桩基工程讲义(同济).doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.桩基工程讲义(同济)【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.桩桩 基基 工工 程程 讲讲 义义艾艾 智智 勇勇同济大学地下建筑与工程系同济大学地下建筑与工程系2005 年年 6 月月1桩的分类桩的分类11概述桩是深入土层的柱型构件。桩与桩顶的承台组成深基础，简称桩基。桩的作用：将上部结构的荷载通过软弱地层或水传递给深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。桩基通过作用于桩尖（或称桩端）的地层阻力和桩周土层的摩擦力支撑轴向荷载、依靠桩侧土层的侧向阻力支撑水平荷载。12桩基发展简史两个方面：桩的材料和成桩工艺。木桩：

2、汉朝已经用木桩修桥，到了宋朝桩基技术已经比较成熟，上海市的龙华塔是现存的北宋年代修建的桩基建筑物。钢桩：19 世纪 20 年代开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头；20 世纪初美国出现了各种形状的型钢，在美国密西西比河上的钢桥大量采用钢桩基础；到 20 世纪 30 年代欧洲也广泛采用。二次大战后，无缝钢管也作为桩材用于基础工程。上海宝钢工程中，使用直径 90cm 的长达 60m 的钢管桩基础。混凝土桩：20 世纪初随钢筋混凝土预制构件的问世，开始出现预制钢筋混凝土桩。我国 20 世纪 50 年代开始生产预制钢筋混凝土桩，多为方桩。1949 年美国最早用离心机生产中空预应力钢筋混凝土管桩。我国铁路系统

3、 20 世纪 50年代末也生产了预应力钢筋混凝土桩。灌注桩：20 世纪 2030 年代发明了沉管灌注桩，上海 20 世纪 30 年代修建的一些高层建筑基础就曾采用沉管灌注桩。 在 20 世纪 60 年代我国铁路和公路桥梁开始采用钻孔灌注砼桩和挖孔灌注桩。目前，桩基的成桩工艺还在不断的发展中。1.3桩的分类【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.按桩的尺寸大小可分为：桩（pile） ，柱（cylinder） ，墩（pier） 。铁路桥涵设计规范：1.5m 直径以上的预制空心钢筋砼桩基称为管桩基础。但国外有文献中提到的大直径桩基直径已达到 3.6m。因此国外区分较难，在分类

4、中一般不考虑尺寸的影响。按成桩方式对土层的影响分类：按成桩方式对土层的影响分类：一、挤土桩。也成排土桩。原始土层结构遭到破坏，主要有打入或压入的预制桩，封底的钢管桩沉管式就地灌注桩等。二、部分挤土桩， 也称微挤土桩。 成桩过程中， 桩周围的土层受到轻微的扰动，土的原始结构和工程性质的变化不明显，主要有打入小截面的 I 型、H 型钢桩、钢板桩、开口式钢管桩。三、非挤土桩，也称非排土桩。成桩过程中将与桩体积相同的土排出，桩周围的土较少受到扰动。但有应力松弛现象。主要有各种形式的挖孔、钻孔桩等按桩材分类：按桩材分类：一、木桩。单根木桩的长度大约为十余米，不利于接长。二、混凝土桩预制砼桩，多为钢筋砼桩

5、。工厂或工地现场预制，断面一般为 400*400或 500*500mm，单节长十余米。预制钢筋砼桩，多为圆形管桩，外径 400500 两种，标准节长为 8m 或10m，法兰盘接头。就地灌注砼桩，可根据不同深度的钢筋笼，其直径根据设计需要确定。三、钢桩，型钢和钢管两大类。型钢有各种形式的板桩，主要用于临时支挡结构或码头工程。H 型及 I 型钢桩则用于支撑桩。钢管桩由各种直径和壁厚的无缝钢管制成。四、组合桩。指一种桩用两种材料组成。如较早用的水下桩基，泥面以下用木桩而水中部分用砼桩，现在较少采用。按桩的功能分类：按桩的功能分类：一、抗轴向压桩。在工业民用建筑物的桩主要承受上部结构传来的垂直荷载。1

6、、摩擦桩。桩尖部分承受的荷载较小，一般不超过 10。如打在饱和软土地基和松软地基中的桩。2、端承桩。通过软弱土层桩尖嵌入岩基的桩，承载力主要有桩的端部提供，一般不考虑桩的侧摩阻力的作用。3、端承摩擦桩。桩的端阻力和侧摩阻力同时发挥作用，最常用的桩。如穿过软弱土层嵌入坚实硬粘土或砂、砾持力层的桩。这类桩的端阻和侧阻所分担荷载的比例与桩径、桩长、软弱土层的厚度以及持力层的【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.刚度有关。二、抗侧压的桩港口码头的板桩、基坑支护桩等都是主要承受作用在桩上的水平荷载，桩身要承受弯矩，其整体稳定则靠桩侧土的被动土压力、或水平支撑和拉锚平衡。三、抗拔

7、桩主要抵抗作用在桩上的拉拔荷载，拉拔荷载依靠桩侧摩阻力承受。按成桩方法分类：按成桩方法分类：一、打入桩：将预制桩用击打振动的方式打入地层至设计要求的标高。打入的机械有：自由落锤、蒸汽锤、压缩空气锤、振动锤等。二、就地灌注桩：1. 沉管灌注桩将钢管（钢壳）打入地层到设计标高，然后灌注砼，灌注砼过程中可逐渐将钢管拔出，或将钢管留在土中。2. 钻孔灌注桩使用机械形成桩孔，钻孔机械有冲击钻、旋转钻、长螺旋和短螺旋等，适用于不同的土层。在地下水位以上做灌注桩时，也可以使用人工挖掘法。为提高灌注桩的承载力，可将桩身逐步局部扩大，形成扩底桩。三、静压桩：利用无噪音的机械将预制桩压入到设计标高。四、螺旋桩：在

8、木桩或砼桩的底部接一段螺旋的钻头，藉旋转机械将桩拧入土层至设计标高，现已少用。目前桩型正在发展中，如近年出现的压力灌浆微型桩，利用压浆提高桩的承载力等。桩型和成桩方式的选择：桩型和成桩方式的选择：一、预制桩的类型、特点和使用条件预制桩的优点：1. 桩的单位面积承载力高，打入土层时使松软土层挤密，从而使承载力提高。2. 桩身质量较易保证和检查。3. 易于在水上施工。4. 桩身砼的密度大，抗腐蚀性强。5. 施工工效高，施工工序简单。预制桩的缺点：1. 单价较灌注桩高，预制桩需要配较多的钢筋以抵抗搬运、起吊和捶击时的应力。2. 施工噪音大，污染环境，不宜在城市中使用。3. 预制桩是挤土桩，群桩施工时

9、将引起周围地面的隆起，对周围有影响。4. 受到起吊设备能力的限制，单节预制桩的长度不能过长，一般为十余米，长【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.桩时需接桩。桩的接头常形成桩身的薄弱环节。接桩后如不能保证全桩长的垂直度，则将降低桩的承载能力，甚至在打桩时造成断桩。在瑞典，打入预制桩的长度已超过 100m，关键在于制造的施工工艺质量。5. 不易穿透较厚的坚硬土层。6. 打入后桩长超过要求时，截桩较困难。适用条件：1. 不需考虑噪音污染和振动影响的环境。2. 持力层上覆盖的为松软土层，没有坚硬的夹层。3. 持力层顶面起伏变化不大，桩长易于控制，减少截桩。4. 水下桩基工程

10、。5. 大面积打桩工程，打入桩的工序和设备简单，工效高。在桩数量多的情况下可取得较高的经济效益。二、灌注桩的类型、特点和适用条件优点：1. 可适用于各种地层。2. 桩长可随持力层起伏而改变，不需截桩、没有接头。80 多米的桩也采用了。3. 仅承受轴向压力时不用配置钢筋，节约钢材。4. 采用大直径钻孔或挖孔灌注桩时单桩的总承载力大。5. 一般情况下比预制桩经济。缺点：1. 桩的质量不易控制和保证，容易在灌注砼过程中出现断桩、缩颈、露筋和泥夹层等现象。2. 桩身直径比较大，孔底沉积物不易清除干净，因而单桩的承载力的变化较大。3. 大直径灌注桩做压载试验的费用昂贵。4. 一般情况下不宜用于水下桩基。

11、钢桩的类型特点和适用条件一、钢板桩： 板桩有接口槽， 已将板桩可沿河岸或海岸组成一个整体的板桩墙，也可将一组钢板桩形成围堰，或作为基坑开挖的临时支挡措施。钢板桩成本较高，但可多次使用，仅用于水平荷载桩。二、型钢桩：可用于承受垂直荷载或水平荷载，贯入各类地层的能力强且对地层的扰动较少。H 型和 I 型钢桩的截面积较小，不能提供较高的端承承载力。在细长比较大时易于在打入时出现弯曲现象。弯曲超过一定限度时就不能做为基础桩使用。三、钢管桩：贯入能力、抗弯曲的刚度、单桩承载力和节长焊接等方面都有明【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.显的优越性。但钢管桩造价较高。日本生产的钢管

12、桩的外经从 500mm 到1016mm，壁厚 919mm。钢管桩打入土层时，其端部可敞开或封闭，端部开口时易于打入，但端部承载力较封闭式为小，必要时钢管桩内可充填砼。钢桩与砼桩比较，价格较高、抗腐蚀性能力差，需做表面防腐处理。桩型和成桩方式的选择：桩的类型和施工方法的选择应考虑多方面的因素，主要有：1. 建筑物本身的要求。如：荷载的形式和量级、工期的要求等。2. 工程地质和水文地质条件。3. 场地的环境。对环境的保护要求等。4. 设备材料和运输条件，施工技术力量，施工设备和材料的供应可能性等、5. 经济分析。2单桩竖向承载力的确定单桩竖向承载力的确定单桩竖向极限承载力： 单桩竖向荷载下到达破坏

13、状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载（桩基规范） 。一、一、按静载荷试验确定按静载荷试验确定单桩静载荷试验是确定单桩竖向极限承载力的可靠依据。常见的 QS 曲线大体可划分为两类基本类型：陡降型： QS 曲线出现明显陡降段， 相应的沉降梯度剧增， 破坏点明显。 （突进型破坏）缓变型：当荷载超过某一临界值后，沉降梯度的变化趋缓或趋于常量。 （渐进型破坏）陡降型 QS 曲线：极限荷载即为与破坏荷载相等的陡降起始点荷载。缓变形型 QS 曲线：极限承载力的取法较多。常用的有：（1） 方法一：对应于曲线斜率转为常数或斜率减小的起始点荷载，如S/QQ 曲线的第二拐点。（2） 方法二：取 Slg

14、t 曲线尾部明显弯曲的前一级荷载为极限承载力。（3） 取 lgSlgQ 曲线上第二支线交会点荷载为极限承载力。注：桩基规范 JGJ-94-94（P134） ，指明：一般应绘 QS,S-lgt 曲线以及其他辅助分析所需曲线。按变形确定 Pu，具体见 p135 页。（a）荷载沉降 QS 曲线（b）荷载沉降梯度 QSQ曲线由曲线 b 可见，对于缓变型的桩，荷载到达“极限承载力”后，再施加荷载，【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.并不会导致桩的失稳和沉降的显著增加，即实际上并未达到极限承载力， 因而该极限承载力实际上应称为“拟极限承载力” 。按照以可靠性理论为基础的极限状态

15、设计准则， 桩基到达最大承载能力或不适于继续承载的变形。因此，对于缓变型 QS 单桩，可按控制沉降量确定承载力。 一般可按上部结构类型和对沉降的敏感度取得某一沉降值所对应的荷载为极限承载力。通常，该极限沉降值取 4060mm（或 36）D。D 为桩的直径。实际工程中常见的几种实际工程中常见的几种 Q QS S 曲线：曲线：1软弱土层中的摩擦桩（超长桩除外） 。桩端一般为刺入式剪切破坏，桩端阻力分担的荷载比例小，QS 曲线成陡降型，破坏特征点明显。如图Fig 均匀中的摩擦桩2桩端持力层为砂土、粉土的桩。由于端阻力所占比例大，发挥端阻力所需的位移大，QS 曲线成缓变型，破坏特点不明显。此时一般以

16、Su = 4060mm 所对应的荷载为其极限承载力。Fig 端承于砂层中的摩擦桩3扩底桩。支撑于砾、砂、硬粘性土、粉土上的扩底桩。由于端阻破坏所需位移过大，端阻力所占比例较大，QS 曲线成缓变型。极限承载力可取SU =（36）D 控制。Fig 扩底端承桩4泥浆护壁作业，桩端有一定沉淤的钻孔桩。由于桩底沉淤强度低、压缩性高，桩端一般呈刺入剪切破坏，接近于纯摩擦装，QS 曲线呈陡降型，破坏特征点明显。Fig 孔底有沉淤的摩擦桩5桩周土为加工软化型土（硬粘性土、粉土、高结构性黄土等）无硬持力层的桩。由于侧阻在较小位移发挥出来并出现软化现象，桩端承载力低，因而形成突变。陡降型 QS 曲线。与孔底有沉淤

17、的 QS 曲线相似。Fig1加工软化型；2非软化（一般土） ，硬化型；3加工硬化型6嵌入坚硬基岩的短粗端承桩。桩身材料强度的破坏而导致桩的承载力破坏。QS 曲线呈突变、陡降型。Fig 嵌入坚硬基岩的短粗端承桩单桩的允许承载力：Qa = Qu/K = Qsu/Ks+Qpu/Kp由于侧阻和端阻呈异步发挥，工作荷载（相当于容许承载力）下，侧阻可能已发挥出大部分，而端阻只发挥了很小一部分。因此，侧阻力和端阻力的实际安全系数是不相等的。一般情况下有：Ks Kp。对于前述的几种 QS 曲线，大致有如下的安全系数：1粘性土中桩端无硬持力层的打入式摩擦桩：Ks1.41.6，Kp342桩端持力层为砂土或粉土的打

18、入桩：Ks1.41.6，Kp3.04.53扩底端承桩：Ks1.11.3，Kp2.53.04桩端无硬持力层、泥浆护壁或干作业钻孔桩：Ks1.51.8，Kp345加工软化型土中的桩：Ks1.21.4，Kp346短粗嵌岩灌注桩：Ks2.53.0，Kp1.51.8由此可见，分项安全系数 Ks、Kp 的值的大小与桩型，桩侧、桩端土的性质、桩的长径比，成桩工艺与质量等因素有关。二、二、静力法计算单桩承载力静力法计算单桩承载力1桩端阻力的计算计算端阻力的极限平衡理论公式Fig 几种桩端土滑动面图形以刚塑性体理论为基础，假定不同的破坏滑动面，便可导得不同极限桩端阻力理论表达式，并可统一表示为如下形式：puq=

19、c*C*Nc +*1*b*N+q*h*Nq式中：Nc、N、Nq分别为反映土的内聚力 C、桩底以下滑动土体自重和桩底单面以上边载（竖向压力*h）影响的条形基础无量纲承载力系数，仅与土的那摩擦角有关。c、q桩端为方形、圆形时的形状系数。b、h分别为桩端底宽（直径）和桩的入土深度。C土的粘聚力。1桩端平面以下土的有效重度。桩端平面以上土的有效重度。由于 b2000Kpa，且 fs/cq0.014 时i0.253.98()cq， s0.455.07()sf如不能满足上述条件时，则有i0.3512.06()cq，s0.5510.05()sf采用上式计算得到的单桩极限承载力，建议安全系数取 2。2建筑桩基

20、技术规范法【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.建筑桩基技术规范（JGJ9494）中推荐的单桥探头，根据土层的静探的比贯入阻力 Ps 值，按下式计算单桩的极限承载力：Qu=b*Psb*A+U*skiq*Li其中：Psb桩端附近的静探比贯入阻力的标准值（平均值）KPab桩端阻力修正系数skiq用静探计算的桩周第 i 层土的极限侧阻力标准值Psb 按下述方法计算：当 Psb1 Psb2 时PsbPsb2其中：Psb1桩端全截面以上 8 倍桩径范围内的比贯入阻力平均值。Psb2桩端全截面以下4倍桩径范围内的比贯入阻力平均值。为折减系数可查规范。桩端端阻的修正系数b 可根据桩

21、的如图深度按下表查用：桩入土深度（m）4000 Kpa 时skiq125(Kpa)2标准贯入试验（SPT）确定单桩承载力Meyerhof 法（1976）Meyerhof 建议，打入桩的单位桩端极限承载力 qp 可根据桩尖进入持力层的深度，按下式计算：pq0.4N*Db/D4N(100Ka)钻孔灌注桩条件下：pq0.12N*Db/D1.2N(100Kpa)其中：Db 桩端进入持力层的深度D 为桩端直径【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.N 为桩端附近的标贯击数公式适用于砂质土或砂砾桩的单位极限侧阻sq可按下式由加权标贯击数 N 估算打入桩：sqN/50, (100Kp

22、a)钻孔灌注桩、H 型钢桩：sqN/100，(100Kpa)四、经验方法确定单桩承载力四、经验方法确定单桩承载力经验方法确定单桩承载力被列入一些国家标准、行业标准或地区性标准中。用于桩基的初步设计和非重要工程的设计， 或作为多种方法综合确定单桩承载力的依据之一， 也有的规定在无条件进行静载试验的条件下应用这种方法确定单桩承载力。1建筑桩基技术规范 JGJ94-94 中的方法新编的建筑桩基技术规范 JGJ94-94 采用以可靠性理论为基础概率极限状态设计法，以可靠指标度量桩基的可靠度，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。以荷载效应基本组合，不考虑承台效应的情况为例，其基桩竖向承载力的极

23、限状态表达式为：0*NRR=S*QSK+P*QPK式中：0建筑物桩基重要性系数。对一、二、三级建筑物分别取01.1、1.0、0.9。对于柱下单桩基础应提高一级考虑。N作用于基桩桩顶的竖向压力设计值R单桩竖向承载力设计值QSK、QPK分别为单桩的总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值Qsk= U *Li*qskiQpk= Ap * qpkqski,qpk分别为桩周第 i 土层极限侧阻力的标准值和桩端持力层极限端阻力标准值。可根据不同土类和不同成桩工艺查表（经验值） 。S，P分别为侧阻分项抗力系数和端阻分项抗力系数。根据不同成【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.桩工艺查

24、表。2波兰 PN-83/B-02482 桩基规范中的方法规定在按承载能力极限状态计算的单桩竖向荷载下的承载力时，取Qrm*N式中：Qr作用于桩顶的设计荷载N桩的设计承载力m修正系数，群桩基础取 0.9，双桩基础取 0.8，单桩基础取 0.7受压桩的设计承载力为：NtNp+NS=SP*qy*AP+Ssi*tri*Asi受拉桩的设计承载力为：NW=SWi*tri* Asi式中:qr桩底土的单位设计强度，qr=rm*q对于极粘的土或坚实粘土（w0）可按下式计算：qrq*Sutri-第 i 层桩侧土的设计强度trirmi*tSP、SS,Sw-工艺系数，查表。rm土的材料系数，rm0.9 随 IP、Il

25、查表Su土的设计不排水抗剪强度，可用十字板原委测定或三轴不固结不排水剪切试验确定q-桩底土的极限强度，查表（经验值）t-桩侧土的极限强度（经验值）波兰*的特点：（1）细致地考虑了成桩工艺对桩承载力的影响。其影响系数对于抗压桩和拉拔桩不同，侧阻力和端阻力不同，其幅度由 0.3 至1.8。这说明成桩工艺的不同对侧阻力和端阻力起到削弱和增强的效应。挤土桩的侧阻力和端阻力都高于非挤土桩，尤其是非粘性土。另外，拉拔桩的侧阻力低于抗压桩。【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.（2） 考虑了单、双、群桩基础中基桩设计承载力取值的不同分别取 m0.7、0.8、0.9，这部分地反映了承

26、台分担荷载的作用及不同桩数桩基承载力的失效概率的不同。（3） 侧阻力和端阻力均考虑了深度效应。五、大直径灌注桩的承载力五、大直径灌注桩的承载力按国内外习惯，桩径界限大体是：微型桩：d25cm中等直径桩：25cmd80cm大直径桩：d80 cm大量试验证实桩端阻力等与桩径有明显的关系。将中、小直径桩的端阻力参数或计算模式套用于大直径桩是不合适的，会得出偏大的结果。1.1. 大直径桩的承载性状大直径桩的承载性状（1） 桩端持力层性质不同的大直径桩具有相似的荷载沉降特性，大都属于缓变型，不会显示明显的破坏特征点。对于砂卵石持力层上的挖孔桩，其 QS 变化更为平缓。（2） 桩侧阻力都在较小桩顶沉降（1

27、0-15mm）下发挥出来，而端阻力随沉降增大逐渐发挥，并不显示破坏特征点。对于泥浆护壁的钻孔桩，由于孔底沉淤的影响，发挥桩端阻力所需竖向位移更大，桩端分担的荷载也相应减小。2.2. 大直径桩承载力的确定大直径桩承载力的确定1）根据静载试验确定通常取桩顶沉降 S （4060） mm或S =（0.030.06）D（D 为桩径，桩径小者取大值，桩径大者取小值）所对应的荷载为极限承载力。取 S=（1015）mm或 S=（0.0080.01）D所对应的荷载为承载力设计值。2）通过计算预估承载力QUK=Qsk+Qpk=Ue*si*qski*Lei+b*qbk*Ab式中：qsk中等直径桩桩身极限侧阻力标准值

28、（查表） 。Le-有效侧阻桩段长，Le总长-扩底高L-Lu【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.Ue桩身侧阻有效周长，Ue*deAb-桩端投影面积qbk中等直径桩桩端阻力极限标准值si、b尺寸效应系数。分别为侧阻、端阻折减系数。按下述方法确定：Fig示意图（1） 桩端阻力折减系数bb(0.8*/D)n式中：经验系数 n，对于粘性土，粉土取 n=1/4，对于砂土、碎石类土，取 n=1/3(2) 桩侧阻力的折减系数对于无粘性的砂土、碎石类土，b按下式确定b(0.8/de)3/1而对于粘土、粉土，由于成孔时孔壁松弛效应不明显，故可近似取b1。3桩的荷载传递理论桩的荷载传递理

29、论一根桩在轴向荷载作用下，通过桩侧摩阻力及桩尖抵抗力把荷载传递给地基， 这种荷载传递过程是同桩与土之间的位移相关联的。土的形态也影响桩的变形过程。因此有必要研究桩的荷载传递过程，探讨（1）桩侧摩阻力及桩尖抵抗力是如何共同分担外荷载的。 （2）它们相互之间的干涉影响关系。 （3）它们的发挥过程及分布规律。 （4）影响和在传递的主要因素等。桩的荷载传递研究是从 20 世纪 50 年代开始的。 主要研究者有： Reese， Seed，Vesic，Coyle 等。一、一、传递函数法传递函数法基本概念：把桩视为由许多弹性单元组成，每一单元与土体之间用非线性弹簧联系，模拟桩-土之间的荷载传递关系。桩尖土也

30、用非线性弹簧表示，这些非线性弹簧的应力-应变关系即表示为桩侧摩阻力与剪切位移s之间的关系（s关系） 。这一关系一般就称为传递函数。Fig示意图【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.对分析微元，列平衡式：即：0zzdPdz U即有：zdPUdz （1）式中：U 为桩截面周长。设弹性体产生的弹性压缩为 ds，由虎克定律：式中：A，E 分别为桩的截面积及弹性模量，负号表示是因为随 z 的增加而 ds 减少。因此有：zPdsdzAE （2）将上式求导，并以式（1）代入得：22zd sUdzAE（3）式（3）即为传递函数法的基本微分方程。求解这个方程时取决于传递函数zS 的形式

31、。 目前根据求解方程的途径不同， 主要有两种计算方法。第一种方法为解析法，对传递函数作简化假定后直接求解。第二种方法为位移协调法，传递函数以实测试验得到，然后采用位移协调方法求解。常用的传递函数：1. 指数函数Kezdi 假定sZ为指数曲线：式中：K土侧压力系数,土的重度和内摩擦角us桩侧土摩阻力充分发挥时的极限位移k与土的类别和密度有关的系数2. 理想弹塑性关系佐腾悟假定sZ为理想弹塑性关系。当uss 时，scsZuss 时，常数uZ式中，sc土的剪切变形系数【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.3. 双曲线关系Gardner 假定sZ为双曲线：1ZusAsK即：1

32、1ZussAK式中：K，A 为试验常数，1uuAKs可见：Zss为线性关系。Fig 示意图二佐腾悟解析法二佐腾悟解析法1965 年提出。1基本假设（1）传递函数（s关系）为理想弹塑性：当uss（即u时） ，scszuss （即u时） ，uz常数（4）式中：us桩侧土摩阻力达到极限值u时，相应的桩与土之间的极限位移值。sc土的剪切变形系数，3/cmkg（2）桩尖处持力层在到达屈服之前，桩尖抵抗力 P 可按下式计算bbbsbbsAkKKP（5）式中：bk地基反力系数（3/cmkg）bA桩尖处桩的截面积bs桩尖处桩的贯入量（沉降量）2几种情况考虑（1）根据桩的支承条件分成三种桩类型：a端承桩。桩尖处

33、桩的贯入量bs0，即bk【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.b摩擦支承桩。此时bs0c浮承桩（全摩擦桩） 。此时bP0，即bk0（2）根据土层极限摩阻力的分布情况分成三种型式au随深度的分布为常数；bu随深度成线增加cu随土层性质而变化作不规则分布（3）根据桩侧土的受力情况分成三个阶段a弹性剪切阶段当作用荷载0P较小时，沿桩身的摩阻力z不超过土的极限值ub弹塑性剪切阶段沿深度部分zu、部分zu，即有：在深度mz范围内，uc塑性剪切阶段沿桩全长均有uFig 土的极限摩阻力u分布形式3弹性阶段桩的荷载传递计算前述方程（3）将假定式（4）scsz代入令sU cA E（6）

34、则有22d sdz20s（7）求解上式，可得通解zzBeAes（8）式中BA,为待定常数，由桩的边界条件确定。当 z0 式， （即0zl时） ，0ss lz 时（1） ，bss 【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.代入（8）式，可得：式中，l；lz将BA,两系数代入（8）式，有：0000)1(SinhSinhsuSinhsbS（9）深度 z 处桩身轴向力zP的表达式为将式（9）代入，经积分后可得：00coshcosh(1)(cosh1)sclzbSinhPPss（10）式（9） ， （10）是桩位移及桩身轴力的计算公式，但式中桩顶及桩尖位移0s，bs尚不知道，故需先

35、求0s，bs值。首先，已知桩顶位移0S等于桩尖位移bS及桩身弹性压缩量之和，即式中， A，E为桩身截面积及弹性模量将式（10）代入上式后解得：coshtanh00bSBAElPS（11）其次，已知桩尖抵抗力bbbSKP。另外，从式（10）中令1 求得，即：00(cosh1)()sinhbbbbCs LPKSFSS（12）联解（11） 、 （12）两式，可以得到：006PlSAE（13）700AElPS（14）式中，无量纲系数：将式（13） 、 （14）代入（10） ，即可得到桩身轴向力 Pz计算式：90PPz（15）式中：)(coshsinh2729【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学

36、习与交流.精品文档.若令1，可以从（15）中解得 Pb 的表达式：80 PPb（16）式中：78已知：Scsz，将式中 S 用式（9） 、 （13） 、 （14）代入，可得到桩侧摩阻力z的表达式为：100UlPz（17）式中sinh)1 (sinhsinh76210若令0，1，分别代入（17） ，即得到桩顶及桩尖摩阻力：1100UlP（18）120UlPb（19）式中：2116, 7212上述各式中，无量纲系数，( , ,)if ，而：它们均取决于桩与土的特征及计算点的深度，均为已知量。一般可将i按不同，值制成表格或曲线查询。以上 A，B 是由位移边界条件 s0 和 sb 来确定的，其实也可以

37、由力的边界条件来确定 A，B，这时边界条件为：4、弹塑性剪切阶段桩的荷载传递计算。如图所示，随着桩顶荷载的增加，在桩侧土中某些区域将会发生uz，这些区域称为塑性区。Fig 示意图设一根摩擦支承桩桩顶上作用 Po， 假定桩侧土的极限摩阻力u沿深度成梯形分布（因为均布和三角形分布均是梯形分布的特例） ，土表面处的极限摩阻力为0u，桩尖处为ub，若此时土中塑性区开展深度为lZmm，在深度mZ处桩【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.的轴向力为zmP，它可以按照下式计算：0000000000()()2mZmzmuzZmuumumPPUdzPUz dzlPUldPUl （20）

38、下面分别讨论在弹塑性剪切阶段桩的荷载传递计算公式：1) 桩身轴向力 Pz及桩侧摩阻力z的分布a在深度 0zmz范围（即桩侧土塑性区内）PzP0U0zuzzd= P0-Ul(0u+/2)(21)式中：z/l由于在塑性区zu，故摩阻力z的分布图即为极限摩阻力u的外包线。b在深度 zmzl 范围这时可把这一范围的桩，视为一根长为l（1-m）l,桩顶作荷载为 Pzm， 且全部处于弹性剪切阶段的摩擦支撑桩。 其 PZ及z值可按前述公式（15） ， （17）计算，即PZPzm*9（22）式中：9(f、l)即以（1m），(1)m，(1)mll代替公式中9中，l 而求得。Pzm可由下式求得10(P/)zzmu

39、l（23）式中：10( , , )fl 【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.即以、l代入10公式求得10。2）桩上两个特征荷载的计算第一荷载屈服点：0P1当桩侧土表面处刚出现0u时相应的桩顶荷载（或m0） 。第二荷载屈服点: 0P2当桩全长范围内的土中均出现时zu，相应的桩顶荷载（或m1） 。讨论在弹性剪切区中的一段桩， 其桩长为(1) ,mll桩顶荷载为Pzm，桩顶处摩阻力00uzmum，这段桩处于弹性阶段，故可按前述弹性情况计算：0uzm11zmPl（24）所以 PZM111uzmu l （25）式中：11可按上述同样方法由11公式求得。联合式(20)、(25)

40、求得土中塑性区发展深度达到mz时桩顶荷载0P为：0P00112mumummuu l （26）这时桩顶沉降量0s为(1)ml段桩在深度mz处的桩尖位移和mz段的桩的弹性压缩量之和，即：（27）若以0m代入（26） 、 （27）即得第一屈服荷载0P1及相应得桩顶沉降量0s10P10111uul（28）【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.0s10usc（29）若以1m代入，即得第二荷载屈服点: 0P2及相应得桩顶沉降量 02s：0022021P212uububuulmmul（30） 2002s1126usmmc（31）式中：0ubum若令m0.2、0.4、0.6、0.8、

41、-1.0 代入（26） 、 （27） ，即可得到相应于不同塑性区深度时得桩顶荷载0P及沉降量0s。3）桩的0P0s曲线桩得0P0s曲线可按桩的两个特征荷载分成三段：a桩顶荷载0P01P时0P0s曲线上得 0-1 段，弹性状态，为直线b当桩顶荷载00012PPP时，为 1-2 段曲线，此时桩处于弹塑性剪切阶段，故0P0s可由公式（27） 、 （26）按不同得塑性区开展深度（即m0，0.2，0.4，0.56，0.8，1.0）求之，为曲线。Fig 桩的0P0s曲线c 当桩顶荷载002PP时时， 为 2-3 段曲线， 此时桩侧土已处于弹性剪切阶段，桩侧摩阻力已充分发挥，桩顶荷载的增量将全部传递给桩尖持

42、力层。因此，2-3段曲线性状与桩尖持力层性状直接相关，一般由下列几种情况。（i）纯摩擦桩桩尖不能支撑荷载，bP0故max02PP，0P0s曲线是一条水平线。【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.(ii) 摩擦支撑桩当002PP时，桩侧摩阻力不再增加，故此时桩尖抵抗力bP为：由上式可解得：上述关系为线性关系，故 23 段为直线。(iii)端承桩当00 2PP后，因端承桩桩尖不产生沉降，即0bs ，故这时桩顶沉降仅是桩身的弹性压缩。即故00Ps关系是直线。上述讨论即是针对均匀土中的单桩传递方法。对于分层土情况，相同的假设也可以进行，并推出相应的理论公式。但那时情况可能更复

43、杂一些。在佐腾吾的解析法中，把桩侧土的特征用,subck三个参数表示。目前在实用上，采用什么测验手段取得这三个参数，还是存在着许多困难。这是由于土的性质，应力历史，桩的特征和施工方法等均影响这三个参数。目前较好的方法是在试桩中在桩身内埋设量测元件， 测定静载试验时轴向压力的分布， 计算出s关系。由此确定u，sc值。在积累大量试验资料后，可利用统计关系得到u，sc与土的常规试验指标间的关系。目前这方面的工作也正在研究。三位移协调法三位移协调法Seed 和 Reese 于 1955 年提出。该法是应用实测的传递函数，不能直接求解微分方程。为此将桩分成若干个单元，考虑每单元的位移和内力的协调关系。求

44、解桩的荷载传递，具体步骤如下：Fig 位移协调法计算图1若已知桩的特征值（桩长 l，截面积 A，弹性模量 E） ，以及实测的桩侧土的传递函数zs曲线。2把整个桩分成 n 个单元。每单元桩长/ll n ，n 的大小取决于要求的计算精度。Dappolonia 等指出，当 n10 时一般可以满足要求。3先假定桩尖上单元 n 的底面产生位移为 s，从实测桩尖上土的zs曲线求得相应于bs的桩测b，按下式计算桩尖上桩轴向力bP：式中，pl是将桩尖换算为虚拟的附加桩长。或按佐腾悟的公式计算：4假定单元 n 中点处的位移为ns（一般可假定ns等于或稍大于bs） ，从实测曲【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，

45、仅供学习与交流.精品文档.线上求得相应于ns的桩侧摩阻力为n值。5求单元 n 顶面上桩的轴向力1nbnPPul 6求单元 n 中点处桩的位移ns：式中：单元 n 下半段桩的弹性模量 ，即式中：nP单元 n 中点截面处桩的轴向力。7校核求得的ns值与假定值是否相等。若不符合则重新假定ns的值，直到计算值的假定一致为止。由此求得1,bnnnP Ps值。8向上推移，按上述步骤（47）计算单元 n1，求得211,nnnPs，以此推移，直到桩顶单元 1。9将求得的各单元,iiP值绘得荷载传递zPZ曲线和zz曲线。例：Seed 和 Reese 在旧金山烂泥中进行了钢管桩的荷载传递实测试验， 现应用位移协调

46、法计算该桩的轴向力及桩侧摩阻力的分布。已知试桩为6英寸闭口的钢管桩。壁厚0.074t 英寸，桩全长 22 英寸，入土深度 15 英尺。如图所示。桩的弹性模量 E30*610磅/平方英寸。土质情况：桩进入有机粉质粘土，液限41.5%Lw ，塑限23.5%Pw 。通过十字板剪力试验得到不同深度土的传递函数s传递曲线， 如图所示。 考虑到实际桩破坏时，滑动面是发生在桩表面与土之间，而不是土与土之间，因此需要将实测的s曲线乘以修正系数。 修正系数是通过实测， 比较不同深度处土的抗剪强度与传递函数之间的关系得到，如下表。深度(英尺)222018161412101.01.00.90.70.60.30解：一

47、桩的特征值计算已知桩径 d6 英寸，壁厚 t0.074 英寸，弹性模量 E30610磅/平方英寸。桩截面积 Adt6 0.0741.4 英寸2桩身周长Ud61.57英尺【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.二zPz和的计算将桩入土部分分布成 7 个单元，每单元2l 英尺。桩尖部分假定用折算附加桩长8pl 英寸代替。1.首先假定桩尖，在深度 23 英寸产生位移0.12bs 英寸由图中实测zs曲线中的f曲线 （深度 22 英尺， 查得此时510磅/平方英尺，并且此时1，故可得桩尖抵抗力：bpPUl1.57 0.667 1 510 534磅2计算单元 8，如图假定单元中点处

48、（即深度 22 英尺处）位移8s0.1203 英寸。查实测zs曲线f得8510磅/英尺2Fig示意图则单位桩顶面处（即深度 21 英尺处）轴向力7P：单元中点截面处轴向力为：单元下半段（即深度 2223 英尺）的弹性压缩：80.120.00030.1203bss 英寸，与假定相符！单元顶面位移7s（即深度 21 英尺处）3计算单元桩 7假定深度 20 英尺处桩的位移70.1215s英寸从图中曲线 e 得7600磅/平方英尺1.0与假定相符！按同样步骤计算单元 6，5，4，3，2 得各点位移，轴力，剪力，并据此绘出结果，如图所示。传递函数法的使用关键在于求得可靠的s曲线， 此外， 该法假定桩侧土

49、的【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.精品文档.位移只与该点的摩阻力有关，而与其它点的应力情况无关，也即忽略了土的连续性，因而在理论上受到了一定的限制。Fig 计算结果图4桩分析的弹性理论法一一POULOS 的弹性理论法的弹性理论法（一）单桩分析1 基本假定（1）将土看作为均质的、各向同性的弹性半空间体，具有弹性模量SE和泊松比s，它们都不因有桩的存在而发生变化。（2）将桩看作长度为 L，直径 d，底端直径bd的一根圆桩，桩顶与地表面平齐，并作用有轴向外荷载 P；沿桩身圆周作用有均匀分布的剪应力；在桩端作用有均匀的竖向应力b。（3）桩身侧面假定是完全粗糙的。（4）只考虑桩与其

50、临近土之间的竖向位移协调，忽略它们之外的径向位移协调。2 土的位移方程在一般情况下，将桩划分为 n 个单元，例如取 n =10，其精确度可以满足计算要求。FigPoulos 单桩分析考虑单元 i，单元 j 上的剪应力j在 i 处产生的桩周土位移,ijs可表示为：式中：ijI单元 j 上的剪应力j=1 时在 i 处产生的竖向位移系数。用MINDLIN 公式计算。全部 n 个单元上的剪应力和桩端上的竖向应力在 i 处产生的土位移,is为：式中：ijI桩端竖向应力b=1 时在 i 处产生的竖向位移系数。用MINDLIN 公式计算。对于其他单元和桩端可以写出类似的表达式， 于是桩所有单元的土位移可用矩