壞，所以低承臺群樁的群樁效率系數(shù)一般大于的情況較多。4.4 樁基礎(chǔ)沉降的計(jì)算一、單樁沉降的計(jì)算在豎向荷載作用下單樁的沉降由三部分組成：(1)樁身彈性壓縮引起的樁頂沉降；(2)樁側(cè)阻力擴(kuò)散到

15、樁端以下土層引起樁端沉降；(3)樁端荷載直接引起樁端沉降。單樁沉降的計(jì)算方法主要有：荷載傳遞分析法、彈性理論法、剪切變形傳遞法、有限單元分析法、其它簡化法。2022年8月25日二、群樁沉降的計(jì)算根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ5007-2002)推薦，群樁基礎(chǔ)最終沉降量按假想實(shí)體基礎(chǔ)分層總和法計(jì)算：式中關(guān)于假想實(shí)體基礎(chǔ)的計(jì)算方法有兩種：、考慮擴(kuò)散作用的假想實(shí)體基礎(chǔ)基底附加壓力：、不考慮擴(kuò)散作用的假想實(shí)體基礎(chǔ) 基底附加壓力：2022年8月25日4.5 樁的負(fù)摩擦力問題一、產(chǎn)生負(fù)摩擦的條件和原因土對樁產(chǎn)生向下的摩阻力稱為負(fù)摩阻力。其產(chǎn)生條件和原因如下：(1)土對樁產(chǎn)生向下的沉降位移；(2)樁周圍欠

16、固結(jié)土在自重作用下產(chǎn)生沉降；(3)大面積地面堆載引起樁周圍土體沉降；(4)地下水位降低引起樁周圍土體沉降。二、負(fù)摩阻力的估算 (1)按持力層土性計(jì)算中性點(diǎn)位置；(2)負(fù)摩阻力強(qiáng)度計(jì)算1)取無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值；2)按中性點(diǎn)覆蓋壓力計(jì)算；(3)下拉荷載的計(jì)算三、減小負(fù)摩阻力的措施2022年8月25日4.6 樁的水平承載力在工程中采用樁基承受水平荷載的情況較多。當(dāng)樁基受水平力較大時，設(shè)計(jì)中需要確定樁的水平承載力。樁的水平承載力與樁在水平荷載下的工作性狀有關(guān)。一、水平荷載下樁的工作性狀按樁土相對剛度的不同和樁的變形情況，可將樁分為剛性樁、半剛性樁、柔性樁。(1) 剛性樁，在水平荷載作用下樁體不發(fā)生破壞，

17、只有土發(fā)生破壞；(2) 彈性樁，包括半剛性樁和柔性樁。彈性樁在水平荷載作用下，樁和土體的變形都較大，樁和土體都可能發(fā)生破壞；2022年8月25日二、水平荷載作用下彈性樁的計(jì)算水平荷載作用下彈性樁的分析計(jì)算方法主要有地基反力系數(shù)法、彈性理論法和有限元法等。其中地基反力系數(shù)法即文克勒彈性地基梁法。、基本假定地基土體為線性變形體，水平向抗力與位移成正比：地基水平抗力系數(shù) 有四種常用的取法:(a)常數(shù)法：； (b)“”法； (c)“”法； (d)“值”法。2022年8月25日二、水平荷載作用下彈性樁的計(jì)算水平荷載作用下彈性樁的分析計(jì)算方法主要有地基反力系數(shù)法、彈性理論法和有限元法等。其中地基反力系數(shù)法

18、即文克勒彈性地基梁法。、基本假定地基土體為線性變形體，水平向抗力與位移成正比：地基水平抗力系數(shù) 有四種常用的取法:(a)常數(shù)法：； (b)“”法； (c)“”法； (d)“值”法。2022年8月25日、計(jì)算參數(shù)樁的水平計(jì)算寬度：方形截面樁：當(dāng)時，；當(dāng)時，。圓形截面樁：當(dāng)時，；當(dāng)時，。樁身的彈性模量：考慮樁受水平力發(fā)生撓曲變形，取。地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)由試驗(yàn)確定，或按經(jīng)驗(yàn)查表確定。、單樁計(jì)算(1)確定樁頂荷載 (2)樁的撓曲微分方程或采用法時，方程變?yōu)榱?，方程變?yōu)?,可查系數(shù)表求 的分布。2022年8月25日三、單樁水平靜載荷試驗(yàn)、試驗(yàn)裝置、加荷方法多循環(huán)加卸載法：加載4min；卸載2mi

19、n；每級加卸載循環(huán)5次； 、終止加荷的條件(1)樁身已斷裂；(2)樁側(cè)地表出現(xiàn)裂縫或隆起；(3)樁頂位移超過30-40mm；(4)荷載超過極限值； 、資料整理、水平臨界荷載與極限荷載2022年8月25日四、單樁水平承載力特征值(1)按現(xiàn)場水平靜載荷試驗(yàn)確定；(2)對于混凝土預(yù)制樁、鋼樁、配筋率大于 的灌注樁，取靜載荷試驗(yàn)測得的樁頂位移所對應(yīng)荷載為水平承載力特征值；(3)對于配筋率小于 的灌注樁，取單樁水平靜載荷試驗(yàn)測得的臨界荷載為單樁水平承載力特征值：；(4)當(dāng)缺少單樁水平靜載荷試驗(yàn)資料時，按下式估算樁身配筋率小于的灌注樁的單樁水平承載力特征值：； (5)當(dāng)缺少單樁水平靜載荷試驗(yàn)資料時，按下式

20、估算預(yù)制樁、鋼樁、樁身配筋率大于的灌注樁的單樁水平承載力特征值： 。4.7 樁的平面布置原則一、一般原則、群樁橫截面重心與永久荷載合力作用點(diǎn)重合或接近；、樁的間距一般采用 倍樁徑，獨(dú)立承臺承受彎矩時宜外密內(nèi)疏布置。二、布樁方法舉例2022年8月25日4.8 樁承臺的設(shè)計(jì)一、構(gòu)造要求二、柱下樁基礎(chǔ)獨(dú)立承臺、受彎計(jì)算(1) 柱下多樁矩形承臺根據(jù)試驗(yàn)資料，承臺破壞發(fā)生在柱邊，則樁頂力對破壞邊的彎矩為：(2) 柱下三樁三角形承臺1)等邊三樁承臺2)等腰三樁承臺2022年8月25日、受沖切計(jì)算(1) 柱對承臺的沖切當(dāng)承臺內(nèi)樁數(shù)較多高度不足時，在柱跟斜面錐體以外的樁頂力之和為沖切破壞力：抗沖切驗(yàn)算可按以下規(guī)范公式計(jì)算：(2) 角樁對承臺的沖切 1) 多樁矩形承臺受角樁沖切 2)三樁三角形承臺受角樁沖切底部角樁：頂部角樁：2022年8月25日、受沖切計(jì)算(1) 柱對承臺的沖切當(dāng)承臺內(nèi)樁數(shù)較多高度不足時，在柱跟斜面錐體以外的樁頂力之和為沖切破壞力：抗沖切驗(yàn)算可按以下規(guī)范公式計(jì)算：(2) 角樁對承臺的沖切 1) 多樁矩形承臺受角樁沖切 2)三樁三角形承臺受角樁沖切底部角樁：頂部角樁：2022年8月25日、受剪切計(jì)算承臺斜截面受剪承載力可按下