[工学]土力学及基础工程第八章-桩基础.ppt

第八章 桩基础 8.1 概述 8.2 桩和桩基的分类及质量检测 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 群桩基础计算 8.6 桩基础设计 如果建筑场地浅层的土质不能满足建 筑物对地基承载力和变形的要求、而又不 宜采取地基处理措施时，就需要考虑以下 部坚实土层或岩层作为持力层的深基础方 案。桩基础是应用最为广泛的一类深基础 。 8.1 概述 一、概述 u桩基础是最古老的基础型式之一。在人类有历史记载以前，就已经在地基土条件 不良的河谷及洪积地区采用桩基础来建造房屋；在许多不同文化时期的初期，都可 以找到桩基础的房屋。 u1982年在智利发掘的文化遗址所见到的桩，距今大约有1200014000年。 u我国最早的桩基础距今大约有7000多年，是在浙江宁波附近的河姆渡，作为古代 木结构建筑的基础是有圆木桩、方木桩和板桩组成的桩基础。圆木桩直径在68cm 之间，板桩厚2.44.0cm，宽1050cm，木桩均系下部削尖，入土深度最深达115 cm。这是最早的桩的雏形。 u我国秦代的渭桥、隋朝的郑州超化寺、五代的杭州湾大海堤、南京的石头城和上 海的龙华塔等，都是我国古代桩基础的典范。 桩基技术发展的历史阶段 阶阶段年代主要桩桩型特点 初期 阶阶段 人类类有历历史 记载记载 以前（ 我国7000多 年前）19 世纪纪 木桩桩 石桩桩 1.由天然材料制作而成 ，桩桩身较较短，桩桩径小 ； 2.桩竖桩竖 直设设置，主要用于传递竖传递竖 向荷载载； 3.多设设置于地基条件不良的河谷及洪积积地区 4.采用简单简单 人工锤锤打沉桩桩。 发发展 阶阶段 19世纪纪中叶 20世纪纪20 年代 除天然材料做成的桩桩外 ，主要是混凝土桩桩和钢钢 筋混凝土桩桩 1.受水泥工业业出现现及其发发展的影响； 2.桩桩型不多，开始使用打桩桩机械沉桩桩； 3.桩桩基设计设计 理论论和施工技术术比较简单较简单 ，处处 于“萌芽”阶阶段； 4.桩桩身尺寸有所扩扩大，桩桩径约约30cm，桩长桩长 9 15m； 5.土力学的建立为桩为桩 基技术术的发发展提供了理 论论基础础。 现现代 化阶阶 段 第二次世界 大战战后现现 在 除钢钢筋混凝土桩桩外，发发 展了一系列的桩桩系，如 钢桩钢桩 系列、水泥土系列 、特种桩桩（超高强度、 超大直径、变变截面等） 系列，以及天然材料的 砂桩桩、灰土桩桩和石灰桩桩 等。 1.发发展了众多的新型的桩桩型，形成现现代桩桩基 的各种不同体系； 2. 桩桩基技术术和理论论引进进了其它学科的先进进 的研究成果，大大地拓宽宽了它的研究领领域和 深度，桩桩的应应用范围围大大扩扩展； 3.人工沉桩桩被复杂杂的机械和专门专门 化的工艺艺代 替。 浅基础：施工简单，造价低。有时承载力、变形 等不能满足要求 桩基础：承载力高，沉降小，稳定性好。不需大 范围的开挖（支护、降水）。施工较为复杂，造 价较高。 深基础: 埋置深度比较大，而且往往需要采用特 殊的施工方法做成的基础。 深基础与浅基础的区别： 1）埋置深度比较大； 2）施工方法特殊； 3）荷载传递方式与浅基础有明显差异。 u桩完全或部分设置于土面以下， 可通过其侧壁和下端将荷载传至周围 土体和深层地基的竖直或倾斜状的受 力杆件。 u桩基础以桩为主体构成的深基础 ，简称桩基。是由基桩和连接于桩顶 的承台共同组成。承台把桩联结起来 并承受上部结构的荷载，然后通过桩 传递到地基中去。 具有承载力高、沉降小而均匀、用料 较省、机械化程度高而且能够广泛适 用于各类地层条件的突出优点。 造价相对较高。在基础选型时，一般 应优先选用浅基础。 桩与桩基础的概念 桥梁工程中的桩基础 二、桩基础的适用性 1、地基上层土的土质太差而下层土的土质较好；或地基土 软硬不均；或荷载不均，不能满足上部结构对不均匀变形限 制的要求。 2. 地基软弱或地基土性特殊，采用地基改良和加固措施不 合适。 3. 除承受较大竖向荷载外，尚有较大的偏心荷载、水平荷 载、动力或周期性荷载作用。 4. 上部结构对基础的不均匀沉降相当敏感；或建筑物受到 大面积地面超载的影响。 5. 地下水位很高，采用其它基础型式施工困难；或位于水 中的构筑物基础。 6. 需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。 三、桩基设计内容 1.选择桩的类型和几何尺寸； 2.确定单桩竖向和水平向承载力设计值； 3.确定桩的数量、间距和布桩方式； 4.验算桩基的承载力和沉降； 5.桩身结构验算； 6.承台设计； 7.绘制桩基施工图。 四、桩基设计的基本原则 u建筑桩基技术规范规定，建筑桩基采用概率极限状 态设计法。 1）承载能力极限状态 2）正常使用极限状态 u建筑桩基按其破坏后果的严重性分为三个安全等级（表 8.1）。 u建筑桩基按其安全等级和地基的土质情况进行不同内容 的验算 建筑桩基设计等级 u甲级 （1）重要的建筑 （2）30 层以上或高度超过100m 的高层建筑 （3）体型复杂且层数相差超过10 层的高低层(含纯地下室)连体建筑 （4）20 层以上框架核心筒结构及其他对差异沉降有特殊要求的建筑 （5）场地和地基条件复杂的7 层以上的一般建筑及坡地、岸边建筑 （6）对相邻既有工程影响较大的建筑 u乙级-除甲级、丙级以外的建筑 u丙级-场地和地基条件简单、荷载分布均匀的 7 层及7 层以下的一般建 筑 8.2 桩和桩基的分类及质量检测 1. 桩基的分类 u按桩的数量分类 1）单桩基础 2）群桩基础 u按承台位置分类 1）高承台桩基 2）低承台桩基 低承台桩基:桩身全部埋于土中，承台底面 与土体接触的桩基础。 高承台桩基:桩身上部露出地面，承台底面 位于地面以上的桩基础。 低承台桩基高承台桩基 高承台、低承台 8.2 桩和桩基的分类及质量检测 1. 桩基的分类 u按承台形式分类 1）板式承台（矩形、三角形） 2）条形承台（十字交叉、环形） 3）沉井、箱形、筏板 建筑工程中的桩基础 沉井与桩基的组合 8.2 桩和桩基的分类及质量检测 2. 桩的分类 （1）按使用功能分类 （2）按承载性状分类 （3）按施工方法分类 （4）按桩的材料分类 （5）按桩的直径分类 （6）按桩的设置效应分类 （1）按使用功能分类 竖向抗压桩：以承受竖向抗压荷载为主的桩，包括摩擦桩 、端承桩和中间类型的桩。 竖向抗拔桩：主要承受竖向上拔荷载的桩。 水平受荷桩：主要承受水平荷载的桩。 复合受荷桩（也称为纵横弯曲桩）：承受竖向和水平 荷载均较大的桩。 （2）承载性状分类 l 摩擦桩：软土层很厚 ，桩端达不到坚硬土 层或岩层上，桩顶的 极限荷载主要靠桩身 与周围土层之间的摩 擦力来支承，桩尖处 土层反力很小，可忽 略不计。 l 端承桩：桩穿过软弱 土层，桩端支承在坚 硬土层或岩层上，桩 顶极限荷载主要靠桩 尖处坚硬岩土层提供 的反力来支承，桩侧 摩擦力很小，可以忽 略不计。 （2）承载性状分类 l 摩擦端承桩:桩顶的 极限荷载由桩侧阻力 和桩端阻力共同承担 ，但主要由桩端阻力 承受。 l 端承摩擦桩:桩顶的 极限荷载由桩侧阻力 和桩端阻力共同承担 ，但主要由桩侧阻力 承受。 （3）按桩的材料分类 混凝土桩：包括普通钢筋混凝土桩和预应 力钢筋混凝土桩。 钢桩：常用钢管桩和H型桩。 木桩：用木材制作而成,目前很少使用。 组合桩：用两种或两种以上材料做成的桩 。可因地制宜加以选取。 （4）按桩的直径分类 大直径桩：桩径d800mm。承载力较高。除大直径钢 管桩外，多数为钻、冲、挖孔灌注桩。通常用于高层或重 型建（构）筑物的基础。 中等直径桩：250mm80)，可取s6080mm对应的荷载。 u 也可根据沉降随时间的变化特征确定Qu，取 s-lgt曲线尾 部出现明显向下弯曲的前一级荷载值作为Qu。 3. 按试验成果确定单桩承载力 单桩 Q-s 曲线 单桩 s-logt 曲线 建筑桩基规范提出，当按双桥探头静力触探资料 确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值Quk时，对 于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算： Quk qcAp uli i fsi 粘性土和粉土 i 10.04（fsi）-0.55 砂性土： i 5.05（fsi）-0.45 三、按静力触探法确定 四、按经验公式法确定 例题1 某厂房边柱地质剖面及工程性质指标如图，作用在基 础顶面的荷载值为：F2100kN， M120kN.m（作用于长边方向） ，H40kN，采用截面为300300mm的预制混凝土方桩，桩长8m， 桩尖进入坚硬粘土层0.9m，试求单桩承载力特征值。 F M 杂填土 软塑粘土 可塑粘土 1500 硬塑粘土 900 2600 4400 V 300 900 300 900 300 450 450 300 1 2 3 64 5 例题1 某厂房边柱地质剖面及工程性质指标如图，作用在基础 顶面的荷载值为：F2100kN， M120kN.m（作用于长边方向）， V40kN，采用截面为300300mm的预制混凝土方桩，桩长8m，桩 尖进入坚硬粘土层0.9m，试求单桩承载力特征值。 F M 杂填 土 软塑粘土 可塑粘土 1500 硬塑粘土 900 2600 4400 V 300 900 300 900 300 450 450 300 F M 杂填土 软塑粘土 可塑粘土 1500 硬塑粘土 900 2600 4400 V 8.6 群桩基础计算 u 群桩的工作特点 u 群桩的竖向承载力特征值 u 桩顶作用效应简化计算 u 基桩竖向承载力验算 u 桩基软弱下卧层承载力验算 u 桩基沉降验算 1. 端承型群桩基础 n桩侧摩阻力不易发挥，各 桩端的压力没有重叠 n群桩基础的承载力就等于 各单桩的承载力之和 n群桩的沉降量也与单桩基 本相同 一、群桩的工作特点 2. 摩擦型群桩基础 u（1）桩间距大，桩底压应力不 叠加 u（2）桩间距小桩底压应力叠加 u群桩基础中因承台、桩和土三者相互影响而导致群桩基础 与单桩在工作状态上的差异称为群桩效应。 u群桩基础中桩的极限承载力问题与桩的间距、土质、桩数 、桩径、入土深度以及桩的类型和排列方式等因素有关。 群桩效应 二、群桩的竖向承载力特征值 (1). 不考虑承台效应的承载力特征值 n群桩中的一根桩称为基桩，单桩及其对应面积的承台下 地基土组成的复合承载基桩。 (2). 复合基桩的承载力特征值 对于一般建筑物和受水 平力较小的高大建筑物，当 桩基中各桩的桩径相同时， 可假定： .承台是刚性的； .各桩刚度相同； . x、y是桩基平面的惯性 主轴。 三、桩顶作用效应简化计算 四、基桩竖向承载力验算 五、桩基软弱下卧层承载力验算 六、桩基沉降验算 例题2 某厂房边柱地质剖面及工程性质指标如图，作用在基础顶面 的荷载值为：F2100kN， M120kN.m（作用于长边方向）， V40kN，采用截面为300300mm的预制混凝土方桩，桩长8m，桩 尖进入坚硬粘土层0.9m，试求单桩承载力特征值。并进行单桩承载 力验算。 300 900 300 900 300 450 450 300 F M 杂填 土 软塑粘土 可塑粘土 1500 硬塑粘土 900 2600 4400 V 8.7 桩基础设计 进行调查研究，场地勘察，收集有关资料； 确定桩基持力层； 选择桩型及成桩工艺，确定桩的类型、外形尺寸和构造； 确定单桩承载力特征值； 根据上部结构荷载情况，初步拟定桩的数量和平面布置； 初步拟订承台的轮廓尺寸及承台底标高； 验算作用于单桩上的竖向和横向荷载； 验算承台尺寸及结构强度； 必要时验算桩基整体承载力和沉降量，当持力层下有软弱下卧 层时，验算软弱下卧层的地基承载力； 单桩设计，绘制桩和承台的结构及施工图。 设计内容和步骤 一、收集资料 二、选择桩型及成桩工艺 1.桩的根数 u初步估算桩数时，当桩基为轴心受压时，桩数n按下式 估算 u偏心受压时，应按轴心受压确定的桩数增加1020 三、桩数及桩位布置 2. 桩位的布置 n布置时应尽可能使上部荷载的中心与桩群的横截面形心 重合或接近，使桩基中各桩受力比较均匀， n尽可能将桩布置在靠近承台外围部分，增加桩基横截面 的惯性矩。（外密内疏） n保持桩距在表3.3.3-1最小桩距之外 桩的平面布置 (a) 柱下桩基；(b) 墙下桩基 四、桩身截面强度计算 双点起吊时 单点起吊时 u桩基承台可分为柱下独立承台、柱下或墙下条形承台（梁式承台） ，以及筏板承台和箱形承台等。 u承台的作用是将桩联结成一个整体，并把建筑物的荷载传到桩上 u承台应有足够的强度和刚度 五、承台设计 承台厚度及强度计算 承台的强度计算包 括受冲切、受剪切、局 部承压及受弯计算。承 台厚度一般按抗冲切和 抗剪切条件确定，可先 按抗冲切计算，再按抗 剪切复核；承台配筋通 常按抗弯条件确定。 柱下承台的冲切 承台厚度及强度计算 承台的强度计算包 括受冲切、受剪切、局 部承压及受弯计算。承 台厚度一般按抗冲切和 抗剪切条件确定，通常 可先按抗冲切计算，再 按抗剪切复核；承台配 筋通常按抗弯条件确定 。 承台斜截面受剪计算 承台厚度及强度计算 承台的强度计算包 括受冲切、受剪切、局 部承压及受弯计算。承 台厚度一般按抗冲切和 抗剪切条件确定，通常 可先按抗冲切计算，再 按抗剪切复核；承台配 筋通常按抗弯条件确定 。 u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 混凝土结构设计规范(GB50010-2002) 验算承台的局部受压承载力。当需要进 行承台的抗震验算时，尚应根据现行 建筑抗震设计规范的规定对承台的受 弯、受剪切承载力进行抗震调整 u受弯计算 承台的受弯计算方法同于一般梁板 。 六、验算作用于单桩上的竖向荷载 1. 荷载效应基本组合 基桩竖向承载力验算 2. 地震作用效应组合 七、桩基软弱下卧层承载力验算 F=1500KN 杂填土 软质粘土 饱和软粘土 2000 粘土 2000 4500 H=50KN500 M=300KNm 例题3 实验大厅地质 剖面及工程性质指标 如图，作用在基础顶 面的荷载标准值为： F1500kN， M300kN.m（作用于 长边方向），H50kN ，拟采用截面为 300300mm的预制混 凝土方桩，承台混凝 土强度等级为C20，配 置II级钢筋，试设计该 桩基础（不考虑承台 效应）。 F M 杂填土 软质粘土 饱和软粘土 2000 粘土 1500 2000 4500 V500 例题3 实验大厅地质 剖面及工程性质指标 如图，作用在基础顶 面的荷载标准值为： F1500kN，