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---摩阻力增大達到極限樁端阻力達到極限---樁端持力層大量壓縮、擠出，位移迅速增大，樁破壞---樁達到極限承載力。單樁豎向極限承載力（標準值）：單樁在豎向荷載作用下到達破壞狀態(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）單樁破壞模式與強度的關(guān)系豎向荷載下：地基土強度破壞；樁身材料強度破壞。通常由地基土破壞引起。與樁的承載力相聯(lián)系的地基土強度包括樁側(cè)阻力和樁端阻力。樁側(cè)阻力qs：達到極限值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。（急進型破壞）緩變型：當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“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)計準則，樁基到達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底樁。支撐于礫、砂、硬粘性土、粉土上的擴底樁。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擴底端承樁泥漿護壁作業(yè)，樁端有一定沉淤的鉆孔樁。由于樁底沉淤強度低、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度、地基土承載力。1、按樁身材料強度

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——混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；f'y——縱向主筋抗壓強度設(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準值：--單樁豎向極限承載力標準值，極限側(cè)阻力標準值，極限端阻力標準值--樁端阻力，樁側(cè)阻力標準值，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準值按下式計算：、——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）極限端阻力標準值（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)生負摩阻力：樁周土固結(jié)下沉—樁穿越較厚的比較松散土層進入堅硬土層；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；嚴重時造成樁斷裂。單樁基礎(chǔ)下拉荷載為樁側(cè)負摩阻力總和：，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。當根據(jù)巖石單軸抗壓強度確定單樁豎向極限承載力標準值時，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，當單樁和群樁呈非整體性破壞時:b）當群樁呈整體性破壞時：基樁的抗拔極限承載力標準值--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散角。表5.4.1樁端硬持力層壓力擴散角對于樁距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)；