基础工程学-第5章 桩基础设计

1、1/100 n 概述 n 建筑桩基设计的基本规定 n 桩的分类 n 竖向荷载作用下的单桩工作性状 n 竖向荷载作用下单桩承载力的确定方法 n 竖向荷载作用下的单桩沉降计算 n 竖向荷载作用下群桩工作性状 n 群桩的竖向承载力计算 n 群桩的沉降计算 n 水平荷载作用下桩基的承载力和变位 n 桩基础设计 2/100 l 十九世纪以前：十九世纪以前：7000-8000年前，浙江宁波附近的河姆渡遗址；年前，浙江宁波附近的河姆渡遗址；3000- 4000年前的古罗马；西安灞桥、隋唐建塔等等。年前的古罗马；西安灞桥、隋唐建塔等等。 l 十九世纪以后：十九世纪以后：材料和动力进步促进桩基发展和应用；水泥工

2、业、蒸材料和动力进步促进桩基发展和应用；水泥工业、蒸 汽动力出现，铸铁管桩得以应用；十九世纪末，现场钻孔桩应用；汽动力出现，铸铁管桩得以应用；十九世纪末，现场钻孔桩应用； l 近、现代时期：近、现代时期：桩基应用已得到很大发展，桩基材料、桩型、工艺和桩基应用已得到很大发展，桩基材料、桩型、工艺和 施工技术等多样化。施工技术等多样化。 l 桩基技术的发展受工业化的影响巨大；桩基技术的发展受工业化的影响巨大； l 桩型及施工工艺推陈出新，桩基理论和概念以及桩基效用实质性变化；桩型及施工工艺推陈出新，桩基理论和概念以及桩基效用实质性变化； l 桩基与其它基础形式或工艺联合应用，高强、大直径、超长为发

3、展趋势；桩基与其它基础形式或工艺联合应用，高强、大直径、超长为发展趋势； l 桩基施工检测与监测形成相当丰富有效的技术。桩基施工检测与监测形成相当丰富有效的技术。 3/100 国家体育场全景 鸟巢基础桩举例 5/100 新加坡发展银行新加坡发展银行,四墩四墩, 每墩直径每墩直径7.3m。 将荷载传递到下部好土层将荷载传递到下部好土层,承载力高。承载力高。 6/100 7/100 l 土质条件太差不宜用浅基础时选用桩基；土质条件太差不宜用浅基础时选用桩基； l 地基土特殊不宜采用地基改良方法和加固措施时选用桩基；地基土特殊不宜采用地基改良方法和加固措施时选用桩基； l 上部结构荷载较大，或需要较

4、大的抵御水平荷载刚度选用桩基；上部结构荷载较大，或需要较大的抵御水平荷载刚度选用桩基； l 结构对不均匀沉降相当敏感，或建筑物受到大面积堆载时选用桩基；结构对不均匀沉降相当敏感，或建筑物受到大面积堆载时选用桩基； l 地下水位很高，或水下基础施工困难时选用桩基；地下水位很高，或水下基础施工困难时选用桩基； l 具有重要历史意义或需长期保存之建筑物基础选用桩基。具有重要历史意义或需长期保存之建筑物基础选用桩基。 l 桩柱基础：柱下独立桩基础；桩柱基础：柱下独立桩基础； l 桩梁基础：基础梁（或承台梁）下桩基础；桩梁基础：基础梁（或承台梁）下桩基础； l 桩墙基础：剪力墙（或实腹筒壁）下桩基础；桩

5、墙基础：剪力墙（或实腹筒壁）下桩基础； l 桩筏基础：筏板下桩基础；桩筏基础：筏板下桩基础； l 桩箱基础：箱基下桩基础。桩箱基础：箱基下桩基础。 8/100 l 桩基形式的合理选择：桩基形式的合理选择：考虑地基条件和结构特点；考虑地基条件和结构特点； l 持力层和桩长的合理选择：持力层和桩长的合理选择：从承载力、变形、经济和施工角度考虑；从承载力、变形、经济和施工角度考虑； l 合理布置桩基：合理布置桩基：最大程度发挥桩的承载性能；最大程度发挥桩的承载性能； l 桩基水平承载力的合理确定：桩基水平承载力的合理确定：能有效抵御倾覆或外荷载致水平力；能有效抵御倾覆或外荷载致水平力； l 合理控制

6、桩基施工引发的环境问题：合理控制桩基施工引发的环境问题：噪音干扰、周边设施的保护。噪音干扰、周边设施的保护。 l 承载力极限状态：桩基达到最大承载能力、整体失稳或发生不适于继承载力极限状态：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；续承载的变形； l 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耐正常使用极限状态：桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或耐 久性要求的某项限值。久性要求的某项限值。 9/100 (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

7、筒结构及其它对差异沉降有特殊要求之建筑 (5)场地和地基条件复杂的7层以上一般建筑及坡地、岸边建筑物 (6)对相邻既有工程影响较大的建筑 除甲级、丙级以外的建筑 场地和地基条件简单、荷载分布均匀的7层及以下一般建筑 10/100 l 确定桩数和布桩时确定桩数和布桩时，应采用传至承台底面的荷载效应，应采用传至承台底面的荷载效应标准组合标准组合；相应；相应 的抗力应采用基桩或复合基桩的抗力应采用基桩或复合基桩承载力特征值承载力特征值； l 计算荷载作用下的桩基沉降和水平位移时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，应采用荷载效应准永久组准永久组 合合；计算水平地震作用、风载作用下的桩

8、基；计算水平地震作用、风载作用下的桩基水平位移水平位移时，应采用水平地时，应采用水平地 震作用、风载效应震作用、风载效应标准组合标准组合； l 计算桩基结构承载力、确定尺寸和配筋时计算桩基结构承载力、确定尺寸和配筋时，应采用传至承台，应采用传至承台顶面顶面的荷的荷 载效应载效应基本组合基本组合。进行承台和桩身裂缝控制验算时进行承台和桩身裂缝控制验算时，应分别采用荷载效，应分别采用荷载效 应应标准组合标准组合和和准永久组合准永久组合。 11/100 l 按承载性状分类：摩擦型桩和端承型桩按承载性状分类：摩擦型桩和端承型桩 摩擦桩：摩擦桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载由桩侧阻力承受，桩在承载

9、能力极限状态下，桩顶竖向荷载由桩侧阻力承受，桩 端阻力小到可忽略不计端阻力小到可忽略不计 端承摩擦桩：端承摩擦桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力 承受承受 端承桩：端承桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受，在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受， 桩侧阻力小到可忽略不计桩侧阻力小到可忽略不计 摩擦端承桩：摩擦端承桩：在承载能力极限状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受在承载能力极限状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受 摩擦型桩摩擦型桩 端承型桩端承型桩 12/100 l 按成桩方法分类：非挤土桩、部分

10、挤土桩和挤土桩按成桩方法分类：非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩 各类钻（挖）孔桩：干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法等各类钻（挖）孔桩：干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法等 冲孔灌注桩、钻孔挤扩灌注桩、打入（静压）式敞口钢管桩、冲孔灌注桩、钻孔挤扩灌注桩、打入（静压）式敞口钢管桩、H型钢型钢 桩、预应力混凝土空心桩等。桩、预应力混凝土空心桩等。 沉管灌注桩、打入（静压）预制桩、闭口预应力空心桩和钢管桩等沉管灌注桩、打入（静压）预制桩、闭口预应力空心桩和钢管桩等 非挤土桩非挤土桩 挤土桩挤土桩 部分挤土桩部分挤土桩 13/100 14/100 干法施工干法施工 15/100 预制桩预制桩 16/100

11、钢桩钢桩 17/100 预应力桩预应力桩 18/100 l 按桩径（设计直径）大小分类：小直径桩、中等直径桩、大直径桩按桩径（设计直径）大小分类：小直径桩、中等直径桩、大直径桩 小直径桩：小直径桩：d不超过不超过250mm 中等直径桩：中等直径桩：250 mm d 800 mm 大直径桩：大直径桩：d不小于不小于 800 mm l 对框架核心筒等荷载分布很不均匀的桩筏基础，宜选择基桩尺寸和对框架核心筒等荷载分布很不均匀的桩筏基础，宜选择基桩尺寸和 承载力可调性较大的桩型和工艺；承载力可调性较大的桩型和工艺； l 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；挤土沉管灌注桩用于淤泥

12、和淤泥质土层时，应局限于多层住宅桩基； l抗震设防烈度为抗震设防烈度为8度及以上地区，不宜采用预应力混凝土管桩和预应力度及以上地区，不宜采用预应力混凝土管桩和预应力 混凝土空心方桩混凝土空心方桩 19/100 竖向荷载下单桩的工作性状包括两个重要的问题：竖向荷载下单桩的工作性状包括两个重要的问题： (1) 单桩的荷载传递机制单桩的荷载传递机制; (2) 桩侧负摩阻力问题。桩侧负摩阻力问题。 竖向荷载作用下，单桩的荷载传递是竖向荷载作用下，单桩的荷载传递是桩土体系共同工作的结果桩土体系共同工作的结果。 桩顶受竖向荷载作用，桩顶受竖向荷载作用， 桩身压缩而向下位移。由此，桩身压缩而向下位移。由此，

13、 桩身与土间的摩阻力出现，桩身与土间的摩阻力出现， 并使桩身轴力和位移随深度并使桩身轴力和位移随深度 递减。在桩土相对位移为零递减。在桩土相对位移为零 处，摩阻力为零。处，摩阻力为零。 荷载继续增加，桩身向荷载继续增加，桩身向 下位移加大，带动下部土层下位移加大，带动下部土层 摩阻力发挥，直到荷载增加摩阻力发挥，直到荷载增加 到一定程度，桩侧摩阻力不到一定程度，桩侧摩阻力不 能支持桩身荷载，此时，桩能支持桩身荷载，此时，桩 端阻力发挥作用。端阻力发挥作用。 20/100 ( )( )( )( ) s Q zdQ zq z udzQ z 竖向荷载下单桩的工作性状包括两个重要的问题：竖向荷载下单桩

14、的工作性状包括两个重要的问题：(1) 单桩的荷载传递机制单桩的荷载传递机制; (2) 桩侧负摩阻力问题。桩侧负摩阻力问题。 根据上述描述，则可根据桩身任一截面处的受力和变形建立桩身轴力、轴向根据上述描述，则可根据桩身任一截面处的受力和变形建立桩身轴力、轴向 变形和桩侧摩阻力之间的关系。如图，取一微分段变形和桩侧摩阻力之间的关系。如图，取一微分段dz： 由该微分段的静力平衡条件：由该微分段的静力平衡条件： Q(Z) Q(Z)+dQ(z) dz微分段表面积微分段表面积 则可得到：则可得到： dz zdQ u zqs )(1 )( 由桩身轴力和压缩变形关系：由桩身轴力和压缩变形关系： p AE dz

15、 zQzds)()( 桩身压缩变形桩身压缩变形 桩身截面积桩身截面积 桩身压缩模量桩身压缩模量 21/100 竖向荷载下单桩的工作性状包括两个重要的问题：竖向荷载下单桩的工作性状包括两个重要的问题：(1) 单桩的荷载传递机制单桩的荷载传递机制; (2) 桩侧负摩阻力问题。桩侧负摩阻力问题。 根据上述描述，则可根据桩身任一截面处的受力和变形建立桩身轴力、轴向根据上述描述，则可根据桩身任一截面处的受力和变形建立桩身轴力、轴向 变形和桩侧摩阻力之间的关系。如图，取一微分端变形和桩侧摩阻力之间的关系。如图，取一微分端dz： Q(Z) Q(Z)+dQ(z) 则由：则由： dz zdQ u zqs )(1

16、 )( p AE dz zQzds)()( 和和 z s dzzquQzQ 0 0 )()(Z深度的轴力：深度的轴力： z P dzzQ AE szs 0 0 )( 1 )( Z深度的沉降：深度的沉降： 桩土体系荷载桩土体系荷载 传递微分方程：传递微分方程： 2 2 )( )( dz zsd u AE zq P s 22/100 l 作用于桩顶的竖向荷载Q是由桩侧土的总摩阻力Qs和桩端土的端阻力QP共同承担。 Q Qs QP；当桩顶荷载加大至极限值时，Q uQsu QPu 其中：Q u称为单桩竖向抗压极限承载力(kN)； Qsu为单桩总极限摩侧阻力(kN)；QPu 则为单桩总极限端阻力(kN)

17、。 l 对桩的荷载传递过程的研究表明：桩 在外荷载Q作用下， Qs 与与 QP 的发挥程的发挥程 度与桩土之间的相对位移度与桩土之间的相对位移情况有关。桩桩 与土之间发生不大的相对位移时，摩阻与土之间发生不大的相对位移时，摩阻 力就可充分发挥出来力就可充分发挥出来。 l 单桩受荷过程中桩端阻力的发挥滞后 于桩侧阻力，充分发挥所需的桩底位移 值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截 面位移值大得多。 另外：另外：P121 23/100 什么是负摩阻力？什么是负摩阻力？ 在此之前的分析认为，桩侧摩阻力的产生是因为桩身压缩向下位移，故土体阻止在此之前的分析认为，桩侧摩阻力的产生是因为桩身压缩向下位移，故土

18、体阻止 桩身向下位移而作用于桩侧的向上阻力。这可理解为正的桩侧摩阻力；倘若桩身向上桩身向下位移而作用于桩侧的向上阻力。这可理解为正的桩侧摩阻力；倘若桩身向上 位移，即位移，即土体相对桩身向下位移土体相对桩身向下位移，此时，土体欲，此时，土体欲“下拉下拉”桩身，则此时摩阻力方向向下，桩身，则此时摩阻力方向向下， 故称其为故称其为“负摩阻力负摩阻力”。负摩阻力对桩基稳定具有。负摩阻力对桩基稳定具有“负面效应负面效应”：加大桩身荷载和沉降加大桩身荷载和沉降。 什么情况下会产生负摩阻力？什么情况下会产生负摩阻力？ 土体发生大于桩身压缩位移的沉降！土体发生大于桩身压缩位移的沉降！这种情况的产生有几种可能

19、：这种情况的产生有几种可能： l 欠固结土体的固结沉降；湿陷性黄土浸水、欠固结软土，厚松散填土欠固结土体的固结沉降；湿陷性黄土浸水、欠固结软土，厚松散填土 l 桩周土体在外荷载下的固结沉降；桩侧大面积堆载，地震，预压堆载桩周土体在外荷载下的固结沉降；桩侧大面积堆载，地震，预压堆载 l 降水引起的地基固结沉降；人工抽、排水；城市用水降水引起的地基固结沉降；人工抽、排水；城市用水 l 卸载后的再固结沉降。开挖隆起后再固结卸载后的再固结沉降。开挖隆起后再固结 24/100 桩侧负摩阻力如何分布？桩侧负摩阻力如何分布？ 桩身上负摩擦力的分布范围可根据桩与周围土的相对位移情况确定。若桩身桩身上负摩擦力的

20、分布范围可根据桩与周围土的相对位移情况确定。若桩身 某一截面处，桩与周围土体之间没有相对位移，则作用在桩上的摩擦力为零，称某一截面处，桩与周围土体之间没有相对位移，则作用在桩上的摩擦力为零，称 该点为该点为中性点中性点。 在在中性点截面处，桩身的轴力中性点截面处，桩身的轴力N最大最大；在；在中性点以上中性点以上，土的下沉，土的下沉 量大于桩的沉降量，所以是量大于桩的沉降量，所以是负摩擦区负摩擦区；在；在中性点以下中性点以下，土的下沉量小于桩的沉降，土的下沉量小于桩的沉降 量，因而是量，因而是正摩擦区正摩擦区。 25/100 桩侧负摩阻力如何分布？桩侧负摩阻力如何分布？ 中性点的深度中性点的深度

21、ln与桩周土的压缩性和变形条件，以及桩和持力层土的刚度等因素与桩周土的压缩性和变形条件，以及桩和持力层土的刚度等因素 有关，但实际上准确确定中性点的位置比较困难。有关，但实际上准确确定中性点的位置比较困难。桩尖沉降桩尖沉降sp越小，越小，ln越大越大，对于支承，对于支承 在岩层上的端承桩（在岩层上的端承桩（sp0） ，负摩擦力可分布于全桩身负摩擦力可分布于全桩身。 K0 : :土的侧压力系数；土的侧压力系数；f f : :土的有效内摩擦角度；土的有效内摩擦角度； : :桩周土中的竖向有效应桩周土中的竖向有效应 力；力；n n : :桩周土负摩擦力系数。 桩周土负摩擦力系数。 桩侧负摩阻力如何计

22、算？桩侧负摩阻力如何计算？ nn Kq)tan( 0 26/100 单桩竖向承载力由两个方面因素所决定：单桩竖向承载力由两个方面因素所决定：一是地基土对桩的支承能力；二是桩一是地基土对桩的支承能力；二是桩 本身材料的强度。本身材料的强度。一般情况下，单桩的竖向承载力由地基土的支承能力所决定。这一般情况下，单桩的竖向承载力由地基土的支承能力所决定。这 是因为正常情况下的桩身材料强度往往不能得到完全发挥，只有对端承桩及少数桩是因为正常情况下的桩身材料强度往往不能得到完全发挥，只有对端承桩及少数桩 身存在质量缺陷的情况下才可能由桩身强度决定其竖向承载力。身存在质量缺陷的情况下才可能由桩身强度决定其竖

23、向承载力。 l 按桩身材料强度确定竖向承载力按桩身材料强度确定竖向承载力 根据材料强度计算单桩承载力时，根据材料强度计算单桩承载力时， 可把桩视为插在土中的受压杆件，在轴可把桩视为插在土中的受压杆件，在轴 向压力作用下，计算桩身轴力受压强度向压力作用下，计算桩身轴力受压强度 时，一般可不考虑弯曲的影响，即取稳时，一般可不考虑弯曲的影响，即取稳 定系数定系数f f1.0 ，则其承载力设计值可用，则其承载力设计值可用 右式确定：右式确定： y cp cpg c p y g Rf A Rf Af A R f A f A 混凝土桩 钢筋混凝土桩 式中单桩轴向承载力设计值； 混凝土轴向抗压强度设计值；

24、桩的横截面面积； 纵向钢筋抗压强度设计值； 纵向钢筋的横截面面积。 小注：小注：存在压曲破坏可能的竖向单桩承存在压曲破坏可能的竖向单桩承 载力不能完全由桩身强度确定。例如，载力不能完全由桩身强度确定。例如， 长细比很大的桩体、可液化土中的桩体长细比很大的桩体、可液化土中的桩体 等！等！ 27/100 单桩竖向承载力由两个方面因素所决定：单桩竖向承载力由两个方面因素所决定：一是地基土对桩的支承能力；二是桩一是地基土对桩的支承能力；二是桩 本身材料的强度。本身材料的强度。一般情况下，单桩的竖向承载力由地基土的支承能力所决定。这一般情况下，单桩的竖向承载力由地基土的支承能力所决定。这 是因为正常情况

25、下的桩身材料强度往往不能得到完全发挥，只有对端承桩及少数桩是因为正常情况下的桩身材料强度往往不能得到完全发挥，只有对端承桩及少数桩 身存在质量缺陷的情况下才可能由桩身强度决定其竖向承载力。身存在质量缺陷的情况下才可能由桩身强度决定其竖向承载力。 l 按桩周土的支承能力确定竖向承载力按桩周土的支承能力确定竖向承载力 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)对不同设计等级桩基规定了单桩设计对不同设计等级桩基规定了单桩设计 极限承载力标准值的确定方法：极限承载力标准值的确定方法： 通过单桩静载试验确定 地质条件简单时，可参照相同地质条件试桩资料，结合静探等原位 测试或经验参数综合确定

26、，其余由载荷试验确定 根据原位测试或经验参数确定 28/100 l 载荷试验确定单桩竖向极限承载力载荷试验确定单桩竖向极限承载力 29/100 l 载荷试验确定单桩竖向极限承载力载荷试验确定单桩竖向极限承载力 30/100 l 载荷试验确定单桩竖向极限承载力载荷试验确定单桩竖向极限承载力 由试验结果可绘出由试验结果可绘出桩顶荷载和桩顶沉降桩顶荷载和桩顶沉降 关系曲线关系曲线，根据上述曲线特性，可用下列，根据上述曲线特性，可用下列 方法确定单桩竖向极限承载力。方法确定单桩竖向极限承载力。 按沉降随荷载的变化特征确定按沉降随荷载的变化特征确定Qu 。当。当 Qs曲线有明显的第二拐点出现时，取第曲线

27、有明显的第二拐点出现时，取第 二拐点处所对应的荷载为极限荷载二拐点处所对应的荷载为极限荷载Qu。所。所 谓第二拐点，即谓第二拐点，即Q s曲线陡降段的起点。曲线陡降段的起点。 根据沉降量确定极限承载力。对于缓变根据沉降量确定极限承载力。对于缓变 型型Q s，一般可取，一般可取s4060mm对应的荷对应的荷 载值为载值为Qu。对于大直径桩可取。对于大直径桩可取s0.03 0.06d (d为桩端直径为桩端直径)所对应的荷载值；对于所对应的荷载值；对于 细长桩细长桩(ld80)，可取，可取s6080mm对应对应 的荷载值。的荷载值。 31/100 l 原位测试法确定单桩竖向极限承载力静力触探原位测试

28、法确定单桩竖向极限承载力静力触探 ukskpksik iskp QQQuq lp A ukskpkisi icp QQQuf lq A l 按土的物理指标确定单桩竖向极限承载力经验公式法按土的物理指标确定单桩竖向极限承载力经验公式法 ppkisikpkskuk AqlquQQQ 该方法为沿用多年的传统方法。该方法为沿用多年的传统方法。建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008) 针对不针对不 同的桩型，给出了极限承载力标准值的估算公式同的桩型，给出了极限承载力标准值的估算公式(P127-130) 。 32/100 K Q R uk a 安全系数，取安全系数，取K=2 单桩竖向极限承

29、载力标准值单桩竖向极限承载力标准值 单桩竖向承载力特征值单桩竖向承载力特征值 对于实际问题，单桩竖向承载力特征值还应考虑诸如承台效应、其它荷载效对于实际问题，单桩竖向承载力特征值还应考虑诸如承台效应、其它荷载效 应等情况对其进行修正（后续章节讲述）。应等情况对其进行修正（后续章节讲述）。 问题 荷载效应标准组合荷载效应标准组合 标准组合在某种意义上与过去的短期效应组合相同，主要标准组合在某种意义上与过去的短期效应组合相同，主要 用来验算一般情况下构件的挠度、裂缝等使用极限状态问用来验算一般情况下构件的挠度、裂缝等使用极限状态问 题。题。 荷载效应准永久组合荷载效应准永久组合 准永久组合在某种意

30、义上与过去的长期效应组合相同，其准永久组合在某种意义上与过去的长期效应组合相同，其 值等于荷载的标准值乘以准永久值系数。准永久组合常用值等于荷载的标准值乘以准永久值系数。准永久组合常用 于考虑荷载长期效应对结构构件正常使用状态影响的分析于考虑荷载长期效应对结构构件正常使用状态影响的分析 中。中。 最为典型的是：对于裂缝控制等级为最为典型的是：对于裂缝控制等级为2级的构件，要求按照级的构件，要求按照 标准组合时，构件受拉边缘混凝土的应力不超过混凝土的标准组合时，构件受拉边缘混凝土的应力不超过混凝土的 抗拉强度标准值，在按照准永久组合时，要求不出现拉应抗拉强度标准值，在按照准永久组合时，要求不出现

31、拉应 力力。 33/100 34/100 n 概述 n 建筑桩基设计的基本规定 n 桩的分类 n 竖向荷载作用下的单桩工作性状 n 竖向荷载作用下单桩承载力的确定方法 n 竖向荷载作用下的单桩沉降计算 n 竖向荷载作用下群桩工作性状 n 群桩的竖向承载力计算 n 群桩的沉降计算 n 水平荷载作用下桩基的承载力和变位 n 桩基础设计 例题5-1 题目分析 桩的类型：预制桩（p135） 公式5-17 解题 35/100 36/100 实际工程问题中可能较少遇到单桩沉降分析，但是单桩沉降分析对于桩基础实际工程问题中可能较少遇到单桩沉降分析，但是单桩沉降分析对于桩基础 设计仍有一定价值，主要有三个原因

32、：设计仍有一定价值，主要有三个原因： l 群桩沉降与单桩沉降间存在某种关系；群桩沉降与单桩沉降间存在某种关系； l 群桩内力计算中需要用到单桩竖向刚度系数，而单桩沉降与单桩竖向刚群桩内力计算中需要用到单桩竖向刚度系数，而单桩沉降与单桩竖向刚 度有关；度有关； l 单桩沉降分析可直接应用于大直径单桩结构的设计。单桩沉降分析可直接应用于大直径单桩结构的设计。 l 桩本身的弹性压缩；桩本身的弹性压缩； l 由桩侧摩阻力传递引起的桩端土体的压缩变形；由桩侧摩阻力传递引起的桩端土体的压缩变形； l 由桩端荷载引起的桩端土体压缩变形。由桩端荷载引起的桩端土体压缩变形。 单桩沉降的计算方法有单桩沉降的计算方

33、法有: (1)荷载传递分析法荷载传递分析法; (2) 弹性理论法弹性理论法; (3) 剪切变形传剪切变形传 递法递法; (4) 有限单元法有限单元法; (5) 简化分析方法简化分析方法. 37/100 38/100 39/100 实际工程中的桩基础，除少量大直径桩是用单桩基础外，一般都是由多根桩，实际工程中的桩基础，除少量大直径桩是用单桩基础外，一般都是由多根桩， 上部由承台联结而成的群桩基础。上部由承台联结而成的群桩基础。 什么是群桩？什么是群桩？ 群桩的承载力是否等于各单桩承载力之和？群桩的承载力是否等于各单桩承载力之和？ 该问题的答案只有了解了群桩的荷载传递特征后才能给出！由于前述单桩荷

34、该问题的答案只有了解了群桩的荷载传递特征后才能给出！由于前述单桩荷 载传递机制中，端承桩和摩擦桩的荷载传递机制存在显著差异，因此，载传递机制中，端承桩和摩擦桩的荷载传递机制存在显著差异，因此，端承型群端承型群 桩和摩擦型群桩的荷载传递机制也有很大差异桩和摩擦型群桩的荷载传递机制也有很大差异！ 端承群桩端承群桩，由于持力层坚硬，不允许桩下沉，由于持力层坚硬，不允许桩下沉， 故桩侧摩阻力不易发挥，上部荷载通过桩身直接传故桩侧摩阻力不易发挥，上部荷载通过桩身直接传 到桩端处土层上。而桩端处承载面积很小，各桩端到桩端处土层上。而桩端处承载面积很小，各桩端 的压力彼此互不影响，故可认为端承群桩中各桩的的

35、压力彼此互不影响，故可认为端承群桩中各桩的 工作情况与单桩工作情况基本一样；同时，由于桩工作情况与单桩工作情况基本一样；同时，由于桩 的变形很小，桩间土基本不承担荷载，的变形很小，桩间土基本不承担荷载，群桩的承载群桩的承载 力就等于各单桩的承载力之和，群桩的沉降量也与力就等于各单桩的承载力之和，群桩的沉降量也与 单桩基本相同。单桩基本相同。 40/100 摩擦型群桩摩擦型群桩 摩擦型群桩摩擦型群桩主要通过每根桩主要通过每根桩 侧面的摩擦阻力将上部荷载传递到侧面的摩擦阻力将上部荷载传递到 桩周及桩端的土层中。假定桩侧摩桩周及桩端的土层中。假定桩侧摩 阻力在土中引起的附加应力阻力在土中引起的附加应

36、力 z z，按按 某一角度某一角度 沿桩长向下扩散分布至沿桩长向下扩散分布至 桩端平面处。桩端平面处。 这样则可能出现两种情况：这样则可能出现两种情况： 第一种情况：第一种情况：桩距桩距S较大时，桩端平面较大时，桩端平面 处各桩传来的压力互不重叠或重叠不处各桩传来的压力互不重叠或重叠不 多，这时群桩中各桩的工作情况仍和多，这时群桩中各桩的工作情况仍和 单桩单独工作一样，故单桩单独工作一样，故群桩的承载力群桩的承载力 也等于各单桩承载力之和也等于各单桩承载力之和。 要求：要求：S6d(d为桩径为桩径) 第二种情况：第二种情况：桩距较小时，桩端处地桩距较小时，桩端处地 基中各桩传来的附加应力基中各

37、桩传来的附加应力 z就会就会相互相互 重叠重叠，使得桩端处压力要比单桩时增，使得桩端处压力要比单桩时增 大许多，桩端以下压缩土层的深度也大许多，桩端以下压缩土层的深度也 要比单桩时深很多。要比单桩时深很多。 要求：要求：S(34)d，常用桩距，常用桩距 41/100 认识一个新概念：认识一个新概念：群桩效应群桩效应 在很多情况下，群桩中各桩的工作状态就与单桩时迥然不同，群桩的承载力在很多情况下，群桩中各桩的工作状态就与单桩时迥然不同，群桩的承载力 并不等于各单桩之总和，沉降量也大于单桩的沉降量，这就叫并不等于各单桩之总和，沉降量也大于单桩的沉降量，这就叫群桩效应。群桩效应。 42/100 认识

38、一个新概念：认识一个新概念：群桩效应群桩效应 影响群桩效应的主要因素，影响群桩效应的主要因素，一是群桩自身的几何特征一是群桩自身的几何特征，包，包 括承台的设置方式括承台的设置方式(高或低承台高或低承台)、桩距、桩长、及桩长与承台宽度比、桩距、桩长、及桩长与承台宽度比、 桩的排列形式、桩数；二桩的排列形式、桩数；二是桩侧与桩端的土性、土层分布和成桩工艺是桩侧与桩端的土性、土层分布和成桩工艺 (挤土或非挤土挤土或非挤土)。 群桩效应具体反映在以下几方面群桩效应具体反映在以下几方面群桩的侧阻力、群桩的侧阻力、群桩的端阻力群桩的端阻力、 承台土反力、承台土反力、桩顶荷载分布桩顶荷载分布、群桩沉降及其

39、、群桩沉降及其随荷载的变化随荷载的变化、群桩的破、群桩的破 坏模式坏模式。 43/100 认识一个新概念：认识一个新概念：群桩效应群桩效应 定义群桩效应：群桩效率系数定义群桩效应：群桩效率系数 若不允许群桩的沉降量大于同荷载作用下的单桩沉降量时，则群桩中每若不允许群桩的沉降量大于同荷载作用下的单桩沉降量时，则群桩中每 一根桩的平均承载力就要比单桩时降低。根据这一概念，在设计中常要乘以一根桩的平均承载力就要比单桩时降低。根据这一概念，在设计中常要乘以 群桩效率系数，其意义为：群桩效率系数，其意义为： 单桩极限承载力 承载力群桩中的基桩平均极限 sp 相应地，还可区分群桩侧摩阻力和端阻力，分别定义

40、群桩效应如下：相应地，还可区分群桩侧摩阻力和端阻力，分别定义群桩效应如下： 单桩极限侧摩阻力 侧摩阻力群桩中的基桩平均极限 s 单桩极限侧端阻力 端阻力群桩中的基桩平均极限 p 44/100 关于群桩效应的几点重要认识关于群桩效应的几点重要认识 l 桩侧阻力的群桩效应桩侧阻力的群桩效应 群桩效应对桩侧阻力影响的基本群桩效应对桩侧阻力影响的基本 规律是：群桩效率系数越大，则桩规律是：群桩效率系数越大，则桩 土间的相对位移越小，此时桩侧阻土间的相对位移越小，此时桩侧阻 力的发挥越小。力的发挥越小。 右上图：右上图：桩距越大，群桩效应越不桩距越大，群桩效应越不 明显，桩周土应力重叠越小，致使明显，桩

41、周土应力重叠越小，致使 桩周土的竖向位移越小，则桩土相桩周土的竖向位移越小，则桩土相 对位移越大，桩侧摩阻力能尽情发对位移越大，桩侧摩阻力能尽情发 挥，承台底土反力越大挥，承台底土反力越大(P=KS)；反；反 之，桩土相对位移越小，桩侧土摩之，桩土相对位移越小，桩侧土摩 阻力不易发挥；承台底反力越小。阻力不易发挥；承台底反力越小。 打入群桩：群桩效应明显，整体破打入群桩：群桩效应明显，整体破 坏；反之，单桩破坏。坏；反之，单桩破坏。 45/100 关于关于群桩效应的几点重要认识群桩效应的几点重要认识 l 桩端阻力的群桩效应桩端阻力的群桩效应 群桩效应对桩端阻力影响的基本规律是：群桩效应对桩端阻

42、力影响的基本规律是： n群桩效应越大，受剪应力重叠及桩端土体位移受限影响，桩端阻力越大；群桩效应越大，受剪应力重叠及桩端土体位移受限影响，桩端阻力越大； 46/100 关于关于群桩效应的几点重要认识群桩效应的几点重要认识 l 桩端阻力的群桩效应桩端阻力的群桩效应 群桩效应对桩端阻力影响的基本规律是：群桩效应对桩端阻力影响的基本规律是： n当桩长与桩顶承台的比值较小时，桩端阻力还会因承台的约束作用而提高；当桩长与桩顶承台的比值较小时，桩端阻力还会因承台的约束作用而提高； 承台底土反力有传递承台底土反力有传递 桩端贯入变形较小桩端贯入变形较小 桩端阻力增大桩端阻力增大 承台底土反力没有传递承台底土

43、反力没有传递 桩端贯入变形增大桩端贯入变形增大 桩端阻力减小桩端阻力减小 47/100 关于关于群桩效应的几点重要认识群桩效应的几点重要认识 l 桩端阻力的群桩效应桩端阻力的群桩效应 群桩效应对桩端阻力影响的基本规律是：群桩效应对桩端阻力影响的基本规律是： n群桩端阻破坏形式依据群桩群桩端阻破坏形式依据群桩 效应不同而不同，群桩效应不效应不同而不同，群桩效应不 明显，群桩端阻破坏类似于单明显，群桩端阻破坏类似于单 桩端阻破坏，但因应力重叠、桩端阻破坏，但因应力重叠、 承台约束、土体变形受限，桩承台约束、土体变形受限，桩 端土破坏承载力相对较高。端土破坏承载力相对较高。 48/100 关于关于群

44、桩效应的几点重要认识群桩效应的几点重要认识 l 桩端阻力的群桩效应桩端阻力的群桩效应 群桩效应对桩端阻力影响的基本规律是：群桩效应对桩端阻力影响的基本规律是： n群桩端阻破坏形式依据群桩群桩端阻破坏形式依据群桩 效应不同而不同，群桩效应明效应不同而不同，群桩效应明 显，桩端土强度不高时，破坏显，桩端土强度不高时，破坏 以冲剪或局部剪切破坏为主，以冲剪或局部剪切破坏为主， 若为软弱下卧层，土体可发生若为软弱下卧层，土体可发生 侧向挤出而使桩基整体失稳；侧向挤出而使桩基整体失稳； 桩端土强度较高时，可产生桩端土强度较高时，可产生整整 体剪切破坏体剪切破坏。 49/100 关于关于群桩效应的几点重要

45、认识群桩效应的几点重要认识 l 群桩下承台底土对荷载的分担作用群桩下承台底土对荷载的分担作用 承台底土是否能够承受荷载，需不需要考虑以及如何考虑承台底土的荷承台底土是否能够承受荷载，需不需要考虑以及如何考虑承台底土的荷 载分担效应？载分担效应？ 不考虑承台底土的荷载分担效应是偏于安全的。但事实是，承台底土的不考虑承台底土的荷载分担效应是偏于安全的。但事实是，承台底土的 荷载分担作用不容忽视，尤其是对于摩擦型桩基，荷载分担率通常能达到百荷载分担作用不容忽视，尤其是对于摩擦型桩基，荷载分担率通常能达到百 分之十几到百分之五十之间。分之十几到百分之五十之间。 这么有能耐，不考虑岂不是浪费！问题是如何

46、考虑？不能高估了承台这么有能耐，不考虑岂不是浪费！问题是如何考虑？不能高估了承台 底土的能力，也不要低估了它。底土的能力，也不要低估了它。 50/100 关于关于群桩效应的几点重要认识群桩效应的几点重要认识 l 群桩下承台底土对荷载的分担作用群桩下承台底土对荷载的分担作用 承台底土荷载分担效应的主要规律是：承台底土荷载分担效应的主要规律是： n承台底土的压缩性越低，强度越高，荷载分担率越大；承台底土的压缩性越低，强度越高，荷载分担率越大； n桩距越大，承台底反力愈大，承台外区土反力大于承台内区土反力；桩距越大，承台底反力愈大，承台外区土反力大于承台内区土反力； n承台底土反力随着荷载水平提高，

47、桩端贯入变形增大，桩土界面滑移而提高；承台底土反力随着荷载水平提高，桩端贯入变形增大，桩土界面滑移而提高； n桩愈短，桩长与承台宽度比愈小，桩侧摩阻力发挥值愈低，承台土反力大。桩愈短，桩长与承台宽度比愈小，桩侧摩阻力发挥值愈低，承台土反力大。 承台底土荷载分担效应的基本规律是：承台底土荷载分担效应的基本规律是：P=K.S。即桩土相对位移越大，。即桩土相对位移越大， 承台底土荷载分担率越大。承台底土荷载分担率越大。 51/100 关于关于群桩效应的几点重要认识群桩效应的几点重要认识 l 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)关于承台效应的规定关于承台效应的规定 对于符合下列条件

48、之一的摩擦型桩基，宜考虑承台效应确定基桩的竖向承载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基桩的竖向承载 力特征值：力特征值： n上部结构整体刚度较好，体型简单的建（构）筑物；上部结构整体刚度较好，体型简单的建（构）筑物； n对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物；对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物； n按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区；按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区； n软土地基的减沉复合疏桩基础。软土地基的减沉复合疏桩基础。 cakca AfRR 竖向承载力特征值竖向承载力特征值 考虑承台效应后的考虑承台效应后的 竖向承载力特征值竖向承载力特征值

49、承台下承台下1/2宽度且不超过宽度且不超过5m深度范围内深度范围内 各层土的地基承载力特征值加权平均值各层土的地基承载力特征值加权平均值 计算基桩所对应的承台底净面积计算基桩所对应的承台底净面积 不考虑地震作用时不考虑地震作用时 52/100 关于关于群桩效应的几点重要认识群桩效应的几点重要认识 l 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)关于承台效应的规定关于承台效应的规定 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基桩的竖向承载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基桩的竖向承载 力特征值：力特征值： n上部结构整体刚度较好，体型简单的建（构）筑物；

50、上部结构整体刚度较好，体型简单的建（构）筑物； n对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物；对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物； n按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区；按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区； n软土地基的减沉复合疏桩基础。软土地基的减沉复合疏桩基础。 cakc a a AfRR 25. 1 竖向承载力特征值竖向承载力特征值 考虑承台效应后的考虑承台效应后的 竖向承载力特征值竖向承载力特征值 承台下承台下1/2宽度且不超过宽度且不超过5m深度范围内深度范围内 各层土的地基承载力特征值加权平均值各层土的地基承载力特征值加权平均值 计算基桩所对应的承台底净面积计算

51、基桩所对应的承台底净面积 考虑地震作用时考虑地震作用时 53/100 关于关于群桩效应的几点重要认识群桩效应的几点重要认识 l 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)关于承台效应的规定关于承台效应的规定 请注意，请注意，08规范对规范对94规范中的承台效应系数取值进行了修改，不再区分承规范中的承台效应系数取值进行了修改，不再区分承 台内区和外区，承台效应系数由桩间距、桩长、承台宽度等确定，如下表：台内区和外区，承台效应系数由桩间距、桩长、承台宽度等确定，如下表： 0.060.080.140.170.220.260.32 0.38 0.50 0.80 0.080.100.170

52、.200.260.300.38 0.44 0.100.120.200.220.300.340.44 0.50 0.150.180.250.300.380.450.50 0.60 54/100 群桩竖向承载力指群桩基础的竖向承载能力，包含三层意思：群桩竖向承载力指群桩基础的竖向承载能力，包含三层意思： l群桩与一定范围土视为整体时所能承受的竖向总荷载。此时，桩端以下存群桩与一定范围土视为整体时所能承受的竖向总荷载。此时，桩端以下存 在软弱下卧层，应校核其强度；在软弱下卧层，应校核其强度； l群桩中的各基桩承载力应进行校核；群桩中的各基桩承载力应进行校核； l群桩沉降应小于允许沉降量的竖向荷载。因

53、此，沉降不仅是正常使用极限群桩沉降应小于允许沉降量的竖向荷载。因此，沉降不仅是正常使用极限 状态的校核条件，也是群桩承载力确定的依据。状态的校核条件，也是群桩承载力确定的依据。 因此，群桩竖向承载力的确定应考虑上述三个方面！因此，群桩竖向承载力的确定应考虑上述三个方面！ 群桩整体竖向承载力按下式计算：群桩整体竖向承载力按下式计算： uu nQp 适用条件：适用条件： 55/100 群桩整体竖向承载力计算的实体深基础法群桩整体竖向承载力计算的实体深基础法 l侧阻整体破坏模式下侧阻整体破坏模式下(p148 图图5-11) 对于小桩径对于小桩径(Sa3d)挤土型低承台群桩，挤土型低承台群桩， 可将群

54、桩基础看作为整体基础，而基础的破坏可将群桩基础看作为整体基础，而基础的破坏 为整体外侧表面的剪切破坏，此时的群桩基础为整体外侧表面的剪切破坏，此时的群桩基础 整体竖向承载力可采用两种方法估算，并取其整体竖向承载力可采用两种方法估算，并取其 小值：小值： puisuipusuu ABqlqBApppA )(2：方法 pubbu qBApB：方法 56/100 群桩整体竖向承载力计算的实体深基础法群桩整体竖向承载力计算的实体深基础法 l侧阻非整体破坏模式下：侧阻非整体破坏模式下： 对于非挤土型群桩，其侧阻多呈各单桩破坏，此时可忽略承台分担荷载的对于非挤土型群桩，其侧阻多呈各单桩破坏，此时可忽略承台

55、分担荷载的 作用，其极限承载力可按下式计算：作用，其极限承载力可按下式计算： pupisuiuu qnAlqnunQp 57/100 持力层下存在软弱下卧层时的验算持力层下存在软弱下卧层时的验算 桩端持力层以下存在软弱下卧层时，对桩基整体稳定可能产生不利影响，桩端持力层以下存在软弱下卧层时，对桩基整体稳定可能产生不利影响， 体现在两个方面：体现在两个方面： l持力层冲剪破坏致使桩基整体失稳；持力层冲剪破坏致使桩基整体失稳； l软弱下卧层变形致使桩基整体沉降过大。软弱下卧层变形致使桩基整体沉降过大。 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)规定：对规定：对桩端持力层以下存在承桩端

56、持力层以下存在承 载力低于桩端持力层承载力载力低于桩端持力层承载力1/3的软弱下卧层时的软弱下卧层时，按下式验算软弱下卧层的，按下式验算软弱下卧层的 承载力：承载力： azczz f 原理同扩展基础，原理同扩展基础，比较软弱层顶面应力和比较软弱层顶面应力和 其承载力之大小验算。其中，软弱层顶面其承载力之大小验算。其中，软弱层顶面 的应力包括上覆土重和附加应力两部分的应力包括上覆土重和附加应力两部分。 58/100 持力层下存在软弱下卧层时的验算持力层下存在软弱下卧层时的验算 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)给出的软弱下卧层承载力验算公式详解！给出的软弱下卧层承载力验算公

57、式详解！ azczz f z mcz 59/100 持力层下存在软弱下卧层时的验算持力层下存在软弱下卧层时的验算 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)给出的软弱下卧层承载力验算公式详解！给出的软弱下卧层承载力验算公式详解！ azczz f 软弱下卧层土体经深度软弱下卧层土体经深度z修正的地基承载力特征值，修正的地基承载力特征值， 修正方法同扩展基础，即：修正方法同扩展基础，即： 0 . 1)5 . 0( dmdakaz zff 请注意：请注意：08规范对下卧层承载力特征值进行了修改，规范对下卧层承载力特征值进行了修改， 94规范详见规范详见P143。 60/100 持力层下

58、存在软弱下卧层时的验算持力层下存在软弱下卧层时的验算 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)给出的软弱下卧层承载力验算公式详解！给出的软弱下卧层承载力验算公式详解！ azczz f 软弱下卧层顶面处的附加应力，假设桩端应力以软弱下卧层顶面处的附加应力，假设桩端应力以 一定角度向下扩散至下卧层顶面，按下式计算：一定角度向下扩散至下卧层顶面，按下式计算： )tan2)(tan2( )(2/3)( 00 00 tBtA lqBAGF isik z 桩周第桩周第i层土的极限侧摩阻力标准值层土的极限侧摩阻力标准值 61/100 持力层下存在软弱下卧层时的验算持力层下存在软弱下卧层时的验

59、算 建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)给出的软弱下卧层承载力验算公式详解！给出的软弱下卧层承载力验算公式详解！ azczz f 软弱下卧层顶面处的附加应力，假设桩端应力以软弱下卧层顶面处的附加应力，假设桩端应力以 一定角度向下扩散至下卧层顶面，按下式计算：一定角度向下扩散至下卧层顶面，按下式计算： )tan2)(tan2( )(2/3)( 00 00 tBtA lqBAGF isik z 桩端底面至下卧层顶面距离桩端底面至下卧层顶面距离 桩群外缘矩形底面的长、短边边长桩群外缘矩形底面的长、短边边长 应力扩散角，按应力扩散角，按P150表表5-12取值。请注意：取值。请注意

60、：t0.25B0 时，取时，取0； 0.25B0tF/R 偏心荷载时偏心荷载时，桩基中各桩受力可能不均等，桩数可按上式确定值增加，桩基中各桩受力可能不均等，桩数可按上式确定值增加10 20。 合理地布桩是使桩基经济和有效的重要环节，考虑的原则是：合理地布桩是使桩基经济和有效的重要环节，考虑的原则是： 1.尽可能使群桩横截面的形心与长期荷载的合力作用点重合，以便使各桩受尽可能使群桩横截面的形心与长期荷载的合力作用点重合，以便使各桩受 力均匀；对于荷载作用点位置变化的建筑物，可使群桩重心位于变化幅度之中。力均匀；对于荷载作用点位置变化的建筑物，可使群桩重心位于变化幅度之中。 2.尽可能将桩布置在靠