基础工程课件——第4章桩基础

软土层4.1概述第4章桩基础 基本概念桩：设置于土中的竖直或倾斜的柱型基础构件，由侧阻力和端阻力共同承受荷载。承台：连接桩与上部结构之间的构件，将上部结构荷载分散到各桩上。桩基础单桩基础：柱与桩直接相连的基础。群桩基础：桩与桩顶连接的承台共同组成的基础。群桩中的单桩称为基桩。 一、桩基础的优点4.1.1桩基础的适用性1.承载力高2.沉降量小3.能承受一定的水平荷载和上拔力，稳定性好4.可以提高地基基础的刚度、改变其自振频率5.可提高建筑物的抗震能力6.便于实现基础工程机械化和工业化 二、桩基础的适用范围1.建筑物荷载较大，地基上部软弱而下部不太深处理藏有坚实地层时；2.高层建筑或其它重要的建筑物，不允许地基有过大的沉降或不均匀沉降时；3.高耸建筑物或构筑物对限制倾斜有特殊要求时；4.建筑物为敏感性结构，而地基土极不均匀时；5.大型或精密的机械设备基础，对沉降或沉降速率有严格要求；6.地震区，以桩基作为结构抗震措施时。7.采用其它地基基础形式会遇到施工困难时(排水不易,流砂,开挖困难)8.采用其它地基基础形式不经济时。 二、桩基础的适用范围海洋构筑物 根据承台与地面的相对位置，一般可分为：1.低承台桩基：桩基承台底面位于土中（图4.1a）……低承台桩基的承台底面位于地面以下，其受力性能具有较强的抵抗水平荷载的能力……多用于工业与民用建筑2.高承台桩基：承台底面高出地面以上（图4.1b）……高承台桩基的承台底面位于地面以上，且桩常处于水下，水平受力性能差，但可避免水下施工及节省基础材料斜桩……多用于桥梁及港口工程4.1.2桩基础的类型 图4.1桩基础示意图(a)低承台桩基（b）高承台桩基 (1)按变形控制设计4.1.3桩基设计原则1.单桩承受的竖向荷载不宜超过单桩竖向承载力特征值；2.桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值；3.对位于坡地岸边的桩基应进行稳定性验算。减沉桩－－以减少沉降为目的设置的桩(2)桩基设计的基本要求 （3）设计目标：安全适用，技术先进，经济合理，确保质量，保护环境。（4）设计中应考虑的主要因素：①地质条件。②上部结构条件。③施工技术条件与环境。④注重概念设计。（5）基本设计规定桩基抗力=单桩极限承载力/综合安全系数K （6）桩基的设计分级（7）桩基的计算项目甲乙丙三个等级 4.1.4桩基设计内容P118 4.2.1桩的分类4.2桩的类型1.按桩的承载性状（竖向受力情况）分类 端承桩摩擦桩PsPsP 端承型桩：端阻力（主要）＋侧阻力（次要）＝外荷载实践代表：桩端位于中密以上粗粒土层，或基岩顶面。亚类端承桩：端阻力（绝对主要）≈外荷载实践代表：l/d≤10，桩身周围土软弱，桩端位于密实土层中或岩层顶面。摩擦型桩：端阻力（次要）＋侧阻力（主要）＝外荷载实践代表：桩端土层较软弱，侧阻发挥较充分。亚类摩擦桩：侧阻力（绝对主要）≈外荷载实践代表：桩的长径比很大（无论桩端土是否软弱），桩端土很软弱，桩底有虚土和残渣。 2.按施工方法分类 ◆预制桩◆现场灌注桩锤击沉桩振动沉桩静压桩P120引孔,部分挤土不引孔,挤土沉桩方式挖孔钻孔冲击,夯扩,爆扩沉管灌注水上水下◆浇筑方式先钻引孔，孔径略小于预制桩截面，深度为桩长的(2/3~1)l，再压桩，有利于沉桩。数十种 预制桩的施工方法振动沉桩振动沉桩是利用固定在桩顶部的振动器所产生的激振力，通过桩身使土颗粒受迫振动，使其改变排列组织，产生收缩和位移，这样桩表面与土层间的摩擦力就减少，桩在自重和振动力共同作用下沉入土中。适用于在粘土、松散砂土及黄土和软土中沉桩，更适合于打钢板桩，同时借助起重设备可以拔桩。 振动沉桩预制桩1－13m 灌注桩的施工方法沉管灌注桩沉管灌注桩是利用锤击或振动方法将带有预制混凝土桩尖（桩靴）的桩管（钢管）沉入土中成孔。当桩管打到要求深度后，放入钢筋骨架，边浇筑混凝土，边拔出桩管而成桩。施工工艺主要包括：就位→沉钢管→放钢筋笼→浇筑混凝土→拔钢管 缩径桩：也称缩孔桩、瓶颈桩，指桩身某部分桩径缩小。 离心预应力预制钢筋混凝土 人工挖孔桩 广州市亚洲大酒店人工挖孔桩 螺旋钻 螺旋钻孔灌注桩粘性土砂性土 预制桩优点：桩身质量易于保证，单桩承载力较高；缺点:（1）桩身规格、长度受限，接桩影响桩质量和承载力发挥；（2）打入或压入式沉桩存在挤土效应问题；（3）噪音污染(静压桩不存在此问题）、接、截桩麻烦。适用条件：（1）不需考虑噪音污染和震动影响的环境；（2）持力层上覆盖为较松软地层，无坚硬夹层；（3）持力层顶起伏变化不大，桩长易于控制；（4）水下桩基工程；（5）大面积打桩工程；（6）不宜穿越密实或稍密的砂层。（易折断，挤土明显） 灌注桩优点：桩长可随持力层起伏而变化；无接、截桩麻烦；仅承受轴压时不用配钢筋，需配置钢筋时按工作荷载要求布置；节约用钢量；直径大，单桩承载力大，比预制桩经济；承载力由桩身成型和混凝土质量保证。缺点：施工问题如局部夹土、混凝土离析、缩颈等；泥浆护壁污染环境适用条件：各种地基土 4.2.2桩的成型方式效应（设置效应）成型方式挤土作用桩周土桩承载力变化天然结构应力状态性质影响因素：粘性土－－扰动，强度降低1.土的类别无粘性土－挤密，强度提高2.土体性质（灵敏度、密实度、饱和度） 4.2.2桩的成型方式效应（设置效应） 挤土桩挤土效应对桩距的影响饱和土中的挤土桩产生超静孔隙水压力桩周土体隆起和侧移桩受拔力和横向推力预制桩邻桩抬起，挤斜，断裂。灌注桩邻桩颈缩，错位，断裂。所以，桩距宜大。非饱和土中的挤土桩桩周土部分压缩。挤土效应减小所以，桩距可小一点。 其它分类标准※材料※形状※尺寸软土层 ※按材料：木桩、混凝土、钢筋混凝土、钢管（型钢）桩、复合桩钢筋混凝土：普通混凝土、预应力混凝土（离心预制）、高强混凝土 ※按形状按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节（分叉）桩、扩底桩、支盘桩、微型桩按横断面：圆形，八边形，十字桩、X形桩 桩身 桩端Dd 横断面 ※按尺寸按断面(直径)的大小:大直径:d>800mm小直径:d<400(250)mm按长度(长径比)长桩:L>60m短桩:L<10m 桩的选型原则将荷载分配给承载力高，模量高的土层。提高单桩承载力。好土层很深，不易达到时，应设法让更多土层参与工作。如：扩大承台面积，加大桩长和桩距，采用变截面桩（好土中用大截面）考虑桩端利用好土夹层的可能性。采用绝对沉降和差异沉降较小的桩型。施工的难易程度和周边环境的限制。造价和工期。 单桩承载力的构成4.3.1单桩轴向荷载的传递机理桩侧阻力桩端阻力4.3桩的竖向承载力桩－土相互作用 竖向承载力的组成摩阻力所需位移很小端阻力需要较大位移摩阻力先于端阻力发挥上部土层摩阻力先于下部土层发挥不同阶段二者分担比不同Q/kNQsQpQS/mmQs桩侧摩阻力Qp桩端阻力1.桩身轴力和截面位移 1.桩身轴力和截面位移（1）单桩轴向荷载的传递 (2)建立单桩轴向荷载基本微分方程微元体材料力学静力平衡条件 (3)方程的运用由试验获得桩身轴力分布图，则可通过方程求出桩侧阻和截面位移分布图，研究侧阻与端阻的分布及发展。积分计算沿桩身轴力积分计算沿桩身截面位移量 2.影响荷载传递的因素4)桩的长径比：桩径比过大，影响桩端阻力的发挥，设计时不宜使桩长径比太大。1)桩端土和桩周土的刚度比：影响桩的承载性状承载性状1→100摩擦桩→端承桩2)桩土刚度比：影响桩端阻力分担荷载的大小。Ep／Es愈大，传递到桩端的荷载愈大低刚度桩基（砂桩、碎石桩、灰土桩），按复合地基设计3)桩端扩底直径与桩身直径之比：影响桩端分担荷载的大小；桩按长径比分类P128 1）桩侧摩阻力（1）桩侧摩阻力产生的原因：桩土相对位移（桩对土的位移、桩身压缩）；（2）桩侧摩阻力的计算3.桩侧摩阻力和桩端阻力 （3）摩阻力的分布qs摩阻力u为桩的周长S0Sp各点位移Q轴向力NSpS0SpSp （4）极限摩阻力影响因素：土层所在深度、土类及其性质、成桩方式、桩径、施工工艺（5）随着深度增加，砂土中存在临界深度侧阻的深度效应——当桩入土深度达某一临界深度后，侧阻就不随深度增加的现象称为侧阻的深度效应。打入预制桩：挤土作用超静孔隙水压力消散，土的触变性其他施工因素（6）粘性土的摩阻力有时效性 2）桩端阻力（1）产生原因：桩端土压缩（2）端阻深度效应端承力与深度有关，存在临界深度端阻的临界深度——当桩端入土深度小于某一临界值时，极限端阻随深度增加，而大于该深度后则保持恒值不变，这一深度称为端阻的临界深度。端阻的临界厚度——当桩端持力层下存在软弱下卧层时、且桩端与软弱下卧层的距离小于某一厚度时，桩端阻力将受软弱下卧层影响而降低，这一厚度称端阻的临界厚度。(3)土的极限端阻力影响因素土性下卧层持力层密度上覆荷载 桩土相对位移量与侧阻和端阻的发挥程度桩土相对位移达到10mm侧阻充分发挥桩土相对位移达到d/4(粘土）～d/12（砂土）端阻充分发挥 小结1.单桩轴向荷载传递的过程是桩侧摩阻力和桩端阻力发挥的过程。2.单桩轴向荷载传递的过程分析。3.桩的侧阻和端阻都随深度呈线性增大,但具有深度效应。4.随着桩顶荷载的逐级增加，桩截面的轴力、位移和桩侧摩阻力不断变化。5.桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截面位移值大得多。6.桩长对荷载的传递有重要的影响 4.单桩的破坏模式1）单桩的破坏模式影响因素桩周土的抗剪强度桩端支承情况桩的尺寸桩的类型 2）常见的单桩破坏模式屈曲破坏整体剪切破坏刺入破坏轴向荷载下基桩的破坏模式 (1)屈曲破坏※荷载--沉降(Q-S)关系曲线特征：呈“急进破坏”的陡降型※破坏模式特点：当桩底支承在坚硬的土层或岩层上，桩周土层极为软弱，桩身无约束或侧向抵抗力。桩在轴向荷载作用下，如同一细长压杆出现纵向挠曲破坏，其沉降量很小，具有明确的破坏荷载（图a)※桩的承载力取决于桩身的材料强度。※穿越深厚淤泥质土层中的小直径端承桩或嵌岩桩，细长的木桩等多属于此种破坏。 (2)整体剪切破坏※荷载--沉降(Q-S)关系曲线的特征：呈“急进破坏”的陡降型※破坏模式特点：当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层，达到强度较高的土层，且桩的长度不大时，桩在轴向荷载作用下，由于桩底上部土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体形成滑动面而出现整体剪切破坏。此时桩的沉降量较小，桩侧摩阻力难以充分发挥，主要荷载由桩端阻力承受，呈现明确的破坏荷载(图b)。※桩的承载力主要取决于桩端土的支承力。※一般打入式短桩、钻扩短桩等均属于此种破坏。 (3)刺入破坏※(Q-S)关系曲线特征：一般当桩周土质较软弱时,荷载～沉降(Q-S)关系曲线为呈“渐进破坏”的缓变型（图4-10B曲线）曲线，无明显拐点，极限荷载难以判断，桩的承载力主要由上部结构所能承受的极限沉降su确定；当桩周土的抗剪强度较高时，荷载～沉降(Q-S)关系曲线可能为陡降型，有明显拐点，桩的承载力主要取决于桩周土的强度。※破坏模式特点：当桩的人士深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向荷载作用下将出现刺入破坏，如图c所示。此时桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承受，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。※一般情况下的钻孔灌注桩多属于此种情况。 单桩的竖向承载力：是指单桩在竖向荷载作用下，桩土共同工作，地基土和桩身的强度和稳定性得到保证，沉降变形在容许范围内时所承担的最大荷载值。单桩的竖向承载力主要取决于两方面：一是地基土对桩的支承能力二是桩身的材料强度《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008)承载力特征值考虑施工工艺《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)承载力特征值未考虑施工工艺4.3.2单桩竖向承载力的确定 单桩的竖向承载力——在工作状态下桩所允许承受的最大荷载。也称单桩承载力特征值，用Ra表示。按桩身材料土对桩的支承力混凝土R=cfcAp钢筋混凝土R=cfcAp+fyAg静载荷试验经验公式注：当按桩身材料确定单桩竖向承载力时※低承台桩基，作为轴心受压构件，取纵向弯曲系数为1，不考虑纵向压曲影响；※高承台桩基、穿过厚粘土层的端承型桩，承台底面以下有可液化土层，考虑压曲影响。确定单桩竖向承载力的方法工作条件系数预制桩：0.75灌注桩：0.6~0.7 单桩竖向极限承载力单桩竖向承载力特征值桩侧总极限摩阻力桩端总极限阻力 基准柱确定的方法1.静载试验法—桩基现场测试的传统方法获得单桩承载力最可靠要求：在同一条件下的试桩数量，不宜少于总数的1％，并不应少于3根。挤土桩间歇时间：砂土7天粉土和粘性土15天饱和软粘性土25天次梁锚筋锚桩主梁千斤顶百分表 桩顶试验中 荷载～沉降（Q~s）曲线（2）取值方法：①Q~s曲线有明显陡降段时，取相应于陡降段起点的荷载值。②Q~s曲线为缓变型时，取桩顶s=40mm所对应的荷载值。③试桩数n>3，且极差ΔQU≤0.3Qum，取Qu=Qum；试桩数n≤3，Qu=Qumin（3）单桩竖向承载力特征值Ra的确定（1）作荷载～沉降（Q~s）曲线 2.确定竖向承载力特征值的规范经验公式Ra=qpaAp＋up∑qsiali(桩端阻力＋桩侧摩阻力) 嵌岩桩的破坏分为三个阶段：⑴弹性受荷阶段⑵裂隙开展阶段⑶破坏阶段3.嵌岩桩 3.嵌岩桩土层岩层QskQrkQrkRa=qpaAp《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008)《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002) 4.3.3竖向荷载下的群桩效应(一）基本概念1、群桩效应——在竖向荷载作用下，由于承台、桩、地基土的相互作用情况不同，群桩基础中一根桩的承载力发挥和沉降性状往往与相同情况下的独立单桩有显著差别，这种现象称为群桩效应。群桩效应的几种体现：（1）预制桩（沉桩）砂土、非饱和土和一般粘性土、填土有挤密作用，使承载力增加饱和粘土：超静孔压积累，地面上浮，先入桩上浮，土层扰动，使承载力降低（2）应力叠加桩底应力叠加，使承载力不足，总的沉降增加（3）桩之间互相调节个别桩承载力低总体上可互补，个别桩受荷，其他桩帮助传递荷载（4）承台可部分承受荷载 2、群桩效应系数η—群桩承载力Qg与基桩承载力之和∑Qi的比值。3、基桩—群桩中的一根桩。4、复合基桩—考虑承台底土阻力时群桩中的一根桩。5、复合桩基—由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基。6、非复合桩基—不考虑承台底土阻力的桩基。软土层 端承型群桩的桩底持力层刚硬、桩端贯入变形小，由桩身压缩引起的桩顶沉降不大，承台底面土反力很小。桩顶荷载集中通过桩端传给桩底持力层，桩侧阻力忽略不计，即不考虑桩端平面处的应力叠加现象。岩石土1、端承型群桩（二）群桩特性 端承型群桩受力特点1）承台分配给各桩桩顶的竖向荷载，其大部分直接传递到桩端。2）桩侧阻力分担荷载较小，传递到桩端平面应力重叠效应较小。3）桩端持力层较坚硬，承台底土反力小，故承台底土分担荷载的作用可忽略不计。4）群桩承载力等于个单桩承载力之和Qg=∑Qi群桩沉降等于单桩的沉降sg=si群桩效应系数η=15）端承型群桩无需计算沉降。6）桩端下存在软弱下卧层时，应进行相关的验算。 压力扩散深度s>6dS=(3-4)d2、摩擦型群桩应力叠加使桩底应力增加,使承载力不足,总的沉降增加 1）摩擦型群桩受力特点（1）在竖向荷载作用下，桩顶大部分荷载通过桩侧阻力传到桩周土和桩端土中，其余部分由桩端承受。由于桩端土的贯入变形和桩身弹性压缩，对低桩承台群桩，承台底也产生一定反力，分担一部分荷载，使承台底土、桩间土、桩端土都参与工作，形成承台、桩、土相互作用，使群桩的工作性质复杂。（2）群桩中基桩的性质明显不同于单桩，群桩承载力不等于单桩承载力之和，η可能小于1，也可能大于1，群桩沉降量则大于单桩的沉降量，这就是承台、桩、土相互作用的效应。 2）承台底面脱地（非复合桩基）（1）特点:①假设这种情况下承台下各基桩受力均匀，侧阻在桩端平面处引起应力叠加，则s群>s单;②承台底土不分担桩基荷载，故承载力=端阻+侧阻；③摩擦型群桩Q~s曲线属缓变型，η可能小于1、等于1或大于1。（2）影响η的因素①承台刚度；刚性承台下桩顶荷载分配：角桩最大中心桩最小边桩居中②地基土性质：中间桩最大③桩距s-----主导因素 3）承台底面贴地（复合桩基）（1）特点：①同承台底面脱地情况①；s群>s单②承台底面土分担桩基荷载，兼有浅基础作用；③承载力=端阻+侧阻+承台底面土阻力；（2）发挥承台底土的反力（此问题有待商榷）；（3）承台底面贴地引起的群桩效应：对桩侧阻力的削弱作用对桩端阻力的增强作用对土体侧移的阻挡作用 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:双曲线分布在动力荷载下(铁路桥梁);负摩擦力(地面下沉);端承桩情况下不考虑承台承载力 低承台磨擦型群桩基础的桩、承台、土共同作用概念：共同作用的三个阶段：第一阶段：荷载较小，各桩桩顶的平均荷载小于单桩极限承载力时，承台底面土反力很小。如果荷载不变，承台土反力还有进一步减小的趋势，而桩的反力有增加的趋势。第二阶段：当总荷载大于各桩极限承载力之和时，各桩可保持其极限承载力，其余增加的荷载全部由承台下土承受。此时承台下土进入共同工作状态。第三阶段：共同作用的极限承载力=全部桩的极限承载力+承台下全部土的极限承载力共同工作的产生条件：桩在达到极限承载力时能有较大刺入沉降。桩底土没有较大沉降。 考虑共同工作极限状态的低承台磨擦型群桩基础设计《桩基》考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值R：不考虑地震作用考虑地震作用时计算基桩所对应的承台底净面积承台总面积单桩桩身截面面积承台效应系数单桩竖向承载力特征值。 桩基竖向承载力取值小结地基规范中采用：单桩竖向承载力特征值Ra桩基规范中采用：单桩竖向承载力特征值Ra基桩或复合基桩竖向承载力特征值R没有考虑群桩效应，共同作用等细致的问题不考虑承台效应时：（端承型桩基，桩数少于4根的磨擦型柱下独立桩基等）考虑承台效应时：（按上页的要求计算）相当于不考虑侧阻与端阻的群桩效应系数，即原规范中ηs=ηp=1.0 4.4.1单桩沉降计算1、单桩沉降的组成（1）桩身弹性压缩引起；（2）桩侧阻力引起的桩端沉降；(侧阻以附加应力形式传递扩散到桩底下的土层中引起桩端沉降)。（3）桩端荷载引起。（4）桩尖刺入变形引起沉降。（刚体位移）2、计算（1）荷载较小时，按弹性理论；（2）荷载较大时，考虑塑性变形和时间效应。3、计算方法(1)荷载传递分析法；(2)弹性理论法；(3)剪切变形传递法；(4)有限单元分析法；(5)其他简化方法4.4桩基础沉降的计算 4.4.2群桩沉降的计算1、群桩沉降组成（1）桩间土压缩变形；（2）桩端平面以下土压缩变形；2、影响群桩沉降因素（1）桩几何尺寸、桩数、桩距、桩长桩基宽度与桩长之比；（2）成桩工艺（3）施工（4）土的性质与类别（5）荷载大小与作用时间（6）承台设置方式等影响因素众多，尚不能精确计算。沉降的群桩效应应在概念布桩时加以考虑 3、计算方法规范推荐方法——单向压缩分层总和法（不考虑桩间土的压缩变形对沉降的影响）式中各符号含义详见教材P142一般不计桩身压缩量及桩与土间的相对位移，以假想基础为刚性整体，验算桩端以下土沉降FlGB0A’ 当S6d，按假想实体深基础计算基底平面处的基底附加应力FlGb0A（1）考虑扩散作用——将应力扩散范围以内的桩、土以及承台作为实体深基础。此法对布桩不规则和桩距较大的稀疏桩群误差较大，此时应按下一种方法求解。 Fb0Gfkb0a0（2）不考虑扩散作用—扣除最外一圈桩的侧面积上作用的侧阻力，即扣除lGk 1.引起桩侧负摩阻力的条件是：桩侧土体下沉必须大于桩的下沉2.负摩阻力的产生原因(1)桩周附近地面大面积堆载(2)大面积降低地下水位(3)欠固结土,新填土(4)湿陷性黄土遇水湿陷(5)打桩引起的超静孔隙水压力消散正摩阻负摩阻4.5桩的负摩阻力桩土之间相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力。 对于下部为岩石的端承桩,可能全桩为负阻力；对于一般桩,因为桩土都有变形,视二者的相对位移量和方向lnNegative土位移Ss桩位移Sp-+摩阻力轴向力N3.桩侧负摩阻力的分布规律桩周土与桩截面沉降相等，两者无相对位移发生，其摩阻力为零，这种摩阻力为零的点称为中性点。中性点 对中性点位置和负摩阻力考虑方法的说明1.摩擦型桩：在负摩阻力作用下，桩的沉降加大，中性点随之上移，即负摩阻力，中性点与桩顶荷载处于动态平衡。简化假定：此时取假想中性点以上摩阻力为0验算基桩承载力。2.端承型桩：在负摩阻力作用下，桩不发生沉降或沉降很小，桩土无新的相对位移，故中性点位置基本不变。这时负摩阻力作为下拉荷载考虑。下拉荷载 中性点深度ln的确定(1)应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定。(2)经验方法软土持力层中性点 1）在预制桩表面涂一层沥青；沥青越软越厚为佳。2）对干作业成孔灌注桩加双层筒形塑料薄膜；3）对现场灌注桩也可在桩与土之间填充高稠度膨胀土泥浆等方法，来消除或降低负摩阻力的影响。4.减少桩侧负摩阻力影响的措施 4.9桩基础设计设计原则以概率理论为基础的极限状态设计法，以变形控制进行基础设计设计要求——安全、合理、经济对桩和承台：足够的强度、刚度和耐久性对地基：足够的承载力和不产生过量变形计算桩数：按正常使用极限状态，荷载效应的标准组合计算变形：按正常使用状态，荷载效应的准永久组合，不计入风荷载和地震作用确定承台高度、计算基础内力及配筋：按承载力极限状态，荷载效应基本组合设计荷载取值单桩承载力桩基沉降 No结构与地质资料桩型、桩长、桩距确定桩数n桩基中单桩承载力验算软弱下卧层验算实体深基础验算承台设计沉降计算桩基础的设计步骤 4.9桩基础设计一、必要的资料准备在设计之前，首先应通过调查研究，充分掌握一些基本的设计资料，其中包括上部结构的情况(如平面布置、结构型式、荷较大小以及构造和使用上的要求)、工程地质与水文地质勘察资料、基础材料的来源及施工条件(如桩的制作、运输、沉桩设备)等。并了解当地使用桩的经验，以供设计参考。 二、初步选择桩的类型、桩长及桩的截面尺寸等1.桩的类型2.桩的截面尺寸3.桩长4.桩端进入持力层的深度 粘土2d砂土1.5d碎石1.0d4d持力层软弱下卧层1、桩型选择的原则1）地质条件——选择桩型首要因素2）建筑条件——决定桩型的重要因素3）施工对周围环境的影响4）施工的可行性——选择桩型的前提条件5）经济分析2、桩长的确定（1）设计桩长的确定——关键是桩端持力层的选择桩端全断面进入持力层深度，依据各类持力层中成桩的可能性和尽可能提高桩端阻力的要求决定，一般为1~3倍桩径；坚硬持力层较厚且施工条件允许，宜达桩端阻力的临界深度；持力层较薄且有软弱下卧层，桩端下坚实土层厚度不宜小于4倍桩径。 (2)嵌岩桩或端承桩端部受力明显，应注意桩端下3倍桩径范围内应无软弱破碎和洞穴。(3)桩端应力扩散范围内无岩体临空面。注重桩基勘察超前钻 1）打入可塑或硬塑粘性土的摩擦型桩，沉桩深度宜按桩端设计标高确定，以最后贯入度作参考；2）打到基岩面或坚实土层的端承桩，沉桩深度宜按最后贯入度确定，以桩端设计标高作参考；3）大直径桩以取出岩碎屑为主，结合钻进速度等确定。(2)施工桩长的确定——考虑桩端设计标高和最后贯入度最后贯入度是指打桩结束以前每次锤击的沉入量，通常以最后每阵（10击）的平均贯入量表示。 三、确定单桩承载力四、确定桩的数量及其平面布置 选择最优的桩距就是合理布桩，这是使桩基设计做到经济和有效的重要一环。一般常用桩距为：s=3~4d桩距太大会增加承台的面积，使其体积和用料加大而不经济；桩距太小则会使摩擦桩基承载力降低，沉降加大，且给施工造成困难。桩的边距s1（桩的中心至承台边的距离）一般不小于桩的直径，亦不得小于300mm。2.确定桩距s 3.桩的平面布置－－确定承台尺寸在确定桩数、桩距和边距后，根据布桩的原则，选用合理的排列方式，尺寸。（1）布置原则:①力求使桩基中各桩受力比较均匀:作用在板式承台上荷载的合力作用点，应与群桩横截面的重心相重合或接近；②桩基在承受水平和弯矩较大方向有较大的抵抗矩，以增强桩基的抗弯能力。 图8.13横墙下“探头桩”的布置外密内疏（桩承台外围布桩间距较小、而内部布桩间距较大）布置探头桩 （2）排列方式行列式梅花式桩的平面布置示例（a）柱下桩基；（b）墙下桩基 五、桩基承载力验算桩顶荷载简图 1.桩顶荷载计算（1）轴心竖向力作用下:（2)偏心竖向力作用下:（3)水平力作用下: 2.单桩承载力验算（1）轴心竖向力作用下:（2）偏心竖向力作用下:（3）水平力作用下: 对于抗震设防区，地震作用效应组合：（单桩竖向受震承载力提高25%）(1)轴心竖向力作用下:(2)偏心竖向力作用下: 3.群桩验算对于桩数较多，桩距较小的摩擦群桩，桩端处地基中各桩传来的压力将互相重合，桩端处压力比单桩时大得多，桩端以下压缩土层的影响深度也比单桩大。此时群桩中各桩的工作状态与单桩时迥然不同，其承载力不等于各单桩承载力之和，沉降量则大于单桩的沉降量。这就是所谓的群桩效应。由于具有群桩效应，除验算单桩承载力外还应进行桩端地基的强度和变形验算。 软弱下卧层验算(08桩基规范）验算条件:1.桩距不超过6d的群桩。2.软弱下卧层承载力低于持力层1/3。现象：有软弱下卧层时，荷载引起的局部压力将超出其承载力过多时，将引起软弱下卧层的侧向挤出，桩基偏沉，甚至整体失稳。 将桩基视为整体基础：Flb0tzG深度修正后的下卧层承载力 对规范公式的说明：1.传至桩端的荷载，按扣除实体深基础外表面总极限侧阻力的3/4。这是主要考虑到荷载传递机理，在软弱下卧层承载力达到临界状态时前，一般沉降较多，桩基位移较大，基桩侧阻平均值已接近于极限。2.压力扩散角与《02地基规范》一致，原则是持力层刚度越大，扩散角越大。3.下卧层承载力只进行深度修正。（1）下卧层受压区应力分布不均，内大外小，不应做宽度修正（为什么？联系宽度修正原理）（2）承台以上土体可能与承台脱开，因此深度修正系数从承台底算到下卧层顶部。深度修正系数取1.0 六、桩基承台设计桩基承台的设计包括确定承台的材料、底面标高、平面形状及尺寸、剖面形状及尺寸以及进行受弯、受剪、受冲切和局部受压承载力计算，并应符合构造要求。 1.构造要求承台形状方形、矩形、三角形、多边形、圆形最小宽度500mm最小厚度300mm桩外缘距离承台边150mcm边桩中心距离承台边1.0d且不得小于300mm桩嵌入承台大桩横向荷载100mm,小桩50mm,钢筋伸入承台30d混凝土标号C20,保护层70mm,当有混凝土垫层时，不应小于40mm。1.0d150mm100mm 2.承台的计算承台计算包括受弯、受剪、受冲切及局部受压承载力计算。受弯计算的结果→承台的钢筋配置受冲切和受剪计算→承台的厚度 (1)受弯计算①柱下独立桩基承台(板式承台)的弯矩计算板式承台的弯矩计算模式取决于承台的受弯破坏模式。根据模型试验得到板式承台的弯矩破坏模式。最大弯矩产生于平行柱边两个方向的屈服线处。利用极限平衡原理即可导出两个方向的承台正截面弯矩计算公式。②墙下条形桩基承台(梁式承台)的弯矩计算梁式承台的内力，考虑承台梁与上部墙体的协同作用，按倒置的弹性地基梁计算弯矩和剪力。计算时先求得作用于梁上的荷载，然后按普通连续梁计算其弯矩和剪力。对“交替”二字的理解。 (2)受冲切计算aixaiyc1c2F45oh0柱对承台的冲切角桩对承台的冲切Fh045o对大于等于45度的理解 (3)受剪切计算柱下桩基独立承台应分别对柱边、变阶处和桩边连线形成的斜截面进行受剪计算。当柱边外有多排桩形成多个剪切斜截面时，尚应对每个斜截面进行验算。桩基承台的抗剪计算，类似于小剪跨比条件下深梁。axh0bx (4)局部受压计算对于柱下桩基承台，当混凝土强度等级低于柱的强度等级时，应按现行结构设计规范要求验算承台的局部受压承载力。 七、单桩设计1.单桩计算桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求。计算中应按桩的类型和成桩工艺的不同将混凝土的轴心抗压强度设计值乘以工作条件系数φc，桩身强度应符合下式要求：桩轴心受压时Q≤Apfcφc(4-87) 2.单桩构造(1)最小配筋率:0.8％(打人式预制桩)；0.6％(静压预制桩)；0.2％~0.65%(灌注桩,小直径桩取大值)(2)配筋长度：①受水平荷载和弯矩较大的桩，配筋长度应通过计算确定。②桩基承台下存在淤泥、淤泥质土或液化土层时，配筋长度应穿过淤泥、淤泥质土层或液化土层。③坡地岸边的桩、8度及8度以上地震区的桩、抗拔桩、嵌岩端承桩应通长配筋。④柱径大于600mm的钻孔灌注桩，构造钢筋的长度不宜小于桩长的2／3。 九、桩的质量检验1)开挖检查2)抽芯法3)声波检测法4)动测法八、绘制施工图，编写必要的设计说明 本章小结1、桩基础通过桩身与桩周土层的相互作用，将上部结构荷载传递到地基深部土层，与浅基础相比，具有较高的承载力和较强的稳定性。2、桩按其承载性状、施工方法和成桩方法的效应分类。3、单桩竖向承载力的确定取决于桩身材料强度和土对桩的支承力，设计时两者应同时兼顾。4、负摩阻力将使桩身轴力增大、桩的承载力减小、桩的沉降增大，在设计时应充分重视。5、群桩由于桩-土-承台的共同作用而较单桩的工作特点更为复杂。摩擦型群桩在设计时应考虑群桩效应的影响。6、桩基础设计时根据承载力极限状态和正常使用极限状态的要求，进行荷载取值及必要的计算和验算。