《各类桩基础介绍》PPT课件

第十二章桩基础,12.1概述,12.8桩承台的设计,12.2桩的类型,12.3桩的竖向承载力,12.4桩基础的沉降计算,12.5桩的负摩擦问题,12.6桩的水平承载力,12.7桩的平面布置原则,12.9桩基础设计的一般步骤,一、桩基础及其应用,桩基础（简称桩基）：桩基础由桩和承台两部分组成，共同承受静动荷载的一种深基础。桩：是设置于土中的具有一定刚度和抗弯能力的竖直或倾斜的柱型基础构件，其横截面尺寸比长度小得多，它与连接桩顶和承接上部结构的承台组成深基础。承台：把若干根桩的顶部联结成整体，把上部结构传来的荷载转换、调整分配于各桩，由穿过软弱土层或水的桩传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层，从而保证建筑物满足地基稳定和变形允许值的要求。桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、抗震能力强、便于机械化施工、适应性强等特点，在工程中得到广泛的应用。,12.1概述,对下述情况，一般可考虑选用桩基础方案：天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物；天然地基承载力基本满足要求、但沉降量过大，需利用桩基减少沉降的建筑物，如软土地基上的多层住宅建筑，或在使用上、生产上对沉降限制严格的建筑物；重型工业厂房和荷载很大的建筑物，如仓库、料仓等；软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物；作用有较大水平力和力矩的高耸结构物（如烟囱、水塔等）的基础，或需以桩承受水平力或上拔力的其他情况；需要减弱其振动影响的动力机器基础，或以桩基作为地震区建筑物的抗震措施；地基土有可能被水流冲刷的桥梁基础；需穿越水体和软弱土层的港湾与海洋构筑物基础，如栈桥、码头、海上采油平台及输油、输气管道支架等。,桩的应用历史(1)7000-8000年前湖上居民,浙江河姆渡(2)3000-4000年前在罗马(3)西安灞桥,北京御河桥,隋唐建塔(4)明清,二、桩基础的类型,根据承台与地面相对位置的高低，分为：低承台桩基和高承台桩基。低承台桩基：承台底面位于地面以下。（工业民用建筑）高承台桩基：承台底面高于地面。（桥梁、海洋构筑物）,桩基是由桩、土、承台共同组成的基础，应结合地区经验考虑三者的共同作用。由于桩基承载力都较高，通常大多数桩基的首要问题是在于控制其沉降量，因此，桩基设计应按变形控制设计。桩基设计应满足下列条件：强度要求：单桩承受竖向荷载不宜超过单桩竖向承载力特征值；变形要求：桩基础的沉降不得超过建筑物沉降允许值；对于坡地岸边的桩基应进行桩基稳定性验算。,三、桩基设计原则,四、桩基设计内容,桩基设计包括下列基本内容：桩的类型和几何尺寸的选择；单桩竖向（和水平向）承载力的确定；确定桩的数量、间距和平面布置；桩基承载力和沉降验算；桩身结构设计；承台设计；绘制桩基施工图。,12.2桩的类型,一、按桩的承载性状和竖向受力分类摩擦型桩和端承型桩,摩擦型桩：桩顶竖向荷载由桩侧阻力和端阻力共同承担，但桩侧阻力分担较多荷载。当桩顶竖向荷载绝大部分由桩侧阻力承担，端阻力很小时，称为摩擦桩。下列情况可按摩擦桩考虑：1、桩的长径比很大，桩端分担的荷载很小；2、桩端下无较坚实的土层；3、桩底有较厚虚土和残渣的灌注桩；4、打入邻桩使先前设置的桩上抬，桩端脱空。,端承型桩：,桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受，但桩端阻力分担荷载较多的桩。这类桩的侧摩阻力虽属次要，但不可忽视。主要由桩端阻力分担荷载，而侧阻力很小可以忽视不计时的桩称为端承桩。,下列情况可按端承型桩考虑：1、桩的长径比较小（l/d10），桩穿过软土层，桩端位于硬土层。2、当桩嵌入完整或较完整岩层时称为嵌岩桩。,二、按桩的施工方法分类：预制桩和灌注桩,（一）预制桩1、定义：指借助于专用机械设备将预先制作好的具有一定形状、刚度与构造的桩杆打入、压入或振入土中去的桩型。2、预制桩的种类：据制桩材料不同，主要有木桩、混凝土预制桩和钢桩。1）混凝土预制桩一般为配筋率较低（0.31.0%）的钢筋混凝土桩。截面形状：方形、圆形等，普通实心方桩截面尺寸：300500mm。制作方式：工厂预制，每节长度小于12m，现场预制2530m，沉桩时现场连接到所需长度。特点：可方便地按所需长度、断面形状与尺寸进行制作（制作方便），材料易得，质量可控制与检验，强度高、刚度大，采用广泛。配筋主要受起吊、运输、吊立、沉桩等各阶段的应力控制，用钢量较大。,2）预应力钢筋混凝土桩为减少混凝土预制桩的钢筋用量、提高桩的承载力和抗裂性，可采用预应力混凝土桩。预应力混凝土桩是指将钢筋混凝土桩的部分或全部主筋作为预应力张拉钢筋，采用先张法或后张法对桩身混凝土施加预压应力，以减小桩身混凝土的锤击拉应力和弯拉应力，提高桩的抗冲（锤）击能与抗弯能力。其特点为：强度高、抗裂性好。预应力混凝土管桩采用先张法预应力工艺和离心成型法制作。桩的下端设置十字型桩尖、圆锥型桩尖或开口型桩尖。,3）钢桩工程常用的钢桩有H型钢桩以及下端开口或闭口的钢管桩等。H型钢桩的横截面大都呈正方形，截面尺寸为200200mm360410mm，翼缘和腹板的厚度为926mm。H型钢桩贯人各种土层的能力强，对桩周土的扰动亦较小。由于H型钢桩的横截面面积较小，因此能提供的端部承载力并不高。特点：钢桩的穿透能力强，自重轻、锤击沉桩的效果好，承载能力高，无论起吊、运输或是沉桩、接桩都很方便。但钢桩的耗钢量大，成本高，抗腐蚀性能较差，须做表面防腐蚀处理，目前我国只在少数重要工程中使用。,预制桩的沉桩方式主要有锤击法沉桩、振动法沉桩及静压法沉桩。1）锤击法（打桩）沉桩系采用蒸汽锤、柴油锤、液压锤等，依靠沉重的锤芯自由下落以及部分包含液压产生的冲击力，将桩体贯入土中，直至设计深度。适用于地基土为松散的碎石土（不含大卵石或漂石）、砂土、粉土以及可塑粘性土的情况。缺点：会产生较大的振动、挤土和噪声，引起邻近建筑物或地下管线的附加沉降或隆起，妨碍人们的正常生活与工作。措施：施工时应加强对邻近建筑物和地下管线的变形监测与施工控制，并采取周密的防护措施。适用于松软土地质条件和较空旷的地区。,2）振动法沉桩凭借放置于桩顶的振动锤使桩产生振动，从而使桩周土体受扰动或液化，强度和阻力大大降低，于是桩体在自重和动力荷载作用下沉入土中。适用于可塑状的粘性土和砂土，对受振动时土的抗剪强度有较大降低的砂土地基和自重不大的钢桩，沉桩效果更好。选用时应考虑其振动、噪声和挤土效应。3）静压法沉桩采用液压或机械方法对桩顶施加静压而将桩压入土中设计标高。施工过程中无振动和噪声。适宜在软土地带城区施工。但应注意，其挤土效应仍不可忽略，亦应采取防挤措施。静压桩机压桩力一般约为800kN至5000kN，最大压桩力已达8000kN。,沉管灌注桩,钻孔灌注桩,挖孔灌注桩,爆破灌注桩,灌注桩,（二）灌注桩指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成的桩孔内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。灌注桩的横截面呈圆形，可以做成大直径和扩底桩。优点：省去了预制桩的制作、运输、吊装和打入等工序，桩不承受这些过程中的弯折和锤击应力，节省了钢材和造价。同时更能适应基岩起伏变化剧烈的地质条件（适应性强）。缺点：成桩过程完全在地下“隐蔽”完成。施工过程中的许多环节把握不当则会影响成桩质量。,1、沉管灌注桩沉管灌注桩是指采用锤击沉管打桩机或振动沉管打桩机，将套上预制钢筋混凝土桩尖或带有活瓣桩尖（沉管时桩尖闭合，拔管时活瓣张开以便浇灌混凝土）的钢管沉入土层中成孔，然后边灌注混凝土、边锤击或边振动边拔出钢管并安放钢筋笼而形成的灌注桩。锤击沉管灌注桩的常用直径（指预制桩尖的直径）为300500mm，振动沉管灌注桩的直径一般为400500mm。沉管灌注桩桩长常在20m以内，可打至硬塑粘土层或中、粗砂层。优点：在钢管内无水环境中沉放钢筋笼和浇灌混凝土，为桩身混凝土的质量提供了保障。缺点：一是提管速度过快会造成缩颈、夹泥、甚至断桩；二是沉管过程中产生挤土效应除产生与预制桩类似的影响处，还可能使混凝土尚未结硬的邻桩被剪断。对策：控制提管速度，并振动桩管，不让管内产生负压，提高桩身混凝土的密实度并保持其连续性；采用“跳打”顺序施工，待混凝土强度足够时再在它的近旁施打相邻桩。,机器就位,沉管,浇混凝土,拨管、振动机器就位,安钢筋笼，浇混凝土,成型,2、钻孔灌注桩：指各种在地面用机械方法取土成孔的灌注桩。目前，桩径为600或650mm的钻孔灌注桩，国内常用回转机具成孔，桩长1030m；1200mm以下的钻（冲）孔灌注桩在钻进时不下钢套筒，而是采用泥浆保护孔壁以防塌孔，清孔（排走孔底沉渣）后，在水下浇灌混凝土。更大直径（1500-3000mm）的钻（冲）孔桩一般用钢套筒护壁，所用钻机具有回旋钻进、冲击、磨头磨碎岩石和扩大桩底等多种功能，钻进速度快，深度可达80m。步骤：成孔、沉放导管和钢筋笼、浇灌水下混凝土成桩。优点：施工过程无挤土、无振动、噪声小，对邻近建筑物及地下管线危害较小，且桩径不受限制，是城区高层建筑常用桩型。缺点：泥浆沉淀不易清除，以至使其端部承载力不能充分发挥，并造成较大沉降。措施：孔底夯填碎石消除淤泥沉淀或桩底注浆，置换与加固沉淀泥浆。,3、挖孔灌注桩挖孔桩可采用人工或机械挖掘成孔，每挖深0.91.0m，就现浇或喷射一圈混凝土护壁（上下圈之间用插筋连接），然后安放钢筋笼，灌注混凝土而成。人工挖孔桩的桩身直径一般为8002000mm，最大可达3500mm。当持力层承载力低于桩身混凝土受压承载力时，桩端可扩底，视扩底端部侧面和桩端持力层土性情况，扩底端直径与桩身直径之比D/d不宜超过3，最大扩底直径可达4500mm。挖孔桩的桩身长度宜限制在30m内。当桩长L8m时，桩身直径（不含护壁）不宜小于0.8m；当8mL15m时，桩身直径不宜小于1.0m；当15mL20m时，桩身直径不宜小于1.2m;当桩长L20m时，桩身直径应适当加大。工艺特点：现多用现浇混凝土护壁。适用环境：适用于粘性土和地下水位较低，含水砂层易引起流砂坍孔；优点：一是直观性，可在开挖面直接鉴别和检验孔壁和孔底的土质情况；二是能直能测定与控制桩身与桩底的直径及形状等，克服“隐蔽性”；三是干作业，挖土和浇灌混凝土都是在无水环境下进行，避免了泥水对桩身质量和承载力的影响；四是施工过程对周围没有挤土影响；五是不必采用大型机械、造价低，但需注意安全。,4、爆扩灌注桩爆扩灌注桩是指就地成孔后，在孔底放人炸药包并灌注适量混凝土后，用炸药爆炸扩大孔底，再安放钢筋笼，灌注桩身混凝土而成的桩。爆扩桩的桩身直径一般为200350mm，扩大头直径一般取桩身直径的23倍，桩长一般为46m，最深不超过10m。这种桩的适应性强，除软土的新填土外，其他各种地层均可用，最适宜在粘土中成型并支承在坚硬密实土层上的情况。,我国常用灌注桩的适用范围见下页表,（三）按桩的成型方式效应分类：挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩桩的成型方式（打入或钻孔成桩等）不同，桩周土受到的挤土作用也很不相同。挤土作用会引起桩周土的天然结构、应力状态和性质产生变化，从而影响桩的承载力，这种变化与土的类别、性质特别是土的灵敏度、密实度和饱和度有密切关系。对摩擦型桩，成桩后的承载力还随时间呈一定程式的增长，一般来说，初期增长速度较快，随后逐级变缓，一段时间后则趋于某一极限值。根据成桩方法对桩周土层的影响，桩可分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类。,（1）挤土桩(也称排土桩)：这类桩在设置过程中，桩周土被挤开，使土的工程性质与天然状态比较，发生较大变化。挤土桩主要包括打入或压入预制混凝土桩、封底钢管桩和混凝土管桩和沉管式的灌注桩等；挤土桩的成桩效应:粘性土：表现为桩侧土受到挤压、扰动、重塑，产生超孔隙水压力，饱和粘性土中，可能会因邻近土体产生横向位移和竖向隆起而使临近先打入的桩被推移或被抬起，或对邻近的结构物造成重大影响。随后超孔隙水压力消散、产生再固结和触变恢复。挤土效应将使桩周土产生压缩增强效应，使侧阻力提高。但压缩增强效应有限，与土的强度、模量、泊松比有关。,砂土：非密实砂土中的挤土桩，桩周土因侧向挤压而趋于密实，土的相对密实度提高。挤密范围桩侧可达35.5倍桩径，桩端可达2.54.5倍桩径。桩群的桩周土挤密效应更为显著。从而使桩的承载力提高。,（2）部分挤土桩(也称少量排土桩)：这类桩在设置过程中，由于挤土作用轻微，故桩周土的工程性质变化不大。这类桩主要有打入的截面厚度不大的工字型和H型钢桩、开口钢管桩、开口的预应力混凝土管桩等；,（3）非挤土桩(也称非排土桩)：这类桩在设置过程中将相应于桩身体积的土挖出，因而桩周及桩底土有应力松弛现象。这类桩主要是各种型式的钻挖孔灌注桩以及预钻孔埋桩等。成桩效应：粘性土：干作业无护壁条件下，孔壁土处于自由状态，产生向孔内的径向位移，虽然浇注混凝土后径向位移会有所恢复，但桩周土仍处于一定的松弛状态泥浆护壁条件下，孔壁侧向变形受到约束，松弛效应不明显，但桩侧阻力受泥浆稠度、混凝土浇注等影响较大，桩侧阻力多少有所下降；桩端下土会受扰动与发生软化，孔底残留虚土和沉渣，导致桩端阻力降低、沉降量增大。砂土：砂土中的大直径钻（挖）孔桩一般需用钢套管或泥浆护壁，刚套管护壁时，套管沉拔、摇动使孔壁砂土松动，减小了桩侧阻力。,（四）按承台与地面相对位置高低：低承台桩基（承台位于地面以下）和高承台桩基（承台位于地面以上）。,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（离心预制）混凝土、高强混凝土。,（五）按桩身材料分：,（六）按桩身形状分：,按断面(直径）的大小：大直径桩：d800mm；用作大型桥梁、超高层建筑的基础。中等直径桩（最常用）：250mmd800mm；小直径桩：dKp,单一安全系数法：,分项安全系数法：,单桩竖向承载力的确定方法：静载荷试验法静力触探法标准贯入法动力分析法经验分析法（按规范经验参数法),建筑桩基技术规范对单桩竖向承载力的确定有如下规定：一级建筑桩基：现场静载荷实验，结合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定；二级建筑桩基：静力触探、标准贯入、经验参数估算，并参照地质条件相同的试桩资料，当缺乏可参照的试桩资料或地质条件复杂，应由现场静载荷试验确定；三级建筑桩基：如无原位测试资料时，利用承载力经验参数估算。,静载荷试验是评价单桩承载力诸法中可靠性较高的一种方法。试验要求：成桩后间歇时间：挤土桩在设置后须隔一段时间才开始载荷试验。这是由于打桩时土中产生的孔隙水压力有待消散，且土体因打桩扰动而降低的强度也有待随时间而部分恢复。所需的间歇时间：预制桩在砂类土中不得少于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。应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行。测桩数：在同一条件下，进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的1，且不应少于3根。试验装置：主要包括加荷稳压部分、提供反力部分和沉降观测部分。静荷载一般由安装在桩顶的油压千斤顶提供。千斤顶的反力可通过锚桩承担，或借压重平台上的重物来平衡。量测桩顶沉降的仪表主要有百分表或电子位移计等。,1、静载荷试验法,加荷装置：,试验方法、终止加载条件：（1）加载逐级等量加载，分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10，其中第一级可取分级荷载的2倍。为设计提供依据的竖向抗压试验测试应采用慢速荷载维持法（满足连续两小时内每小时的桩顶沉降量不超过0.1mm的相对稳定标准时，施加下一级荷载）。每级荷载施加后按第5，15，30，45，60min测读桩顶沉降量（及桩侧阻力与桩端阻力），以后每隔30min测读一次。工程桩验收检测宜采用慢速荷载维持法。当有成熟的地区经验时，也可采用快速荷载维持法（每级荷载至少维持1h，是否延长维持荷载时间应根据桩顶沉降收敛情况确定）。(2）卸载分级卸载，每级卸载量取分级加载量的2倍。每级荷载维持1h,按第15，30，60min测读测试值。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。,（3)终止加荷条件某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍。（注：当桩顶沉降能相对稳定且总沉降量小于40mm时，宜加载至桩顶总沉降超过40mm。）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到稳定标准。已达到设计要求的最大加载量。工程桩做锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值。当荷载一沉降曲线呈缓变型时，加载至桩顶总沉降量达6080mm；特殊情况下，根据具体要求加载至桩顶总沉降量超过80mm。,单桩承载力确定（1)试验成果：竖向荷载一沉降（Q-s）曲线；沉降一时间对数（s-logt)曲线。(2)单桩竖向抗压极限承载力Q。按下列方法综合确定：根据沉降随荷载变化特征确定。对于陡降型Q-s曲线，其发生明显陡降的起始点对应的荷载值。根据沉降随时间变化的特征值确定。取s-logt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。根据相对稳定标准确定。某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到稳定标准时，取前一级荷载值。,根据沉降量确定。对于缓变型Q-s曲线，一般取：s=4060mm对应的荷载值（当桩长大于40m时，宜考虑桩身弹性压缩量）；对于大直径桩可取：s（0.030.06)D（D为桩端直径，大直径取低值，小直径取高值）所对应的荷载值；对于细长桩(l/d80)可取，s=6080mm对应的荷载值。按上述四款判定桩的竖向抗压承载力未达到极限时，取最大试验荷载值。(3)确定竖向抗压极限承载力的统计值的要求：参加统计的试桩结果，当满足其极差不超过平均值的30时，取其平均值；极差超过平均值的30时，应分析极差过大的原因，综合工程具体情况确定，必要时可增加试桩数量；对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3根时，应取低值。(4)单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值R。应按单桩竖向抗压极限承载力统计值的一半取值。,试验成果：,2.静力触探,、：修正系数qc,fsi：探头的端阻与侧阻,Electricstaticcone,三、经验方法建筑地基基础设计规范中的单桩竖向承载力特征值按下式计算：,式中,桩端端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得，也可查规范给出的参考值；,桩底端横截面面积；,桩身周边长度；,第i层岩土的厚度。,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：,式中,桩端岩石承载力特征值。,可按GB50007-2002附录H确定，或根据室内岩石饱和单轴抗压强度标准值按下式计算：,建筑桩基技术规范中的单桩竖向承载力设计值按下式计算：,附,附,（1）一般预制桩及灌注桩,效应系数：与土性有关,附,（2）大直径桩,（3）嵌验桩,附,同时，桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求。,R:混凝土桩的单轴轴向承载力设计值（kN）；c：施工工艺系数；c：桩的稳定系数；fc:混凝土轴心抗压强度,kPa;fy:纵向钢筋抗压强度,kPa；Ap，Ag：桩身截面和纵向钢筋横截面面积（m2）。,混凝土,钢筋混凝土,附,PileCap,三、竖向荷载下的群桩基础及群桩效应,（一）群桩基础由多根桩在上部通过承台联结而成的桩基础称为群桩基础。,群桩效应:由于承台、桩、土相互作用,群桩基础中的单根桩（基桩）单独受荷时的承载力和沉降性状，往往与相同地质条件和设置方法的同样独立单桩有显著差别，这种现象称为群桩效应。,（二）群桩效应,1、端承型群桩基础的群桩效应,桩底持力层较硬，桩身下沉量小，桩侧摩阻力不易发挥，上部荷载通过桩身直接传到桩端土层，而桩端处承压面积小，各桩端的压力彼此互不影响。因此，有：端承群桩中各桩的工作特点与单桩工作情况基本一致；群桩承载力=各单桩承载力之和；群桩沉降量=单桩沉降量。,2、摩檫型群桩基础的群桩效应,（1）群桩的工作特点：摩擦桩的侧摩阻力在土中引起的附加压力一般假定为按某一角度沿桩长向下扩散分布至桩端平面处。,如果sD（如s=(34)d）,摩擦群桩工作性状存在群桩效应，因桩端平面各基桩的应力互相叠加，使桩底压力增加，影响深度和范围增加。此时，摩擦群桩承载力不等于各单桩承载力之和，对于粘土尤其是软土地基，群桩承载力小于各单桩承载力之和群桩沉降量大于单桩沉降量；砂土地基由于群桩产生挤密效应,桩侧摩阻力会增加，其中，中间桩增值大些，边桩和角桩小些，群桩承载力可能大于各单桩承载力之和。,如果s6d）,摩擦群桩各基桩的工作性状与单桩工作性状基本相同，因桩端平面各基桩的应力不存在互相叠加现象，此时，摩擦群桩承载力等于各单桩承载力之和，摩擦群桩沉降等于单桩沉降；,压力扩散深度,（2）承台的影响高承台：由于承台底面与土脱开，荷载全部由桩承担。承台主要是通过承台刚度对桩顶位移和荷载施加影响，类似于刚性浅基础基底反力问题。中心荷载作用下的刚性承台在迫使各桩同时均匀沉降的同时，也使各桩桩顶荷载分配有别,其中角桩最大、边桩次之，中间桩最小，桩数越多，差异越明显。随着承台柔度增加，各桩桩顶荷载的分配将逐渐与承台上的荷载分布一致。,低承台：除了具有高承台的影响外，但由于低承台底面与土接触，承台底面通过桩间土反力分担荷载，使承台兼有浅基础作用，低承台桩基础也称为“复合桩基”。由于承台底可分担一部分荷载（从百分之十几到百分之五十以上），使桩基承载力随之提高。对发挥承台底桩间土反力的有利因素是：桩顶荷载水平高、桩端持力层可压缩、承台底面下土质好、桩身细而短、布桩少而疏。但下列情况下的低承台桩基在建成后，承台底面仍可能会与基土脱开：承台下为可液化土、湿陷性黄土、高灵敏度粘土、欠固结土、新近填土、可出现震陷、降水、沉桩过程产生高超静水压力及地面隆起的地基土。,群桩效应,挤密效应扰动与超静孔压力地面与桩的侧移与上浮约束效应荷载的调节作用应力叠加沉降增加承台承担部分荷载,（三）群桩效应系数,国内外的大量工程实践和试验研究证明：用单一的群桩效应系数不能正确反映群桩基础的工作状态，原因是：群桩基础的沉降量只要满足建筑物桩基变形允许值的要求，无需按单桩的沉降量控制；群桩基础的基桩与单桩的工作条件不同，其极限承载力也不一样。目前工程上考虑群桩效应的方法有两种：群桩分项效率系数法：以概率极限设计为指导，通过实测资料的统计分析对群桩内每一基桩的侧阻力和端阻力分别乘以群桩效应系数。建筑桩基础技术规范（JG94-2008）等代实体基础法：把承台、桩、桩间土当成一个整体埋置于桩端平面深度的深基础，进行承载力和变形验算。建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）,四、群桩基础基桩竖向承载力的确定,群桩分项效率系数法,不再采用单一安全系数，代之以采用侧阻力、端阻力、承台土的抗力系数s、p、c。或侧阻端阻综合抗力系数sp和承台土的抗力系数c。根据桩群-土-承台相互作用特性，经大量试验和统计分析，给出各项群桩效应系数：侧阻力群桩效应系数s、端阻力群桩效应系数p、侧阻端阻综合群桩效应系数sp以及承台土阻力群桩效应系数c。利用按规范与经验求得的单桩总极限侧阻力、端阻力，或按静荷载试验测得的单桩极限承载力，得基桩承载力设计值。,建筑地基基础设计规范（GB50007-2002)以下情况需计算桩基础沉降并符合要求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。,12.4桩基础的沉降计算,一、单桩沉降计算,1、单桩沉降的组成,桩身弹性压缩;侧阻传递到桩端平面以下引起土体压缩;端阻引起土体压缩（桩的贯入变形）。,2、单桩沉降计算方法（具体方法略）,弹性理论分析法(Poulos);荷载传递分析法（位移协调法，coyle、Reese1966);数值分析方法：FEM(Plaxis)剪切变形传递法其它,二、群桩沉降计算,1、群桩沉降的组成,桩身弹性压缩;桩侧剪应力引起桩端沉降;桩端应力引起桩端沉降；低承台的承台土反力引起桩端沉降。,2、影响群桩沉降的因素,群桩几何尺寸（桩间距、桩长、桩数、桩基础宽度与桩长比等）;成桩工艺;土层性质；荷载大小与持续时间；承台设置方式；桩的布置。,由于影响因素复杂，目前尚未有较为完善的计算方法。多采用实体深基础法（桩距不大于6d）：将桩基础看作是设置在桩端平面处的实体基础，然后用一般计算浅基础沉降的单向压缩分层总和法计算桩端下土的压缩层厚度内的变形值，即作为桩基础的沉降。地基土附加应力计算方法有：Boussinesq法；Mindlin法。虽然较Boussinesq法更符合实际，但更复杂。,3、群桩沉降计算方法,一）建筑地基基础设计（GB50007-2002）推荐的计算方法是实体深基础法：实体深基础底面与桩端齐平。支承面积可按考虑扩散作用和不考虑扩散作用采用。按浅基础的沉降计算方法计算，但须将浅基础的沉降计算经验系数s改为桩基沉降计算经验系数p。采用Boussinesq法计算附加应力，也可采用Mindlin法。,注意两种方法的不同之处：支承面积；实体深基础受力；我国多采用考虑扩散作用的计算图式（a），美国等有些国家采用不考虑扩散作用的计算图式（b）。,式中pk相应于荷载效应准永久组合时的实体深基础底面处的基底压力；c实体深基础基底处原有的土中自重应力；Fk相应于荷载效应准永久组合时，作用于桩基承台顶面的竖向力；Gk实体深基础自重，包括承台自重、承台上土重以及承台底面至实体深基础范围内的土重与桩重；但在地下水位以下部分应扣去浮力；A实体基础基底面积，a0、b0桩群外围桩边包络线内矩形面积的长、短边长度。,1）考虑扩散作用,2、不考虑扩散作用时,式中pk相应于荷载效应准永久组合时的实体深基础底面处的基底压力；c实体深基础基底处原有的土中自重应力；Fk相应于荷载效应准永久组合时，作用于桩基承台顶面的竖向力；Gk桩基承台自重及承台上土重；Gfk实体深基础桩及桩间土的自重；m实体深基础底面以上各土层的加权平均重度。,二）建筑桩基础技术规范（JG94-2008）推荐的“等效作用分层总和法”通过引入“等效沉降系数”来间接考虑Mindlin法的优点。方法如下：等效作用面位于桩端平面，等效面积为桩承台投影面积。考虑到桩自重引起的附加应力较小，可忽略不计，等效作用面的附加应力近似取对应荷载准永久组合时承台底面的平均附加应力。等效面以下的附加应力分布采用Boussnesq解。,一、产生负摩擦的条件和原因正摩阻力：桩相对于桩侧土体向下位移时，土对桩产生的向上作用的摩阻力，称为正摩阻力。负摩阻力：当桩侧土体因某种原因而下沉，且其下沉量大于桩的沉降时，土对桩产生的向下作用的摩阻力，称为负摩阻力。负摩阻力相当于是施加于桩身的外荷载，增大了桩身轴力，导致桩的承载力相对下降和桩基的沉降加大。,12.5桩的负摩擦问题,(1)桩侧地面上有分布范围较大的荷载（如大面积堆载），致使桩周土压密；(2)地下水位全面下降（如长期抽取地下水）致使土的有效应力增加，引起大面积沉降；(3)桩穿过欠固结软粘土或新填土，而支撑于坚硬的土层上，桩周土在自重应力作用下随时间而逐渐固结；(4)湿陷性黄土遇水湿陷下沉、季节性冻土的融陷下沉、可液化土层受地震或其它动力荷载作用使液化土重新固结引起下沉；(5)打桩使已设置的邻桩抬升(6)在饱和软土中打入密集的桩群，产生超静孔隙水压力，引起土体大量上涌，随后重塑土体因超孔隙水压力消散而重新固结引起下沉。,产生负摩擦的条件,中性点,桩土间没有相对位移，作用在桩上的摩阻力为零的桩截面位置,中性点处桩身轴力达到最大值。,二、负摩阻力的计算,1、单桩负摩阻力的计算,（1）中性点的位置ln,ln,土位移Ss,桩位移Sp,中性点,受影响因素多、与桩周土的性质、外界条件（堆载、降水、浸水等）变化有关，目前多用近似估算法或采用工程经验值。工程实测表明，在可压缩土层l0的范围内，ln随桩端持力层的强度和刚度增大而增大。可按下表选用。,（2）负摩阻力强度n,受桩周土和桩端土的强度和变形性质、土层的应力历史、地面堆载的大小与范围、地下水降低的幅度和范围、桩的类型与成桩工艺、桩顶荷载施加时间的影响，精确计算复杂而困难。,对于砂土也可用下公式计算：,桩周底i层土经钻杆长度修正后的平均标准贯入试验锤击数。,（3）下拉荷载Fn,为中性点深度ln范围内负摩阻力累计值。,2、群桩负摩阻力的计算,三、减小负摩阻力的工程措施,1、预制混凝土桩和钢桩,涂软沥青层：采用软化点较低沥青（5065度），先将桩面清洗干净，将沥青加热至150180度，喷浇厚度610mm。,2、灌注桩,充填膨润土；铺设塑料薄膜。,大多数桩以承受竖向荷载为主，有时也要承受一定的水平荷载。作用于桩顶的水平荷载性质包括：长期作用的水平荷载：如上部结构传递的或由土、水压力施加的以及拱的推力等水平荷载；反复作用的水平荷载：如风力、波浪力、船舶撞击力以及机械制动力等水平荷载；地震作用所产生的水平力。若桩基以承受水平荷载为主，可考虑采用斜桩。但受斜桩施工施工条件的限制，且一般的工民建筑所承受的水平荷载不大，如果不超过竖向荷载的1/101/12，应采用竖直桩。本节只讨论竖直桩。,1、水平荷载种类,12.6桩的水平承载力,桩的水平（横向）承载力指桩能够承担的水平力的大小。对于抗弯性能差的桩（如低配筋率的灌注桩）：水平承载力可能由桩身强度来控制；对于抗弯性能好的桩（如钢筋混凝土预制桩）：通常由桩周围土体所能提供的横向抵抗力控制，且以桩顶水平位移达到一定值或桩侧土出现明显破坏，作为桩达到横向极限承载力的标志。水平承载力与桩身抗弯刚度、桩周土的刚度、桩的入土深度、桩顶约束条件有关。桩顶嵌固于承台中的桩比桩顶自由的桩，水平承载力要大。,2、影响桩水平承载力的因素,一、水平荷载下桩的工作性状,取决于桩-土之间的相互作用：作用过程大概如下：在水平荷载作用下，桩产生变形并挤压桩周土，促使桩周土发生相应的变形而产生水平抗力。水平荷载较小时，桩周土的变形是弹性的，水平抗力主要由靠近地面的表层土提供；随着水平荷载的增大，桩的变形加大，表层土逐渐产生塑性屈服，水平荷载将向更深的土层传递；当桩周土失去稳定、或桩体发生破坏（低配筋率的灌注桩常是桩身首先出现裂缝，然后断裂破坏）、或桩的变形超过建筑物的允许值（抗弯性能好的混凝土预制桩和钢桩，桩身虽未断裂但桩周土如已明显开裂和隆起，桩的水平位移一般已超限）时，水平荷载也就达到极限。,依据桩、土相对刚度不同，水平荷载作用下的桩可分为：刚性桩、半刚性桩、柔性桩。半刚性桩和柔性桩统称为弹性桩。（1）刚性桩：当桩很短或桩周土很软弱时，桩、土的相对刚度很大，属刚性桩。刚性桩的桩身不发生挠曲变形且桩的下段得不到充分的嵌制，因而桩顶自由的刚性桩发生绕靠近桩端的一点作全桩长的刚体转动（图a)，而桩顶嵌固的刚性桩则发生平移（图b）。刚性桩的破坏一般只发生于桩周土中，桩体本身不发生破坏。刚性桩常用B.B.布诺姆斯（Broms，1964）的极限平衡法计算。,（2）弹性桩：半刚性桩（中长桩）和柔性桩（长桩）的桩、土相对刚度较低，在水平荷载作用下桩身发生挠曲变形，桩的下段可视为嵌固于土中而不能转动，随着水平荷载的增大，桩周土的屈服区逐步向下扩展，桩身最大弯矩截面也因上部土抗力减小而向下部转移，一般半刚性桩的桩身位移曲线只出现一个位移零点（图a、a），柔性桩则出现两个以上位移零点和弯矩零点（图b、b）。当桩周土失去稳定、或桩身最大弯矩处（桩顶嵌固时可在嵌固处和桩身最大弯矩处）出现塑性屈服、或桩的水平位移过大时，弹性桩便趋于破坏。,二、水平荷载下弹性桩的计算,计算方法：地基反力系数法（目前最常用）、弹性理论法、有限元法。,地基反力系数法,原理：应用文克尔（E.Winkler,1867）地基模型，把承受水平荷载的单桩视作弹性地基中的竖直梁，通过求解梁的挠曲微分方程来计算桩身的弯矩、剪力以及桩的水平承载力。,1、基本假设,单桩承受水平荷载时，把土体视为线性变形体，假定深度z处的土的水平抗力x等于该点的水平抗力系数kx与该点的水平位移x的乘积，即,地基水平抗力系数kx有4种较为常用的假定分布图式：(1)常数法(张有龄)：假定地基水平抗力系数沿深度为均匀分布。kxkh(2）“k”法：假定在桩身第一挠曲零点（深度t处）以上按抛物线变化，以下为常数。(3)“m”法：我国铁道部门首先采用这一方法，近年来也在建筑工程和公路桥涵的桩基设计中逐渐推广。kxmz(4)“c值”法：我国交通部门在试验研究的基础上提出的方法。kxcz0.5（c为比例常数，随土类不同而异）。,实测资料表明，m法（当桩的水平位移较大时）和c值法（当桩的水平位移较小时）比较接近实际。只简单介绍m法。,2、单桩的微分挠曲方程,由材料力学，梁的纯弯微分方程为：,由梁的微元静力平衡条件：,得：,解为：,A、B等系数见下表,3、初始参数的确定,单桩桩顶荷载：,桩截面计算宽度b0：由于计算时桩简化成平面受力，计算宽度（m）按如下方法确定：,圆形桩：当直径d1.0时，b0=0.9(1.5d+0.5）；当直径d1.0m时，b0=0.9(d+1）；方形桩：当边宽b1m时，b0=1.5b+0.5；当边宽b1m时，b0=b+1。,桩身抗弯刚度EI：对于钢筋混凝土桩，桩身弹性模量E取混凝土弹性模量Ec的0.85倍（E=0.85Ec）。,m值：按“m法”计算时，m宜通过水平静载荷试验确定，无资料参见下表,4、桩顶水平位移x0,5、桩身最大弯矩及其位置,先求C，查z、C。,l4/才能用下表，l4/需另查手册。,三、单桩水平静载荷试验,目前，确定单桩水平承载力的方法有两类：现场试验；理论计算。现场静载荷试验结果更可靠。,1、试验装置,2加荷方法对于承受反复作用的水平荷载的桩基，其单桩试验宜采用多循环加卸载方式。每级荷载的增量为预估水平极限承载力的1/101/15，或取2.520kN（当桩径为300l000mm时）。每级各加卸载5次，即每次施加不变的水平荷载4min；（用千斤顶加荷时，达到预计的荷载值所需要的时间很短，不另外计算），卸载2min;或者加载、卸载各10min，并按上述时间间隔记录百分表读数，每次卸载都将该级荷载全部卸除。承受长期作用的水平荷载的桩基，宜采用分级连续的加载方式，各级荷载的增量同上，各级荷载维持10min并记录百分表读数后即进行下一级荷载的试验。如在加载过程中观测到l0min时的水平位移还未稳定，则应延长该级荷载的维持时间，直至稳定为止。其稳定标准可参照竖向静载荷试验。3终止加荷的条件当出现下列情况之一时，即可终止试验：(1)桩身已断裂；(2)桩侧地表出现明显裂缝或隆起；(3)桩顶水平位移超过30一40mm（软土取40mm）；(4)所加的水平荷载已超过按下述方法所确定的极限荷载。,4资料整理由试验记录可绘制桩顶水平荷载一时间一桩顶水平位移曲线（H0-t-u0）（如图4-26）及水平荷载一位移梯度曲线（H0-u0/H0）（图4-27）。当具有桩身应力量测资料时，尚可绘制桩身应力分布图以及水平荷载与最大弯矩截面钢筋应力曲线(H0-g），如图4-28所示。,5水平临界荷载与极限荷载根据一些试验成果分析，在上列各种曲线中常发现两个特征点，这两个特征点所对应的桩顶水平荷载，可称为临界荷载和极限荷载。水平临界荷载（Hcr）是相当于桩身开裂、受拉区混凝土不参加工作时的桩顶水平力。其数值可按下列方法综合确定：(1)取H0-t-u0曲线出现突变点（在荷载增量相同的条件下出现比前一级明显增大的位移增量）的前一级荷载。(2)取H0-u0/H0曲线的第一直线段的终点所对应的荷载。(3)取H0-g曲线第一突变点对应的荷载。,水平极限荷载（Hu）是相当于桩身应力达到强度极限时的桩顶水平力，此外，使得桩顶水平位移超过3040mm或者使得桩侧土体破坏的前一级水平荷载，宜作为极限荷载看待。确定Hu时，可根据下列方法，并取其中的较小值。(1)取H0-t-u0曲线明显陡降的第一级荷载，或按该曲线各级荷载下水平位移包络线的凹向确定。若包络线向上方凹曲，则表明在该级荷载下，桩的位移逐渐趋于稳定。如包络线朝下方凹曲（如图4-26中当H0=195kN时的水平位移包络线所示），则表明在该级荷载作用下，随着加卸荷循环次数的增加，水平位移仍在增加，且不稳定。因此可认为该级水平力为桩的破坏荷载，而其前一级水平力则为极限荷载。(2)取H0-u0/H0曲线第二直线段的终点所对应的荷载。(3)取桩身断裂或钢筋达到流限的前一级荷载。由水平荷载确定允许承载力时应除以安全系数2。,一级建筑桩基：单桩静力水平荷载试验确定；对于预制桩、钢桩、配筋率大于0.65%的灌注桩，取地面处水平位移为10mm(对水平位移敏感的建筑物取6mm)所对应荷载作为单桩水平承载力设计值；配筋率小于0.65%的灌注桩，取临界荷载作为单桩水平承载力设计值。缺少单桩水平静载试验资料时，按下式估算桩身配筋率0.65%的灌注桩单桩水平承载力特征值。,（式中符号及定值见规范）,桩位的布置：桩在平面内可布置成方形或矩形、三角形和梅花形，条形基础下的桩，可采用单排或双排布置，也可采用不等距布置。柱下单独桩基和整片式桩基，外密内疏布置。为了使桩基中各桩受力比较均匀，布置时应尽可能使上部荷载的中心与桩群的形心重合或接近。当作用在承台底面的弯矩较大时，应增加桩基横截面的惯性矩。对墙下柱基，可在外纵墙之外布设一至二根“探头”桩。,12.7桩的平面布置原则,桩的间距过大，会增加承台的体积，造价提高；桩的间距过小，将给桩基的施工造成困难，并使桩的承载力得不到充分的发挥。一般采用34倍桩径。具体满足建筑桩基技术规范JGJ94-94规定。,常用布桩方法,一般的桩基础均要设置承台。作用：将桩联成一整体，把上部结构传来的荷载转换、调整、分配于各桩。分类：柱下独立承台、柱下或墙下条形承台、筏板承台、箱形承台。设计内容：确定承台材料及强度等级；几何平面形状和尺寸；承台结构承载力计算；符合构造要求,内容参照建筑地基基础设计规范（50007-2002）,12.8桩承台的设计,承台的最小宽度：不应小于500mm。承台边缘至边桩中心的距离：不宜小于桩的直径或边长，且桩的外边缘至承台边缘的距离不小于150mm（墙下条形承台不小于75mm）。承台厚度：条形和柱下独立承台不应小于300mm，筏板、箱形承台板的厚度应满足整体刚度、施工条件及防水要求。对于桩布置于墙下或基础梁下的情况，承台板厚度不宜小于250mm，且板厚与计算区段最小跨度比不宜小于1/20。承台最小埋深：500mm。承台混凝土的强度等级：不宜低于C20；承台底面钢筋的混凝土保护层不宜小于70mm，当设素混凝土垫层时，保护层厚度不应小于40mm。承台板下混凝土垫层：厚度宜为100mm，强度等级宜为C7.5。,一、构造要求,形状:方形,矩形,三角形,多边形,圆形最小宽度500mm最小厚度300mm桩外缘距离承台边150mm边桩中心距离承台边1.0d桩嵌入承台大桩横向荷载100mm,小桩50mm,钢筋伸入承台30d混凝土标号C20cm,保护层70mm,承台配筋：柱下独立桩基承台的受力钢筋应通长配置。矩形承台板宜双向均匀通长配筋，直径不宜小于10，间距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。承台梁的主筋除满足计算要求外尚应符合现行混凝土结构设计规范关于最小配筋率的规定，主筋直径不宜小于12mm，架立筋不宜小于10mm，箍筋直径不宜小于6mm。,承台与桩之间的连结：桩顶嵌入承台的长度，对于大直径桩不宜小于100mm；中直径桩不宜小于50mm。混凝土桩的桩顶主筋应伸入承台内，其锚固长度不宜小于3035倍主筋直径；对于抗拔桩不应小于40倍主筋直径。预应力混凝土桩可采用钢筋与桩头钢板焊接的连接方法。承台之间的连接：对于单桩承台，宜在两个互相垂直的方向上设置联系梁；对于两桩承台，宜在其短向设置联系梁；有抗震要求的柱下独立承台，宜在纵横方向设置联系梁；联系梁顶面宜与承台位于同一标高，联系梁的宽度不宜小于250mm，高度取承台中心距1/101/15，配筋据计算确定，不宜小于412mm。,二、柱下桩基独立承台,（一）承台受弯计算,当承台配筋不足时承台将产生弯曲破坏。,1、柱下多桩矩形承台,弯矩计算截面取柱边和承台高度变化处（杯口外侧或台阶边缘），按下式计算弯矩：,算出弯矩后，按下式计算配筋后取各向最大值双向配筋，并应符合构造要求。,有：等边和等腰两种形式。,(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矩设计值；Nmax扣除承台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c0.866d（d为圆柱直径）。,算出弯矩后，按下式配筋,2、柱下三桩三角形承台,注：建筑地基基础设计规范和建筑桩基技术规范不同,(2)等腰三桩承台,式中：M1,M2分别为由承台形心到承台两腰和底边的距离范围内板带的弯矩设计值；s长向桩距；短向桩距与长向桩距之比，当小于0.5时，应按变截面的二桩承台设计；c1、c2分别为垂直于、平行于承台底边的柱截面边长。,（二）承台受冲切计算,当承台有效高度不足时，承台将产生冲切破坏。承台冲切破坏的方式：柱对承台的冲切；角桩对承台的冲切。冲切破坏锥体斜面与承台底面的夹角45o柱边冲切破坏锥体的顶面在柱与承台交界处或承台变阶处，底面在桩顶平面处；角桩冲切破坏的顶面在内缘处，底面在承台上方；计算以矩形或方形桩、柱为例，圆形桩、柱换算成方形。计算中假定承台与地基土脱空，对非脱空承台偏于安全。,(a)柱对承台冲切计算简图,(b)矩形承台角桩冲切计算简图,（1）柱对承台的冲切验算,（2）角桩对承台的冲切验算,多桩矩形承台角桩的冲切,（2）角桩对承台的冲切验算,三桩三角形承台角桩的冲切,（三）承台受剪切计算,桩基承台的抗剪计算，在小剪跨比的条件下具有深梁的特征。柱下桩基独立承台应分别对柱边和桩边、变截面和桩边联线形成的斜截面进行受剪计算（如图)。当柱边外有多排桩形成多个剪切斜截面时，尚应对每个斜截面进行验算。,b0如何定？,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。计算变阶处截面A1-A1、B1-B1的斜截面受剪承载力时，其截面有效高度均为h0l，截面计算宽度分别为by1和bx1。计算柱边截面A2-A2和B2-B2处的斜截面受剪承载力时，其截面有效高度均为h01h02，截面计算宽度按下式计算：,b0的确定,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截面有效高度均为h0，截面的计算宽度按下式计算：,b0的确定,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。当进行承台的抗震验算时，应根据现行建筑抗震设计