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1、如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基的承载力和变形的要求，又不适于采取地基处理措施时，要考虑以下部坚实土层或岩层作为地基持力层的深基础方案。 深基础有桩基础、沉井和地下连续墙等几种类型，本章仅讲述桩基础的理论与实践。,8 桩基础,8 桩基础,8.1 概述 8.2 桩和桩基的分类与质量检测 8.3 竖向荷载下单桩的工作性能 8.4 单桩竖向承载力的确定 8.5 桩的水平承载力与位移 8.6 群桩基础计算 8.7 桩基础设计,桩基是一种古老的基础型式。桩工技术在我国经历了几千年的发展过程。,早在7000-8000年前的新石器时代，为了防止猛兽，人类祖先就在湖泊和沼泽地里栽木桩筑平台，修建居住
2、点。,我国最早的桩基是在浙江河姆渡的原始社会居住的遗址中发现的。,8.1 概述,1. 桩基础发展概况,榫卯木构件（公元前5000-3300年）,我国在桩基应用方面有悠久的历史，古代不少用桩基础建造的建筑物。 如：南京的石头城、上海的龙华塔、西安的坝桥、 北京的御桥等； 至今仍情况良好。随着近代科学技术的发展，桩的种类、桩的型式、施工工艺和设备以及桩基础计算理论和设计方法都有很大的发展。 桩基础已成为在土质不良地区修建各种建筑物，特别是高层建筑、重型厂房和具有特殊要求的构筑物中广泛采用的一种基础型式。,北京御桥,龙华塔千年木桩至今完好,宋代，桩基技术已经比较成熟。如建于北宋天圣年间1023-10
3、32的山西太原晋祠圣母殿，是采用桩基的古建筑，至今保存完好。,2. 桩基础是深基础普遍采用的重要型式,浅层地基不能满足使用功能和地基基础设计的要求,要使用特殊、专门的施工机械,大型专用沉槽机械,桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀，能承受一定的水平荷载和上拔力、可以提高地基基础的刚度、改变其自振频率、提高建筑物的抗震能力、耗材少、便于机械化施工，适应性强等突出特点。 桩基础与其它深基础相比较，其适用范围最广。在深水中，可避免水下作业，简化施工设备和技术要求，加速施工速度并改善劳动条件。,3.桩基础的适用性,下列情况可考虑选用桩基础： （1）不允许地基有过大沉降或不均匀沉降的高层建筑或其
4、它 重要的建筑物； （2）重型工业厂房和荷载很大的建筑物，如仓库、料仓； （3 ）软弱地基或某些特殊性土的各类永久性建筑物； （4）作用有较大水平力和力矩的高耸结构物（如烟囱、水塔 等）的基础，或桩承受水平力或上拔力的其它情况； （5）需要减弱振动影响的动力机器基础； （6）地基存在可液化土层时以桩基作为地震区建筑物的抗震措施； （7）建造在膨胀土或季节性冻土上的建筑； （8）在旧有建筑物附近建造新的建筑物时； （9 ）当地下水位较高时，采用桩基可减小施工难度和避免水 下施工。,右图是上海国际贸易谈判大厦，基础采用的是600mmPHC 桩基础,桩基础应用举例,软弱地基普遍采用的一种基础型式。,
5、预应力高强混凝土管桩,钱塘江桥建于1937年，是我国自行建造的第一座现代化公路、铁路两用双层桁架梁桥，位于浙江杭州，由著名桥梁专家茅以升主持修建。桥全长1453米，其中正桥长1072米 ，由16跨65.84米的简支铆接钢桁架梁组成。正桥桥墩全部采用沉箱基础，其中6个沉箱直接沉落在岩层上，9个沉箱各坐落在160根长27-30米并打至岩层的木桩群顶上。,虽然桩基础的优点较多，但不是任何条件下都能适用。 当上层软弱土层很厚，桩端不能达到坚实土层时，就需要用较多、较长的桩来传递荷载，这时的桩基础沉降量较大，稳定性也较差；桩通过较好土层而将荷载传到下卧软弱层，则将使桩基的沉降量增加。在这种情况下不宜采用
6、桩基。,4. 桩基设计内容,选择桩的类型和几何尺寸； 确定单桩竖向（和水平向）承载力设计值 确定桩的数量、间距和布置方式； 验算桩基的承载力和沉降； 桩身结构设计； 承台设计； 绘制桩基施工图；,5. 桩基设计原则,根据规定的建筑物安全等级进行设计,采用以概率理论为基础的极限状态设计法；,极限状态设计按两类进行： 承载能力极限状态； 正常使用极限状态；,8 桩基础,8.1 概述 8.2 桩和桩基的分类与质量检测 8.3 竖向荷载下单桩的工作性能 8.4 单桩竖向承载力的确定 8.5 桩的水平承载力与位移 8.6 群桩基础计算 8.7 桩基础设计,8.2 桩和桩基的分类与质量检测,为满足各类结构
7、物的要求，适应地基的特点，随着科学技术的发展，在工程实践中已形成了各种类型的桩基础，它在本身构造和桩土相互作用性能上都有各自的特点。 为了在设计和施工时更好地发挥桩基础的特点，我们来了解桩的类型：,8.2.1桩基的组成与特点 单桩基础：单根桩的形式承受和传递上部结构的荷载： 群桩基础：由根或根以上的多根桩组成的桩基础，由承台将群桩在上部联结成一个整体，建筑物的荷载通过承台分配给各根桩，桩群再把荷载传递给地基。每根单桩称基桩。 桩基由设置于土中的桩和承接上部结构的承台组成，桩顶埋入承台中。按承台与地面的相对位置不同，分为低承台桩基和高承台桩基。,8.2.2 桩的分类,按承载性状分类 (1)摩擦型
8、桩：是指在竖向荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承受。根据桩侧阻力与桩端阻力所分担荷载的比例，分为： 摩擦桩：桩顶极限荷载绝大部分由桩侧阻力承担，桩端阻力可忽略不计。如： 桩长径比很大，桩顶荷载只通过桩身压缩产生的桩侧 阻力传递给桩周土，桩端土层分担荷载很小； 桩端下无较坚实的持力层 桩底残留虚土或沉渣的灌注桩 桩端出现脱空的打入桩。 端承摩擦桩：桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但桩侧阻力分担荷载较大，同时有一定的桩端阻力。,(2)端承型桩：是指在竖向荷载作用下, 桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受。根据桩端阻力所分担荷载的比例，分为： 端承桩：桩顶极限荷载绝大部分由桩端阻力承担
9、，桩侧阻力可忽略不计。桩的长径比较小，桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中、微风化及新鲜基岩中。 摩擦端承桩：桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但桩端阻力分担荷载较大，桩侧阻力不可忽略。通常桩端进入中密以上的砂类、碎石类土层中或位于中、微风化及新鲜基岩顶面。,单桩类型,端承桩,2以承台的相对位置 低承台桩：承台底面低于地面； 高承台桩：桩基的承台底面位于地面以上。 低承台桩比高承台桩受力性能好，桩承台周围的土体可发挥一定作用。 在工业与民用建筑中多采用低承台桩，且多为竖直桩，很少采用斜桩。 桥梁和港口工程中常用高承台桩，且多为斜桩，以承受水平荷载。,低承台 桩,高承台桩,3 按施工
10、方法分类 按桩的施工方法不同，可分为预制桩和灌注桩两大类。 （1） 预制桩 预制桩桩体可用钢筋砼、钢材或木料在现场或工厂制作，然后以锤击、振动打入、静压或旋入等方式设置就位 混凝土预制桩 混凝土预制桩的横截面有方、圆等多种形状 。一般普通实心方桩的截面边长为300mm500mm，桩长在25m30m以内。工厂预制时分节长度一般小于12m，沉桩时在现场连接到所需桩长。分节接头应保证质量以满足桩身承受轴力、弯矩和剪力的要求。 通常可用钢板、角钢焊接，并涂沥青以防腐蚀；法兰盘螺栓和硫磺胶泥锚固等。前两种适用于各类土层，第三种适用于软土。,大截面实心桩自重大，用钢量大，其配筋主要受起吊、运输、吊立和沉桩
11、等各阶段的应力控制。采用预应力混凝土桩，则可减轻自重，节约钢材、提高桩的承载力和抗裂性。 预应力混凝土管桩采用先张法预应力工艺和离心成型法制作。桩的下端设置开口的钢桩尖或封口十字钢桩尖。沉桩时桩节处通过焊接端头板接长。 预制桩的截面形状、尺寸和桩长可在一定范围内选择，桩尖可达坚硬粘性土或强风化基岩，具有承载能力高、耐久性好、且质量较易保证等优点。但其自重大，需大能量的打桩设装备，并且由于桩端持力层起伏不平而导致桩长不一，施工工艺比较复杂。 当采用静压法沉桩时，常用空心方桩；在软土层中亦有采用三角形断面，以节省材料，增加侧面积和摩阻力。,预应力钢筋混凝土桩系将预制混凝土桩的部分或全部主筋作为预应
12、力张拉钢筋，采用先张法、后张法对桩身混凝土施加预压应力，提高桩的抗冲（锤）击能力与抗弯能力。预应力钢筋混凝土桩简称为预应力桩。 预应力钢筋混凝土桩与普通钢筋混凝土桩比较，其强度重量比大，含钢率低，耐冲击，耐久性和抗腐蚀性能增高，以及穿透能力强，因此特别适合于用作超长桩（L50m）和需要穿越夹砂层的情况，所以它们是高层建筑的理想桩型之一，但制作工艺要求较复杂。,钢桩 常用的钢桩有下端开口或闭口的钢管桩和H型钢桩等。一般钢管桩的直径为250mm1200mm。钢桩的穿透能力强，自重轻、锤击沉桩效果好，承载力高，施工方便。缺点: 耗钢量大、成本高、易锈蚀，我国只在少数重大工程中使用。 木桩 常用松木、
13、杉木或橡木做成，桩顶锯平并加铁箍，桩尖削成棱锥形。木桩制作和运输方便、打桩设备简单，在我国使用历史悠久，但目前已很少使用。,（2）灌注桩 灌注桩是直接在设计桩位处成孔，然后在孔内下放钢筋笼再浇灌混凝土而成，其横截面呈圆形，可作成大直径和扩底桩。灌注桩按沉桩方法分为： 沉管灌注桩 利用锤击或振动等方法沉管成孔，然后浇灌混凝土、拔出套管。 锤击沉管灌注桩的常用桩径为300mm500，桩长常在20m以内，可打至硬塑粘土层或中、粗砂层。 优点: 设备简单、打桩进度快、成本低。 缺点: 在软、硬土层交界处或软弱土层处易发生缩颈现象，也可能由于邻桩的挤压或其它振动作用等各种原因使土体上隆，引起桩身受拉而出
14、现断桩现象，或出现局部夹土、混凝土离析及强度不足等质量事故。,钻（冲）孔灌注桩 钻（冲）孔灌注桩用钻机钻土成孔，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土，有的钻机成孔后，可撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切土扩大成孔，浇灌混凝土后在底端形成扩大桩端，但扩底直径不宜大于3倍桩身直径。 最大优点是入土深，能进入岩层、刚度大、承载力高，桩身变形小，并可方便地进行水下施工。 施工顺序主要分三大步：成孔、沉放钢筋笼、导管法浇 灌水下混凝土成桩。,螺旋钻,挖孔桩 挖孔桩可采用人工或机械挖掘成孔，逐段边开挖边支护，达所需深度后再进行扩孔、安放钢筋笼及浇灌混凝土而成。 挖孔桩一般内径应800，开挖直径1000，护壁
15、厚100mm，分节支护，每节高500mm1000mm，可用混凝土浇注或砖砌筑，桩身长度宜限制在40m以内。,挖孔桩可直接观察地层情况，孔底易清除干净，设备简单，噪音小，场区内各桩可同时施工，且桩径大、适应性强，比较经济，但由于挖孔时可能存在塌方、缺氧、有害气体，触电等危险，易造成安全事故，因此应严格执行有关操作规定，此外难以克服流砂现象。,人工挖孔扩孔桩 （芝加哥法）,爆破扩底桩,4 按成桩方法（设置效应）分类 随着桩的设置方法的不同，桩周土所受的排挤作用也很不相同。排挤作用会引起桩周土天然结构、应力状态和性质的变化，从而影响土的性质和桩的承载力。 (1)非挤土桩： 先钻孔后打入的预制桩和钻孔
16、桩在成桩过程中将孔中土体清除去，故设:沉桩时对土没有排挤作用，桩周土反而可能向桩孔内移动。因此，非挤土桩的桩侧摩阻力常有所减小。一般现场灌注的挖孔桩多属于非挤土桩。 (2)部分挤土桩： 沉桩时对桩周土体有部分排挤作用，但土的强度和变形性质变化不大。一般底端开口的管桩、部分挤土灌注桩、预钻孔打入式预制桩属于此类桩。,(3)挤土桩 采用锤击、振动等沉桩方法把桩打入土中，将桩位处的土大量的挤开，因而使桩周土的土结构受到严重扰动破坏。挤土灌注桩、挤土预制桩属于此类桩。,5 按桩身材料分类,(1)混凝土桩： 在现场采用机械或人工成孔，就地灌注混凝土成桩，称为灌注桩。灌注桩可在桩内设置钢筋，也可不配钢筋；
17、预制桩是在工厂或现场预制成型的混凝土桩。有实心方桩、管桩。为提高其抗裂性和节约钢材可作成预应力桩，为减小沉桩挤土效应可做成敞口预应力管桩。,(2)组合材料桩： 是指用两种材料组合的桩，例如钢管桩内填充混凝土，或上部为钢管桩下部为混凝土等型式的组合桩。 (3) 钢桩： 主要有钢管桩、H型钢桩以及使用量小的钢轨桩。,钢桩 常用的钢桩有下端开口或闭口的钢管桩和H型钢桩等。 一般钢管桩的直径为250mm1200。钢桩的穿透能力强，自重轻 锤击沉桩效果好，承载力高，施工方便。 缺点:耗钢量大、成本高、易锈蚀，我国只在少数重大工程 中使用。 钢桩有两种：钢管桩和H形桩 钢管桩系由钢板卷焊而成，常见直径有4
18、06mm，609mm、 914mm和1200mm几种，壁厚通常是按使用阶段应力设计的，约10mm左右。,优点: 钢管桩具有强度高、抗冲击疲劳性能好、贯入 能力强、抗弯曲的刚度大，单桩承载力高，便于割 接、质量可靠、便于运输、沉桩速度快以及挤土影响 小等。,缺点：抗腐蚀性能较差，须做表面防腐蚀处理，且价格昂贵。因此，在我国一般只在必须穿越砂层或其它桩型无法施工和质量难以保证、或必须控制挤土影响、或工期紧迫等情况下及重要工程才选用。 H型钢桩系一次轧制成型，与钢管桩相比，其挤土效应更弱，割焊与沉桩更便捷、穿透性能更强。,H型钢桩的不足之处是侧向刚度较弱，打桩时桩身易向刚度较弱的一侧倾斜，甚至产生施
19、工弯曲。在这种情况下，采用钢筋混凝土或预应力混凝土桩身加H型钢桩尖的组合桩则是一种性能优越的桩型。 实践证明这种组合桩能顺利穿过夹块石的土层，亦能嵌入N63.550的风化岩层。,6 按桩径大小分类 (1)小桩：d250mm，小桩多用于基础加固和复合桩基础。 (2)中等直径桩：250mmd800mm，此类桩在工业与民用建筑物中大量使用。 (3)大直径桩：d800mm，通常用于高重型建筑物基础。,.桩基础采用类型：,柱下独立承台桩 基 础,结合上部结构和建设场地的情况，桩基础可采用以下各种类型；,墙下承台桩基础,柱下条形承台桩基础,井格承台桩基础,筏板承台 桩基础,环形承台 桩基础,箱形承台 桩基
20、础,. 桩的质量检验 桩基础属于地下隐蔽工程，尤其是灌注桩，很易出现缩颈、夹泥、断桩或沉渣过厚等多种形式的质量缺陷，影响桩身结构完整性和单桩承载力，因此必须进行施工监督、现场记录和质量检测，以保证质量，减少隐患。 对于柱下单桩或大直径灌注桩工程，保证桩身质量就更为重要。目前已有多种桩身结构完整性的检测技术，下列几种较为常用。,(1)开挖检查：只限于对所暴露的桩身进行观察检查。,(2)抽芯法：在灌注桩桩身内钻孔（直径100mm150mm），取混凝土芯样进行观察和单轴抗压试验，了解混凝土有无离析、空洞、桩底沉渣和夹泥等现象。有条件时也可采用钻孔电视直接观察孔壁孔底质量。,(3)声波检测法：预先在桩
21、中埋入34根金属管，利用超声波在不同强度的混凝土传播速度的变化来检测桩身质量。试验时在其中一根管内放入发射器，而在其它管中放入接收器，通过测读并记录不同深度处声波的传递时间来分析桩身质量。,(4)动测法：包括锤击激振、机械阻抗、水电效应等。对于等截面、质地较均匀的预制桩测试效果较可靠；对于灌注桩的动测检验，目前已有相当多的实践经验，具有一定的可靠性。,8 桩基础,8.1 概述 8.2 桩和桩基的分类与质量检测 8.3 竖向荷载下单桩的工作性能 8.4 单桩竖向承载力的确定 8.5 桩的水平承载力与位移 8.6 群桩基础计算 8.7 桩基础设计,8.3 竖向荷载下单桩的工作性能,8.3.1 单桩
22、轴向荷载的传递机理 1、桩身轴力与截面位移 1）桩竖向荷载的承担及传递过程 桩身轴力、桩侧摩阻力,当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，荷载增量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性变形，位移增加速度显著增大，直至桩端阻力达极限，位移迅速增大至破坏。此时，桩达到其极限承载力。,2）桩身轴力与截面位移,单桩轴向荷载传递的基本微分方程 桩身轴力 桩身截面位移,单桩的破坏模式,屈曲破坏 整体剪切破坏 剌入破坏,桩负摩擦力问题,1、负摩阻力：当桩侧土体因某种原因而下沉，且其下沉量大于桩的沉降时，土对桩产生的向下作用的摩阻力，称为负摩阻力。 2、产生条件：土下沉量大于桩沉降量
23、时。工程中应避免有不利因素时，采取措施减小。,3、产生负摩阻力原因：,1）位于桩周有欠固结的软粘土或新填土在重力作用产生固结。 2）大面积堆载使桩周土层压密。 3）地下水全面降低，致使有效应力增加。 4）地面因打桩时引起孔隙水压力剧增而隆起、其后孔水压消散而固结下沉。,负摩擦阻力计算,单桩负摩擦阻力计算 Ln/L0=0.51.0,减小负摩擦阻力的工程措施,1、预制桩 有下沉土层存在时，在此土层处桩段，涂软沥青来减小负摩阻力。 2、灌柱桩 对穿过欠固结土层桩段，插入比钻孔直径小50100mm预制桩段用高稠度膨润土泥浆填充桩段外。 对于作业成孔灌柱桩，在沉降土层范围先铺双层塑料薄膜，在浇砼可自由活
24、动。,2、影响荷载传递的因素,1）桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es Eb/Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快，即传递到桩端荷载愈小。 对于中长柱，当Eb/Es=1 （即均匀土层）时，桩侧摩阻力接近于均匀分布、几乎承担了全部荷载，桩端阻力仅占荷载的5%左右，即属于摩擦桩； 当Eb/Es增大到100时，桩身轴力上段随深度减小，下段近乎沿深度不变，即桩侧摩阻力上段可得到发挥，下段则因桩土相对位移很小而无法发挥出来，桩端阻力分担了60%以上荷载，即属于端承型桩； Eb/Es再继续增大，对桩端阻力分担荷载比的影响不大。,2）桩土刚度比Ep/Es Ep/Es愈大，传到桩端荷载愈大，但当Ep/Es超过1000
25、后，对桩端阻力分担荷载比的影响不大。 而对于Ep/Es10的中长桩，其桩端阻力分担荷载近于零。 说明对于砂桩、碎石桩、灰土桩等低刚度桩组成的基础，应按复合地基工作原理进行设计。,3）桩端扩底直径与桩身直径之比D/d D/d 愈大，桩端阻力分担的荷载比愈大。 对于均匀土层中的中长桩，当D/d=3时，桩端阻力分担的荷载比将由等直径桩（D/d=1）的约5%增至35%。实际端土层好时，做成扩底，否则增侧阻力作成串状。,4）桩的长径比L/d 随L/d 增大，传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻力的发挥降低。在均土层中的长柱，其桩端阻力分担的荷载比趋于零。长径比大的桩多为摩擦桩，扩大桩端直径来提高承载力是徒
26、劳无益的。 例,3、桩侧摩阻力和桩端阻力,1）侧摩阻力与桩土界面相对位移函数关系 上式侧阻是随深度线性增大,但砂土中的模型实验表明，当桩入土深达某一临界深度后，侧阻就不随深度增加了，这个现象称为侧阻的深度效应。,1) 桩侧极限摩阻力与对应的桩侧极限位移sU。 桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥，一般认为粘性土中sU为46mm，砂性土中 sU为610mm。 (大直径钻孔灌注桩，如果孔壁呈凹凸形，发挥侧摩阻力需要的极限位移较大，可达20mm以上，甚至40mm，约为桩径的2.2%，如果孔壁平直光滑，发挥侧摩阻力需要的极限位移较小，只有34mm。),2) 桩端阻力qPU与对应的桩
27、端极限位移sPU 桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，桩端阻力qPU对应的桩端极限位移sPU在粘性土中约为桩底直径的25，在砂性土中约为810，对于钻孔桩，由于孔底虚土、沉渣压缩的影响，发挥端阻极限值所需位移更大,3）按土体极限平衡理论导得的、用于计算桩端阻力的极限平衡理论公式有很多，可统一表达为： 计算单位极限端阻时，则端阻将随桩端入土深度线性增大。端阻也存在深度效应现象。,4）单桩荷载沉降曲线（桩破坏模式） 陡降型：桩底持力层不坚突、桩径不大、破坏时桩端刺入持力层的桩。A 缓变型：桩底非密实砂类土、粉土、桩底面积大、桩底塑性区随荷载增长逐渐扩展的桩。B,8 桩基础,8.1 概述 8.2
28、桩和桩基的分类与质量检测 8.3 竖向荷载下单桩的工作性能 8.4 单桩竖向承载力的确定 8.5 桩的水平承载力与位移 8.6 群桩基础计算 8.7 桩基础设计,8.4 单桩竖向承载力的确定,单桩竖向承载力的确定，取决于两方面： 其一，桩身的材料强度； 其二，地层的支承力。 设计时分别按这两方面确定后取其中的小值。,1、单桩竖向承载力特征值 Ra的确定,1）静载荷试验 所需的时间间歇,为打桩被扰动土虽时间部分强度可恢复. 预制桩在砂类土中不得少于7天；粉土和粘性土不得少于15天；饱和软粘土不得少于25天。 灌注桩达到混凝土设计强度. 试桩数为总数1%且不少于3根,试验成果,2、按土的抗剪强度指
29、标确定,1）单桩承载力的一般表达式,3、确定单桩竖向承载力特征值的规范经验公式,8 桩基础,8.1 概述 8.2 桩和桩基的分类与质量检测 8.3 竖向荷载下单桩的工作性能 8.4 单桩竖向承载力的确定 8.5 桩的水平承载力与位移 8.6 群桩基础计算 8.7 桩基础设计,8.5 桩的水平承载力 与位移,土木工程中的桩基大多以承受竖向荷载为主，但在风荷载、地震荷载、机械振动荷载或土压力、水压力等作用下，也将承受一定的水平荷载，尤其是桥梁工程中的桩基，除了满足桩基的竖向承载力要求外，还必须对桩基的水平承载力进行验算。 桩的水平承载力是指与桩轴方向垂直的承载力。作用在桩基上的水平荷载有长期作用的
30、水平荷载和反复作用的水平荷载（如风荷载）。以承受水平荷载为主的桩基，可考虑采用斜桩。即使采用斜桩更有利，但常受施工条件的限制而难以实现，不得不采用竖直桩。,一般工业与民用建筑中的基础，常以承受竖向荷载为主，但在桩基上作用有较大水平荷载时还必须对桩的水平承载力进行验算。 一般来说当水平荷载和竖向荷载合力与竖直线的夹角不超过5度时，竖直桩的水平承载力不难满足设计要求，更应采用竖直桩。因此下面的讨论仅限于竖直桩的水平承载力。 实践表明：桩的水平承载力远比竖向承载力要低！,.单桩的水平承载力 桩的水平荷载作用的特征 桩在水平荷载作用下，桩身产生挠曲变形，变形的形式与桩和地基的刚度有关。桩身变形挤压侧土
31、体，而土体对桩侧产生水平抗力，其大小和分布与桩的变形、地基条件和桩的入土深度有关。 桩在破坏之前，桩身与地基的变形是协调的，相应地桩身产生了内力。随着桩身变形和内力的增大，对于低配筋率的灌注桩来说常是桩身首先出现裂缝，然后断裂破坏；,对于抗弯性能好的钢筋混凝土预制桩，桩身虽然 未断裂，但桩侧土体已明显开裂和隆起，桩的水平位 移一般已超过建筑物的允许值，也应认为已破坏。,影响桩水平承载力的因素 影响桩水平承载力的因素较多，主要有以下几种： 桩的截面尺寸和材料强度 桩的截面尺寸越大，材料强度越高，桩的抗弯刚度越大；反之，桩的抗弯刚度就小。对于抗弯刚度较大的桩，在水平位移较大时仍不折断，但已超过建筑
32、物的允许位移值。所以，桩的水平承载力常常不是由桩的强度确定，而是由桩的允许水平位移值控制。,地基土的强度 地基土的强度越高，抵抗水平位移的能力就越大，桩的水平承载力也就越大。所以，地基强度高的比地基强度低的桩的水平承载力大。 桩头嵌固条件 桩头嵌固于承台中的桩，其抗弯刚度大于桩头自由的桩。所以，桩头嵌固提高了桩抵抗横向弯曲的能力，使桩的水平承载力增大。 桩的入土深度 桩随着入土浓度增加，水平承载力就逐渐提高，当达到某一深度后，继续增加入土深度，承载力将不起变化，桩抵抗水平荷载作用所需的入土深度，称为有效长度。,在水平荷载作用下，有效长度以下部分，桩没有显著的水平变位。桩的入土深度小于有效长度时
33、，则不能充分发挥地基的水平抗力，荷载达到一定值后，桩就会倾倒而被拔出；而当桩的入土深度大于有效长度时，桩嵌固在土中某一深度处，地基的水平抗力得不到充分发挥，桩不致倾倒或被拔出，而是产生弯曲变形。,桩的间距 当桩距较小（小于3d）时，桩前区土中应力将发生重迭,地基变形大，桩的水平承载力下降；当桩距较大时，应力重迭的影响小。但桩距大，承台尺寸也随之增大，因此，设计必须进行经济比较，全面加以考虑。,确定水平承载力的方法 单桩的水平承载力与竖向承载力一样，不仅取决于地基土的阻力而且也决定于桩身材料强度。设计时，仍然是先根据地基土的阻力确定单桩的水平承载力，再据此承载力考虑一定的安全度，按桩身材料验算并
34、选定其材料强度。 根据地基土对桩的侧向阻力确定单桩水平承载力的方法，通常有以下几种： 水平静载荷试验法：桩的水平静载荷试验是在现场条件下进行的，影响桩的水平承载力的各种因素都得到比较真实的反映，因此试验测得的承载力和地基水平抗力系数最符合实际情况。 如果预先在桩身埋设测试原件，则试验资料还能反映出加载过程中桩身截面的内力和位移。,理论计算取值法：根据桩顶的水平位移容许值，用理论公式进行计算，从而确定单桩的水平承载力。 经验取值法：根据当地桩基的使用经验取值，确定单桩的水平承载力设计值，如北京地区400mm直径灌注桩，水平承载力取40 kPa 60kPa。 根据桩身材料确定单桩水平承载力，是从桩
35、身材料 的强度、抗裂度验算出发加以确定的。,按加荷方式的不同，试验方法有多循环加卸载法和分级连续加载法两种，前者用于承受反复作用水平荷载的桩基，后者用于承受长期水平荷载的桩基。详见建筑桩基技术规范（JGJ94-94）。,.单桩在水平荷载作用下的计算方法 单桩在水平荷载作用下的变形和内力计算，通常采用按文克勒假定的弹性地基上梁的计算方法，即把承受水平荷载的单桩视为文克尔地基上的竖直梁，通过梁的挠曲微分方程解答，计算桩身的弯矩和剪力，并考虑由桩顶竖向荷载产生的轴力，进行桩的强度计算。 基本假定 单桩受水平荷载时，可把土体视为直线变形体，假定深度z处的水平抗力x等于该点的水平抗力系数kh与该点的水平
36、位移的乘积。即此时忽略桩土之间的摩阻力对水平抗力的影响以及邻桩的影响。,地基水平抗力系数 kh的分布和大小，将直接影响挠曲微分方程的求解和桩身截面内力的变化。各种计算理论假定的 kh分布图式不同。较为常用的有下列四种计算方法。 常数法：假定沿深度为均匀分布即kh=k。这是我国学者张有龄在三十年代提出的方法。 k法：假定在桩身第一挠曲零点以上按直线分布即kh=kz；以下段为常数，即kh=k。 m法：假定kh沿深度z成正比增加，即kh=mz。见P229表8.12 c值法：假定kh沿深度z按cz1/2的规律分布，即kh=cz1/2。 实测资料表明：m法（当桩的水平位移较大时）和c值法（当桩的水平位移
37、较小时）比较接近实际。,8 桩基础,8.1 概述 8.2 桩和桩基的分类与质量检测 8.3 竖向荷载下单桩的工作性能 8.4 单桩竖向承载力的确定 8.5 桩的水平承载力与位移 8.6 群桩基础计算 8.7 桩基础设计,8.6 群桩基础计算,问题 1.群桩的承载力是否等于单桩承载力之和？ 2.单桩的沉降与群桩的沉降是否相同？ 3.群桩承载力和沉降如何确定？ 群桩效应系数：,概念如何？,岩石,土,1 群桩的工作特点 1.1端承型群桩基础,1.端承型群桩基础 桩顶荷栽基本上通过桩身直接传递到桩端处地基持力层，各桩在桩端处的压力分布无明显的应力迭加现象，故 群桩基础中各基桩的工作性状与单桩基本一致；
38、 群桩基础承载力等于各单桩承载力之和； 群桩的沉降量几乎等于单桩的沉降量；,端承型群桩基础,当各桩的荷载相同、沉降相等、且桩距大于33.5倍桩径时，群桩的沉降量几乎等于单桩的沉降量。,2.摩擦型群桩基础 摩擦桩在竖向荷载作用下群桩的作用与孤立单桩是有显著差别的。作用在摩擦桩上的荷载是通过桩侧阻力传递的。由于摩擦阻力的扩散作用，群桩中各桩传递的应力互相重迭，以致桩端平面处的附加应力大大超过孤立的单桩，且附加应力影响的深度和范围也比孤立的单桩大得多，群桩的桩数越多，这种影响越显著。因此摩擦桩中各桩所受荷载与孤立单桩相同时，群桩的沉降量比单桩要大。如果不允许群桩的沉降量大于单桩的沉降量，则群桩中的每
39、一根桩的平均承载力将小于单桩的承载力。这种基桩的承载力和沉降性状与相同地质条件和设置方法同样的单桩有明显差别的现象称为群桩效应。由上述可见，群桩效应主要针对摩擦桩而言。,端承型群桩基础: 群桩基础承载力等于 各单桩承载力之和； 桩的沉降量几乎等于 单桩的沉降量； 群桩效应系数：,端承型群桩基础,岩石,土,压力扩散深度,1.2摩擦型群桩基础,摩擦桩在竖向荷载作用下群桩的作用与孤立单桩是有显著差别的。作用在摩擦桩上的荷载是通过桩侧阻力传递的。 由于摩擦阻力的扩散作用，群桩中各桩传递的应力互相重迭，以致桩端平面处的附加应力大大超过孤立的单桩，且附加应力影响的深度和范围也比孤立的单桩大得多。 群桩的桩
40、数越多，这种影响越显著。,因此摩擦桩中各桩所受荷载与孤立单桩相同时，群桩的沉降量比单桩要大。如果不允许群桩的沉降量大于单桩的沉降量则群桩中的每一根桩的平均承载力将小于单桩的承载力。 这种基桩的承载力和沉降性状与相同地质条件和设置方法的同样单桩有明显差别的现象称为群桩效应。 即：群桩效应主要针对摩擦桩而言。,摩擦型群桩基础,当桩数少，桩中心距较大 时，桩端平面处各桩 传来 的压力互不重叠，群桩 中每个单桩的工作状态与单 桩一致。 群桩的承载力各单桩 承载力之和,摩擦型群桩桩端平面上的压力分布 （a）单桩,摩擦群桩基础 应力叠加 、桩底应力增加,使承载力不足;总的沉降增加,对于砂土 sp 1.0,
41、 粘性土sp 1.0,2.承台下土对荷载的分担作用 考虑桩和承台下土的共同工作，使承台兼有浅基础的 作用，组成复合桩基。 承台底分担荷载的作用是随着 桩群相对于桩基土向下位移幅度 的加大而增强的。 设计复合桩基时应注意： 在桩基沉降不会危及建筑物的安 全和正常使用、且台底不与软土 直接接触时，才宜于开发利用 承台底土的反力的潜力。,1-台底土反力；2-上层土位移； 3-桩端位移（桩基整体下沉）,关于承台承载力问题,承台下土的承载力低于浅基础，承台内反力小于外围,双曲线分布 1.承受经常出现的动力作用，如铁路桥梁桩基； 2.承台下存在可能产生负摩阻力的土层； 3.在饱和软土中沉入密集桩群，引起超
42、静孔隙水压力和土体隆起，随时间推移，桩间土逐渐固结下沉而承台脱离； 4.端承桩情况下不考虑承台承载力。,3. 群桩的竖向承载力设计值,桩基的群桩效应难以通过承台桩土相互作用分析的理论方法求解，为了实用的目的，桩基规范JGJ9494规范引用构成 基桩极限承载力诸分量的平均值与其相应单桩诸分量的平均值之比作为该分量的群桩效应系数。,(1).对于桩数超过3根的非端承桩复合桩基，宜考虑桩群、土、承台的相互作用效应，其复合基桩竖向承载力设计值为：,R单桩总极限侧阻力和总极限端阻力标准值； QCK相应于任意一基桩的承台底地基土 的总极限阻力 标准值； qck承台 底下等于承台半宽的深度（5m）范围内地 基
43、的极限阻力标 准值； Ac承台底地基土的净面积； s 、P 、sP 、 c 桩侧 阻、桩端阻 、桩侧阻端阻综合抗力及 承台 底地基土的抗力分项系数； s 、 P 、 SP桩侧阻、桩端阻、桩侧阻端阻综合群桩效 应系数。,(2)对端承桩基或桩数不超过3根的非端承桩基，不考虑群桩效应，其基桩的竖向承载力设计值按下式计算：,c=0,s =p = sp =1 当根据静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准 值时，基桩的竖向承载力设计值为： 当承台底面与土脱开（非复合桩基）时，即取c=0；,4 桩顶作用效应简化计算,1.基桩桩顶荷载效应计算 以承受竖向力为主的群 桩基础的基桩桩顶荷载 效应可按下列公式计算 ：
44、 轴心荷载下的轴向力： 水平力 ：,偏心荷载下的轴向力 ：,图8-26 桩 顶 荷 载 的 计 算 简 图,(2).地震作用效应,对于抗震设防区主要承受竖向荷载的低承台桩 基，当同时满足下列条件时，桩顶作用效应计算可 不考虑地震作用： (a）按建筑抗震设计规范规定可不进行天然 地基和基础抗震承载力计算的建筑物； (b）不位于斜坡地带或地震可能导致滑移、地裂 地段的建筑物； (c）桩端及桩身周围无液化土层； (d）承台周围无液化土、淤泥、淤泥质土。,5 基桩竖向承载力验算,5.1 荷载效应基本组合 承受轴心荷载的桩基，其基桩承载力设计值R应符合下列 极限状态计算表达式的要求： 偏心竖向力作用下，
45、除应满足式上式外，尚应满足下式的 要求： R桩基中复合基桩或基桩的竖向承载力设计值； 0建筑桩基重要性系数。,r0 建筑物重要性系数,一级 r0 =1.1 二级 r0 =1.0 三级 r0 =0.9,5.2 地震作用效应组合,从地震震害调查结果得知，不论桩周土的类别 如何，基桩的竖向抗震承载力均可提高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 公式验算基桩的竖向承载力： 轴心竖向力作用下 ： 偏心竖向力作用下，除应满足上式外，尚应满足 下式：,6 桩基软弱下卧层承载力验算 验算时要求:,作用于软弱下卧层顶面的附加应力； 软弱层顶面以上各土层重度加权平 均设计值； Z地面至软弱
46、层顶面的深度； 软弱下卧层经深度修正的 地基极限承载力标准值； 地基承载力分项系数，可取1.65。,图8-27 桩基软弱下卧层承载力验算图式 (a)整体冲剪破坏 （b）基桩冲剪破坏,整体冲剪破坏是指桩、土形成整体，如同实体基础那样，桩侧阻力的破坏面发生于桩群的外围；基桩冲剪破坏是指各桩的桩土之间产生相对位移，侧阻力的破坏面发生于各桩的侧面。,(1)对桩距sa6d的群桩基础，一般可作整体冲剪破坏考虑,按下式计算下卧层顶面的附加应力z：,F作用于承台顶面的竖向力设计值； G承台及其上土重设计值； 、 桩群外围桩边包络线内矩形 面积的长、短边长； 桩端硬持力层压力扩散角，,(2)对桩距sa6d、且硬
47、持力层厚度t(sadc)cos/2 的群桩基础，以及单桩基础，应作基桩冲剪破坏考 虑，可导得下卧层顶面z的表达式为：,式中: de 桩端等代直径，圆形桩的 de=d ； 方形桩的 de=1.13b （b为桩边长）。 N桩顶轴向压力设计值；,7 桩基竖向抗拔承载力及负摩阻力验算 在下列类型的结构中，基础经常采用抗拔桩，需验 算桩的抗拔承载力： 受有浮力的结构物，例如游泳池和地下室泵站以及 其它承受很高浮托力的结构物等； 锚固高耸而轻型的结构物，例如海中石油钻探平台 和生产平台，高耸塔架和烟囱、 现代化飞机库等，以承受风力等侧向荷载； 膨胀土地区的基础下用以承受膨胀对建筑物的上托力； 深基坑开挖支
48、护结构的锚桩以及桩静载试验用的锚桩。,7.1 桩基竖向抗拔承载力验算 承受拔力的桩基，应按下列公式同时验算群桩基础及 其基桩的抗拔承载力，并按现行混凝土结构设计规范 基桩材料的受拉承载力。 N 基桩上拔力设计值； Ugk群桩呈整体破坏时基桩的抗拔承载力标准值，根据 规范确定； UK 基桩的抗拔承载力标准值，根据规范确定； GGP 群桩基础所包围体积的桩土总自重设计值除以总 桩数，地下水位以下取浮重度； Gp基桩（土）自重设计值，地下水位以下取浮重度，,对于扩底桩应按规范确定桩、对于二、三级建筑物，群桩基础及基桩的抗拔极限承载力标准值可按下列规定计算： 1）桩或群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算： UK基桩抗拔极限承载力标准值； 破坏表面周长，对于等直径桩取ud；对于扩底 桩按规范表取值； 桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值，可按 规范表取值； 抗拔系数，按规