桩基础(很基础、很经典)

1、内容提要,桩基础及其分类 桩基础的施工 单桩竖向抗压承载力计算 水平荷载下基桩的内力及位移计算 群桩基础受力分析 桩基础设计,组成：基桩和连接于桩顶的承台。 作用：将上部结构荷载通过承台传 递给基桩，再由基桩传递到 地基土体（持力层） 。 特点：历史悠久、承载力高、稳定 性好、沉降量小而均匀、便 于机械化施工、适应性强。,低承台桩基示意图,4-1 桩基础概述,4-1-1 基本概念,单桩基础,群桩基础,承台,基桩,上部结构荷载,4-1-1 基本概念,地基土质差或软硬不均，不能满足上部结构对变形的要求。 地基软弱或土性特殊，自重湿陷性黄土、膨胀土等。 荷载大，且伴有较大偏心、水平、动力或周期性荷载

2、作用。 水中基础施工困难，如桥梁、码头、钻采平台等。 需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。,4-1-1 桩基础应用,按承载性状：摩擦型桩、端承型桩 按施工方法：预制桩、灌注桩 按设置效应：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩 按桩径大小：小桩(250mm)、中等直径桩(250 800mm)、大直径桩(800mm) 按使用功能：受压桩、抗拔桩、横向受荷桩、锚桩 按截面形状：圆桩、方桩、多边形桩、异形桩、DX桩等,4-1-2 桩基的分类,基桩分类,按承载性状分类（荷载传递方式）,分类依据：根据桩侧与桩端阻力的发挥程度 和分担荷载比例的不同。,4-1-2 桩基的分类,按承台位置： 高承台桩基承台底面位于

3、地面以上，且常处于水下，水平受力性能差，但施工方便。可避免水下施工及节省基础材料，多用于桥梁及港口工程。 低承台桩基承台底面位于地面以下，其受力能好，具有较强的抵抗水平荷载的能力，施工不方便。,桩 基,4-1-2 桩基的分类,按桩的设置效应分类,非挤土桩 成桩过程中对桩相邻土基本不产生挤土效应的桩,如钻（冲或挖）孔灌注桩及先钻孔后再打入的预制桩； 部分挤土桩 对桩周土体稍有排挤，但土的强度和变形性质变化不大。包括冲击成孔灌注桩、预钻孔打入式预制桩等。 挤土桩 设置过程中使土的结构严重扰动破坏，对土的强度和变形性质影响较大。实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等。,4-1-2 桩基的

4、分类,预制桩在工厂或施工现场制成的各种形式的 桩，如锤击桩、振动桩、静压桩等。 灌注桩在施工现场的桩位上用机械或人工成 孔，然后在孔内灌注混凝土而成。如 挖孔、钻孔、冲孔及爆扩成孔灌注桩等。,按施工方法分类,4-1-2 桩基的分类,混凝土预制桩 要求：截面边长300500mm，分节长度12m。预应力 管桩外径300600mm，每节长513m； 优点：承载力高，耐久性好，质量较易保证。 缺点：自重大，打桩难，桩长难统一，工艺复杂。 钢桩 要求：直径2501200mm，批量生产。 优点：穿透性强，承载能力高，应用方便。 缺点：成本高，易锈蚀。 木桩 要求：桩径160 260mm，桩长4 6m。 优

5、点：制作运输方便，打桩设备简单。 缺点：承载力低，仅在一些加固工程与临时工程中采用。,预制桩的分类及特点,4-1-2 桩基的分类,4-1-2 桩基的分类,预制管桩,挖土机挖承台坑,打入第一节桩体,电焊接桩,打入末节桩体,锤击预制桩,分类 沉管灌注桩、钻孔灌注桩、挖孔桩。 原理 直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼灌 注混凝土而成。 特点 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。 施工关键 桩身的成型和混凝土质量,灌注桩的分类及特点,4-1-2 桩基的分类,沉管灌注桩,灌注桩的施工,钻（冲）孔灌注桩,原理 用钻机(如螺旋钻、振动钻、冲抓锥钻等)钻土

6、成孔(需泥浆护壁)，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土。 施工方法 有正循环、反循环施工法。 优缺点 优点：入土深，能进入岩层，刚度大，承载力高，桩身变形小，并可方便地进行水下施工。 缺点：要求有专门的设备（钻机），清孔较难彻底。,灌注桩的施工,钻孔灌注桩护筒埋设,护筒作用 固定桩位，并作钻孔导向； 保护孔口，防止孔内土层坍塌 隔水，稳固孔壁。,灌注桩的施工,泥浆制备与运输,要求：膨胀土或高塑性粘土现场加水搅拌，比重1.11.15， 粘度1025s，含砂率小于6，胶体率大于95。 作用：护壁、携渣、防渗、润滑钻头等。,灌注桩的施工,钻进机械,图 4.6 冲击钻机示意图 1滑轮；2主杆；3

7、拉索；4斜撑；5卷扬机；6垫木；7钻头,旋转钻进 冲击钻进 冲抓钻进,灌注桩的施工,基本要求：内径800mm，开挖直径1000mm，护壁厚100mm分节支护，每节高5001000mm桩长小于40m。 优点：符合国情，经济，设备简单，噪音小，场区内各桩可同时施工，可直接观察地层情况，孔底易清除干净，且桩径大、适应性强。 缺点：可能遇到流砂、塌孔、缺氧、有害气体、触电和地面掉重物等危险而造成伤亡事故。,原理：采用人工或机械挖掘成孔，逐段边开挖边支护，达所需深度后再进行扩孔，利用钻（冲）孔机具钻土成孔，然后清除孔底残渣，安装钢筋笼，浇灌混凝土。,人工挖孔桩,人工挖孔桩,4-1-3 桩基的质量检测,可

8、能存在的质量问题 预制桩：桩位偏差、桩身裂缝过大、断桩等 灌注桩：缩颈、夹泥、断桩、沉渣过厚等。 常用质量检测方法 开挖检查：只限于对所暴露的桩身进行观察检查。 抽芯检查：在灌注桩桩身内钻孔，取混凝土芯样进行观察，看它的连续性。 反射波法：测砼的连续性，是否存在孔洞、断桩等。 动测法：高应变测桩承载力，低应变只能测砼质量。,4-1-4 桩基设计原则,GB50007-2002：基于正常使用极限状态的概率设计原则 ：考虑桩基的两种极限状态，即承载能力、正常使用。并根据桩基损坏所造成的后果的严重性分为3个等级。,桩基的竖向承载力（抗压和抗拔）、水平承载力计算 桩端平面以下的软弱下卧层验算 桩基抗震承

9、载力计算 承载及桩身结构计算（包括预制桩吊运和锤击过程中的强度验算、桩身屈曲稳定计算）,所有桩基均应进行承载能力极限状态计算,桩基尚应进行变形验算,桩端持力层为软弱土的一、二级建筑物（竖向沉降） 桩端持力层为粘性土、粉土或存在软弱下卧层的一级建筑桩基（竖向沉降） 承受较大水平荷载或对水平变位要求严格的一级建筑桩基（水平变位）,4-1-4 桩基设计原则,Q = Qs + Qp,式中，Qs =Asqs =Lpupqs Qp =Apqp,作用在桩顶的竖向压力：,桩侧总摩阻力,桩端总端阻力,讨论：Qs + Qp发挥作用的先后？大小？,4-2 竖向荷载下单桩的工作性能,4-2-1 桩的荷载传递过程,侧阻

10、先于端阻发挥，发挥程度与桩土相对位移相关； 侧阻充分发挥桩土相对位移值： 粘性土：46mm； 砂土： 610mm； 端阻充分发挥桩底极限位移值： 砂类土: (0.080.1) d； 粘性土： 0.25d，硬粘土 0.1d。 桩侧阻与桩端阻存在深度效应。,图4.11 桩身荷载传递 (a) 摩擦桩；(b)端承桩,4-2-2 桩的荷载传递规律,桩侧摩阻力影响因素,土的性质：如抗剪强度(c, j) 决定摩阻力的可能最大值 桩土相对位移 决定摩阻力的发挥程度 时间因素：土的固结随t增加向下部转移 决定摩阻力发挥的时间 桩的刚度：影响桩周应力的分布。 土中的应力状态：主要指侧向压力 施工方法：a)挤土桩；

11、b)非挤土桩。,4-2-2 桩的荷载传递规律,图4.12 压曲破坏,图4.13 整体剪切破坏,图4.14 刺入破坏,压曲破坏：沉降量很小，桩端阻为主，桩材控制承载力，穿 越软弱土层的小直径桩和嵌岩桩属于此类； 整体剪切：沉降量较大，桩端阻为主，桩端桩侧土控制承载 力，打入式短桩、钻孔短 桩属于此类； 刺入破坏：沉降量大，桩侧阻为主，桩顶容许沉降控制承载 力，一般情况下的钻孔灌注桩属于此类。,4-2-3 单桩的破坏模式,定义：桩周土相对于桩身下沉时产生的摩阻力。,4-2-4 桩侧负摩阻力,图4.15 桩侧摩阻力示意图,桩侧大范围降低地下水，如大面积抽水，基坑降水等 桩侧地面大面积堆载； 桩身穿越

12、较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层； 冻土区升温引起桩侧土沉陷。,产生负摩阻力的条件,图4.6 住宅楼建于有新填土的斜坡上,4-2-4 桩侧负摩阻力,中性点,定义：桩土相对位移为零处桩侧摩阻力为零处。 在某深度处桩周土与桩截面沉降相等； 或两者无相对位移发生； 或其摩阻力为零。 特点：在中性点处桩身轴力达到最大值。,4.3.3 桩侧负摩阻力,4-3 单桩竖向抗压承载力确定,单桩承载力决定条件,在荷载作用下，桩在地基土中不丧失稳定性,在荷载作用下，桩顶不产生过大的位移,地基承载力是主控因素,在荷载作用下，桩身材料不发生破坏,端承桩控制因素,按桩材强度确定 按静载试验确定 按

13、土的抗剪强度指标确定 按静力触探法确定 按经验公式确定 按动力试桩法确定,4-3 单桩竖向抗压承载力确定,4-3-1 按桩材强度确定,4-3 单桩竖向抗压承载力确定,按混凝土结构设计规范,各参数意义见式（4-11）P109,4-3-2 由竖向抗压静载试验确定,特点：是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法。 基本原则 桩数：不宜小于总数1，不少于3根； 时间：对于预制桩，桩设置后开始载荷试验所需的间歇时间：对于砂类土不得少于10天；粉土和粘性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。,4-3 单桩竖向抗压承载力确定,试验装置及方法,试验装置：加荷系统：包括加力装置和反力装置、位移观测系统 测试方

14、法：分级（开始阶段1/51/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/101/15）慢速维持荷载法。,图4.18 静载实验装置,4-3-2 由竖向抗压静载试验确定,直接堆载,锚桩反力梁法,锚桩d=1.8m,横梁：1.7m2.7m,反力装置,4-3-2 由竖向抗压静载试验确定,每级荷载大小 分级（初始阶段：每级荷载为1/51/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/101/15）。 测读沉降时间 在每级荷载施加后第一个小时内，按5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。 稳定标准 每级荷载下桩顶沉降量小于0.1mm/h，并连续出现两次。,慢速维持荷载法,4-3-2 由竖向

15、抗压静载试验确定,某级荷载下，桩顶沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍； 某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定； 已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重量时。,终止条件,每级卸载为加载时的两倍。 卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60min测读桩顶沉降量；卸载至零后测读桩顶残余沉降量，维持3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。,卸载观测,4-3-2 由竖向抗压静载试验确定,试验成果处理极限荷载确定,按沉降随荷载的变化特征确定 对陡降型Q-s曲线，取曲线发生明显 陡降的起始点所对应的荷载为Qu 由沉降量确定Qu 对缓变型Q-

16、s曲线，可取s=4060mm 对应的荷载值为Qu。大直径桩可取 s=0.030.06d对应的荷载值(大桩取 低值，小桩取高值)，细长桩(l/d 80) 可取s=6080mm对应的荷载。 沉降速率法s-lgt法 取破坏荷载的前一级荷载,图4.19 单桩Q-s曲线,4-3-2 由竖向抗压静载试验确定,一般预制桩与 中小直径灌注桩,大直径桩,800mm 为界,4-3-5 按经验公式确定单桩承载力,式中参数取值见表4-6、4-7 （ P114-116）,4-3-8 单桩竖向承载力特征值,(1) 单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定， 试桩数1%总数，且3根；,(2) 地基基础设计为丙级的建

17、筑物，单桩承载力特征值可由静力触探和标准贯入试验参数确定；,(3) 初步设计时，可按公式估算。,地基规范单桩承载力特征值Ra 相关规定：,桩基规范：,作用机理：水平荷载(力和弯矩）作用下，桩身产生横向位移或挠曲变形，并挤压桩侧土体，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力，桩土共同作用,破坏模式 刚性桩(ah2.5)：桩身刚体转动破坏，承载力主要由桩的水平位移和倾斜控制 柔性桩(ah2.5)：桩身发生扰曲变形，破坏时桩身某点弯矩超过截面抵抗矩或土体屈服失稳，承载力由桩身水平位移及最大弯矩值控制,4-4 单桩水平承载力,b1 桩身计算宽度（简化为平面受力）,a为桩的水平变形系数，量纲为L-1 h为桩

18、的入土深度，,m 地基土横向抗力系数的比例系数(MN/m4)，受桩材和刚度、土类及其性质、荷载作用方式、荷载水平、桩身水平位移等因素影响，对多层地基可取当量m值计算，取层厚2(d+1)m；如无试验资料，m值可参照规范表格,4-4 单桩水平承载力,多采用线弹性地基反力法。假设x与桩的水平位移x成正比。关键在于确定土体抗力系数沿深度的分布，分为： (a)常数法；(b)k法；(c)m法；(d) c法,4-4 单桩水平承载力,微分方程的建立,取一基桩微元体，由平衡条件可得挠曲微分方程 ： 采用幂级数求解：,图4.24 微元体受力示意图,相关系数可查表确定。,4-4 单桩水平承载力,单桩水平静载荷试验,

19、试验装置： 加荷系统：千斤顶、试桩 位移观测：百分表,图4.20 单桩水平静载荷试验,4-4 单桩水平承载力,每级荷载大小 约为预估水平极限承载力的（1/10-1/15）。 读数方法 每级加荷后恒载4min测读桩顶水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，如此循环5次，再施加下一级荷载。 终止加载条件 桩身折断 桩顶水平位移超过3040mm 桩侧地表出现明显裂缝或隆起。,试验方法,单桩水平静载荷试验,水平极限承载力的确定,两特征点对应的荷载称为临界荷载Hcr和极限荷载Hu,图4.21 单桩H0 x0/H0曲线,图4.22 单桩H0g曲线,4-5 群桩基础,群桩效应,4-5-1 群桩的

20、工作特点,端承型群桩桩的荷载传递 桩底持力层刚硬，桩的贯入量小。 群桩承载力=各单桩承载力之和； 不必考虑群桩效应。,4-5-1 群桩的工作特点,承台下土的无分担作用,桩底压应力不叠加,摩擦型群桩的荷载传递,4-5-1 群桩的工作特点,(a)单桩受力,(b)群桩受力,当桩距较小时，桩间摩擦力叠加，承载作用相互削减； 桩端应力叠加，地基受力大； 结论：群桩承载力小于单桩承载力之和。,群桩对桩间土的影响,桩底压应力的叠加效应,群桩效应系数：,桩间距小，s6d,复合桩基: 由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基。 条 件: 桩及桩间土整体下沉，保证承台底不脱空。 特 性: 承台底分担荷载的作用随桩群相

21、对于地基 土向下位移幅度的加大而增强，桩身弹性压缩产生桩土相对位移也使承台底反力增加。通常，台底分担荷载的比例可从百分之十几直至百分之三十。,4-5-2 承台下土对荷载的分担作用,4-5-3 复合基桩的竖向承载力特征值,桩基规范(JGJ94-2008),4-5-3 复合基桩的竖向承载力特征值,对于需要考虑承台效应的基桩承载力特值R,例4-1,4-5-4 桩顶作用效应简化计算,桩顶荷载,桩顶荷载的计算简图,Hik=Hk/n,轴心竖向力作用下,偏心竖向力作用下,水平力,地震作用效应,4-5-5 基桩竖向承载力验算,桩顶荷载的计算简图,（1）荷载标准组合,轴心荷载： Nk R 偏心荷载： Nkmax

22、1.2 R 水平荷载：Hik RH,（2）地震作用效应和荷载标准组合,轴心荷载： NEk 1.25R 偏心荷载： NEkmax1.5 R,桩基规范,Sa 6d 群桩基础，,4-5-6 桩基软弱下卧层承载力验算,桩基规范,4-5-10 桩基沉降验算,(1) 需要计算桩基沉降的建筑物范围,桩基规范,4-5-10 桩基沉降验算,(2) 桩基沉降计算方法,要求 和浅基础一样，桩基设计也应符合安全、合理和经济的要求。,4-6 桩基础设计,基本原则,对桩和承台有足够的强度、刚度和耐久性； 对地基（主要是桩端持力层）有足够的承载力 和不产生过量的变形。,竖向承载力验算 软弱下卧层承载力验算 竖向抗拔承载力及

23、负摩阻力验算 水平承载力验算 沉降验算,桩基础验算内容,4-6 桩基础设计,设计步骤,收集有关资料； 确定桩基持力层； 选择桩材，确定桩型、外形尺寸和构造； 定单桩承载力设计值； 初拟桩的数量和平面布置； 初拟承台的轮廓尺寸及承台底标高； 验算作用于单桩上的竖向和横向荷载； 验算承台尺寸及结构强度； 必要时验算桩基整体承载力和沉降量，若桩端下有软弱下 卧层，验算软弱下卧层地基承载力； 单桩设计，绘制桩和承台的结构及施工详图。,4-6 桩基础设计,4-6-1 收集设计资料,包括建筑类型（上部结构型式、平面、使用上要求）、荷载及其性质、工程地质勘察资料、材料来源及施工技术设备、建筑场地条件（如交通

24、、周边建筑物、管线设施）等情况，并尽量了解当地使用桩基的经验。 详细勘察除满足现行勘察规范有关要求外，勘探间距和勘探深度还有要求。,4-6-2 桩型、桩长和截面尺寸选择,桩型的选择,混凝土灌注桩：圆形,沉管灌注桩直径：300500mm； 钻孔灌注桩直径：5001200mm； 扩底钻孔灌注桩：扩底直径12d.,混凝土预制桩：方形、圆形、三角形等 断面尺寸：550mm,桩身截面,环境，结构荷载；工程地质；施工；经济。,4-6-2 桩型、桩长和截面尺寸选择,桩长的选择,选择较硬土层作为桩端持力层 桩端全断面进入持力层的深度 有软弱下卧层时桩基下持力层厚度：3d 同一建筑物应该尽量采用相同桩径的桩基

25、考虑桩的材料及施工工艺、经济条件。,采用预制钢筋混凝土方桩，断面350mm350mm。,以粉质粘土作为持力层，桩沉入持力层深度，,30.35m=1.05m,伸入承台5cm，考虑桩尖长度0.6m，则桩全长,l=8.3+1.05+0.05+0.6=10m,桩长的选择,4-6-3 桩数及桩位布置,桩数 初估桩数时，先不考虑群桩效应，根据单桩竖向承载力设计值R定桩数n 。 轴心受压时，可按下式估算： F作用在承台上的竖向压力设计 值； G承台及其上方填土的重力。 偏心受压时，分为两种情况： 若群桩重心与荷载合力点重合，桩数仍可按上式确定。 若不能满足，则应增加(10-20)桩数。,桩中心距 一般桩的最

26、小中心距为（34）d，具体应符合规范规定对大面积桩群，尤其是挤土桩，桩最小中心距应按表列数值适当加大。 桩位布置 原则：应尽可能使上部荷载的中心与桩群的横截面形心重合或接近形式可多种多样。,4-6-3 桩数及桩位布置,4-6-3 桩数及桩位布置,桩的最小中心距：3d（一般34d),边桩距承台边缘：d,桩位布置,4-6-4 桩身截面强度计算,预制桩要求,4-6-4 桩身截面强度计算,预制桩要求 混凝土强度等级宜C30 主筋(纵向)按计算选用48根1425mm的钢筋。最小配筋率min宜0.8 箍筋可取68200mm，桩顶桩端应加密 打入法沉桩时，桩顶应设置三层64070的钢筋网，层距50。桩尖所有主筋应焊接在一根圆钢上，或在桩尖处用钢板加强 主筋的混凝土保护层应30mm，桩上需埋设吊环，位置由计算确定。,4-6-4 桩身截面强度计算,预制桩要求,课程设计指南P62,混凝土强度等级应C20。 当桩顶轴向力和水平力满足规范条件时，可按构造要求配置桩顶与承台的连接钢筋笼。 对一级建筑桩基，主筋为6-10根12-14，min0.2，锚入承台30dg（主筋直径），伸入桩身长度10d； 对二级建筑桩基，可配置4-8根10-12的主筋，锚入承台30dg，且伸入桩身长度5d，对于沉管灌注桩，配筋