桩基础工程经典讲义.ppt

1,第六章 桩基础,参考资料： 1.地基及基础 四校合编第三版 2.简明建筑基础计算与设计手册 张季容，朱向荣编 3.建筑地基基础 吴湘兴主编 4.建筑地基基础设计规范gb50007-2002 5.建筑桩基技术规范jgj94-2008 6.建筑基桩检测技术规范jgj106-2003,j256-2003 7.桩基工程手册1995年第一版 8.主编，基础工程学第一版，北京大学出版社,2,第六章 桩基础,6.1 概述 6.2 基桩的分类 6.3 单桩轴向荷载的传递 6.4 基桩与复合基桩竖向承载力特征值的确定 6.5 桩基计算 6.5.1桩顶作用效应计算与竖向承载力验算 6.5.2桩基沉降计算 6.5.3承台计算 6.6 桩基设计与构造要求 6.6.1桩的选型、桩数及布置 6.6.2变刚度调平设计 6.6.3软土地基减沉复合疏桩基础 6.6.4桩的耐久性要求 6.6.5桩基构造要求 6.7 桩的质量检测,3,6.1概述 一、基本概念,桩基：由设置于岩土中的桩和与桩顶联结的承台共同组成的基础或由柱与桩直接联结的单桩基础。桩基础中的单桩称为基桩。,4,一、基本概念,复合桩基 ：由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础。 复合基桩：单桩及其对应面积的承台底地基土组成的复合承载基桩。,5,二、桩基础的特点与作用,桩是竖直或微倾斜的基础构件，横截面尺寸远小于长度方向。 荷载传递：桩侧摩擦阻力+桩端阻力，或：通过桩身将横向荷载传递给土体。,(1) 桩侧与土体接触，将荷载传递给桩周土体，或荷载传给深层的岩(砂、硬粘土)层； (2) 对液化地基，桩穿越液化层，增加结构抗震能力； (3) 桩侧竖向刚度大，桩穿越高压缩土层，沉降要求高的结构满足安全和使用要求； (4) 桩具有很大的侧向刚度和抗拔力，抵抗台风、地震等巨大水平力； (5) 改变地基基础的动力特性，提高地基基础自振频率，减少振幅，保证结构及设备正常运行。,6.1概述,6,三、桩基的适用性：, 天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物； 天然地基承载力基本满足要求、但沉降量过大，需利用桩基减少沉降的建筑物，如软土地基上的多层住宅建筑，或在使用上、生产上对沉降限制严格的建筑物； 重型工业厂房和荷载很大的建筑物，如仓库、料仓等； 软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物； 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，或需以桩承受水平力或上拔力的其它情况； 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； 地基土有可能被水流冲刷的桥梁基础； 需穿越水体和软弱土层的港湾与海洋构筑物基础，如栈桥、码头、海上采油平台及输油、输气管道支架等。,6.1概述,7,桩基的部分应用,8,1.选择桩的类型和几何尺寸。 2.确定单桩竖向（或水平向）承载力特征值。 3.确定桩数，桩距及平面布置方式。 4.验算桩基承载力和变形。 5.桩身结构设计。 6.承台与基础梁的设计。 7.绘制施工图,6.1概述 四、桩基础设计内容,9,1.岩土工程勘察资料。 2.建筑场地与环境条件的有关资料。 3.建筑物有关资料。 4.施工条件有关资料。 5.供设计比较用的各种桩型及其他实施的可行性。,6.1概述 五、桩基设计应具备资料,10,一）桩基础应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。 二）桩基设计等级见下表：,6.1概述 六、桩基设计基本规定（jgj94-2008）,11,三）桩基应根据具体条件分别进行下列承载能力计算和稳定性验算： 1、应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行竖向（抗压或抗拨）承载力计算和水平承载力计算。 2、应对桩身和承台结构承载力（抗冲切、抗剪切、抗弯）进行；对于桩侧土不排水抗剪强度小于10kpa且长径比大于50 的桩，应进行桩身压屈验算；对于混凝土预制桩，应按吊装、运输和锤击作用进行桩身承载力验算；对于钢管桩，应进行局部压屈验算； 3、当桩端平面以下存在软弱下卧层时，应进行软弱下卧层承载力验算； 4、对位于坡地、岸边的桩基应进行整体稳定性验算。 5、对于抗浮、抗拔桩基，应进行基桩和群桩的抗拔承载力计算； 6、对于抗震设防区的桩基，应进行抗震承载力的验算。,12,四）下列建筑桩基应进行沉降计算： 1、设计等级为甲级的非嵌岩桩和非深厚坚硬持力层的建筑物桩基。 2、设计等级为乙级的体型复杂，荷载分布显著不均匀或桩端平面以下存在软弱土层的建筑桩基。 3、软土地基多层建筑减沉复合疏桩基础。 桩基沉降不得超过建筑物的沉降允许值。 五）对受水平荷载较大，或对水平位移有严格限制的建筑桩基，应计算其水平位移。 六）应根据桩基所处的环境类别和相应的裂缝控制等级，验算桩与承台的正截面的抗裂和宽度验算。,13,6.1概述 七、桩基设计采用的作用效应、抗力,1 布桩时，荷载效应采用标准组合；抗力为基桩或复合基桩承载力特征值。 2 计算沉降和水平位移时，按荷载效应准永久组合。计算水平地震和风载引起的水平位移时，按荷载效应标准组合。 计算桩基结构承载力时，采用荷载效应基本组合。 验算坡地、岸边桩基整体稳定性时，采用荷载效应标准组合（由于采用综合安全系数）。 地震设防区，采用水平地震作用效应和荷载效应标准组合。,14,一、按桩的承载性状分类 二、按成桩方法分类 三、按桩径（设计直径d）大小分类 有些文献中还有按桩的使用功能分类、按使用的材料分类等方法。,6.2 基桩的分类,15,一、按桩的承载性状分类:端承型桩、摩擦型桩,端承型桩是指桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受的桩。端承型桩包括端承桩和摩擦端承桩两类。当桩侧阻力很小可以忽略不计时，称为端承桩。,摩擦型桩是指桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受的桩。摩擦型桩包括摩擦桩和端承摩擦桩。当桩端阻力很小可以忽略不计时,称为摩擦桩。,桩端阻力,桩侧阻力,16,端承型桩：其桩端一般进入中密以上的砂类、碎石类土层，或位于中风化、微风化及新鲜基岩顶面。这类桩的侧摩阻力虽属次要，但不可忽略。 端承桩：桩的长径比较小（一般ld10），桩身穿越软弱土层，桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中风化、微风化及未风化硬质岩石顶面（即入岩深度hr0.5d）。,嵌岩桩：当桩端嵌入完整和较完整的中风化、微风化及未风化硬质岩石一定深度以上（hr 0.5d)时, 称为嵌岩桩。工程实践中，嵌岩桩一般按端承桩设计。但这并不意味着嵌岩桩不存在侧阻和嵌岩阻力。,17,摩擦型桩：桩端持力层多为较坚实的粘性土、粉土和砂类土，且桩的长径比不很大。,摩擦桩：具备下列条件之一时： 桩的长径比很大，桩顶荷载只通过桩身压缩产生的桩侧阻力传递给桩周土，因而桩端下土层无论坚实与否，其分担的荷载都很小； 桩端下无较坚实的持力层； 桩底残留虚土或残渣较厚的灌注桩； 打入邻桩使先设置的桩上抬、甚至桩端脱空等情况。,桩承载性状的变化不仅与桩端持力层性质有关，还与桩的长径比、桩周土层性质以及成桩工艺等有关。,18,二、按成桩方法分类：1、预制桩和灌注桩,(1)预制桩,木桩，混凝土预制桩，钢桩。,常用松木，长46m，桩径160260mm，多用于软弱地基上的民宅和小型建筑物。应打入地下水位以下0.5m。要确保桩端进入硬持力层。,19,混凝土预制桩,普通混凝土预制桩、预应力混凝土管桩（pc）、预应力高强混凝土管桩（phc）、预应力砼空心方桩。,普通混凝土预制桩截面边长一般为300500mm。可以在工厂生产，也可在现场预制。现场预制桩的长度一般在2530m以内，工厂预制桩的分节长度一般不超过12m，沉桩时在现场连接到所需长度。,20,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。经高压蒸气养护生产的为预应力高强混凝土管桩（代号为phc桩），其桩身离心混凝土强度等级不低于c80；未经高压蒸气养护生产的为预应力混凝土管桩（代号为pc桩），其桩身离心混凝土强度等级c60 c80 。 常用的phc、pc管桩的外径为300600mm，分节长度为713m，沉桩时桩节处通过焊接端头板接长。桩的下端设置十字型桩尖、圆锥型桩尖或开口型桩尖。,21,锤击法沉桩施工工艺 沉桩前的准备工作： 认真处理高空、地上和地下障碍物。 对现场周围(50m以内)的建筑物作全面检查。对危房进行必要的处理。 对建筑物基线以外46m以内的整个区域及打桩机行驶路线范围内的场地进行平整、夯实。在桩架移动路线上，地面坡度不得大于1%。 修好运输道路，做到平坦坚实。打桩区域及道路近旁应排水畅通。 在打桩现场或附近需设置水准点，数量为两个，用以抄平场地和检查桩的入土深度。根据建筑物的轴线控制桩定出桩基每个桩位，作出标志，并在打桩前，应对桩的轴线和桩位进行复验。 打桩机进场后，应按施工顺序铺设轨垫，安装桩机和设备，接通电源、水源，并进行试机。然后移机至起点桩就位，桩架应垂直平稳。,22,沉桩施工要点： (1) 桩帽与桩接触的表面应平整，与桩身应在同一直线上。 (2) 当桩吊起就位后，要缓缓放下，插入土中，进行桩位和垂直度校正后，并在桩身侧面或桩架上设置标尺，做好记录，才能开始施打，开始时应起锤轻压或轻击数锤，待锤以及桩身等垂直度一致后，即可转入正常施打。 (3) 沉桩时如桩顶不平，可用麻袋或厚纸板等垫平。 (4) 打桩顺序； (5) 桩停止锤击的控制原则：桩端位于一般土层时，以控制桩端设计标高为主，贯入度可作参考；桩端过到坚硬、硬塑的粘性土、粉土、中密以上砂土、碎石类土以及风化岩时，以贯入度控制为主，桩端标高作参考。,23,建设部行业标准预应力砼空心方桩jg197-2006 预应力砼空心方桩kfz，c60 预应力高强砼空心方桩hkfz，c80 薄壁预应力砼空心方桩tkfz，c60 边长3001000mm 相比管桩，承载力更高，成本低，抗震性好，更易成桩。,砼预制桩主要优缺点： 桩身质量好，施工工期短。 桩径较小，穿透能力有限，配筋量较大。,24,钢桩,h型钢桩，下端开口或闭口的钢管桩,h型钢桩的横截面大都呈正方形，截面尺寸200200360410mm翼缘和腹板的厚度为926mm。h型钢桩贯入各种土层的能力强，对桩周土的扰动亦较小。由于h型钢桩的横截面面积较小，因此能提供的端部承载力并不高。,钢管桩的直径一般为4003000mm，壁厚为650mm，国内工程中常用的大致为4001200mm，壁厚为920mm。端部开口的钢管桩易于打入（沉桩困难时，可在管内取土以助沉），但端部承载力较闭口的钢管桩小。,25,钢桩的穿透能力强，自重轻、锤击沉桩的效果好，承载能力高，无论起吊、运输或是沉桩、接桩都很方便。但钢桩的耗钢量大，成本高，抗腐蚀性能较差，须做表面防腐蚀处理，目前我国只在少数重要工程中使用。,工程实例杭州湾跨海大桥全长36km，打设钢管桩5475根，桩径15001600mm，壁厚2023mm，l=7189.35m。,26,（2）灌注桩 灌注桩是直接在所设计桩位处成孔，然后在孔内加放钢筋笼（也有省去钢筋的）再浇灌混凝土而成。,适用于各种地基土，桩端可进入中、微风化岩层； 桩径可较大，配筋量小； 桩长可按要求确定； 桩身质量相对较差。,特点：,27,1)沉管灌注桩 沉桩方式： 锤击、振动、振动冲击。,桩径：300500mm。 桩长：20m以内。,施工设备简单，沉桩进度快，成本最低，但很易产生缩颈（桩身截面局部缩小）、断桩、局部夹土、混凝土离析和强度不足等质量问题。,特点：,28,沉管灌注桩,29,沉管灌注桩桩靴.,30,2）钻（冲、磨）孔灌注桩,国内： 桩径6002500mm， 桩长70m。,特点：,桩端能进入微风化硬质岩石。 成本高；现场不够环保（泥浆护壁时）。,桩径大；能克服流砂、消除孤石等障碍物；,31,3)挖孔桩,桩径0.82m（广州新电视塔用 了24根，桩径1m-2m)， 桩长宜小于30m。,32,人工挖孔桩,33,挖孔桩的优点： 可直接观察地层情况，孔底易清除干净，设备简单，噪声小，场区各桩可同时施工，桩径大，适应性强，桩端可以入岩，又较经济； 缺点： 桩孔内空间狭小、劳动条件差，可能遇到流砂、塌孔、有害气体、缺氧、触电和上面掉下重物等危险而造成伤亡事故，在松砂层（尤其是地下水位下的松砂层）、极软弱土层、地下水涌水量多且难以抽水的地层中难以施工或无法施工。,34,二、按成桩方法分类： 2、 按挤土效应分类,(1)挤土桩实心的预制桩，下端封闭的管桩，木桩，沉管灌注桩,挤土桩在锤击、振动贯入或压入过程中，都将桩位处的土大量排挤开因而使桩周土层受到严重扰动，土的原状结构遭到破坏，土的工程性质有很大变化。粘性土由于重塑作用而降低了抗剪强度，孔隙水压力升高（土体固结后强度会更高）；而非密实的无粘性土则由于振动挤密而使抗剪强度提高。,在饱和粘性土中挤土桩若设置过密，会使土体产生横向位移和竖向隆起，致使先打入的桩被推移或被抬起，或对邻近的结构物造成重大影响。“植桩”法施工,35,钻孔植桩法： 放样定桩位钻机就位钻孔测量孔深、孔径及孔底虚土沉渣泥浆护壁植入预制桩，桩尖达设计标高拔送桩管、回填送桩内孔虚土。 此新工艺将排挤土桩改善为低排挤土桩，减少超空隙水压力上升和土体隆起及位移，从而排除了沉桩时对邻近建筑物、马路、构筑物等不良影响，解决了穿越硬夹土层等的特定条件下的施工难度。,36,(2)非挤土桩钻、冲、挖孔桩,设桩时桩周土不但没有受到排挤，相反可能因桩周土向桩孔内移动而产生应力松弛现象。因此，非挤土桩的桩侧摩阻力常有所减小。,(3)部分挤土桩开口的管桩、钢管桩、h型钢桩,37,三、按桩径（设计直径d）大小分类： 1）小直径桩： d250mm 2）中等直径桩:250mm d800mm 3）大直径桩: d800mm 四、按桩的使用功能分类： 1）竖向抗压桩。 2）竖向抗拨（浮）桩。 3）水平受荷桩。 4）复合受荷桩。,38,6.3 单桩轴向荷载的传递,一、 单桩轴向荷载的传递机理,39,令：桩顶轴向荷载为q，桩长为l，桩周长为p。在桩身任一深度z处取微段dz。桩身轴力在该截面处为nz并在其作用向下位移了z。 则微单元应满足如下力的平衡（图a）： nz-zpdz-（nz+dnz）=0 可得桩侧摩阻力z与轴力nz的关系为：,式中：负号表示摩阻力z与轴力nz方向相反， z也就是桩侧单位面积上的荷载传递量。,40,令q作用下桩顶位移为s（s由桩身变形和桩身弹性变形两部分组成），则在z处桩身截面位移z为s与z深度范围内桩身压缩量（桩身弹性变形）之差，所以有：,通过在桩身若干截面预先埋设应力量测元件，获得nz的分布图。通过上两式可得出z 、z沿桩身的分布图（图c、d)。,式中:ap及ep为桩身横截面而积和弹性模量。,41,1）桩侧摩擦力是体现桩土相互作用与影响桩的荷载传递的重要因素。随着桩顶荷载q的变化，桩截面的轴力、位移、摩阻力是不断变化的。q较小时，桩身截面位移主要发生在桩身上段。q主要由上段桩侧摩阻力来承担。q增加到一定数值时，桩端产生位移，桩端阻力才开始表露出来。,二、桩侧摩擦力与桩端阻力的发挥,2）根据试验资料： 桩、土相对位移约为4-6mm（粘性土）或6-10mm（砂土）时，摩阻力达到极限值。 桩端位移达到桩径的0.1-0.25倍时，桩端阻力达到极限值。,42,3）对于密实砂土中的桩，由于桩土相互作用，只是在地面以下一段（约为10-20倍桩径），摩阻力极限值才随深度而增加，深度更大时，摩阻力接近均匀分布。在粘性土中的挤土桩，摩阻力沿深度呈抛物线分布，桩身中段的摩阻力较大。,43,1）桩端土与桩周土的刚度比； 2）桩土刚度比； 桩土刚度比愈大，传递到桩端的荷载愈大吗？ 3）桩端扩底直径与桩身直径之比； 4）桩的长径比。影响荷载传递的主要因素之一 短桩： l/d 100,其刚度比愈小，桩身轴力沿深度衰减 愈快还是愈慢？传递到桩端的荷载愈小还是愈大？,三、影响荷载传递的因素,长径比很大的桩都属于摩擦桩。,为什么？,44,6.4 基桩与复合基桩竖向承载力特征值的确定,一、概述 1、按以概率理论为基础的可靠度极限状态设计方法的要求，单桩承载力特征值ra应以单桩极限承载力除以抗力分项系数确定。但由于岩土工程的许多不确定性，概率极限状态设计模式实属不完整的可靠性分析，短期内不可能实现突破。为此，规范jgj94-2008以综合安全系数k取代荷载和抗力分项系数，以极限承载力标准值quk为抗力r。因此：,45,6.4 基桩与复合基桩竖向承载力特征值的确定,二、基本概念 1、单桩竖向极限承载力标准值：单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。它取决于土对桩的支承阻力和桩身承载力。 2、土对桩的支承阻力包括极限侧阻力标准值qsik（相应于桩顶作用极限荷载时，桩身侧表面所发生的岩土阻力）和极限端阻力标准值qpk（相应于桩顶作用极限荷载时，桩端所发生的岩土阻力）。,46,三、单桩极限承载力标准值确定方法 1、试验方法：单桩极限承载力标准值指通过不少于3根的单桩现场静载试验确定的，反映特定地质条件、桩型与工艺、几何尺寸的单桩极限承载力代表值。 2、按经验参数计算方法：指根据特定地质条件、桩型与工艺、几何尺寸、以极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值的统计经验值计算的单桩极限承载力标准值。,6.4 基桩与复合基桩竖向承载力特征值的确定,47,方法1. 静载荷试验 静载荷试验是评价单桩可靠性较高的一种方法。,缺点： 时间长；费用高。 广东最大可加载3000t。,48,挤土桩在设置后须隔一段时间才开始载荷试验。这是由于打桩时土中产生的孔隙水压力有待消散，且土体因打桩扰动而降低的强度也有待随时间而部分恢复。所需的间歇时间：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。灌注桩应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行。,49,加荷分级不应少于8级，每级加载量宜为预估极限荷载的1/81/10。,符合下列条件之一时可终止加载： 1.当荷载沉降(qs)曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过40mm;,50,2. sn+1/ sn2，且经24h尚未达到稳定； 3. 25m以上的非嵌岩桩，qs曲线呈缓变型时，桩顶总沉 降量大于6080mm； 4.在特殊情况下，可根据具体要求加载至桩顶总沉降量大 于100mm。,51,单桩竖向极限承载力qu应按下列方法确定：,1. 作荷载沉降(qs)曲线和其他辅助分析所需的曲线。,2. 当陡降段明显时，取相应于陡降段起点的 荷载值。或取s-lgt曲线尾部明显向下弯曲的前一级荷载。,3. 当出现终止加载条件第二款的情况，取前一级荷载值。,4. qs曲线呈缓变型时，取桩顶总沉降量s=40mm所对应的 荷载值，当桩长大于40m时，宜考虑桩身的弹性压缩。,52,在同一条件下，进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的1，且不应少于3 根。,计算参加统计的极限承载力的平均值，当满足其极差不超过平均值的30%时，可取平均值为单桩竖向极限承载力quk 当极差超过平均值的30%时，宜增加试桩数并分析离差过大的原因，结合工程具体情况确定极限承载力quk。 对桩数为3根及3根以下的柱下桩台，则取最小值为单桩竖向极限承载力quk。,单桩竖向承载力特征值 ra=quk/2,53,方法2. 经验参数法,式中 quk单桩竖向极限承载力标准值； qpk、qsik桩的极限端阻力和极限侧阻力标准值；,ap桩端面积； u桩身周长； li桩周第i层土的厚度。 pk sik端阻、侧阻力尺寸效应系数,当d0.8m时,当d0.8m时,54,当桩端嵌入完整或较完整的硬质岩中时，单桩竖向承载力特征值的确定： （1）gb50007-2002方法： ra=qpaap 式中qpa为桩端岩石承载力特征值,可按建筑地基基础设计规范附录h用岩基载荷试验方法确定，或根据室内岩石饱和单轴抗压强度标准值按下式计算： qpa=r frk frk岩石饱和单轴抗压强度标准值，可按建筑地基基础设计规范附录j确定； r折减系数。一般对完整岩体，r=0.5；对较完整岩体可取r=0.2-0.5，对较破碎岩体可取r=0.1-0.2。,55,（2）jgj94-2008方法： qk =qsk+qrk=uqsikli+rfrkap 式中：qrk嵌岩段总极限阻力 r桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数,56,6.4 基桩与复合基桩竖向承载力特征值的确定,四、复合基桩竖向承载力特征值的确定 复合桩基：由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础。 复合基桩：单桩及其对应面积的承台底地基土组成的复合承载基桩。 复合基桩竖向承载力特征值的确定应按是否考虑承台效应，分别进行确定。,57,四、复合基桩竖向承载力特征值的确定,1、对于端承型桩基、桩数小于4根的摩擦型柱下独立桩基、或由于土性、使用条件等因数不宜考虑承台效应时，基桩竖向承载力特征值r应取单桩承载力特征值ra。 2、对于符合下列条件之一的摩擦型桩基、宜考虑承台效应确定其复合基桩的竖向承载力特征值： 1）上部结构刚度较好、体型简单的建（构）筑物； 2）对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物； 3）按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区； 4）软土地基的减沉复合蔬桩基础。,c承台效应系数：竖向荷载下，承台底地基土承载力的发挥率。,不考虑地震作用：,考虑地震作用：,58,承台效应系数的影响因数：桩距、承台尺寸、桩径以及承台下地基土的性质。下表是规范jgj94-2008中c的取值表。,59,fak承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内各层土的地基承载力特征值按厚度加权的平均值。 a地基抗震承载力调整系数，按现行建筑抗震设计规范gb50011采用。 ac计算基桩索对应的承台底净面积。按如下公式计算：,a承台计算域面积。 n承台下总桩数。 aps桩身截面面积。,60,关于承台计算域面积a、承台效应系数c的具体规定：,柱下独立桩基：a为全承台面积。 桩筏、桩箱基础：按柱、墙侧1/2跨距，悬臂边取2.5倍板厚处确定计算域，桩距、桩径、桩长不同，采用上式分区计算，或取平均sa、bc/计算c。 桩集中布置于墙下的剪力墙高层建筑桩筏基础：计算域自墙两边外扩各1/2跨距，对于悬臂板自墙边外扩2.5倍厚板，按条基计算c 。 对于按变刚度调平原则布桩的核心筒外围平板式和梁板式筏形承台复合桩基：计算域为自柱侧1/2跨，悬臂板边取2.5倍板厚处围成。,当承台底为可液化土、湿陷性土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土时，沉桩引起超孔隙水压力和土体隆起时，不考虑承台效应，取c =0.,61,6.5 桩基计算 6.5.1桩顶作用效应计算与桩基竖向承载力验算,62,一、桩顶作用效应计算,1、轴心竖向力作用下：,2、偏心竖向力作用下：,63,3、水平力作用下：,式中：fk、hk荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向 (水平)力； mxk、myk荷载效应标准组合下，作用于承台底面，绕通过桩群形心的x、y主轴的力矩； xi、yi桩i至通过桩群形心的y 、x轴线的距离。,64,三桩承台,三桩承台桩顶竖向力计算,1号桩桩顶竖向力n1k：,2号桩桩顶竖向力n2k：,式中s1、s2分别为长向桩距和短向柱距。,65,二、桩基竖向承载力验算,轴心竖向力作用下： nkr,偏心竖向力作用下： nkr nkmax1.2r,2、地震作用效应和荷载效应标准组合：,1、荷载效应标准组合：,轴心竖向力作用下： nek1.25r,偏心竖向力作用下： nek1.25r nekmax1.5r,66,3、桩基软弱下卧层承载力验算：,对于桩距s6d的群桩基础,当桩端持力层下承载力低于桩端持力层承载力1/3的软弱下卧层时，可按将基桩与桩间土视作等效实体基础，按以下公式验算。 实体基础基底面积按最外围桩的边缘确定（特别提示：不是按承台底面确定）,67,桩端硬持力层压力扩角,68,负摩阻力：桩周土由于自重固结、湿陷、地面荷载作用等原因产生大于基桩的沉降所引起的对桩表面的向下摩阻力称为负摩阻力。,4、负摩阻力计算：,(a)单桩;(b)位移曲线;1土层竖向位移曲线;2一桩的载面位移曲线;(c)桩侧摩阻力分布曲线;(d)桩身轴力分布曲线,中性点,作用于单桩中性点以上的负摩阻力之和称为下拉荷载。,69,符合下列条件之一的桩基，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力： 1）桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时；或新近的桩； 2）桩周存在软弱土层，临近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载（包括填土）时； 3）由于降低地下水位，使桩周土有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。,70,当必须考虑桩侧负摩阻力对桩基的影响时，基桩的验算按如下规定：,2）对于端承型基桩除应满足上式外，尚应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载qng 并按下式验算基桩承载力： nk+ qng ra,1）对于摩擦型基桩可取桩身计算中性点以上侧阻力为零，并按下式验算基桩承载力： nkra,3）当土层不均匀或建筑物对不均匀沉降敏感时，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。,上述ra只记中性点以下的侧阻力和端阻力,71,72,73,5、抗拔桩基承载力验算：,承受拔力的桩基，应按下列公式同时验算呈整体剪切破坏和呈非整体剪切破坏时基桩的抗拔承载力：,74,5、抗拔桩基承载力验算：,对于季节性冻土和膨胀土轻型建筑的短桩基础，应分别考虑冻土的切向冻胀力和膨胀土的大气影响急剧层的胀切力所引起的拔力，进行抗拔验算，具体见jgj94-2008。,75,6.5.2桩基沉降计算,应计算沉降的桩基： （1）设计等级为甲级的非嵌岩桩和非深厚坚硬持力层的建筑桩基 ； （2）设计等级为乙级的体型复杂、荷载分布显著不均匀或桩端平面以下存在软弱土层的建筑桩基； （3）软土地基多层建筑减沉复合疏桩基础（见下一节专门讲解）。,76,端承型群桩基础,摩擦型桩的桩顶荷载通过侧阻扩散形成的桩端平面压力分布 (a)单桩;(b)群桩,桩数不只一根的桩基称为群桩基础,77,6.5.2桩基沉降计算,按上述，桩基沉降计算分为两种情况： 其一是单桩在桩端平面产生的附加应力会产生叠加现象的桩距小于或等于6倍桩径的群桩基础沉降计算。 其二是对于单桩、单排桩和桩距大于6倍桩径的疏桩基础沉降。,按土力学原理，基础沉降的计算关键是要确定附加应力的分布，只要附加应力的分布确定，就可以采用分层总和法计算。,78,6.5.2桩基沉降计算 一、桩距不大于6倍桩径的桩基沉降计算,桩距小于或等于6倍桩径的群桩基础，在工作荷载作用下的沉降计算方法，目前主要有两大类： 1、按实体深基础计算模型，采用弹性半空间表面荷载下boussinesq应力解计算附加应力，用分层总和法计算沉降。该计算模型的缺点是计算的附加应力比实际偏大，且该模型不能反映桩的长径比、距径比等的影响。（现行规范gb50007-2002推荐方法） 2、以半无限弹性体内部集中力作用下的mindlin位移解为基础计算沉降。具体计算中有两种方法：第一种是poulos提出的相互作用因子法。其缺陷是不能反映压缩层范围内土的成层性；第二种是geddes对mindlin公式积分导出集中力弹性半空间内部的应力解，按叠加原理，求得群桩桩端平面下各单桩附加应力之和，按分层总和法计算群桩沉降（应力叠加-分层总和法）。其缺陷是要求假定侧阻力分布，并给出桩端荷载分担比。,79,上述两大类方法，主要是在桩端平面下附加应力的计算不同，其相同点是最终都是采用分层总和法来计算的。,针对以上问题，jgj94-2008提出了等效作用分层总和法，即在分层总和法中引入等效沉降系数e， e 实质是弹性半无限体中群桩基础按mindlin 解计算沉降量与按等代墩基boussinesq解计算沉降量之比，用以反映mindlin解应力分布对计算沉降的影响。e按以下简化公式计算：,80,6.5.2桩基沉降计算,具体方法：等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为承台投影面积，等效作用附加压力近似取承台底平均附加压力，等效作用面以下的应力分布采用各项同性均质直线变形体假设，计算模型见图，桩基任一点最终沉降量可用角点法按如下公式计算：,81,6.5.2桩基沉降计算,当计算矩形桩基中心点的沉降量时，上式可简化为：,上述公式中的符号的意义参见规范jgj94-2008。,在使用上述等效作用分层总和法时，应注意以下问题： 1）等效作用面积为承台投影面积，这与规范gb50007-2002不同。不同点是？ 2）桩基沉降计算深度应按应力比法确定。即计算深度处的附加应力与土的自重应力应符合下式要求：,82,6.5.2桩基沉降计算 二、单桩、单排桩和疏桩基础,分两种情况： 1、承台底地基土不分担荷载的桩基：其计算方法是，按考虑桩径影响的mindlin解计算确定桩端平面下地基中由基桩引起的附加应力，将沉降计算点水平面影响范围内各基桩对应力计算点产生的附加应力叠加，采用单向压缩分层总和法计算土层的沉降。 2、承台底地基土分担荷载的复合桩基：其计算方法是，将承台底土压力对地基中某点产生的附加应力按boussinesq解计算，与基桩产生的附加应力叠加，再采用单向压缩分层总和法计算土层的沉降。 具体计算参见规范jgj94-2008.,83,6.5.3承台计算,1. 受弯计算 (1)柱下多桩 矩形承台,mxniyi mynixi,式中 mx、my分别为垂直于y轴和x轴方向计算截面处的弯矩设 计值； xi、yi垂直于y轴和x轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离； 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。,84,(2)柱下三桩三角形承台 柱下三桩承台分等边和等腰两种形式，其受弯破坏模式有所不同，后者呈明显的梁式破坏特征。,85,1)等边三桩承台 由承台形心至承台边缘距离范围内板带的弯矩设计值m按下式计算：,式中 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c0.866d （d为圆柱直径）。,86,2)等腰三桩承台,承台弯矩按下式计算：,式中 m1、m2分别为由承台形心到承台两腰和底边的距离范围内板带的弯矩设计值； s长向桩距； 短向桩距与长向桩距之比，当小于0.5时，应按变截面的二桩承台设计；,87,回顾：剪切、冲切破坏知识,1、剪跨比(shear span to effective depth ratio)； 2、砼标号； 3、箍筋及纵向钢筋（longitudinal reinforcement）的配筋率（reinforcement ratio）。 剪跨比m是指梁承受集中荷载作用时，集中力的作用点到支点的距离与梁的有效高度之比。剪跨比的数值，实际上反映了该截面的弯矩和剪力的数值比例关系。 试验研究表明，剪跨比越大，抗剪能力越小，当剪跨比m以后，抗剪能力基本上不再变化。,影响斜截面抗剪强度（shearing strength）的主要因素:,88,受剪破坏的主要形态 1、斜拉破坏 a、发生场合 无腹筋梁或腹筋配的很少的梁，且m3； b、破坏情况 斜裂缝一出现，很快形成临界斜裂缝，并迅速伸展到手压区边缘，使构件沿斜向被拉断成两部分而破坏，如图。破坏突然发生，是脆性破坏。 c、防止措施： 设置一定数量的箍筋，且箍筋面积不大，箍筋配筋率大于最小配箍率。,89,2、斜压破坏 a、发生场合 当剪跨比较小（m），或者腹筋配置过多，腹板(web plate)很薄时，都会由于主压应力过大而造成腹板斜向压坏如图。 b、破坏情况 随着荷载的增加，梁腹板被一系列平行的斜裂缝分割成许多倾斜的受压短柱。最后，因混凝土在弯矩和剪力的复合作用下被压碎而破坏。斜压破坏一般发生在剪力大、弯矩小的区段内，破坏时腹筋的应力尚未达到屈服强度(yielding strength)。 c、防止措施 梁的截面尺寸不要太小，腹筋不要太多。,90,3、剪压破坏 a、发生场合：当腹筋配置适当时或无腹筋梁，剪跨比大致在m的情况下。 b、破坏情况：随着荷载的增加，首先出现了一些垂直裂缝和微细的倾斜裂缝。随着荷载的进一步增加，斜裂缝向集中荷载的作用点处伸展，这种斜裂缝可能不止一条。当荷载增加到一定程度时，在众多斜裂缝中形成一条延伸较长、扩展较宽的主要斜裂缝，即临界斜裂缝。临界斜裂缝出现后，梁还能继续增加荷载，斜裂缝向上伸展，与斜裂缝相交的腹筋应力迅速增长而达到屈服强度，进而砼也达到极限强度而破坏如图b。所以，当剪压破坏时所施加的荷载明显地大于斜裂缝出现时的荷载。剪压破坏具有明显的破坏征兆，属于塑性破坏，是设计中普遍要求的情况。 c、防止措施：通过计算确定足够数量的腹筋。,91,2.承台受冲切计算,(1)柱对承台的冲切,92,式中 fl扣除承台及其上填土自重，作用在冲切破坏锥体上相应于荷载效应基本组合的冲切力设计值，冲切破坏锥体应采用自柱边或承台变阶处至相应桩顶边缘连线构成的锥体，锥体与承台底面的夹角不小于45；,hp受冲切承载力截面高度影响系数，当h不大于800mm时，hp取1.0， 当h大于等于2000mm时，hp取0.9，其间按线性内插法取用；,ft承台混凝土轴心抗拉强度 设计值； h0冲切破坏锥体的有效高度；,93,0x、0y冲切系数； 0x、0y冲跨比，0xa0xh0、0ya0yh0，a0x、a0y为柱边或变阶处至桩边的水平距离；当a0x（a0y）h0时，a0x（a0y）h0；,柱根部轴力设计值； ni冲切破坏锥体范围内各 桩的净反力设计值之和。,94,(2)角桩对承台的冲切,1)矩形承台受角桩冲切,95,式中nl扣除承台和其上填土自重后角桩桩顶相应于荷载效应基本组合时 的竖向力设计值； 1x、1y角桩冲切系数； 1x、1y角桩冲跨比，其值满足0.21.0，1xa1xh0、 1ya1yh0； c1、c2从角桩内边缘至承台外边缘的距离；,a1x、a1y从承台底角桩内边缘引45冲切线与承台顶面或承台变阶处相交点至角桩内边缘的水平距离； h0承台外边缘的有效高度。,96,2)三桩三角形承台受角桩冲切,底部角桩,顶部角桩,97,式中 11、12角桩冲跨比，11a11h0、 12a12h0； a11、a12从承台底角桩内边缘向相邻承台边引45冲切线与承台顶面相交点至角桩内边缘的水平距离；当 柱位于该45线以内时，则取柱边与桩内边缘连 线为冲切锥体的锥线。,对圆柱和圆桩，计算时可将圆形截面按等周长原则换算成正方形截面，即取方形截面边长b=0.8d（d为圆形截面直径）。,98,3. 承台受剪切计算,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。,式中 v扣除承台及其上填土自重后相应于荷载效应基本 组合时斜截面的最大剪力设计值； hs受剪切承载力截面高度影响系数 hs（800h0）1/4，当h0小于800mm时，h0取800mm，当h0大于2000mm时，h0取2000mm；,99,剪切系数； 计算截面的剪跨比，xax/ h0，yay/ h0。此处，ax、ay 为柱边或承台变阶处至x、y方向计算一排桩的桩边的水平距 离，当3时，取3； b0承台计算截面处的计算宽度； h0计算宽度处的承台有效高度。,100,4.承台局部受压计算 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。,101,6.6 桩基设计与构造要求,6.6.1桩的选型、桩数及布置 6.6.2变刚度调平设计 6.6.3软土地基减沉复合疏桩基础 6.6.4桩的耐久性要求 6.6.5桩基构造要求,102,桩基设计前必须具备的资料主要有：建筑物类型及其规模、岩土工程勘察报告、施工机具和技术条件、环境条件、检测条件及当地桩基工程经验等，其中，岩土工程勘察资料是桩基设计的主要依据。,桩基设计的一般步骤： 1、选择桩型、截面形状和尺寸以及桩长（持力层），确定单桩承载力特征值； 2、计算桩数并进行桩的布置，初步确定承台形状和尺寸； 3、进行承载力、稳定性、变形验算； 4、进行结构和裂缝控制计算，在同时考虑桩基构造要求时确定：桩身尺寸和钢筋配置、承台尺寸和钢筋配置、基梁或联系梁的尺寸和钢筋配置等； 5、进行设计优化（如：变刚度调平设计等）； 6、绘制施工图,103,一、桩的选型（预制桩或灌注桩） 桩型选择应考虑的主要因素是：场地的地层条件、各类型桩的成桩工艺和适用范围。 1、下列地质条件不宜选用预制桩： ） 预制桩的穿透能力有限，当土中存在大孤石、废金属以及花岗岩残积层中未风化的石英脉时，预制桩将难以穿越； ）当土层分布很不均匀时，混凝土预制桩的预制长度较难掌握。,6.6.1桩的选型、桩数及布置,104,2、软土地区的桩基，应考虑桩周土自重固结、蠕变、大面积堆载及施工中挤土对桩基的影响，在层厚较大的高灵敏度流塑粘性土中（如我国东南沿海的淤泥和淤泥质土），不宜采用大片密集有挤土效应的桩基，宜采用承载力高而桩数较少的桩基。 3、对于框架核心筒桩基宜选择基桩尺寸和承载力可调性较大的桩型和工艺。 4、挤土沉管灌注桩用于淤泥和淤泥质土层时，应局限于多层住宅桩基。,105,5 基桩选型误区,（1） 凡嵌岩桩必为端承桩（） 导致嵌岩深度加大，工期延长， 造价提高 （2） 将挤土沉管灌注桩用于高层建筑（） 由于挤土效应造成断桩、缩颈、上浮，事故频发且严重，如：东北某会展中心全部桩报废；云南某大厦筏板开裂，不得不加固处理。,106,（3） 预制桩质量稳定性高于灌注桩（） 优于沉管灌注桩是肯定的。 但有三点应特别注意： 沉桩挤土效应； 无法穿透硬夹层，桩长受限制； 单桩承载力可调范围小，难于实现变刚度 调平设计。,107,（4） 人工挖孔桩质量可靠（） 地下水位以上人工挖孔桩可实现彻底清孔、直观 检查持力层，且无断桩缩颈现象。 隐患： 边挖孔边抽水，细颗粒流失，地面下沉，乃至护壁 整体脱落； 临近新灌注混凝土桩抽水，带走水泥，造成离析； 在流动性淤泥中挖孔，引起淤泥侧向流动，导致 土体失稳滑移，将桩体推歪、推断。,108,（5） 灌注桩不适当扩底（） 岩石fr混凝土fc情况下扩底，不必要； 桩侧土层较好、桩长较大情况下扩底，既损失扩 底端以上部分侧阻力，又增加扩底费用，可能 得失相当或失大于得； 将扩底端置于有软弱下卧层的薄硬层上，增大 沉降。,109,二、桩的截面尺寸和长度 1、桩的截面尺寸选择应考虑的主要因素是:成桩工艺和结构的荷载情况。,从楼层数和荷载大小来看（如为工业厂房可将荷载折算为相应的楼层数），建筑桩基可考虑采用的桩的截面尺寸： a）10层以下：直径500mm左右的灌注桩、边长为400mm的预制桩； b）1020层：直径8001000mm的灌注桩、边长450500mm的预制桩； c）2030层：直径10001200mm的钻（冲、挖）孔灌注桩、边长等于或大于500mm的预制桩； d）3040层：直径大于1200mm的钻（冲、挖）孔灌注桩、边长500550 mm的预应力混凝土管桩和大直径钢管桩； e）楼层更多的高层建筑所采用的挖孔灌注桩直径可达5m左右。,110,高层或重型建筑物采用大直径桩通常是有利的，但在碳酸岩类岩石地基，当岩溶很发育、而洞穴顶板厚度不大时，为满足桩底下有3倍桩径厚度的持力层的要求及有利于荷载的扩散，宜采用直径较小的桩和条形或筏形承台。,111,2、桩的设计长度 主要取决于桩端持力层的选择。通常，坚实土（岩）层（可用触探试验或其它指标来鉴别）最适宜作为桩端持力层。对于10层以下的房屋，如在桩端可达的深度内无坚实土层时，也可选择中等强度的土层作为桩端持力层。,桩端进入坚实土层的深度，应根据地质条件、荷载及施工工艺确定，一般不宜小于13倍桩径（对粘性土、粉土不宜小于2倍桩径；砂类土不宜小于1.5倍桩径；碎石类土不宜小于1倍桩径）。,112,对薄持力层、且其下存在软弱下卧层时，桩端以下坚实土层的厚度不宜小于4倍桩径。,当硬持力层较厚且施工条件许可时，为充分发挥桩的承载力，桩端全断面进入持力层的深度宜尽可能达到该土层桩端阻力的临界深度（砂与碎石类土为310倍桩径；粉土、粘性土为26倍桩径）。,对于穿越软弱土层而支承在倾斜岩层面上的桩，当风化岩层厚度小于2倍桩径时，桩端应进入新鲜或微风化基岩。端承桩嵌入微风化或中风化岩体的最小深度，不宜小于0.5m，以确保桩端与岩体接触。,同一基础的邻桩桩底高差，对于非嵌岩桩，不宜超过相邻桩的中心距，对于摩擦型桩，在相同土层中不宜超过桩长的110。,113,嵌岩桩或端承桩桩端以下3倍桩径范围内应无软弱夹层、断裂破碎带、洞穴和空隙分布；在桩端应力扩散范围内应无岩体临空面（例如沟、槽、洞穴的侧面，或倾斜、陡立的岩面)。,实践证明，作为基础施工图设计依据的详细勘察阶段的工作精度，较难满足这类桩的设计和施工要求。所以，在桩基方案选定之后，还应根据桩位进行专门的桩基勘察，或施工时在桩孔下方钻取岩芯（“超前钻”），以便针对各根桩的持力层选择埋入深度。,114,3、桩长的施工控制 为保证桩的施工长度满足设计桩长的要求，打入桩的入土深度应按桩端设计标高和最后贯入度（经试打确定）两方面控制。 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。一般要求最后二、三阵的平均贯入量（贯入度）为1030mm阵（锤重、桩长者取大值，质量为7t以上的单动蒸汽锤、柴油锤可增至3050mm阵）。,115,桩长的施工控制原则： 打进可塑或硬塑粘性土中的摩擦型桩，沉桩深度宜按桩端设计标高控制，同时以最后贯入度作参考，并尽可能使同一承台或同一地段内各桩的桩端实际标高大致相同； 打到基岩面或坚实土层的端承型桩，沉桩深度宜按最后贯入度控制，同时以桩端设计标高作参考，并要求各桩的贯入度比较接近； 大直径的钻（冲、挖）孔桩则以取出的岩屑（可分辨出风化程度）为主、结合钻进速度等来确定施工桩长。,116,三、桩的根数和布置,1、桩数：一般可先按n(fk+gk)/ra估算桩数（偏心受压时桩数再增加10%-20%），然后进行桩的平面布置，确定承台平面尺寸。,117,2、基桩布置,（1）排列基桩时，宜使桩群承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合，并使基桩受水平力和力矩较大方向有较大抗弯截面模量。 （2）对于桩箱基础、剪力墙结构桩筏（含平板和梁板式承台）基础，宜将桩布置于墙下。 （3）对于框架核心筒结构应按荷载分布考虑相互影响，将桩相对集中布置于核心筒区域。,118,3