第四章桩基础78节幻灯片.ppt

第七节桩基础的设计步骤 桩基础设计的方法和步骤一般先根据收集的必要的设计资料 拟订出设计方案 包括选择桩基的类型 桩长 桩径 桩数 桩的布置 承台位置与尺寸等 然后进行基桩和承台以及桩基础整体的强度 稳定 变形的验算 经过计算 比较 修改直至符合技术 经济和安全 使用等各项要求 最后确定较佳的设计方案 桩基础设计原则 设计内容设计步骤 桩基础的设计应力求选型恰当 经济合理 安全适用 1 收集设计资料 进行调查研究 场地勘察 2 确定持力层 综合有关情况 确定桩基础持力层 3 选择桩材 桩型 桩截面及尺寸 初步确定承台埋深 4 确定单桩承载力设计值 5 确定桩的数量并布桩 初步确定承台类型及尺寸 6 验算单桩荷载 包括竖向荷载及水平荷载等 7 必要时验算桩基础的变形 8 桩身内力分析及桩身结构设计等 9 承台抗弯 抗剪 抗冲切及抗裂等强度计算及结构设计 10 绘制桩基础结构施工图及详图 编写施工设计说明 4 7 1 必要的资料准备 收集的桩基础设计资料 要详尽 全面 以保证桩基础的设计尽可能合理 包括以下几方面 建筑物本身的资料 包括建筑物类型 平面布置 结构类型 荷载分布情况 建筑安全等级及抗震要求等 建筑场地 建筑环境资料 包括建筑场地和周围的平面布置 空中与地下设施管线分布 相邻建筑物等资料 水 电 材料等资料 周围环境条件等 工程地质勘察资料 工程地质 水文地质勘察资料对桩基础设计是十分重要的 施工条件 包括施工机械设备条件 沉桩条件 材料来源 动力条件及施工对周围环境的影响等 施工机械设备的进出场及现场运行条件等 4 7 2选定桩型 确定单桩承载力 1 桩的类型 截面和桩长的选择 场地的地层条件 各类型桩的成桩工艺和适用范围 是桩类选择应考虑的主要因素 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 在场地土层分布比较均匀的条件下 采用质量易于保证的预应力高强混凝土管桩比较合理 对于软土地基的桩基 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 不宜采用大片密集有挤土效应的桩基 否则 这类土的结构破坏严重 致使土体强度明显降低 如果加上相邻各桩的相互影响 这类桩基的沉降和不均匀沉降都将显著增加 这时宜采用承载力高而桩数较少的桩基 同一结构单元宜避免采用不同类型的桩 4 7 2选定桩型 确定单桩承载力 1 桩的类型 截面和桩长的选择 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 10层以下的建筑桩基 可考虑采用直径500mm左右的灌注桩和边长或直径为400mm的预制桩 10 20层的可采用直径800 1000mm的灌注桩和边长或直径450 500mm的预制桩 20 30层的可采用直径1000 1200mm的钻 冲 挖 孔灌注桩和边长或直径等于或大于500mm的预制桩 30 40层的可用直径大于1200mm的钻 冲 挖 孔灌注桩和直径500 550mm的预应力混凝土管桩和大直径钢管桩 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 4 7 2选定桩型 确定单桩承载力 1 桩的类型 截面和桩长的选择 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 桩端全断面进入持力层的深度 对于粘性 粉土不宜小于2d 砂土不宜小于1 5d 碎石土不宜小于1 0d 当存在软弱下卧层时 桩基以下硬持力层厚度不宜小于3d 当持力层较厚且施工条件许可时 桩端全断面进入持力层的深度宜达到桩端阻力的临界深度 砂与碎石类土的临界深度为 3 10 d 粉土 粘土的临界深度为 2 6 d 桩长及桩型初步确定后 即可根据桩的选型确定出桩的截面形状 并初步确定承台底面标高 承台底面标高确定后 便可按4 3 4 4节的方法计算单桩竖向及水平向承载力 竖向承载力计算方法包括竖向静载荷试验 静力触探以及规范推荐的公式等 水平承载力计算方法包括水平向静载荷试验以及经验公式等 4 7 3桩的平面布置及承载力验算 1 桩数n和布置 1 竖向轴心受压荷载作用下 按下式估算桩的数量n 由 导出 相应于荷载效应标准组合时 作用在桩基承台顶面上的竖向力设计值 kN 承台及其承台上的填土的重力设计值 kN 具体计算时 由于承台的基本尺寸没有确定 所以可以先忽略 按下式进行估算 2 偏心竖向受压荷载作用下 按下式估算桩的数量n 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 桩的数量应按下式确定 所选的桩数是否合适 尚待各桩受力验算后确定 桩基规范 规定 一般桩的最小中心距应满足表4 16的要求 桩的中心距S加大 承台体积加大 造价加大 桩的中心距S变小 施工困难 摩擦型桩应力重叠 桩的承载力不能发挥作用 3 桩的中心距 边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或边长 且桩的外边缘至承台边缘的距离不应小于150mm 对于条形承台梁 桩的外边缘至承台梁边缘的距离不应小于75mm 4 桩位的布置 在确定桩数 桩距和边距后 根据布桩原则 选择合理的排列方式 布桩的一般原则是 为了使桩基础的各桩受力比较均匀 群桩横截面的重心应与竖向永久荷载合力的作用点重合或接近 布桩的方式 在工程实践中 柱下桩基多采用对称多边形 墙下桩基采用梅花式或行列式 筏形或箱形基础下宜尽量沿柱网 肋梁或隔墙的轴线设置 2桩基承载力验算 偏心竖向荷载作用下 以承受竖向力为主的群桩基础的单桩 包括复合单桩 桩顶荷载效应可按下列公式计算 轴心竖向力作用下 水平力作用下 中心荷载下 偏心荷载下 水平力作用下 3桩基软弱下卧层承载力验算 当桩端平面以下荷载影响范围内存在软弱下卧层时 如果桩距较小 则桩和桩间土的性状类似于实体深基础 而引起冲破硬持力层的整体冲剪破坏 如果桩距较大 或者是单桩基础 且硬持力层厚度较小 单桩可能会产生单独冲剪破坏 为了防止上述情况发生 需进行相应的群桩承载力验算 验算原则 对于桩距不超过6d的群桩基础 桩端持力层下存在承载力低于桩端持力层承载力的软弱下卧层时 可按下列公式验算软弱下卧层的承载力 式中 作用于软弱下卧层顶面的附加应力 kPa 软弱下卧层顶面到承台底面下各土层重度 地下水位下采用有效重度 按厚度加权平均值 z 承台底面至软弱下卧层顶面的深度 m t 桩端到软弱下卧层顶面的距离 m 软弱下卧层经过深度z修正后的地基承载力特征值 4桩基负摩阻力的验算 在考虑桩侧负摩阻力的桩基承载力验算中 单桩竖向承载力特征值只计中性点以下部分的侧阻力和端阻力 摩擦性桩基 端承性桩基 4 7 4桩基沉降验算 一般来说 对地基基础设计等级为甲级的建筑物桩基 体型复杂 荷载不均匀或桩端以下存在软弱下卧土层的设计等级为乙级的建筑物桩基以及摩擦型桩基 应进行沉降验算 对于地基基础设计等级为丙级的建筑物 群桩效应不明显的建筑物桩基 可根据单桩静载荷试验的结果及当地工程经验估算沉降量 可不进行沉降验算 验算原则 对于应进行沉降验算的建筑物桩基 其沉降量不超过建筑的允许沉降量 4 7 5桩身结构设计 预制桩的混凝土强度等级不宜低于C30 采用静压法沉桩时 可适当降低 但不宜低于C20 预应力混凝土桩的混凝土强度等级不宜低于C40 混凝土预制桩的截面边长不应小于200mm 预应力混凝土预制桩的截面边长不应小于350mm 预应力混凝土离心管桩的外径不应小于300mm 预制桩的桩身应配置一定数量的纵向钢筋和箍筋 预制桩的最小配筋率一般不应小于0 4 当截面边长为350 550mm时 采用8根直径12 25mm的纵向钢筋 截面边长在300mm以下者 可用4根 箍筋直径6 8mm 间距不大于200mm 在桩顶和桩尖处应适当加密 主筋的混凝土保护层不应小于30mm 桩身强度 Q Apfc c 1 承台的结构设计要求 形状 矩型 三角形 多边形 圆形最小宽度 50cm最小厚度 30cm桩外缘距离承台边 15cm边桩中心距离承台边 1 0d桩嵌入承台 大桩 10cm 普通桩 5cm 钢筋伸入承台30d 6 混凝土强度等级 C20 4 7 6桩承台的设计 2 承台的厚度确定 根据冲切抗剪验算等确定 须验算 沿柱边的冲切强度 角桩冲切验算 斜截面抗剪验算 3 承台的配筋 根据抗弯验算确定 计算出弯矩后 按 混凝土结构设计规范 配筋 受弯计算 受冲切计算 受剪切计算 局部受压计算 承台结构承载力计算 1承台弯矩计算 1 柱下多桩矩形承台 根据承台模型试验资料 柱下多桩矩形承台在配筋不足的情况下将产生弯曲破坏 其破坏特征呈粱式破坏 即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 挠曲裂缝在平行于柱边两个方向交替出现 Xi 计算截面应取在柱边和承台高度变化处 杯口外或台阶边缘 垂直于x y轴方向计算截面处的弯矩设计值 kN m 从桩的中心到相应计算截面的距离坐标 m 扣除承台和承台上土自重设计值后第i桩竖向净反力设计值 kN 公式说明 根据计算的柱边截面和截面高度变化处的弯矩 分别计算同一方向各截面的配筋量后 取各向的最大值按双向均布配置 柱下三桩三角形承台弯矩 计算截面应取在柱边 X Y Ny Nx a 等边三桩b 等腰三桩 等边三桩承台 等腰三桩承台 柱下三桩三角形承台弯矩 2承台高度及强度计算 可按冲切及剪切条件确定 先按构造要求及经验初设承台高度 然后进行冲切 剪切强度验算 复核承台高度是否合适 并进行调整 承台冲切破坏的方式有二 一是沿柱 墙 边和承台变阶处对承台冲切破坏 二是角桩顶部对承台的冲切破坏 角桩的冲切破坏图 Q Q F 冲切破坏锥体斜面与承台底面的夹角大于等于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 角桩冲切破坏锥体的顶面在角桩的内边缘处 底面在承台上方 冲切计算 1 沿柱 墙 边或承台变阶处的冲切计算 冲垮 冲垮 四桩以上承台的角桩冲切验算示意图 ax 倒置的冲切450锥体 矩形承台角桩冲切计算 2 角桩的冲切计算 多桩 四桩以上 矩形承台 三桩三角形承台 底部角桩 顶部角桩 三角形承台角桩冲切计算 2 剪切计算 承台高度应满足抗剪要求 桩基础承台斜截面受剪承载力计算同混凝土结构计算大体相同 但由于桩基础承台多属于剪跨比较小的情况 1 40 故需将混凝土结构所限制的剪跨比 1 40 3 0 延伸到0 3的范围 柱下桩基础独立承台应分别对柱边及承台变阶处和桩边联线形成的斜截面进行抗剪计算 如图所示 当柱边外有多排桩形成多个剪切斜截面时 此时应对每个斜截面都应进行验算 承台斜截面受剪承载力计算示意图 柱下独立承台 对柱边和桩边 变阶处和桩边联线形成的斜截面进行计算 承台斜截面受剪切计算简图 计算公式 对于阶梯形承台抗剪计算 A2 A2断面 B2 B2断面 阶梯形承台斜截面受剪计算 阶梯形承台及锥形承台的计算宽度按以下方法确定 对于锥形承台抗剪计算 A A断面 B B断面 锥形承台斜截面受剪计算 3承台局部受压和抗震验算 一 减沉复合疏桩基础的概念疏桩基础作为复合桩基 又称为减少沉降量桩基 在土体地基天然地基承载力基本满足要求的情况下 为减小沉降采用疏布置摩擦型桩的复合桩基 此类桩基础即为减沉复合疏桩基础 疏桩基础工作性状基于桩 土 承台的共同作用 在外荷载作用下 桩土分担荷载的规律比较复杂 它是随着时间和荷载水平而变化的 由室内外试验和有限元计算结果初步得出了一些结论 大体上反映了疏桩基础的工作机理 第八节软土地基减沉复合蔬桩基础计算 由室内外试验和有限元计算结果初步得出了一些结论 1 平均桩距在5 6倍桩径以上的复合疏桩基础 其总的极限承载力近似等于各单桩极限承载力之和与承台下天然地基土极限承载力的总和 2 对于疏桩基础 桩间土的压缩量为主要部分 占总沉降的70 80 以上 并表现为桩端的贯入沉降 桩间土在承载过程中明显表现为滞后于桩基 只有建筑物的沉降量超过单桩极限承载力的下沉量时 桩间土才显示承担荷载 二减沉复合疏桩基础承台面积和桩数确定减沉复合疏桩基础设计应遵循两个原则 1 桩和桩间土在受荷过程中始终确保两者共同承担荷载 因此单桩的承载力宜控制在较小的范围 桩的横截面尺寸一般宜选择200 400mm 桩应穿越上部软土层 桩端支承于相对较硬土层 2 桩距sa要大于5 6倍的桩距 以确保桩间土的荷载分担比足够大 即承台效应系数 c 0 6 减沉复合疏桩基础承台形式可采用两种 1 筏式承台 多用于地基承载力小于荷载要求和建筑物对差异沉降控制较严或带地下室的情况 2 条形承台 但承台面积系数 与首层面积之比 较大 多用于无地下室的多层住宅 在确定承台形式后按下式计算承台面积A 从而可导出复合疏桩基础的承载力验算式为减沉复合疏桩基础除满足承载力要求外 尚应验算进行地基的沉降验算 三 减沉复合