桩基础-桩基础的设计

1,基础工程,第3章桩基础,2,8桩基础的设计,设计桩基础的一般程序：首先应该搜集必要的资料，包括上部结构型式与使用要求，荷载的性质与大小，地质和水文资料，以及材料供应和施工条件等。据此拟定出设计方案（包括选择桩基类型、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、变形验验，经过计算、比较、修改，以保证承台、基桩和地基在强度、变形及稳定性方面满足安全和使用上的要求，并同时考虑技术和经济上的可能性与合理性，最后确定较理想的设计方案。,3,一、桩基础类型的选择,（一）承台底面标高的考虑,低桩承台：稳定性较好，但在水中施工难度较大，因此可用于季节性河流、冲刷小的河流或旱地上其它结构物的基础。当作用在桩基础上的水平力和弯矩较大，或桩侧土质较差时，为减少桩身所受的内力，可适当降低承台底面标高。高桩承台：对于常年有流水，冲刷较深，或水位较高，施工排水困难，在受力条件允许时，应尽可能采用高桩承台。有时为节省墩台身圬工数量，则可适当提高承台底面标高。当承台埋设于冻胀土层中时，为了避免由于土的冻胀引起桩基础损坏，承台底面应位于冻结线以下不少于0.25m，承台如在水中或有流冰的河道，承台底面也应适当放低，以保证基桩不会直接受到撞击，否则应设置防撞装置。,4,（二）柱桩桩基和摩擦桩桩基的考虑,柱桩和摩擦桩的选择主要根据地质和受力情况确定。,柱桩：柱桩桩基础承载力大，沉降量小，较为安全可靠，因此当基岩埋深较浅时，应考虑采用柱桩桩基。,摩擦桩：若岩层埋置较深或受施工条件的限制不宜采用柱桩，则可采用摩擦桩，,在同一桩基础中不宜同时采用柱桩和摩擦桩，同时也不宜采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩，以避免桩基产生不均匀沉降或丧失稳定性。,注意：,5,（三）桩型与施工方法的考虑,桩型与施工方法的选择应按照基础工程的方案选择原则根据地质情况、上部结构要求、桩的使用功能和施工技术设备等条件来确定。,一般程序：设计时，首先拟定尺寸，然后通过基桩计算，验算所拟定的尺寸是否经济合理，再作最后确定。,6,二、桩径、桩长的拟定,桩径与桩长的设计，应综合考虑荷载的大小、土层性质与桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比以及施工设备与技术条件等因素后确定，力争做到既满足使用要求，又造价经济，最有效地利用和发挥地基土和桩身材料的承载性能。,设计时，首先拟定尺寸，然后通过基桩计算，验算所拟定的尺寸是否经济合理，再作最后确定。,7,（一）桩径拟定,桩的类型选定后，桩的横截面（桩径）可根据各类桩的特点与常用尺寸选择确定。,（二）桩长拟定,设计时，可先根据地质条件选择适宜的桩端持力层初步确定桩长，并应考虑施工的可行性（如钻孔灌注桩钻机钻进的最大深度等）。一般情况下：应将桩底置于岩层、坚硬的土层上、压缩性较低、强度较高的土层，以得到较大的承载力和较小的沉降量。避免使桩底坐落在软土层上或离软弱下卧层的距离太近，以免桩基础发生过大的沉降。对于摩擦桩，有时桩底持力层可能有多种选择，此时确定桩长与桩数两者相互牵连，遇此情况，可通过试算比较，选择较合理的桩长。摩擦桩的桩长不应拟定太短，一般不应小于4m。此外，为保证发挥摩擦桩桩底土层支承力，桩底端部应尽可能达到该土层的桩端阻力的临界深度，一般不宜小于1m。,8,三、确定基桩根数及其平面布置,（一）桩的根数估算,一个基础所需桩的根数可根据承台底面上的竖向荷载和单桩容许承载力按下式估算：,式中：桩的根数；作用在承台底面上的竖向荷载，kN；单桩容许承载力，kN；考虑偏心荷载时各桩受力不均而适当增加桩数的经验系数，可取=1.11.2。,9,（二）桩间距的确定,钻（挖）孔灌注桩的摩擦桩中心距不得小于2.5倍成孔直径，支承或嵌固在岩层的柱桩中心距不得小于2.0倍的成孔直径（矩形桩为边长），桩的最大中心距一般也不超过5-6倍桩径。,打入桩的中心距不应小于桩径（或边长）的3.0倍，在软土地区宜适当增加。如设有斜桩，桩的中心距在桩底处不应小于桩径的3.0倍，在承台底面不小于桩径的1.5倍；若用振动法沉入砂土内的桩，在桩底处的中心距不应小于桩径的4.0倍。,管柱的中心距一般为管柱外径的2.03.0倍（摩擦桩）或2.0倍（柱桩）。,10,（三）桩的平面布置,多排桩:稳定性好，抗弯刚度较大，能承受较大的水平荷载，水平位移小，但多排桩的设置将会增大承台的尺寸，增加施工困难，有时还影响航道；,单排桩:能较好地与柱式墩台结构形式配用，可节省圬工，减小作用在桩基的竖向荷载。,因此，当桥跨不大、桥高较矮时，或单桩承载力较大，需用桩数不多时常采用单排排架式基础。公路桥梁自采用了具有较大刚度的钻孔灌注桩后，选用盖梁式承台双柱或多柱式单排墩台桩柱基础也较广泛，对较高的桥台、拱桥桥台、制动墩和单向水平推力墩基础则常需用多排桩。,11,多排桩的排列形式：常采用行列式（下图a）和梅花式（下图b），在相同的承台底面积下，后者可排列较多的基桩，而前者有利于施工。,12,考虑荷载合力作用点的桩的布置：为使各桩受力均匀，充分发挥每根桩的承载能力，设计布置时，应尽可能使桩群横截面的重心与荷载合力作用点重合或接近，通常桥墩桩基础中的基桩采取对称布置，而桥台多排桩桩基础视受力情况在纵桥向采用非对称布置。,考虑弯矩的桩的布置：当作用于桩基的弯矩较大时，宜尽量将桩布置在离承台形心较远处，采用外密内疏的布置方式，以增大基桩对承台形心或合力作用点的惯性距，提高桩基的抗弯能力。,考虑使承台受力的桩的布置：例如桩柱式墩台应尽量使墩柱轴线与基桩轴线重合，盖梁式承台的桩柱布置应使承台发生的正负弯矩接近或相等，以减小承台所承受的弯曲应力。,13,四、桩基础设计计算与验算内容,（一）单根基桩的验算1单桩轴向承载力验算1）按地基土的支承力确定和验算单桩轴向承载力,目前通常仍采用单一安全系数即容许应力法进行验算。首先根据地质资料确定单桩轴向容许承载力，对于一般性桥梁和结构物，或在各种工程的初步设计阶段可按经验（规范）公式计算；而对于大型、重要桥梁或复杂地基条件还应通过静载试验或其他方法，作详细分析比较，较准确合理地确定。检算单桩容许承载力，应以最不利荷载组合计算出受轴向力最大的一根基桩进行验算。要求：,14,2）按桩身材料强度确定和验算单桩承载力,验算时，把桩作为一根压弯构件，按概率极限状态设计方法以承载能力极限状态验算桩身压屈稳定和截面强度，以正常使用极限状态验算桩身裂缝宽度（参见规范）。如果不能满足要求，则应增加桩数n或调整桩的平面布置，或减少Nmax值，也可加大桩的截面尺寸，重新确定桩数、桩长和布置，直到符合验算要求为止。,15,当有水平静载试验资料时可以直接验算桩的水平容许承载力是否满足地面处水平力的要求。无水平静载试验资料时，均应验算桩身截面强度。对于预制桩还应验算桩起吊、运输时的桩身强度。,2单桩横向承载力验算,16,3单桩水平位移及墩台顶水平位移验算,现行规范未直接提及桩的水平位移验算，但规范规定需作墩台顶水平位移验算。在荷载作用下，墩台水平位移值的大小，除了与墩台本身材料受力变位有关外，还取决于桩柱的水平位移及转角，因此墩台顶水平位移验算包含了对单桩水平位移的检验。在荷载作用下，墩台顶水平位移不应超过规定的容许值即，其中L为桥孔跨径（以m计）。,墩台顶的水平位移按下式计算：,式中：a0承台底面中心处的水平位移；承台底面中心处的转角；h1墩台顶至承台底的距离；由承台底到墩台顶面间的弹性挠曲所引起的墩台顶部的水平位移。,17,4弹性桩单桩桩侧土的水平土抗力验算,此项需否验算目前尚无一致意见，考虑其验算的目的在于保证桩侧土的稳定而不发生塑性破坏，予以安全储备，并确保桩侧土处于弹性状态，符合弹性地基梁法理论上的假设要求。验算时要求桩侧土产生的最大土抗力不应超过其容许值。,18,（二）群桩基础承载力和沉降量的验算当摩擦型群桩基础的基桩中心距小于6倍桩径时，需验算群桩基础的地基承载力，包括桩底持力层承载力验算及软弱下卧层的强度验算；必要时还须验算桩基沉降量，包括总沉降量和相邻墩台的沉降差。,（三）承台强度验算承台作为构件，一般应进行局部受