第2章 樁基設(shè)計計算

樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工

第2章樁基設(shè)計與計算講授教師：楊曌武漢科技大學(xué)城建學(xué)院土木系結(jié)構(gòu)教研室2012年3月2.1單樁豎向抗壓承載力2.1.1樁土體系荷載傳遞1）傳遞機(jī)理豎向荷載---樁身上部壓縮---相對于土產(chǎn)生向下位移---相對位移處受到土體向上摩阻力---上部荷載傳遞至樁周土---樁身軸力、變形隨深度遞減---樁土相對位移為零處，摩阻力為零豎向荷載增大---樁身下部摩阻力產(chǎn)生，端部阻力產(chǎn)生---摩阻力增大達(dá)到極限樁端阻力達(dá)到極限---樁端持力層大量壓縮、擠出，位移迅速增大，樁破壞---樁達(dá)到極限承載力。單樁豎向極限承載力（標(biāo)準(zhǔn)值）：單樁在豎向荷載作用下到達(dá)破壞狀態(tài)前或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形時所對應(yīng)的最大荷載，它取決于土對樁的支承阻力和樁身承載力（樁基規(guī)范）樁頂沉降由三部分組成：a）樁身壓縮變形Ss，，E—樁的彈性模量，A—樁的橫截面積，l—樁長，N（l）--樁身軸力。b）樁端土體壓縮引起沉降Sb。c）樁端土體破壞引起沉降Sc?？偝两礢=Ss+Sb+Sc。2）影響荷載傳遞的因素a）樁端土與樁周土的剛度比。Eb/Es：0—純摩擦樁，1—均勻土層摩擦樁，∞--端承樁。b）樁與樁周土的剛度比。Ep/Es：愈大，樁端分擔(dān)比例愈大；反之，愈小。c）樁底擴(kuò)大頭與樁身直徑之比D/d。愈大，樁端分配比例愈大。d）樁的長徑比。l/d大多屬摩擦樁。樁身壓縮變形大，允許樁端土變形小，端承力發(fā)揮小。2.1.2單樁破壞模式與極限承載力1）單樁破壞模式與強(qiáng)度的關(guān)系豎向荷載下：地基土強(qiáng)度破壞；樁身材料強(qiáng)度破壞。通常由地基土破壞引起。與樁的承載力相聯(lián)系的地基土強(qiáng)度包括樁側(cè)阻力和樁端阻力。樁側(cè)阻力qs：達(dá)到極限值qsu，所需的樁土相對極限位移su與土的類別有關(guān)，與樁徑大小無關(guān)。樁周土為加工軟化型土（硬粘性土、粉土、高結(jié)構(gòu)性黃土等）無硬持力層的樁。由于側(cè)阻在較小位移發(fā)揮出來并出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，樁端承載力低，因而形成突變。陡降型Q－S曲線。與孔底有沉淤的Q－S曲線相似。Fig1－非軟化（一般土）；2－加工軟化型；3－加工硬化型2）單樁Q-s曲線特征單樁靜載荷試驗是確定單樁豎向極限承載力的可靠依據(jù)。試驗結(jié)果的重要內(nèi)容：荷載—變形曲線。反映樁的破壞機(jī)理和破壞模式。常見的Q~S曲線大體可劃分為兩類基本類型：陡降型：Q~S曲線出現(xiàn)明顯陡降段，相應(yīng)的沉降梯度劇增，破壞點明顯。（急進(jìn)型破壞）緩變型：當(dāng)荷載超過某一臨界值后，沉降梯度的變化趨緩或趨于常量。（漸進(jìn)型破壞）（a）荷載－沉降Q－S曲線（b）荷載－沉降梯度Q－曲線對于緩變型的樁，荷載到達(dá)“極限承載力”后，再施加荷載，并不會導(dǎo)致樁的失穩(wěn)和沉降的顯著增加，即實際上并未達(dá)到極限承載力，因而該極限承載力實際上應(yīng)稱為“擬極限承載力”。按照以可靠性理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則，樁基到達(dá)最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。因此，對于緩變型Q－S單樁，可按控制沉降量確定承載力。一般可按上部結(jié)構(gòu)類型和對沉降的敏感度取得某一沉降值所對應(yīng)的荷載為極限承載力。通常，該極限沉降值取40～60mm（或3％～6％D）。D為樁的直徑。實際工程中常見的幾種Q－S曲線：軟弱土層中的摩擦樁（超長樁除外）。樁端一般為刺入式剪切破壞，樁端阻力分擔(dān)的荷載比例小，Q－S曲線成陡降型，破壞特征點明顯。如圖Fig均勻土中的摩擦樁樁端持力層為砂土、粉土的樁。由于端阻力所占比例大，發(fā)揮端阻力所需的位移大，Q－S曲線成緩變型，破壞特點不明顯。此時一般以Su=40－60mm所對應(yīng)的荷載為其極限承載力。Fig端承于砂層中的摩擦樁擴(kuò)底樁。支撐于礫、砂、硬粘性土、粉土上的擴(kuò)底樁。由于端阻破壞所需位移過大，端阻力所占比例較大，Q~S曲線成緩變型。極限承載力可取SU=（3％～6％）D控制。Fig擴(kuò)底端承樁泥漿護(hù)壁作業(yè)，樁端有一定沉淤的鉆孔樁。由于樁底沉淤強(qiáng)度低、壓縮性高，樁端一般呈刺入剪切破壞，接近于純摩擦裝，Q－S曲線呈陡降型，破壞特征點明顯。Fig孔底有沉淤的摩擦樁干法作業(yè)。樁端置于砂層中、孔底有一定厚度虛土的鉆孔樁。由于樁端砂性虛土經(jīng)壓縮，承載力提高，導(dǎo)致Q－S曲線出現(xiàn)臺階形。最終在較大沉降下樁端土呈局部剪切破壞，此時承載力多以樁頂極限沉降控制取值。Fig孔底有虛土的摩擦型樁嵌入堅硬基巖的短粗端承樁。樁身材料強(qiáng)度的破壞而導(dǎo)致樁的承載力破壞。Q－S曲線呈突變、陡降型。Fig嵌入堅硬基巖的短粗端承樁2.1.3單樁豎向抗壓承載力的確定主要取決于樁身材料強(qiáng)度、地基土承載力。1、按樁身材料強(qiáng)度

R—單樁豎向抗壓承載力設(shè)計值；Ap—樁身橫截面積；[σ]—樁身材料抗壓應(yīng)力設(shè)計值；φ—穩(wěn)定系數(shù)。對于鋼筋砼樁還可采用以下公式：1當(dāng)樁頂以下5d范圍的樁身螺旋式箍筋間距不大于100mm，且符合本規(guī)范第4.1.1條規(guī)定時：

（5.8.2—1）2當(dāng)樁身配筋不符合上述1款規(guī)定時：

（5.8.2—2）N——荷載效應(yīng)基本組合下的樁頂軸向壓力設(shè)計值；ψc——基樁成樁工藝系數(shù)，按第5.8.3條規(guī)定取值；fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；f'y——縱向主筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；As'——縱向主筋截面面積。2、按土對樁的支承力確定經(jīng)驗公式法、靜力觸探成果估算法、靜載荷試驗法。經(jīng)驗公式法：假定樁周摩擦力和樁端阻力對于某一特定土層是均勻分布的，通過大量工程經(jīng)驗，對樁的承載力進(jìn)行統(tǒng)計，提出經(jīng)驗數(shù)據(jù)。a)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50007--2002中的方法b)建筑樁基技術(shù)規(guī)范JGJ94-2008的方法砼預(yù)制樁、鉆孔樁、沉管灌注樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：--單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值--樁端阻力，樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取值見P16，表2-7，2-8。大直徑樁（d≥800mm），單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算：、——大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)，按表5.3.6-2取值。

表5.3.6－1干作業(yè)挖孔樁（清底干凈，D=800mm）極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）

土名稱狀態(tài)黏性土0.25<IL≤0.750<IL≤0.25IL≤0800～18001800～24002400～3000粉土0.75≤e≤0.9e<0.751000～15001500～2000砂土碎石類土稍密中密密實粉砂500～700800～11001200～2000細(xì)砂700～11001200～18002000～2500中砂1000～20002200～32003500～5000粗砂1200～22002500～35004000～5500礫砂1400～24002600～40005000～7000圓礫、角礫1600～30003200～50006000～9000卵石、碎石2000～30003300～50007000～11000鋼管樁：對于帶隔板的半敞口鋼管樁，應(yīng)以等效直徑代替d確定，；其中為樁端隔板分割數(shù)（圖5.3.7）。圖5.3.7隔板分割2.1.4樁的負(fù)摩阻力及計算公式1）概念：正摩阻力，樁相對于樁周土發(fā)生向下位移，樁身受到向上的摩阻力。負(fù)摩阻力，樁周土相對于樁發(fā)生向下位移，樁身收到向下的摩阻力。常見的三種情況會產(chǎn)生負(fù)摩阻力：樁周土固結(jié)下沉—樁穿越較厚的比較松散土層進(jìn)入堅硬土層；地面超載壓密樁周土—樁周存在軟弱土層，而地面承受較大長期荷載（地面堆載）；地下水位下降—降低地下水位使樁周土中有效應(yīng)力增大，產(chǎn)生顯著壓縮沉降。中性點：樁身上可能存在一點，該點以上土的沉降大于樁的位移，樁周為負(fù)摩阻力，該點之下土的沉降小于樁的位移，樁周作用正摩阻力，該點處樁土無相對位移。中性點處軸力最大。中性點的位置與土的壓縮性、樁的剛度、和持力層剛度有關(guān)。中性點離地面深度Ln可按表5.4.4-2確定。影響：（部分土的自重和地面荷載通過負(fù)摩阻力傳遞給樁，引起樁身軸力增加。）降低樁的承載力；增大基樁沉降；嚴(yán)重時造成樁斷裂。單樁基礎(chǔ)下拉荷載為樁側(cè)負(fù)摩阻力總和：，u—樁身橫截面周長；n—中性點以上土層個數(shù)；li—中性點以上各土層的厚度。樁距較小時，基樁負(fù)摩阻力因群樁效應(yīng)而降低。計算時，乘以群樁效應(yīng)系數(shù)（）。對于摩擦型基樁可取樁身計算中性點以上側(cè)阻力為零，并可按下式驗算基樁承載力：

2.2嵌巖灌注樁的承載力2.2.1概述概念：基巖埋深不大時，常將大直徑灌注樁穿過全部覆蓋層嵌入基巖，成為嵌巖灌注樁。多用于高層建筑、重型廠房和橋基中。特點：單樁沉降小，群樁效應(yīng)不影響承載力，沉降在施工中便可完成，抗震性能好。嵌巖樁段側(cè)摩阻力很高，特征：達(dá)極限時所需相對位移小，一般呈脆性破壞。沉渣形成軟墊，可以充分發(fā)揮側(cè)阻作用，而端阻不能有效發(fā)揮。實測資料表明，嵌巖深度為3倍樁徑時，嵌固力可以達(dá)到總承載力的75%以上，為最佳嵌巖深度。2.2.2嵌巖樁的承載力樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁單樁豎向極限承載力，由樁周土總極限側(cè)阻力和嵌巖段總極限阻力組成。當(dāng)根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，可按下列公式計算：嵌巖深徑比00.51.02.03.04.05.06.07.08.0極軟巖、軟巖0.600.800.951.181.351.481.571.631.661.70較硬巖、堅硬巖0.450.650.810.901.001.04表5.3.9嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)

2.3抗拔樁的承載力2.3.1概念對于自重比較輕而水平荷載又比較大的高聳結(jié)構(gòu)物（如煙囪、輸電塔，發(fā)射塔），或地下室承受地下水浮力作用而自重不足時，樁基可能承受上拔荷載。此時必須驗算樁的抗拔承載力。2.3.2由樁身強(qiáng)度所決定的抗拔樁承載力U—單樁抗拔力設(shè)計值；--砼抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；A—砼橫截面面積，縱向配筋率大時取A=Ap-As；由于砼抗拉強(qiáng)度很低，在上拔力作用下，砼容易出現(xiàn)橫向裂縫，所以上拔力主要依靠鋼筋來承擔(dān)，因此，計算時不考慮砼的抗拉，則。，--1.1，1.0，0.9，對于柱下單樁按提高一級考慮。2.3.3由地基土強(qiáng)度確定抗拔樁承載力單樁抗拔極限承載力可用抗拔試驗測定或用經(jīng)驗方法確定。1）靜載試驗對樁施加豎向上拔力，分級加載，每級讀測（荷載、變形）。終止條件：樁頂荷載達(dá)到受拉鋼筋總極限承載力的0.9倍；某級荷載作用下，樁頂變形量為前一級荷載變形量的5倍；累計上拔量超過100mm。

繪制荷載--位移曲線陡變型曲線：取陡升起始點為抗拔極限承載力；緩變型曲線：根據(jù)上拔量和（變形—時間對數(shù)）曲線綜合判定，取曲線尾部顯著彎曲的前一級荷載為極限抗拔承載力。經(jīng)驗公式a）根據(jù)樁基規(guī)范，當(dāng)單樁和群樁呈非整體性破壞時:b）當(dāng)群樁呈整體性破壞時：基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值--樁群外圍周長2.3.4樁基承載力驗算2.4單樁沉降沉降組成：豎向荷載下，單樁沉降s一般由樁身壓縮量ss和樁端沉降sb組成，即：s=ss+sb。如分別考慮樁側(cè)摩阻力和樁端阻力對ss、sb的作用，ss和sb可表示為：ss=sss+ssb，sb=sbs+sbbsss—樁側(cè)摩阻力引起的樁身壓縮量；ssb—樁端阻力引起的樁身壓縮量；sbs—由于樁側(cè)荷載傳播到樁端平面以下引起土體壓縮所產(chǎn)生的樁端沉降；sbb—由于樁端荷載引起土體壓縮所產(chǎn)生的樁端沉降。2.5群樁承載力與群樁沉降計算2.5.1樁頂荷載效應(yīng)計算1）群樁中復(fù)合基樁或基樁樁頂承受的豎向力計算2）基樁承載力計算a）荷載效應(yīng)基本組合（不考慮地震作用）軸心受壓：偏心受壓：，（N—基樁平均壓力）b）地震作用效應(yīng)組合軸心受壓：偏心受壓：，（N—基樁平均壓力）2.5.2樁基變形特征及允許值樁基變形特征：沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜。傾斜：建筑物樁基礎(chǔ)傾斜方向兩端點的沉降差與其距離之比值。局部傾斜：墻下條形承臺沿縱向某一長度范圍內(nèi)樁基礎(chǔ)兩點的沉降差與其距離的比值。表5.5.4建筑樁基沉降變形允許值

2.5.3群樁承載力計算1)端承樁承載力樁側(cè)阻力分擔(dān)荷載份額較小，因此樁側(cè)剪應(yīng)力相互影響的重疊效應(yīng)小，持力層比較堅硬，樁的單獨貫入變形小，承臺底部反力很小，可以忽略不計。所以，端承樁群樁承載力可近似取為各單樁的承載力之和。2)摩擦樁承載力對于符合下列條件之一的摩擦型樁基，宜考慮承臺效應(yīng)確定其復(fù)合基樁的豎向承載力特征值：1上部結(jié)構(gòu)整體剛度較好、體型簡單的建（構(gòu)）筑物；2對差異沉降適應(yīng)性較強(qiáng)的排架結(jié)構(gòu)和柔性構(gòu)筑物；3按變剛度調(diào)平原則設(shè)計的樁基剛度相對弱化區(qū)；4軟土地基的減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)。承臺效應(yīng)系數(shù)

2.5.4樁下軟弱下臥層承載力驗算對于樁距Sa小于等于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，按下式驗算θ—樁端硬持力層的壓力擴(kuò)散角。表5.4.1樁端硬持力層壓力擴(kuò)散角對于樁距Sa大于6d，且持力層厚度（）的群樁基礎(chǔ)，按下式驗算：，De—樁端等代直徑。2.5.5群樁沉降計算等代墩基礎(chǔ)法以等代墩基礎(chǔ)(實體深基礎(chǔ))模式計算樁基沉降是工程實踐中最廣泛應(yīng)用的近似方法。該模式假定樁基礎(chǔ)如天然地基上的實體深基礎(chǔ)一樣工作，按淺基礎(chǔ)沉降計算方法進(jìn)行計算。對于矩形樁基礎(chǔ):a，b分別為群樁樁頂外圍矩形面積的長度和寬度；A，B分別為假想實體基礎(chǔ)底面的長度和寬度；l為樁長，群樁側(cè)面土層內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》JGJ94-2008中群樁沉降計算方法簡介規(guī)范建議采用等效作用分層總和法計算樁基沉降。式中：－按實體深基礎(chǔ)分層總和法計算出的樁基沉降量(mm)；－樁基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；