桩基础的设计.doc

一、 桩基础的设计、施工与检测一、 桩基础的设计1 桩基分类1） 按材料有木桩、钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢桩2） 按受力特点有摩擦桩、柱桩3） 按施工方法有打入桩、钻孔桩、挖孔桩2 桩基内力计算1） 计算方法（1） 极限地基反力法即极限平衡法，假定桩侧土体处于极限平衡状态，按土的极限静力平衡来推求桩的横向承载力，不考虑桩本身的挠曲变形，该法仅适用于刚性短桩。（2） 弹性地基反力法弹性地基反力指对应于桩的位移x所产生的反力。将土体假定为弹性体，用梁的弯曲理论求解桩的横向抗力。有线弹性地基反力法和非线性弹性地基反力法。q=kznxm线弹性地基反力假定地基为服从虎克定律的弹性体，地基反力q与桩上任一点的位移成正比，但未考虑地基土的连续性，对于某些如剪切刚度较大的岩石地基不成立。张氏法：假定地基系数沿深度为一常数，即n=0（我国张有龄30年代提出）。按此得出地面处土的侧向抗力最大（因地面处位移最大），与试验证明的非粘性土和正常固结粘性土的地面处侧向抗力较小相矛盾。只在坚硬岩石中地基系数才可能沿深度不变。q=khxK法：假定桩侧土地基系数在第一弹性零点t至地面间随深度增加，而t以后为常数。该法由苏联人提出，所计算得的桩身最大弯矩大于实测值，偏于安全，现在已取消。m法：假定桩侧土地基系数随深度呈线性增加，即n=1。该法我国目前应用较多，几乎所有桩基规范均用此法，但该法假定的地基系数随深度无限增长，与实际情况不符。q=mzxC法：假定桩侧土地基系数沿深度呈抛物线增加，即n=0.5。该法由日本人提出，公路桥规在推荐m法的同时也推荐了该法。q=cz1/2xm法、C法适用于一般粘性土和砂性土，张氏法比较适用于超固结粘性土、地表有硬层的粘性土和地表为密实的砂土等情况。非线性弹性地基反力法适用于栈桥及柔性系缆浮标等有较大位移的结构计算。（3） 复合地基反力法即py曲线法，假定桩侧土上部为塑性区，采用极限地基反力法；下部为弹性区，采用弹性地基反力法。适用于承受反复荷载、在地基中产生较大应变时的桩基（如海洋结构物桩基）。（4） 弹性理论法假定桩埋置于各向同性半无限弹性体中并假定土的弹性系数为常数或随深度按某种规律变化。其最大缺点是不能计算出在地面以下位移、转角及弯矩、土压力等。2） 内力计算桩基内力计算有刚性基础和弹性基础之分，其中刚性基础采用极限地基反力法计算，弹性基础一般采用弹性地基反力的m法计算。h2.5 刚性基础 h2.5 弹性基础（1） 单桩计算宽度b0b0=kk0b式中：k基础形状的换算系数。 k0考虑基础实际的空间工作条件不同于假设的平面工作条件的系数，对于垂直于力的作用方向有多根桩时，nb0B1（B为该排桩的外边距）（2） 地基比例系数mm为桩侧土水平地基系数C的比例系数，用来表征桩侧土对桩身产生弹性抗力大小的一个系数。m与土的类别和物理性质（特别是压缩性）有关，对于同一类土，桩身侧向位移越大，m则越小；桩身侧向位移越小，m则越大。非岩石类土的比例系数m和m0值土的分类m或m0值（KN/m4）地面处水平位移6mm10mm地面处水平位移6mm流塑性粘土Il1、淤泥1000200030005000软塑性粘土1Il0.5、粉砂20004000500010000硬塑性粘土0.5Il0、细砂、中砂400060001000020000坚硬、半坚硬粘性土Il0、粗砂6000100002000030000砾砂、角砾、圆砾、碎石、卵石10000200003000080000密实粗砂夹卵石、密实漂卵石80000120000C=my，是指y深度处基础底面土的地基系数。注：a)当基础地面或局部冲刷线以下hm=2（d1）米深度内为不同土层时，则m应取该深度内各土层的换算值。b)当基础侧面设有斜坡或台阶，且其坡度或台阶总宽与深度之比超过1：20时，表中m值应减小50%。（3） 桩身计算长度lp由于桩基与一般的杆件不同，桩身埋于土中，受到桩侧土的侧向约束作用，且每一根桩所承受的力也不相等，承台对桩顶也有约束作用，当桩基础中的一根或某几根桩发生纵向弯曲或屈曲时，承台会调整各桩桩顶的荷载作用；另外，桩身轴向力沿深度变化，桩侧摩阻力随土的类别和物理性质而变。因此，确定桩身纵向弯曲计算长度比较复杂，设计中可根据桩身特点、桩侧土类别和物理性质及单桩和多桩按下表公式计算。桩身纵向弯曲计算长度lp桩基情况桩底支于非岩石土中桩底嵌于岩石内桩侧土对桩基的约束情况H4.0/H4.0/H4.0/H4.0/单桩或位于垂直外力作用面内的单排桩lp=1.0(L0+h)lp=0.7(L0+4.0/)lp=0.7(L0+h)lp=0.7(L0+4.0/)位于与外力作用面相平行面内的多排桩lp=0.7(L0+h)lp=0.5(L0+4.0/)lp=0.5(L0+h)lp=0.5(L0+4.0/)3） 刚性桩基础计算（1） 置于非岩石地基上基础 地面或局部冲刷线以下任一点深度y处侧向应力、弯矩为： （2） 嵌入岩层内的基础 地面或局部冲刷线以下任一点深度y处侧向应力、弯矩为： 基础嵌入处的横向力为： 以上式中各符号意义如下： N作用于基础底面的竖向力； A0基底面积； a基础底面顺外力作用方向的基础长度； W基底截面抵抗矩。（3） 基础侧面土的容许应力 式中：土的内摩擦角； 土的容重（为透水层时取浮容重）； C土的凝聚力； 1系数，对超静定拱桥墩台取1=0.7，其他结构取1=1.0； 2总荷载中恒载所占的比例系数， Mn、M分别为恒载、总荷载对基础底面中心的弯矩。（4） 墩台顶水平位移 置于非岩石地基上基础：（包括置于风化层内和风化层面上） 嵌入岩石内基础：式中：l地面或局部冲刷线至墩台顶高度； 0在地面或局部冲刷线至墩台顶高度范围内由其本身产生的位移； k1、k2考虑基础实际刚度的系数，按下表采用；换算深度h=h系数/h12351.6k11.01.01.01.01.0k21.01.11.11.11.11.8k11.01.11.11.11.1k21.11.21.21.21.32.0k11.11.11.11.11.2k21.21.31.41.41.42.2k11.11.21.21.21.2k21.21.51.61.61.72.4k11.11.21.31.31.3k21.31.81.91.92.02.5k11.21.31.41.41.4k21.41.92.12.22.3 注： 表中=M / H。 当仅有偏心竖向力作用时，/h=。4） 弹性桩基础计算 计算中需采用的一些参数：（1） 桩的外径、内径、方桩边长、桩身混凝土的弹性模量、填芯部分的弹性模量；（2） 桩的自由长度、桩的入土深度、地层m值、桩尖处m值、桩尖处C值；（3） 单桩计算宽度、桩尖作用半径、系数、承台入土深度；（4） 承台底面处（应为群桩中心）竖向力、弯矩、水平力、墩顶至承台底高度；（5） 桩的类型数（承台底的坐标、倾斜度相同者为同一类型）；（6） 每一类型桩的X坐标、倾斜比、桩数。对于第（3）条中的系数，打入桩=2/3，钻（挖）孔摩擦桩=0.5，柱桩=1。3 桩基检算1） 检算内容桩基检算的主要内容有：单桩容许承载力、桩身强度、桩身裂缝宽度、群桩基础检算。2） 单桩容许承载力检算单桩容许承载力根据桩的受力特点按摩擦桩、柱桩分别采用不同的公式计算。（1） 钻（挖）孔摩擦桩Nmax1/2G式中：U桩周长（m），采用成孔直径计算； li局部冲刷线以下各土层的深度（m）； i局部冲刷线以下各土层的极限摩阻力（KPa）； A桩底面积（m2），采用设计桩径计算； R桩底处土的极限承载力（KPa），R=2m00k22（h3）； 0桩尖处土的容许承载力（KPa）； h桩的入土深度（m），从天然地面（或实际开挖后地面、或一般冲 刷线计算起，当h大于40m时，取h=40m； k2深度修正系数； 2桩尖以上土的容重（KN/m3）； 桩入土深度修正系数； m0清底系数。铁路规范中将、m0合并为一个修正系数。（为什么采用t/d的形式来表达清底系数？主要因为桩径越大，桩底反力越能传向深处，则相同厚度的沉渣在不同桩径时所起的影响有所不同；同时桩径越大，灌注混凝土时孔底的沉渣就易被冲动而翻浮起来，不致大量沉积在桩底。） （2） 打入（震动）摩擦桩 桩底不开口时：Nmax1/2G 式中：i、分别为震动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端阻力的影响 数，查表采用，对于打入桩二者均取1.0。 桩底开口时：Nmax1/2G 式中：p桩端闭塞效应系数，对于闭口桩p=1，对于开口桩按下式计算；当hb/ds5时，当hb/ds5时，hb桩底进入持力层深度（m）；ds桩内径（m）；s侧阻挤土效应系数，对于闭口桩s=1，对于开口桩按下表确定。桩内径（mm）6007008009001000s1.000.930.870.820.77（3） 柱桩P=（C1AC2Uh）RaNmaxG式中：Ra天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（KPa），试件直径为710cm，试件高度与直径相等；h桩嵌入基岩深度（m），h应大于0.5m；U桩嵌入基岩部分的周长（m），按设计桩径计；A桩底截面面积（m2），按设计桩径计。C1、C2根据清孔情况、岩石破碎程度等确定的系数。（4） 抗拔桩Nmax注意：在主力作用下，桩不宜出现上拔力。3） 桩身强度检算根据运营、施工状态下计算出的桩身内力，按规范中有关构件的计算方法进行强度检算，计算中最好仍采用容许应力法，以便前后统一。对于预制打入桩，还应检算吊装时的桩身强度及在锤击力作用下的桩身强度。4） 桩身裂缝宽度计算当桩身钢筋应力超过一定数值时，应检算桩身裂缝宽度，可参考铁路桥规中的有关公式进行计算。5） 桩基沉降计算单桩在竖向荷载作用下，其沉降量由以下三部分组成： 桩本身的弹性压缩量 由于桩侧摩阻力向下传递，引起桩端土体压缩产生的桩端沉降 由于桩端荷载引起土体压缩产生的桩端沉降单桩沉降计算方法： 弹性理论分析法 荷载传递分析法 剪切变形传递法 分层总和法 有限元分析法 简化法上述方法中以分层总和法、简化法的计算简便，应用较多，现有的规范基本以此两种来计算桩基沉降量。（1） 简化法S=CK式中：C由桩身压缩变形产生的沉降量；K由桩端土压缩变形产生的沉降量。柱桩沉降量：摩擦桩沉降量：式中：C0桩底地基土的竖向地基系数；A0桩尖土的作用面积，单桩作用范围可假定桩顶反力借助土的摩阻力自地面以角扩散至桩底处，但扩散半径不应大于桩中心距的一半。桩侧土的内摩擦角，当桩侧土为多层土时，应取其加权平均值。（2） 分层总和法该法主要是针对大直径的短粗桩，桩的沉降主要由桩端反力所引起，可参照扩大基础采用分层总和法来计算。桩底附加应力为桩底土压缩层的计算深度按有关规范确定。6） 群桩基础检算当桩间距小于6倍桩径时，摩擦桩群桩基础除按以上内容检算各单桩的承载力、强度和沉降外，还应作为一个整体基础来检算其基底应力和沉降量。（1） 基底应力式中：N作用于基底中心处的垂直力，包括土体和桩的重量；M承台底面或局部冲刷线以上外力对桩群中心处的弯矩；注：当桩基础底面以下土层含有软弱地层时，应验算软弱层处的地基应力。（2） 沉降量群桩基础的沉降量主要由桩间土的压缩变形Ss和桩端以下地基土的整体压缩变形Sg组成。目前通常采用的计算方法是将群桩基础视为假想的实体基础按分层总和法计算。式中：Zi第i层土顶面与底面附加应力的平均值（MPa）；hi第i层土的厚度（cm），土的分层厚度宜不大于基础宽度（短边或直径）的0.4倍；Esi第i层土的压缩模量（MPa）；e1i、e2i分别为第i层土受到平均自重应力（qzi）和平均最终应力（qziZi）压缩稳定时的土的孔隙比；ms沉降计算经验系数，可参考下表选用。压缩模量Es（MPa）1.04.04.07.07.015.015.020.0大于20.0ms1.81.11.10.80.80.40.40.20.2注：Es为地基压缩层范围内土的压缩模量，当压缩土层由多层土组成时，可按厚度的加权平均值采用。压缩层计算深度可以下原则确定： 取至地基附加应力与地基自重应力比（）等于20%处，当地基为淤泥或淤泥质土时，取至10%处； 按下式计算：式中：Sn在深度z处，向上取计算层为1m的压缩量（cm）；Si在深度z范围内，第i层土的计算压缩量（cm）。（3） 桩基础施工期间沉将量 对于高压缩性饱和粘性土，为最终总沉降量的520%； 对于中压缩性饱和粘性土，为最终总沉降量的2040%； 对于低压缩性饱和粘性土，为最终总沉降量的5080%； 对于砂类土，为最终总沉降量的95%以上。4 桩基构造要求1） 桩基布置在同一桩基中，除特殊设计外，不宜同时采用摩擦桩和柱桩；不宜采用直径不同、材料不同和桩尖深度相差过大的桩。2） 桩径（1） 设计直径 钻孔桩：不宜小于80cm 挖孔桩：直径或边长不宜小于120cm 钢筋混凝土管桩：4050cm，壁厚不宜小于8cm 管柱：柱径不宜小于150cm，壁厚宜为814cm（2） 成孔直径桩基成孔直径随成孔所用钻头的类型不同而不同。 旋转钻：直径增大35cm 冲击钻：直径增大510cm 冲抓钻：直径增大1020cm3） 桩身混凝土标号 钻（挖）孔桩：不低于水下混凝土C20 沉桩：不低于C25（包括打入桩和震动下沉桩） 管柱：不低于C25，填心混凝土不低于C154） 桩基埋深 摩擦桩：入土深度不小于4m（从地面或局部冲刷线算起） 柱桩：圆形桩，矩形桩，且h应不小于0.5m。其中，MH为基岩顶面处的弯矩；为系数，=0.51.0，根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值，节理不发育的取大值。5） 桩基间距（1） 摩擦桩 打入桩：桩尖处不小于3倍桩径（或边长），承台底面处不小于1.5倍 震动桩：桩尖处不小于4倍桩径（或边长），承台底面处不小于1.5倍 钻（挖）孔桩：不小于2.5倍成孔桩径 管柱：不小于外径的2.53.0倍（2） 柱桩 打入（或震动）桩：不宜小于2.5倍桩径（或边长） 钻（挖）孔桩：不小于2.0倍成孔桩径 管柱：不小于外径的2.0倍，不考虑覆盖层抗力时可酌情减少6） 桩身与承台的边距 对于桩径（或边长）1m的桩，不小于0.5倍桩径（或边长）且不小于25cm； 对于桩径1m的桩，不小于0.3倍桩径（或边长）且不小于50cm； 桩身与盖梁直接相连时，可不受上述限制。7） 桩身配筋 （1） 钻（挖）孔桩主筋：直径不宜小于14mm，根数不宜小于8根，净距大于8cm，保护层净距大于5cm。箍筋：直径大于8mm，间距2040cm。加强箍：直径1418mm，间距200250cm。（2） 管柱主筋：直径不宜大于20mm，配筋率1.8%，壁厚较大时可采用双层配置；入土深度大于25m时，应采用预应力。箍筋：直径大于8mm，间距保证管壁不出现纵向裂缝。8） 桩与承台的连接（1） 钢筋连接式桩身嵌入承台内1020cm（主要是加强桩和承台连接处抵抗水平力的能力），桩顶主筋按15做成喇叭形，主筋锚固长度为级钢筋30d（设弯钩）、级钢筋40d（不设弯钩），且不小于100cm。箍筋间距1020cm。（2） 埋入式主要适用于预制桩，其埋入长度如下： 桩径（或边长）小于0.6m时，埋入长度大于2D（或b）； 桩径（或边长）为0.61.2m时，埋入长度大于1.2m； 桩径（或边长）大于1.2m时，埋入长度大于D（或b）5 桩基础设计中应注意的问题1） 关于承台底面土与桩基的共同受力对于承台底面土能否与桩基共同受力，目前国内外设计规范中均未考虑，主要是不能确保承台底面与土不发生脱离。承台底面与土是否发生脱离，与土的类别、地下水位和地面水的变化、桩基础的施工方法、桩基础所承受的荷载性质（静、动）及桩基的受力状态（拉或压）等因素有关。另外，桩基的压缩刚度与土的压缩刚度相差很大，二者共同受力非常难保证。2） 柱桩是否考虑桩侧土的摩阻力作用对于打入或震动下沉支承于岩层上的柱桩，在下沉时，桩侧土对桩产生向上的正摩阻力，当桩底达到坚硬的或压缩性很低的土层时，锤击力或震动力将使桩身产生向上的回弹力，从而使桩侧土对桩产生向下的负摩阻力。此负摩阻力可能与下沉时桩侧土产生的正摩阻力互相抵消，或部分抵消，还剩余一部分负摩阻力，当桩基荷载施加后，由此产生的正摩阻力与原先已存在的负摩阻力全部（或一部分）抵消，或剩下部分正摩阻力，但数量很难确定，故从安全考虑，桩基承载力不计桩侧正摩阻力。对于钻（挖）孔柱桩，虽说桩基荷载施加后，因桩身变形会产生桩侧摩阻力，但考虑到柱桩通常不长，桩身轴向压缩不大，也即正摩阻力不大，更不好确定，故桩基承载力不计桩侧正摩阻力。如果采用的柱桩较长，可根据桩侧土的类别适当考虑一部分正摩阻力。实际设计中，一般将桩侧摩阻力作为安全储备。3） 地震作用下桩基设计中计算地面线的确定由于桩基础的地震荷载与桩基础的侧向刚度有关，以一般冲刷线计算时，桩基础的侧向刚度比以局部冲刷线计算的要大，其地震荷载也大，故从结构和基础强度方面考虑，应以一般冲刷线作为地震荷载作用时的计算地面线。但如果从结构和桩基础的侧向位移考虑，则还应以局部冲刷线作为计算地面线。4） 地震作用下土的力学指标折减桩基础在地震荷载作用下，地面以下约20m深度范围内的桩侧土可能发生液化，其各种力学指标如地基比例系数、桩侧摩阻力、内摩擦角和凝聚力等均会发生变化，在进行桩基计算时可将各力学指标考虑如下折减系数。FlZ（m）Fl0.6Z10010Z200.330.6Fl0.8Z100.3310Z200.660.8Fl1.0Z100.6610Z201.0注： Z为标准贯入或静力触探试验点的深度； Fl为液化土的抗液化指数，当采用标准贯入试验时，Fl=N/Ncr（N为现场实测标准贯入数，Ncr为液化临界标准贯入数）；当采用静力触探试验时，Fl=Psca/Ps（Psca为现场实测静力触探计算贯入阻力，Ps为液化临界静力触探贯入阻力）。5） 承受侧面土压力桩基础的计算对于承受侧面土压力的桩基础，较常见的结构有桥台桩基及海港工程中护岸，如右图所示。计算时可按以下步骤进行：（1） 联列解下列方程，求出直接承受侧向土压力桩在地面及承台底面处产生的弯矩和水平力；（2） 把所有承受侧向土压力桩在承台底面处产生的弯矩和水平力组合至承台底的群桩中心处，按一般方法求解各桩桩顶内力；（3） 按单独构件则可求出承受侧向土压力桩各截面处的桩身内力。6） 承受负摩阻力的桩基计算（1）负摩阻力产生的条件 所谓负摩阻力，即当桩周地基土由于某种原因，产生的沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部或一部分面积上出现的向下作用的摩阻力。 造成桩周出现负摩阻力的原因是多方面的，主要有以下几种情况。 桩穿过新沉积的欠固结软粘土或新填土（河口或海岸新的沉积土层、人工水力冲填土层）而支承在硬持力层上时，土层产生固结下沉。 饱和软土中打入密集的桩群，引起超孔隙水压力，土体大量上涌，随后土体因超孔隙水压力消散而重新固结时。 在正常固结粘土和粉土地基中，由于下卧砂层或砾石层中抽取地下水或其他原因，地下水位降低，使土层产生自重固结下沉。 桩侧地面因大面积堆载或大面积填土而大量下沉时。 在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。 由于地层应力松弛，如挡土工程中板桩挠曲变形、隧道施工等引起地基沉降时，桩周非粘性土在动力作用下被夯、振密实时。 判断桩基是否作用有负摩阻力的主要标准：是看桩周土的位移是否大于桩的位移。（2）负摩阻力的特性 中性点 、中性点的特性 桩身负摩阻力并不一定发生于整个软弱压缩土层中，其深度是桩侧土层对桩产生相对下沉的范围，与桩侧土的压缩、固结、桩身弹性压缩变形及桩端下沉等有关。 桩侧土的压缩与地表作用荷载及土压缩性质有关，随深度逐渐减少；而桩在外荷载作用下，桩端下沉量为一定值，桩身压缩变形随深度相应减少，故当到一定深度后，桩侧土的下沉量与桩身的位移量相等，桩土无相对位移，亦即摩阻力为零，此断面称为中性点。 中性点以上桩的位移小于桩侧土的位移，轴向力随深度递增；中性点以下桩的位移大于桩侧土的位移，轴向力随深度递减。 、中性点的位置 中性点位置一般可根据桩的沉降与桩侧土沉降相等来确定，设计中可按以下经验公式计算。h1=h2 式中：h1产生负摩阻力的深度； h2可压缩的软弱土层厚度； 中性点的相对深度系数，根据桩的持力层特点和桩的施工方 法，可按下表选用。桩类桩端持力层较密实砂层N20一般砂或砾砂层岩土或硬土层打入桩0.80.91.0灌注桩0.80.80.9 影响中性点深度的因素主要有： 桩底持力层的刚度，持力层越硬，中性点h1越深，柱桩的h1大于摩擦桩。 桩周土层的变形性质和应力历史。压缩性越高，欠固结度越大，土层越厚，则中性点深度h1越大。 如负摩阻力系由沉桩后外部条件引起的或在桩顶荷载作用下沉降已完成的情况下，h1较大；当堆载强度和面积、地下水降低幅度和面积越大，则h1越大。 桩的长径比越小，截面刚度越大，则h1越大。 时间效应 负摩阻力系由桩侧土层的固结沉降引起，其产生和发展需经历一定时间，时间长短取决于桩侧土固结完成的时间和桩身沉降所完成的时间。当后者先于前者完成时，负摩阻力达到峰值后稳定不变；反之，当桩的沉降迟于桩侧土的沉降时，则负摩阻力达到峰值后又会有所降低。固结土层越厚，渗透性越低，负摩阻力达到峰值所需的时间越长。 中性点位置同样存在时间效应。（3）负摩阻力的计算计算假定： 同一土层的桩周负摩阻力是均匀分布的。 对于同一土层，作用于桩周单位面积的负摩阻力和正摩阻力在数值上大致相等。计算方法： 有效应力法建筑桩基技术规范中采用此方法。式中：v土的竖向有效应力（KPa）。 当降低地下水位时：v=z 当地面有满布荷载时：v=pz fn桩的负摩阻力强度（KPa）； 土的有效容重（KN/m3），地下水位以下采用浮容重； z计算点深度（m）； K土的侧压力系数； 土的有效内摩擦角； p地面均布荷载； 系数，主要由土质条件确定，也与桩型（材料、表面状态、 桩端形式及尺寸等）、沉桩方法、支承条件等因素有关，一 般由实验确定，可按下表数值采用。土 类土 类饱和软土0.150.25砂土0.350.50粘性土、粉土0.250.40自重湿陷性黄土0.200.35注：在同一类土中，打入桩或沉管灌注桩取表中较大值，钻挖孔灌注桩取较小值； 填土按其组成取表中同类土的较大值； 当fn计算值大于正摩阻力时，取正摩阻力值。 按室内外测定的土的力学参数确定单位负摩阻力对于软粘土层： 或式中：qu土的无侧限抗压强度（KPa）； cu土的不排水抗剪强度（KPa），可采用十字板现场测定。对于砂类土：式中：NN63.5标准贯入击数。单桩荷载计算：负摩阻力作为一种外荷载作用在桩上，是一种长期作用的荷载。单桩负摩阻力计算与正摩阻力计算相同，即（最大），则单桩容许承载力按下式计算：对于群桩基础，受桩间土体积、重量的限制影响可使群桩的负摩阻力降低，（即由于负摩阻力是由桩侧土体的沉降引起的，若桩群中各桩表面单位面积所分担的土体重量小于单桩的负摩阻力极限值，则会导致桩群的负摩阻力降低。）另外，外围桩对于地面堆载附加应力起遮挡作用可使群桩的负摩阻力降低。（3）减少负摩阻力的措施 预制混凝土桩和钢桩对于预制混凝土桩和钢桩，一般采用涂层的办法减少负摩阻力，即对中性点以上的桩身部分涂以软沥青涂层，能降低负摩阻力值70%80%左右。为防止桩身侧面所涂沥青在沉桩时被破坏，可将桩底做得比桩身稍大一些。当桩沉入土中时，在桩身所涂沥青的外侧压注膨润土泥浆，既可有利于桩的打入，又可保护桩壁沥青，还可有利于在桩沉入土中后，减少桩侧负摩阻力。近些年来，日本对钢桩采用桩身侧面涂0.5mm厚的粘弹性物质，在这种物质的外面涂上1.8mm厚的合成树脂保护层，效果较好。另外，在桩的外面采取套管，桩与套管之间涂以润滑油，套管起到不让侧面土层的负摩阻力传至桩上的作用，可减少相当一部分负摩阻力。 灌注桩对穿过欠固结土层而支承于坚硬持力层上的灌注桩，可采用以下两种措施之一来降低负摩阻力。1）在沉降土层范围内插入比钻孔直径小510cm的预制混凝土桩段，桩段外围充填稠度较高的膨润土泥浆以形成隔离层。（方法：在泥浆护壁成孔的情况下，可在浇注完下段混凝土后，填入高稠度膨润土泥浆，然后插入预制混凝土桩段。）2）在干作业成桩条件下，可采用双层筒形塑料薄膜预先置于沉降土层范围内，然后在其中浇注混凝土，使塑料薄膜在桩身与孔壁之间形成可自由滑动的隔离层。7） 提高桩基础水平承载力的措施影响桩基础水平承载力的因素较多，主要有桩径、桩材、桩侧土的力学性能、桩顶和桩端的约束条件及作用于桩顶荷载的大小和特性（如动荷载、倾斜荷载等）。在桩基础设计中，可通过采用如下措施来提高其水平承载力。（1） 提高桩的刚度和强度 提高桩身混凝土标号 提高桩身钢筋的配筋率及采用较小直径的主钢筋 对于钢管桩，可填充混凝土（2） 对桩身采取构造措施 采用刚度较大的承台，改善桩顶约束条件 将各桩桩顶用系梁联结，提高桩基整体刚度 适当增加桩身上部8d12d范围内的桩径 在承台上加设翼板，提高土体对桩基的抗力 增加承台底摩阻力（如在承台底设置10cm混凝土或碎石垫层）（3） 提高桩侧土的抗力 在地面围绕桩身开挖一深36d的圆形坑，填以级配砂石或灰土等低压缩性材料并夯实，以提高桩侧地基土水平抗力系数； 在桩身上部约48d范围内将桩侧土挖除，浇注素混凝土； 对于低桩承台，承台外侧的回填土可采用灰土或炉渣、砂石等材料，分层夯实，以提高土的水平抗力。8） 关于公路桥规与铁路桥规中桩身自重取值不同的问题按公路桥规中i计算时，局部冲刷线以下1/2桩重作为外力。因为规范中值和R值都是以或R值只由静载试验的千斤顶为依据而确定的，静载试验前桩身自重已在土中取得平衡，设计中不必计入桩重，但考虑到目前桩基基本上都是1.0m以上直径和40m以上桩长，试验分析中的和R值内所包含的桩重因素不足以与大直径或长仗的自重力相抵消，因此还应增加其不足部分的桩重力。故取其一半。按铁路桥规中i计算时，须将局部冲刷线以下桩重与同体积土体重量之差作为外力。9） 关于桩基竖向达到极限承载力所需位移的问题摩擦桩的受力特性：在竖向荷载作用下，由于桩身和桩底土的弹性压缩，桩与桩侧土体之间将产生相对位移，从而导致桩侧土对桩身产生向上的摩阻力。桩顶荷载在沿桩身向下传递的过程中，必须不断克服这种摩阻力，因此桩身轴向力将随深度逐渐减小，当传至桩底时，桩端轴向力等于桩顶竖向荷载减去全部桩侧摩阻力。但桩侧摩阻力和桩端阻力的极限值不在同一时间发生，与桩土间的变形性状有关，且各自达到极限值时所需的位移量也不相同。桩侧摩阻力达到极限值时，所需的桩土相对位移极限与土的类别有关，而与桩径大小无关，对于粘性土：57mm，对于砂类土：10mm。桩端阻力达到极限值时，所需的桩端位移根据小直径桩的试验结果，一般粘性土为d/4，硬粘土为d/10，砂类土为d/12d/10，d为桩的直径。10） 关于桩侧土水平地基系数的比例系数m值的确定M是用来表征桩侧土对桩身产生弹性抗力大小的一个指数，与土的类别和土的物理性质有着密切的关系，特别与土的抗压缩性能有关。因此，对于不同类别的土、不同物理性质指标的土及桩身不同的侧向位移量，其m值是不同的。对于同一类土，如具有相同的物理性质，当桩身侧向位移愈大时，m值就愈小；桩身侧向位移愈小时，m值就愈大。规范中，钢桩、预应力混凝土桩和预制钢筋混凝土桩在桩顶承受较大侧向荷载时，桩顶即使产生较大的侧向位移而不致使桩产生断裂，该种桩是以桩顶产生10mm较大侧向位移来确定m值；钻孔灌注桩桩顶产生较大侧移时就会出现较宽的裂缝而破坏，该类桩是以桩顶产生6mm较小侧向位移来确定m值。11） 地震区桩侧土的地基系数的比例系数m的确定地震区一般土中的桩基，当桩顶承受反复振动作用的地震荷载时，桩顶的侧移量往往大于非地震荷载作用时的侧移量，因此桩侧地基系数的比例系数m值应降低取用。如果桩基位于饱和松散粉、细砂土和粘粒（粒径小于0.05mm）含量小于1520%的饱和粘砂土（在强烈地震时，还包括饱和松散中砂）中，在地震力反复作用下，土的颗粒骨架结构可能被振密，使土中孔隙水压力突然增大，因此，土的结构遭到破坏，造成土的颗粒之间的抗剪强度下降，甚至不再具有抗剪强度，出现所谓的饱和砂土液化现象，此时桩侧土的地基系数的比例系数m值大大降低，甚至降低到零，结构的侧移则增大。如果桩基置于淤泥或饱和粉质粘土等高灵敏度土中，在地震力反复作用下，土的抗剪强度也降低，呈现所谓的粘土触变现象，此时m值也大大降低，结构的侧移也增大。如果桩基置于无水的砂类土中，地震时土的颗粒可能会被挤密，也可能会变得疏松。当土变得疏松时桩侧土的m值就会降低，结构的侧移增大。当土的颗粒被挤密时，地面或冲刷线处桩身的侧移量减小，m值增大。根据结构物按地震反应谱理论分析，m值增大时结构物承受的地震荷载会增大，可能导致结构发生强度破坏。因此，地震时对于大多数土，地面处桩身侧移较大，桩侧土的地震系数的m值减小，则可能使结构的侧向位移控制设计。只有在无水砂类土中可能存在由于地震而挤密时，使桩侧土地基系数的m值增大，有可能导致结构的强度控制设计。12） 关于补桩的合理布置桩基础在施工中，因施工不慎或其他缘故，造成某根桩报废而需另外补桩，其最小桩间距应满足以下要求：对于钻孔桩，补增的桩与报废的基桩的中心距最好不小于2.5倍成孔桩径，确有困难时不应小于2倍成孔桩径，并在补增的基桩施工时，设置较深的护筒，以防止补增的基桩施工时孔壁发生坍塌；对于预制打入桩，补增的桩与报废的基桩的中心距应尽量不小于1.5倍桩径。二、 桩基础的施工1 施工机械1） 预制桩施工机械 落锤打桩机 柴油打桩机 蒸汽打桩机 振动沉拔桩锤 静力压桩机 履带式打桩机2） 钻孔桩施工机械（1） 螺旋钻机根据钻头螺旋叶片的长短常分为短螺旋和长螺旋钻机，其中长螺旋钻机除用于混凝土灌注桩外，还可用于砂桩、深层搅拌桩、混凝土预制桩钻打结合等施工。（2） 正、循环钻机正、反循环钻机主要根据泥浆循环和排渣方式来区分，其钻杆和钻头也有区别，正循环钻杆直径一般不大于114mm，而反循环钻杆直径均大于150mm。（3） 贝诺特钻机俗称“全套管钻机”，即在成孔和灌注混凝土过程中，完全依靠套管护壁。（4） 冲击钻机是比较古老的钻机，靠大比重泥浆携渣和掏渣筒掏渣。（5） 潜水钻机主机与钻头直接连为一个整体，沉入孔底施工。2 常用施工方法1） 预制桩施工2） 灌注桩施工（1） 钻具 钻具的组成与作用钻具的主要组成部件有：钻头、配重块、钻杆、主动钻杆、稳定器及水龙头等。配重块用于在钻进中向钻头施加轴向压力。稳定器可增加钻头与钻杆的工作稳定性，防止钻杆折断、偏磨与孔斜，减少孔内事故。钻杆在钻进过程中传递扭矩、连接钻头、稳定器等，杆内空腔输送循环液。水龙头承担钻杆以下的所有重量，并将压缩空气和水在密封状态下供入钻杆。 钻具类型螺旋钻具、翼状钻头（刮刀钻头）、钻斗、扩底钻头。（2） 泥浆 泥浆质量的控制因素泥浆比重：泥浆比重在保证正常工作的前提下，应尽量低，否则因粘度大、流动性差而使循环阻力增加。在粘土和亚粘土中，可采用清水钻，利用原土造浆护壁。其排渣泥浆比重应控制在1.11.2（正循环）。在砂土和较厚的夹砂层中成孔时，泥浆比重控制在1.11.3。在穿过砂夹卵石层或容易塌孔的土层中成孔时，泥浆比重应控制在1.31.5。泥浆粘度和切力：粘度和切力的好坏决定排渣效果，静切力过大，则流动阻力大，过小则排渣效果差，易下沉。泥浆失水量和泥饼：失水量小，则泥饼薄而密，有利于巩固槽壁。泥浆含砂量：泥浆含砂量高，易磨损钻具，损坏泥浆泵，应不大于4%。泥浆胶体率和稳定性： 泥浆的成分组成泥浆的成分主要有：大于10%的粘性土、膨润土、水、增粘剂、分散剂。 泥浆的作用泥浆的主要作用如下： 防止孔壁坍塌 悬浮钻渣 冷却钻头泥浆泥皮的厚度宜控制在0.61.5mm，极限3mm；正循环施工时，泥浆面应高于地下水位1m以上；反循环施工时，泥浆面应高于地下水位2m以上。（3） 成孔方法灌注桩的成孔方法主要有： 正循环回转钻进泥浆通过钻杆进入，由钻头射出，孔口排出钻渣。缺点是粒径45cm以上的卵石将沉积在孔底，适用于桩径小于1m以下的桩基；优点是费用低、可在狭窄的地方施工。 反循环回转钻进泥浆循环路线与正循环相反，适用范围较广。优点： 对孔壁施加2KPa以上水头使孔壁稳定，可用非导管法钻进； 与其他方法比，钻进中只需钻杆接长，如采用辅助方法排渣时，能施工长桩，且效率相对较高； 能适用除冲击钻以外其它方法不能施工的2m以上的大直径桩，并能钻进硬岩层； 适用性广，特别适合水上施工； 钻机周转率高、施工速度快； 能以较低的费用施工大直径桩缺点： 当地层中有大于钻口直径的卵石或巨石时，不能钻进； 钻进时需要大量的水，场内被泥水污染，需泥浆处理设备； 对泥浆的处理和护筒的设置需有丰富的经验，否则易发生事故； 管理不慎时，桩内会混入泥砂，桩端残留泥渣； 有时桩偏心较大 存在持力层周围松动受损、桩周地层松动的缺陷； 在持力层附近有较大的承压水和渗流水时，桩体混凝土质量不能保证 桩径扩孔率可达720%。 冲击钻进是一种简单、便宜的成孔方法，适用于卵石、砾石、孤石及岩层中的成孔，可通过反循环法或抽渣筒排出钻渣。 螺旋钻进 钻斗钻进（土钻法） 套管法钻进即在成孔过程中，套管一直跟进直孔底，并随混凝土的灌注提升。优点： 可确保桩径； 除硬岩层、含水厚细砂层外，几乎适用于一切土质的地层； 无需泥浆，对环境保护较好； 地下水和承压水对施工影响小。缺点： 有时套管比较难拔出，钢筋笼易随之拔出； 在粘性较大的软质粘土中抓土困难，钻进效率下降； 设备昂贵。 沉管钻进 潜孔锤钻进 套管内击式法钻进 人工挖孔法护壁方法： 现浇钢筋混凝土护壁 预制混凝土板护壁 砖砌护壁 钢板护壁3 钻孔灌注桩施工工序1） 准备工作钻孔桩施工前的准备工作主要有场地准备、埋设护筒、制作泥浆及选择钻具等。 场地准备在场地准备时，对于岸上桩基是平整场地，必要时加固地基；对于滩头或浅水区桩基，则可采用筑岛或搭设平台；对于深水区桩基，则可通过船舶、浮箱或钢管桩搭设施工平台。 钢护筒埋设桩基施工时，一般应埋设护筒，护筒直径应大于桩径20cm以上，可根据桩径大小、钻具类型及施工水深来确定。钢护筒壁厚一般按D/150。护筒顶端高度按以下确定： 采用反循环法施工，高出地下水位2.0m以上； 采用正循环法施工，高出地下水位1.0m以上； 采用其他方法施工，高出地下水位1.52.0m； 岸上施工时，高出地面0.3m； 孔内有承压水时，高出稳定后的承压水位2.0m以上； 潮汐影响区施工时，高出最高水位1.52.0m。护筒埋置深度：应根据地质条件、水文情况、有无冻土等因素确定。 对于粘土层，宜进入不小于1.01.5m； 砂土层，宜尽量穿过粉、细砂层； 局部冲刷线以下不小于1.01.5m； 冰冻线以下0.5m。 泥浆制作 钻具选择2） 钻孔3） 清孔 掏渣清孔法采用抽渣筒、大锅锥或冲抓锥清掏孔底粗钻渣，仅适用于冲抓、冲击钻孔