桩基竖向承载力

4．5．1 桩顶作用效应

(1)桩顶作用效应.对于一般建筑物和受水平力(包括力矩与水平剪力)较小的高层建筑群桩基础,当桩基中桩径相同时,应按下列公式计算群桩中基桩的桩顶作用效应(图4．14):

轴心竖向力作用下,有

偏心竖向力作用下,有

水平力作用下,有

式中 Fk——荷载效应标准组合下,作用于承台顶面的竖向力;

Gk——桩基承台和承台上土的自重标准值,对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力;

Nk——荷载效应标准组合轴心竖向力作用下,基桩或复合基桩的平均竖向力;

图4．14 桩顶荷载计算简图

Mxk、Myk——荷载效应标准组合下,作用于承台底面,绕过桩群形心的x、y主轴的力矩;

xi、yi、xj、yj——第i、j基桩或复合基桩至y轴、x轴的距离;

Hk——荷载效应标准组合下,作用于桩基承台底面的水平力;

Hik——荷载效应标准组合下,作用于第i基桩或复合基桩的水平力;

n——桩基中的桩数.

式(4-21)是以下列假设为前提的:

①承台是刚性的.

②各桩刚度Ki(Ki＝Ni/Si,Si为Ni作用下的桩顶沉降)相同.

③x、y是桩顶平面的惯性主轴.

当基桩承受较大的水平力,或为高承台基桩时,桩顶作用效应的计算应考虑承台与基桩协调工作和土的弹性抗力.对烟囱、水塔、电视塔等高耸结构物桩基常采用圆形或环形刚性承台,其基桩宜布置在直径不等的同心圆周上,同一圆周上的桩基相等.对这类桩基,只要取对称轴为坐标轴,则式(4-21)依然适用.

(2)对于抗震设防区主要承受竖向荷载的低承台桩基,当同时满足下列要求时,桩顶作用效应计算可不考虑地震作用:

①按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)可不进行天然地基和基础抗震承载力计算的建筑物.

②不位于斜坡地带或地震可能导致滑移、地裂地段的建筑物.

③桩端及桩身周围无液化土层.

④承台周围无液化土、淤泥、淤泥质土.

4．5．2 桩基竖向承载力计算

(1)桩基竖向承载力计算要求.桩基中基桩的竖向承载力计算,应符合荷载效应标准组合和地震效应组合极限状态计算表达式.

①荷载效应标准组合.承受轴心竖向荷载的桩基,其基桩承载力设计值R应符合下式的要求:

Nk≤R 　(4-23)

承受偏心荷载的桩基,除应满足(4-23)的要求外,尚应满足下式要求:

Nkmax≤1．2R 　(4-24)

式中 Nk——荷载效应标准组合轴心竖向力作用下,基桩或复合基桩的平均竖向力;

Nkmax——荷载效应标准组合偏心竖向力作用下,桩顶最大竖向力.

②地震作用效用组合.从地震震害调查结果得知,不论桩周土的类别如何,基础的竖向受震承载力均可提高25％.因此,对于抗震设防区必须进行抗震验算的桩基,可按下列公式验算基础的竖向承载力.

轴心竖向力作用下,应满足下式:

NEk≤1．25R 　(4-25)

偏心竖向力作用下,除应满足式(4-25)的要求外,还应满足下式:

NEkmax≤1．5R 　(4-26)

式中 Nk E——地震作用效应和荷载效应标准组合下,基桩或复合基桩的平均竖向力;

NEkmax——地震作用效应和荷载效应标准组合下,基桩或复合基桩的最大竖向力;

R——基桩或复合基桩竖向承载力特征值.

(2)基桩或复合基桩竖向承载力特征值Ra的确定.

①单桩竖向承载力特征值的确定.

式中 Quk——单桩竖向极限承载力标准值;

K——安全系数,取K＝2.

②承台效应的概念.摩擦型群桩在竖向荷载作用下,由于桩土相对位移,桩间土对承台产生一定竖向抗力,成为桩基竖向承载力的一部分而分担荷载,这种效应称为承台效应.承台底地基土承载力特征值发挥率称为承台效应系数.承台效应和承台效应系数随下列因素影响而变化:

a．桩距大小的影响.桩顶受荷载下沉时,桩周土受桩侧剪应力作用而产生竖向位移为ωr,即

由式(4-28)可以看出,桩周土竖向位移随桩侧剪应力qs和桩径d增大而线性增加,随与桩中心距离r增大,呈自然对数关系减小,当距离r达到nd时,位移为零;而nd根据实测结果为(6~10)d,随土的变形模量减小而减小.显然,土竖向位移越小,土反力越大,对于群桩,桩距越大,土反力越大.

b．承台土抗力随承台宽度与桩长之比Bc/L减小而减小.现场原型试验表明,当承台宽度与桩长之比较大时,承台土反力形成的压力泡包围整个桩群,由此导致桩侧阻力、端阻力发挥值降低,承台底地基土抗力随之加大.由图4．15看出,在相同桩数、桩距条件下,承台分担荷载比随Bc/L增大而增大.

c．承台土抗力随区位和桩的排列而变化.承台内区(桩群包络线以内)由于桩土相互影响明显,土的竖向位移加大,导致内区土反力明显小于外区(承台悬挑部分),即呈马鞍形分布.从图4．16(a)还可看出,桩数由22增至32、42,承台分担荷载比Pc/P递减,这也反映出承台内、外区面积比随桩数增多而增大导致承台土抗力随之降低.对于单排桩条基,由于承台外区面积比大,故其土抗力显著大于多排桩桩基.如图4．16所示,多排桩和单排桩基承台分担荷载比明显不同证实了这一点.

d．承台土抗力随荷载的变化.由图4．15、图4．16可以看出,桩基受荷后承台底产生一定土抗力,随荷载增加,土抗力及其荷载分担比的变化分两种模式.一种模式是,到达工作荷载(Pu/2)时,荷载分担比Pc/P趋于稳值,也就是说土抗力和荷载增速是同步的.这种变化模式出现于Bc/L≤1和多排桩.对于Bc/L≤1和单排桩桩基则属于第二种变化模式,即Pc/L≤1在荷载达到Pc/L＞2后仍随荷载水平增大而持续增长.这种变化模式说明这两种类型桩基承台土抗力的增速持续大于荷载增速.

图4．15 粉土中承台分担荷载比随承台宽度与桩长比的变化

图4．16 粉土中多排群桩和单排群桩承台分担荷载比

(a)多排桩;(b)单排桩

考虑承台效应的前提条件是承台底面必须与土保持接触,因此,一般摩擦型桩基承台下的桩间土参与承担部分外荷载.需要注意的是,桩基承台下地基土与天然地基是不同的,由于桩的存在,桩间土的承载力往往不能全部发挥出来.

③基桩或复合基桩竖向承载力特征值.对于端承型桩基、桩数少于4根的摩擦型柱下独立桩基,或由于地层土性、使用条件等因素不宜考虑承台效应时,基桩竖向承载力特征值应取单桩竖向承载力特征值,即R＝Ra.

对于符合下列条件之一的摩擦型桩基,宜考虑承台效应确定其复合基桩的竖向承载力特征值:上部结构整体刚度较好、体型简单的建(构)筑物;对差异沉降适应性强的排架结构和柔性构筑物(如钢板罐体);按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区;软土地基减沉复合疏桩基础.

考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值可按下列公式确定:

不考虑地震作用时:

R＝Ra＋ηcfakAc 　(4-29)

考虑地震作用时:

Ac＝(A－n Aps)/n 　(4-31)

式中 ηc——承台效应系数,可按表4．14取值;

fak——承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内各层土的地基承载力特征值按厚度加权的平均值;

Ac——计算基桩所对应的承台底净面积;

Aps——为桩身截面面积;

A——为承台计算域面积,对于柱下独立桩基,A为承台总面积;对于桩筏基础,A为柱、墙筏板的1/2跨距和悬臂边2．5倍筏板厚度所围成的面积;桩集中布置于单片墙下的桩筏基础,取墙两边各1/2跨距围成的面积,按条形承台计算ηc;

ζa——地基抗震承载力调整系数,按照表8．6采用.

表4．14 承台效应系数ηc

当承台底为可液化土、湿陷性土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土,沉桩引起超孔隙水压力和土体隆起时,不考虑承台效应,取ηc＝0.

4．5．3 软弱下卧层验算

当桩端平面以下受力层范围内存在软弱下卧层时(图4．17),应按下列规定验算软弱下卧层的承载力:对于桩距Sa≤6d时的群桩基础,当桩端平面以下软弱下卧层承载力与桩端持力层相差过大(低于持力层的1/3)且荷载引起的局部压力超出其承载力过多时,将软弱下卧层侧向挤出,桩基偏沉,严重者引起失稳.其承载力可按下列公式计算:

图4．17 软弱下卧层承载力验算

式中 σz——作用于软弱下卧层顶面的附加应力;

γm——软弱层顶面以上各土层重度(地下水位以下取浮重度)按厚度加权平均值;

t——硬持力层厚度;

faz——软弱下卧层经深度z修正的地基承载力特征值;

A0、B0——桩群外缘矩形底面的长、短边边长;

qsik——桩周第i层土的极限侧阻准值;

θ——桩端硬持力层压力扩散角,按表4．15取值.

表4．15 桩端硬持力层压力扩散角