从材料的极限长度说起 附单桩承载力估算方法浅谈.docx

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1、在前苏联别莱利曼写的趣味力学中，有一段关于材料强度的话：每一条金属丝都有一个极限长度，到了这个长度便会由于自重断裂。在这里加粗金属丝 是没有用的，因为把直径加倍固然可以使它经受住四倍的重量,但是它的重量也增加到四倍。 极限长度与金属丝的粗细无关，只看它是什么材料制成的：对于铁是一个极限长度，对于铜 是另一个极限长度，对于铅又是一个极限长度。接着，别莱利曼列出了几种常见金属、极限长度：铅丝：20Om锌丝：2100m铁丝：7500m最后，别莱利曼还计算根据当时具有的强度最大的材料合金钢丝来说，它的极限长度是 8800米，要想用它探测深海，还差一大截，因为海洋的最深处超过一万米。别莱利曼说的是当金属

2、丝是等截面的情形，我们要问，用不等截面的金属丝，在自重之 下长度是否能够超过极限长度？答案是肯定的，而且能够无限长！下面，我们就来讨论如何做到。如图，取Z轴向下为正，令金属丝的半径为r,它是坐标Z的函数。我们知道在坐标z处它的半径为r,于是金属丝的截面积就是r 2。再设金属材料的密 度为P，材料的需用应力为,于是在z以下的金属丝的总重力应当是J pgrr2dz这里g是重力加速度。我们希望这根金属丝是等强度的，即在每个截面上的应力都是 许用应力。这样就应当是总重被截面积去除，也就是 PgTvr2dz r2亦即-J PgNdZ - OTi2两边同时对Z求微商，我们就得到微分方程即。4=Odz 2b

3、这个方程的解是-缗r(z) = qg 前这里r是当Z=O时金属丝的半径，由这条曲线绕z轴旋转所成的物体，就是我们要求 的自重下的等强度金属丝。从解式看出，当金属的强度愈大，一般说它的允许应力也愈大，截面的收缩愈慢；而当 金属的密度愈大，截面的收缩就愈快。还应当注意的是，截面只是相似的，例如可以是正方形、三角形等，其特征尺寸变化如 上式，也是等强度的。而且可以证明，当r给定时，得到的金属丝的总重量是有限的。需要说明的是，上面的结果是理论上的结果。其实当截面细到一定程度后，再谈它的承 载力是没有意义的。不过，有这个结果指导，在实际问题中已经可以做到满足任何实际需要 的长度了。上面我们讨论的是铅垂的

4、金属丝在自重下拉伸的简单问题。在实际中，结构是复杂的， 例如，人们竞相建造高度很高的建筑物，一次次突破以前的高度记录。建造高而又高的建筑 物，要考虑的受力就要复杂多了，有自重、风载、地震载荷，还有生活在其中的人和有关的 附属物所造成的载荷。我们问，最高的记录能有多高？还有，桥梁的跨度会有极限吗？飞机 起飞重量有极限吗？等等，这一连串的问题，都是值得我们思考的。浅谈单桩承载力估算方法摘要：单桩承载力的估算是二级、三级建筑物桩基础设计中的一个重要环节，国内建 筑桩基技术规范(JGJ94-94)与建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)都给出了相 应的估算公式，国外也有相应的单桩承载力估算公

5、式。本文通过摩擦桩算例，对国内国外的 单桩承载力公式给予介绍和对比，得出有关结论，可供工程设计人员参考。关键词：桩基础；单桩承载力；法；。法Abstract：Theestiinationofsinglepilecapacityisthekeytothepilefdundationdesignofthesecondandthirdgradebuil dings.Therearecorrespondingestimationfrmulateinthedomestic Technicalcodefbrbuildingpilefdun dation (JGJ94-94) and,Codefordesi

6、gnofbuildingfoundation(GB50007-2002 ) .Thecorrespondingestimationformulatearegiveninabroadtextbks.TheseformUlaarepresentedandcontrastedbytwoexamplesoffictionpileinthispaper,Someconslusionsaredrew.Theconclusionscanbereferencedbyengineerers.Keywords： pilefoundation； bearingcapacityofsinglepile； method

7、s； method0引言格基础是一种历史悠久而应用广泛的一种深基础形式，就国内而言，绝大部分高层建筑 和桥梁的基础采用的是桩基础。据不完全统计，全国年用桩量达100万根以上，从这一数字 就可见桩基工程的地位和作用1。同时，桩基属于隐蔽工程，它的质量优劣直接关系到整 个建筑的安危，特别是单桩承载力的确定将影响到整个建筑物的安全可靠性和经济合理性。单桩承载力的估算是桩基工程的一个重要环节，特别是在二级、三级建筑物单桩承载力 的确定过程中。确定单桩极限力的方法很多，目前勘察设计阶段主要采用经验参数法与单桩 竖向静载试验相结合的方法。木文主要介绍国内外确定单桩承载力的经验参数法。1国内物理指标估算方法

8、1.1建筑桩基技术规范(JGJ94-94) 2, 4根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，确定单桩竖向极限承载力标准值(1)单桩竖向极限承载力标准值，kN；单桩总极限侧阻力标准值，kN；桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；如无当地经验时，可按相应表格取值；极限端阻力标准值，kPa；如无当地经验时，可按相应表格取值。单桩竖向承载力设计值R的计算公式如下：(2)桩侧阻抗力分项系数，查表取得；桩端阻抗力分项系数，查表取得。1.2建筑地基基础设计规范(GB50007-2002) 3, 4按土的物理指标与承载力参数之间的经验关系估算单桩竖向承载力特征值可按下式进 行：(3)桩底端横截面面积，m

9、2；桩身周边长度，m；第i层岩土层的厚度，m；桩端端阻力，kPa；桩侧阻力特征值，kPa；由当地静载荷试验结果统计分析算得，当 无资料时，可查相应表格采用。2国外单桩承载力估算方法(静力估算法)5单桩竖向极限承载力计算公式如下：(4)单桩极限侧阻力，kN；单桩极限桩端阻力，kN；容许承载力计算公式如下：(5)FS考虑全部因素的一个系数，一般大于2。由于和计算的差异以及不同的适用范围，单桩承载力估算方法主要有法和法，或 者称为总应力分析法(TSA)和有效应力分析方法(ESA).5.1 (TSA)法法是建立在总应力分析方法基础之上的，一般适用于承受短期荷载且地基土质为细粒土 (如粘土,砂土)的桩基

10、础的承载力5.1.1 的计算(6)第i层土的不排水抗剪强度系数；一第i层土的不排水抗剪强度，kPa；第i层土内桩身截面周长，m；第i层土内的桩长，m。令=,则原公式变为=对于土质均匀，截面形状一致的桩(7)其中的值倍受争议，很多学者通过试验给出了不同情况下的值，可以根据需要，通过 查表取得。2.1.2的计算(8)桩底抗力，kPa；一桩底面积，m2；承载力系数，一般取为9；桩底不排水抗剪强度，kPa。2.2 (ESA)法法是建立在有效应力分析基础之上的，可用于估算在各种土质当中承受短期或长期荷 载的桩基础的承载力。2.2.1 的计算(9) (10)对于一般固结土；对于超固结土。-系数；一桩身法向

11、有效应力，kPa； 土壤有效内摩阻角：桩与土之间的有效内摩阻角；OCR超固结度；K一土的静止侧压力系数；2.2.2的计算(11)桩底抗力，kPa；一桩底面积，m2；桩底法向有效应力，kPa。其中对于值的计算，很多学者都根据不同的土质提出了相应的不同的计算公式，例如 Janbu计算公式、Fleming计算公式、Vesic计算公式。其中比较常用的是Janbu计算公式， 公式如下：(12)承载力系数；一土壤有效内摩阻角；糊化角松软的细粒土： ;密实的粗颗粒土和超固结土细粒土： 0.583算例3.1 某摩擦桩，截面形式为圆形，直径D=400mm,桩长L=IOm, 土层为一般固结软粘 , 0.75ili

12、l3.1.1 国外单桩承载力估算方法(静力估算法)1)选取和。Su=20kPa25kPa,所以=1 (API)； Su=20kPa35kPa,所以二I(SemPIeandRigden, 1984)因为是一般固结土 OCR=1，且=0.282)用(TSA)法计算L=10m, P= D= L26m； 0.126m2= 1 20 1.26 10=252kN; =22.7kN因本例中，桩为摩擦桩，所以=252kN3)用 (ESA)法计算沿桩长是均匀变化的，取其平均值=(18-9.8) =4 IkPa0.2841 1.26l O= 144.6kN= = = (18-9.8) 100.126= 10.3我

13、们用Janbu计算公式求因为=280,且假定=(地基为软粘土)，求得=8.4= 10.38.4=86.5kN= =144.6kN3.1.2 根据建筑桩基技术规范JGJ94-94估算单桩竖向承载力设计值R=+ =,查表取得=43kPa,故=1.264310=542kN考虑到建筑地基基础设计规范GB50007-2002第附录Q.0.10条第七条规定：将单 桩竖向极限承载力除以安全系数2,为单桩竖向承载力特征值RaoR= = =271 kN3.1.3 根据建筑地基基础设计规范GB50007-2002估算单桩竖向承载力特征值Ra, 查表取得=21kPa,故=1.262110=265kPa可见，用JGJ

14、94-94计算出来单桩竖向承载力设计值R与用GB500072002计算出来 的单桩竖向承载力特征值Ra大致相等。3.2 某桩截面形式为正方形，边长b=400mm,桩长L=IOm, 土层为两层，上层土厚5 米，为一般固结软粘土, 0.75ilil3.2.1 国外单桩承载力估算方法（静力估算法）1）用（TSA）法计算=+ =390+64.8=454.8kN,同时可以判断此桩为摩擦桩，可取=39OkN故后续计算可只计算摩擦力。2）用 （ESA）法计算=+ = =589.7kN3.2.2 根据建筑桩基技术规范JGJ94-94估算单桩竖向承载力设计值R=+ = , =1.25 （43+87） =780k

15、NR= = =390kN3.2.3 根据建筑地基基础设计规范GB50007-2002估算单桩竖向承载力特征值Ra, =372kN4结论4.1 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）中提到的单桩竖向承载力特征值Ra与 建筑桩基技术规范（JGJ94-94）提到的单桩竖向承载力设计值R是有一定区别的。通过 计算，JGJ94-94计算中，取竖向承载力抗力分项系数=2,计算出来的单桩竖向承载力设 计值R与GB50007-2002计算出来的单桩竖向承载力特征值Ra的数值大小基本相等。4.2 对于摩擦桩，用基于总应力分析方法基础上的（TSA）法中的、JGJ94-94中的单 桩竖向承载力设计值R （竖向承载力抗力分项系数=2）、GB50007-2002计算出来的单桩 竖向承载力特征值Ra,它们的数值是接近的，主要是因为国内规范公式大的方面来说用的 也是总应力分析