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桩基础,Pile foundation,本章主要内容,概述桩的功能及类型 桩的承载机理？ 单桩承载力capacity of single pile 群桩承载力capacity of pile group 桩基础设计,软 土 层,沉井caisson,深基础,地下连续墙 diaphragm,第一节 概 述,一、桩的应用 1.历史 十九世纪以前，木桩 7000-8000年前湖上居民,浙江河姆渡 西安灞桥,北京御河桥,隋唐建塔 十九世纪开始，材料和动力进步 铸铁管桩，1824年波特兰水泥注册专利，蒸汽动力 十九世纪末，现场钻孔桩(1897, Raymond),排 桩,带撑木桩,灞河上建桥始于春秋时期，秦穆公称霸西戎，将滋水改为灞水，并于河上建桥，故称“灞桥”，是我国最古老的石柱墩桥。,1400年前的隋代灞桥遗址,被洪水冲走的隋代灞桥上的桥桩,隋代灞桥桥墩上的龙头,隋代灞桥石料上刻有“耀州”二字证实修桥石料来源于西安以北约100公里的古耀州,新加坡发展银行,四墩, 每墩直径7.3m 将荷载传递到下部好土层,承载力高,大直径钻孔桩,风化砂岩及粉砂岩,部分风化及不风化泥岩,新加坡发展银行,四墩7.3m,现场灌注 护坡桩 造价低,现场灌注 护坡桩 造价低,2.特点,优点 将荷载传递到下部好土层,承载力高 沉降量小 抗震性能好,穿过液化层 承受抗拔(抗滑桩)及横向力(如风载荷) 与其他深基础比较,施工造价低,缺点 施工环境影响, 预制桩施工噪音, 钻孔灌注桩的泥浆 有地下室时,有一定干扰,深基坑中做桩,3. 适用条件,(1)水上建筑物 (2)深持力层,高地下水位 (3)抗震地基 (4)对沉降非常敏感的建筑,如精密仪器 详见教材117页,承台:将几个桩结合起来传递荷载 1.低承台桩基 承台在地面以下, 承台本身可承担部分荷载 2.高承台桩基 承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥,二、桩基础的类型（按承台位置分类）,青岛前海栈桥,年登州镇总兵章高元奉调率兵移驻青岛后，先在青岛村（今人民会堂处）修建总兵衙门，然后在前海处搭起一座长米左右、铁木结构的简易码头，当时只供军用，故名栈桥。,低承台桩基,高承台桩基,三、桩基设计原则,1、桩基的极限状态： 桩基承载能力极限状态：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； 桩基正常使用极限状态：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。,建筑桩基技术规范（JGJ94-94）,2、建筑桩基安全等级： 根据建筑物因桩基损坏所造成的后果严重性将建筑桩基分为三个安全等级。,3、桩基计算（验算）内容： （1）所有桩基均应进行承载能力极限状态计算 1）桩基的竖向承载力计算、群桩承载力计算； 2）桩端平面以下软弱下卧层承载力验算； 3）桩基抗震承载力验算； 4）承台计算和桩身结构计算；,（2）以下桩基尚应进行变形验算： 1）桩端持力层为软弱土的一、二级建筑物及桩端持力层为粘性土等的或存在软弱下卧层的一级建筑桩基的沉降验算。 2）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的水平变位验算。 （3）对不允许出现裂缝或限制裂缝宽度的混凝土桩身和承台应进行抗裂或裂缝宽度验算。,4、桩基规范对荷载效应的规定 桩基承载能力极限状态：采用作用效应的基本组合和地震作用效应的组合。,桩基正常使用极限状态： 沉降验算：采用荷载的长期效应组合（准永久组合）。 水平变位、抗裂和裂缝宽度：应根据使用要求和裂缝控制等级分别采用作用效应的短期效应组合（标准组合）或短期效应组合（标准组合）考虑长期荷载（准永久组合）的影响。,对于特殊地基土（如：软土、湿陷性黄土等），遵循相应的设计原则。,建筑地基基础设计规范 GB50007-2002 关于荷载取值的规定 （1）按地基承载力确定基础底面面积或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下的标准组合。相应的抗力应取地基承载力特征值或单桩承载力特征值。,（2）计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应按正常使用极限状态的下荷载效应的准永久组合，不计入风荷载和地震作用。相应的限值为地基变形允许值。 （3）计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡时，荷载效应应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1.0。,（4）在设计基础、承台、支挡结构强度时，应荷载效应应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数均。 验算基础的裂缝宽度时，应按正常使用极限状态下的标准组合。 （5）由永久荷载效应控制的基本组合值可取基本组合值的1.35倍。 （6）基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按有关规范的规定采用，但结构重要性系数0不应小于1.0。,桩基础的设计步骤,四、,4.2 桩的类型,承载性状 施工方法 成型方式效应 材料 形状 按尺寸,按不同的分类标准，叫法不同。,4.2.1 桩 的 分 类,一、 按承载性状分类,Q = Qp+Qs Tip resistance, Skin friction 端承型桩 主要由桩端承受极限荷载,桩不长,桩端土坚硬 摩擦型桩 主要由桩侧壁与土的摩擦力承受极限荷载,桩长径比不很大，桩端土为粘土、粉土、砂土等,端承型桩,摩擦型桩,端承桩,摩擦端承桩,（嵌岩桩）,摩擦桩,端承摩擦桩,端承型桩,摩擦型桩,P,二、按材料： 木桩、混凝土、钢筋混凝土、钢管（型钢）桩、复合桩 钢筋混凝土：普通混凝土、预应力混凝土（离心预制）、高强混凝土,三 、 按形状,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 按横断面：圆形，八边形，十字桩、X形桩,桩身,四、按尺寸,按断面(直径）的大小： 大直径桩:d800mm; 小直径桩：d250mm； 中等直径桩： 2503)；短桩：L15m； 中长桩：15m 80m L/ （：桩的特征长度）,五、 按施工方法,施工方法沉桩方法 1 预制桩 Prefabricated pile 挤土桩，部分挤土桩 2 现场灌注桩 Cast in place 非挤土桩，部分挤土桩,1 预制桩 2 现场灌注桩,气锤打入 振动沉桩 静压桩,引孔,部分挤土, 大面积地面隆起 不引孔,挤土桩,成孔方法,人工挖孔 螺旋钻 正反循环地下水以下泥浆护壁 冲击,夯扩,爆破 沉管灌注,浇注法,省,易 泥皮,虚土,断桩,水上 水下 其他,离心,预应力, 工厂,现场,振动沉桩 预制桩1013m,Pile Point,离心预应力预制钢筋混凝土,人工挖孔桩,广州市亚洲大酒店人工挖孔桩,螺旋钻,扩底桩,人工挖孔扩孔桩 （芝加哥法）,UK英国,1.0-3.0 m,0.6-0.9 m,英国是近代工业革命的发源地，正式名称“联合王国”，全称“大不列颠及北爱尔兰联合王国（the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland）”,爆破扩底桩,挤扩桩（支盘桩）,六、按桩的成桩方式效应 分类：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩 1）挤土桩：实心预制桩、下端封闭的管桩、以及沉管灌注桩 成桩效应：粘土：打桩抗剪强度降低停一定时间可恢复。 无粘土：抗剪强度提高。 2）部分挤土桩：H型钢桩、开口的钢管桩、开口预制管桩 成桩效应：影响不大。 3）非挤土桩：钻孔灌注桩、先钻孔再打入的预制桩 成桩效应：侧阻力有所降低。,4.3 单桩承载力 Bearing capacity of a single pile,4.3.1 单桩轴向荷载的传递机理（单桩的工作性能）,桩顶荷载一般为：轴向力、水平力、弯矩,1. 桩身轴力和截面位移（桩的荷载传递）,在外载作用下，土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。,在外力作用下，桩侧摩阻力开始抵抗打桩时的荷载，桩工作状态时随着外载的作用，开始摩阻力发挥作用，只有当桩端产生位移，端阻力才逐渐开始作用。,桩、土间力的平衡,设桩身周长为u，从深度z处取一dz微段，由力的平衡条件有：,设桩身横截面面积为Ap，弹性模量为Ep，dz微段 的变形为dz，据虎克定律有：,代入上式有：,2.影响荷载传递的因素,主要影响荷载传递的因素：长径比 l/d,根据长径比 l/d 桩的分类：,短桩：l/d10,中长桩：l/d=1040,长桩：l/d=40100,超长桩：l/d100,2.影响荷载传递的因素,（1）桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es 对于中长桩： Eb/Es增大，桩端分担荷载的比例增加。,（2）桩土刚度比Ep/Es 对于中长桩： Ep/Es增大，桩端分担荷载的比例增加。 Ep/Es超过1000后，影响不大。当Ep/Es10端阻接近零，因此：对于砂桩、碎石桩、灰土桩等，应按复合地基设计。,（3）桩端扩底直径与桩身直径比D/d D/d增大，桩端分担荷载的比例增加。,当桩长增大(例如ld25)时，桩端分担荷载减少。因桩身压缩变形大，桩端反力尚未发挥，桩顶位移已超过实用所要求的范围，此时传递到桩端的荷载极为微小。因此，很长的桩实际上总是摩擦桩，用扩大桩端直径来提高承载力是徒劳的。,(4)长径比 l/d,3. 桩侧摩阻力和桩端阻力,由上可见，桩的侧阻随深度呈线性增大。但砂土中模型桩试验表明， 当桩入土深达某一临界值(约为510倍桩径)后侧阻就不再随深度增加。该现象称为侧阻的深度效应。维西克(vesie，1967)认为：桩周竖向有效应力不一定等于覆盖应力，其线性增加到临界深度(zc)时达到某一限值，其原因是土的“拱作用”。 综上所述，桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质，成桩方法等多种因素有关。而桩侧阻力u 达到所需的桩土相对滑移极限值久则基本上只与土的类别有关根据试验资料，一般粘性土约为46mm砂土约为610mm。,超静孔隙水压力消散,土的触变性,打入预制桩： 挤土使qs增加：(1)挤密(2)残余应力 钻孔预制桩： 常使qs减少：(1)泥皮(2)应力松弛但是也有水泥浆渗入土中使表面粗糙,粘性土的摩阻力有时效性：,其他施工因素,单桩的破坏形式,屈曲破坏取决于桩身的材料强度 整体剪切破坏-取决于桩端土的支承力 刺入破坏-取决于桩周土强度,屈曲破坏取决于桩身的材料强度,桩的直径比较小且穿过桩周土的抗剪强度比较低（如淤泥等软土），桩端进入比较坚硬的岩石，一般端承桩和嵌岩桩属于屈曲破,Q-S曲线（荷载-沉降）出现急剧破坏的陡降段，其沉降量很小，有明确的破坏荷载。 桩的承载力取决于桩身材料强度,整体剪切破坏-取决于桩端土的支承力,Q-S曲线有明显的拐点，有陡降段，有明显的破坏荷载。 桩的承载力主要取决于桩端土的支承力。 一般桩基属于本情况。,刺入破坏-取决于桩周土强度,当桩周土和桩尖土的抗剪强度比较均匀时，桩在轴向荷载作用下将出现刺入破坏。桩顶荷载主要由桩侧阻力来承担，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。 Q-S曲线为“渐进破坏”的缓变型，无明显拐点。 桩的承载力主要取决于桩周土的抗剪强度,两类单桩荷载沉降曲线 A陡降型 B缓变型,4.3.2 单桩竖向承载力的确定,取决于两个方面：,桩身材料强度,地层支承力,极限承载力：,承载力特征值：,安全系数K=2,按桩身材料确定,混凝土 R = cfcAp 钢筋混凝土 R = （cfcAp+fyAg）,钢筋抗压强度设计值,单桩竖向承载力特征值确定方法:,静载荷试验,按土的抗剪强度指标确定,按经验公式确定,1. 静载荷试验,获得单桩承载力最可靠的方法,锚桩 桁架法,2400吨,桩顶试验中,1、进行静载试验的工程： 静载荷试验是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法，其除了考虑到地基土的支承能力外，也计入了桩身材料强度对于承载力的影响。 对于地基基础设计等级：甲、乙级建筑物必须通过静载荷试验。 对于地基条件复杂，桩施工质量可靠性低等建筑桩基必须通过载荷试验。,2、试验数量：在同一条件下的试验数量，不宜少于总数的1%，并不少于3根。工程总桩数在50根以内时不应少于2根。 3、预制桩完成后的间歇时间： 时间要求：砂类土间歇时间不少于10天；粉土和粘性土不少于15天；饱和粘性土不少于25天。 原因：对于预制桩，由于打桩时土中产生的孔隙水压力有待消散，土体因打桩扰动而降低的强度随时间逐渐恢复，为了使试验能真实反映桩的承载力。,4、试验： （1）静载荷试验装置及方法 装置：加荷稳压、提供反力、沉降观测 加荷稳压：由桩顶的油压千斤顶对桩顶施加压力。 提供反力：千斤顶的反力由锚桩、压重平台的重力或若干根地锚组成。 沉降观测：安装在基准梁上的百分表或电子位移计用于量测桩顶位移。 试桩与锚桩（或与压重平台的支墩、地锚等）之间、试桩与支承基准梁之间以及锚桩与基准桩之间，都应有一定的间距。见下表。,加载方法： 采用连续加载法：即慢速维持荷载法，逐级加载，每级荷载为单桩承载力设计值的1/51/8，当每级荷载下桩顶的沉降量小于0.1mm/h，则认为已稳定，然后加下一级荷载，依次进行直到试桩破坏。再分级卸载到零。也可以采用快速维持荷载法，即一般每隔1h加一级荷载。 沉降观测：第一小时内每隔5、10、15、15、15分钟读一次，然后每30分钟测读一次，直至稳定。,（2）终止加载条件 当出现下列情况支一时即终止加载： 某级荷载下，桩顶沉降量大于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质量时。,（3）按试验结果确定单桩承载力 一般认为，当桩顶发生剧烈或不停滞的沉降时，桩处于破坏状态，相应的荷载称为极限荷载。用QU表示。 用Q-S曲线确定单桩承载力： 图中的曲线所示，对于陡降型Q-S曲线，可取曲线发生明显陡间的起始点所对应的荷载为QU。 绘图比例：横：竖=2：3,根据沉降量确定Qu 对于缓变型Q-S曲线（图），一般可取S=4060对应的荷载值为Qu。 对于大直径桩可取S=（0.030.06）d(d为桩端直径)所对应的荷载值(大桩径取低值,小桩径去高值)。对于细长桩（80，可取S=6080对应的荷载。,根据沉降随时间的变化特征确定Qu 取S- 曲线（图）尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值作为Qu。 也可根据终止加载条件第二条中的前一级荷载值作为Qu。,单桩竖向承载力特征值确定方法: 按规定确定Qu，,2. 按土的抗剪强度指标确定,公式：,式中：cu桩底以上1d至桩底以下1d范围内土的不排水抗剪强度平均值；对裂隙粘土宜用含裂隙的大试样测定；对钻孔桩取三轴不排水抗剪强度的0.75倍； Nc 地基承载力系数，当桩的长径比 l/d5时， Nc=9 ； ca 桩土之间的附着力，ca=cu 。 对粘性土 =1或更大，且随 cu 的增大而迅速降低。对硬粘土中的桩，当 l/d20时，取1.25；当上部为软土时取=0.4 ；其他情况 =0.7 。对打入桩，ca 100KPa；对钻孔桩的取值不成熟，平均值约为0.45；对扩底桩，桩底以上2d范围内的ca不予考虑，即取=0 。,单桩竖向承载力特征值确定方法: 按上式确定Qu，,3. 确定单桩竖向承载力特征值的规范经验公式,地基基础规范指出：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荷试验确定。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。 （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准贯入试验参数确定。 （3）初步设计时单桩竖向承载力特征值 可按下式估算： 式中： 桩端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得。,当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩石中，可按下式估算单桩竖向承载力特征值： 式中： 桩端岩石承载力特征值，当桩端无沉渣时， 根据岩石饱和单轴抗压强度标准值确定，或按岩基载荷试验确定。,也可根据室内岩石饱和单轴抗压强度标准值按下式确定：,r折减系数，根据岩石的完整程度由地区经验确定。无经验时，对于完整岩体可取0.5；对于较完整岩体可取0.20.5,（4）嵌岩灌注桩桩端以下三倍桩径范围内应无软弱夹层、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。,补充： 按静力触探法确定,公式： 式中： 桩端平面上、下探头阻力（KPa），取桩端平面以上4d范围内探头阻力加权平均值，再与桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均； 桩端阻力修正系数，对粘性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2； 第i层土的探头平均侧阻力（KPa）； 桩的周长； 第i层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算： 粘性土： 砂性土：,补充：桩基规范推荐经验公式法确定单桩承载力标准值 （1）一般预制桩及中小直径灌注桩 对直径800的预制桩和灌注桩，单桩竖向极限承载力标准值 ： 式中： 单桩总极限侧阻力标准值（KN）； 单桩总极限端阻力标准值（KN）； 桩侧第层土的极限侧阻力标准值（KPa），当无当地经验值时，可按表8-6取值； 桩端极限端阻力标准值（KPa），当无当地经验值时，可按表8-7取值；,（2）大直径桩（d800） 公式： 式中： 桩侧第层土的极限侧阻力标准值，当地经验值时，可按表8-6取值，对于扩底桩变截面以下不计侧阻力； 桩径为0.8m的极限端阻力标准值，当无当地经验时，对于干作业（清底干净）可按表8-8取值，对于其他成桩工艺可按表8-7取值； 大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数，按表8-9取值。,（3）嵌岩桩 嵌岩单桩的极限承载力标准值 是由桩周土总侧阻力 、嵌岩段总侧阻力 和总端阻力 三部分组成。 公式： 式中： 覆盖层第层土的侧阻力发挥系数，当桩的长径比不大（ 30），桩端置于新鲜或微风化硬质岩中且桩底无沉渣时，对于粘性土、粉土，取 ，对于砂类土及碎石类土，取 ，其他情况，取 ； 桩周第层土的极限侧阻力标准值，根据成桩工艺按表8-6取值；,岩石饱和单轴抗压强度标准值，对于粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值； 桩身嵌岩（中等风化、微风化、新鲜基岩）深度，超过5d时，取 ；当岩层表面倾斜时，以坡下方的嵌岩深度为准； 嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深径比 有关，按表8-10采用。,（4）桩基规范规定，确定单桩竖向极限承载力标准值尚需满足以下规定： 一级建筑桩基应采用现场静载荷试验，并结合静力触探、标准贯入试验等原位测试方法综合确定； 二级建筑桩基应根据静力触探、标准贯入试验、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。无可参照的试桩资料或地质条件复杂时，应由现场静载荷试验确定； 三级建筑桩基，如无原位测试资料，可利用承载力经验公式。,补充： 按动力试桩法确定,高应变（大应变）：测定桩的极限承载力。 低应变（小应变）：测定桩的质量和完整率。 此方法现阶段只起检测和检验作用，确定桩的承载力是一个发展方向。,补充： 桩的抗拔承载力,对于二、三级建筑物，单桩抗拔极限承载力标准值Tk：,当群桩基础呈整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值Tgk可按群桩外围周长范围的抗拔承载力再除以桩数。,式中:i -抗拔系数，按表8-11取值,地基基础规范和桩基规范关于单桩承载力的规定是不同的。注意二者的区别。,随着建筑物越来越高大，所遇到的地质条件日趋复杂，特别是考虑桩间土承担一部分荷载后，沉降已成为一个控制条件，使得桩基沉降计算成为桩基设计的一个重要内容。,4.4 桩基础沉降的计算,地基基础设计等级为甲级建筑物的桩基。 体型复杂或桩端以下存在软弱土层的设计等级为乙级建筑物桩基。 对沉降有严格要求的建筑物桩基。 摩擦型桩基。,桩基础沉降的计算范围,需要进行沉降计算 ：,嵌岩桩、设计等级丙级建筑物桩基，对沉降无特殊要求的条形基础下不超过两排桩的桩基。吊车工作制级别A5级A5以下的单层工业厂房桩基（桩端下为密实土层）。,不需要沉降计算的情况：,变形特征值 桩基变形可用下列指标表示：沉降量、沉降差、倾斜。 计算桩基础变形时，变形指标可按下述规定选用： 对于砌体承重结构应由局部倾斜控制；对于框架结构应由相邻柱基的沉降差控制；对于多层或高层建筑和高耸结构应由倾斜值控制。 桩基变形容许值同浅基础规定。,桩基变形容许值,4.4.1 单桩沉降的计算,在竖向荷载作用下单桩沉降由三部分组成： （1）桩身弹性压缩引起的桩顶沉降； （2）桩侧阻力引起的桩周土中的附加应力以压力扩散角，致使桩端下土体压缩而产生的桩端沉降； （3）桩端荷载引起桩端下土体压缩所产生的桩端沉降。,目前单桩沉降计算方法主要有下述几种： （1）荷载传递分析法； （2）弹性理论法 （3）剪切变形传递法： （4）有限单元分析法 （5）其他简化方法。 这些计算方法的详尽介绍参见有关书籍。,4.4.2 群桩沉降的计算,群桩沉降组成：,桩间土的压缩变形（包括桩身压缩、桩端贯入变形）；,桩端平面以下压缩变形。,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。,地基基础规范GB50007推荐的群桩沉降的计算,计算方法：单向压缩分层总和法：,式中 s桩基最终计算沉降量（mm）； m桩端平面以下压缩层范围内土层总数； Esj,i 桩端平面以下第j层土第i个分层在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量（MPa）； nj桩端平面下第j层土的计算分层数；,hj,i 桩端平面下第j层土第i个分层厚度（m）； j,i桩端平面下第j层土第i个分层的竖向附加应力(kPa)； p桩基沉降计算经验系数，各地区根据当地的工程实测资料统计对比确定；,地基内的应力分布宜采用各向同性均质线性变形体理论按实体深基础（s6d）或其他方法(包括明德林应力公式方法)计算：,（1）实体深基础（s6d）,沉降计算方法同前基础,实体深基础桩基沉降计算经验系数应根据地区桩基础沉降观测资料及经验统计确定。不具备条件时， p按下表选用：,实体深基础桩底平面处的基底附加压力p0k按下列方法考虑: 1）考虑扩散作用时：,地下水位以下扣除浮力。,2）不考虑扩散作用时：,G桩基承台及承台上土自重；,Gfk实体深基础的桩基桩间土自重；,m实体深基础底面以上各层土的 加权平均重度。,明德林应力（Mindlin）公式,单桩荷载分担,地基应力：,第k根桩的端阻力在深度z处产生的应力:,第k根桩的侧摩阻力在深度z处产生的应力:,对于一般摩擦型桩，可假定桩侧摩阻力全部是沿桩身线形增长的（=0），则：,采用上式计算时，桩端阻力比。和桩基沉降计算经验系数p应根据当地工程的实测资料统计确定。,4.5桩的负摩问题,(1)桩周附近地面大面积堆载 (2)大面积降低地下水位 (3)欠固结土,新填土 (4)湿陷性黄土遇水湿陷 (5)砂土液化、冻土融解,4.5.1 负摩擦的产生条件,引起桩侧负摩阻力的条件是，桩侧土体下沉必须大于桩的下沉。,负摩擦力的确定：负摩阻力成为荷载的一部分 对于下部为岩石的端承桩,可能全桩为负阻力, 对于一般桩,因为桩土都有变形,视二者的相对位移量和方向,4.5.2 负摩擦力的计算,O1中性点 Qn下拉荷载,单桩产生负摩阻力时的荷载传递,（1）中性点的位置,影响因素：与桩周土的性质和外界条件(堆载、降水、浸水等）变化有关。,（2）负摩阻力强度,（3）下拉荷载计算,2. 群桩负摩阻力计算,群桩中任一基桩的下拉荷载,4.5.3 解决方法： 1）通过计算预估下沉的沉降量。 2）在预制桩表面涂一层薄层沥青 3）灌注桩在桩土之间加一层土浆，减少摩擦力。,4.6 桩的水平承载力,桩基受水平荷载：风荷载地震作用、机械制动力、土压力、水压力、波浪、撞击等。 桩型：斜桩、竖直桩。 当水平荷载与竖向荷载的合力与竖直线的夹角不超过5度时，竖直桩的水平承载力可以满足要求。,4.6.1 水平荷载下桩的工作性状 桩在水平荷载下承载能力极限状态： （1）桩身在水平荷载下破坏。 （2）桩顶水平位移超过建筑物允许变形值。,影响桩基水平承载力因素： 桩的断面尺寸、刚度、材料强度、入土深度、间距、桩顶嵌固程度、土质条件、上部结构水平位移允许值。,刚性桩：桩的水平承载力主要由桩的水平位移和倾斜控制。（图（a） 水平变形系数，其单位是1/m。,桩的刚度与换算深度的影响,称为刚性桩。,柔性桩：桩身在某处产生较大弯矩，可能出现屈服。桩的水平承载力主要由桩的水平位移和桩的材料强度控制。,半刚性桩、柔性桩统称为柔性桩（图（b）,称为半刚性桩。,称为柔性桩。,单桩的水平承载力的确定方法有： 理论分析、静载试验。,4.6.2 水平受荷弹性桩的计算 1.基本假定 线弹性地基反力分析法：x=Kxx Kx地基水平抗力系数， 根据Kx 的假定不同，可分为以下四种方法:,图4-23 地基水平抗力系数的分布图式,常数法：常数法假定地基系数Kx沿深度为均匀分布，不随深度而变化，即 KxKh，(kNm3)为常数。,“K”法：假定在桩身挠曲曲线第一挠曲零点所示深度处以上地基系数Kh随深度增加呈凹形抛物线变化；该点以下，地基系数Kh不再随深度变化而为常数KhK 。, “m”法：假定地基系数Kx随深度成正比例地增长目前我国应用较多， Kx =mz。, “c值”法：假定地基系数Kh随着深度成抛物线规律增加，即Kh =cz1/2 ，c为常数，随土类不同而异。在我国多用于公路交通部门。,2.计算参数 （1）桩的截面计算宽度b0为：,Kf桩的形状系数，圆形桩Kf=0.9，方形桩Kf=1.0； d桩的直径，方形截面时为桩的边长。,水平荷载下桩内力及位移理论分析m法,（2）钢筋混凝土桩的抗弯刚度EI=0.85EcI0 （3）抗力系数Kh =mz中的m值，宜采用试验值，无试验资料时，参考表4-6。桩侧为多层土时，按hm=2(d+1)范围内m值得加权平均值。例如：两层土时：,地基土水平抗力系数的比例常数m 表4-6,3. 单桩计算,（1） 确定桩顶荷载：,N0影响很小可忽略不计， P（Z）= kxxb0 =mzxb0。上式变为：,（2） 桩的挠曲微分方程,采用幂级数对上式进行求解，得出桩身z处的内力与位移：,桩顶水平位移 桩的无量纲深度不同，桩端约束条件不同，其水平荷载下桩的工作性状也不同。下表给出了相应的位移系数Ax、Bx值，利用基本表达式即可求出桩顶位移，或桩顶允许的水平荷载。,各类桩的桩顶水平位移系数,（3）桩身最大弯矩及位置 根据最大弯矩截面剪力为零的条件得到。计算步骤如下： 1、计算C=M/H0，查表4-7确定有关参数：,表4-7时按l4.0/编制，当l4.0/时，可查有关设计手册。,确定桩身最大弯矩截面系数C及最大弯矩系数C 表4-7,一般当桩的入土深度达到4.0/时，桩身的内力及位移几乎为零，在此深度以下，桩身只需按构造配筋或不配筋。,4.6.3 单桩水平静载试验,1 试验装置,图8.16单桩水平静载试验装置,慢速连续加载法 模拟桥台、挡墙等长期静止水平荷载的连续荷载试验，类似于垂直静载试验慢速法。 单向单循环恒速水平加载法,2 试验加载方法 单向多循环加载法 模拟风浪、地震力、制动力、波浪冲击力及机器扰力等循环性动力水平荷载。,3. 终止加载条件 （1）桩身折断。 （2）桩顶水平位移超过30-40mm（软土取40mm）。 （3）桩侧地面出现明显裂缝或隆起。 （4）所加水平荷载已超过按下述方法确定的极限荷载。,4. 试验资料整理 根据试验可绘制出如下四种曲线,图4-26 水平静载试验H0-t-x0曲线,5. 确定水平临界荷载Hcr和极限荷载Hu,水平静载试验H0-x0曲线,水平静载试验H0-x0/H0曲线,水平静载试验H0-g曲线,4.4.6 单桩水平承载力特征值 （1）应通过荷载试验确定，必要时采用带承台桩的荷载试验。宜采用慢速维持荷载法。 （2）混凝土预制桩、钢桩、桩身配筋率大于0.65%的灌注桩，可取x0=10mm(对于水平变位敏感的建筑物取x0=6mm）所对应的荷载作为单桩水平承载力特征值。 （3）对于桩身配筋率小于0.65%的灌注桩，可取临界荷载Hcr。,（4）当缺少试验资料，可估算桩身配筋率小于0.65%的灌注桩单桩水平承载力特征值。,（4）当缺少试验资料，可估算预制桩、钢桩、桩身配筋率大于0.65%的灌注桩等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。,桩顶允许水平位移。,桩顶水平位移系数，按表4-8取值。,4.7 桩的平面布置原则,桩的平面布置实例,桩的平面布置实例,4.7 桩的平面布置原则,4.7.1 一般原则,2.桩基中各桩受力应比较均匀，布桩时应尽可能使上部荷载的中心与群桩的横截面形心重合或接近；,1.当承台承受偏心作用时，应增加桩基横截面的惯性矩，对群桩基础，宜采用外密内疏的布置方式；,3. 桩的中心距 桩的间距过大，承台体积增加，造价增加，有时基础间的空间不允许； 桩的间距过小，桩的承载能力不能充分发挥，且给施工带来较大困难。 一般情况下： 具体见表4-9、4-10规定 大面积桩群，桩的最小中心距还应适当加大。,桩的最小中心距 表4-9,注：D-扩大端设计直径。,灌注桩扩底端最小中心距 表4-10,桩在平面上可布置为：方形（或矩形）、三角形、多边形、梅花形；条形基础下的桩，可采用单排或双排，也可采用不等距。,柱下桩基 墙下桩基,圆（环）形桩基,4.7.2 布桩方法举例,对横墙下桩基，可在外纵墙之外设一至二根“探头”桩。 在有门洞口的墙下布桩应将桩设置在门洞的两侧。,4.8 桩基承台设计,类型：柱下独立承台、柱下或墙下条形承台梁、筏板承台和箱形承台。 作用：是将桩联结成一个整体，并把建筑物的荷载传到桩上，因而承台应具有足够的强度、刚度。,桩基承台设计内容：,构造； 计算：受弯、受冲切、受剪、局压承载力，,4.8.1 桩基承台构造要求,1. 承台的平面尺寸和厚度： 厚度300，宽度500。 平面尺寸：承台边缘至边桩中心距离不应小于桩的直径或边长，且边缘挑出部分应150，对于条形承台梁应75。,筏形、箱形承台： 承台板厚度：宜250，且板厚与计算取段最小跨度之比不宜小于1/20。,2. 混凝土：C20。 3. 钢筋保护层厚度：台底钢筋的混凝土保护层厚度宜70。当有混凝土垫层时不应小于40，,4. 钢筋配置： 承台的配筋按计算确定，对于矩形承台板，宜双向均匀配置，钢筋直径宜10，间距应满足100200；对于三桩承台，应按三向板带均匀配置，最里面3根钢筋相交围成的三角形，应位于柱截面范围以内见图。 承台梁的纵向主筋应12，架立筋10，箍筋直径6。 筏形、箱形承台配筋与筏基、箱基相同。,5.桩顶与承台的连接构造 桩顶嵌入长度：为保证群桩与承台之间连接的整体性，桩顶应嵌入承台一定长度，对大直径桩宜100；对中等直径桩宜50。 桩顶主筋锚固长度：混凝土桩的桩顶主筋应伸入承台内，其锚固长度宜30倍钢筋直径（级）, 35倍（、级）对于抗拔桩基应40倍。,6. 承台之间的连接构造 单桩桩基承台宜在双向设置联系梁。 两桩桩基承台：宜在其短向设置联系梁。 有抗震要求的柱下独立承台：宜在双向设置联系梁。 联系梁顶面宜与承台顶位于同一标高，梁宽应250，梁高可取承台中心距的1/101/15。 配筋：计算、构造。,7. 承台埋深： 应600； 在季节性冻土等地区1000。 保证承台周围填土质量、密实性。,4.8.2 柱下桩基独立承台,1. 受弯计算,（1）柱下多桩矩形承台,其破坏特征呈梁式破坏： 挠曲裂缝在平行于柱边两个方向交替出现，承台在两个方向交替呈梁式承担荷载。最大弯矩产生在平行于柱边两个方向的屈服线处。,多桩矩形承台计算截面取在柱边和承台高度变化处。,垂直于x、y轴方向计算截面弯矩设计值； 垂直y轴和x轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离；,扣除承台和承台上土重设计值后 i 桩竖向净反力设计值；当不考虑承台效应时，则为第 根桩的竖向总反力设计值。,（2）柱下三桩三角形承台,等边三角形承台破坏形式：,等腰三角形承台破坏形式：,柱下三桩三角形承台受弯计算,1)等边三桩承台：,式中：M由承台形心至承台边缘距离范围内板带的弯距设计值； Nmax扣除承合和其上填土自重后的三桩中相应于荷载效应基本 组合时的最大单桩竖向力设计值; s桩距; c方柱边长，圆柱时c=0.866d(d为圆柱直径)。,2)等腰三桩承台：,式中：M1、M2分别由承台形心至承台两腰和底边距离范围内板带的弯距设计值； Nmax扣除承合和其上填土自重后的三桩中相应于荷载效应基本 组合时的最大单桩竖向力设计值; s长向桩距; 短向桩距与长向桩距之比，当小于0.5时，应按变截面两桩设计； c1、c2分别垂直于、平行于承台底边的柱截面边长。,柱下三桩三角形承台也可按下式计算 计算截面应在柱边按下式计算：,当计算弯矩截面不与主筋方向正交时，须对主筋方向角进行换算。,补充：柱下或墙下条形承台梁 柱下条形承台的正截面弯矩设计值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。当桩端持力层较硬且桩轴线不重合时，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。,受弯承载力计算 根据承台内力M，按混凝土结构设计规范设计。,近似计算：,2. 受冲切计算,破坏特征： 若承台高度不足，或承台变阶处的高度不足，将会产生冲切破坏。 其破坏方式分为沿柱边的冲切和角桩对承台的冲切（为柱冲切破坏锥体以外角桩对承台冲切作用）。,（1）柱对承台冲切的承载力,柱边冲切破坏锥体斜面与承台底面的夹角大于或等于450，该斜面的上周边位于柱与承台交接处或变阶处，下周位于相应的桩顶内边缘处。,F,F,（1）柱对承台冲切的承载力,F,FL扣除承台及其上填土自重，作用于冲切破坏锥体上相应于荷载效应基本组合的冲切力设计值，冲切破坏锥体应采用自柱边或承台变阶处直相应桩顶边缘连线构成的锥体，锥体与承台底面的夹角不小于450；,Ni冲切破坏锥体范围内各基桩的净反力（不计承台和承台上土的自重）设计值之和。,F柱根部轴力设计值；,hp-受冲切承载力截面高度影响系数，当h800 时，hp取1.0；当h2000时，hp取0.9；其间按线性内插法取用。,ft-承台混凝土抗拉强度设计值；,h0-承台冲切破坏锥体的有效高度； 0x、0y- 冲切系数；,冲跨比，=a0/h0 （a0为冲跨,即柱边或承台变阶处到桩边的水平距离；当 a00.2h0时,取a0 =0.2h0；当a0 h0时，取 a0 =h0。满足0.21.0。,F,（2）角桩对承台的冲切,1）多桩矩形承台角桩的冲切承载力,1x 、1y为角桩冲跨比取值范围0.2-1.0；,a1x、a1y角桩内边缘引450线与冲切顶面相交点至角桩内边缘的距离；当柱底面或变阶出边线位于该450线以内时，则取柱边或变阶处边与桩内边缘的水平距离 c1、c2角桩内边缘至承台外边缘水平距离。,h0-承台外边缘的有效高度；,2）三桩三角形承台角桩的冲切承载力,底部角桩：,顶部角桩：,11 、11为角桩冲跨比：,a11、a12角桩内边缘引450线与冲切顶面相交点至角桩内边缘的水平距离；当柱底面处边线位于该450线以内时，则取柱边与桩内边缘的水平距离。 c1、c2角桩内边缘至承台外边缘水平距离。,以上计算中：对于圆柱及圆桩，计算时应将截面换算成方柱或方桩，取换算柱或桩截面边宽 ：,3.受剪切计算 破坏特征：柱与桩边连线所形成的斜截面（图）。当柱（变阶处）外有多排桩形成多个剪切斜截面时，对每一个斜截面都要进行受剪承载力计算。,斜截面受剪承载力计算公式：,hs受剪切承载力截面高度影响系数, hs=（800/h0）1/4，当h0小于800mm时， h0取800mm， 当h0大于2000mm时，h0取2000mm,V扣除承台及其上填土自重后相应于荷载效应基本组合时斜截面的最大剪力设计值；,b0承台计算截面处的计算宽度。,剪切系数；,计算截面的剪跨比， x=ax/h0， y=ay/h0。此处ax、ay为柱边或承台变阶处至x、y方向计算一排桩的桩边的水平距离，当0.3时，取=0.3；当3时取=3。,h0计算宽度处的承台有效高度,阶梯形承台变阶处、锥形承台的计算宽度b0、有效高度h0的确定：,1）对于阶梯形承台应分别在变阶处（A1-A1，B1-B1）及柱边处（A2-A2，B2-B2）进行斜截面受剪计算（图）。,A1-A1截面：,B1-B1截面：,变阶处（A1-A1，B1-B1）斜截面受剪计算:,计算柱边截面（A2-A2，B2-B2）进行斜截面受剪计算。此时：,A2-A2截面：,B2-B2截面：,2）对于锥形承台应对A-A及B-B两个截面进行受剪承载力计算。此时,截面有效高度均为：h0,A-A截面：,B-B截面：,4. 局部受压计算 当承台的混凝土强度等级低于柱或桩的混凝土强度等级时尚应验算柱下或桩上承台的局部受压承载力。,4.9 桩基础设计的一般步骤,进行调查研究，场地勘察，收集资料； 综合勘察报告、荷载情况、使用要求、上部结构条件等确定桩基持力层； 选择桩材，确定桩的类型、外形尺寸和构造； 确定单桩承载力； 根据上部结构荷载情况，初步拟定桩的数量和平面布置； 根据桩的平面布置，初步拟定承台的轮廓尺寸及承台底标高；,验算作用与单桩上的竖向和横向荷载； 验算承台尺寸和结构强度； 必要时验算桩基的整体承载力和沉降量，当桩端下有软弱下卧层时，验算软弱下卧层的地基承载力； 单桩设计、绘制桩和承台的结构及施工详图。,4.9.1 必要的资料准备,建筑物类型及规模;,岩土工程勘查报告;,施工机具和技术条件;,环境条件;,检测条件;,及当地桩基工程经验等。,桩基的详细勘察除满足现行勘察规范要求外，还应满足以下几点： （1）勘探间距： 一般为1224m，若相邻两勘探点揭露出的层面坡度大于10%，应适当加密勘探点；摩擦型桩，点距一般为2030m。,（2）勘探深度： 控制性孔数量：一般布置1/31/2的勘探孔作为控制性孔，且一级建筑桩基场地至少有3个，二级建筑桩基场地应不少于2个。 深度：控制孔应穿透桩端平面以下压缩层厚度，一般勘探孔应深入桩端平面以下35m；嵌岩桩钻孔应深入持力岩层不小于35倍桩径；当持力岩层较薄时，部分钻孔应钻透持力岩层。 在勘察深度地区范围内的每一地层，应进行室内试验或原位测试。,4.9.2 选定桩型，确定单桩竖向及水平承载力,1、桩型、截面和桩长的选择。 桩型：上部结构的型式、荷载、地质条件、环境条件及当地的施工条件和经验。,从楼层数和荷载大小来看（如为工业厂房可将荷载折算为相应的楼层数）： 10层以下的，可考虑采用直径500左右的灌注桩和边长为400的预制桩；1020层的可采用直径8001000的灌注桩和边长为450500的预制桩；2030层的可用直径10001200的钻（冲、挖）孔灌注桩和边长大于等于500的预制桩；3040层的可用直径大于1200的钻（冲、挖）孔灌注桩和边长为500550的预应力管桩和大直径钢管桩；楼层更多的高层建筑所采用的挖孔灌注桩直径可达5m。,截面尺寸：实心方桩边长为300500 L=2530m（现场预制）L12m（工厂预制）,地质条件: 一般当土中存在大孤石、废金属以及花岗岩残积层中未风化的石英脉时，预制桩难以穿透；当土层分布很不均匀时，混凝土预制桩的预制长度难以控制；在场地土层比较均匀的条件下，采用质量易于保证的预应力高强混凝土管桩比较合理。,经济角度： 沉管灌注桩最为经济，后为钻孔灌注撞、冲孔灌注桩、人工挖孔桩、混凝土预制方桩、普通预应力管桩、预应力高强混凝土管桩、钢管桩 周边环境: 城市环境：不允许打桩时，选用振动比较小的桩，如：钻孔灌注桩、人工挖孔桩、冲孔灌注桩、静力压桩等。 建筑物的重要程度。,桩长： 1）桩的长度主要取决于桩端持力层的选择。桩端最好选择在进入坚硬土层或岩层，采用嵌岩桩或端承桩；当坚硬土层埋藏很深时，宜采用摩擦桩基，桩端应尽量达到低压缩性、中等强度的土层上。 2）桩端进入持力层的深度（13d）：粘性土、粉土2d，砂类土1.5d,碎石类土1d,当存在软弱下卧层时,桩端以下硬持力层厚度4d,嵌岩桩进入微风化或中等风化的岩体的最小深度0.5m.,3)当硬持力层较厚且施工条件允许时，桩端进入持力层的深度尽可能达到桩端阻力的临界深度,以提高桩端阻力. 临界深度: 砂、碎石类土临界深度=（310）d （d为桩径） 粘性土、粉土临界深度=（26）d,嵌岩灌注桩桩端以下三倍桩径范围内应无软弱夹层、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。,4）同一建筑物避免同时采用不同类型的桩（如用摩擦桩和端承桩，但用沉降缝分开除外）。 5）同一基础相邻桩的标高差，对于非嵌岩端承桩不宜超过相邻桩的中心距，对于摩擦型桩，在相同土层中不宜超过桩长的1/10。 6）桩长、桩型初步确定后，即可定出桩的截面面积，并初步确定承台的底面标高。 7）一般建筑物层数多、荷载大，宜采用大直径的桩。尤其是大直径的人工挖孔桩。目前国内最大人工挖孔桩的直径为5m。,确定桩型、桩长后，可初步确定桩的截面尺寸。承台埋深：满足结构和施工要求。 确定单桩竖向及水平承载力。,2. 确定单桩竖向及水平承载力,4.9.3 桩的平面布置及承载力验算,1. 桩的根数和布置,（1） 桩的根数,中心荷载作用（轴心受压）：,式中：Fk-相应于荷载效应标准组合时，作用在桩基承台顶面的竖向力； Gk-桩基承台及其上填土的自重标准值。,偏心荷载作用（偏心受压），如果群桩重心与荷载合力点重合，桩数按上式计算，否则，按上式计算适当增加（10%20%）。,（） 桩在平面上的布置：遵循.7的原则，若布桩不合理宜重新选择桩型及几何尺寸。,柱下桩基 墙下桩基,2. 桩基承载力验算*,（1） 桩顶作用效应计算,中心荷载作用（轴心受压）：,式中：Fk-相应于荷载效应标准组合时，作用在桩基承台顶面的竖向力； Gk-桩基承台及其上填土的自重标准值。,偏心竖向力作用下：,水平力作用下：,* 桩顶作用效应均按荷载作用效应标准组合计算。,当基桩承受较大水平力，或为高承台桩基时，桩顶作用效应的计算应考虑承台与基桩协同工作和土的弹性抗力。对烟囱、水塔、电视塔等高耸结构物桩基则常采用圆形或环形刚性承台，当基桩宜布置在直径不等的同心圆圆周上，且同一圆周上的桩距相等时，仍可按