桥梁基础工程桩基础

第3章桩基础3.1概述优点：承载力高，沉降小，稳定性好。不需大范围的开挖，减少了支护、降水工作。3.1.1桩基础及其应用缺点：施工较为复杂，造价较高。组成：桩群和承台。适用范围：（1）荷载大，软弱土层厚时。（2）河床冲刷较大时。（3）对地基沉降及不均匀沉降控制有较高要求时。（4）水平荷载较大时。（5）河水位较高时。（6）地震区需抗砂土液化时。3.1.2桩和桩基的分类钢管桩H型钢桩木桩基础1.桩的分类材料钢桩基础材料类型木桩混凝土桩钢筋混凝土桩钢桩（已少用）（较少）（主力）（价高）1.桩的分类优点：桩身质量容易保证；水上施工方便；施工工效高。缺点：单价较灌注桩高；锤击、振动法下沉时噪音大；属挤土桩，易导致地面的隆起；桩接头是薄弱环节；不易穿透坚硬地层。优点：适用于各种地层；可采用大直径，以获得高承载力；与预制桩相比，钢筋用量较少，更为经济。（1）预制桩缺点：桩身质量不易保证；孔底沉积物不易清净（挖孔桩除外），影响承载力；一般不宜用于水下施工。（2）灌注桩施工方法：打入、振入、压入等。施工方法（钢筋混凝土桩）施工方法：钻孔、冲孔、沉管成孔、人工挖孔等。（3）管柱基础施工方法：先下沉预制钢筋混凝土管，内部钻挖后，再填钢筋混凝土。特点：承载力高，适合于深水施工。打入桩（房建）钻孔桩冲孔桩直桩和斜桩斜桩：可抵抗较大的水平荷载。桩的设置效应挤土桩非挤土桩部分挤土桩根据对周围土的扰动程度实心预制桩、下端封闭的管桩等冲孔灌注桩、钢桩等钻（挖）孔灌注桩等扰动后的土影响桩的承载力及沉降。直桩斜桩按（轴向）承载性状的分类（1）桩的轴向受力特征轴向荷载=侧阻力+端阻力极限荷载=极限侧阻力+极限端阻力主要取决于桩侧与桩底以下土（岩）层的性质的刚度、强度以及桩所受荷载的大小。（2）桩侧、桩端阻力的分担比例（3）《铁路桥基规范》(规范中没有?)摩擦桩：在承载力极限状态下，轴向荷载由侧阻和端阻承担。轴向荷载几乎完全由侧阻承担时，称为纯摩擦桩。柱桩：在承载力极限状态下，轴向荷载几乎全由桩端阻力承担。

端承型桩：在承载力极限状态下，轴向荷载主要由桩端阻力承担。全部由端阻承担时，称为端承桩；桩侧承担少部分时，为摩擦端承桩。

摩擦型桩：在承载力极限状态下，轴向荷载主要由桩侧阻力承担。全部由侧阻承担时，称为摩擦桩；桩底承担少部分时，为端承摩擦桩。（5）《建筑桩基技术规范》（4）《公路桥基规范》

端承桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩端阻力承担。

摩擦桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩侧阻力承担。

端承型桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩端阻力承担。

摩擦型桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩侧阻力承担。（6）《建筑地基基础规范》低承台台桩基基：承台底底面低低于地地面或或局部部冲刷刷线的的桩基基础。。低承台台高承台台桩基基：承台底底面高高于地地面或或局部部冲刷刷线的的桩基基础。。高承台台2.桩基础础的分分类3.2桩基设设计计计算的的主要要内容容1.设计内内容桩的类类型（（施工工方法法）承台底底面的的标高高桩截面面形状状及尺尺寸、、桩长长桩的根根数及及平面面布置置方式式桩的材材料类类型桩及承承台的的配筋筋2.验算内内容单桩轴轴向承承载力力（岩岩土阻阻力））桩基础础的承承载力力桩基础础的沉沉降墩台顶顶的水水平位位移桩身材材料强强度承台强强度3.3单桩轴轴向容容许承承载力力3.3.1轴向荷荷载传传递的的方式式和特特点通过建建立微微单元元平衡衡方程程（竖竖向））1.轴向荷荷载和和侧摩摩阻力力得到侧摩阻阻力与与轴力力的关关系侧摩阻阻力的的直接接量测测很困困难，，应用用上式式，可可通过过量测测轴力力得到到摩阻阻力的的分布布形式式。轴力摩阻力2.桩身沉沉降确确定桩顶沉沉降桩身沉沉降桩身压压缩量量振弦式式应变变计3.荷载传传递的的一般般规律律（1）加载载过程程中，，侧阻阻发挥挥先于于端阻阻，并并先于于端阻阻达到到极限限。（2）与桩桩土间间的相相对位位移有有关。。通常常，端端阻达达到极极限状状态所所需的的位移移高于于侧阻阻所需需位移移。（3）与桩桩的长径比比及桩端端土（（岩））与桩桩侧土土的相对刚刚度等有关关。长长径比比越大大，端端阻力力越小小。端端/侧相对对刚度度越大大，端端阻力力越大大。侧阻-荷载关关系端阻-荷载关关系深度4.桩侧负负摩阻阻力条件件：桩周土土的下下沉量量大于于桩的的下沉沉量。。危害害：降低桩桩的承承载力力，增增大位位移。。负摩擦擦力：：与轴向向压力力方向向相同同的侧侧摩阻阻力。。摩阻力力沉降降轴力力中性点点持力层土类黏性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩ln/l00.5～0.60.7～0.80.91.0中性点点的位位置（1）大范范围降降水。。产生负负摩阻阻力的的原因因（2）桩侧侧地面面大范范围堆堆载。。（3）欠固固结土土或新新填土土。（4）湿陷陷性黄黄土湿湿陷。。（5）冻土土融陷陷。（软土土或中中等强强度粘粘性土土）（砂土土）总的负负摩擦擦力减小负负摩擦擦力的的措施施（1）改善善土层层性质质，降降低其其沉降降。（2）桩－－土隔隔离。。（1）（2）负摩阻阻力的的确定定（经经验公公式））桩周土土摩擦擦力系系数标准贯贯入数数侧压力力系数数桩的周周长3.3.2单桩的的破坏坏模式式压屈破破坏整体剪剪切破破坏刺入破破坏小直径径柱桩桩、嵌嵌岩桩桩、超长桩桩打入式式短桩桩、钻钻孔短短桩钻孔灌注桩桩柱桩摩擦桩静（动）载试验理论公式经验公式3.3.3单桩竖向承承载力确定定单桩承载力力轴向横向受压（抗压压）受拉（抗拔拔）单桩抗压承承载力材料强度岩土的支承承力1.按静载试验验确定抗压压承载力试验装备反力系统：：锚桩（或堆堆重）、主梁等加载：千斤顶、油压表沉降量测：：百分表、基准梁等试验方法慢速维持荷荷载法（1）试验装置及及方法单桩静载试试验（堆载载）千斤顶主梁次梁支墩试桩锚桩锚索单桩静载试试验（锚桩桩）千斤顶试桩（帽））基准梁百分表陡变型：曲线明显发发生下降的的起始点。。缓变型：取s=40或0.05D(大直径桩，，桩端直径径）所对应应的荷载。。P-s曲线法确定极限限荷载陡变型缓变型（2）确定单桩桩承载力《铁路基桩检检测技术规规程》（TB10218-2008）方法P-s曲线s-logt曲线（1）所有试桩桩的极差不不超过平均均值的30％时，取平平均值为单单桩竖向抗抗压极限承承载力。。（2）极差超过过平均值的的30％，应分析析极差过大大的原因，，结合工程程具体情况况综合确定定，必要时时增加试桩桩数量；（3）对桩数为为3根或3根以下的柱柱下承台，，或工程桩桩抽检数量量少于3根时，应取取低值。极限承载力力容许承载力力极限承载力力平均值安全系数2.按经验法确确定抗压承承载力《铁路桥基》打入、振动动下沉、桩桩尖爆扩桩桩钻（挖）孔孔灌注桩（1）摩擦桩振动沉桩对对端阻的影影响系数桩端极限承承载力爆扩桩端阻阻修正系数数极限侧阻力力振动沉桩对对侧阻的影影响系数安全系数安全系数桩身周长承台底面或或局部冲刷线线以下各土层厚度度桩底支撑力力折减系数数桩底面积桩底土容许许承载力，，按桩底埋深修正极限侧阻力力（2）柱桩桩底面积单轴抗压强强度修正系数支承于岩石石上的打入入、震动下下沉桩（包包括管柱））支承于岩石石层上与嵌嵌人岩石层层内的钻(挖)孔灌注桩及及管桩桩或管柱的的周长岩石及清底底情况系数数嵌岩深度岩石及清底底情况系数数2.抗拔承载力力的确定（1）单桩抗拔拔试验承受较大的的水平荷载载的桩基、、抗浮桩、锚桩等。桩承受竖向向拉拔荷载载的能力。。主要针对：：（2）《桥规》公式轴向受拉容容许承载力力符号意义同同前3.3.4单桩轴向容容许承载力力检算摩擦桩轴向压力桩的自重被置换的土土重承载力计算算值柱桩受拉桩主+附（特）时时主力时主力+附加力作用用时，[P]可提高20%;主力+特殊荷载（（除地震力力外）时柱柱桩可提高高40%，摩擦桩20%~40%。3.3.5按桩身强度度确定抗压压容许承载载力通常，摩擦擦桩的承载载力主要取取决于土（（岩）的阻阻力，柱桩桩则主要取取决于桩身身的强度。。（1）按轴心受压压构件计算算普通箍筋螺旋式或焊焊接环式间间接钢筋结构重要性性系数轴向力组合合设计值轴压杆件稳稳定系数混凝土抗压压强度桩的截面积积钢筋抗压强强度纵筋截面积积（2）按偏心受压压构件计算算（见“结构构设计原理理”课程））3.4单桩横向承承载力工作特点（1）竖直单桩桩的水平承承载力远小小于竖向承承载力。（2）单桩水水平承载力力的大小主主要取决于于桩身的强强度、刚度度、桩周土土的性质、、桩的入土土深度及桩桩顶约束条条件等。3.4.1工作特点及及破坏模式式2种破坏模式式（1）桩侧土体体失稳破坏坏。桩的相对刚刚度（与周周围土相比比）较大时时（2）桩身材料料破坏。桩的相对刚刚度较小时时要求（1）桩侧土体体不破坏，，桩身不断断裂。（2）桩顶水平平位移及转转角不超过过容许值。。3.4.2单桩水平静载载试验1.试验装置2.试验加载方法法3.终止加载条件件单向多循环加加卸载法慢速连续加载载法（长期承受水水平荷载时））（与桥梁桩基基水平荷载作作用特点相符符）或：（1）桩身折断；；（2）水平位移达达到30~40mm或设计容许值值。4.水平承载力的的确定临界荷载Hcr：桩身开裂、、受拉区混凝凝土退出工作作时的桩顶水水平力。极限荷载Hu：桩身应力达达到极限强度度时的桩顶水水平力。水平承载力特特征值桩身强度控制制时，取临界界荷载。位移控制时，，取设计要求求位移对应的的荷载。长期水平荷载载作用且控制制开裂时，取取0.8倍临界荷载。。临界荷载极限荷载H0tx0H0x0/H0H0σg单桩水平荷载载试验试桩（帽）千斤顶反力梁反力桩3.5横向荷载作用用下单桩内力力和位移计算算作用土的横向地基基系数计算宽度是计算桩基础础的水平位移移、内力、桩桩侧土体横向向抗力的基础础。3.5.1桩侧土的横向向抗力横向抗力：基础在外力作作用下发生侧侧移挤压土体体时，侧面土土体对基础的的抗力。（1）概念（2）计算公式假设：横向抗力的大大小与桩的水水平位移成正正比。kN/m3横向位移深度或（3）计算宽度b0桩侧横向抗力力的分布宽度度大于实际宽宽度b，为b0。单桩（包括其其他形式的基基础）时根据基础截面面（侧面）形形状查表确定定。多排桩时考虑桩之间的的相互影响，，通过系数k确定。两桩之间的净净间距与桩数有关的的系数计算深度计算深度h0桩（其他形式式的基础）局局部冲刷线以以下的计算深深度。且不大于入土土全长h。（4）横向地基系数数常数法k法m法c法（5）比例系数m“m法”我国铁路、公公路、建筑规规范中采用的的方法。多层土时的m（对所围面积积的加权平均均）计算深度hm：刚性桩，hm=h；弹性桩，hm=2（d+1）多层土时m的计算图式1.单桩的挠曲方方程（m法）方程3.5.2横向荷载作用用下单桩的内内力及位移计计算（转角：逆时针方向为正）刚性桩弹性桩桩的抗弯刚度度，通常取为为0.8EhI，Eh为混凝土的抗抗压弹性模量量（单位：m-1）横向变形系数数解答l所反映的是桩桩-土之间的相对对刚度水平位移转角弯矩剪力横向抗力y的函数桩顶水平位移移、转角、弯弯矩、横向荷荷载2.桩顶横向位移移X0和转角0的确定根据桩底边界界条件确定。。（1）桩底支承于于土层或岩面面时竖向地基系数数桩底截面的惯惯性矩弯矩正向与转转角正向相反反桩底截面桩底边界条件件1：桩底边界条件件2：将y=l代入y、My、Qy的计算公式，，并应用上述述边界条件，，可得到MMMQMMQMMQaEIMEIaQddddj000200-=+=-柔度系数柔度系数AB：桩顶B方向作用单位位荷载时，在在A方向产生的位位移。弯矩：顺时针方向为正。转角：逆时针方向为正。柔度系数计算算公式桩底端支承于于一般土层且且l≥2.5时桩底端支承于于岩面且l≥3.5时可近似地取Kh=02）下标l表示A、B、C、D取y=l时的值。1）式中A、B、C、D是αy的函数。3）说明：（2）桩下端嵌固固于岩层内时时（3）当l≥4.0时，桩底约束束（边界条件件）对桩受力力变形的影响响可以忽略。。（4）桩身内力力及位移的的简捷算法法MMyBMAaQM00+=将X0、0的表达式直直接代入桩桩的变形及及内力计算算公式，可可得到式中的A、B是αy、αl、Kh的函数，当当查表计算算时，为便便于制表，，需忽略Kh的影响，为为此应满足足：1）桩底端支支承于一般般土层时，，l≥2.5；2）桩底端支支承于岩面面时，l≥3.5。（桩侧土横横向抗力））3.5.3高承台桩的的变形及内内力计算桩顶荷载桩顶的位移及转转角地上段按悬臂梁梁计算，由外荷荷载产生的桩顶顶位移和转角地面处荷载将X0、0的表达式代入及可得桩顶柔度系数3.5.4刚性桩的简化计计算方法（下章介绍）3.6多排桩桩基的平平面分析3.6.1单桩刚度系数桩顶位移(B)轴向位移横向位移截面转角桩顶作用力(A)轴力N剪力Q弯矩M单桩刚度系数ρAB：桩顶（地面处））B方向且仅在该方向产生单位位移时时，在该处A方向引起的力。。ρAB转角和弯矩逆时针旋转为正。1.单桩刚度系数1计算桩顶沉降＝桩身身压缩量（弹性性）＋桩底土层层压缩量柱桩：侧摩阻力f(z)为0。摩擦型钻、挖孔孔灌注桩：f(z)均匀分布且端阻阻为0。摩擦型预制桩：：f(z)正三角形分布且端阻为0。桩身压缩量计算算计算时假设：侧摩阻力积分后，得柱桩：1.0摩擦型钻、挖孔孔灌注桩：0.5摩擦型预制桩：：2/31：承台沿桩的轴线方向产生单单位位移时所引引起的顶面处的轴力。桩底土层压缩量量桩的沉降刚度系数1竖向地基系数（取l10m）取l10m2.刚度系数2、3、42：承台沿桩的横向产生单位位移（且无转角）时在顶面处引起的剪力。3承台沿桩的横向产生单位位移（且无转角）时在顶面处引起的弯矩。承台产生单位转角（且无横向位移）时在顶面处引起的剪力。4：承台产生单位转角（且无横向位移）时在顶面处引起的弯矩。转角及弯矩的方方向规定以逆时针方向为正。因为当桩桩顶发生单位位位移时，所引起起的弯矩（3）是逆时针的，，同样，桩顶逆逆时针方向产生生单位转角时，，引起正向的横横向力（3）。即逆时针规定可可保证3始终为正。定义计算公式由解得根据定义，刚度度系数为最终，刚度系数数可表达为其中3.6.2高承台桩基的平平面分析（1）桩基础具有一个个竖向方向的结结构对称平面。。作为平面问题计计算的条件（2）外荷载可简化化为作用在该平平面内的力。承台位移及桩顶顶位移承台水平a竖向b转角桩顶轴向转角横向（顺时针为正））（i逆时针为正）1.桩为竖直桩时yx1122333344xi1xib=1a=1=1yxyx（由于对称性））承台的刚度系数数每一排的桩数承台平衡方程（（位移法)承台的位移桩顶的作用力（逆时针为正））方程求解后得到到3.6.4低承台桩基承台的平衡方程程承台侧面土体产产生的水平抗力力承台侧面土体产产生的抵抗弯矩矩只考虑承台侧面面土的抗力，不不考虑承台底面面土的作用。求解方方程承台的的计算算宽度度桩侧土土抗力力的计计算承台侧侧土的的水平平地基基系数数水平力力弯矩矩承台台y处的水水平位位移3.6.5低承台台桩基桩桩顶作作用力力的简简化计计算方方法1.假设时，假假设：（1）水平平荷载载由承承台侧侧土承承担；；（2）忽略略水平位移移和转转角的的影响响。此此时有有当水平平荷载载较小小，埋埋深较较大，，即gjBHh)245tan(-°³本式主主要在在基桩桩竖向向承载载力验验算时时使用用。群桩基基础中中的一一根桩桩3.7.1群桩的的工作作特点点3.7群桩基基础的的承载载力和和沉降降检算算结论论1.柱桩基础础（1）群桩基基础承承载力力为各各单桩桩承载载力之之和。。（2）群桩基基础的的沉降降与各各单桩桩沉降降量相相等。。桩底压压应力力不叠叠加。。特点点（1）桩底底压应应力的的叠加加效应应2.摩擦桩桩群桩桩基础础桩间距距较大大（sa>6d）时，，应力力不叠叠加；；较小小（sa>6d）时叠叠加。。（2）群桩桩影响响桩间间土性性质间距较较大时时单桩间距较较小时时3.7.2群桩基基础竖竖向承承载力力验算算将群桩桩基础础视为为实体体基础础进行行验算算。作用在在桩基基底面面的竖竖向力力对承台台底面面桩基基重心心的弯弯矩桩底处处的地地基承承载力力（按按浅基基计算算）实体基基础底底面的的面积积、截截面模模量《铁路桥桥规》计算公公式的计算公式（所穿穿土层层厚度度的加加权平平均值值）有软弱弱下卧卧层时时软弱下下卧层层的验验算方方法同同浅基基础。。3.7.3群桩基基础沉沉降验验算承载力力验算算沉降验验算（1）采用恒恒载。。（2）按作为为实体体基础础按浅浅埋基基础的的方法法计算算。3.8板式承承台的的设计计承台类类型板式承承台（（常用用）沉井式式承台台要求强度刚度沉井式式承台台构造要要求（1）承台台厚度度不小小于1.5m。（2）承台台上、、下面面布置置钢筋筋。板内钢钢筋布布置桩-板联结结方式式预制桩桩管柱桩桩（3）桩进进入承承台足足够深深度。。（4）外排排桩与与承台台边缘缘的净净距满满足要要求。。桩的平平面布布置方方式及及桩间间距要要求布桩方方式行列式式梅花式式桥梁承承台3.2桩基础础设计计计算算设计资料的综合分析研究确定桩基础持力层的几种方案验算群桩基础承载力和必要时验算群桩基础沉降验算单桩承载力桩顶作用力计算，地面处位移x0验算，桩身内力计算确定桩数和平面布置计算和确定参数确定桩基础形式及承台尺寸、标高和计算承台底面作用力确定单桩容许承载力桩身强度设计（配筋）确定基桩类型的几种方案和桩的尺寸、构造及施工工艺几种方案的技术经济比较，能否作出最优选择验算承台强度必要的调整，绘制施工图验算桩身强度、稳定性、裂缝宽度、及桩顶或墩台顶水平位移ftftftftftft3.2.1设计流流程3.2.2方案设设计1.桩的类类型选选择材料钢桩混凝土土桩施工方方法预制现场灌灌注承载特特性摩擦桩桩柱桩岩层埋埋深土层情情况施工技技术单桩承承载力力原则则同一基基础中中，桩桩型及及承载载特性性相同同，桩桩径相相等，，桩长长之差差尽可可能小小。2.板式承承台底底面标标高的的确定定（1）低承承台桩桩基的的承载载力通通常高高于高高承台台桩基基。（2）在水水中，，高承承台桩桩基的的施工工较低低承台台桩基基方便便。（3）承台台底面面标高高的确确定应应考虑虑冲刷刷、水水位、、通航航、流流冰等等因素素的影影响。。（4）水位位较高高、冲冲刷较较深时时可采采用高高承台台，甚甚至底底面置置于施施工水水位之之上（（无航航船、、流冰冰影响响时））。（5）陆地地、季季节性性河流流、冲冲刷深深度较较小时时，可可采用用低承承台。。（冻冻土中中应考考虑冻冻胀影影响。。）3.桩径及及桩长长的拟拟定土（岩岩）层层情况况施工技技术及及水平平对单桩桩承载载力的的要要求4.桩数及及其平平面布布置（1）根数竖向荷载单桩承载力经验系数（2）桩间距（桩的中中心距）1）桩间过大时，承承台所需的尺寸过过大，造价提高。。2）桩间过小时，桩桩-桩相互影响影响，，承载力不能充分分发挥。施工困难难。3）合理的桩间距取取决于桩径、施工工方法、承载特性性等因素。（3）平面布置方式布桩方式行列式：施工方便便。梅花式：布置方式式紧凑。行列式梅花式此外，还应使群桩桩的重心尽可能与与合力作用点接近近。3.2.3设计荷载的确定主力组合主力+附加力主力+特殊荷载荷载组合（仅考虑分别与一一个方向即顺桥或或横桥的附加力的的组合）3.2.4桩基础的承载力及及沉降验算3.2.5基桩的位移、内力力计算及设计（1）计算外荷