《地基与基础工程》课件 5-5 桩基础的设计

地基与基础工程学习项目五桩基础桩基础的设计05

一、桩基础设计内容与步骤

桩基础设计应根据荷载性质与大小，上部结构形式与使用要求，地质和水文资料以及材料供应和施工条件等，确定适宜的桩基础类型和各组成部分尺寸，并保证承台、基桩和地基在强度、变形和稳定性方面均能满足安全和使用要求，同时考虑设计方案的可行性与合理性。

一、桩基础设计内容与步骤1.桩基础类型的选择1）桩基础类型、承台位置和尺寸的选定

2）端承桩桩基和摩擦桩桩基的选定

3）单排桩基础和多排桩基础的选定

4）桩型与成桩工艺的选择5）承台尺寸的拟定桩基础的设计计算，一般包括下述内容与步骤：

一、桩基础设计内容与步骤2.桩径、桩长的拟定和单桩承载力特征值的确定1）桩径的拟定2）桩长的拟定3）单桩承载力特征值的确定3.确定基桩的根数及其在平面上的布置1）桩的根数估算2）确定桩的平面布置

一、桩基础设计内容与步骤4.桩基础设计方案的检验

1）单根基桩的检验（1）单桩竖向承载力检验①按地基土的支承力确定和验算单桩竖向承载力。②按桩身材料强度确定和检验单桩承载力。（2）单桩横向承载检验（3）单桩水平位移检验

2）群桩基础承载力和沉降量的检验

3）承台强度检验二、单桩轴向承载力特征值的确定1.基本概念单桩承载力特征值是指单桩在外荷载作用下，桩和土共同作用时，地基土和桩的强度及稳定性均能得到保证，且变形在安全容许范围之内时，桩所能承受的最大荷载。横向承载力特征值单桩承载力特征值轴向受压承载力特征值二、单桩轴向承载力特征值的确定

单桩在轴向荷载作用下，桩身将产生弹性压缩，同时部分荷载通过桩身传至桩底，使桩底土产生压缩变形。当桩相对于桩周土向下位移时，土对桩将产生向上作用的桩侧摩阻力，桩底土对桩产生桩端阻力。桩需要不断克服桩侧摩阻力和桩端阻力将荷载传递给土体，即土对桩的支承力是由桩侧摩阻力和桩端阻力两部分组成的。而桩身变形与其所采用的材料强度有关。

必须从土对桩的阻力和桩身材料强度两个方面加以考虑单桩轴向受压承载力特征值二、单桩轴向承载力特征值的确定单桩在横向力（包括弯矩）作用下，桩身将产生横向位移或挠曲，桩与桩侧土共同变形、相互影响。按其工作性状通常分为弹性桩和刚性桩两种情况。确定单桩横向承载力特征值有横向静载试验和分析计算法两种途径。横向承载力特征由其桩侧土的强度决定。横向承载力特征值是由桩身材料的抗弯强度或侧向变形条件决定。二、单桩轴向承载力特征值的确定

2.静载试验法确定单桩承载力特征值静载试验法是在施工现场对基桩桩顶逐级施加轴向荷载，测量每级荷载作用下桩的沉降值，逐级加载直至桩破坏。根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩承载力特征值的方法。

1）试验时间:静压试验应在冲击试验后立即进行。对钻(挖)孔灌注桩，应待混凝土达到能承受设计要求荷载后，方可进行试验。二、单桩轴向承载力特征值的确定2）试验加载装置可采用液压千斤顶加载。千斤顶的反力装置可根据现场实际条件，选用锚桩承载梁反力、压重平台反力和锚桩压重联合反力法三种形式之一二、单桩轴向承载力特征值的确定每级荷载作用下，下沉未达稳定时不得进行下一级加载。每级加载的观测时间规定为：每级加载完毕后，每隔15min观测一次；累计1h后，每隔30min观测一次。每级加载后的下沉量，在下列时间内如不大于0.1mm时即可认为稳定:（1）桩端下为巨粒土、砂类土、坚硬黏质土，最后30min。（2）桩端下为半坚硬和细粒土，最后1h。二、单桩轴向承载力特征值的确定3）试验方法分级加载时，加载重心应与试桩轴线相一致，使荷载传递均匀，无冲击。加载过程中，不应使荷载超过每级的规定值。加载分级时，每级加载量宜为预估最大荷载的1/10～1/15。当桩的下端埋入巨粒土、粗粒土以及坚硬的黏质土中时，第一级可按2倍的分级荷载加载。对施工检验性试验，预估最大荷载可采用设计荷载的2.0倍。二、单桩轴向承载力特征值的确定4）加载终止及极限荷载取值规定（1）总位移量大于或等于0.05D(D为桩的直径)，本级荷载的下沉量大于或等于前一级荷载的下沉量的5倍时，加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。（2）总位移量大于或等于0.05D，本级荷载加上后24h未达到稳定,加载即可终止。取此终止时荷载小一级的荷载为极限荷载。二、单桩轴向承载力特征值的确定（3）巨粒土、密实砂类土以及坚硬的黏质土中，总下沉量小于0.05D，但荷载已大于或等于设计荷载乘以设计规定的安全系数，加载即可终止。取此时的荷载为极限荷载。（4）施工过程中的检验性试验，一般加载应继续到桩的2倍设计荷载为止。如果桩的总沉降量不超过0.05D，且最后一级加载引起的沉降不超过前一级加载引起的沉降的5倍，则该桩可予以检验。二、单桩轴向承载力特征值的确定极限荷载的确定困难时，应绘制荷载-沉降曲线(P-S曲线)、沉降-时间曲线(S-t曲线)确定，必要时还应绘制S-1gt曲线、S-1gP曲线(单对数法)、S-[1-P/Pmax]曲线(百分率法)等进行综合比较，确定比较合理的极限荷载取值。

极限荷载确定后，可按下式确定单桩轴向受压承载力特征值。

二、单桩轴向承载力特征值的确定

静载试验是在施工现场进行的，桩的尺寸、结构、入土深度、沉桩方式以及地质条件等接近工程实际情况，是较为可靠的方法。对具有下列情况的大桥、特大桥，应通过静载试验确定单桩承载力。桩的入土深度远超过常用桩。地质情况复杂，难以确定桩的承载力。新型桩基础或采用新工艺施工的桩基础。有其他特殊要求的桥梁桩基础。二、单桩轴向承载力特征值的确定3.规范公式法确定单桩轴向受压承载力特征值规范公式法是利用《公路桥涵地基与基础设计规范》中的公式直接计算单桩轴向受压承载力特征值的方法，它是根据大量的静载试验资料、经过理论分析和统计整理得出的，具有一定的理论根据和实践基础，可在一般桥梁基础设计中应用。二、单桩轴向承载力特征值的确定1）对支承在土层中的钻（挖）孔灌注桩，其单桩轴向受压承载力特征值可按下列公式计算：二、单桩轴向承载力特征值的确定

二、单桩轴向承载力特征值的确定

二、单桩轴向承载力特征值的确定

4）摩擦桩单桩轴向受拉承载力特征值

摩擦桩应根据桩承受作用的情况决定是否允许出现拉力。当桩的轴向力由结构自重、预加力、土重、土侧压力、汽车荷载和人群荷载的频遇组合引起时，桩不得受拉。当桩的轴向力由上述荷载与其他可变作用、偶然作用的频遇组合或偶然组合引起时，桩可受拉，其单桩轴向受拉承载力特征值按下式计算：

4.静力触探法

静力触探法的基本原理是利用准静力将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬程度不同，探头所受到的阻力也不相同，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察的目的。二、单桩轴向承载力特征值的确定静力触探贯入系统由触探主机（贯入装置）和反力装置两大部分组成。触探主机的作用是将底端装有探头的探杆一根一根地压入土中二、单桩轴向承载力特征值的确定三、单桩横向承载力特征值的确定

1.横向静载试验法横向静载试验法是在现场条件下进行的，其所确定的单桩水平承载力和地基土的水平抗力系数较符合实际情况。如果预先在桩身埋有量测元件，则可以测定出桩身应力变化，并由此求得桩身弯矩分布。a)立面b)平面三、单桩横向承载力特征值的确定

2.分析计算法分析计算法是根据某些理论（如弹性地基梁理论）计算桩在横向荷载作用下桩身内力与变位及桩对土的作用力，通过验算桩身材料和桩侧土的强度与稳定性，以及桩顶或墩(台)顶的位移等，从而评定桩的横向承载力的方法。

四、桩基础设计中的基本概念1.土的横向抗力和地基系数桩基础在荷载作用下产生变位(包括竖向位移、水平位移和转角)，使桩挤压桩侧土体，桩侧土必然对桩身产生一个横向抗力，即土的横向抗力，起抵抗外力和稳定桩基础的作用，其大小取决于土的性质、桩身刚度、桩的入土深度、桩的截面形状、桩距及作用荷载等因素。

四、桩基础设计中的基本概念

地基系数C的物理意义是使单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需施加的力，即桩侧某点发生单位横向位移时，土对桩的横向抗力。，其值不仅与土的类别和物理力学性质有关，而且还随着深度而变化。常用的地基系数分布规律如下图所示

四、桩基础设计中的基本概念2.单桩、单排桩和多排桩

1）单桩或与横向外力作用方向相垂直的单排桩对于单根桩来说，上部荷载全部由其自身来承担。对于单排桩，作纵向验算时，若作用于承台底面中心的荷载为N、H和My，当N在单排桩方向无偏心时，可以假定它是平均分布在各桩上当竖向力N在单排桩方向有偏心距e时，即Mi=N·e，因此每根桩上的竖向作用力可按偏心受压计算，四、桩基础设计中的基本概念

四、桩基础设计中的基本概念2）顺横向外力作用方向的单排桩或多排桩此类桩基础实际上是一个超静定的平面或空间刚架，其内力分析和变位计算需用超静定方法求解，一般采用结构力学中的位移法计算各桩桩顶的受力。

四、桩基础设计中的基本概念3.桩的计算宽度桩侧土产生横向抗力的范围总要大于桩的侧向尺寸，且与桩的横截面形状、大小和相邻桩的间距等因素有关。在计算中将各种不同情况下桩侧土抗力的实际作用范围，称为桩的计算宽度。d≥1.0m时，d<1.0m时，当当

四、桩基础设计中的基本概念

四、桩基础设计中的基本概念

在桩平面布置中，若平行于水平力作用方向的各排桩数量不等，且相邻(任何方向)桩间中心距等于或大于(d+1)，则所验算各桩可取同一个桩间影响系数，其值按桩数量最多的一排选取。此外，若垂直于水平力作用方向上有n根桩时，计算宽度取nb1。，但须满足nb1≤B+1四、桩基础设计中的基本概念

四、桩基础设计中的基本概念3.刚性桩与弹性桩m法计算中常将置于土中的桩柱分成刚性构件和弹性构件两类。刚性构件是指在横向力作用下，桩柱本身不发生挠曲变形，只发生转动和位移的桩柱；弹性构件是指在横向力作用下，本身出现挠曲变形的桩柱、为了反映桩柱截面、刚度和土的性质等对桩柱变形的影响，引入桩的变形系数：

非岩石地基抗力系数的比例系数m应通过试验确定，缺乏试验资料时，可根据地基土分类、状态按表查用。查用时应注意以下事项：1.m值的确定要与桩的实际荷载相适应。一般结构在地面处最大位移不应超过6mm，位移较大时，应适当降低表列m值。2.当基桩侧面由几种土层组成时，从地面或局部冲刷线起，应求得主要影响深度hm=2(d+1)范围内的平均m值作为整个深度内的m值。对于刚性桩，hm采用整个深度h。四、桩基础设计中的基本概念

当深度hm内存在两层不同土时四、桩基础设计中的基本概念

四、桩基础设计中的基本概念根据不同构件，可采用不同公式计算变位和内力及土的横向抗力。若桩底面置于地面或局部冲刷线以下的深度为h，根据试验，

当αh≤2.5时，可将桩柱视为刚性构件，一般沉井、大直径管桩及其他实体深基础都属于刚性构件；

当αh>2.5时，则应将桩柱视为弹性构件，一般沉桩与灌注桩多属此类。根据不同的构件，可采用不同公式计算桩的变位和内力及土的横向抗力。

五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移

1.计算假定考虑到桩与土体共同承受外荷载的作用，为了方便计算，在基本理论中作了一些必要的假设：（1）将土视作弹性变形介质，它具有随深度成正比例增长的地基系数(C=mz)；（2）土的应力应变关系符合文克尔假定；（3）计算公式推导时，不考虑桩与土之间的摩擦力和黏结力；（4）桩与桩侧土在受力前后始终密贴接触；（5）桩作为一弹性构件。目前较普遍采用文克尔弹性地基梁法。

五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移

2.符号规定横向位移顺x轴正方向为正值；转角逆时针方向转动为正值；弯矩当左侧纤维受拉时为正值；横向力顺x轴正方向为正值。

五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移

五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移3.单排桩柱式桥墩桩顶受力时的作用效应及位移

当时，单排桩柱式桥墩承受桩柱顶荷载时的作用效应及位移可按表5-5-11计算。表中单排桩柱式桥墩分为桩底支承在非岩石类土或基岩面和桩底嵌固在基岩中两种情况，其计算方法有所不同，设计计算时应注意区分。

(1)地面或局部冲刷线处桩的作用效应五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移(2)地面或局部冲刷线处桩变位①柱顶自由，桩底支承在非岩石类土或基岩面上的单排桩式桥墩五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移

因桩端转动桩端底面土体产生的抗力对刚度系数的影响系数

当桩底置于非岩石类土且αh≥2.5时或置于基岩上且αh≥3.5时，取kh=0。

②柱顶自由，桩底嵌固在基岩中的单排桩式桥墩

五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移（3）地面或局部冲刷线以下深度z处桩各截面内力桩身各截面处弯矩Mz的计算，主要是检验桩的截面强度和配筋计算。为此，要找出弯矩最大的截面所在的位置及相应的最大弯矩值MMAX，一般可将各深度z处的M值求出后绘制z-M图，即可从图中求得。五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移αh＞2.5时，单排桩柱式桥台桩柱侧面受土压力作用时作用效应及位移五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移地面或局部冲刷线处桩的作用效应五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移4.桩顶位移的计算

设桩顶的水平位移为△，它是由下列各项组成：桩在地面处的水平位移、地面处转角所引起的桩顶的水平位移、桩露出地面段作为悬臂梁桩顶在水平力H以及在M作用下产生的水平位移，即五、“m”计算单排桩柱式桥墩的作用效应及位移

六、竖向荷载作用下群桩基础的检验1.群桩共同作用特性

1）端承桩群桩基础

端承桩群桩基础的承载力等于各单桩承载