基础工程第8讲桩基础

上节内容回顾,1、根据施工方法划分为预制桩和灌注桩,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。,2、根据桩的性状和竖向受力情况划分为端承型桩和摩擦型桩,3、按挤土效应分类分为挤土桩、非挤土桩、部分挤土桩,类型,轴向荷载下单桩的承载力,1.单桩静载荷试验Ra=Qu/2,2.规范经验公式确定单桩承载力特征值,负摩阻力及其产生的原因,负摩阻力的计算,群桩的承载力,1.轴心竖向力作用下：,2.偏心竖向力作用下：,基桩竖向承载力的确定,3.水平力作用下：,式中Mxk、Myk相应于荷载效应标准组合作用于承台底面的外力对通过桩群形心的x、y轴的力矩；xi、yii桩至通过桩群形心的y、x轴线的距离。,水平荷载下桩基的承载力,Rha=Hcr、Hu/2,4.6桩基础设计,4.6.1桩基础设计的一般规定,1、两个概念桩的作用是把建筑物的荷载传递给地基，不同类型桩单桩承载力和变形特征不同。桩基础应按下列两类极限状态设计：承载能力极限状态：桩基达到最大承载能力、整体失稳或发生不适于继续承载的变形；正常使用极限状态：桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。,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,（）应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行桩基的竖向承载力计算和水平承载力计算。（）应对桩身和承台结构承载力进行计算；（）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。（）对位于坡地、岸边的桩基应进行整体稳定性验算。（）对于抗浮、抗拔桩基，应进行基桩和群桩的抗拔承载力计算。（）对于抗震设防区的桩基应进行抗震承载力验算。,（）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；（）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；（）软土地基多层建筑减沉复合疏桩基础。,4、下列建筑桩基应进行沉降计算,5、桩基设计时，所采用的作用效应组合与相应的抗力应符合下列规定（）确定桩数和布桩时，应采用传至承台底面的荷载效应标准组合；相应的抗力应采用基桩或复合基桩承载力特征值。（）计算荷载作用下的桩基沉降和水平位移时，应采用荷载效应准永久组合；计算水平地震作用、风载作用下的桩基水平位移时，应采用水平地震作用、风载效应标准组合。,4.6.2桩基础设计内容,收集基本设计资料初定承台底面高程，确定桩的类型、桩长和断面尺寸确定单桩承载力确定桩的数量、间距，承台底面和桩的布置桩基础的验算6.桩身结构设计和承台设计,No,承台设计,桩基础的设计步骤,4.6.3桩基础设计的一般步骤,一.资料准备,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。,二.桩的类型、截面和桩长的选择,1桩的类别（预制桩或灌注桩）桩类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。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。,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。,同一结构单元宜避免采用不同类型的桩。,为什么？,2桩的截面尺寸主要因素: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=500mm的预制桩；d）3040层：直径大于1200mm的钻（冲、挖）孔灌注桩、边长500550mm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。,3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（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）。,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）。,三.确定单桩竖向及水平承载力,1静载试验,单桩竖向承载力特征值Ra=Qu/2,2规范经验公式,式中Ra单桩竖向承载力特征值；qpa、qsia桩端端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得(查表3-6,3-9)；,Ap桩底横截面面积；up桩身周边长度；li第i层岩土的厚度。,3）单桩水平静载试验,桩水平静载试验装置示意图,单向多循环加卸载法,慢速连续法,23,1桩数,初估桩数时，先不考虑群桩效应，根据单桩竖向承载力设计值R定桩数n。轴心受压时，可按下式估算：F作用在承台上的竖向压力设计值；G承台及其上方填土的重力。偏心受压时，分为两种情况：若群桩重心与荷载合力点重合，桩数仍可按上式确定。若不能满足，则应增加(10-20)桩数。,四.确定桩的数量、间距，承台底面尺寸和桩的平面布置,2桩的间距,建筑地基基础设计规范规定：摩擦型桩的间距不宜小于桩径的3倍，一般为36倍；扩底灌注桩的间距不宜小于扩底直径的1.5倍，当扩底直径大于2m时，桩端净距不宜小于1m。对于大面积桩群，尤其是挤土桩，桩的最小中心距宜适当加大。端承型桩的间距一般不小于2倍桩径，其他见P95-96,桩的边距s1（桩的中心至承台边的距离）一般不小于桩的直径，亦不得小于300mm。,3桩的平面布置,行列式梅花式,桩的平面布置示例（a）柱下桩基；（b）墙下桩基,为了使桩基中各桩受力比较均匀，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。,轴心竖向力作用下：,偏心竖向力作用下：,1竖向承载力验算,五.桩基承载力验算,式中Mxk、Myk相应于荷载效应标准组合作用于承台底面的外力对通过桩群形心的x、y轴的力矩标准值；xi、yi桩i至通过桩群形心的y、x轴线的距离。,轴心竖向力作用下：QkR,偏心竖向力作用下：QkRQkmax1.2R,水平力作用下：HikRHa,抗震设防区,Qk1.25RQkmax1.5R,关于桩基竖向承载力的取值,地基规范中采用：单桩竖向承载力特征值Ra,桩基规范中采用：单桩竖向承载力特征值Ra基桩或复合基桩竖向承载力特征值R,不考虑承台效应时：（端承型桩基，桩数少于4根的磨擦型柱下独立桩基等）,考虑承台效应时：,考虑共同工作极限状态的低承台磨擦型群桩基础设计,桩基考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值R：,不考虑地震作用,考虑地震作用时,计算基桩所对应的承台底净面积,承台总面积,单桩桩身截面面积,承台效应系数,单桩竖向承载力特征值。,几个基本概念,基桩群桩中的一根桩。复合基桩考虑承台底土阻力时群桩中的一根桩。复合桩基由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基。非复合桩基不考虑承台底土阻力的桩基。,2水平承载力验算,水平力作用下：,HikRHa,桩基承台的设计包括确定承台的材料、底面标高、平面形状及尺寸、剖面形状及尺寸以及进行受弯、受剪、受冲切计算，并应符合构造要求。,六、桩基承台设计,1.构造要求,承台形状方形、矩形、三角形、多边形、圆形宽度500mm厚度300mm边桩中心距离承台边1.0d且桩外缘距离承台边150mm桩嵌入承台大桩横向荷载100mm,小桩50mm,钢筋伸入承台30d混凝土标号C20保护层70mm,当有混凝土垫层时，不应小于40mm。,2.承台的计算承台计算包括受弯、受剪、受冲切承载力计算。受弯计算的结果承台的钢筋配置受冲切和受剪计算承台的厚度,(1)承台的抗弯计算当承台板厚度比较小，而配筋量又不足时，承台在柱荷载作用下，常先发生弯曲破坏。防止弯曲破坏，在承台板底部要配有足够数量的钢筋。大量模型试验表明，柱下独立桩基承台呈“梁式破坏”，其挠曲裂缝在平行于柱边两个方向交替出现，最大弯矩产生平行于柱边两个方向的屈服线处。,对于矩形承台，弯矩计算截面取在柱边和承台高度变化处,计算公式为：,柱下矩形承台（柱下三角承台P145）,MxNiyiMyNixi,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。,2承台受冲切验算,(1)柱对承台的冲切,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；,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。,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；,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；,0 x、0y冲切系数；0 x、0y冲跨比0 xa0 xh0、0ya0yh0，a0 x、a0y为柱边或变阶处至桩边的水平距离；当a0 x（a0y）h0时，a0 x（a0y）h0；,角桩对承台的冲切,3.承台斜截面的抗剪验算对于柱下矩形独立承台，在验算承台斜截面的抗剪承载力时，应分别对柱的纵、横两个方向进行计算。桩基规范规定，剪切破坏面为通过柱边和桩边连线形成的斜截面。,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；,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。,承台配筋的技术要求,1、矩形承台：钢筋直径不小于10mm、间距不大于200mm;2、最小配筋率：柱下独立桩基承台不小于0.15%；3、受力钢筋截面面积为：,1、单桩计算桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求。计算中应按桩的类型和成桩工艺的不同将混凝土的轴心抗压强度设计值乘以工作条件系数c，桩身强度应符合下式要求：桩轴心受压时：式中fc混凝土轴心抗压强度设计值，按现行混凝土结构设计规范取值；Q相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值，Q1.35Qk；c工作条件系数，预制桩取0.75，灌注桩取0.60.7（水下灌注桩或长桩时用低值)。,七桩身结构设计,2、单桩构造(1)最小配筋率:0.8(打人式预制桩)；0.6(静压预制桩)；0.20.65%(灌注桩,小直径桩取大值)(2)配筋长度：受水平荷载和弯矩较大的桩，配筋长度应通过计算确定。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、淤泥质土层或液化土层。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。柱径大于600mm的钻孔灌注桩，构造钢筋的长度不宜小于桩长的23。,九、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,八、绘制施工图，编写必要的设计说明,桩基础设计,资料准备(岩土勘察、建筑物类型等),3.确定单桩竖向及水平承载力,2.桩的类型、截面尺寸和桩长的选择,4.确定桩的数量、间距，承台底面尺寸和桩的平面布置,5.桩基承载力验算,7.桩身结构设计,6.桩基承台设计,8.绘制施工图，编写必要的设计说明,1、基桩竖向承载力特征值的确定,1）单桩竖向承载力特征值Ra,2）基桩竖向承载力特征值R,对于端承型桩基、桩数少于4根的摩擦型柱下独立桩基、或由于地层土性、使用条件等因素不宜考虑承台效应时，基桩竖向承载力特征值应取单桩竖向承载力特征值。,2）基桩竖向承载力特征值R,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）上部结构整体刚度较好、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疏桩基础。,不考虑地震作用时,考虑地震作用时,承台效应系数,1）桩的根数估算在轴心荷载作用下：在偏心作用下：,2、确定基桩根数及其平面布置,桩的最小中心距,注：1、d圆桩直径或方桩边长，D扩大端设计直径。2、当纵横向桩距不相等时，其最小中心距应满足“其他情况”一栏的规定。3、当为端承型桩时，非挤土灌注桩的“其他情况”一栏可减小至2.5d。,2）桩间距的确定,3）桩的平面布置,正方形、长方形、三角形、梅花形,轴心竖向力作用下：,偏心竖向力作用下：,1竖向承载力验算,3.桩基承载力验算,式中Mxk、Myk相应于荷载效应标准组合作用于承台底面的外力对通过桩群形心的x、y轴的力矩；xi、yi桩i至通过桩群形心的y、x轴线的距离。,轴心竖向力作用下：QkRa,偏心竖向力作用下：QkRaQ