基础工程 第三章 桩基工程

1、1第三章 桩基工程24.1概述深基础：埋深较大，将基础下部坚实土层或岩层作为持力层的基础。主要有桩基础、地下连续墙、沉井等形式。34.1概述沉井深基础：埋深较大，将基础下部坚实土层或岩层作为持力层的基础。主要有桩基础、地下连续墙、沉井等形式。浙能乐清电厂循环水泵房地下沉井结构（施工中）4.1概述深基础：埋深较大，将基础下部坚实土层或岩层作为持力层的基础。主要有桩基础、地下连续墙、沉井等形式。循环水泵房地下结构（沉井）布置图4.1概述深基础：埋深较大，将基础下部坚实土层或岩层作为持力层的基础。主要有桩基础、地下连续墙、沉井等形式。6深基础与浅基础深基础可以把所承受的荷载相对集中地传递到地基的深层

2、;浅基础则通过基础底面把所承受荷载扩散分布于地基的浅层。4.1概述7桩基础桩是设置于土中的竖直或倾斜的柱型基础构件，横截面尺寸比长度小得多，它与连接桩顶和承接上部结构的承台组成深基础,简称桩基。桩所受到轴向荷载通过作用于桩周土层的桩侧摩阻力和桩端底层的桩端阻力来支承；水平荷载则依靠桩侧土层的侧向阻力支承。承台桩软弱土层坚实土层上部结构承台桩软弱土层坚实土层上部结构低承台桩基础高承台桩基础轴向荷载水平荷载弯矩地面水面8桩基础的使用9桩基设计应满足：单桩承受竖向荷载不宜超过单桩承载力特征值桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值对位于坡地岸边的桩基应进行桩基稳定性验算当天然地基承载力基本满足建筑物荷

3、载要求，而以减少沉降为目的设置的桩，称为“减沉桩”。其用桩数量根据沉降控制条件计算确定。桩基设计原则10桩的类型和几何尺寸的选择单桩竖向（水平）承载力的确定确定桩的数量、间距和平面布置桩基承载力和沉降验算桩身结构设计承台设计绘制桩基施工图桩基设计内容11(1)按荷载传递方式可分为： 摩擦型桩，指桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承担的桩；根据桩侧阻力承担荷载的份额，摩擦桩分为纯摩擦桩和端承摩擦桩； 端承型桩，指桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承担的桩；根据桩端阻力承担荷载的份额，端承桩分为纯端承桩和摩擦端承桩。4.2桩的分类Qu土层坚实土层Qu土层端承型桩：摩擦型桩：12(2)按施工方法可分为： 预制桩

4、：按材料不同可分为木桩、混凝土预制桩和钢桩。 灌注桩：直接在所设计桩位处成孔，然后在孔内加放钢筋笼再浇灌混凝土而成。灌注桩主要包括沉管灌注桩、钻（冲、磨）孔灌注桩、挖孔灌注桩和爆孔灌注桩桩的分类木桩 混凝土桩 钢桩 (浙江省余姚市河姆渡村,公元前60007000年）13预制桩的沉桩方式主要有：锤击法沉桩：利用桩锤（或辅以高压射水）将桩击入地基的施工方法，适用于地基土为松散的碎石土、砂土、粉土及可塑粘性土的情况。锤击法伴有噪声、振动和地层扰动等问题，在城市建设中应考虑其对环境的影响；振动法沉桩：采用振动锤进行沉桩的施工方法，适用于可塑状的粘性土和砂土，尤其是受振动时抗剪强度有较大降低的砂土地基和

5、自重不大的钢桩。静压法沉桩：采用静力压桩机将预制桩压入地基中的施工方法。无噪声、无振动、无冲击力、施工应力小、桩顶不易损坏和沉桩精度较高的特点，在城市建设中有明显优势。桩的分类14锤击法沉桩桩的分类15桩的分类静压法沉桩16桩的分类灌注桩施工钻孔取土设备砼灌注设备掘土和钻进设备17(3)按成桩方法对桩周土的影响，可分为：挤土桩：闭口或实心的打入桩在锤击、振动贯入或压入过程中，将桩位处的土大量排挤开，使桩周土层原状结构遭到严重破坏。粘性土因重塑作用降低抗剪强度；非密实的无粘性土则因振动挤密而抗剪强度提高。部分挤土桩：开口的钢管桩、H型钢桩和开口预应力混凝土管桩在成桩过程中，对桩周土体稍有挤土作用

6、，土的原状结构和工程性质变化不大。部分挤土桩的承载力和沉降可采用原状土测得的物理力学指标。非挤土桩：先钻孔后再打入的桩在成桩过程中，将与桩体积相同土体挖出，桩周土体不但没有受到排挤，还会因产生应力松弛现象。非挤土桩的桩侧摩阻力常有所减小。桩的分类18挤土桩的成桩效应：挤土桩成桩过程中产生的挤土作用，使桩周土扰动重塑、侧向压应力增加。桩端附近土受到挤密。非饱和土因受挤而增密，增密幅度随密实度减小或粘性减低而增大。饱和粘土中，引起超孔隙水压力，土体产生横向位移和竖向隆起，对临近结构造成影响桩的成型方式效应19挤土桩的成桩效应（饱和砂土）：饱和非密实砂土中的挤土桩，桩周土因侧向挤压使部分颗粒被压碎及

7、土颗粒重新排列而趋于密实，桩周受挤密的范围，桩侧可达33.5倍桩径，装端下可达2.54.5倍桩径，群桩的挤密效应更加明显。在饱和松散砂土中，打桩会可能导致砂土液化；而在饱和密实砂土中，打桩会导致砂土中出现负孔隙水压力，导致打桩困难。桩的成型方式效应打入桩周围的砂土变密20挤土桩的成桩效应（饱和粘土）：桩侧土按扰动程度分成三个区；沉桩引起周围土体产生超孔隙水压力，超孔隙水压力一般不会超过土的有效自重应力；当桩静置时，重塑区土会在桩表面形成硬壳，桩的竖向剪切面将发生在重塑区和部分扰动区交接面（图中蓝线）；桩的成型方式效应21非挤土桩的成桩效应：非挤土桩成桩过程中，随着孔壁侧向应力的解除，桩周土出现

8、侧向松弛效应，导致桩周土体强度削弱。粘性土中钻孔桩成孔，如无护壁条件，孔壁有一定的松弛效益；如采用泥浆护壁条件下，孔壁受到泥浆侧压力，因此松弛效应较小，桩侧阻力总体有所降低。砂土中成桩造成孔壁砂土松动，松弛效应对桩侧阻力的削弱有较大影响。桩的成型方式效应泥浆护壁的工作原理22挤土摩擦型桩原因:沉桩引起的超孔隙水压力在沉桩挤压应力下消散，导致桩周土再固结，强度随时间恢复；沉桩中受扰动的桩周土，因触变作用而损失的强度逐渐恢复。非挤土摩擦型桩原因:受扰动的桩周土，因触变作用而损失的强度逐渐恢复。泥浆护壁成桩时附着于孔壁的泥浆随时间触变硬化。粘性土中摩擦型桩承载力的时间效应*触变性是指物质在外力的影响

9、下能获得流动性而在静置后又重新稠化的现象 挤土桩 非挤土桩无泥浆护壁 泥浆护壁234.3桩的竖向承载力24单桩轴向荷载的传递机理不同深度侧阻力沿深度的逐渐发挥Qb0QAQBCBQAQCQQs荷载位移曲线0lZACBa点ACBb点0lGQQsQbNza点b点侧摩阻力桩侧总阻力桩端总阻力竖向力平衡：轴力分布图G位移分布图NZZABCQAQBQCQbuQSuQbQs25 单桩轴向荷载的传递过程就是桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程； 桩顶荷载通过发挥出来的侧阻力传递到桩周土层中，使桩身轴力与桩身压缩变形随深度递减。 一般地，靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，侧阻力先于端阻力发挥。 桩侧阻力一般发挥

10、较快，试验资料表明侧阻力的完全发挥所需竖向位移 黏土中 46mm 砂土中 6-10mm 桩端阻力发挥较慢，所需的竖向位移： 黏土中:1/10d-1/4d 例 600 mm直径：60150 mm 砂土中:1/12d-1/10d 5060 mm 同时也与桩底情况有关,桩底沉渣较厚时,桩端阻力发挥所需的位移大.单桩轴向荷载的传递机理26由图中单元体的受力平衡条件有：其中，Up为周长可得桩侧摩阻力z与桩身轴力Nz的关系：结合桩身压缩变形z与轴力Nz间的关系 有：其中，Ap及Ep为桩身横截面面积和弹性模量。由上两式可得单桩轴向荷载传递的基本微分方程。桩身轴力和截面位移NzNz+dNzzzzz27任一深度

11、z处的桩身轴力Nz应为桩顶荷载N0 =Q与z深度范围内桩侧总阻力之差：桩身截面位移z则为桩顶位移0 =s与z深度范围内桩身压缩量之差：桩身轴力和截面位移NzNz+dNzzzzz桩身轴力与桩身压缩变形随深度递减28例：桩身轴力和截面位移0z0zNQb0zQ0z理想情况下侧摩阻力均匀分布时：29温州金都大厦温州世贸大厦采用静压预制砼空心桩，600600-350中空，桩长50m，桩尖持力层为砂卵石。采用钻孔灌注桩，桩径1100，桩长119.85m，桩尖进入中风化基岩1.10m。典型试桩轴力分布30影响单桩荷载传递的因素主要有：桩端土与桩周土的刚度比：刚度比越小，桩身轴力沿深度衰减越快，传递到桩端的荷

12、载越小。桩土刚度比（桩身刚度与桩侧土体刚度）：刚度比越大，传递到桩端的荷载越大。桩端扩底直径与桩身直径之比： 比值越大，桩端阻力分担的荷载比越大。桩的长径比：随长径比增大，传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻力的发挥值相应降低。长径比很大的桩都属于摩擦桩。影响荷载传递的因素长径比10 中长桩长径比40 长桩长径比100 超长桩31桩侧摩阻力达到极限值u可用类似于土的抗剪强度的库伦公式表示：式中，ca和a为桩侧表面与土之间的附着力和摩擦角，x为深度z处作用于桩侧表面的法向应力，与土的竖向有效应力v有：式中，Ks为桩侧土的侧压力系数，受施工影响很大桩侧摩阻力和桩端阻力黏土中 46mm砂土中 6-10

13、mmu挤土桩: Ks K0非挤土桩: Ks 28d）36静荷载试验主要试验装置:加载稳压部分油压千斤顶提供反力部分重物或锚桩承担沉降观测部分主要有百分表或电子位移计压重平台反力装置锚桩横梁反力装置37静荷载试验结果分析根据试验记录，一般采用荷载桩顶沉降（Q-s）曲线或沉降-时间（对数）（s-logt）曲线来判断桩的极限承载力单桩竖向极限承载力Qu除以安全系数2作为单桩竖向承载力特征值38静荷载试验结果分析陡降型缓变型39规范经验公式现行建筑地基基础设计规范规定，初步设计时，单桩竖向承载力特征值可按下式估算：其中：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 Ap桩底

14、横截面面积 up桩身周边长度 li第i层岩土厚度当桩端嵌入较完整的硬质岩石中时，单桩竖向承载力特征值按下式估算其中qpa为桩端岩石承载力特征值其中，frk为岩石饱和单轴抗压强度；r为折减系数40a=0按土的抗剪强度指标确定结合 和 得单桩竖向允许承载力（承载力特征值）Ra为单桩承载力一般表达式正常固结、弱固结或灵敏粘性土： 桩设置和受荷载初期，受施工扰动，土体强度低，桩承载力低，需要估算短期极限承载力，此时桩周土体可视为不固结不排水条件u=0,所以c=cu(1)(2)(3)(4)ca=cu41强超固结、非灵敏粘性土： 受施工扰动，土体出现负孔压,有效应力增加,造成土体强度增强，随时间负孔压会消

15、散,因此排水条件下长期承载力需要按有效应力计算a=(1)(2)(3)按土的抗剪强度指标确定无粘性土： 土体排水性能好，按有效应力法计算c=0(1)(2)(3)a=项忽略42高应变测试高应变测试是一种以重锤敲击桩顶，使桩产生一定贯入度（一般大于2mm），通过测量力和位移来确定桩的质量和极限承载力的间接测试方法。主要有CASE法和CAPWAP法。测试中桩侧摩阻力能够得到充分发挥优点：测试方便、快捷、成本低缺点：对人员素质要求较高、测试的有效性需结合动、静对比资料桩数据采集处理力传感器加速度计重锤43桩身强度要求单桩承载力特征值还需考虑桩身本身材料的强度要求式中：fc轴心抗压强度设计值 c工作条件系

16、数，预制桩取0.75，灌注桩取0.6-0.744 正摩阻力:当桩相对于桩侧土体向下位移时,土对桩产生向上作用的摩阻力,称为正摩阻力。 负摩阻力:当桩侧土体下移,且其下沉量大于桩的位移时,土对桩产生的向下作用的摩阻力,称为负摩阻力。4.4 桩侧负摩阻力正摩阻力负摩阻力45 欠固结土或新填土固结作用 大面积堆载使桩周土层压密 地下水位下降引起大面积沉降 湿陷性黄土侵水而湿陷 打桩产生的超静孔压消散引起的固结下沉 。桩侧负摩阻力产生原因46负摩阻力正摩阻力中性点:桩土之间不产生相对位移的截面位置（0，0，N=max.）中性点之上,土层产生相对于桩身的向下位移,出现负摩阻力中性点之下,土层产生相对于桩

17、身的向上位移,出现正摩阻力负摩阻变化规律土桩单桩位移曲线侧摩阻力分布桩身轴力分布 中性点Q+(Fn-Fp)(Q+Fn)最大轴力点桩端阻力Q47宁海电厂实测桩侧负摩阻力F1000冲孔灌注桩，桩长37m，回填土8m厚48 危害：桩侧负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分,反而相当于施加于桩上的外荷载,导致桩的承载力相对降低,桩基沉降加大。工程措施：负摩阻力的危害和工程措施预制桩: 填土场地，尽量等待沉降稳定后成桩。 场地有大面积堆载时，成桩前对场地实施预压。 湿陷性黄土地区，先行强夯、灰土挤密等地基处理。 对预制桩中性点以上涂沥青，或加其它保护套。注意：涂层不要扩展到需利用桩侧正摩阻力的桩身部分灌注

18、桩:对穿过欠固结等土层支承于坚硬持力层上的灌注桩，可采用高稠度膨润土泥浆填充预制桩外围形成隔离层，干作业成孔灌注桩，可在沉降土层范围的孔壁布设双层筒形塑料薄膜形成可自由滑动的塑料薄膜隔离层494.5单桩沉降计算S=S1+S2+S3S 桩顶沉降S1 桩身弹性压缩引起的桩顶沉降S2 桩侧阻力引起的桩周土中的附加应力以压应 力扩散角向下传递，使装端下土体压缩产生的装端沉降；S3 桩端荷载引起桩端下土体压缩所产生的沉降 侧阻扩散形成桩端平面压力分布50单桩沉降计算单桩沉降计算方法经验方法弹性理论方法荷载传递方法有限元方法。荷载传递方法将桩身分成n个单元每个单元的侧摩阻力用弹簧代替51有限元分析单桩沉降

19、计算实测的 曲线三维有限元模型564.6竖向荷载下的群桩57香港合和中心二期6星级酒店，高480米（108层），采用群桩基础4.6竖向荷载下的群桩桩基多以群桩的形式使用，很少采用独桩584.6竖向荷载下的群桩效应群桩基础由2根以上桩组成的桩基称为群桩基础群桩效应群桩基础中一根桩单独受荷时的承载力和沉降性状，往往与相同工况下独立单桩有显著差别，这种现象叫做群桩效应。群桩效应系数衡量群桩基础中各单桩平均承载力比单桩降低或提高的幅度594.6竖向荷载下的群桩效应侧阻群桩效应系数 端阻群桩效应系数 侧阻端阻综合系数承台桩上部结构60端承型群桩基础端承型桩基桩底持力层刚硬，桩端贯入变形小，由桩身压缩引起

20、的桩顶沉降也不大，因而承台底面土反力很小。桩顶荷载基本集中通过桩端传给桩底持力层，并近似按某一压力扩散角向下扩散，在距桩底深度为 之下产生应力重叠，但不足以引起坚实持力层明显的附加变形。端承型群桩基础中各单桩工作性状接近于单桩，群桩效应=1群桩效应可以忽略不计（不考虑群桩效应）61摩擦型群桩基础桩顶荷载主要通过桩侧阻力引起压力扩散角范围内桩周土中附加应力，当桩距s1m 时，b0 =b+1； b1m 时，b0 =0.9（d+1）； d=1m 时， b0 =0.9（1.5b+0.5）x74常数法假定地基水平抗力系数沿深度均匀分布，kx=kh“k”法假定在桩身第一挠曲零点以上按抛物线变化，以下为常数

21、“m”法假定kx随深度成正比地增加，即kx=mz“C”值法假定kx随深度按 的规律分布，即常用kx分布图式kx=kh常数法kx=k“k”法kx=mzkx=cz0.5“m”法“C值”法75“m”法假定kx=mz，代入令称为桩的水平变形系数边界条件：H0，M0“m”法单桩计算挠度转角弯矩剪力土压力76桩身最大弯矩及其位置 为计算截面配筋，桩身最大弯矩值及最大弯矩截面位置是最关键的。计算过程如下：通过查表可以计算“m”法单桩计算（ 称为换算深度）77“m”法单桩计算刚性桩半刚性桩柔性桩78实测结果与py曲线法推导中引入两个假设实际中某一深度的水平抗力与水平位移是非线性关系，公式只是在小位移条件下的近

22、似，因此适用于水平位移较小的情况。对K沿深度的分布规律假设，也不一定与实际情况相符，因此要根据实际情况选择不同分布图py曲线法更适合水平变形较大的桩基，广泛应用与近海结构物x 或 p = kxxkx=mz79p-y曲线法假定土中桩为一弹性梁，而用一系列独立的非线性弹簧模拟不同深度的土层；沿桩的深度方向将桩周土应力应变关系用一组曲线来表示。在某一深度处，桩的横向位移y与单位桩长土反力之间存在一定的对应关系（即p-y曲线）；这一方法综合反映了桩周土的非线性、桩身刚度和外荷载作用性质等特点。 a桩剖面图 b. 计算简化图 c. p-y曲线 实测结果与py曲线法80水平受荷桩上述分析方法的实用性存在很

23、大差异线弹性分析方法（m法）适用于小荷载和小变形问题；理论上讲，p-y曲线法是一种比较理想的方法，配合数值解法可以计算桩内力及位移。当桩身变形较大时，该法的优越性更为显著，可用无量纲迭代法或有限差分法求解。目前国内相关规范计算桩基水平承载力的方法主要为m法建筑桩基技术规范（JGJ94-94）公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）港口工程灌注桩设计与施工规程（JTJ248-2001）港口工程桩基规范（JTJ254-98）、港口工程桩基规范（JTJ254-98）局部修订（桩的水平承载力设计）同时还推荐了考虑桩土作用非线性的NL法和p-y曲线法。实测结果与py曲线法81 水平静载试验在现场

24、条件下进行，得到的承载力和地基土水平抗力系数最符合实际情况试验装置：常采用一台水平放置的千斤顶同时对两根桩进行加荷固定百分表的基准桩宜打设在实验桩的侧面，与试验桩净距不应小于一倍桩径单桩水平静载试验试验装置82加荷方法：对承受反复作用的水平荷载的桩基，宜采用多循环加卸载方式对承受长期作用的水平荷载的桩基，宜采用分级连续加载方式单桩水平静载试验加载中止条件：桩身断裂桩侧地表出现明显裂缝或隆起桩顶水平位移超过30-40mm水平荷载超过极限荷载加载条件模拟实际桩的受力状况83资料整理：由试验记录可绘制桩顶水平荷载-时间-桩顶水平位移（H0-t-u0）曲线及水平荷载-位移梯度（H0-u0/H0）曲线，

25、当具备桩身应力资料还可绘制桩身应力分布图及水平荷载与最大弯矩截面钢筋应力（H0 g）曲线单桩水平静载试验84水平临界荷载与极限荷载：水平临界荷载（Hcr）是相当于桩身开裂、受拉区混凝土不参加工作时的桩顶水平力：取（H0-t-u0）曲线出现突变点的前一级荷载取（H0-u0/H0）曲线的第一直线段的重点对应的荷载取（H0 g）曲线的第一突变点对应的荷载水平极限荷载（Hu）是相当于桩身应力达到强度极限时的桩顶水平力，此外使桩顶水平位移超过30-40mm或者使桩侧土体破坏的前以及水平荷载也应当作极限荷载取（H0-t-u0）曲线明显陡降的第一级荷载取（H0-u0/H0）曲线第二直线段终点对应的荷载桩身断

26、裂或钢筋应力达到流限的前一级荷载单桩水平静载试验85单桩水平静载试验Hcr ：曲线的第一直线段的终点对应的荷载Hu ：曲线第二直线段终点对应的荷载Hcr曲线的第一突变点对应的荷载861）单桩的水平承载力特征值应通过现场单桩水平静载试验确定，必要时可进行带承台的荷载试验，试验采用慢速维持荷载法2）对于混凝土预制桩、钢桩、桩身全截面配筋率大于0.65%的灌注桩，根据静载试验结果取地面水平位移为10mm所对应荷载为单桩水平承载力特征值3）对于桩身全截面配筋率小于0.65%的灌注桩，取单桩水平静载试验的临界荷载为单桩水平承载力特征值单桩水平承载力特征值874）缺少单桩水平静载试验资料时，按下列方法计算

27、桩身配筋率小于0.65%灌注桩的单桩水平承载力特征值：式中 桩的水平变形系数Rha单桩水平承载力设计值；m 桩截面抵抗矩塑性系数，圆形截面取3，矩形截面取1.75;ft 桩身混凝土抗拉强度设计值；W0 桩身换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩；m 桩身最大弯矩系数；桩身配筋率；An 桩身换算截面面积；N 桩顶竖向力影响系数，竖向压力取0.5，竖向拉力取1.0。单桩水平承载力特征值885）缺少单桩水平静载试验资料时，按下列方法计算预制桩、钢桩、桩身配筋率大于0.65%灌注桩的单桩水平承载力特征值：式中 EI桩身抗弯刚度，对于混凝土桩，EI=0.85EcI0；I0为桩身换算截面惯性矩，对圆形截面,I0=W

28、0d/2;0a桩顶允许水平位移x 桩顶水平位移系数，按表4-8选取；单桩水平承载力特征值894.8 桩基设计桩的平面布置：为使桩基中各桩受力均匀，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。桩间距一般采用34倍桩径。过大会增加承台体积过小引起沉降增加和施工困难设计中参考推荐值桩承台设计受弯计算冲切计算剪切计算桩基承载力验算90承台的设计承台的作用是将各桩联成一体，把上部结构传来的荷载转换、调整、分配于各桩柱下独立承台柱下或墙下条形承台筏板承台和箱型承台各种承台均需沿混凝土结构设计规范进行受弯、受冲切、受剪切和局部承压承载力计算 1.0d15cm10 cm边桩91承台的尺寸和构造要求形状： 方,矩型,三角形,多边形,圆形最小宽度 50 cm最小厚度 30 cm桩外缘距离承台边15 cm 边桩中心距离承台边1.0D桩嵌入承台 大桩横向荷载10 cm,小桩5 cm,钢筋伸入承台30d 混凝土标号C15 c