土力学与砌体结构 第10章 桩基础

第10

章桩基础1、概述2、桩及桩基础的分类3、单桩在竖向荷载下的受力性状4、竖向抗压桩承载力的确定5、竖向抗拔桩承载力的确定6、水平荷载作用下桩的承载力与变形7、桩基沉降计算8、桩基础设计本章内容简介第10章桩基础

概述§10.1设置于土中的竖直或倾斜的柱型构件，在竖向荷载作用下，通过桩土之间的摩擦力（桩侧摩阻力）和桩端土的承载力（桩端阻力）来承受和传递上部结构的荷载。桩的定义

桩基础由设置于岩土中的桩和与桩顶连接的承台共同组成的基础或由柱与桩直接连接的单桩基础。第10章桩基础二、桩基础的适用范围

（1）上部荷载很大（如重型工业厂房、仓库、料仓等），且能满足承载力要求的持力层埋藏较深；

（2）不允许地基有过大沉降和不均匀沉降的高层建筑或对沉降非常敏感的建筑物（如精密仪器等）；

（3）除承受竖向荷载外，尚有较大的水平荷载，如风、浪、水平土压力、地震作用和冲击力等；

（4）水中的构筑物基础，如桥梁、码头、钻采平台等；

（5）地下水位较高，地下室或地下结构可能上浮时；

（6）对精密或大型的设备基础，需要减小基础振幅、减弱基础振动对结构的影响，或应控制基础沉降和沉降速率时；

（7）软弱地基或某些特殊性土（湿陷性土、膨胀土、人工填土、可液化土等）上的各类永久性建筑物，或以桩基作为地震区结构抗震措施时；

（8）需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。第10章桩基础第10章桩基础桩的工程应用情况第10章桩基础设计总高度达632米的上海中心大厦，955根主楼工程桩单桩直径达1米、深86米。

第10章桩基础青岛三十万吨原油码头第10章桩基础抗拔桩第10章桩基础全国最大的地下高铁车站双流机场车站，采用900根抗拔桩固定

（三）桩基计算规定1、应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行桩基的

竖向承载力和水平承载力计算；2、桩身（含桩身压曲、钢管桩局部压曲）和承台结构承载力计算；3、软弱下卧层验算；4、坡地、岸边桩基整体稳定性验算；5、抗浮、抗拔桩基的抗拔承载力（基桩和群桩）验算；6、抗震设防区抗震承载力验算。第10章桩基础（四）应计算沉降的桩基1、设计等级为甲级的非嵌岩桩和非深厚坚硬持力层的建筑桩基；2、设计等级为乙级的体型复杂、荷载分布显著不均匀或桩端平面以下存在软弱土层的建筑桩基；3、软土地基多层建筑减沉复合疏桩基础。（五）应计算水平位移的桩基受水平荷载较大、或对水平位移有严格限制的桩基。第10章桩基础三、桩基设计采用的作用效应、抗力1、布桩时：应采用传至承台底面的荷载效应标准组合；抗力为基桩或复合基桩承载力特征值。2、计算桩基结构承载力、确定尺寸和配筋时，采用荷载效应基本组合。3、当进行承台和桩身裂缝控制验算时，应分别采用荷载效应标准组合和荷载效应准永久组合。第10章桩基础4、计算沉降和水平位移时，按荷载效应准永久组合。5、在验算坡地、岸边建筑桩基的整体稳定性时，按荷载效应标准组合。桩和桩基的分类§10.2桩基的分类单桩基础——采用一根桩（通常为大直径桩以承受和传递上部结构荷载的基础。

群桩基础——由两根及以上的基桩组成的桩基础。第10章桩基础10.2.1桩基的分类1、按桩的数量分类2、按承台与地面的相对位置分类高承台桩承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥。低承台桩：承台在地面以下,承台本身承担部分荷载第10章桩基础第10章桩基础烟台滨海国际酒店，裙房位于海面上，采用高承台桩

第10章桩基础4.2.2桩的分类

木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢桩以及组合材料桩。1、按桩身材料分类2、按承载性状分类第10章桩基础桩侧和桩端阻力的大小以及它们分担荷载的比例有很大差异2、按承载性状分类3、按桩的施工方法分类（1）预制桩

在施工前预先制作成型，再用各种机械设备把它沉入地基至设计标高的桩，称为预制桩。预制桩可以是木桩、钢桩或钢筋混凝土桩等。（２）灌注桩灌注桩为在建筑工地现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。依照成孔方法不同，灌注桩可分为钻（冲）孔灌注桩、沉管灌注桩和挖孔灌注桩等几大类。沉桩方法有锤击法、振动沉桩、静压桩等。第10章桩基础第10章桩基础预制桩第10章桩基础预制桩第10章桩基础预制桩施工第10章桩基础预制桩优点：施工过程中无挤土、无振动、噪音小，且桩径不受限制。缺点：泥浆沉淀不易清除，影响端部承载力的充分发挥，并造成较大沉降。①钻（冲）孔灌注桩：第10章桩基础优点：在钢管内无水环境中沉放钢筋和浇灌混凝土，从而为桩身混凝土的质量供了保障。缺点：a.拔除套管时，如果提管速度过快会造成缩颈、夹泥，甚至断桩。

b.沉管过程的挤土效应除产生与预制桩类似的影响外，还可能使混凝土尚未结硬的邻桩被剪断。对策：a.控制提管速度；

b.采取“跳打”顺序施工。第10章桩基础②沉管灌注桩：挖孔桩主要适用于粘性土和地下水位较低的条件，最忌在含水砂层中施工，因易引起流砂坍孔，十分危险。③人工挖孔灌注桩第10章桩基础4、按成桩对地基土的影响分类（1）非挤土桩：成桩过程对桩周围的土无挤压作用的桩称为非挤土桩。

主要有：钻（冲）孔桩，挖孔桩。（2）部分挤土桩（少量挤土桩）：成桩过程对周围土产生部分挤压作用的桩称为部分挤土桩。

主要有：工型或H型钢桩，钢板桩，开口钢管桩，开口钢筋混凝土管桩。（3）挤土桩：成桩过程中，桩孔中的土未取出，全部挤压到桩的四周，这类桩称为挤土桩。主要有：木桩、钢筋混凝土桩，闭口的钢管桩或钢筋混凝土管桩，沉管灌注桩。第10章桩基础

竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩以及复合受荷桩。5、按桩的使用功能分类6、按桩径大小分类小直径桩（d≤250mm）、中等直径桩（250<d<800）和大直径桩（d≥800mm）等。第10章桩基础第10章桩基础桩在竖向荷载下的受力性状§10.3

要研究桩基础的承载能力，首先必须研究单桩承载力.而研究单桩承载力则必须了解单桩工作的环境、性能、单桩承载力的构成和破坏机理，以便正确评价单桩的承载力设计值。

1、桩的荷载传递机理

2、单桩的破坏模式

3、桩侧负摩阻力第10章桩基础桩侧阻力桩端阻力

地基土对桩的支承作用二者的工作机理？是不是同时发挥？4.3.1单桩的荷载传递机理第10章桩基础

对10根桩长为27～46m的大直径灌注桩的荷载传递性能进行试验研究。第10章桩基础1、桩侧发挥极限摩阻力所需要的位移很小，粘性土为1～3mm，无粘性土为5～7mm；

2、除两根支承于岩石的桩外，其余各桩的桩端持力层分别为卵石、砾石、粗砂或残积粉质粘土。在设计工作荷载作用下，端承力都小于桩顶荷载的10％;

3、荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服摩阻力并通过它向土中扩散的过程；

4、当侧摩阻力增加到一定程度的时候，就不再增长。其余的荷载由桩端端阻力继续承担；

5、桩侧界面是桩向土传递荷载的重要的，甚至是主要的途径。第4章桩基础“桩越长，承载力越高？”第10章桩基础（二）不同桩长条件下，端阻力所占比例分析图第4章桩基础

桩的长径比L/d是影响荷载传递的主要因素之一，随着长径比L/d增大，桩端土的性质对承载力的影响减小，当长径比L/d接近100时，桩端土性质的影响几乎等于零。发现这一现象的重要意义在于纠正了“桩越长，承载力越高”的片面认识。

希望通过加大桩长，将桩端支承在很深的硬土层上以获得高的端阻力的方法是很不经济的，增加了工程造价但并不能提高很多的承载力。

“桩越长，承载力越高？”第10章桩基础桩侧摩阻力和桩端阻力的分布规律及影响因素1.桩的侧阻随深度呈线性增大，但不是无限制增大，有其极限值。2.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。3.桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截面位移值大得多。5.桩长对荷载的传递也有着重要的影响。第10章桩基础10.3.2

桩的负摩阻力桩土之间相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力。正摩阻负摩阻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。第10章桩基础1、负摩阻力发生的条件

（1）桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载（包括填土）时；

（2）桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时；

（3）由于降低地下水位，使桩周土有效应力增大，并产生显著压缩沉降时；

（4）冻土地区，温度升高引起桩侧土的融陷；

（5）在灵敏度较高的饱和粘性土层内打桩引起桩周围土的结构破坏而重塑和固结；(6)桩数多而密集时，打桩使相邻已设置的桩抬升。第10章桩基础2、桩侧负摩阻力的分布规律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而变。桩周土与桩截面沉降相等，两者无相对位移发生，其摩阻力为零，这种摩阻力为零的点称为中性点lnNegative土位移Ss桩位移Sp-+摩阻力轴向力N中性点第10章桩基础

《桩基规范》中规定，桩侧负摩阻力及其引起的下拉荷载，当无实测资料时可按下列规定计算。3、桩侧负摩阻力的计算

（1）中性点以上单桩桩周第i层土负摩阻力标准值可按下式计算（当计算值大于正摩阻力时取正摩阻力）：当填土、自重湿陷性黄土湿陷、欠固结土层产生固结和地下水降低时：当地面分布大面积荷载时：第10章桩基础4.减少桩侧负摩阻力影响的措施（1）处理承台底的欠固结土；（2）套管保护桩法；（3）桩身表面涂层法；（4）预钻孔法；……（2）考虑群桩效应的桩侧总的负摩阻力（下拉荷载）可按下式计算：竖向抗压桩承载力的确定§10.4基桩竖向承载力设计值R：设计用承载力值。单桩竖向承载力Ra：按《地基规范》，单桩竖向承载力应为比例界限荷载，即表示正常使用极限状态计算时采用的单桩承载力值，以发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值，即单桩承载力特征值。第10章桩基础单桩竖向极限承载力标准值安全系数，K=2。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。第10章桩基础10.4.1单桩竖向极限承载力的确定根据《建筑桩基技术规范》JGJ94——2008第5.3.1条规定：1、设计等级为甲级的建筑桩基，应通过单桩静载试验确定；2、设计等级为乙级的建筑桩基，当地质条件简单时，可参照地质条件相同的试桩资料，结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定；其余均应通过单桩静载试验确定；3、设计等级为丙级的建筑桩基，可根据原位测试和经验参数确定。（一）按材料强度确定根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定：

（1）当桩顶以下5d范围内桩身箍筋间距不大于100mm，且符合相关构造要求时，钢筋混凝土桩桩身的竖向承载力设计值按下式计算：

（2）当桩身配筋不符合上述规定时：第10章桩基础（二）按静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值获得单桩承载力最可靠的方法次梁锚筋锚桩主梁千斤顶百分表基准柱（1）静载荷试验装置及其方法：第10章桩基础锚桩桁架法,2400吨第10章桩基础①根据沉降随荷载的变化特征确定：②根据沉降量确定：对于陡降型Q—s曲线，可取曲线发生明显陡降的起始点所对应的荷载为；（2）按试验结果确定单桩竖向极限承载力：对于缓变型Q—s曲线，一般可取

s=40～60mm对应的荷载值为对于大直径桩可取所对应的荷载值。第10章桩基础

试桩数n>3，且极差ΔQu

≤0.3Qum，取Qu=Qum；

在同一条件下的试桩数量，不宜少于总数的1％，并不应少于3根。工程总桩数在50根以内时不应少于2根。试桩数n≤3，Qu=Qumin单桩竖向承载力特征值Ra的确定：第10章桩基础（四）按经验公式法确定（1）对直径d<800mm的灌注桩和预制桩，单桩竖向极限承载力标准值：桩侧第i层土的极限侧阻力标准值极限端阻力标准值桩身周长第10章桩基础表4-6桩的极限侧阻力标准值qskikPa第10章桩基础表4-7桩的极限端阻力标准值qpk第10章桩基础（2）对大直径桩（d≥800mm）：大直径桩的极限侧阻力和极限端阻力的尺寸效应系数桩身直径桩端直径桩身周长第10章桩基础10.8.1收集设计资料

在设计之前，首先应通过调查研究，充分掌握一些基本的设计资料，其中包括上部结构的情况(如平面布置、结构型式、荷较大小以及构造和使用上的要求)、工程地质与水文地质勘察资料、基础材料的来源及施工条件(如桩的制作、运输、沉桩设备)等。并了解当地使用桩的经验，以供设计参考。桩基础设计§10.8第10章桩基础10.8.2桩型、桩长和截面尺寸的选择

桩型选择的主要依据是上部结构的形式、荷载、地质条件和环境条件以及当地的桩基施工技术能力与经验等。1.桩型的选择

第10章桩基础

2.桩的长度3.桩的截面尺寸桩的横截面面积根据桩顶荷载大小与当地施工机具及建筑经验确定。如为钢筋混凝土预制桩：中小工程常用250×250mm或300×300mm，大工程常用350×350mm或400×400mm。若采用灌注桩，中小桩径从300mm～800mm，大直径桩可选800mm～2000mm甚至更大。

根据土层的竖向分布特征，尽可能选定硬土层作为桩端持力层和下卧层，从而可初步确定桩长，这是桩基础要具备较好的承载变形特性所要求的。

桩端全断面进入持力层的深度，对于粘土、粉土不宜小于2d，砂土不宜小于1.5d，碎石类土不宜小于1d。当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于3d。第10章桩基础

1、桩的根数n的估算

根据《桩基规范》：轴向竖向力作用下：偏心竖向力作用下：桩基偏心受压系数，取1.1~1.210.8.3桩数及桩位布置第10章桩基础

选择最优的桩距就是合理布桩，这是使桩基设计做到经济

和有效的重要一环。

一般常用桩距为：s=3～4d

桩距太大会增加承台的面积，使其体积和用料加大而

不经济；桩距太小则会使摩擦桩基承载力降低，沉降加大，

且给施工造成困难。

桩的边距s1（桩的中心至承台边的距离）一般不小于桩的

直径，亦不得小于300mm。2.桩距s的确定第10章桩基础基桩的最小中心距土类与沉桩工艺排数不少于3排且桩数不少于9根的摩擦型基桩其他情况非挤土灌注桩3.0d3.0d部分挤土桩3.5d3.0d挤土桩非饱和土4.0d3.5d饱和黏性土4.5d4.0d钻、挖孔扩底桩2D或D＋2m（当D>2m）1.5D或D＋1.5m（当D>2m）沉管夯扩、钻孔挤扩桩非饱和土2.2D且4.0d2.0D且3.5d饱和黏性土2.5D且4.5D2.2D且4.0Dd：圆桩设计直径或方桩涉及边长；D：扩大端设计直径第10章桩基础3.桩的平面布置

桩数确定后，可根据上部结构形式及桩基受力情况选用单排桩或多排桩桩基。柱下桩基常采用矩形、三角形和梅花形。墙下桩基可采用单排直线布置或双排交错布置，在纵横墙交接处宜布桩。第10章桩基础

桩基础中桩的平面布置，除应满足前述的最小桩距等构造要求，布桩时还应注意：

（1）宜使竖向永久荷载合力作用点与桩的承载力合力点重合，并使桩基受水平力和力矩较大方向有较大的截面模量；

（2）上部荷载在桩基础传力路径最短，以达到尽可能减小基础内力的目的；

（3）当作用于桩基的弯矩较大时，宜尽量将桩布置在离承台形心较远处，采用外密内疏（桩承台外围布桩间距较小、而内部布桩间距较大）的布置方式，以增大基桩对承台形心或合力作用点的惯性距，提高桩基的抗弯能力。

（4）按变刚度调平设计，以减小差异沉降；

（5）主裙楼连体时，弱化裙楼布桩；

（6）在梁式承台或板式承台下布桩应本着减小弯矩的原则，尽量在柱和墙下布桩。避免在墙体洞口下布桩，如必须布桩时，应对洞口处的承台梁采取加强措施。第10章桩基础4.变刚度调平设计

变刚度调平设计即考虑上部结构形式、荷载和地层分布以及相互作用效应，通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布,以使建筑物沉降趋于均匀、承台内力降低的设计方法。

其目的在于减小差异变形、降低承台内力和上部结构次内力，以节约资源，提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能。第10章桩基础10.8.4基桩的竖向承载力验算

桩顶荷载简图1.桩顶荷载效应计算

（1）轴心竖向力作用下:（2)偏心竖向力作用下:（3)水平力作用下:M为作用于承台底面，绕x、

y轴的力矩；x，y为基桩至x、y轴的距离。第10章桩基础2.桩基竖向承载力验算（1）轴心竖向力作用下:荷载效应标准组合:（2）偏心竖向力作用下:（3）水平力作用下:基桩或复合基桩竖向承载力特征值基桩水平承载力特征值第10章桩基础1、灌注桩构造①

配筋率：0.65～0.20％受水平荷载桩，不小于812

抗压桩和抗拔桩，不小于610②

配筋长度1）端承型桩和位于坡地岸边的基桩应沿桩身等截面或变截面通长配筋；2）桩径大于600mm的摩擦型桩配筋长度不应小于2/3桩长；受水平荷载时，配筋长度尚不宜小于4.0/；3）抗震桩基：主筋应穿过液化土层和软弱土层进入稳定土层；4）抗拔基桩：等截面或变截面通长配筋。4.8.6桩身结构设计第10章桩基础③

箍筋：采用螺旋筋，>6＠200～300mm；当受水平荷载的桩，桩顶以下5d范围内的箍筋应加密，且间距不应大于100mm。④

桩身混凝土及保护层：桩身混凝土强度等级不小于C25；灌注桩主筋的混凝土保护层不小于35mm，水下工程不得小于50mm。2、预制桩构造

（1）最小截面尺寸：预制桩的截面边长不应小于200mm；预应力桩截面边长不应小于350mm。（2）混凝土强度等级与保护层厚度非预应力桩不应小于C30，预应力桩不小于C40，保护层厚度不宜小于30mm。第10章桩基础

（3）预制桩的桩身配筋预制桩的桩身配筋应按吊运、打桩及桩在使用中的受力等条件计算确定。采用锤击法沉桩时，预制桩的最小配筋率不小于0.8％；采用静压法沉桩时，不小于0.6％。主筋的直径不宜小于14mm，打入桩桩顶4～5d长度范围内，箍筋应加密，并设置钢筋网片。（4）预制桩的分节长度根据施工、运输条件确定，接头不宜多于3个。第10章桩基础灌注桩的纵向钢筋及箍筋配置第10章桩基础预制桩桩段长度及接头量预制桩的配筋及桩靴第10章桩基础预制桩接桩（a）硫磺胶泥接桩；（b）角钢焊接接桩；（c）法篮螺栓接桩第10章桩基础双吊点3、预制桩桩身结构强度验算

预制桩除了考虑上述构造要求外，还要对考虑运输、起吊和捶击过程中的强度验算。一般普通混凝土的桩身配筋由起吊和吊力的强度来控制。单吊点第10章桩基础10.8.7桩基承台设计

桩基承台的设计包括确定承台的材料、底面标高、平面形状及尺寸、剖面形状及尺寸,以及进行受弯、受剪、受冲切和局部受压承载力计算，并应符合构造要求。第10章桩基础1.承台构造承台尺寸承台最小宽度不应小于2倍桩的直径或边长≥

500mm。承台边缘至边桩的中心距不小于桩的直径或边长，边缘挑出部分≥150mm。承台厚度应≥300mm。钢筋受力筋应通长配置。矩形承台宜按双向均匀布置。承台梁的受力筋直径不宜小于12mm，架立筋不应小于10mm，箍筋不应小于6mm，钢筋保护层厚度不小于≥70mm，当有混凝土垫层时≥50mm。桩顶伸入承台要求桩顶应嵌入承台一定长度，对大直径桩宜≥100mm，对中等直径桩宜≥50mm。混凝土桩的桩顶主筋应伸入承台内，其锚固长度宜≥35倍钢筋直径，对于抗拔桩基应≥40倍钢筋直径。连系梁两桩桩基的承台，宜在其短向设置连系梁。连系梁顶面宜与承台顶位于同一标高，梁宽应≥200mm，梁高可取承台中心距的1/10～1/15，并配置不小于2Φ12的钢筋。混凝土强度等级≥C25第10章桩基础桩基承台的基本尺寸及配筋（a）柱下独立承台；（b）条形承台第10章桩基础2.承台的内力计算