第四章桩基础.ppt

1、1,第4章 桩基础,第1节 概述 第2节 桩的分类 第3节 桩的竖向承载力 第4节 桩基础沉降的计算 第7节 桩的平面布置原则 第8节 桩承台的设计 第9节 桩基础设计,2,第1节 概 述,如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求、而又不宜采取地基处理措施时，就需要考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深基础方案。常见的深基础有：桩基础，沉井基础，沉箱基础，地下连续墙等。 桩基础是应用最为广泛的一类深基础。,3,桩基础：是由基桩和连接于 桩顶的承台共同组成。承台把 桩联结起来并承受上部结构的荷载，然后将荷载转换、调整分配于各桩，通过桩传递到地基中去。 桩是垂直或微斜埋置于土中

2、的受力杆件，它的横截面尺寸比长度小得多。其作用是将上部结构的荷载传递给土层或岩层。,4,1-承台；2-基桩；3-松软土层；4-持力层；5-墩身,桩基础可以是单根桩（如一柱一桩的情况），也可以是单排桩或多排桩。,5,高承台桩 底承台桩,多数情况下桩基础是由多根桩组成的群桩基础， 基桩可全部或部分埋入地基土中,6,二、桩基础的适用条件,（1）荷载较大，地基上部土层软弱，适宜的地基持力层位置较深，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时； （2）河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易计算正确，位于基础或结构物下面的土层有可能被侵蚀、冲刷，如采用浅基础不能保证基础安全时； （3）当地基计算沉降过大

3、或建筑物对不均匀沉降敏感时，采用桩基础穿过松软（高压缩）土层，将荷载传到较坚实（低压缩性）土层，以减少建筑物沉降并使沉降较均匀； （4）当建筑物承受较大的水平荷载，需要减少建筑物的水平位移和倾斜时； （5）当施工水位或地下水位较高，采用其它深基础施工不便或经济上不合理时； （6）地震区，在可液化地基中，采用桩基础可增加建筑物抗震能力，桩基础穿越可液化土层并伸入下部密实稳定土层，可消除或减轻地震对建筑物的危害。,7,高层建筑桩基础 高层建筑的特点是高，由此导致一方面竖直荷载大而集中；另一方面重心高，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

4、降要求很高。因此，在松软深厚地基上建造高层建筑时，若采用天然地基上的浅基础，即使整板基础亦往往不能满足上述要求，而桩基础则以其巨大的承载潜力和抵御复杂荷载特殊能力以及对各种,8,地质条件的良好适应性，而成为高层建筑的理想基础形式。国内已建成的最高建筑上海浦东88层高420.5 m的金贸大厦，桩基础的桩入土深度超过80 m；后建的世界第一高楼上海浦东94层高460 m的环球金融中心，也采用桩基础。 基本型式有：桩柱基础、桩梁基础、桩筏基础、桩箱基础。,9,桩基础设计应满足基本条件： 1.单桩承受的竖向荷载不超过单桩竖向承载力特征值； 2.桩基础的沉降不超过建筑物的沉降允许值； 3.对位于坡地岸边

5、的桩基应进行桩基稳定性验算。 按建筑桩基技术规范，建筑桩基设计应采用以概率理论为基础的极限状态设计法。桩基的极限状态分为下列两类：,10,1.承载能力极限状态 对应于桩基受荷达到最大 承载能力导致整体失稳或发生不适于继续承载的变形； 2.正常使用极限状态 对应于桩基变形达到为保证建筑物正常使用所规定的限值或桩基达到耐久性要求的某项限值。 设计时所用的荷载效应组合与浅基础相同。,11,桩基设计内容： 1.桩的类型和几何尺寸的选择； 2.单桩竖向（和水平）承载力的确定； 3.确定桩的数量间距和平面布置； 4.桩基承载力和沉降验算； 5.桩身结构设计； 6.承台设计； 7.绘制桩基施工图。,12,第

6、2节 桩的分类,一、按桩的使用功能分类 1.竖向抗压桩 主要承受竖向下压荷载（简称竖向荷载）的桩，应进行竖向承载力计算，必要时还需计算桩基沉降，验算软弱下卧层的承载力以及负摩阻力产生的下拉荷载。 2.竖向抗拔桩 主要承受竖向上拔荷载的桩，应进行桩身强度和抗裂计算以及抗拔承载力验算。,13,3.水平受荷桩 主要承受水平荷载的桩，应进行桩身强度和抗裂验算以及水平承载力和位移验算。 4.复合受荷桩 承受竖向、水平荷载均较大的桩，应按竖向抗压（或抗拔）桩及水平受荷桩的要求进行验算。,14,二、按桩承载性能分类 1.摩擦桩 当软土层很厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上时，则桩顶的极限荷载主要靠桩身与周围土层

7、之间的摩擦力来支承，桩尖处土层反力很小，可忽略不计。,15,2.端承桩 桩穿过软弱土层，桩端支承在坚硬土层或岩层上时，则桩顶极限荷载主要靠桩尖处坚硬岩土层提供的反力来支承，桩侧摩擦力很小，可以忽略不计。 3.摩擦端承桩 桩顶的极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但主要由桩端阻力承受。,16,4.端承摩擦桩 桩顶的极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但主要由桩侧阻力承受。 三、按施工方法分类 1.预制桩，按材料可分为木桩，混凝土预制桩，钢桩。 沉桩方式：锤击法、振动法、静压法等 2.灌注桩：采用钻、挖、冲击、沉管等方法在工地预定的桩位上成孔，并放入钢筋笼，浇灌混凝土而成桩。 可分为沉管灌注桩

8、、钻（冲、磨）孔灌注桩、挖孔灌注桩、爆扩孔灌注桩。,17,沉桩打入桩,打入桩是通过锤击（或以高压射水辅助）将各种预先制好的桩（主要是钢筋混凝土实心桩或管桩，也有木桩或钢桩）打入地基内达到所需要的深度。这种施工方法适应于桩径较小（一般直径在0.60m以下），地基土质为砂性土、塑性土、粉土、细砂以及松散的不含大卵石或漂石的碎卵石类土的情况。,（一 ）预制桩,18,预制方桩,19,预制管桩,20,钢管桩裸管吊装,21,钢管桩裸管进入防腐生产线,22,正在进行环氧粉末喷涂的钢管桩,23,打桩船施工,24,已打入杭州湾海底的防腐钢管桩,25,沉桩振动下沉桩,振动法沉桩是将大功率的振动打桩机安装在桩顶（预

9、制的钢筋混凝土桩或钢管桩），利用振动力以减少土对桩的阻力，使桩沉入土中。它对于较大桩径，土的抗剪强度受振动时有较大降低的砂土等地基效果更为明显。,26,沉桩静力压桩,在软塑粘性土中也可以用重力将桩压入土中称为静力压桩。这种压桩施工方法免除了锤击的振动影响，是在软土地区，特别是在不允许有强烈振动的条件下桩基础的一种有效施工方法。,27,沉桩预制桩的特点,（1）不易穿透较厚的砂土等硬夹层（除非采用预钻孔、射水等辅助沉桩措施），只能进入砂、砾、硬粘土、强风化岩层等坚实持力层不大的深度。 （2）沉桩方法一般采用锤击，由此产生的振动、噪声污染必须加以考虑。 （3）沉桩过程产生挤土效应，特别是在饱和软粘土

10、地区沉桩可能导致周围建筑物、道路、管线等的损失。 （4）一般说来预制桩的施工质量较稳定。 （5）预制桩打入松散的粉土、砂砾层中，由于桩周和桩端土受到挤密，使桩侧表面法向应力提高，桩侧摩阻力和桩端阻力也相应提高。 （6）由于桩的贯入能力受多种因素制约，因而常常出现因桩打不到设计标高而截桩，造成浪费。,28,桩的吊点位置图,（7）预制桩由于承受运输、起吊、打击应力，需要配置较多钢筋，混凝土标号也要相应提高，因此其造价往往高于灌注桩。,29,（8）多节桩的接桩，可用焊接或法兰锚接。目前焊接接桩应用最多。,30,预应力管桩施工接桩,31,沉管灌注桩系指采用锤击或振动的方法把带有钢筋混凝土桩尖或带有活瓣

11、式桩尖（沉桩时桩尖闭合，拔管时活瓣张开）的钢套管沉入土层中成孔，然后在套管内放置钢筋笼，并边灌混凝土边拔套管，利用拔管时的振动将混凝土捣实，便形成所需要的灌注桩。沉管灌注桩桩靴见下图。,1、沉管灌注桩,（二）灌注桩,32,33,34,套管成孔灌注桩常遇问题和处理方法 a 颈缩 颈缩：指桩身的局部直径小于设计要求的现象。 原因：当在淤泥和软土层沉管时，由于受挤压的土壁产生空隙水压，拔管后便挤向新灌注的混凝土，桩局部范围受挤压形成颈缩。 当拔管过快或混凝土量少，或混凝土拌和物和易性差时，周围淤泥质土趁机填充过来，也会形成颈缩。 处理方法：拔管时应保持管内混凝土面高于地面，使之具有足够的扩散压力，混

12、凝土坍落度应控制在5070mm。拔管时应采用复打法，并严格控制拔管的速度。,35,b断桩 断桩：指桩身局部分离或断裂，更为严重的是一段桩没有混凝土。 原因：桩距离太近，相邻桩施工时混凝土还未具备足够的强度，已形成的桩受挤压而断裂。 处理方法：施工时，控制中心距离不小于4倍桩径；确定打桩顺序和行车路线，减少对新灌注混凝土桩的影响。采用跳打法或等已成型的桩混凝土达到60%设计强度后，再进行下根桩的施工。,36,c吊脚桩 吊脚桩是指桩底部混凝土隔空或松软，没有落实到孔底地基土层上的现象。 原因：当地下水压力大时，或预制桩尖被打坏，或桩靴活瓣缝隙大时，水及泥浆进入套筒钢管内，或由于桩尖活瓣受土压力，拔

13、管至一定高度才张开，使得混凝土下落，造成桩脚不密实，形成松软层。 处理方法：为防止活瓣不张开，开始拔管时，可采用密张慢拔的方法，对桩脚底部进行局部翻插几次，然后再正常拔管。桩靴与套管接口处使用性能较好的垫衬材料，防止地下水及泥浆的渗入。,37,钻孔灌注桩系指用钻（冲）孔机具在土中钻进，边破碎土体边出土渣而成孔，然后在孔内放入钢筋骨架，灌注混凝土而形成的桩。 钻孔灌注桩能适应各种地层，无需接桩，施工时无振动、无挤土、噪音小，宜在建筑物密集地区使用。但其操作要求严格，施工后需较长的养护期方可承受荷载，成孔时有大量土渣或泥浆排出。根据成孔工艺不同，分为干作业成孔的灌注桩、泥浆护壁成孔的灌注桩。,2、

14、钻孔灌注桩,38,39,施工工艺,40,泥浆的作用： （1）在孔内产生较大的静水压力，可防止坍孔； （2）泥浆向孔外土层渗漏，在钻进过程中，由于钻头的活动，孔壁表面形成一层胶泥，具有护壁作用，同时将孔内外水流切断，能稳定孔内水位； （3）泥浆比重大，具有挟带钻渣的作用，利于钻渣的排出。此外，还有冷却机具和切土润滑作用，降低钻具磨损和发热程度。,护筒的作用： （1）固定桩位，并作钻孔导向； （2）保护孔口防止孔口土层坍塌； （3）隔离孔内孔外表层水，并保持钻孔内水位高出施工 水位以稳固孔壁。因此埋置护筒要求稳固、准确。,41,钢护筒结构,42,海上插打钢护筒,43,现在是在护筒上拉十字线，是使钻

15、机的钻头对准桩的中心线，等钻机对准后往护筒里放水，采用泥浆护壁进行钻孔,44,泥浆护壁成孔灌注桩施工现场,45,安放钢筋笼,46,吊装钢筋骨架,47,48,49,四、按设置效应分类（按成桩方法对桩周土层的影响） 1.非挤土桩 非挤土桩也称为排土桩，在成桩过程中，将与桩体积相同的土挖出，因而桩周围的土受到较轻的扰动，但有应力松弛现象。这类桩主要有各种型式的挖孔或钻孔桩和预钻孔埋桩等。,50,2.部分挤土桩 部分挤土桩也称为少良排土桩，在成桩过程中，桩周围的土受到相对较少的扰动，土的原状结构和工程性质的变化不明显。这类桩主要有打入小截面的I型和H型钢桩、钢板桩，开口式的钢管桩(管内土挖除) 等。,

16、51,3.挤土桩 挤土桩也称为非排土桩，在成桩过程中，桩周围的土被压密或挤开，因而使周围土层受到严重扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质有很大改变。这类桩主要有打入或压入的预制木桩和混凝土桩，打入的封底钢管桩和混凝土管桩，以及沉管灌注桩等。,52,53,某工地600预制桩被挤断的照片,一个承台六根桩,有四五根桩断掉,打的时候收锤无问题,锤第二根桩挤断第一根,锤第三根挤断第二根桩,54,五、按桩径大小分类 1.小桩 桩径d250mm。由于桩径小，施工机械，施工场地及施工方法一般较为简单。小桩多用于基础加固（树根桩或锚杆静压桩）及复合桩基础。 2.中等直径桩 250mmd800mm。这类桩长期

17、以来在工业与民用建筑物中大量使用，成桩方法和工艺繁多。,55,3.大直径桩 桩径d800mm。近年来的 发展较快，应用范围逐渐增大。因为桩径大且桩端还可以扩大，因此，单桩承载力较高。此类桩除大直径钢管桩外，多数为钻、冲、挖孔灌注桩。通常用于高层或重型建（构）筑物的基础，并可实现柱下单桩的结构型式。,56,57,第3节 桩的竖向承载力,孤立的一根桩称为单桩，群桩中性能不受邻桩影响的一根桩可视为单桩。 单桩工作性能的研究是单桩承载力分析理论的基础。通过桩土相互作用分析，了解桩土间的传力途径和单桩承载力的构成及其发展过程，以及单桩的破坏机理等，对正确评价单桩轴向承载力具有一定的指导意义。,58,一

18、单桩轴向荷载的传递机理 1桩身轴力和截面位移 逐级增加单桩桩顶荷载时，桩身上部 受到压缩而产生相对于土的向下位移，从 而使桩侧表面受到土的向上摩阻力。桩顶荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度递减。在桩土相对位移等于零处，其摩阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着荷载增加，桩身压缩和位移随之增大，桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来，,59,逐使桩侧摩阻力从桩身上段向下逐次发挥；桩底持力层也因受压引起桩端反力，导致桩端下沉、桩身随之整体下移，这又加大了桩身各截面的位移，并促使桩侧上下各处摩阻力进一步发挥。当沿桩身全长的摩阻力都达到极限值之后，桩顶荷载增量就全

19、归桩端阻力承担，直到桩底持力层破坏。此时，桩顶所承受的荷载就是桩的极限承载力。,60,在桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断地克服桩侧摩阻力，故桩身截面的轴向力随深度逐渐减小，传至桩底截面的轴向力为桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力，并与桩底支承反力（即桩端阻力）大小相等、方向相反。 桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体，即土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。,61,发挥程度: 一般来说，靠近桩身上部土层的摩阻力先于下部土层发挥出来，桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来，桩端极限阻力的发挥需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值。 单桩在轴向荷载作用下，桩身的截面位移、桩侧的摩阻力分布以及轴力

20、分布见下图。,62,63,2、桩侧摩阻力和桩端阻力 桩侧摩阻力是桩截面对桩周土的相对位移的函数= f()，可用下图中的曲线OCD表示，且常简化为折线OAB。AB段表示一旦桩土界面相对滑移超过某一极限值，侧摩阻力将保持极限值不变。,64,桩截面位移,桩侧摩阻力,O,C,D,A,B,65,极限摩阻力可用类似于土 的抗剪强度的库伦表达式：,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压力，它与桩侧土的竖向有效应力 成正比例，即：,66,式中Ks为桩侧土的侧压力 系数，对挤土桩，K0KsKp； 对非挤土桩，因桩孔中土被清除，而使KaKsK0 。此处， Ka 、 K0

21、和Kp分别为主动、静止和被动土压力系数。 采用上述公式计算深度z处的单位侧阻时，如取,67,则侧阻将随深度线性增大。然 而砂土中的模型桩试验表明， 当桩入土深度达到某一临界值后，侧阻就不随深度增加了，这个现象称为侧阻的深度效应。 综上所述，桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质、成桩方法等许多因素有关。,68,单桩受荷过程中桩端阻力 的发挥不仅滞后于桩侧阻力， 而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移值大的多。根据小型桩试验所得的桩底极限位移值，对砂类土约为d/12d/10，对粘性土约为d/10d/4（d为桩径）。因此，对工作状态下的单桩，其桩端阻力的安全储备一

22、般大于桩侧摩阻力的安全储备。,69,3.单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式 轴向受压荷载作用下，单桩的破坏是由地基土强度破坏或桩身材料强度破坏所引起,而以地基土强度破坏居多。,70,纵向挠曲破坏（图a）：当桩底支承在很坚硬的地层，桩侧土为软土层其抗剪强度很低时，桩在轴向受压荷载作用下，如同一受压杆件呈现纵向挠曲破坏。桩的承载力取决于桩身的材料强度。 整体剪切破坏（图b）：当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时，桩在轴向受压荷载作用下，由于桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏。桩的承载力主要取决于桩底土的支承力，桩侧摩阻力

23、也起一部分作用。 刺入式破坏（图c）：当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向受压荷载作用下，将出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同 。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同承担，一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏，且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。,71,单桩的荷载沉降曲线,单桩静载荷试验所得的荷载沉降（Qs）关系曲线可大体分为陡降型（A）和缓变型（B）两类形态。,72,对桩底持力层不坚实、桩 径不大、破坏时桩端刺入持力 层的桩，其曲线多呈“急进破坏”的陡降型，相应于破坏时的特征点明显，据之可确定单桩极限承载力。 对桩底为非密实砂类土或粉土、清孔不净残留虚土、

24、桩底面积大、桩底塑性区,73,随荷载增长逐渐扩展的桩，则 呈“渐进破坏”的缓变型，其曲 线不具有表示变形性质突变的明显特征点，因而较难确定极限承载力。为了发挥这类桩的潜力，其极限承载力宜按建筑物所能承受的最大沉降确定。换句话说，这类桩的承载力极限状态是受“不适于继续承载的变形”制约的。,74,二、单桩竖向承载力的确定,单桩极限承载力Qu由总极限侧阻力Qsu和总极限端阻力Qbu组成，若忽略二者间的相互影响，可表示为：,Qu=Qsu+Qbu,75,以单桩竖向极限承载力Qu除以安全系数K即得单桩竖向承载力特征值Ra : Ra= Qu/K 通常取 K=2 。,76,确定单桩极限承载力标准值的方法规定,

25、一级建筑桩基：静载荷试验 静力触探 标准贯入等方法综合确定 二级建筑桩基：据静力触探 标准贯入 经验参数等估算，并参照地质条件相同的试桩资料，综合确定。 三级建筑桩基：无原位测试资料时用承载力经验参数法估算,77,1、原型试验法 原型静载荷试验是传统的 也是最可靠的确定承载力的方法。它不仅可确定桩的极限承载力，而且通过埋设各类测试元件可获得桩身轴力、桩侧阻力、桩端阻力、荷载沉降关系等诸多资料。,78,（一）静载试验法,概念：在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向容许承载力。,试桩要求：试桩可在

26、已打好的工程桩中选定，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。试桩数目应不小于基桩总数的2%，且不应少于2根；试桩的施工方法以及试桩的材料和尺寸、入土深度均应与设计桩相同。,静载试验法的特点：确定单桩容许承载力直观可靠，但费时、费力，通常只在大型、重要工程或地质较复杂的桩基工程中进行试验。配合其他测试设备，它还能较直接了解桩的荷载传递特征，提供有关资料，因此也是桩基础研究分析常用的试验方法。,79,（1）试验装置,加载系统：主要有堆载法与锚桩法两种。堆载法是在荷载平台上堆放重物，一般为钢锭或砂包，也有在荷载平台上置放水箱，向水箱中充水作为荷载。堆载法适用于极限承载力较小的桩。锚桩法是在试桩周围布置4

27、6根锚桩，常利用工程桩群。锚桩深度不宜小于试桩深度，且与试桩有一定距离，一般应大于3d且不小于1.5m(d为试桩直径或边长)，以减少锚桩对试桩承载力的影响。,锚桩法试验装置,80,堆载法静载试验,81,锚桩法静载试验,82,锚桩法静载试验,83,千斤顶及位移传感器,84,锚桩法静载试验,85,（ 2）试验方法,分级加载：试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏荷载的1/101/15；有时也采用递变加载方式，开始阶段每级荷载取预估破坏荷载的1/2.51/5，终了阶段取1/101/15。,测读沉降时间：在每级加荷后的第一小时内，按2、5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读

28、一次，直至沉降稳定为止。沉降稳定的标准，通常规定为对砂性土为30min内不超过0.1mm；对粘性土为1h内不超过0.1mm。待沉降稳定后，方可施加下一级荷载。循此加载观测，直到桩达到破坏状态，终止试验。,86,破坏荷载的确定：当出现下列情况之一时，一般认为桩已达破坏状态，所相应施加的荷载即为破坏荷载： （1）桩的沉降量突然增大，总沉量大于40mm，且本级荷载下的沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍。 （2）本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉降量的2倍，且24h桩的沉降未趋稳定。,87,由于土体因打桩扰动而降 低的强度有待随时间而恢复， 在桩身强度达到设计要求的前提下，桩设置后开始载荷试验所需的间

29、歇时间：对于砂类土不得少于7天；粉土和粘性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。,88,静载试验在试桩顶上分级施加静载荷，直至破坏为止，根据Q-S曲线定桩的极限承载力Qu。试验中当桩顶发生剧烈或不停滞的沉降时，桩破坏，相应的荷载称极限荷载Qu。 单桩静载荷试验所得的荷载沉降（Qs）关系曲线可大体分为陡降型（A）和缓变型（B）两类形态。,89,90,根据Q-S曲线定Qu: （1）如有明显陡降段，取相应的陡降段起点； （2）如无明显陡降段，取桩顶总沉降s=40-60mm时对应的Q。 计算极限承载力的平均值，当其极差不 超过平均值的30时，取平均值为单桩竖向 极限承载力；对桩数3的柱下桩台，取

30、最小 值为单桩竖向极限承载力。 将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Ra.,91,2、按土的抗剪强度指标确定,92,3、原位测试法 对地基土进行原位测试， 利用桩的静载荷试验与原位测试参数间的关系，确定桩的侧阻力和端阻力。常用的原位测试法有静力触探法(CPT)、标准贯入试验法(SPT)、旁压试验法(PMT)。,93,静力触探法,静力触探法是借触探仪的探头贯入土中时的贯入阻力与受压单桩在土中的工作状况有相似的特点，将探头压入土中测得探头的贯入阻力，并与试桩结果进行比较，通过大量资料的积累和分析研究，建立经验公式确定单桩轴向受压容许承载力。测试时，可采用单桥或双桥探头。

31、 公桥基规采用的，根据双桥探头资料确定沉入桩的单桩容许承载力公式：,94,4.按规范经验公式估算 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：,Ra=Qsu+Qbu=upliqsia+Apqpa,式中 li 、Up桩周第i层土厚度和相应的桩身周长； Ap桩底面积； qsia、qpa第i层土的桩侧阻力和持力层桩端 阻力 特征值。,95,当桩端嵌入完整或较完整的硬质岩石中时，可按下式估算 Ra=qpaAp qpa-桩端岩石承载力特征值。,96,地基规范规定，单桩竖向承载力特征值的确定应符合下列规定： （1）单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载试验确定。在同一条件下的试桩数量，不宜少于

32、总桩数的1%，且不应少于3根。单桩竖向承载力特征值取单桩竖向静载荷试验所得单桩竖向极限承载力除以安全系数2。 当桩端持力层为密实砂卵石或其他承载力类似的土层时，对单桩承载力很高的大直径端承型桩，可采用深层平板载荷试验确定桩端土的承载力特征值。,单桩竖向承载力特征值,97,（2）地基基础设计等级为丙级的建筑物，可采用静力触探及标贯试验参数确定Ra值。 （3）初步设计时单桩竖向承载力特征值Ra可按下式估算： Ra = qpaAp+uqsiali （4-26） 当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中时，可按下式估算单桩竖向承载力特征值： Ra=qpaAp （4-27） （4）嵌岩灌注桩桩端以下三倍桩径范围

33、内应无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布；并应在桩底应力扩散范围内无岩体临空面。,98,地基规范所称的单桩竖向承载力特征值是表示正常使用极限状态下的单桩竖向承载力值；而建筑桩基规范的单桩竖向承载力设计值是指单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载（即单桩竖向极限承载力）经分项系数处理后得到的承载力值。此外，两者在荷载取值中也存在一定差别，按单桩竖向承载力特征值设计应取荷载效应的标准组合，而按单桩竖向承载力设计值计算时则取荷载效应的基本组合。,99,三、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。 群桩效应：在竖向荷载作用下，由于承台、桩、土相互作用

34、，群桩基础中的基桩的承载力和沉降性状，往往与相同地质条件和设置方法的单桩有显著不同。这种群桩不同于单桩的工作性状所产生的效应，称其为群桩效应，它主要表现在对桩基承载力和沉降的影响上。 群桩承载力不等于其中各单桩承载力之和。,100,群桩效应系数,衡量群桩基础中各单桩的平均承载力比独立单桩降低（1 ）的幅度。,101,1、端承型群桩基础 由端承桩组成的群桩基础，通过承台传递到各桩顶的竖向荷载，其大部分由桩身直接传递到桩端,再传给桩底持力层，并近似地按某一压力扩散角向下扩散。,端承型群桩基础,低承台群桩基础的群桩效应：,102,由于端承桩的持力层刚硬，桩端贯入变形小，桩身压缩引起的桩顶沉降也不大，

35、因而承台底面土反力（接触应力） 很小，桩与桩的相互作用、承台与土的相互作用，都可忽略不计。 因此，端承型群桩中基桩（桩群中的单桩）的工作性状与（独立）单桩相近，端承型群桩的承载力可近似取为各单桩承载力之和，群桩效应系数1 。 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，一般无需计算沉降。,103,2、摩檫型群桩基础 （1）承台底面脱地的情况（非复合桩基） 假定同单桩，群桩基础中各桩均受荷Q，荷载Q主要通过桩侧阻力传递到扩散角范围内的桩周土中。各桩在桩端平面土的附加压力分布面积的直径为D=d+2l.tana。,104,摩擦型桩的桩顶荷载通过侧阻扩散形成的桩

36、端平面压力分布（a）单桩；（b）群桩,105,当桩距S1。 影响群桩效应的因素： a.承台刚度 中心荷载作用下的刚性承台在迫使各桩同步均匀沉降的同时，也使各桩的桩顶荷载发生由承台中部向外围转移。刚性承台下的桩顶荷载分配一般是角桩最大、中心桩最小、边桩居中。随承台柔度的增加，桩顶荷载分配将逐渐与承台上荷载的分布一致。,106,b.基土性质 打入疏松的砂类土中的挤土群桩，其桩间土被挤密，使桩侧和桩端阻力增大；同类土中的非挤土桩群在受荷沉降过程中，桩间土增密、桩侧法向应力增大，桩侧摩阻力增大。由这两种原因引起的摩阻力增值以中间桩为大、边桩、角桩相对较小。 c.基桩间距 常用桩距S3d-4d;当SD,

37、一般大于6d，各项影响趋于消失，各桩的工作性状接近独立单桩。,107,（2）承台底面贴地的情况（复合桩基） 由摩擦型桩组成的群桩，在竖向荷载 作用下，其桩顶荷载的大部分通过桩侧阻 力传递到桩侧土层中，其余部分由桩端承 受。由于桩端的贯入变形和桩身弹性压缩 ，对于低承台群桩，承台底土也产生一定 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。,108,承台底面贴地的桩基，当其承受竖向荷载而沉降时，承台底一般会产生土反力，从而分担一部分荷载，使承台兼有浅基础的作用，称为复合桩基。桩基承载力随之提高。,桩端贯入量,桩基整体下沉,109,承台底分区图,刚性承台底面土反力呈马鞍

38、形分布。内区反力比外区小而且较均匀。 承台分担荷载以桩基整体下沉为前提，桩端应贯入持力层促使其整体下沉，分担作用随桩群相对于基土向下位移加大而增强。,110,承台土反力变化的一般规律如下：承 台底土的压缩性愈低、强度愈高，承台土反 力愈大；桩距愈大，承台土反力愈大；承 台外区土反力大于承台内区土反力；承台 土反力随着荷载水平提高，桩端贯入变形增 大，桩、土界面出现滑移而提高；桩愈短 ，桩长与承台宽度比愈小，桩侧阻力发挥值 愈低，承台土反力相应提高。,111,几个基本概念： 1.桩基础：由桩及承台共同构成的深基础。 2. 基桩：群桩基础中的单桩称为基桩。 3复合基桩：多数情况下，桩顶承台下地基土

39、也分担一部分荷载，将承台底地基土也承担荷载(即包含承台底土阻力)的基桩称为复合基桩。 4复合桩基:由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基统称为复合桩基。工程中绝大多数桩基础均属复合桩基(当不应考虑承台底土反力时及桩承台与地基土脱开时除外)。,112,基桩 复合基桩,113,目前工程上考虑群桩效应的方法有两种： 一种是基于概率极限设计法的群桩分项效应系数法； 另一种是把承台、桩和桩间土视为一假想的实体基础的实体基础法。,群桩效应的计算方法,114,按规范确定基桩竖向承载力设计值 考虑群桩效应计算群桩的极限承载力，将使计算结果的可靠性提高，使设计趋于更经济合理。建筑桩基技术规范采用概率极限状态设计法

40、，桩基中复合基桩的承载力设计值按下列公式计算：,当根据静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值时，按下式计算基桩竖向承载力设计值：,115,式中Qsk、Qpk、Quk单桩总极限侧阻力、总极限端阻力和单桩极限承载力标准值； Qck相应于每一复合基桩的承台极限土阻力平均标准值： 、 、 和 抗力分项系数, s、 p、sp和c群桩效应系数。,116,当承台底与土脱开时，不考虑承台效应， c0。 对端承桩、n3的非端承桩，不考虑群桩效应。 c0， sp=sp=1.0 整个桩基的承载力设计值就等于桩数乘以R值。,117,四、群桩基础沉降的计算,根据建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）的规定：

41、对地基基础设计等级为 甲级的建筑物桩基；体型复杂、荷载不均匀或桩端以下存在软弱土层的设计等级为乙级的建筑物桩基；摩擦型桩基；应进行沉降验算。 嵌岩桩、设计等级为丙级的建筑物桩基、对沉降无特殊要求的条形基础下不超过2排桩的桩基、吊车级别A5及以下的单层工业厂房桩基，可不进行沉降验算。,118,群桩基础沉降 桩范围内压缩 + 桩端以下土的沉降 群桩基础沉降的计算没有考虑前者,采用单向压缩分层总和法计算。桩端平面下土层应力可按实体深基础（桩距不大于6d）和明德林公式计算。 （1）实体深基础（桩距不大于6d） 计算时假定群桩基础为一假想的实体深基础，基础的底面与桩端齐平，按与浅基础相同方法（分层综合法

42、），计算桩尖平面以下由附加应力引起的压缩层范围内地基的变形量。并引入经验系数对结果修正。,119,qsia,l,b0,b0+2l tan/4,d,qsia,b0,按浅基础方法计算基底沉降时，关键要确定基底附加压力p0,即桩底平面处的附加压力。可分两种情况来求，考虑扩散作用和不考虑扩散作用。,120,五、关于桩的负摩阻问题,（一）负摩阻力的意义及其产生原因,在一般情况下，桩受轴向荷载作用后，桩相对于桩侧土体作向下位移，土对桩产生向上作用的摩阻力，称正摩阻力。但当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部成一部分面积上将出现向下作用的摩阻力，称其为负摩阻力。,桩的

43、正、负摩阻力,121,桩的负摩阻力产生的原因有： 1在桩附近地面大量堆载，引起地面沉降； 2土层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土层产生自重固结下沉； 3桩穿过欠压密土层（如填土）进入硬持力层，土层产生自重固结下沉； 4桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土中产生很大的超孔隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉； 5在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。,122,中性点,123,负摩阻力的危害： 在中性点处桩身轴力达到最大值 Q+F负，桩端总轴力为Q +（F负F正）。可见，桩侧负摩阻力的发生，使桩侧土的重力和地面荷载通过负摩阻力传递给桩。因此，桩的负摩阻力非但不能成

44、为桩承载力的一部分，反而相当于是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。,124,中性点深度多按经验估计，即：,（三）负摩力的计算,对于软粘土层的负摩阻强度计算，可按太沙基所建议的方法计算，即：,砂类土也可按下式估算负摩阻力标准值 ：,桩侧总的负摩阻力(下拉荷载)Qn为：,125,(四) 消减与避免负摩阻力的技术措施,主要有降低摩擦法、隔离法、预处理等方法。 （1）桩侧涂层法： 在可能产生负摩阻力范围的桩段，采用在桩侧涂沥青或其他化合物的办法来降低土与桩身的摩擦，从而消减负摩阻力的方法称为涂层法。 （2）预钻孔法： 在桩位采用预钻孔，然后将桩插入，在桩周围灌入膨润土混合浆，达

45、到消减负摩阻力的方法，该方法一般适用于黏性土地层。 （3）双重套管法： 即在桩外侧设置套管，用套管承受负摩阻力的方法。,126,（4）设置消减负摩阻桩群法： 即在群桩周围设置一排桩，用以承受负摩阻力，从而达到消减负摩阻力的方法。 （5）地基处理法： 对于松散填土、欠固结土层，如采用预固结法、强夯法等使土层密实、充分固结；对于湿陷性黄土采用浸水、强夯等方法消除湿陷，从而达到消减与避免负摩阻力产生的方法。 （6）其他方法： 在饱和软土地区，可选择非挤土桩或部分挤土桩，对挤土型桩，可适当增加桩距，选择合理的打桩流程，控制沉桩速率及打桩根数，打桩后休止一段时间后再施工基础及上部结构；对于周边有大面积抽

46、吸地下水或降水情况时，在桩群周围采取回灌等方法来达到消减或避免负摩阻力的产生。,127,第六节 桩的水平承载力的确定,桩的水平承载力，是指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。桩在水平力（包括弯矩）作用下的工作情况较轴向受力时要复杂些，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的水平承载力。,（一）在水平荷载作用下，桩的破坏机理和特点,桩在横向力作用下变形示意图 a)刚性桩；b)弹性桩（饶曲变形）,128,弹性桩：当桩的入土深度 时，桩的相对刚度小， 必须考虑桩的实际刚度，按弹性桩来计算。其中 称为桩 土变形系数， （详见后述）。一般情况下，桥梁桩基 础的

47、桩多属弹性桩。 刚性桩：当桩的入土 深度时，则桩的相对刚度较 大，可按刚性桩计算（沉井基础就可看作刚性桩构件），其内力位移计算方法详见第五章。,129,横向荷载作用下桩身内力与位移的计算方法国内外已有不少，我国普遍采用的是将桩作为弹性地基上的梁，按文克尔假定（梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比）进行求解，简称弹性地基梁法。根据求解的方法不同，通常有半解析法（幂级救解、积分方程解、微分算子解等）、有限差分法和有限元解等。以文克尔假定为基础的弹性地基梁解法从土力学的观点认为不够严密。但其基本概念明确，方法较简单，所得结果一般较安全，故国内外使用较为普遍。我国铁路、水利、公路及房屋建筑等领域在桩的

48、设计中常用的“m”法以及“K”法、“常数”法（或称张有龄法）、“C”法等均属于此种方法。,130,桩基础在荷载（包括轴向荷载、横轴向荷载和力矩）作用下产生位移（包括竖向位移、水平位移和转角），桩的竖向位移引起桩侧土的摩阻力和桩底土的抵抗力。桩身的水平位移及转角使桩挤压桩侧土体，桩侧土必然对桩产生一横向土抗力zx，它起抵抗外力和稳定桩基础的作用，土的这种作用力称为土的弹性抗力。zx即指深度为Z处的横向（X轴向）土抗力，其大小取决于土体性质、桩身刚度、桩的入土深度、桩的截面形状、桩距及荷载等因素。,1土的弹性抗力,131,假定土的横向土抗力符合文克尔假定，即,式中： zx横向土抗力（kN/m2）；

49、 C地基系数（kN/m3） xz深度Z处桩的横向位移（m）。,132,地基系数变化规律,133,相应的基桩内力和位移计算方法为： 1）“m”法： 假定地基系数C随深度呈线性增长，即C=mZ，如上图a）所示。m称为地基系数随深度变化的比例系数（kN/m4）。 2）“K”法： 假定地基系数C随深度呈折线变化即在桩身第一挠曲变形零点（上图b）所示深度t处）以上地基系数C随深度呈凹形抛物线增加；该点以下，地基系数C=K（kN/m3）为常数。 3）“c”法： 假定地基系数C随深度呈抛物线增加，即=cZ0.5，当无量纲入土深度达4后为常数，如上图c）所示。c为地基系数的比例系数（kN/m3.5）。 4）“

50、常数”法，又称“张有龄法”： 假定地基系数C沿深度为均匀分布，不随深度而变化，即C=K0（kN/m3）为常数，如上图d）所示。,134,桩身受力图示,135,（三）桩身最大弯矩位置ZMmax和最大弯矩Mmax的确定,目的：用于检验桩的截面强度和配筋计算（关于配筋的具体计算方法，见结构设计原理教材内容）。,一般方法：要找出弯矩最大的截面所在的位置及相应的最大弯矩Mmax值。一般可将各深度Z处的Mz值求出后绘制ZMz图，即可从图中求得。,数解法 ：,在最大弯矩截面处，其剪力Q等于零，因此Qz=0处的截面即为最大弯矩所在的位置 。,在ZMmax深度以下,桩身的内力M,V实际上可忽略不计,只需按构造配

51、筋或不配筋.,136,桩身最大弯矩及其位置 首先计算如下系数 （4-39） 由系数CI从表4-16查得相应于最大弯矩的换算深度 ，（ = z ），于是求得最大弯矩的深度： （4-40） 由系数从表4-7查得相应的系数CII，桩身最大弯矩按下式计算： （4-41） 表4-7适合于l 4.0即桩长l 4.0/ 的长桩。,137,有弯矩作用时，可先求出桩身最大弯矩及其相应位置，再根据混凝土结构设计规范要求，按偏心受压确定出桩身截面所需的主筋面积，但应满足最小配筋率的要求。,138,（二）单桩的水平向承载力的确定方法,1、单桩水平静载试验,桩水平静载试验装置示意,由千斤顶同时对二根桩施加水平荷载，由百

52、分表测得桩顶的水平位移，作水平荷载-位移曲线，确定水平极限荷载。,139,(1）按桩的数量分类 1）单桩基础 2）群桩基础 (2）按承台位置分类 1）高承台桩基 2）低承台桩基 (3）按承台形式分类 1）板式承台（矩形、三角形） 2）条形承台（十字交叉、环形） 3）沉井、箱形、筏板 平面布置可采用对称式、梅花式、行列式和环状排列，也可使用不等距排列，宜用外密内疏方式。桩间距一般为3-4倍桩径，应满足最小中心距的规定。,第7节 桩的平面布置原则,140,桩的平面布置示例 横墙下“探头”桩的布置 (a) 柱下桩基；(b) 墙下桩基,141,桥梁工程中的桩基础,142,建筑工程中的桩基础,143,第

53、8节 桩承台的设计,桩基承台可分为柱下独立承台、柱下或墙下条形承台（梁式承台），以及筏板承台和箱形承台等。 承台的作用是将桩联结成一个整体，并把建筑物的荷载传到桩上，因而承台应有足够的强度和刚度。承台设计包括确定承台的材料、形状、高度、底面标高、平面尺寸，以及局部受压、受冲切、受剪及受弯承载力计算，并应符合构造要求。,144,承台的平面尺寸一般由上部结构、桩数及布桩形式决定。通常，墙下桩基做成条形承台，即梁式承台；柱下桩基宜采用板式承台（矩形或三角形）如图所示。其剖面形状可作成锥形、台阶形或平板形。 条形承台和柱下独立承台的厚度不应小于300mm，宽度不应小于500mm，承台边缘至边桩中心距离

54、不宜小于桩的直径或边长，且边缘挑出部分不应小于150mm，对于条形承台梁边缘挑出部分不应小于75mm。,一、构造要求,145,混凝土强度等级不宜小于 C20。承台的配筋按计算确定，对于矩形承台板配筋宜按双向均匀配置，钢筋直径不宜小于10，间距应满足100200mm；对于三桩承台，应按三向板带均匀配置，最里面的三根钢筋相交围成的三角形应位于柱截面范围以内。承台梁的纵向主筋不应小于12。,146,柱下独立桩基承台配筋示意 (a) 矩形承台；(b) 三桩承台,147,为了保证群桩与承台之间联结的整体性，桩顶应嵌入承台一定长度，对大直径桩不宜小于100mm；对中等直径桩不宜小于50mm。混凝土桩的桩顶

55、主筋应伸入承台内，其锚固长度不宜小于30倍主筋直径，对于抗拔桩基不应小于40倍主筋直径。,148,桩和承台的连接,149,桩和承台的连接,150,二、柱下桩基独立承台 1.受弯计算 （1）柱下多桩矩形承台 配筋不足,柱下独立承台将产生弯曲破坏，其破坏特征呈梁式破坏。例如，四桩承台破坏时屈服线如下图所示，最大弯矩产生于屈服线处。,151,152,计算截面应取在柱边和承台高度变化处（杯口外侧或台阶边缘），根据极限平衡原理，承台正截面弯矩计算如下：,分别为垂直于y、x轴方向计算截面 处的弯矩设计值； 垂直y轴和x轴方向自桩轴线到相应 计算截面的距离； 扣除承台和其上填土自重后第i桩竖向 力设计值。,

56、153,矩形承台 三桩三角形承台,154, 柱下三桩三角形承台 计算截面应取在柱边,弯矩按下式计算： Mx Nx x My Ny y 当计算截面不与主筋方向正交时（例如三角形承台），须对主筋方向角进行换算。 柱下或墙下条形承台梁 弯矩一般可按弹性地基梁进行分析，地基的计算模型应根据地基土层的特性选取。通常可采用文克尔假定，将基桩视为弹簧支承，其刚度系数可由静载荷试验的Qs曲线确定，具体可参见有关文献。当桩端持力层较硬且桩柱轴线不重合时，可视桩为不动支座，按连续梁计算。 墙下条形承台梁可按倒置的弹性地基梁计算弯矩和剪力。,（4-71）,155,承台厚度及强度计算 承台厚度可按冲切及剪切条件确定。

57、一般可先经验估计承台厚度，然后再校核冲切和剪切强度，并进行调整。承台配筋通常按抗弯条件确定。 2.受冲切计算 如承台有效高度不足，将产生冲切破坏。其破坏方式可分为沿柱（墙）边的冲切和角桩对承台的冲切两类。柱边冲切破坏锥体斜面与承台底面的夹角大于等于45度，该斜面的上周边位于柱与承台交接处或承台变阶处，下周边位于相应的桩顶内边缘处。,156,157,F柱根部轴力设计值； 冲切破坏锥体范围内各桩的净反力 设计值之和。,（1）柱对承台冲切的承载力,158,（2）角桩对承台的冲切,159,3.受剪切计算 桩基承台的剪切破坏面为一通过柱（墙）边与桩边连线所形成的斜截面。当柱（墙）外有多排桩形成多个剪切斜

58、截面时，对每一个斜截面都应进行受剪承载力计算。,V扣除承台及土重后斜截面的最大剪力设计值,160,161,4.局部受压计算 对于柱下桩基承台，当混凝土强度等级低于柱的强度等级时，应按现行混凝土结构设计规范(GB50010-2002)验算承台的局部受压承载力。当需要进行承台的抗震验算时，尚应根据现行建筑抗震设计规范的规定对承台的受弯、受剪切承载力进行抗震调整。 5. 受弯计算 承台的受弯计算，可根据承台类型分别按上述方法求得承台内力，然后按现行混凝土结构设计规范验算其正截面受弯承载力，计算方法同于一般梁板，故此不赘述。,162,第9节 桩基础设计,和浅基础一样，桩基的设计也应符合安全、合理和经济的要求。对桩和承台来说，应有足够的强度、刚度和耐久性；对地基来说，要有足够的承载力和不产生过量的变形。桩基相应于地基破坏的极