单桩竖向承载力确定

桩的承载力是桩基础设计的关键.单桩竖向承载力的确定取决于两个方面:一是桩本身的材料强度;二是地基土的承载力.我国主要依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)和《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)确定桩的承载力.

4．4．1 按材料强度确定

设计计算中桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求.可将桩视为轴心受压杆件,根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)进行计算.

(1)当桩顶以下5d(d为桩径)范围内的桩体螺旋式箍筋间距不大于100mm时,竖向抗压承载力值可按下式计算:

(2)当桩体配筋不符合(1)中的条件时,竖向抗压承载力设计值可按下式计算:

N≤ψcfcAps 　(4-10)

式中 N——荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值(k N);

fc——混凝土轴心抗压强度设计值(N/mm2);

f′y——纵向主筋抗压强度设计值(N/mm2);

A′s——纵向主筋截面面积(mm2);

ψc——基桩成桩工艺系数,混凝土预制桩、预应力混凝土空心桩取ψc＝0．85,干作业非挤土灌注桩取ψc＝0．90,泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩、挤土灌注桩取ψc＝0．7~0．8,软土地区挤土灌注桩ψc＝0．6.

4．4．2 按静载荷试验确定

(1)试验目的.在建筑工程现场实际工程地质条件下,用与设计采用的工程桩规格尺寸完全相同的试桩进行静载荷试验,加载至破坏.确定单桩竖向极限承载力,并进一步计算出单桩竖向承载力特征值.

(2)试验准备.

①在工地选择有代表性的桩位,将与设计工程桩截面、长度完全相同的试桩,沉至设计标高.

②根据工程规模、试桩尺寸、地质情况,设计采用的单桩竖向承载力及经费情况,确定加载装置.

③筹备荷载与沉降量测仪表.

④确定从成桩到试桩需间歇的时间.在桩身强度达到设计要求的前提下,间歇时间对于砂类土不应少于10d,对于粉土和一般性黏土不应少于15d,对于淤泥或淤泥质土中的桩不应少于25d.其用以消除沉桩时产生的空隙水压力和触变等影响,只有这样才能反映桩端承载力与桩侧阻力的真实大小.

(3)试验加载装置.一般采用油压千斤顶加载.千斤顶反力装置常用下列形式:

①锚桩横梁反力装置,如图4．9(a)所示.试桩与两端锚桩的中心距不应小于桩径.如果采用工程桩作为锚桩,则锚桩数量不得少于4根,并应检测试验过程中锚桩的上拔量.

图4．9 单桩静载试验装置

(a)锚桩横梁反力装置;(b)压重平台反力装置

②压重平台反力装置,如图4．9(b)所示.压重平台支墩边到试桩的净距不应小于3倍桩径,并应大于1．5m,压重不得小于预计试桩荷载的1．2倍.压重在试验开始时加上,均匀稳定放置.

③锚桩压重联合反力装置.当试桩最大加载量超过锚桩的抗拔能力时,可在横梁上放置一定的重物,由锚桩和重物共同承担反力.

④千斤顶应放在试桩中心.两个以上千斤顶加载时,应使千斤顶并列同步工作,使千斤顶合力通过试桩中心.

(4)荷载与沉降的测量.桩顶荷载测量有以下两种方法:

①在千斤顶上安置应力环和应变式压力传感器直接测定桩顶荷载,或采用连于千斤顶上的压力表测定油压,根据千斤顶率定曲线换算荷载.

②试桩沉降量测一般采用百分表或电子位移计.对于大直径桩,应在其两个正交直径方向对称安装4个百分表;对于中小直径桩,可安装2~3个百分表.

(5)静载试验要点.

①加载采用慢速维持荷载法,即逐级加载.每级荷载相对稳定后再加下一级荷载,直到试桩破坏,然后分级卸荷到零.

②加载分级.分级荷载Δp＝(1/8~1/5)K.

③测读桩沉降量的间隔时间:每级加载后,分别间隔5min、10min、15min、15min时各测读一次,以后每隔15min读一次,累计1h后每隔30min测读一次.

④沉降相对稳定的标准:在每级荷载下,连续2次每小时桩的沉降量小于0．1mm时可视为稳定.

⑤终止加载条件.符合下列条件之一时可终止加载:

a．荷载G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时,如图4．10(a)所示.

b．≥2,且经24h尚未达到稳定时,如图4．10(b)所示,ΔSn指第n级荷载的沉降增量,ΔSn＋1指第n＋1级荷载的沉降增量.

c．对于25m以上的嵌岩桩,曲线呈缓变形,桩顶总沉降量为60~80mm,如图4．10(c)所示.

d．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.

e．桩底支承在坚硬岩(土)层上,桩的沉降量很小时,最大加载量不应小于设计荷载的2倍.

图4．10 由Q－s曲线确定极限荷载Q

(a)明显转折点法;(b)沉降－荷载增量比法;(c)按沉降量取值法

(6)单桩竖向极限承载力的确定.单桩竖向极限承载力可按下列方法确定:

①作荷载G沉降(Q－s)曲线和其他辅助分析所需的曲线.

②当陡降段明显时,取陡降段起点对应的荷载值.

③≥2,且经24h尚未达到稳定时,取前一级荷载值.

④荷载G沉降(Q－s)曲线呈缓变形时,取桩顶总沉降量s＝5~40mm所对应的荷载值.当桩长大于40m时,宜考虑桩体的弹性压缩.

⑤当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.

a．对于参加统计的试桩,当其荷载极差不超过平均值的30％时,可取其平均值作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极差过大的原因,结合工程具体情况确定极限承载力.

b．对桩数为3根及3根以下的柱下桩基础,取最小值作为单桩竖向极限承载力值.

⑥单桩竖向承载力特征值的确定.将单桩竖向极限承载力除以安全系数2,即为单桩竖向承载特征值Ra.

4．4．3 按静力触探确定

当根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时,如无当地经验,可按下式计算:

Quk＝Qsk＋Qpk＝u∑qsikli＋αpskAp 　(4-11)

当psk1≤psk2时:

当psk1≥psk2时:

psk＝psk2 　(4-13)

式中 Qsk、Qpk——分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值;

u——桩身周长;

qsik——用静力触探比贯入阻力值估算的桩周第i层土的极限侧阻力,如图4．11所示;

li——桩周第i层土的厚度;

α——桩端阻力修正系数,可按表4．5取值;

psk——撞断附近的静力触探比贯入阻力标准值(平均值);

Ap——桩端面积;

psk1——桩端全截面以上8倍桩径范围内的比贯入阻力平均值;

psk2——桩端全截面以下4倍桩径范围内的比贯入阻力平均值,如桩端持力层为密实的砂土层,其比贯入阻力平均值ps超过20MPa时,则需乘以表4．6中系数C予以折减后,再计算psk1及psk2值;

β——折减系数,按表4．7选用.

图4．11 qsk－ps曲线

注:1．qsik值应结合土工试验资料,依据土的类别、埋藏深度、排列次序,按图折线取值;图中,直线Ⓐ(线段gh)适用于地表下6m范围内的土层;折线Ⓑ(线段oabc)适用于粉土及砂土土层以上(或无粉土及砂土土层地区)的黏性土;折线Ⓒ(线段odef)适用于粉土及砂土土层以下的黏性土;折线Ⓓ(线段oef)适用于粉土、粉砂、细砂及中砂;

2．psk为桩端穿过的中密~密实砂土、粉土的比贯入阻力平均值;ps L为砂土、粉土的下卧软土层的比贯入阻力平均值;

3．采用的单桥探头,圆锥底面积为15cm2,底部带7cm高滑套,锥角60°;

4．当桩端穿过粉土、粉砂、细砂及中砂层底面时,折线Ⓓ估算的qsik值需乘以表4．8中系数ηs值.

表4．5 桩端阻力修正系数α值

表4．6 系数C

表4．7 折减系数β

表4．8 系数ηs值

当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时,对于黏性土、粉土和砂土,如无当地经验时可按下式计算:

Quk＝Qsk＋Qpk＝u∑liβifsi＋αqcAp 　(4-14)

式中 fsi——第i层土的探头平均侧阻力(k Pa);

qc——桩端平面上、下探头阻力,取桩端平面以上4d(d为桩的直径或边长)范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值(k Pa),然后再和桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均;

α——桩端阻力修正系数,对于黏性土、粉土取2/3,饱和砂土取1/2;

βi——第i层土桩侧阻力综合修正系数,黏性土、粉土:βi＝10．04(fsi)－0．55;砂土:βi＝5．05(fsi)－0．45.

4．4．4 按经验公式确定

经验公式方法是根据桩侧阻力、桩端阻力与土层的物理、力学状态指标的经验关系来确定单桩竖向承载力特征值.这种方法可用于初估单桩竖向承载力特征值及桩数,在各地区、各部门均有应用.

(1)中小直径桩.根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系,可建立如下单桩竖向极限承载力标准值的计算公式.

Quk＝Qsk＋Qpk＝u∑qsikli＋qpkAp 　(4-15)

式中 qsik——桩侧第i层土的单桩极限侧阻力标准值,当无当地经验值时,按表4．9取值;qpk——单桩极限端阻力标准值,当无当地经验时,按表4．10取值;

AP——桩端截面面积(m2);

u——桩身周长(m);

li——按土层划分的各段桩长(m).

表4．9 桩的极限侧阻力标准值qsik 　k Pa

(2)大直径桩.

Quk＝Qsk＋Qpk＝u∑ψsiqsikli＋ψpqpkAP 　(4-16)

式中 ψsi、ψp——大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数,按表4．11取值;

qpk——桩径为800mm的极限端阻力标准值,对于干作业挖孔(清底干净)可采用深层载荷板试验确定;当不能进行深层载荷试验时,可按表4．12采用.

表4．11 大直径灌注桩侧阻尺寸效应系数ψsi、端阻尺寸效应系数ψp

表4．12 干作业桩(清底干净,db＝0．8m)极限端阻力标准值qpkk Pa

(3)嵌岩桩.桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力,由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成.当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时,可按下式计算:

Quk＝Qsk＋Qrk 　(4-17)

Qsk＝u∑qsikli 　(4-18)

Qrk＝ζrfrkAp 　(4-19)

式中 Qsk、Qrk——分别为土的总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限阻力标准值;

qsik——桩周第i层土的极限侧阻力标准值,无当地经验时,可根据成桩工艺按表4．9取值;

frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值,黏土岩取天然湿度单轴抗压强度标准值;

ζr——嵌岩段侧阻和端阻综合系数,与嵌岩深径比hr/d、岩石软硬程度和成桩工艺有关,按表4．13采用,表中数值适用于泥浆护壁成桩,对于干作业成桩(清底干净)和泥浆护壁成桩后注浆,ζr应取表列数值的1．2倍.

表4．13 嵌岩段侧阻和端阻综合系数ζr

【例4-2】 某工程地质土如图4．12所示,第一层土厚2m;第二层土厚7m;第三层为中密的中砂,桩深入该层1m.若是混凝土预制桩分别穿过这些土层,求各土层的极限桩侧阻力标准值qsik.

图4．12 某工程地质土

【解】 (1)求第一层土的极限桩侧阻力标准值qs1k.

先判断该图层的类型:由IP＝w L－w P＝35％－18％＝17％,可知该土为粉质黏土.

再由公式

由0．5IL＜0．75查表4．9可知qsik为50~66k Pa.因为是黏性土,IL＝0．75,直接取两端极限值,故取qs1k＝50k Pa.

(2)求第二层土的极限桩侧阻力标准值qs2k.

该土层为粉土,粉土孔隙比为

因为0．75IL＜0．9,查表4．9可知qs2k为42~62k Pa,内插可得qs2k＝46．4k Pa.

(3)求第二层土的极限桩侧阻力标准值qs3k.

第三层土为中砂土,查表4．9可知qs3k为54~74k Pa,在没有经验值或没有当地有关资料的前提下,为偏于安全,取qs3k＝54k Pa.

【例4-3】 如图4．13所示,已知桩基础承台埋深2m,桩长10m(从承台底面算起,不包括桩尖),桩的入土深度为桩长.采用截面400mm×400mm的方形钢筋混凝土预制桩.求:极限桩端阻力标准值qpk;单桩竖向极限承载力标准值quk.

【解】 (1)查表4．9求各层土的极限桩侧阻力标准值qs1k.该桩穿越黏性土层及粉质黏土层,查表4．9可得:

图4．13 例题4-3图

①对于黏性土层:IL＝0．75,在0．5~0．75范围内,取qs1k＝50k Pa.

②对于粉质黏土层:IL＝0．6,在0．5~0．75范围内,由内插法可得qs2k＝59．6k Pa.

(2)求桩的极限桩端阻力标准值qpk.桩端位于粉质黏土中,IL＝0．6,由桩的入土深度为9~16m查表4．10,得桩的极限桩端阻力标准值qpk为1500~2100k Pa,由内插法取qpk＝1860k Pa.

(3)求单桩竖向极限承载力标准值quk.

Quk＝Qsk＋Qpk＝u∑ψsiqsikli＋ψpqpkAP

＝0．4×4×(50×8＋59．6×2)＋1860×0．42

＝1128．32(k N)