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1、第4章 桩基础,本章教学目标：1 了解桩基础的使用，熟悉桩基础的设计内容、设计原则、分类及成桩效应；2 了解桩基础单桩传递机理，熟悉掌握桩基础竖向承载力的确定，熟悉群桩效应；3 了解单桩沉降计算，了解群桩沉降计算及小桩负摩阻力的概念及产生条件。4 掌握桩基础承台设计，熟悉桩基础设计步骤及施工图绘制。,4.1概述深基础：埋深较大，以下部坚实土层或岩层作为持力层的基础。作用：把所承受的荷载相对集中地传到深部土层。适用：当浅层土质不满足承载力和变形要求，不适宜采取地基处理方法。深基类型：桩基础，地下连续墙，沉井。,4.1.1 桩基础的使用,1、桩：是设置于土中的竖直或倾斜的柱型基 础构件。2、桩基：

2、桩与连接桩顶和承接上部结构的承台组成的深基础，简称桩基。3、基桩：群桩中的单桩。4、承台：将各桩联成一整体，把上部结构传来的荷载转换、调整分配于各桩，由桩传到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。,桩受竖直力由桩周土层桩侧摩阻力和桩媏 力来承受；桩水平力由桩侧土层侧向阻力来支承。5、单桩基础：采用一根桩，以承受上部结构(柱)荷载的基础。6、群桩基础：由2根以上桩组成的基础。7、复合桩基：由桩和承台底地基共同承担荷载的桩基。桩基应用：以有百年历史，承载力高、稳定性好，沉降均匀的特点，在不良土上修建建筑，普遍应用的基础形式。,8、下列情况易采用桩基础,1）天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物

3、；2）承载力基本满足要求、但沉降量过大，需利用桩基础减少沉降的建筑物；3）重型工业厂房和荷载很大的建筑物；4）软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑；5）作用有较大水平力和力矩的高耸结构物的基础或需以桩承受水平力或上拔力的其他情况；6）需要减弱其振动影响的动力机器基础，或以桩基作为地震区建筑物的抗震措施；7）地基土有可能被水冲刷的桥梁基础；8）需穿越水体和软弱土层的港湾与海洋建筑物基础。,4.1.3 桩基设计原则,桩基是由桩、土和承台共同组成的基础，设计时应考虑三者共同作用。各部作用起多大，取决于桩变形。桩基按极限状态设计法设计，应满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。建筑桩基分三个

4、安全等级。桩基设计应进行下列计算和验算：,1、所有桩基础都应进行承载能力计算,计算内容包括：1)、按使用功能，受力特征进行 竖向(压.拔)和水平承载力计算,不宜超过承载力特征值。某些条件下群桩基础宜考虑桩.土、承台共同作用；2)、桩身及承台进行承载力计算桩身露出地面或桩侧为可液化土、极限承载小于50KPa（或不排水抗剪强度小于10KPa）土层中的细长桩尚应进行桩身压屈验算；对混凝土预制桩尚应按施工阶段,吊装.运输,锤击作用进行强度验算；3）、柱端平面以下存在的软下卧层时应验算软弱下卧车层承载力；4)、对位于坡地、岸边的桩基应进行桩基稳定性验算；5）、按现行抗震设计规范规定进行抗震验算。,2、下

5、列桩基应进行变形验算：1)、桩端持力层为软弱土的一,二级桩基以及桩端持力层为粘土,粉土或存在软弱下卧层一级建筑桩基,应验算沉降并考虑上部结构与基础共同作用.沉降不超过建筑沉降允许值；2）、受水平荷载较大或对水平变位要求严格的一级建筑桩基应验算水平位移。,3、下列桩基应进行桩身和承台抗裂和裂缝宽度验算：根据使用条件要求混凝土不得出现裂缝的桩基应进行抗裂验算；使用上需限制裂缝宽度的桩基应进行裂缝宽度验算。4、建于软土上的一、二级建筑桩基施 工 过程和使用期间必须进行沉降观 测直到 稳定。,4.1.4 桩基设计内容,桩基设计包括下列基本内容：1、桩的类型及几何尺寸的选择；2、单桩竖向（和水平向）承载

6、力的 确定；3、确定桩的数量、间距和平面布置；4、桩基承载力和沉降验算；5、桩身结构设计；6、承台设计；7、绘制桩基施工图。,4.2 桩的类型,4.2.1 桩基的分类1、按承台与地面相对位置分：低承台桩基：承台底面位于地面以下。用于工业与民用建筑 高承台桩基：承台底面高出地面。用于桥梁、水利。,不同的分类标准,(一)按承台 承台:将几个桩结合起来传递荷载（二）按桩对土层作用效应（三）材料（四）形状（五）承载机理（六）按尺寸（七）施工方法,二 桩的分类,(一)按承台 承台:将几个桩结合起来传递荷载高承台桩 承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥低承台桩 承台在地面以下,承台本身承担部分荷载,低承台 桩

7、,高承台桩,（二）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,（三）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,（四）按尺寸,按断面(直径）的大小：大直径:d80cm;小直径d60m（3):长桩；L10m短桩 L/（：桩的特征长度）,（五）按桩对土层作用效应：,1 挤土桩：桩周土被挤密或挤开，周围土层严重扰动，结构破坏。粘土由于重塑扰动降低强度；非密实无粘性土由于振动挤密，强度提高。打入或压入的预制桩 Prefabricated pile

8、、封底钢管桩、沉管灌注桩。2 少量挤土桩：桩周土层受较少扰动，土的结构和工程性质变化不明显。小截面H型钢桩、型钢桩、开口式钢管桩、螺旋桩。3 非挤土桩：桩孔内土被取出。土体应力松弛 各种挖孔桩、钻孔桩等现场灌注桩 Cast in place,(六)按荷载传递方式,（1）竖直荷载：端承桩、摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩Q=Qp+QsTip resistance,Skin friction端承桩 主要由桩端承受极限荷载,桩不长,桩端土坚硬摩擦桩 主要由桩侧壁与土的摩擦力承受极限荷载,桩长,深,端承桩,摩擦桩,（七）按桩施工方法,成桩方法1 预制桩 Prefabricated pile 挤土桩2 现

9、场灌注桩 Cast in place 非挤土桩,1 预制桩2 现场灌注桩,气锤打入振动沉桩静压桩,引孔,部分挤土,大面积地面隆起不引孔,挤土桩,成孔方法,人工挖孔螺旋钻正反循环地下水以下泥浆护壁冲击,夯扩,爆破沉管灌注,浇注法,省,易泥皮,虚土,断桩,水上水下其他,离心,预应力,工厂,现场,振动沉桩预制桩113m,Pile Point,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,2.2 扩底桩,人工挖孔扩孔桩（芝加哥法）,UK英国,1.0-3.0 m,0.6-0.9 m,爆破扩底桩,挤扩桩（支盘桩）,2、按桩性状分,1）摩擦型桩：是指桩顶竖向荷载由桩侧阻力与桩端阻

10、力共同承受，但侧阻力分担荷载较多的桩。一般摩擦型桩的桩端持力层多为较坚实的粘性土、粉土和砂类土，且桩的长径比很大。例 桩长径比很大，桩端土软弱，桩端有残留虚土，打桩时桩上抬。为摩擦桩。2）端承型桩：荷载由侧阻力和端阻力共同承担，端阻力大，持力层以中砂土、碎石土、风化岩。L/d0.5d嵌岩桩,3、根据施工方法的不同，可分为预制桩和灌注桩两大类。根据所用材料的不同，预制桩可分为混凝土预制桩、钢桩和木桩三类。预制桩混凝土预制桩 截面方形或圆形，桩径300500mm，预制地点：现场为25-30m工厂12m，大于12m现 场连接，可焊接接桩、法兰连接桩、硫磺胶泥 接桩。配筋受起吊、吊立、沉桩等应力控制，

11、用钢量大，可采用预应力。钢桩 H型钢桩和钢管桩,预制桩起吊和吊立弯矩图,法兰,桩制作,桩制作,编钢筋龙,方桩,管桩,预制桩的沉桩方式,锤击法:桩锤击入，适用于松散碎石土,砂土可塑粘土,噪声大,应考虑周围环境影响。振动法:振动锤振入,用于可塑粘土、砂土,土抗剪强度降低.砂土中用钢桩较好静压法:静力压桩机压入土中 无噪声、无冲击力、无震动,用于短桩,灌注桩,在桩位直接成孔，放入钢筋龙，浇灌混凝土。按使用阶段配筋，用钢较省.持力层顶高低不同时桩长可施工时控制，必须保证成孔质量。1）钻孔灌注桩:钻孔,土排出，清孔底残渣 放钢筋龙，浇混凝土 常用桩径600650 mm，桩长1030m采用泥浆护壁大直径1

12、5003000m,下钢套管 护壁.多种功能:钻进,冲击,磨岩 扩大桩底功能，施工速度快可进入岩层.,钻孔灌注桩,2）沉管灌注桩 锤击沉管打桩机和振动沉管打桩机将带有桩尖及活瓣桩尖钢管沉入土中成孔,浇灌混凝土，拔出钢管安放钢筋笼。桩径300500(275,325)长20m施工速度快,宜出现缩颈,离析,可打入硬塑粘土,中粗 砂层.,沉管灌注桩,3)挖孔桩 人工控孔和机械挖孔,用于大直径0.83.5m挖深1m喷射混凝土护壁(小直)和下套管(大直径)长度30m.L8m 0.8m直径，8L15 1.0m直径，15L20 1.2m直径，D/d不宜大于3 优点:孔底清的干净,施工简单,孔内空间小，注意流砂情

13、况,4）爆扩灌注桩就地成孔后,在孔底放炸药,浇一些混凝土,炸开扩大孔底。桩径200-350,扩底2-3倍，桩长4-6m4.按桩径大小分:大 直径桩d800mm 中直径桩25010，长桩 L/d40，超长桩L/d100。,6、按桩成桩方式:,1)挤土桩:打入时将桩位大量土排挤开,因土层震动,土结构遭破坏，土性质有变化。粘性土,由于重塑作用降低了抗剪强度,非密实无粘性土由于振动挤密使抗剪强度提高,2)部分挤土桩:土原状结构和工程性质变化不大,开口钢管 H型钢3)非挤土桩.钻孔桩将桩体积相同土挖出,土没有排挤,应力松弛 侧阻力减少。,1)因荷载制宜”即上部结构传递给基础的荷载大小是控制单桩承载力要求

14、的主要因素。2)因土层制宜”，即根据建筑物场地的工程地质条件、地下水位状况和桩端持力层深度等，通过比较各种不同方案桩 结构的承载力和技术经济指标，选择桩的类型。3)因机械制宜”，即考虑本地区桩基施工单位现有的桩工机械设备；如确实需要从其他 地区引进桩工机械时，则需要考虑其经济合理性。,选桩原则,4）因环境制宜”，即考虑设桩过程中对环境的影响，例如打入式预制桩和打入式灌注桩的场合，就要考虑振动、噪声以及油污对周围环境的影响；泥浆护壁钻孔桩和埋入式桩就要考虑泥水、泥土的处理，否则会造成对环境的不利影响。5）因造价制宜”，即采用的桩型，其造价应 比较低廉。6）因工期制宜”，当工期紧迫而环境又允许，可

15、采用打入式预制桩，因其施工速度快；再如施工条件合适，也可采用人工挖孔桩，因该桩型施工作业面可增多，施工进程也较快。,在选择桩型和工艺时，应对建筑物的特征(建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、建筑物的安全等级等)、地形、工程地质条件(穿越土层、桩端持力层岩土特性)水文地质条件(地下水类别、地下水位标高)、施工机械设备、施工环境、施工经验、各种桩施工法的特征、制桩材料供应条件、造价以及工期等进行综合性研究分析后，并进行技术经济分析比较，最后选择经济合理、安全适的桩型和成桩工艺。,4.2.2 桩的成型方式效应,1、挤土桩的成桩效应 挤土作用，将使桩周土扰动重塑、侧向压应力增加，其桩端附近土也会受到

16、挤密。土性质不同，挤土差别很大。粘性土与非粘性土、饱和和非饱和状态，松散与密密实状态，其挤土效应差别较大。一般来说 松散的非粘性土挤密效果好，密实或饱和粘土挤密效果小。,1）粘土中挤土桩成桩效应 饱和土沉桩时，桩侧土受到挤压、重塑、扰动。扰动程度分三个区：重塑区，部分扰动区和非扰动区（区、区为塑性区，半径一般为2.5-5倍桩径，区为 弹性区）。重塑区因受沉桩过程的竖向向挤压作用而充分扰动重塑。沉桩引起的超孔隙水压力在桩土界面附近最大，但当瞬时超孔隙水压力超过竖向或侧向有效应力时便会产生水力劈裂而散，因此成桩过程的超孔隙水压力一般稳定在土的有效自重压力范围内。,由于沉桩引起的挤压应力、超孔隙水压

17、力在桩土界面最大，因此在不断产生相对位移、粘聚力较小的桩土界面上将形成一水膜，降低了沉桩贯入阻力。在桩表面形成了排水通道，使靠近桩土界面的土层快速固结、并随静置和固结时间的延长强度快速增长，逐步形成一紧贴于桩表面的硬壳层。当桩受竖向荷载产生竖向位移时，其剪切面将发生在、区的交界面，因而桩侧阻力取决于区土的强度。由于区土强度也因固结、触变作用而最终超过天然状态，因此，粘土中的挤土效应将使桩侧阻力增加。虽然挤土塑性区半径与桩径成正比增大，但桩土界面的最大挤土压力仅与土强度、模量和泊松比有关。因此，挤土量达某一临界值后增强效应不再变化。,2）砂土中挤土桩的成桩效应 非密实砂土中的挤土桩，桩周土因侧向

18、挤压使部分颗粒被压碎及土颗粒重新排列而趋于密实。在松散至中密的砂土中设置挤土桩，桩侧可达3-5.5倍桩径，桩端下可达2.5-4.5倍桩径。因此，非密实砂土中挤土桩的承载力增加是由打桩引起的相对密实增加所造成的。,3）饱和粘性土中挤土摩擦型桩承载力的时间效应，增长幅度与桩径、桩长有关，桩径越大、桩越长，增长幅度越大。群桩增长时间长、增长幅度大，且群桩中桩愈多，时效引起的承载力增量愈大。,2非挤土桩的成桩效应 在成孔过程中，随着孔壁侧向应力的解除，桩周土将出现侧向松弛变形而产生松弛效应，导致桩周土体强度削弱，桩侧阻力随着降低。桩侧阻力的降低幅度与土性、有无护壁、孔径大小等因素有关.,4.3 桩的竖

19、向承载力,4.3.1 单桩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,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,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

20、，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/EsEp/Es愈大，传到桩端荷载愈大，但当Ep/Es超过1000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/dD/d 愈大，桩端阻

21、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

22、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

23、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,4.3.2 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

24、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,4.3.3 竖向荷载下的群桩效应,群桩效应：群桩基础中的一根桩单独受荷时的承载力和沉降性状，往往与相同地质条件和设置方法的同样独立单桩有显著差别，这种现象称为群桩效应。群桩效应参数：来衡量群桩基础中各根单桩平均承载力比独立单桩降低（1）的幅度。,1、端承型群桩基础,端承型桩基的桩底持力层刚硬，桩端贯入变形较小，由桩身压缩引起的桩顶沉降不大，因而承台底面土反力小，桩顶荷载基本上集中

25、通过桩端传给桩底持力层，并近似地按某一压力扩散角向下扩散。且在距桩底浓度为h=(s-d)/2（tan）之下产生应力重叠，但不足以引起坚实持力层明显的附加变形。因此，端承型基础中各根单桩的工作性状与单桩相近，群桩基础承载力等于各根单桩承载力之和，群桩效应系数=1。,2、摩擦型群桩基础,2、摩擦型群桩基础1）承台底面脱地的情况 桩顶荷载主要通过桩侧阻力引起压力扩散角范围内桩周土中附加压力。D=d+2Ltan s D 时，各桩在桩端平面上的应力因各邻桩扩散应力的相互重叠而增大。所以，磨擦型沉降大于独立单桩。群桩效率系数可能小于1，也可能大于1。,群桩效应受下列因素影响而变化。a.承台刚度的影响，刚性

26、承台下的桩顶荷载分配一般是角桩最大，中心桩最小、边桩居中。b.基土性质影响，摩阻力增值都以中间桩为大，边桩、角桩相对较小，其分配趋势恰与承台刚度的影响相反，致使桩顶分布趋于均匀。,c.桩距的影响 常用桩距s=3d4d sD s6d 接近单桩所以桩距是影响摩擦型群桩基础的主要因素。,2)承台底面贴地的情况(复合桩基)单桩复合单桩.承台分担荷载既然是以桩基的整体下沉为前提，那么，只有在桩基沉降不会危及建筑物的安全和正常使用、且承台底与软土直接接触时，才宜于开发利用承台底土反力。,由承台贴地引起的群桩效应可概括为下列三方面a.对桩侧阻力削弱作用：b.对桩端阻力增强：c.对基土侧的阻挡作用：对发挥台底

27、土反力的有利因素是：桩顶荷载水平高、柱端持力层可压缩、承台底面下土质好、桩身细而短、布桩少而疏。一般说来，bc/L(桩长)取1.02.0时，可明显提高带桩筏基的整体承载力。,4.3.4 减沉桩基,当天然地基承载力已基本接近于满足要求,但沉降不满足时,用桩来减小沉降量和弥补承载力不足.1）荷载承台担60%-70%.2）桩端进入较好土层,并满足下卧层承载力.3）桩距按4d-6d布桩.4）验算沉降.5)验算桩土承载力.,4.4 桩基础沉降计算,4.4.1 单桩沉降的计算1、竖向荷载作用下的单桩沉降组成：1）桩身弹性压缩引起桩顶沉降；2）桩侧阻力引起的桩周土中的附加应力以压力扩散向下传递，使桩端下土体

28、压缩而产生桩端沉降；3）桩端荷载引起桩端下土体压缩产生的桩端沉降。上述三分量计算，都必须知道桩侧、桩端应分担的荷载比以及桩端阻力沿桩身的分布图式。而上与桩长度、及桩与土压缩性土剖面及荷载水平及持续时间相关。,2、桩端位移（刚体位移）,单桩沉降计算方法主要有下述几种：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；,4.4.2 群桩沉降计算：,1、群桩沉降组成：1）桩间土的压缩变形（桩身压缩、桩端贯入变形）。2）桩端平面以下土层受群桩荷载共同作用产生整体压缩变形。2、群桩验算采用两种方法：1）将单桩沉降折减后乘桩数；2）将群桩外围内的土看成是一个实体基础，来进行验算；

29、,3）我国地基基础设计规范推荐的方法,不考虑桩间土的压缩变形对沉降的影响，采用单向压缩分层总和法计算。桩端平面以下第j层第i分层竖向附加压力,桩下土分层,实体基础计算（桩距6d）,实体深基底面与桩基齐平，基底压力应为桩底平面处附加压力。,实体基础,1）考虑扩散作用：,2)不考虑扩散作用：,相对于荷载效应准永久组合时，桩承台上竖向力；,4.5 桩负摩擦力问题,4.5.1 桩负摩擦条件和原因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

30、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。,4.5.2 负摩擦阻力计算,1、单桩负摩擦阻力计算(1)中性点的位置 中性点的位置取决于桩与桩侧土的相对位移，原则上应根据桩沉降与桩周土沉降相等的条件确定。但影响中性点位置的因素较多，与桩侧土的性质和外界条件（堆载、降水、浸水等）变化有关。目前多采用近似方法，见表4-4。(2)负摩阻力的强度1）对软土和中等强度粘土，可按太沙基建议的方法，取：,4.5.2 负摩擦阻力计算,2)根据产生负摩阻力的土层中

31、点的竖向有效覆盖压力,按下式计算:,(3)下拉荷载的计算 下拉荷载为中性点深度范围内负摩阻力的累计值，可按下式计算：,4.5.2 负摩擦阻力计算,2、群桩负摩擦阻力计算(1)计算等效圆半径 群桩效应可按等效圆法(远腾，1969)计算，即假设独立单桩单位长度的负摩阻力。由相应长度范围内半径形成的土体重量与之等效：,4.5.2 负摩擦阻力计算,4.5.2 负摩擦阻力计算,(2)计算群桩效应系数 矩形面积：,圆面积：,负摩阻力的群桩效应系数：,4.5.2 负摩擦阻力计算,(3)计算群桩中任一单桩的极限负摩阻力：,群桩中任一单桩的下拉荷载：,4.5.3 减小负摩擦阻力的工程措施,1、预制桩 有下沉土层

32、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，在浇砼可自由活动。,4.6 桩的水平承载力,4.6.1 水平荷载作用下桩工作性状 水平荷载作用下桩工作性状取决于桩土之间的相互作用。依据桩土相对刚度的不同，水平荷载作用下的桩分为：刚性桩：桩短，周围土较弱，桩土相对刚度大，破坏发生于桩周土中，桩转动。弹性桩：桩土相对刚度低，桩身发生绕曲变形，桩下段嵌固土中不能转动。,桩破坏图,4.6.2 水平荷载作用下弹性桩计算,水平荷载作用下弹性桩的分析计算方

33、法主要有地基反力系数法、弹性理论法、有限元法。1、介绍地基反力系数法：应用文克勒地基模型，把承受水平荷载的桩视为弹性地基中竖直梁，通过求解梁的挠曲微分方程来计算桩身内力。1）基本假定-深度z处的水平抗力；-水平抗力系数；-水平位移。,不同方法Kx分布图,(1)常数法：假定地基水平抗力系数沿深度为均匀分布，我国常用此法来分析基坑支护结构。(2)“k”法：假定在桩身第一挠曲零点(深度t处)以上按抛物线变化，以下为为常数。(3)“m”法：假定随深度成正比地增加，即：(4)“C值”法：假定 随深度按 的规律分布，即：实测资料表明，m法(当桩的水平位移较大时)和c值法(当桩的水平移较小时)比较接近实际。

34、,2“m”法计算参数 单桩在水平荷载作用下所引起的桩周土的抗力不仅分布于荷载作用平面内，而且，桩的截面形状对抗力也有影响。计算时简化为平面受力，因此，取桩的截面计算宽度b。(单位为m)如下：方形截面桩：实际宽度b1m b1m 圆形截面桩：桩径d1m d1m,计算参数简化成平面受力：Kf形状换算系数 K0受力换算系数 K桩间相互影响系数 b0计算宽度,计算桩身抗弯刚度EI时，桩身的弹性模量E，对于混凝土桩，可取,按m法计算时，地基水平抗力系数的比例常数m，如无试验资料，可参考表4-6。,刚性桩与弹性桩,桩的入土深度 桩的相对刚度较大，为刚性桩。反之为弹性桩水平变形系数,3、“m”法单桩计算,单桩

35、的桩顶荷载，假定平均分配在各桩上,桩挠曲微分方程,水平变形系数。E 取0.85EC,单桩内力图,桩的内力计算,桩的内力计算,地面x0处，以,桩的内力计算,摩擦型桩、端承型桩x0、0的计算,忽略桩与桩底土间的摩擦,摩擦型桩、端承型桩x0、0的计算,又,解以上联立方程得：,桩的内力计算,桩的内力计算,上式中：,桩的内力计算,对于弹性桩，Mh几乎为0，且Kh对计算结果影响极小,桩的内力计算,上式中：,嵌岩桩x0、0的计算,如果桩底嵌入岩石足够深度，则有：,边界条件,桩的内力计算,桩的内力计算,上式中：,桩身最大弯矩,换算深度,，,时,桩顶位移计算,置于非岩石地基中的桩，已知桩露出地面长l0，若桩顶点

36、为自由端，其上作用了Q及M，顶端的位移可应用叠加原理计算。设桩顶的水平位移为x1。桩在地面处的水平位移x0、地面处转角0所引起在桩顶的位移0 l0、桩露出地面段作为悬臂梁桩顶在水平力Q作用下产生的水平位移xQ以及在M作用下产生的水平位移xm组成，即：,4.6.3 单桩水平静载荷试验,1试验装置,4.6.4 单桩水平承载力特征值,确定单桩水平承载力的方法，以水平静载荷试验最能反映实际情况。此外,也可根据理论计算，从桩顶水平位移限值、材料强度或抗裂验算出发加以确定。有可能时还应参考当地经验。(1)单桩的水平承载力特征值应通过现场单桩水平载荷试验确定，必要时可进行带承台桩的载荷试验，试验宜采用慢速维

37、持荷载法。(2)对于混凝土预制桩、钢桩、桩身全截面配筋率大于0.65的灌注桩，根据静载试验结果取地面处水平位移为10mm(对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm)所对应的荷载为单桩水平承载力特征值。,(3)对于桩身配筋率小于0.65的灌注桩，取单桩水平静载试验的临界荷载为单桩水平承载力特征值。(4)当缺少单桩水平静载试验资料时，可按下列公式估算桩身配筋率小于0.65的灌注桩的单桩水平承载力特征值：,(5)当缺少单桩水平静载试验资料时，可按下式估算预制桩、钢桩、桩身配筋率大于0.65的灌注桩等的单桩水平承载力特征值：,4.7 桩的平面布置原则,4.7.1 一般原则 桩的平面布置可采用对称式、梅

38、花式、行列式和环状排列。1、为使桩基中各桩受力均匀，群桩横截面的重心应与竖向永久载荷合力的作用点重合或接近。2、桩距3-4倍桩径，太大增加承台用料，太小加大柱沉降量，施工困难。对于大面积桩群，尤其是挤土桩，桩的最小中心距宜按表列值适当加大。,桩布置图,4.8 桩承台的设计,1、作用：将各桩联成一整体，把上部结构的荷载转换、调整、分配于各桩。2、分类：柱下独立承台、墙下条形承台、筏板承台和箱形承台。3、承台设计内容 选择承台的材料及强度等级；几何形状及其尺寸；进行承台结构承载力计算；满足构造要求。,4.8.1 构造要求,承台,4.8.2 柱下桩基独立承台,1、受弯计算a）柱下多桩矩形承台的配筋不

39、足情况下将产生弯曲破坏，其破坏特征呈梁式破坏。所谓梁式破坏，指挠曲裂缝在平行于柱边两个方向交替出现，承台在两个方向交替呈梁式承担荷载，最大弯矩产生在平行于柱边两个方向的屈服线处.,矩形承台,b）弯矩计算,截面应取柱边或承台高度变化处MxMy 垂直于Y轴截面和X轴方向计算截面处的弯矩设计值；Ni 扣除承台和其上填土自重后相应于荷载效应基本组合时的第i桩竖向力设计值；Xi，Yi垂直于Y，X轴方向自柱轴线到相应计算截面的距离。,Ni计算-荷载效应基本组合时的第i桩竖向力设计值,轴心（F-竖向力设计值，n-桩数）偏心Xi，yi-桩i到通过桩群形心y、x轴的距离,Ni计算中的xi yi,2）柱下三桩三角

40、形承台,a）等边三桩承台,M由承台形心至承台边缘距离范围内板 带的弯矩设计值；Nmax扣除承台和其上填土自重后的三桩中相应于荷载效应基本组合时的最大单桩竖向力设计值；s桩距；c方柱边长，圆柱时c=0.866d,2、受冲切计算,当桩基承台有效高度不足时，承台将发生冲切破坏。承台冲切破坏的方式，一种是柱对承台的冲切，另一种是角桩对承台的冲切。冲切破坏锥体斜面与承台底面的夹角大于或等于45度，柱边冲切破坏锥体的顶面在柱与承台交界处或承台变阶处，底面在桩顶平面处；而角桩冲切破坏锥体顶面在角桩内边缘处，底面在承台上方或变阶处。,冲切破坏,1)柱对承台的冲切,承载力冲切系数冲跨比,冲切破坏,2）角桩对承台

41、的冲切,多桩矩形承台受角桩冲切的承载力计算,冲切破坏,三桩三角形承台受角桩冲切的承载力计算：,底部角桩顶部角桩,3、受剪切计算,柱下桩基独立承台应分别对柱边和桩边、变截面和桩边联线形成的斜面进行受剪计算。当柱边外有多排桩形成多个剪切斜截面时，尚应对每个截面进行验算。斜截面受剪承载力可按下列公式计算：,公式计算参数,V 扣除承台和其上填土自重后的相应于荷载效应基本组合时斜截面的最大剪力力设计值 剪切承载力截面高度影响系数 剪切系数 计算截面剪跨比 承台计算截面处计算宽度,等截面承台,阶梯形承台,对于阶梯形承台应分别在变阶处及柱边处进行斜截面受剪计算。,锥形承台,对于锥形承台应对A-A及B-B两个

42、截面进行受剪承载力计算，截面有效高度均为ho，截面的计算宽度按下式计算：,4、局部受压计算,当承台的混凝土强度等级低于柱或桩的混凝土强度等级时，尚应验算柱下或桩上承台的局部受压承载力。,计算参数,-局部压力设计值-混凝土强度影响系数(C50-C80,取1-0.8)-局部受压强度提高系数-混凝土轴心抗压强度设计值-局部受压 净面积-局部受压计算底面积-局部受压 面积,4.9 桩基础设计步骤,桩基设计应符合安全、合理和经济的要求。对桩和承台来说，应有足够的强度、刚度和耐久性；对地基来说，要有足够的承载力和不产生过量的变形。大多数桩基的首要问题在于控制沉降量，即桩基设计应按桩基变形控制设计。,4.9

43、.1 必要的资料准备,桩基设计前必须具备的资料主要有：1、建筑物类型及其规模；2、岩土工程勘察报告；3、当地施工机具和技术条件；4、环境条件；5、检测条件及施工经 验,4.9.2 选定桩型确定单桩竖向及水平力,1、桩的类型、截面和桩长的选择 预制桩和灌注桩 环境，施工条件当地常规截面 荷载桩长，持力层端承型 硬层不深 摩擦型 硬层较深打入桩入土深度按桩端设计标高和最后贯入度二方面控制。一般要求最后二、三阵的平均贯入度为1030mm/阵。,2、确定单桩竖向及水平承载力,桩的类型和几何尺寸确定之后，应初步确定承台底面标高。季节性冻土上的承台埋深，应考虑地基上的冻胀性的影响，并应考虑是否需要采取相应

44、的防冻害措施。,4.9.3 桩的平面布置及承载力验算,1、桩的根数和布置1）桩的根数独立柱：偏心受压时，对于偏心距固定的桩基，如果桩的布置使得群桩横截面的重心与荷载合力作用点重合，则仍可按上式估定桩数，否则，桩的根数应按上式确定的增加1020。2）桩在平面上的布置,2、桩基承载力验算,1）桩顶荷载（标准组合）2）单桩承载力验算,2）单桩承载力验算,非地震地震区 不论桩周土的类别如何，单桩的竖向受震承载力均可提高25%。对于搞震设防区必须进行抗震验算的桩基，可按下列公式验算单桩的竖向承载力：,其它验算,3）桩基软弱下卧层承载力验算4)桩基沉降计算(甲、乙级在软土层上)5）桩基负摩阻力验算摩擦型桩

45、基 取桩身计算中性点以上侧阻力为零，按下式验算单桩承载力：,桩基负摩阻力验算,摩擦型桩基当土层不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时，尚应将负摩阻力引起的下拉荷载计入附加荷载验算桩基沉降。端承型桩基,4.9.4 桩身结构设计,桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求。桩轴心受压时-桩竖向力设计值-工作条件系数(预制0.75,灌注0.6-0.7)打入式预制桩的最小配筋率不宜小于0.8；静压预制桩的最小配筋率不宜小于0.6；灌注桩最小配筋率不宜小于0.20.65。,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

46、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）桩径大于600mm的钻孔灌注桩，构造钢筋的长度不宜小于桩长的2/3。,4.9.5 柱承台设计,1、受弯计算2、受冲切计算3、剪切计算 4、局压计算,4.9.5 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。,附：圆形正截面受弯承载力计算,沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩（下图）,附：圆形正截面受弯承载力计算,其正截面受弯承载力可按下列公式计算：,解上面的联立方程可得：全部纵向钢筋截面面积 As 受压区砼截面圆心角与2的比值 受拉纵筋与全部纵筋面积的比值 t,