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1、摘 要 桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最古老、最基本的一种 基础类型，也是目前土木工程中利用最为广泛的一种，高层建筑占到 70%以上。在 工程设计当中，利用土木工程力学方面的知识进行合理的桩基础设计是很重要、很 有基础性意义的工作。如何选择合理的桩基础形式，对于保证安全，节约投资、降 低造价起着举足轻重的作用。在本文中笔者根据上部结构荷载和场地地质条件，确 定了桩型、桩几何尺寸和承台埋深，然后进行桩基计算：分析计算了单桩竖向极限 承载力标准值、单桩竖向承载力特征值和复合基桩竖向承载力设计值，确定了桩数 及承台底面尺寸；通过桩身结构设计计算确定桩身配筋；再进行了桩顶作用验算、
2、基桩承载力验算和单桩桩身强度验算；接着进行承台设计：通过受弯计算确定承台 配筋，通过受冲切验算桩基承台厚度及受剪验算、桩基础沉降验算；最后根据建 筑桩基技术规范 JGJ94-2008介绍了桩基础施工及工程质量检查和验收的过程，并 绘制了施工图。 关键词：1. 预制桩基础 2.承台设计 3.沉降验算 4.基桩承载力验算 5.施工操作 Abstract Pile foundation is a kind of creation of human buildings on soft soil foundation, is a type of foundation is the oldest, the
3、 most basic, but also in civil engineering at present by using one of the most extensive, high-rise buildings accounted for more than 70%. In the engineering design, the civil engineering mechanics knowledge pile foundation design is very important, it is the basic meaning of work. Piles foundation,
4、 how to choose a reasonable, to ensure safety, save investment, reduce the cost of play a decisive role. In this paper the author according to the upper structure load and the geological condition, to determine the type of pile, pile cap dimension and depth, then the calculation of pile foundation:
5、analysis and calculation of the value, the bearing capacity of single pile vertical ultimate vertical bearing capacity of single pile bearing capacity design value and the value of composite pile vertical, determine the number of piles and the size of the pier; pile structure design calculation of p
6、ile reinforcement; then the checking of bearing capacity and strength of single pile and pile top settlement calculation checking , effect of pile foundation ; then the platform design: the flexural calculation to determine the pile reinforcement, the punching and shearing calculation, checking the
7、pile cap thickness; finally, according to the technical code for building pile foundation JGJ94-2008 introduced the process of pile foundation construction and engineering quality inspection and acceptance, and draw the construction drawings. Key word: 1. Precast concrete pile foundation 2. Design o
8、f pile caps 3. Settlement calculation 4. Pile bearing capacity calculation 5. Construction operation 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 基础工程技术的国外动态.1 1.3 新型桩基的发展.1 1.4 桩基向大直径超长方向发展.2 1.5 桩基向工厂预制化发展.2 1.6 桩基向新施工技术方向发展.2 1.7 桩基向组合桩方向发展.3 1.8 向高强度桩方向发展.3 1.9 桩基新设计方法.4 1.10 桩基施工中存在的问题.4 1.11 总体评估.5 第 2 章.7 2.1
9、 工程概况.7 2.2 地质条件.7 2.3 土层参数.7 第 3 章.9 3.1 基础选型.9 3.2 桩的选型.9 3.3 桩基础设计.9 3.4 单桩承载力确定.9 34.1 单桩竖向极限承载力标准值的确定.9 uk Q 3.4.2 单桩竖向承载力特征值计算.10 3.5 确定桩数和承台尺寸.10 3.6 计算单桩承受外力.11 3.6.1 桩数验算.11 3.6.2 在偏心竖向荷载作用下.11 3.7 桩身结构设计计算.11 3.8 桩基中各单桩水平向承载力验算.12 3.9 单桩桩身强度验算.13 3.10 承台板设计.13 3.10.1 抗弯验算.15 3.10.2 冲切验算.15
10、 3.10.3 抗剪承载力计算.16 3.11 桩基础沉降验算.18 第 4 章 混凝土预制桩的施工.20 4.1 混凝土预制桩的制作.20 4.2 混凝土预制桩的起吊、运输和堆放.21 4.3 混凝土预制桩的接桩.22 4.4 锤击沉桩.23 第 5 章 结论与展望.26 5.1 结论.28 5.2 展望.26 参考文献.27 致 谢.28 附 录.29 第 1 章 绪 论 1.1 引言 桩基础是一种历史悠久、应用广泛的深基础基础，随着工业技术和工程建设的 发展， 桩的类型和成桩工艺、桩的设计理论和设计方法、桩的承载力与桩体结构的 检测技术等方面均有发展，以使桩与桩基础的应用更为广泛，具有很
11、强的生命力。 改革开放三十几年来, 随着我国经济的持续增长, 改革开放三十几年来, 随着我国经济 的持续增长, 城市建设向高空发展, 市内交通向多层次立体化发展,桩基础的发展也越来越快，桩 基础已然成为高层建筑和各大型建筑最为重要的一部分。 1.2 基础工程技术的国外动态 近年来，国外基础工程技术的研究方向主要集中在高层及超高层建筑的需求建 筑物基础的多种利用、基坑工程的新技术、基础工程节材以及提升持久性等方面。 进入 21 世纪以来，随着城市土地资源的紧张和科技的进步，超高层建筑的建设呈爆 发式增长，建设重心已经由北美转向东亚和中东，建筑有效高度超过 600m，并有突 破 1000m 的趋势
12、。截至 2010 年底，已经建成并投入使用的全球 10 个超高层建筑中 的 9 座分布在以中国为代表的东亚地区和以迪拜为代表的中东地区，其中中国两岸 三地占据座；中东地区以迪拜为代表，目前全球最高的高层建筑迪拜塔 160 层， 高度达到 828m，高度超过 1000m 的 Nakheeltower 也在设计中，即将开始建设目前 相当一批有效高度超过 600m 甚至超过 1000m 的高层建筑也在规划设计中，全球各地 正在掀起超高层建设的热潮。 1.3 新型桩基的发展 (1)桩端（侧） 压为注浆技术效果好速度快，可节省大量成本，减少建筑物的 整休沉降和不均匀沉降，所以近年来注浆也越来越多的得到发
13、展和广泛应用，它适 用于桩端加固和桩侧土固化。 (2)挤扩支盘灌。注桩，由于其对摩擦型桩的桩侧摩阻力的提高效果很好且经济 效益明显，几年也得到了较愉的发展，它适用于黏性土为主的摩擦型桩基。 (3)预应力混凝土竹节桩最早出现在日本，为了适应环太平洋洋地震带的频繁需 要，在管桩桩身上设计每 2m 有一条宽为 5cm 的凸出混凝土肋环，移竹节妆预应为 管桩，为了在深厚软土层中，改善桩基侧软土介质，提高单桩承载力我国近年提出 了一种扩大头带肋填砂预应力管桩，它在原管桩的基础上增加钢质扩大头，并在管 桩成型时浇注出一定宽度的混凝土肋，沉桩时大头和肋形的桩侧空隙用砂填充，这 样就形成了桩头大桩侧灌砂的预应
14、力管桩适用于淤泥质土层。 (4)大直径筒桩，由于采用环形桩尖，形成大直径环浇混凝土薄壁筒桩，具有搞 水平力好的特点，应用于音桩竖向荷载不高的提防工程中。 (5)就地取材碎石型锤击灌注桩，由于现场锤击成孔，现场碎石浇灌被广泛应用 于残坡积的土层加固基础中。 (6)大直径钻埋空心桩。在已经钻好的大直径孔内沉放预制桩壳，形成空心桩。 主要应用于桥梁深桩基础中，而大直径和预拼工艺也是当前桥梁深桩基础工程的发 展趋势。 1.4 桩基向大直径超长方向发展 随着高层、超高层建筑物以及跨江、跨海等特大桥梁的建设，上部结构对桩基 础承载力与变形的要求越来越高，桩的直径越来越大，桩长越来越长，使桩出现了 向超长、
15、大直径方向发展的趋势。例如上海环球世贸中心、金茂大厦都采用了桩长 超过 80 米的钢管桩，温州世贸中心采用了 80120m 不等的钻孔灌注桩，杭州钱塘 江六桥采用的钻孔灌注桩更长达 130m，襄樊西部铁路桩基础最长达 139m。日本日 本横滨跨径 460m 的横断大桥桩基础嵌岩扩孔至直径达 10m，我国江西贵溪大桥的 桩基础直径也达到 9.5m。 1.5 桩基向工厂预制化发展 近年来，一些类型的桩正向着工厂化生产的趋势发展，而工厂化生产也促使这 些桩型在工程建设中被广泛的应用。 1.6 桩基向新施工技术方向发展 随着人们对建筑施工环境保护要求越来越高，一些施工新工艺新技术得到了快 速的发展。
16、(1)对于预制桩和钢桩的施工，为了避免打入法施工工艺带来的噪声、振动以及 压入法带来的挤土效应对临近建筑物及地下管线等产生的不良影响，埋入法施工工 艺得到了开发和应用。北京地区采用的植桩法，即先用长螺旋钻孔，穿过硬夹层或 可液化层，然后将预制桩放入孔内，最后锤击沉桩使桩端进入设计要求的持力层， 同时预应力管桩压桩也由锤击打入式转向预压式或抱压实施工。 (2)由于正循环钻孔桩泥浆处理污染环境，所以出现了成套工艺的泵式反循环钻 进系统，泥浆循环全部进入钢制的泥浆箱。同时出现了全套取土型的贝诺特关注桩 施工方法。 (3)由于钻孔桩存在沉渣问题，持力层扰动问题和泥皮问题，所以出现了桩侧和 桩端后注浆的
17、施工技术。 (4)由于打桩挤土问题在城市化过程中日益突出，出现了打桩施工边监测边设计 的信息化施工新方法。 (5)在围护桩施工中出现了钻孔咬合桩，地下连续墙等施工新技术。 (6)新的自动化打桩机械不断出现。 1.7 桩基向组合桩方向发展 (1)刚柔复合桩组合，刚性桩一般采用混凝土桩且是长桩，打到较好的持力层， 柔性桩一般采用水泥搅拌桩且为短桩、摩擦桩型。刚性桩起到控制沉降的作用，柔 性桩起到变形协调的作用。刚柔复合桩桩顶与碎石混凝土混合势层直接接触，垫层 上面为刚性混凝土基础，柱基设计按复合桩设计。 (2)长短桩组合。及桩身材料同为混凝土桩，但根据上部荷载的特点和地质条件 选择不同的桩长和不同
18、的持力层。优点是可以调整基础荷载受力基本均匀，缺点是 不同的桩长会带来不同的沉降，特别是对主楼和裙楼交界处的应力协调不利，应特 别注意。 (3)咬合桩组合。可以是灌注桩之间的组合；可以使混凝土桩与水泥搅拌桩之间 的咬合；也可以是预制桩与现浇桩之间的咬合，可以是内包也可以是外包，形成了 一系列的组合桩。目前咬合桩主要使用在基坑支护桩中。 (4)桩长度方向的组合，即同一根单桩中上部桩为混凝土桩，下半部为钢桩。这 样有利于将桩打入持力层较坚硬的岩土中，反之根据桩的轴力上大下小的特点，也 有组合桩采用单桩桩身中上部采用高配筋高强度的混凝土，桩的中下部采用低配筋 低强度的混凝土，以适应不同地质条件中桩的
19、受力特点。有时为了减少挤土，桩下 部采用 H 型钢桩，桩上部采用混凝土预制桩等。 1.8 向高强度桩方向发展 随着对打入式预制桩要求越来越高，诸如高承载力、穿透硬夹层、承受较高的 打击应力及快速交货等要求，普通钢筋混凝土桩（简称 R.C 桩，混凝土强度等级为 C25C40）已满足不了上述要求，故预应力钢筋混凝土桩（简称 P.C 桩，混凝土强 度等级为 C40C80）和预应力高强度混凝土桩（简称 P.H.C 桩，混凝土强度等级不 低于 C80）使用越来越多。 PHC 管桩在欧美、日本、前苏联及东南亚诸地区大量 采用。日本使用的预制混凝土桩几乎均为 PHC 桩。从 19701992 年间，日本管桩
20、的 年产量在 520830 万吨之间。 最近十几年来，我国管桩行业经历研制开发期、推 广应用期、调整发展期和快速发展期等四个时期。以珠江三角洲和长江三角洲为基 地，由南向北，由东向西，沿海沿江沿湖，向内陆地区健康而快速地发展，在产品 品种和产量上均达到世界前列。具体地体现在：布局面广；产品品种与规格齐全； 生产技术成熟；国产化装备和原材料完全满足生产需要；配套应用技术日趋完善； 应用领域不断扩大；依靠技术进步求效益、求发展；质量意识不断强化，质量保证 体系日趋完善；企业向多元化规模化发展。 到 2003 年全国管桩生产企业达 220 家， 全国管桩年产量约 1.4 亿 m。 苏州混凝土水泥制品
21、研究院金舜教授级高工等提出管 桩发展的建议：进一步开发磨细矿物掺合料在管桩中的应用技术；进一步开发钢纤 维混凝土在管桩中的应用技术；开发钢管混凝土管桩、长管桩以适应重大工程需要； 开发余浆的综合利用技术；推广碎石砂在管桩生产中的应用：重视管桩桩身混凝土 的耐久性；在 PHC 桩生产中推广应用“管桩水泥” 1.9 桩基新设计方法 桩基的设计理论与方法不断吸取其他学科先进成果，取得了非常迅速的发展， 如电子计算机和数值计算方法的巨大成就，岩土力学、结构工程、施工技术领域的 研究成果，给桩基科学注入了新的活力，并形成和发展了许多新的设计理论。疏桩 设计理论、复合桩设计理论、桩基与上部结构建筑协同作用
22、理论、桩端（侧）压力 注浆设计理论、桩的水平抗力及抗震理论、桩基环境效应理论都得到不断地发展。 利用建立某区域试桩数据库和城市地层柱状图及岩土参数数据表进行初步设计，并 利用现场测桩数据进行施工图设计的反馈优化设计是信息化桩基设计的一个重要方 向。另外，针对工程经济效益及环境保护因素的控制，桩基的优化设计理论与方法 也得到快速的发展，但目前仍在完善中。 1.10 桩基施工中存在的问题 在桩基施工技术取得长足进步和巨大成就的同时, 也存在不少问题, 近年施工 事故时有发生, 也令人震惊。如武汉市某一 18 层的商品楼,建筑面积 1.46 万 m2, 采用夯扩桩基础, 在结构封顶后进入内装修和楼地
23、面施工时, 大楼出现不均匀下沉, 倾斜方向也出现变化, 不到数日楼顶水平位移就达到 2.884,倾斜度达 4.49 % , 因无 法抢救而只好爆掉。这是一起中外建筑史上罕见的事故。专家分析事故原因, 认为 除了桩体施工质量存在一系列严重缺陷外, 更重要的原因是桩型选择不当, 他们形 象地指出, 将夯扩桩打在淤泥质土层中, 无异于将“ 一把筷子插到稀饭里” 。又 如南京某大厦在人工挖孔桩及基础开挖期间, 抽降地下水而未采取相应措施, 造成 毗邻单位厂房墙体严重开裂, 地面下沉, 厂房内的机器严重受损, 最后经法庭裁决, 以建设方赔偿受害方人民币 1400 万元而告终。这是我国对忽视桩基施工对周围
24、环境 引起危害者绳之以法的首例大案。上述两例只是较大的事故, 其他还有, 限于在的 薄弱环节, 施工者对之事先未加防护或认真对待; 其二是施工时掉以轻心, 操作不 当, 管理不严。归根结底, 是由于施工队伍的素质(包括思想、文化、专业及职业道 德)跟不上形势的需要。实践证明, 对于一支素质优良的施工队伍, 即使设计、地质 或桩型本身有问题, 也能防患于未然。因此, 当务之急是全面提高桩基施工队伍的 素质, 以迎接更艰巨的任务。 1.11 总体评估 我国目前应用的桩型具有以下特点: 大中小直径并存, 就地灌筑与预制并存, 机械成孔与人工开挖并存, 锤击、振动与静压并存, 以及接近 90 年代国际
25、水平的工 艺与传统工艺并存, 等等。这既是由于地域大、地质条件复杂、工程性质不同等客 观实际需要, 也是由于我们特别重视桩型经济性所致, 它们既符合我国当前的国情, 也是发展中国家应采取的技术政策和社会主义市场经济规律的具体反映。经验证明, 对于各种打入桩, 尤其是沉管桩, 施工须慎之又慎,才能杜绝隐患; 另一方面, 可以 预料桩型的发展还将会因各地日益严格的环保要求而兴衰。如果以桩型体系中存在 的诸多先进因素,或以桩所支承的建筑物的最大高度和桥梁的最大跨度及其技术复杂 程度等, 作为衡量一国一地桩基施工水平的主要指标, 那么, 根据我国现状偏保守 地说, 我国的桩基施工技术水平至少已具有发达
26、国家 80 年代中期或末期的水平, 因 此我们可以欣喜地说, 我们只用了 20 年时间就走了发达国家发展桩基经历的百年历 程。我国现在与发达国家在桩基施工技术上的差距主要是: 施工事故频繁, 巫应加 大整治力度; 现场文明程度和施工对环境造成的危害, 还需进一步分别改善和控制; 一批新桩型, 包括能承受超量竖向和横向荷载的巨型灌注桩(矩形或条形,或称 Barre tte),以及硬土地基的大深度灌注桩等都有待研究开发, 否则会与国外的差距将会拉 大。 第 2 章 2.1 工程概况 某工程总建筑面积 14086m2无地下室，建筑平面尺寸为 38.5m30.5m，设架空 地下室一层。地上 15 层框
27、架剪力墙结构，底层层高 4.5m，以上各层层高均为 3.0m。工程重要性等级为一级。已知上部框架结构由柱子传来的荷载： Nmax=3396.8kN, Mmax=193kNm，Vmax=75kNm。 2.2 地质条件 场地土自地表向下依次由杂填土、硬塑红粘土、淤泥质粘土、粉土、稍密粉细 砂、及三叠系中统关岭组中厚层状泥质白云岩构成，下覆基岩为中风化白云岩,钻探 深度范围内无地下水。 2.3 土层参数 表2-1 地基土层参数 承载力特征 值（kPa） 岩 土 层 编 号 土层厚 度(m) 天然重 r (kNm3) ak f a f 内摩擦 角 （） 粘聚力 C (kPa） 压缩模量 (MPa) S
28、 E 变形模量 (MPa) O E 杂 填 土 1.5m17.58012.0015.003.00 硬 塑 红 粘 土 2.8m1920011.628.705.2 淤 泥 质 粘 土 9.5m17.5015012.0016.002.80 续表2-1 承载力特征 值（kPa） 岩 土 层 编 号 土层厚 度(m) 天然重 r (kNm3) ak f a f 内摩擦 角 （） 粘聚力 C (kPa) 压缩模量 (MPa) S E 变形模量 (MPa) O E 粉 土 8.50m20.017019310.0 松 散 状 粉 细 沙 2.7m19.501102007.5 稍 密 粉 细 沙 1.8m20
29、.5016025010.5 密 实 粉 砂 3.5m21.617626.6014.03 强 风 化 白 砂 岩 揭露 10.20m 26.11650 第 3 章 3.1 基础选型 由于建筑结构荷载大分析研究表明，在柱荷载作用下天然地基难以满足承载 力要求，场地分布的杂填土及硬塑的红粘土不具备作持力层条件，粉细砂强度低厚 度薄，也不具备作持力层条件，故拟采用粉土，以粉土作持力层，采用独立基础结 合桩基础。 3.2 桩的选型 桩型选择要做到经济合理、技术可行，除了应满足建筑物结构荷载、变形的要 求，同时应考虑成桩的可能性及对环境的影响。拟建建筑物基础的选型应综合考虑 设计、施工、场地条件等各方面的
30、因素。 钢筋混凝土预制桩具有质量稳定、混凝土强度高、耐打性好、桩身承载力高、 施工进度快、施工现场整洁、安全可靠、经济环保的优点。综合考虑本工程场地以 粉土作为持力层，桩长较短采用钢筋混凝土预制桩，即经济又满足承载力要求。 3.3 桩基础设计 上部结构传来不利荷载基本组合为：轴力 Nmax=3996.8kN；Mmax=193kNm，Vmax=75,根据地质条件以粉土做持力层，kN 所以桩类型为端承摩擦桩。地下水位于承台底面，承台埋深 1.5m,承台厚 0.8m。桩 的尺寸为 400mm400mm,桩尖进入持力层 1.6m,桩插入承台 10cm,所以桩长 14m。 桩身混凝土强度等级 C30，C
31、=1.5x104 kNm ,承台混凝土强度 C30。 3.4 单桩承载力确定 34.1 单桩竖向极限承载力标准值的确定 uk Q 查建筑桩基技术规范 JGJ94-2008表(5.3.51)、(5.3.61) 杂填土 =20kPa L=1.5m sik q 硬塑红粘土 =35kPa L=2.8m sik q 淤泥质粘土 =25kPa L=9.5m sik q 粉土 =50kPa L=1.6m =1300kPa sik q pk q 由建筑桩基技术规范 JGJ94-2008 (5.3.5-1) pkskuk QQQ pkpkisik Aqlqu =40.4(1.520+2.835+9.525+1.
32、650)+0.40.41300=912.8 kN 3.4.2 单桩竖向承载力特征值计算 由建筑桩基技术规范 JGJ94-2008式 =456.4kN (5.2.2-1) uka QR 2 1 考虑承台效应的复合桩基竖向承载力特征值按建筑桩基技术规范计算 (5.2.5-1) Cakca AfRR 3.5 确定桩数和承台尺寸 由于桩数未知，承台尺寸未知，先不考虑承台质量，初步确定桩数，带布置完 后再计算承台质量，验算桩数是否满足要求。 由最不利荷载标准组合： 轴力 Nmax=3996.8kN, Mmax=193kNm，Vmax=75 kNm n(根)5 . 82 . 11 . 1 R GF 取n=
33、9（根） ；桩距 S=3d=30.4=1.2m,承台尺寸取 3.4m3.4m。 桩位平面布置图，承台底面尺寸如下图： 图3-1 平面图(mm) 图3-2 立面图(mm) 3.6 计算单桩承受外力 3.6.1桩数验算 承台及承台上土的天然重度取kNm-320 G r =203.43.41.5=346.8 kNdArG dgk =4343.6/9=482.6 kN n GF N kk k 考虑承台效应的复合桩基竖向承载力特征值按建筑桩基技术规范 JGJ94- 2008 (5.2.5-1) Cakca AfRR =456.4+0.06172.4(3.43.4-90.40.4)=561.08 kN 即
34、满足:RNk 3.6.2在偏心竖向荷载作用下 作用在承台底的弯矩: M+Hd=193+1.575=305.5 kNm x M 由建筑桩基技术规范 JGJ94-20085.1.1-2 式 525.1kN 22 j iy j iXkk ik x xM y yM n GF N )032 . 16( 2 . 1)755 . 1193( 9 6 . 4343 22 由于該承台是正方形承台，所以在边角的桩所受偏心弯矩最大，由上面的分析 计算可知：525.1 kN KMax N 即满足：1.2R=673.3 kN KMax N 3.7 桩身结构设计计算 由于桩长 14m，则可不用分两节生产，采用两点吊立的强度计算来进行桩身的 配筋计算。吊点在位于桩顶 0.207L 处（L 为桩身长度） 。起吊时桩身的最大负弯矩 为： 0.0214ql3,其中 k=1.3,延桩长每米自重：q=1.20.40.425=4.8 kN/m (1.2 max M 为恒载分项系数)，桩身混凝土强度等级 C30,HRB335 级钢筋。 故：0.02144.81414=20.13 kNm max M 桩身有效截面高度0.4-0.03=0.37m 0 h 0.025 2 0 bhf M c s