第三章桩基础

第三章桩基础

第一节概述软土层新加坡发展银行,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低承台桩基高承台桩基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)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,深基坑中做桩以下情况可用桩基：承载力、变形不能满足要求的高重建筑物；承载力满足要求、沉降量过大重型工业厂房、荷载很大的建筑物（仓库等）地基软弱，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；需减弱振动影响的动力机器基础；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桩基础设计的原则：1、单桩承受的竖向荷载≤单桩竖向承载力2、桩基础的沉降≤建筑物沉降允许值3、坡地岸边的桩基，进行稳定性验算§3-2桩的分类一、按施工方法分：预制桩钢筋混凝土桩钢桩木桩灌注桩沉管灌注桩钻（冲、磨）孔灌注桩挖孔灌注桩（人工挖孔、机械挖孔）爆扩孔灌注桩气锤打入振动沉桩静压桩振动沉桩预制桩1－13mPilePoint离心预应力预制钢筋混凝土人工挖孔桩1.0-3.0m0.6-0.9m广州市亚洲大酒店人工挖孔桩螺旋钻

爆破扩底桩内夯式扩底桩200kN钢锤碎石混凝土钢筋笼钻扩桩挤扩桩（支盘桩）各种桩基础的施工动画二、按设置效应分：大量排土桩(挤土桩）（实心预制桩、下端封闭管桩）小量排土桩（部分挤土桩）（下端开口的钢管桩、H型钢桩）不排土桩（非挤土桩）（先钻孔后，再打入预制桩、钻孔桩）三、按承载性状分：端承桩摩擦桩四、按桩的使用功能分类

1.竖向抗压桩

2.竖向抗拔桩

3.水平受荷桩

4.复合受荷桩§3-3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。

一．单桩轴向荷载的传递

1．桩身轴力和截面位移桩顶荷载较小:桩身上部受压向下位移桩侧表面受到向上摩阻力荷载增加:位移加大—摩阻力向下渐次发挥—桩底持力层受压引起桩端反力—桩端下沉桩身整体下移—加大桩身各截面位移—桩侧各处摩阻力进一步发挥--摩阻力都达到极值—桩顶荷载增量都由桩端阻力承担—持力层破坏归纳如下：（1）在荷载增加的过程中，桩身上部的侧阻力先于下部侧阻力发挥作用（2）一般情况下，侧阻力先于端阻力发挥作用（3）在工作荷载Q下，对于一般摩擦型桩，侧阻力发挥的比例明显高于端阻力发挥作用的比例（4）对于l/d较大的桩，即使桩端持力层为岩层或坚硬土层，由于桩本身的压缩作用，在工作荷载下，下端阻力也很难发挥。l/d≥100时，端阻力基本可以忽略而成为摩擦桩桩顶轴向位移构成：桩身发生的压缩变形桩底土层发生的压缩变形桩底轴向位移构成：桩任意点轴向位移构成：？？截面位移、桩侧的摩阻力、轴力在深度z处取dzτz---桩侧单位面积上的荷载传递τ--桩截面对桩周土的相对位移δ的函数τ=f(δ)τz

与该处的轴力N的变化率成正比Nz

τz,δz单桩静载荷试验，埋设应力或位移量测元件测出桩底轴力=桩端总阻力桩侧总阻力值得指出：随桩顶荷载的增加而不断变化2、影响荷载传递的因素：(1)桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es：中长桩:

Eb/Es=1,

均匀土层，桩侧摩阻力几乎均匀分布，几乎承担了全部荷载------摩擦桩

Eb/Es=100,桩身轴力上段随深度降低，下段沿深度不变，桩侧摩阻力上段可得发挥，下段无法发挥。桩端阻力分担了60%以上荷载------端承桩(2)桩身刚度与桩侧土刚度比Ep/Es：

Ep/Es越大,

传递到桩端的荷载越大，

Ep/Es≤10,桩端阻力分担的荷载几乎为0砂桩、碎石桩、灰土桩应按复合地基工作原理进行设计(3)桩端扩底直径与桩身直径之比D/d：

D/d越大,

桩端阻力分担的荷载比越大，中长桩：

D/d=3,

桩端阻力分担的荷载比为35%，D/d=1,

桩端阻力分担的荷载比为5%(3)桩的长径比l/d：l/d<10----短桩,l/d>10----中长桩

l/d>40----长桩，l/d>100----超长桩l/d越大,

传递到桩端的荷载越小，桩身下部侧阻力的发挥值越小

l/d,

很大的桩都属于摩擦桩，扩大D不能提高承载力3、桩侧摩阻力和桩端阻力（1）桩侧摩阻力：是桩截面对桩周土的相对位移的函数[τ=f(δ)]。如下图中的曲线OCD表示，常简化为折线OAB。桩截面位移桩侧摩阻力OCDABAB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。

极限摩阻力可用类似于土的抗剪强度的库伦表达式：ca---桩侧表面与土之间的附着力a---桩侧表面与土之间的摩擦角x

---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ks---桩侧土的侧压力系数，挤土桩，K0<Ks<Kp；非挤土桩，因桩孔中土被清除，Ka<Ks<K0Ka

、K0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。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根据经验：桩侧摩阻力达到极限值所需的桩土滑移极限值则与土的类别有关、而与桩径大小无关，根据试验资料：粘性土：约为4~6mm砂类土：约为6~10mm（2）桩端阻力：桩端阻力随入土深度线性增加由于接近，，所以：试验结果：入土深度小于某值时，桩端阻力随入土深度线性增加，大于该值后，桩端阻力不变--端阻的深度效应桩端阻力的发挥滞后于桩侧阻力，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。桩端阻力的安全储备一般大于桩侧摩阻力的安全储备二、单桩竖向承载力的确定桩身材料强度地层支承力1、规定：（1）桩的竖向承载力应通过单桩竖向静载荷试验确定。在同一条件下的试桩数量，不宜少于总桩数的1%，且不应少于3根。（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，对单桩竖向承载力很高的大直径端承桩，可用深层平板载荷试验。（3）地基基础设计为丙级的建筑物，可采用静力触探、标贯试验参数确定。（4）初步设计时，可按公式估算2、单桩竖向静载荷试验（1）试验目的：在现场，采用与工程规格尺寸完全相同的试桩，进行竖向抗压静载荷试验，直至加载破坏，确定竖向极限承载力。（2）试验准备：选桩位，沉桩确定加载装置筹备荷载与沉降测量仪表从成桩到试桩停歇时间：预制桩：在砂土中入土不少于7天在粘性土中入土不少于15天在饱和软粘土中入土不少于25天灌注桩：桩身混凝土应达到设计强度锚桩反力梁

次梁锚筋锚桩主梁千斤顶百分表基准柱锚桩桁架法,2400吨（3）试验要点：加载方式：慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后，加下一级荷载，直至试桩破坏加载分级：不小于8级沉降观测：5，10，15，15，15，30，30，…单桩的荷载—沉降曲线终止加载条件：出现下列情况之一荷载~沉降曲线上有陡降段，且桩顶总沉降量s>40mm，且24小时尚未达到稳定25m以上非嵌岩桩，荷载~沉降呈缓变形，桩顶s>60~80mm特殊条件下，可根据具体要求加载至桩顶s>100mm卸载观测：每级卸载值是加载值得2倍每级卸载后，间隔15，15，30min各测记一次，即可卸下一级荷载全部卸载后，隔3~4小时再测读一次（4）单桩竖向承载力的确定：A、做Q~S曲线单桩的荷载—沉降曲线曲线A：桩底持力层不坚实，桩径不大，破坏时桩端刺入持力层曲线B：桩底为非密实砂类土或粉土，清孔不净残留虚土，桩底面积大，桩底塑性区随荷载增长逐渐扩展B、当陡降段明显时，取相应于陡降段起点的荷载值QuC、，且24小时尚未达到稳定，取前一级荷载单桩的荷载—沉降曲线D、Q~S曲线呈缓变型，取桩顶总沉降量s=40mm所对应的荷载参加统计的试桩，当极差不超过平均值的30%时，取平均值为单桩竖向承载力；当极差超过平均值的30%时，增加试桩数量单桩的荷载—沉降曲线3、按静力学公式计算：初步设计时：可用公式估算单桩承载力摩擦桩：qpa,qsia——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。

Ap——桩底横截面面积；up——桩身周边长度；li——第i层岩土的厚度端承桩：

三、群桩的竖向承载力群桩效应1、不考虑群桩效应2、考虑群桩效应群桩竖向承载力Rna各单桩竖向承载力之和nRa群桩上作用荷载nQ时的沉降单桩上作用荷载Q时的沉降---群桩效应系数---沉降比端承桩以下产生应力叠加摩擦桩各桩传布的应力互相叠加摩擦型群桩沉降>单桩沉降一定下，摩擦型群桩承载力<单桩承载力之和桩距↑，↑桩距相同，桩数↑↓桩距增加到一定值后，增加不显著承台面积不变，桩数↑↓

随桩距增大而减小荷载和桩距都相同时，随桩数增多而加大群桩竖向承载力Rna各单桩竖向承载力之和nRa群桩上作用荷载nQ时的沉降单桩上作用荷载Q时的沉降群桩工作状态：两类1、桩距大、桩数少：2、桩距小、桩数多：

桩、桩间土形成一个整体，按深埋实体基础，群桩承载力按深埋实体基础进行地基强度与变形验算第四节、桩基沉降计算群桩沉降计算公式(分层总和法公式)计算方法：实体深基础（s≯6d)明德林应力公式（1）实体深基础：FF考虑扩散：不考虑扩散：G’---实体深基础自重G---承台及承台上土重Gf---桩及桩间土重FFF---荷载效应准永久组合时作用在桩基承台顶面的竖向力（2）明德林应力公式：Q由桩端阻力Qp和桩侧摩阻力Qs共同承担桩端阻力：桩侧摩阻力--------沿桩均布----沿桩线性增长分布桩端阻力比详见规范附录代入分层总和法公式：第五节、桩的负摩擦问题一、概念、产生的条件和原因：在未固结的软土、新添土上大面积地面荷载抽降地下水湿陷性黄土中性点中性点以上：土层位移>桩身位移出现正摩阻力中性点以下：土层位移<桩身位移出现负摩阻力桩身轴力递增桩身轴力递减中性点处轴力：桩端处轴力：-中性点以上负摩阻力的累计值-中性点以下正摩阻力的累计值比较有无负摩阻力的位移、侧摩阻力、桩轴力二、计算:（一）单桩负摩阻力计算：（1)中性点位置：与桩周土的性质、外界条件变化有关表4-4桩周欠固结土愈厚，欠固结程度愈大，桩底持力层愈硬桩顶荷载作用下桩自身沉降已经完成，后因外界条件变化发生桩周土层固结中性点位置初期会发生变化，沉降趋于稳定时，中性点稳定在某一深度中性点位置愈深（2）负摩阻力强度：1)软土、中等强度粘土：qu----土的无侧限抗压强度（2）负摩阻力强度：2)根据竖向有效覆盖压力：

----第i层土桩侧负摩阻力----桩周第i层土平均竖向有效覆盖压力----桩周第i层土的侧压力系数----桩周第i层土的有效内摩擦角----桩周土负摩阻力系数表4-5（3)下拉荷载计算：

----中性点深度ln范围内负摩阻力累计值----桩截面周长----中性点以上的土层数----中性点以上桩周第i层土的厚度（二）群桩负摩阻力计算：可按等效圆法（自学）----任一单桩的下拉荷载----中性点以上土层数----负摩阻力的群桩效应系数----负摩阻力的群桩效应系数----分别为纵横向桩的中心距----中性点以上桩周土体加权平均有效重度----中性点以上单桩的平均极限负摩阻力----桩身直径三、减小负摩阻力的工程措施：预制混凝土桩和钢桩：灌注桩：涂软沥青1、沉降土层范围内插入比钻孔直径小的预制混凝土桩段，用高稠度膨润土填充形成隔离层2、干作用成孔：孔壁先铺设双层筒形塑料薄膜，然后再浇筑混凝土，在桩身与孔壁间形成可滑动的塑料薄膜隔离层第六节单桩的水平承载力通过现场单桩水平载荷试验确定用公式估算一、用公式估算地基反力系数法弹性理论法有限元法--国内目前常用地基反力系数法：将土体视为线性变形体，单桩承受水平荷载，深度z处水平抗力：--地基反力系数--地基反力系数，常用的分布图如下：(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)（1）常数法：沿深度均匀分布（a)（2）法：沿深度zt以上为抛物线，以下为常数（b)（3）法：沿深度成正比增加，（c)（4）值法：(d)接近实际，常用法(a)(b)(c)(d)桩截面计算宽度(a)(b)(c)(d)令解微分方程，可求出桩身各截面的内力M,V；位移参见教材现场单桩水平载荷试验确定参照单桩竖向静载荷试验内容，自学本试验§3-7桩基础设计设计步骤：收集资料：建筑物、地质、环境条件桩型、桩长、断面单桩承载力特征值确定（Ra)桩数、桩布置验算桩基中单桩承载力结束承台与桩身的设计计算验算桩基沉降（变形）一、确定桩的类型、几何尺寸，初步选择承台底面标高1、楼层：10层以下：500mm灌注桩，400mm预制桩10~20层：800~1000mm灌注桩，450~500mm预制桩20~30层：1000~1200mm钻（挖）孔灌注桩，>500mm预制桩30~40层：>1200mm钻（挖）孔灌注桩，500~550mm预应力混凝土管桩2、地质条件：土质不均匀、地下有未风化的石英岩脉-------灌注桩土质均匀-------预制桩3、桩长：关键----选择桩端持力层10层以下：可选择中等强度的土层作为持力层。

桩端进入坚实土层的深度:（1）粘性土、粉土：进入的深度≮2d砂类土：≮

1.5d（2）碎石类土：≮

1d桩端下坚实土层的厚度：≮4d穿越软弱土层而支撑在倾斜岩层面上的桩，当风化层厚度小于2倍桩径时，桩端应进入新鲜或微风化基岩。端承桩嵌入微风化或中等风化岩体的深度≮

0.5m，以确保桩端与岩体接触。嵌岩桩或端承桩桩底下3倍桩径范围内应无软弱夹层、断裂带、洞穴、和空隙的分布。4、施工：打入桩的入土深度：按设计的桩端标高和最后贯入度两方面控制。最后贯入度：指打桩结束以前每次锤击的沉入量，通常以最后每阵（10击）的平均贯入量表示。一般要求最后二、三阵的平均贯入量为10～30mm/阵（锤重、桩长者取大值，质量为7t以上的单动蒸汽锤、柴油锤可增至30～50mm/阵）；振动沉桩者，可用1min作为一阵。摩擦型桩：按桩端设计标高控制，最后贯入度做参考端承型桩：按最后贯入度控制，桩端设计标高做参考5、初步确定承台底面标高：结构要求方便施工地基土的冻胀性膨胀土二、确定桩的数量及其在平面上的布置1、桩的根数2、平面布置

1.桩的根数轴心荷载：

偏心荷载：µ=1.1~1.2式中Fk—相应于荷载效应标准组合时，作用在承台上的竖向力；

Gk—承台及其上土重标准值承受水平荷载的桩基，n满足对桩水平承载力的要求

2.桩的间距

桩的间距（中心距）：一般3～4d间距太大----增加承台的体积和用料，太小----使桩基（摩擦型桩）的沉降量增加，且给施工造成困难。（表4-9，4-10）3.桩在平面上的布置方形（或矩形）网格三角形网格（梅花式），也可采用不等距排列。三、桩基承载力及沉降验算1、桩顶荷载计算：（1）轴心竖向力：（2）偏心竖向力作用下：（3）水平力：

水平力：Hik≤RHa2、单桩承载力验算：轴心竖向力：Qk≤Ra偏心竖向力：Qk≤Ra

Qkmax≤1.2Ra必须进行抗震验算的桩基：轴心竖向力：Qk≤1.25Ra偏心竖向力：Qk≤1.25Ra

Qkmax≤1.5Ra例：已知：Fk=3040KN,Mk=160KN/m,Hk=140KN,桩400X400，柱450X600，单桩竖向承载力Ra=540KN,试验算单桩竖向承载力=596.1KN<1.2Ra=648KN476.9KN>0S>6d，但各单桩桩端冲剪锥体扩散线在硬持力层中相互交叠的非端承桩群桩基础3、桩基软弱下卧层验算：S≤6d非端承桩群桩基础在硬持力层中相互交叠下卧层按实体深基础验算软弱下卧层（3）摩擦型桩基4、桩基沉降验算：应进行沉降验算的桩基：（1）地基基础设计等级为甲级的建筑物桩基（2）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最终沉降量计算：

按单向压缩分层总合法计算

(1）实体深基础：s≤6d方法：（2）明德林应力公式5、桩基负摩阻力验算：（1）摩擦型桩基：1）取中性点以上侧阻力为0Qik≤Ra

2）土层不均匀，或建筑物对不均匀沉降较敏感，将计入附加荷载验算桩基沉降负摩阻力引起的下拉荷载（2）端承型桩基：Qik≤RaQik+

≤Ra四、桩身结构设计混凝土强度：fc---混凝土抗压强度设计值Q----相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值Ap----桩身横截面面积

----工作条件系数，预制桩取0.75,灌注桩取0.6~0.7钢筋：由计算确定五、承台设计材料、形状、高度、底面标高、平面尺寸、承载力计算（一）构造要求桩顶嵌入承台长度：中等直径桩：不小于