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1、基 础 工 程,第 四 章 桩基础,41 概 述,一、桩基及其作用,桩基构成：桩+承台 （可为独立、条形、筏、箱）,有高、低两种，前者用于水中,桩之作用：,（1）将荷载传至硬土层（图4-1a），或分配到较大的深度范围 （图4-1b），以提高承载力。,（2）减小沉降，从而也减小沉降差，故地基强度够，而变形不合要求时亦用。,（3）抗拔：用于抗风、抗震、抗浮等（图4-1c） （4）有一定抗水平荷载能力，特别是斜桩（图4-1b） （5）抗液化：深层土不易液化，浅层土液化后，有桩支撑，有助于上部结构的稳定。,所以应用广泛，沿海、内陆地区均用。同基坑支护、地基处理并为土木工程三大热点。,桩基古已应用。上海
2、龙华塔，7层，40.4m, 相当于13层楼高, 初建于三国东吴时代 (AD220-280), 重建于宋代AD977年, 用木桩, 桩周用灰土防腐，是软基上建高层的范例。,近年来，桩基成为高层建筑的主要基础形式，为设计桩基，须了解其类型、机理、承载力及变形验算等。,2、重型工业厂房、仓库、料仓；,1、高层、重要建筑物；,桩基适用范围：,桩基设计主要内容：桩型选择、单桩承载力确定、群桩承载力和沉降验算，桩身强度和承台计算。,4、精密或大型设备基础；,5、表层软弱土层、需处理土层；,6、地震区。,3、较大水平荷载或上拔力的构筑物基础；,二、桩的类型,按承台与地面相对位置分,低承台桩基,高承台桩基,按
3、桩轴线方向分,斜桩,竖直桩,叉桩,1、按材料分：木、钢、钢筋混凝土,木桩水位以上耐久性差，强度低，我国森林资源不足，应少用,钢桩本身强度高，易加工，接头容易，运输方便，但造价是混凝土的3-4倍，用于海洋平台及陆上重要工程，如宝钢高炉、金茂大厦用钢管桩。,钢砼桩取材方便，价格便宜，耐久性好，可预制、现浇，尺寸易调，适用性强，故应用广泛，是主要研究对象。,（一）桩的分类,2、按桩的制作方法分,预制桩质量易保证、现场整洁、用时间少，但配筋由运输、打桩控制，配筋率较大，长度不可过大，现场接桩、截桩难。,灌注桩钻孔、放钢筋笼、浇砼。尺寸灵活，还可扩头，配筋率可以小，但现场脏，质量难保证，例断桩、缩颈、露
4、筋、清底不充分等。,3、按设置效应分 是否挤土,挤土桩打入或压入，预制桩或沉管灌注桩。挤土使土密实，但打入有噪声，挤土会发生漂桩，还会破坏周边设施,非挤土桩钻、挖孔桩，桩长、桩径可较大，可穿越硬土层。无挤密效果，但有些土（饱和软粘土）本不可挤密。,部分挤土桩钻小口径孔，再打入，或钢管、砼管桩,4、按荷载传递方式分,(一) 摩擦桩,(二) 端承桩,5、按直径大小分一般直径桩、微桩、大直径桩,微桩（树根桩）d800，往往是端承，一柱一桩，人工挖孔,一般直径桩(250d800mm),（二）常用桩,3、沉管灌注桩 （挤土）,锤击或振动沉管，下有钢砼头，再灌混凝土，拔管，易发生断桩、缩颈（软土中）。有人
5、建议复打，造价提高。仅浙江多用。,缺点：易产生缩颈、断桩、局部夹土、混凝土离析等质量事故。,缩颈常发生在下列情况：,软、硬土层交界处；,邻桩挤压。,管内混凝土少时；,克服缩颈、断桩办法：复打,4、钢管桩,有开口、闭口，开口时形成土芯后亦有一定挤土，d小则挤土可能性大，是否挤土将影响承载力（规范5-2-10条）,三、桩的两种极限状态,（一）桩基承载力极限状态 1、超过最大承载力 2、产生不适于继续承载的变形 3、桩基发生整体失稳 （二）桩基正常使用极限状态 变形、耐久性，桩、承台等。,42 单桩承载力的确定,一、桩、土体系荷载传递机理,由实测， QS先达极限，对应位移仅4-10mm，和土性、桩径
6、关系不大；而QP达极限需s=0.1d （打入桩），甚至0.3d（灌注桩）,N-q、s-q关系：,以上是针对摩擦型桩，对端承桩位移传递即刻完成，qs很小，而Q接近Qp,2、侧摩阻力qs的大小、分布,大小：和土性、桩表面性质、桩径、桩长、施工方法有关（打入桩一般大，卵石层中灌入桩很大）,分布：同样和上述因素有关。不随深度线性增大 （拱效应）,有一临界深度(10-20d),时效：粘性土中打入桩，qs开始小后逐渐增大；砂土中打入桩，qs开始大后逐渐减小。,试桩应在施工后一段时间：砂土10天；粘性土15天；淤泥25天。,3、极限端阻qpu计算及其深度效应,计算qpu的经典理论方法：视桩为埋深l的基础来计
7、算，有整体剪切、局部剪切、刺入三种破坏形式。,泰沙基理论按浅基础整体剪切破坏计算；Myerhof则考虑桩侧土的强度。,xc 、xg 、 xq断面形状系数,因埋深大，一般为后二种。但桩端土硬，上覆土软，也可为整体剪切破坏。,1、概念,原因,桩周地面有较大的超载；,降低地下水位；,当桩围土层由于某种原因相对于桩向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力。,桩穿过欠固结(新填)土层；,二、桩的负摩阻力,湿陷、冻土融陷。,2、负摩擦发生的范围,持力层硬，sp 小，则ln大，端承桩ln =l,3、负摩擦大小估计,影响因素多桩侧及桩端土性、诱因强弱、土的应力历史、桩型等,但s=？，不应随深度线性增大。,
8、桩所受下拉力：,对于群桩再乘以一个负摩擦群桩效应系数hn,三、单桩破坏模式,破坏模式取决于,桩周、桩端土；,桩的尺寸；,桩的类型。,1、屈曲破坏,2、整体剪切破坏,3、刺入破坏,小直径端承桩，细长木桩,一般的打入式短桩、钻扩短桩,钻孔灌注桩,R取决于三个方面： (三者同时兼顾，并取最小值),桩本身材料强度；,上部结构的容许变形值；,土层的支承能力。,四、单桩承载力的确定,决定于桩和土，一般由土控制，端承、超长桩等除外。,自由长度lc由端部约束及桩土相对刚度定，再由lc/d查f（见规范5.5.3)。,1、按桩身强度定,2、按桩周土支撑能力估计,（1）静载试验,一级和部分二级建筑必须做，试桩数1%
9、且不少于3根。,装置、方法：锚桩横梁装置（图），压重平台反力装置等,试桩、锚桩、基准桩间距4d，且2m,分级加载，稳定后读数，详见规范。,1) QS曲线有陡降段，且S总40mm;,2) S总40mm后，续增两级Q；仍无陡降段。,1、QS曲线拐点法, 取明显拐点处荷载为Qu；, QS无陡降段时，Qu取S40mm处相应荷载。, 对于d(b)550mm的预制桩，在Qi+1作用下，,其,2、Slogt曲线(沉降速率)法,特点：,3、SlogQ法,特点：,极限荷载：1）第二转折点 或 2）沉降达40-60mm,变异系数d0.15时l=1； d0.15时l1，查表求l,对群桩再考虑群桩效应（见后）,极限承
10、载力标准值：,（2）静力触探法,用单桥探头的比贯入阻力或双桥探头的端阻、侧阻标准值，估计桩的侧阻、端阻，定Quk,规范仅针对钢砼预制桩给出公式，较烦琐，这里不详述,（3）经验公式法,仅限初步设计阶段或不很重要的工程，以下针对不同桩讲,qsik 查表6-7，和土性及成桩方法有关，沉管灌注桩小，因质量难保证；对预制桩有深度修正系数（灌注桩不修正）,qpk 查表6-8，和土性及入土深度有关,（a）一般预制桩、灌注桩,qP 桩端土的承载力标准值(kPa)，对于钻、挖、冲孔灌注桩可按地区经验确定或现行有关规范表格查取，预制桩可按表85选用；,AP 桩身的横载面面积(m2)；,l1,l2,l3,qs1,q
11、s2,qs3,qp,Q,qsi 桩周土的摩擦力标准值(kPa)，对于钻、挖、冲孔灌注桩可按地区经验确定或现行有关规范表格查取，预制桩可按表66选用；,li 按土层划分的各段桩长(m)。,uP 桩身周长(m)，对于钻、挖、冲孔灌注桩应采用桩直径，当缺乏经验时可按钻头直径或下列数值：螺旋钻1020cm，潜水钻3050cm，机动洛阳铲2030cm，冲击钻4080cm；,（b）大直径桩 d800,qs下降，因一般钻、挖孔，使土扰动，粗粒土犹甚; qp下降，因同样大小分布荷载使沉降大。,qsik 同样查表6-7； qp 为d=0.8m的端阻标准值（表6-9）,Ysi 、Yp 尺寸效应修正系数 （表6-1
12、0）,（c）嵌岩桩,以往按端承设计，欠妥：桩不很短时侧阻部分发挥；嵌深段有侧阻，嵌深5d则端承极小。,zsi侧阻发挥系数。当l/d30，桩端岩石好，无沉渣时，对粗粒土取0.7、细粒土取0.8; 其余情况取1.0,hr 取值不大于5d及实际嵌深； frc单轴抗压强度,zr 、 zp修正系数（表6-11）， h r/d适中时zr 较大,（4）动力分析法,问题：a难定； 桩并非刚体，有变形能；动抗力不等于静抗力，例饱和土孔压使R减小。,新方法：动测，应采用大应变,打桩时的能量转换,o,e(贯入度),N(外锤击力),主要方法有：,2、动力参数法 (低应变法),3、锤击贯入法(相似性),4、机械阻抗法,
13、5、水电效应法,1、波动方程法,3、桩的抗拔承载力,对一级建筑，应试验。对其他工程：,li折减系数，表6-12，砂土折减多，因s减小，而粘土有粘聚力。l/d小，则li小。,四、横向承载力,横向力：风、地震、吊车制动荷载、水中结构受风浪荷载、非对称开挖,横载为主时往往用斜桩，但对一般工业与民用建筑，水平载不大，可用竖桩抗水平力本节主要讨论此,桩身强度控制的可能性大，因桩本身抗横向荷载能力低。,问题复杂，和桩土刚度、强度，桩入土深度、桩顶约束有关。承载力确定方法有两种：,1、横向荷载试验,用于横向荷载较大的一级建筑,装置、方法：二根试桩，循环加载（每级均卸载到0）或单调加载（视荷载情况），分级，到
14、破坏或位移达30-40mm。,极限荷载：,Hu位移陡增前一级荷载（见图，注意凹向）,承载力设计值：,配筋率较大时（例预制桩，r0.65%的灌注桩)桩身强度一般够, 此时可用地表水平位移10mm（位移控制严时取6mm）时的荷载为RH,无条件试验的小工程，可参照地区经验,(横轴为时间),2、理论分析方法,桩较长时用弹性地基梁理论,p总分布力（两侧压力差），沿x正向为正,（竖向载与H0、M0不耦合）,M以左侧受拉为正,（此时才有负号）,M0,实测表明：位移较大时m法较好，以下按m法求解。,用级数法求解，设,代入定ai得简化解：,Ax、 Bx 、 Am、 Bm 为z的函数，可查表6-13,表6-13针
15、对长桩，由表可见az4时各系数接近0，所以az4为长桩,分析a，EI大的情况下，桩长应大才会是长桩,m 值难测定（本非土性参数），可反分析，经验值见表6-14。位移大则m小，长期荷载下m乘以0.4。,利用上述公式的计算：,xmax ：在地表，令az=0查表即可求出,注意：表6-16对应于al=4，大于4亦可用，但小于4不能用,四、单桩承载力设计值R的确定,(桩数n3根),桩数n3根，考虑相互作用。,43 群桩承载力计算,群桩概念；群桩单桩关系如何？,一、群桩的承载力,端承群桩(桩基)，简单；,摩擦桩基，见图,由此可见，桩端处：z群z单,则：S群S单,若需 S群=S单,必降低R群。,影响R群的因
16、素有：桩数、桩距、桩径、土性、桩长、群桩平面形状等。,群桩效率系数,群桩的极限承载力,群桩中各根单桩极限承载力之和,群桩效率系数,群桩的极限承载力,群桩中各根单桩极限承载力之和,模型及载荷试验表明：,1、桩距增大时，提高；,2、桩距相同时，桩数越多，越低；,3、桩距增大至一定值后，增加不显著；,可见，桩距，桩数及排列是主要因素，规范归纳为如下原则：, 端承桩和桩数n9根的摩擦桩以及条形基础下不超过两排的摩擦桩，其群桩的竖向抗压承载力为各单桩竖向抗压承载力的总和。, 桩距s6d，桩数n9根的摩擦桩基，可视作一假想的实体深基础，进行基础下地基承载力验算和沉降计算。,二、群桩的地基强度和变形验算,(
17、一) 强度验算,假想实体深基础如图,(610),式中：l0, b0 分别表示矩形承台下桩群外缘的长度和宽度(m)；,0 为桩长范围内各土层(厚度为hi)内摩擦角i的加权平均值。即,在中心荷载下要求桩尖平面处压应力p满足：,(611),在偏心荷载下，除满足式(611)外，尚应满足：,(612),式中：F 上部结构传至基础顶面的竖向力设计值(kN)；,G 桩尖平面以上假想基础内桩与桩周土自重设计值(kN)，G=A(d+h)G，G为桩土平均重度，一般可取G=20kN/m3，地下水位以下取浮重度；,Mx，My 作用于桩尖平面处外力对该平面重心的x、y轴的力矩设计值(kNm)；,Wx，Wy 假想实体基础
18、底面分别对x、y轴的抵抗矩(m3)；,f 桩尖平面处地基土的承载力设计值(kPa)。,当桩端以下主要受力层范围内存在软弱下卧层时，还应按图621计算图验算软弱下卧层，其验算方法与浅基础相似。,(二) 群桩的地基变形验算,方法同浅基,注： 压缩模量Es按实际应力实验曲线确；, 浅基经验系数s不适于桩基，桩基的由地区经验确定。,三、桩基中各桩的受力验算,轴心受压时，,式中：Q 桩基中单桩所受的外力设计值(kN)；,(613),G 桩基承台自重设计值及承台上土的自重标准值(kN)；,n 桩数。,当偏心受压时(图617)，,式中：xi，yi 第i根桩分别至通过桩群重心的y轴和x轴的距离(m)；,(61
19、4),Mi，Mi 作用于桩群上的外力对通过桩群重心的x轴和y轴的力矩设计值(kNm)；,其余符号意义同前。,离桩群横载面形心最远处(坐标为xmax、ymax)的桩所承受的荷载最大，即Qmax。要求其满足下列条件：,(615),除要求满足上式外，还应同时满足式(613)要求。,44 桩基础设计,收集资料(上部结构、工程地质、施工方面、当地经验、场地与环境条件等)。,内容与步骤：, 定桩型、桩长和桩的截面尺寸，初选承台底面标高；, 定单桩承载力R；,定群桩承载力及其验算；,桩基中各桩的受力验算；,桩身结构设计；,承台设计；,绘制桩基施工图。,定桩数及桩位布置；,一、桩型、桩和截面尺寸的选择,据结构
20、类型、楼层数目、荷载性质、地基条件和施工能力确定。,例：层 数,10,2030,预制桩(mm),400,500,灌注桩(mm),500,10001200,地基条件：考虑持力层情况。,桩长由桩端持力层定，桩端应重入坚实土(岩)层一定深度，规定：,粘性土和砂土：h(23)d(桩径),碎石土：hd,嵌岩端承桩：hmin0.5m,H5d (如图),承台埋深同浅基，d0.5m；要满足结构要求，方便施工。,硬层,h,H,二、确定桩数及布置桩位,(一) 桩的根数n,轴心受压：,式中：F 作用在桩基上的竖向力设计值(kN)；,R 单桩竖向承载力设计值(kN)。,G 承台及承台上土的重力(kN)；,偏心受压：,
21、试算至合适为止。,(二) 桩的中心距,(三) 桩位的布置,方形(或矩形)、三角形、梅花形、单排、双排。,原则：尽可能使上部结构的中心与桩群横截面的形心重合或接近。,三、桩身结构设计,(一) 钢筋混凝土预制桩,1、构造要求,方桩：当边长 b=200500mm,桩长 l=530m时：,纵向钢筋48根，=1225mm,含钢率1左右，最小不低于0.8%。,箍筋 68mm，200mm, 桩顶、桩尖处加密。,混凝土大于C30。保护层不小于35mm，预埋钢筋吊环。,2、桩身截面强度计算,主筋通过计算确定。,验算起吊、运输时桩内强度，方法如图。,对于方形桩：,MfyAs(b2as),式中：M 按图623，根据
22、起吊方式计算的桩身最大弯矩值(kNm)；,(626),fy 受拉钢筋强度设计值(kPa)；,As 纵向受拉钢筋的截面积(m2)；,b 方形桩的边长(m)；,as 纵向受拉钢筋合力作用点荷截面近边的距离(m)。,锤击法施工时，锤击压应力按下式估算：,式中：自由落锤：=1，e=0.6；,(627),柴油锤：=2，e=0.8；,AH、Ac、Ap 锤、桩垫、桩的实际截面积(m2)；,EH、Ec、Ep 锤、桩垫、桩的纵向弹性模量(kPa)；,H、 c、 p 锤、桩垫、桩的重度(kN/m3)；,H 锤的落距(m)。,沿桩纵轴向的锤击拉应力，对于钢管桩可取(0.330.5)p；对于混凝土及预应力混凝土桩可取
23、(0.230.33)p。,计算表明，普通钢筋混凝土桩的配筋常由起吊立的强度计算控制。,(二) 灌注桩,混凝土强度,水上不小于C15；骨料不大于40mm，塌落度5070mm；,水下不小于C20；骨料小于1/4(管内径)，塌落度160200mm.,需配筋时,轴心受压、主筋最小配筋大于0.2%;,受弯时，主筋最小配筋大于0.4%;,抗拔时，通长配置。,箍筋采用环式或螺旋箍筋，不小于6200300mm,保护层厚度,一般大于30mm,水下大于50mm,四、承台设计,(一) 构造要求,如图,混凝土等级大于C20；,保护层厚大于50mm;,配筋按计算定(见下),d,50100mm,大于300 mm,大于60
24、0mm,(3040)dg,b500mm,(二) 承台的内力计算,1、多桩矩形承台,多桩矩形承台计算截面可取在柱边和承台高度变化处(杯口外侧或台阶边缘)，如图625(a)所示，计算截面的设计弯矩可按下式确定：,(628),式中 Qi 第i根桩的桩顶外力设计值(kN)，可按式(613)及式(614)计算，但一般宜扣除桩基承台自重及承台上的土重；,Mx 、 My 垂直y轴x轴方向计算截面处的弯矩设计值(kNm);,xi 、 yi 垂直y轴x轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离(m)。,2、等边三桩承台,等边三桩承台最常见及最不利的破坏模式分别如图中曲线I、II所示。一般可利用钢筋混凝土板的屈服线理论,
25、取两者的均值作为其计算公式，即：,式中 M 由承台形心到承台边缘之距离范围内板带的弯矩设计值(kNm);,s 桩的中心距(m);,h 方柱的边长或圆柱的直径(m)。,3、等腰三桩承台,等腰三桩承台的典型的屈服线基本上都垂直于等腰三桩承台的两腰边，如图625(c)所示。试件先在长跨产生开裂破坏，然后才在短距内产生裂缝。因此根据试件的破坏形态并考虑梁的约束影响作用，按梁的理论可得：,式中Mx 、 My 承台形心到承台两腰和底边距离范围内板带的弯矩设计值(kNm),h1 、h2 垂直和平行于承台底边的柱截面边长(m);,s 长向桩的中心距离(m);, 短向桩距与长向桩距之比， 0.5时，应按变截面的
26、二桩承台设计,4、柱下或墙下条形桩基承台梁:,柱下承台梁按弹性地基梁计算；,墙下承台梁按倒置的弹性地基梁考虑；,工程实践表明：对于中、小型桩基承台梁，桩距在2m以内，墙厚在370mm以内时，按构建配筋(如图)尚可。,(三) 承台厚度及强度计算,先按冲切计算，后按剪切复核。,有柱对承台冲切和桩对承台冲切，见图，其受冲切承载力应满足下式要求：,式中： 冲跨比，a/h0，满足0.31.0，桩对承台冲切时，=1.0；,ft 承台混凝土轴心抗压强度设计值(kPa)；,Um 冲切破坏锥体h0/2处的周长(m)；,h0 承台冲切锥体的有效高度(m)；,FL 作用于冲切锥体上的冲切力设计值(kN)；,a 冲跨(m)，即柱边到桩边的水平距离。,桩基承台梁斜截面的抗剪承载力，按下式计算：,式中：V 斜载面的最大剪力设计值(kN)；,fc 混凝土轴心抗压强度设计值(kPa)；,b 承台验算载面的宽度(m)，可取验算载面上、下边的平均值；, 计算载面的剪跨比， =ap/h0;ap为柱(墙)边或承台台阶边至最近一排桩桩边的距离。当 3时，取 =3。,