高层建筑桩基础

1、概述概述 竖向荷载作用下的单桩工作性状竖向荷载作用下的单桩工作性状 竖向荷载下单桩极限承载力的确定方法竖向荷载下单桩极限承载力的确定方法 竖向荷载作用下单桩沉降计算竖向荷载作用下单桩沉降计算 竖向荷载下群桩的工作性状竖向荷载下群桩的工作性状 群桩的竖向承载力计算群桩的竖向承载力计算 群桩的沉降计算群桩的沉降计算 桩基础设计桩基础设计第六章第六章 高层建筑桩基础工程高层建筑桩基础工程6.1 概述 6.1.1 高层建筑的特点高层建筑的特点:n 竖直荷载大而集中；n 重心高，对倾斜十分敏感，且在风和地震水平荷载作用下会产生巨大的倾覆力矩，故其对基础的承载力、稳定性和差异沉降要求很高。 图图 上海金茂

2、大厦上海金茂大厦高层建筑桩基础的作用特点： 具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力;具有很大的竖向单桩或群桩刚度（摩擦桩），在建筑物自重或相邻荷载影响下，不会产生过大的不均匀沉降，并能确保建筑物的倾斜不超过允许范围; 凭借巨大的单桩侧向刚度（大直径桩），或群桩基础的侧向刚度及其整体抗倾覆能力，能抵御风和地震引起的水平荷载和力矩荷载，保证建筑物的抗倾覆稳定性。 箱、筏承台底土分担上部结构荷载；桩身穿过可液化土层而支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩，在地震引起浅层土液化与震陷的情况下，桩基凭靠深部稳固土层仍然具有足够的抗压与抗拔承载力，从而确保高层建筑的稳定，且不产生过大的沉陷与倾斜。6.1.2桩的分

3、类(一) 按承台 承台承台: :将几个桩结合起来传递荷将几个桩结合起来传递荷载载（二）按桩对土层作用效应（二）按桩对土层作用效应（三）材料（三）材料（四）形状（四）形状（五）承载机理（五）承载机理（六）按尺寸（六）按尺寸（七）施工方法（七）施工方法（八）按功能分（八）按功能分（九）按桩土相互作用的特点分（九）按桩土相互作用的特点分软土层(一) 按承台 1.高承台桩 承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥2.低承台桩 承台在地面以下, 承台本身承担部分荷载软土层低承台低承台 桩桩高承台桩高承台桩（二）（二） 按材料：按材料： 木桩、混凝土、钢筋混凝土、木桩、混凝土、钢筋混凝土、钢管（型钢）桩、钢管（型

4、钢）桩、复合桩复合桩 钢筋混凝土：普通混凝土、钢筋混凝土：普通混凝土、预应力混凝土（离心预制）、预应力混凝土（离心预制）、高强混凝土高强混凝土（三）（三） 按形状按形状n按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节（分叉）桩、扩底桩、支盘桩、微型桩（分叉）桩、扩底桩、支盘桩、微型桩n按横断面：圆形，八边形，十字桩、按横断面：圆形，八边形，十字桩、X X形桩形桩桩身桩身横断面横断面（四）按尺寸（四）按尺寸n按断面按断面(直径）的大小：大直径直径）的大小：大直径:d80cm; 小直小直径径d60m（ 3):长桩；长桩；L80）可取S6080 mm对应的荷载； 建筑桩

5、基技术规范对单桩静载试验规定： 根据沉降随时间的变化特征确定极限承载力：取Slgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前级荷载值。 当确定了各根试桩的极限承载力后，可按建筑桩基技术规范附录C的方法确定单桩极限承载力标准值。6.3.2 按静力触探方法确定单桩极限承载力 1.按单桥探头静力触探确定按单桥探头静力触探确定 根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值，如无当地经验时，建筑桩基技术规范规定可按下式计算： （31）qsik为用静力触探比贯入阻力值估算的桩周第i层土的极限侧阻力标准值；li为第i层土的厚度；为桩端阻力修正系数（0.750.9）；psk为桩端附近的静力触探比贯入阻力

6、标准值，应考虑桩端全截面以上8d（d为桩径）和以下4d范围内土层的影响；Ap为桩端面积。 qsik 、 及psk值的确定详见建筑桩基技术规范。 PskisikPKSKUKAplqUQQQ2.按双桥探头静力触探确定按双桥探头静力触探确定对于粘性土、粉土和砂土，建筑桩基技术规范规定，如无当地经验时可按下式计算：fsi为第i层土的探头平均侧阻力；qc为桩端平面以上4d、以下1d范围内的探头阻力平均值；为桩端阻力修正系数，对粘性土、粉土取，对饱和砂土取；i为第i层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算：粘性土、粉土： 砂土： pcisiiukAqlfUQ55. 0)(04.10siif45. 0)(05.

7、 5siif6.3.3 按土的物理指标确定单桩极限承载力1.一般钢筋混凝土桩的单桩极限承载力一般钢筋混凝土桩的单桩极限承载力为qsik桩侧第i层土的极限侧阻力标准值， qpk为极限端阻力标准值，可按建筑桩基技术规范取值。 2.大直径桩的单桩极限承载力大直径桩的单桩极限承载力 大直径桩（d800 mm）施工质量较易控制，尤其是人工挖孔桩更如此。由于通常大直径桩置于较好持力层，又常用扩底。单桩静载荷试验的QS曲线一般呈缓变型。 PpkisikPKSKUKAqlqUQQQppkpisiksiPKSKUKAqlqUQQQ3.嵌岩灌注桩的单桩极限承载力 嵌岩灌注桩：桩端嵌入中等风化或微风化基岩。 建筑桩

8、基技术规范给出嵌岩桩单桩极限承载力标准值计算模式为：由桩周土总侧阻、嵌岩段总侧阻和端阻三部分组成。当室内试验结果确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下式计算：si 为覆盖层第i层土的侧阻力发挥系数； frc为岩石饱和单轴抗压强度标准值，粘土质岩取天然湿度标准值； hr 为桩身嵌岩（中等风化、微风化、新鲜基岩）深度，超过5d时取5d；r、p 、rp分别为嵌岩段侧阻力、端阻力和综合侧阻端阻力修正系数，与嵌岩深径比有关。prcprrcrisiksipkrkskukAfhfUlqUQQQQ嵌岩桩特点： 1）嵌岩桩端承桩，凡端承桩均不考虑土层侧阻力。 2）桩侧阻力、端阻力的发挥性状与上覆土层的性质和厚度

9、、桩长径比、嵌入基岩性质和嵌岩深径比、桩底沉渣厚度等因素有关。 3）传递到桩端的应力随嵌岩深度增大而减小 4）嵌岩灌注桩的嵌岩部分具有较高的侧阻力和端阻力，其单桩承载力往往超过相同截面的土中摩擦桩，桩身压应力值很高。因此，桩身强度同桩侧土、桩端土层强度一样，也是控制单桩承载力的重要因素。6.3.4 GB50007-2002确定单桩承载力特征值确定单桩承载力特征值RappapaAqlquRisia(1)(1)单桩应单桩应Ra通过单桩竖向静载荷试验确定通过单桩竖向静载荷试验确定(2)(2)丙级建筑物桩基，可采用静力触探、标贯试验确丙级建筑物桩基，可采用静力触探、标贯试验确定；定；(3)(3)初步设

10、计可按下式估算初步设计可按下式估算(4)(4)桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中ppaaAqR 6.4 竖向荷载作用下单桩沉降计算 单桩受到荷载作用其沉降量由下述三个部分组成单桩受到荷载作用其沉降量由下述三个部分组成： 桩本身的弹性压缩量； 由于桩侧摩阻力向下传递，引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降； 由于桩端荷载引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降。单桩沉降计算方法主要有：单桩沉降计算方法主要有： 荷载传递分析法；弹性理论法；剪切变形传递法；有限单元分析法； 各种简化分析法。简化方法简化方法1.经验统计关系 Frank（1985）总结了单桩的工程实践经验，统计出在特定

11、地质条件和设计荷载下单桩沉降S的典型数值与桩径d的经验关系： 对于打入桩： 平均： S0.9d 变化范围： S（0.81.2）d 对于钻孔桩： 平均： S0.6d 变化范围： S（0.31.0）d 2.常规桩沉降计算的经验方法常规桩沉降计算的经验方法 在坚向荷载Q作用下，单桩桩顶沉降S由桩身压缩和桩端沉降组成： 式中，为桩端荷载与桩顶荷载之比；为桩侧摩阻分布系数，如均匀分布取1/2，如三角形分布取2/3；Ib、Is为沉降影响系数，取Ib 0.88， Is =2+0.35 l/D ，其它符号同前。 3. 大直径桩沉降计算大直径桩沉降计算 根据大直径桩的荷载沉降试验，大直径桩沉降计算的实用表达式可

12、表示为：式中，D为桩端直径（m），l为桩长，d为桩身直径，Ep为桩的弹模，C和qs为经验统计参数，如表4-2所示。bsSSSppppsAElQAElQS)1 (QdIlUAIEsspbssb1)1(2CqCDdDElDQSsP/)/(4225 竖向荷载下群桩的工作性状 5.1 群桩的荷载传递特征群桩的荷载传递特征 高层建筑桩基通常为低承台式，群桩基础受竖向荷载后，承台、桩群与土形成一个相互作用、共同工作体系，其变形和承载力均受相互作用的影响。 1. 端承型群桩 端承型群桩的承载力可近似取为各单桩承载力之和。由于端承型群桩的桩端持力层比较刚硬，因此其沉降也不致因桩端应力的重叠效应而显著增大，一般

13、无需计算沉降。 2. 摩擦型群桩 群桩承载力不等于各单桩承载力之和; 群桩的沉降也明显地超过单桩。 群桩效应群桩效应:低承台群桩，承台底也产生一定反力，使得承台底土、桩间土、桩端土都参与工作，形成承台、桩、土共同工作。 5.1.1 影响群桩效应的主要因素影响群桩效应的主要因素 1. 群桩自身的几何特征群桩自身的几何特征：承台的设置方式（高、低承台）、桩间距sa、桩长l及桩长与承台宽度比l/Bc、桩的排列形式、桩数； 2. 桩侧及桩端的土性及其分布、成桩工艺桩侧及桩端的土性及其分布、成桩工艺。群桩效应具体反映在：群桩效应具体反映在： 群桩的侧阻力; 群桩的端阻力; 承台土反力; 桩顶荷载分布;

14、群桩的破坏模式; 群桩的沉降及其随荷载的变化.5.1.2桩侧阻力的群桩效应及群桩侧阻的破坏桩侧阻力的群桩效应及群桩侧阻的破坏 桩间土竖向位移受相邻桩影响而增大，桩土相对位移随之减小，这使得在相同沉降条件下，群桩侧阻力发挥值小于单桩。影响因素：影响因素：1）桩距n 在桩距很小时，即使发生很大沉降，群桩中各基桩的侧阻力也不能充分发挥。因此，桩距的大小不仅制约桩土相对位移，影响发挥侧阻所需群桩沉降量，而且影响侧阻的破坏性状与破坏值。2）承台n 低承台限制群桩上部的桩土相对位移，使基桩上段的侧阻力发挥值降低，对侧阻力起“削弱作用”。n 侧阻力的承台效应随承台底土体压缩性提高而降低。n 承台对桩群上部桩

15、土相对位移的制约，影响桩身荷载传递性状，侧阻力发挥不像单桩那样开始于桩顶，而是开始于桩身下部（短桩）或桩身中部（中、长桩）。5.1.3 5.1.3 端阻力的群桩效应端阻力的群桩效应 桩距对端阻力的影响程度与持力层土层的性质和成桩工艺有关，而且与承台、邻桩的相互作用而变化。1. 1. 桩距影响桩距影响 n 一般情况下桩端阻力随桩距减小而增大。 原因：邻桩的桩侧剪应力在桩端平面上重叠，导致桩端平面的主应力差减小，以及桩端土的侧向变形受到邻桩逆向变形的制约而减小。n 挤土桩群桩端阻力因挤土效应而提高，提高幅度随桩距增大而减小。2. 2. 承台影响承台影响低承台： 承台具有限制桩土相对位移，减小桩端贯

16、入变形的作用，从而导致桩端阻力提高。 承台底地基土愈软，承台效应愈小。 承台土反力传到桩端平面使主应力差减小。5.1.4 群桩的破坏模式群桩的破坏模式 群桩的破坏：群桩侧阻的破坏、群桩端阻的破坏。(1) 群桩侧阻的破坏 群桩侧阻整体破坏: 桩、土形成整体，桩侧阻力的破坏面发生于桩群外围。 群桩侧阻非整体破坏：对于无挤土效应的钻孔群桩，一般呈非整体破坏，即各桩的桩、土间产生相对位移，各桩的侧阻力剪切破坏发生于各桩桩周土体中或桩土界面对于砂土、粉土、非饱和松散粘性土中的挤土型（打入、压入桩）群桩，在较小桩距（Sa3d）条件下，群桩侧阻一般呈整体破坏，无挤土效应的钻孔群桩，一般呈非整体破坏 ,即桩、

17、土形成整体，桩侧阻力的破坏面发生于桩群外围（如图51，a）；对于无挤土效应的钻孔群桩，一般呈非整体破坏，即各桩的桩、土间产生相对位移，各桩的侧阻力剪切破坏发生于各桩桩周土体中或桩土界面。 群桩侧阻力非整体破坏模式群桩侧阻力非整体破坏模式 群桩侧阻力整体破坏模式群桩侧阻力整体破坏模式 (2)端阻力的群桩效应及桩端阻的破坏 群桩端阻的破坏与侧阻的破坏模式有关。在群桩侧阻呈整体破坏的情况下，桩端演变底面积与桩群投影面积相等的单独实体墩基（图52，a）。由于基底面积大，埋深大，一般不发生整体剪切破坏。当桩很短且持力层为密实土层时才可能出现整体剪切破坏（如图52，b）。当存在软弱下卧层时，有可能由于软卧

18、层产生侧向挤出而引起群桩整体失稳。当群桩侧阻呈单独破坏时，各桩端阻的破坏与单桩相似，但因桩侧剪应力的重叠效应、相邻桩桩端土逆向变形的制约效应和承台的增强效应而使破坏承载力提高。 6 群桩的竖向承载力计算群桩的工作性状 1). 承台和群桩的几何尺寸与材料性质; 2). 一定范围内土介质（桩间土与桩底土）的分布与性质。群桩的竖向承载力 1). 指将群桩和一定范围内的土视为整体时所能承受的竖向总荷载；当桩下一定深度内存在软弱土层时应校核其强度；群桩中各桩应正常工作，即对单桩承载力进行校核。 2). 指所产生沉降小于允许沉降量的竖向荷载，即沉降要求不仅是校核条件，而且也是确定承载力的依据。 1 群桩的

19、整体竖向承载力计算 1. 单桩承载力的简单累加法 适用于端承群桩和符合下述要求的摩擦桩： 1) 建筑桩基技术规范规定，应满足桩数n3； 2) 建筑地基基础设计规范规定，应满足桩数n9，或条形基础下的桩不超过两排。 大多数高层建筑的摩擦桩基不能采用上述简单累加法。 2. 分项群桩效应系数法 。 uunQP 对于砂土 sp 1.0, 粘性土sp 1.0群桩各单桩承载力之和群桩的承载力群桩综合效应系数sp单桩侧阻群桩中单桩的平均侧阻侧阻群桩效应系数s0 .1单桩端阻群桩中单桩的平均端阻端阻群桩效应系数p桩基础承载力计算和验算(一) 群桩中单桩承载力设计值对于3根以上,非端承桩的桩基础,要考虑群桩效应

20、,考虑承台承载能力1 单桩承载力设计值cckcppkpssksQQQR准值承台底土极限承载力标承台底平均极限土抗力ccpscps群桩效应系数抗力分项系数2 关于承台承载力问题n承台下土的承载力低于浅基础n承台内反力小于外围,双曲线分布n在动力荷载下(铁路桥梁);负摩擦力(地面下沉);端承桩情况下不考虑承台承载力ecAicAnAqQcckckkckfq2承台宽度的深度内( 2 行；且Sa 6d 时需要进行这一项验算F lG B0A(1)中心荷载(2)偏心荷载Wx ,Wy假想实体基础断面抵抗矩Mx ,My假想基础底面上的力矩4);tan2)(tan2(00avlLlBA fAGFp yyxxWMW

21、MAGFpmax（四）软弱下卧层的验算（四）软弱下卧层的验算1 1 S Sa a 6d 6d 时按整体基础时按整体基础F F l lB B0 0t t z z G G qwukzisikzqztBtLlqBLGF )tan2)(tan2()( 2000065. 1)(, 分项抗力系数分项抗力系数深度修正深度修正准值准值软弱下卧层极限承载标软弱下卧层极限承载标附加应力附加应力自重应力自重应力qwukzqzF lB0t zG Sa 6d 时 验算单桩原理相同桩基沉降计算桩基沉降计算一般不计桩身压缩量及桩与土间的一般不计桩身压缩量及桩与土间的相对位移，以假想基础为刚性整体，验算桩端以下土沉降相对位移

22、，以假想基础为刚性整体，验算桩端以下土沉降1. 需要进行沉降计算需要进行沉降计算 ： 甲（甲（1）级建筑物的建筑物桩基）级建筑物的建筑物桩基 对沉降有严格要求的建筑物桩基对沉降有严格要求的建筑物桩基 体型复杂或桩端以下存在软弱土层的体型复杂或桩端以下存在软弱土层的 乙（乙（2）级建筑物桩基）级建筑物桩基2. 不需沉降计算的情况不需沉降计算的情况 丙（丙（3）级建筑物桩基）级建筑物桩基 s6d 桩距大于桩距大于6倍桩径倍桩径 n9 独立基础的独立基础的 m 2 条形基础条形基础 某些单层工业厂房桩基某些单层工业厂房桩基F l G B0A4);2)(2(00avltgLltgBAAGFp)(0ld

23、pp计算计算S= SiS= S e :沉降计算经验系数表沉降计算经验系数表5-19， e等效沉降系数，由于布氏解等效沉降系数，由于布氏解作用在弹性体表面，现在是作作用在弹性体表面，现在是作用在弹性体内部。用在弹性体内部。7 桩基础结构设计桩基础结构设计桩端持力层桩端持力层 要求桩端进入持力层一定深度，要求桩端进入持力层一定深度，桩端下持力层留有一定厚度桩端下持力层留有一定厚度承台设计承台设计承台埋深要求承台埋深要求 (1)高承台高承台:由建筑物决定由建筑物决定,如如 桥桥(过船过船),码头码头,冲刷深度冲刷深度 (2)低承台低承台,确定基础埋深确定基础埋深 60 cm 建筑物要求建筑物要求 地质水文地质水文 冻胀冻胀粘土粘土 2d砂土砂土 1.5d碎石碎石 1.0d 4dNo结构与地质资料结构与地质资料选择桩型、桩长、桩距选择桩型、桩长、桩距确定桩数确定桩数n=P/R桩基中单桩承载力验算桩基中单桩承载力验算软弱下卧层验算软弱下卧层验算实体深基础验算实体深基础验算承台设计承台设计沉降计算沉降计算桩桩基基础础的的设设计计步步骤骤1 初步确定桩基础中的桩数1 竖直荷载(1)中心荷载实实际际分分布布假设的分布假设的分布FG G计算桩数RGFnG G 承台以上总自重