第2章 桩基设计计算

桩基础设计与施工

第2章桩基设计与计算讲授教师：杨曌武汉科技大学城建学院土木系结构教研室2012年3月2.1单桩竖向抗压承载力2.1.1桩土体系荷载传递1）传递机理竖向荷载---桩身上部压缩---相对于土产生向下位移---相对位移处受到土体向上摩阻力---上部荷载传递至桩周土---桩身轴力、变形随深度递减---桩土相对位移为零处，摩阻力为零竖向荷载增大---桩身下部摩阻力产生，端部阻力产生---摩阻力增大达到极限桩端阻力达到极限---桩端持力层大量压缩、挤出，位移迅速增大，桩破坏---桩达到极限承载力。单桩竖向极限承载力（标准值）：单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载，它取决于土对桩的支承阻力和桩身承载力（桩基规范）桩顶沉降由三部分组成：a）桩身压缩变形Ss，，E—桩的弹性模量，A—桩的横截面积，l—桩长，N（l）--桩身轴力。b）桩端土体压缩引起沉降Sb。c）桩端土体破坏引起沉降Sc。总沉降S=Ss+Sb+Sc。2）影响荷载传递的因素a）桩端土与桩周土的刚度比。Eb/Es：0—纯摩擦桩，1—均匀土层摩擦桩，∞--端承桩。b）桩与桩周土的刚度比。Ep/Es：愈大，桩端分担比例愈大；反之，愈小。c）桩底扩大头与桩身直径之比D/d。愈大，桩端分配比例愈大。d）桩的长径比。l/d大多属摩擦桩。桩身压缩变形大，允许桩端土变形小，端承力发挥小。2.1.2单桩破坏模式与极限承载力1）单桩破坏模式与强度的关系竖向荷载下：地基土强度破坏；桩身材料强度破坏。通常由地基土破坏引起。与桩的承载力相联系的地基土强度包括桩侧阻力和桩端阻力。桩侧阻力qs：达到极限值qsu，所需的桩土相对极限位移su与土的类别有关，与桩径大小无关。桩周土为加工软化型土（硬粘性土、粉土、高结构性黄土等）无硬持力层的桩。由于侧阻在较小位移发挥出来并出现软化现象，桩端承载力低，因而形成突变。陡降型Q－S曲线。与孔底有沉淤的Q－S曲线相似。Fig1－非软化（一般土）；2－加工软化型；3－加工硬化型2）单桩Q-s曲线特征单桩静载荷试验是确定单桩竖向极限承载力的可靠依据。试验结果的重要内容：荷载—变形曲线。反映桩的破坏机理和破坏模式。常见的Q~S曲线大体可划分为两类基本类型：陡降型：Q~S曲线出现明显陡降段，相应的沉降梯度剧增，破坏点明显。（急进型破坏）缓变型：当荷载超过某一临界值后，沉降梯度的变化趋缓或趋于常量。（渐进型破坏）（a）荷载－沉降Q－S曲线（b）荷载－沉降梯度Q－曲线对于缓变型的桩，荷载到达“极限承载力”后，再施加荷载，并不会导致桩的失稳和沉降的显著增加，即实际上并未达到极限承载力，因而该极限承载力实际上应称为“拟极限承载力”。按照以可靠性理论为基础的极限状态设计准则，桩基到达最大承载能力或不适于继续承载的变形。因此，对于缓变型Q－S单桩，可按控制沉降量确定承载力。一般可按上部结构类型和对沉降的敏感度取得某一沉降值所对应的荷载为极限承载力。通常，该极限沉降值取40～60mm（或3％～6％D）。D为桩的直径。实际工程中常见的几种Q－S曲线：软弱土层中的摩擦桩（超长桩除外）。桩端一般为刺入式剪切破坏，桩端阻力分担的荷载比例小，Q－S曲线成陡降型，破坏特征点明显。如图Fig均匀土中的摩擦桩桩端持力层为砂土、粉土的桩。由于端阻力所占比例大，发挥端阻力所需的位移大，Q－S曲线成缓变型，破坏特点不明显。此时一般以Su=40－60mm所对应的荷载为其极限承载力。Fig端承于砂层中的摩擦桩扩底桩。支撑于砾、砂、硬粘性土、粉土上的扩底桩。由于端阻破坏所需位移过大，端阻力所占比例较大，Q~S曲线成缓变型。极限承载力可取SU=（3％～6％）D控制。Fig扩底端承桩泥浆护壁作业，桩端有一定沉淤的钻孔桩。由于桩底沉淤强度低、压缩性高，桩端一般呈刺入剪切破坏，接近于纯摩擦装，Q－S曲线呈陡降型，破坏特征点明显。Fig孔底有沉淤的摩擦桩干法作业。桩端置于砂层中、孔底有一定厚度虚土的钻孔桩。由于桩端砂性虚土经压缩，承载力提高，导致Q－S曲线出现台阶形。最终在较大沉降下桩端土呈局部剪切破坏，此时承载力多以桩顶极限沉降控制取值。Fig孔底有虚土的摩擦型桩嵌入坚硬基岩的短粗端承桩。桩身材料强度的破坏而导致桩的承载力破坏。Q－S曲线呈突变、陡降型。Fig嵌入坚硬基岩的短粗端承桩2.1.3单桩竖向抗压承载力的确定主要取决于桩身材料强度、地基土承载力。1、按桩身材料强度

R—单桩竖向抗压承载力设计值；Ap—桩身横截面积；[σ]—桩身材料抗压应力设计值；φ—稳定系数。对于钢筋砼桩还可采用以下公式：1当桩顶以下5d范围的桩身螺旋式箍筋间距不大于100mm，且符合本规范第4.1.1条规定时：

（5.8.2—1）2当桩身配筋不符合上述1款规定时：

（5.8.2—2）N——荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值；ψc——基桩成桩工艺系数，按第5.8.3条规定取值；fc——混凝土轴心抗压强度设计值；f'y——纵向主筋抗压强度设计值；As'——纵向主筋截面面积。2、按土对桩的支承力确定经验公式法、静力触探成果估算法、静载荷试验法。经验公式法：假定桩周摩擦力和桩端阻力对于某一特定土层是均匀分布的，通过大量工程经验，对桩的承载力进行统计，提出经验数据。a)建筑地基基础设计规范GB50007--2002中的方法b)建筑桩基技术规范JGJ94-2008的方法砼预制桩、钻孔桩、沉管灌注桩的单桩竖向极限承载力标准值：--单桩竖向极限承载力标准值，极限侧阻力标准值，极限端阻力标准值--桩端阻力，桩侧阻力标准值，取值见P16，表2-7，2-8。大直径桩（d≥800mm），单桩竖向极限承载力标准值按下式计算：、——大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数，按表5.3.6-2取值。

表5.3.6－1干作业挖孔桩（清底干净，D=800mm）极限端阻力标准值（kPa）

土名称状态黏性土0.25<IL≤0.750<IL≤0.25IL≤0800～18001800～24002400～3000粉土0.75≤e≤0.9e<0.751000～15001500～2000砂土碎石类土稍密中密密实粉砂500～700800～11001200～2000细砂700～11001200～18002000～2500中砂1000～20002200～32003500～5000粗砂1200～22002500～35004000～5500砾砂1400～24002600～40005000～7000圆砾、角砾1600～30003200～50006000～9000卵石、碎石2000～30003300～50007000～11000钢管桩：对于带隔板的半敞口钢管桩，应以等效直径代替d确定，；其中为桩端隔板分割数（图5.3.7）。图5.3.7隔板分割2.1.4桩的负摩阻力及计算公式1）概念：正摩阻力，桩相对于桩周土发生向下位移，桩身受到向上的摩阻力。负摩阻力，桩周土相对于桩发生向下位移，桩身收到向下的摩阻力。常见的三种情况会产生负摩阻力：桩周土固结下沉—桩穿越较厚的比较松散土层进入坚硬土层；地面超载压密桩周土—桩周存在软弱土层，而地面承受较大长期荷载（地面堆载）；地下水位下降—降低地下水位使桩周土中有效应力增大，产生显著压缩沉降。中性点：桩身上可能存在一点，该点以上土的沉降大于桩的位移，桩周为负摩阻力，该点之下土的沉降小于桩的位移，桩周作用正摩阻力，该点处桩土无相对位移。中性点处轴力最大。中性点的位置与土的压缩性、桩的刚度、和持力层刚度有关。中性点离地面深度Ln可按表5.4.4-2确定。影响：（部分土的自重和地面荷载通过负摩阻力传递给桩，引起桩身轴力增加。）降低桩的承载力；增大基桩沉降；严重时造成桩断裂。单桩基础下拉荷载为桩侧负摩阻力总和：，u—桩身横截面周长；n—中性点以上土层个数；li—中性点以上各土层的厚度。桩距较小时，基桩负摩阻力因群桩效应而降低。计算时，乘以群桩效应系数（）。对于摩擦型基桩可取桩身计算中性点以上侧阻力为零，并可按下式验算基桩承载力：

2.2嵌岩灌注桩的承载力2.2.1概述概念：基岩埋深不大时，常将大直径灌注桩穿过全部覆盖层嵌入基岩，成为嵌岩灌注桩。多用于高层建筑、重型厂房和桥基中。特点：单桩沉降小，群桩效应不影响承载力，沉降在施工中便可完成，抗震性能好。嵌岩桩段侧摩阻力很高，特征：达极限时所需相对位移小，一般呈脆性破坏。沉渣形成软垫，可以充分发挥侧阻作用，而端阻不能有效发挥。实测资料表明，嵌岩深度为3倍桩径时，嵌固力可以达到总承载力的75%以上，为最佳嵌岩深度。2.2.2嵌岩桩的承载力桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩单桩竖向极限承载力，由桩周土总极限侧阻力和嵌岩段总极限阻力组成。当根据岩石单轴抗压强度确定单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算：嵌岩深径比00.51.02.03.04.05.06.07.08.0极软岩、软岩0.600.800.951.181.351.481.571.631.661.70较硬岩、坚硬岩0.450.650.810.901.001.04表5.3.9嵌岩段侧阻和端阻综合系数

2.3抗拔桩的承载力2.3.1概念对于自重比较轻而水平荷载又比较大的高耸结构物（如烟囱、输电塔，发射塔），或地下室承受地下水浮力作用而自重不足时，桩基可能承受上拔荷载。此时必须验算桩的抗拔承载力。2.3.2由桩身强度所决定的抗拔桩承载力U—单桩抗拔力设计值；--砼抗拉强度设计值；A—砼横截面面积，纵向配筋率大时取A=Ap-As；由于砼抗拉强度很低，在上拔力作用下，砼容易出现横向裂缝，所以上拔力主要依靠钢筋来承担，因此，计算时不考虑砼的抗拉，则。，--1.1，1.0，0.9，对于柱下单桩按提高一级考虑。2.3.3由地基土强度确定抗拔桩承载力单桩抗拔极限承载力可用抗拔试验测定或用经验方法确定。1）静载试验对桩施加竖向上拔力，分级加载，每级读测（荷载、变形）。终止条件：桩顶荷载达到受拉钢筋总极限承载力的0.9倍；某级荷载作用下，桩顶变形量为前一级荷载变形量的5倍；累计上拔量超过100mm。

绘制荷载--位移曲线陡变型曲线：取陡升起始点为抗拔极限承载力；缓变型曲线：根据上拔量和（变形—时间对数）曲线综合判定，取曲线尾部显著弯曲的前一级荷载为极限抗拔承载力。经验公式a）根据桩基规范，当单桩和群桩呈非整体性破坏时:b）当群桩呈整体性破坏时：基桩的抗拔极限承载力标准值--桩群外围周长2.3.4桩基承载力验算2.4单桩沉降沉降组成：竖向荷载下，单桩沉降s一般由桩身压缩量ss和桩端沉降sb组成，即：s=ss+sb。如分别考虑桩侧摩阻力和桩端阻力对ss、sb的作用，ss和sb可表示为：ss=sss+ssb，sb=sbs+sbbsss—桩侧摩阻力引起的桩身压缩量；ssb—桩端阻力引起的桩身压缩量；sbs—由于桩侧荷载传播到桩端平面以下引起土体压缩所产生的桩端沉降；sbb—由于桩端荷载引起土体压缩所产生的桩端沉降。2.5群桩承载力与群桩沉降计算2.5.1桩顶荷载效应计算1）群桩中复合基桩或基桩桩顶承受的竖向力计算2）基桩承载力计算a）荷载效应基本组合（不考虑地震作用）轴心受压：偏心受压：，（N—基桩平均压力）b）地震作用效应组合轴心受压：偏心受压：，（N—基桩平均压力）2.5.2桩基变形特征及允许值桩基变形特征：沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜。倾斜：建筑物桩基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比值。局部倾斜：墙下条形承台沿纵向某一长度范围内桩基础两点的沉降差与其距离的比值。表5.5.4建筑桩基沉降变形允许值

2.5.3群桩承载力计算1)端承桩承载力桩侧阻力分担荷载份额较小，因此桩侧剪应力相互影响的重叠效应小，持力层比较坚硬，桩的单独贯入变形小，承台底部反力很小，可以忽略不计。所以，端承桩群桩承载力可近似取为各单桩的承载力之和。2)摩擦桩承载力对于符合下列条件之一的摩擦型桩基，宜考虑承台效应确定其复合基桩的竖向承载力特征值：1上部结构整体刚度较好、体型简单的建（构）筑物；2对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物；3按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区；4软土地基的减沉复合疏桩基础。承台效应系数

2.5.4桩下软弱下卧层承载力验算对于桩距Sa小于等于6d的群桩基础，桩端持力层下存在承载力低于桩端持力层承载力1/3的软弱下卧层时，按下式验算θ—桩端硬持力层的压力扩散角。表5.4.1桩端硬持力层压力扩散角对于桩距Sa大于6d，且持力层厚度（）的群桩基础，按下式验算：，De—桩端等代直径。2.5.5群桩沉降计算等代墩基础法以等代墩基础(实体深基础)模式计算桩基沉降是工程实践中最广泛应用的近似方法。该模式假定桩基础如天然地基上的实体深基础一样工作，按浅基础沉降计算方法进行计算。对于矩形桩基础:a，b分别为群桩桩顶外围矩形面积的长度和宽度；A，B分别为假想实体基础底面的长度和宽度；l为桩长，群桩侧面土层内摩擦角的加权平均值。《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中群桩沉降计算方法简介规范建议采用等效作用分层总和法计算桩基沉降。式中：－按实体深基础分层总和法计算出的桩基沉降量(mm)；－桩基沉降计算经验系数；