基础工程---第四章: 桩基础的设计计算(1)

1 引言

在桥梁基础设计的第一阶段(Phase I), 桩基础的设计计算可能由岩土工程师来完成, 主要用来初步估算钻孔深度, 初步确定桩的类型和尺寸, 为结构工程师提供合理的建议和推荐; 在第二阶段(Phase II), 结构工程师根据岩土工程师的推荐和建议进行详细的计算和设计.

总的来说, 大部分的桩基础设计需要进行单桩垂直载荷的承载力计算, 有时也需要进行单桩水平载荷的承载力计算. 当有多桩支撑一个桥墩时,需要考虑群桩的相互作用,进行群桩的承载力验算. 此外, 大多数情况下也需要进行桩的沉降验算.

这个笔记follow着课程进度[4/5/2021至4/11/2021 Week 5], 简要总结了单桩承载力的部分内容.  

2 单桩承载力容许值

单桩承载力容许值是指单桩在荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围内，以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力及弯矩作用，因此须分别研究和确定单桩轴向承载力和横轴向承载力。

3 荷载传递过程与土对桩的支承力 

当轴向荷载逐步施加于单桩桩顶，桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移，与此同时桩侧表面就会受到土的向上摩阻力。桩顶荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移等于零处，其摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着荷载增加，桩身压缩量和位移量增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，桩底土层也因受到压缩而产生桩端阻力。桩端土层的压缩加大了桩土相对位移，从而使桩身摩阻力进一步发挥到极限值。

桩端极限阻力的发挥需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来。当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，其荷载增量将全部由桩端阻力承担。桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的。

4 桩侧摩阻力的影响因素及其分布 

桩侧摩阻力除与桩土间的相对位移有关，还与土的性质、桩的刚度、时间因素和土中应力状态以及桩的施工方法等因素有关。(1) 土的影响：桩侧土极限摩阻力值随着桩侧土的抗剪强度的增大而增加。(2) 桩身刚度的影响：桩的刚度较小时，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较大时，土的抗剪强度也较大，以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。(3) 时间的影响：在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、状态在一定范围内会有变化，影响桩侧摩阻力，并且往往也有时间效应。

影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要因素。在分析基桩承载力时，各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响，应分别情况予以注意。下图显示的是桩侧摩阻力沿深度分布的情况.

桩侧摩阻力分布曲线

5 桩底阻力的影响因素及其深度效应 

桩底阻力与土的性质、持力层上覆荷载（覆盖土层厚度）、桩径、桩底作用力、时间及桩底进入持力层深度等因素有关，其主要影响因素仍为桩底地基土的性质。(1) 深度效应：桩的承载力（主要是桩底阻力）随着桩的入土深度(特别是进入持力层的深度而变化)的特性。(2) 临界深度：桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度hc。

由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩底硬层的厚度。

6 单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式 

轴向受压荷载作用下，单桩的破坏是由地基土强度破坏或桩身材料强度破坏所引起。而以地基土强度破坏居多。破坏模式分为如下3种情形：

(1) 纵向挠曲破坏(图a)

桩在轴向受压荷载作用下，如同一受压杆件呈现纵向挠曲破坏。桩的承载力取决于桩身的材料强度。

(2) 整体剪切破坏(图b)

桩在轴向受压荷载作用下，由于桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏。桩的承载力主要取决于桩底土的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。

(3)刺入式破坏(图c)

当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向受压荷载作用下，将出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同承担，一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏，且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。

关键词: 桩基础

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