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单桩竖向承载力-地基与基础设计中的重要因素

更新时间:2025-01-17 工作计划 版权反馈
【摘要】:地基基础设计等级为丙级时,可采用静力触探及标准贯入试验参数确定单桩竖向承载力特征值。

1.桩基础设计原则

现行《建筑地基基础设计规范》规定,按单桩承载力确定桩数时,传至承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下的标准组合,相应的抗力应采用单桩承载力的特征值。

正常使用极限状态是指桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性的某项限值的状态,具体指竖向荷载引起的沉降和水平荷载引起的水平位移,可能导致建筑物标高的过大变化以及差异沉降和水平位移使建筑物倾斜过大、开裂、设备不能正常运转等,从而影响建筑物的正常使用功能,或者处于腐蚀介质环境中的桩身和承台应满足耐久性,以保证建筑物的正常使用功能。荷载效应的标准组合值Sk用下式表示:

式中 SGk——按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值;

SQik——按可变荷载标准值计算的荷载效应值;

φci——可变荷载Qi的组合值系数,按现行GB 50009《建筑结构荷载规范》的规定取值。

2.单桩竖向承载力特征值

单桩竖向承载力特征值是指单桩竖向静载荷试验中荷载——桩顶沉降曲线线性变形阶段内不超过比例界限点的荷载值,实际上就是单桩竖向承载力的允许值。

《建筑地基基础设计规范》规定:

(1)单桩承载力通常应通过现场静载荷试验确定,作为桩基础的设计依据。在同一条件下的试桩数量,不宜少于总桩数的1%,且不应少于3 根。

(2)地基基础设计等级为丙级时,可采用静力触探及标准贯入试验参数确定单桩竖向承载力特征值。

(3)初步设计时单桩竖向承载力特征值Ra可按下式估算:

式中 qpa、qsia——桩端阻力、桩侧阻力特征值,由当地静荷载试验结果统计分析算得,kPa;

Ap——桩底端横截面面积,m2

Up——桩身周边长度,m;

li——第i 层岩土的厚度,m。

(4)嵌岩桩在初步设计时可按照下式估算单桩竖向承载力特征值:

式中 qpa——桩端岩石承载力特征值,可按照岩石饱和单轴抗压强度标准值折减而得。

(5)桩身材料强度应满足桩的承载力设计要求。桩轴向受压时,桩身强度应符合下式要求:

式中 fc——混凝土轴心抗压强度设计值,kPa;

Q——相应荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值,kN;

φc——工作条件系数,预制桩取0.75,灌注桩取0.6~0.7(水下灌注或长桩时用低值)。

3.单桩竖向静载荷试验

静载荷试验是确定单桩承载力的最可靠的传统方法。根据桩的使用条件,有慢速维持荷载法、循环荷载法、等变形速率法和快速维持荷载法等。当在桩身埋设有应力、应变、桩底反力测量传感器时,可以测定桩侧阻力和端阻力。

静载荷试验是先在准备施工的地点打试桩,在试桩顶上分级施加静载荷,直到土对桩的阻力被破坏时为止,从而求得桩的极限承载力。由于成桩时对土体的扰动,所以试桩必须待桩周土体的强度恢复后方可开始。间隔天数应视土质条件及沉桩方法而定。预制桩在砂土中入土7 天后才能进行试验,粘性土中一般不得少于15 天,对饱和软粘土不得少于25 天。灌注桩应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行。

(1)加载装置。静载试验的加载可采用锚桩法或堆载法。加载反力装置提供的反力不得小于最大加载量的1.2 倍。对加载装置的全部构件均应进行强度和变形验算。

1)锚桩法试验的装置如图8-3所示。

加荷利用液压千斤顶、杠杆、载重承台等装置。液压千斤顶应设有稳压装置。千斤顶借助锚桩的反力对试桩加荷。试验时可根据需要布置4~6 根锚桩,锚桩深度应不小于试桩深度。为了减少锚桩对试桩的影响,锚桩与试桩的间距应大于4d(d 为桩径),且不小于2m。观测装置应埋设在试桩和锚桩受力后产生地基变形的影响范围之外,可参照表8-1的规定,以免影响观测结果的精度。

图8-3 锚桩法试桩装置图

表8-1 试桩、锚桩(或压重平台支墩边)和基准桩之间的中心距离

注 1.d 为试桩、锚桩或地锚的设计直径或边宽,取其较大者。
2.如试桩或锚桩为扩底桩,试桩与锚桩的中心距尚不应小于2 倍扩大端直径。
3.括号内数值可用于工程桩验收检测时多排桩设计桩中心距离小于4d 的情况。(www.xing528.com)

2)堆载法。

采用堆载压重平台提供反力装置,压重宜在试验前一次加足,并均匀稳固地放置于平台上,压重施加于地基上的压力不宜大于地基承载力特征值的1.5 倍。通常要求支墩与试桩间的距离应大于2m。

(2)试验方法。单桩静载荷试验的慢速维持荷载法按以下步骤进行:

1)试验加载应分级进行。加荷分级不应小于8 级,每级加载量宜为预估极限荷载的1/8~1/10。

2)测读桩沉降量的间隔时间。每级加载后,每第5min、10min、15min 时各测读一次,以后每隔15min读一次,累计1h后每隔0.5h读一次。

在每级荷载作用下,桩的沉降量连续两次在每小时内小于0.1mm时可视为稳定。

3)终止加载条件。当出现下列情况之一时,即可终止加载:①当荷载—沉降(Q~s)曲线上有可判定极限承载力的陡降段,且桩顶总沉降量超过40mm;②后一级荷载产生的沉降增量超过前一级荷载沉降增量的2 倍,且24h 尚未达到稳定;③桩长25m 以上的非嵌岩桩,荷载—沉降曲线呈现缓变型时,桩顶总沉降量大于60~80mm;④在特殊条件下,可根据具体要求加载至桩顶总沉降量大于100mm。

4)根据试验结果,可绘出荷载—沉降曲线(图8-4)及各级荷载下沉降—时间曲线(图8-5)。

图8-4 单桩Q~s 曲线

图8-5 单桩s~lgt 曲线

5)卸载观测。每级卸载值为加载值的两倍。卸载后隔15min 测读一次,读两次后,隔0.5h再读一次,即可卸下一级荷载。全部卸载后,隔3~4h再测读一次。

(3)单桩竖向极限承载力的确定。根据桩的竖向静载试验结果,确定单桩极限承载力的方法很多,《建筑地基基础设计规范》规定,单桩竖向极限承载力应按下列方法确定:

1)作荷载—沉降曲线和其他辅助分析所需的曲线。

2)当陡降段明显时,取相应于陡降段起点的荷载值。

3)当试验过程中,因最后一级荷载经24h 尚未达到稳定而终止加载时,取前一级荷载值为极限承载力。

4)Q~s 曲线呈缓变型时,取桩顶总沉降量s =40mm所对应的荷载值,当桩长大于40m时,宜考虑桩身的弹性压缩。

5)按上述方法判断有困难时,可结合其他辅助分析方法综合判定。对桩基沉降有特殊要求者,应根据具体情况选取。

6)参加统计的试桩,当满足其极差不超过平均值的30%时,可取其平均值为单桩竖向极限承载力。极差超过平均值的30%时,宜增加试桩数量并分析离差过大的原因,结合工程具体情况确定极限承载力。对桩数为3 根及3 根以下的柱下桩台,取最小值。

7)将单桩竖向极限承载力除以安全系数2,即得到单桩竖向承载力特征值Ra

4.桩基础的沉降验算

《建筑地基基础设计规范》规定,桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值,并不得超过地基变形允许值,规范还规定下列建筑物的桩基必须进行沉降验算:

(1)地基基础设计等级为甲级的建筑物桩基。

(2)体型复杂、荷载不均匀或桩端以下存在软弱土层的设计等级为乙级的建筑物桩基。

图8-6 负摩擦力

(3)摩擦型桩基。计算桩基础沉降时,最终沉降量可按单向压缩分层综合法计算桩端以下压缩土层的总变形量。考虑到桩端处的应力集中,土体的计算分层厚度在桩端以下规定范围内应适当加密。

5.桩的负摩阻力

穿过软弱土层支承在坚硬土层上的桩,一般说来桩受荷载作用后,地基土对桩的侧阻力是向上作用的[图8-6(a)],但当软弱土层由于某种原因而发生地面沉降时,桩周土体对桩身产生相对的向下位移,这就使桩身承受向下作用的摩阻力[图8-6(b)],称为负摩阻力。

负摩阻力是因为桩周围土层的下沉(地面沉降)而产生的,造成地面沉降的原因大致有以下几种情况:

(1)在未固结的软土或新填土上,由于土层的自重固结而产生。

(2)由于大面积地面荷载所造成。

(3)场地地下水大量抽降,造成上部软弱土层下沉。

(4)湿陷性黄土及其他湿陷性土层因湿陷引起。

负摩擦力实际上对桩施加一个下拉荷载,使桩身轴向力增大,而使桩的承载能力降低,在设计时应引起重视。

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