建筑桩基设计方法及实例

建筑桩基设计方法及实例分析

—献给不盲从规范，而寻求利用自然规律的工程师

杨琦

中国建筑西北设计研究院概要结合新的桩基规范的新增内容，介绍建筑桩基设计的方法、过程及常见问题，并附以实例分析。以新增内容、常用内容、本地土质和常见问题为重点，不求面面具到。对于规范既要认真学习、正确使用，又要在工程中不断创新，积累经验，修改完善。1.桩基规范的新增内容

1)变刚度调平设计…突破了原有规范的不合理规定

2)耐久性规定…和新的砼规范协调一致

3)后压浆…已使用多年，给予合法化和正规化

4)软土地基减沉桩…已使用多年，给予合法化和正规化

5)单桩及疏桩沉降计算…原有方法的修改和完善

6)桩身承载力的计算…原有方法的修改和完善

7)长螺旋钻孔压灌桩…已使用多年，给予合法化和正规化

8)预应力空心桩…已使用多年，进一步完善

9)相关经验系数的调整…应该在经验的积累中不断调整2.桩基的勘察

1）桩基的详细勘察除满足现行国家标准：《岩土工程勘察规范》GB50021-2001外，尚应满足本规范3.2.2条的规定。…按地质复杂程度、端承桩桩端持力层面坡度，摩擦桩各土层性质或状态在水平方向的变化情况决定勘探孔的间距。按设计等级确定控制性勘探孔的数量，按桩端平面以下压缩层的厚度确定控制性勘探孔的深度，按刺入变形的大小确定一般性勘探孔的深度。

2）拟采用桩基的工程，控制性勘察孔的深度应不小于桩端平面以下压缩层的厚度，详情见本规范5.5.8条和5.5.15条…应力比法，即按计算深度处附加应力与土的自重压力之比不大于20%的标准确定。3.桩型的选择

主要考虑因素：荷载的大小，土层分布，施工工艺和经济性

常用桩型：

1）机械或锅锥成孔钢筋混凝土灌注桩…最常用

2）预制钢筋混凝土方桩及预应力管桩…无硬夹层，桩端持力层土层硬、厚，且层面起伏小。

3）人工挖孔桩…不适合于地下水位高的砂土及淤泥土，桩径不小于800mm，桩长不大于30m。

特殊桩型：

1）灌注桩后压浆…以桩端为厚度较大的中粗砂为佳，地下水流速大时应慎用

2）长螺旋钻孔压灌桩…应后插钢筋笼/长度及承载力有限

3）沉管灌注桩及夯扩桩…无硬夹层/长度及承载力有限4.桩基的平面布置

1）桩距应满足本规范3.3.3条的规定。

2）剪力墙结构的桩筏基础

应尽量采用墙下单排布桩，承载力不足时可采用加大桩径、桩长和后压浆等措施提高单桩承载力，必须在板下布桩时，应加大筏板厚度，使其具有合适的刚度，以保证板下桩与墙下桩一样承受上部荷载。

3）框架-核心筒结构

应将桩布于核心筒和周边柱等竖向受力构件下方，且宜选择基桩尺寸和承载力可调性大的桩型和工艺。

按照减小差异沉降和承台内力的变刚度调平设计要求，应强化核心筒区域的桩基刚度，相对弱化周边框架柱下的桩基刚度。可采取以下的地基组合：

a)采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，核心筒区域长桩，周边框架柱下短桩。

b)采用同长度的钢筋混凝土钻孔灌注桩，但核心筒区域桩后压浆处理。

c)核心筒区域桩基，周边框架柱下复合地基。

d)采用天然地基，但在核心筒区域局部设置增强刚度，减小沉降的摩擦桩。此时应注意桩端不能是坚硬的岩石层或密实的中粗砂层，以确保桩受荷载后能产生刺入变形，承台底的土能有效分担份额很大的荷载。桩距不必太小，应在5d~6d以上，确保桩间土受牵连变形最小，能充分发挥桩间土的承载作用。4）主楼与裙楼连体的结构

按照减小差异沉降和承台内力的变刚度调平设计要求，应强化主楼区域的地基刚度，相对弱化裙楼的地基刚度。可采取以下的地基组合：

a)主楼区域桩基，裙楼区域复合地基。

b)主楼区域桩基或复合地基，裙楼区域天然地基。

c)主楼区域筏板基础（含桩筏、复合地基+筏板和天然地基+筏板），裙楼区域独立基础或条型基础。…独立基础或条型基础下的地基处理可根据持力层的承载力大小确定。可考虑局部复合地基或天然地基，有湿陷性时可结合湿陷性处理一并完成。5）按照上部荷载分布调配下部桩的疏密程度和长度，保持下部桩的承载力与上部荷载匹配，且承载力的合力作用点与上部荷载的合力作用点尽可能重合。…例：大储量的筒仓、储罐的桩基，宜按荷载分布及基底变形特征内强外弱布桩。6）大厚度自重湿陷性黄土地基的桩基由于负摩阻力的存在，大厚度自重湿陷性黄土地基的桩基的效率很低，未经处理时不宜采用，确有必要时应先处理大厚度自重湿陷性黄土地基的湿陷性。…可以考虑灰土挤密桩、DDC等与钢筋混凝土钻孔灌注桩交错布置。4.桩基的竖向布置

1）根据土层分布及厚度选择合理的桩型和桩长。

主要的考虑因素有：

a)粉细砂层、流塑土层对灌注桩成孔的影响

b)浅层土中的硬夹层对预制桩送桩的影响

c)可用的桩长范围内有没有相对较厚的桩端持力层？层面高低起伏状况

d)有无通过后压浆后能大幅提高承载力的条件？

2）桩尖进入持力层的深度应满足本规范第3.3.3条第5和第6款的规定。

3）桩尖特殊地质状况的处理

孤石（大小？）、岩溶、土洞（废弃的井和防空洞等）。

4）抗震设防区桩基

本规范3.4.6条对桩进入液化土层以下稳定土层的厚度规定，承台及地下室侧墙周围回填土及回填质量的要求（特别注意地下室侧墙周围防水保护慎用苯板），液化扩展地段桩基在土流动侧向力作用下的稳定性。5.典型实例分析

例1：皂河一级阶地。

土层分布状况：

浅层（20m以内）为黄土状土，无湿陷性或Ⅰ级非自重湿陷性，深层为粉质粘土，中等或中偏低压缩性。黄土状土中有中细砂夹层，薄厚不匀，一般为05.m~3m，黄土状土的承载力特征值一般为120kpa~160kpa；粉质粘土的承载力特征值一般为200kpa~240kpa，桩的极限端阻力标准值800kpa~900kpa，砂土不液化。地下水位一般在距自然地面12m以上。

分析：

场地地基属均匀地基，无不利于桩基施工的不良土层，但也没有明显的可作为桩端持力层的硬土层。根据土层特征，桩以摩擦桩为主，沉渣处理得当或桩端采取后压浆处理的灌注桩和静压桩可视为端承摩擦桩。

选型与布置：

a)高层框架-核心筒结构：建议使用钢筋混凝土钻孔灌注桩，核心筒区域及外围柱下集中布桩。按变刚度调平设计的原则，筒体下桩适当加强。

b)高层框架-剪力墙或剪力墙结构：可使用钢筋混凝土钻孔灌注桩，柱下集中布桩和墙下单排布桩。亦可使用静压预制桩，但使用静压预制桩前应当评估夹砂层的厚度和密实程度及其对送桩的影响。由于静压预制桩最大单桩承载力比钢筋混凝土钻孔灌注桩小且不易调整，有时墙下集中布桩会有困难。

c)小高层建筑结构和天然地基承载力高的高层建筑结构：可采用长螺旋钻孔压灌桩和CFG桩复合地基。

讨论：

a)按变刚度调平设计的原则，筒体下桩“适当加强”，度怎么把握？…按规范要求进行上部结构-承台-桩共同工作分析，经验尚少,可取1.2~1.3的放大系数。b)对于梁板式筏基，采用柱下集中布桩和墙下及梁下单排布桩，荷载不通过筏板直接传递给桩，故不需要太厚的筏板，经济性好。

c)必须在筏板下布桩时，应加大筏板厚度，使筏板有合适的刚度，以保证筏板下桩与柱下桩和墙下及梁下桩一样承担上部荷重。例2：兴庆湖周围的软塑地基

土层分布状况：浅层（15~25m以内）内有较厚的软塑，流塑状饱和状态黄土层，深层为粉质粘土，中等或中偏低压缩性，持力层范围内无硬夹层。饱和状态黄土的承载力特征值一般为130kpa~150kpa；地下水位一般在距自然地面5~9m左右。分析：场地地基属均匀地基，根据土层特征，桩为摩擦桩。由于地下水位位于基底以下3m以内，若采用复合地基，施工质量难以控制，处理后复合地基承载力和建筑物的沉降亦很难把握。而由于浅层土为可塑~软塑，局部流塑状态，若采用钢筋混凝土钻孔灌注桩成孔会遇到麻烦，施工难度大。

选型与布置：a)仔细分析土层分布情况可以发现，基底下深层土有相对较硬的密实的粉质粘土层，可作为桩端持力层，且该层以上无硬夹层，静压桩施工可行，且经济性好，，故建议采用静压钢筋混凝土预制桩（含钢筋混凝土方桩和预应力混凝土管桩）。采用钢筋混凝土预制桩截面为400mmX400mm，桩长30m时，单桩竖向极限承载力可达到3500~3800kN,一般为满堂布桩。b)当上部荷载过大时，采用静压钢筋混凝土预制桩可能会承载力不足，则可考虑采用泥浆护壁钢筋混凝土钻孔灌注桩，并采取措施防止塌孔和缩径。例3：渭河二级阶地

土层分布状况：浅层（20m以内）为黄土状土，无湿陷性或Ⅰ级非自重湿陷性，深层为粉质粘土，中等或中偏低压缩性。黄土状土的承载力特征值一般为120kpa~160kpa；浅层黄土状土下有密实的中粗砂和粗砾砂层，且厚度较大（一般在10m以上），该砂层桩的极限端阻力标准值1300kpa~2400kpa，砂土不液化。地下水位一般在距自然地面6m以上。

分析：场地地基属均匀地基，无不利于桩基施工的不良土层，且桩长范围内有可作为桩端持力层的中粗砂或粗砾砂层。根据土层特征，桩为摩擦端承桩或端承桩。选型与布置：

a)高层建筑结构：建议使用钢筋混凝土钻孔灌注桩及后压浆处理，砂层表面起伏不大时可使用静压预制桩，柱下集中布桩和墙下单排布桩。对于高层框架-核心筒结构，核心筒区域及外围柱下集中布桩，并按变刚度调平设计的原则，筒体下桩适当加强。…静压预制桩在该类地区是经济性最好的桩型。但由于其可提供的最大极限承载力相对有限，故虽然其经济性在该类地区比钢筋混凝土钻孔灌注桩好，但当上部荷载过大时，柱下集中布桩和墙下单排布桩往往比较困难，这将增大筏板的投资。

b)小高层建筑结构和天然地基承载力高的高层建筑结构：按砂层埋藏深度不同可使用静压预制桩，柱下集中布桩和墙下单排布桩，亦可采用长螺旋钻孔压灌桩和CFG桩复合地基，砂层埋藏较浅时亦可考虑天然地基和砂石垫层方案。例4：黄土塬上大厚度自重湿陷性黄土地基

土层分布状况：勘察范围内黄土状土土层深不见底，自然地面以下为大厚度（20m以上）的Ⅱ~Ⅲ级自重湿陷性黄土，中等或中偏低压缩性。黄土状土的承载力特征值一般为170kpa~200kpa；地下水位一般距自然地面40m以上。

分析：场地地基属均匀地基，桩以摩擦桩为主。由于基础底面以下为大厚度（15m以上）的Ⅱ~Ⅲ级自重湿陷性黄土，单桩竖向承载力的计算除不计入湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力外，尚应扣除桩侧的负摩阻力（在这一段内的桩长为无效桩长）。其负摩阻力使桩的效率大大降低，经济性很差。

选型与布置：

a)应尽量选用细长桩，降低负摩阻力桩段长度占总桩长的比例，提高桩的效率。

b)当有好的桩端持力层时，可设法增大桩的端承力，如：扩底和桩底后压浆等。

c)先对自重湿陷性黄土进行挤密处理，消除其湿陷性，再用钢筋混凝土钻孔灌注桩。

讨论：某工程两种桩基方案的经济比较

基底以下为古土壤（Q31el），硬塑状态，层厚2.20~2.40m，层底埋深8.50~8.70m，不具湿陷性，地基承载力特征值为190kPa。再往下为黄土（Q22eol）层和古土壤（Q21el）层交互分布，均有湿陷性。黄土硬塑~坚硬状态，每层厚3~5m，地基承载力特征值为170~190kPa；古土壤为硬塑状态，每层厚1~2m，地基承载力特征值为190~220kPa。

土层分布牵见下图：上部建融筑传到震基底的耕平均压臣力标准廊值为5区40k标Pa。元分别采添用以下压两种方润案：叫方案一艰：钢筋嫁混凝土渐钻孔灌鲁注桩狸ø80沫0桩，偷墙下单港排布桩蚁，间距青2.3幕m，桩悼长58庭m，单余桩竖向项承载力舰特征值酿486元0k族N。数方案二迷：灰土膝挤密桩泳+钢筋咱混凝土炕钻孔灌求注桩熔先用卸灰土挤视密桩处呀理湿陷出性黄土蓬，灰土短挤密桩筐孔径4粘00m棒m，成植桩直径毯550娃mm左泻右。于走钢筋混桌凝土钻滤孔灌注悄桩之间丛隙布置税，并沿造建筑基点底周边配外放一羡排，桩汁距1.偷0m~饱1.1蛋m，以垒消除钢面筋混凝促土钻孔皂灌注桩届之桩间废土的湿轻陷性，村使桩侧宝阻力由李负变正红，且数露值大幅漏增加。眯钢筋混送凝土钻浸孔灌注窜桩采用永墙下单竖排布桩其，采用排ø60貌0桩，击桩长4惕0m，肥桩间隔辱1.躬8m,览单桩竖满向承载索力特征尖值38忽00背kN。乌布桩见利下图：为了进行暗经济比较叨，将两种予方案对应挡于单位基垃底面积的趴材料用量判列于表一场，表中造浆价系按当薯时西安地贯区的市场世价计算得狼到的，其拆中钢筋混斜凝土钻孔瞧灌注桩单讨方造价分大别按80否0元/m3（旋挖成捷孔，用于ø800愧的58垃m长桩蛮）和7盐00元盾/m3（锅锥成会孔，用于扬桩长40亩m的ø600政桩），称灰土挤齐密桩按役70元撇/m3计算。分可以看贵出，方库案二的束造价仅丝式为方案笛一的6麻0%左云右。钢筋混凝土钻孔灌注桩灰土挤密桩+钢筋混凝土钻孔灌注桩桩砼用量（m3)造价（元）桩砼用量（m3)灰土桩（m3)造价（元）3.2425921.616.5615866.相爽关验算及抽相应的作葱用效应汇桩基承载牢力验算…按特征枣值布桩容—取承台底拢面处的荷极载效应标佳准组合沉降及水扰平位移验算…荷载效应犁的准永久迹组合坡地、佣岸边桩稻的整体多稳定验算…地震效应袄与荷载效此应的标准雅组合承台及桩储身承载力膨验算…取承台顶屿面处的荷筝载效应基膀本组合承台及铁桩身裂缝宽度新验算…取承台啦顶面处悲的荷载仰效应的常标准组品合和准摸永久组钓合（分倾不同的枣裂缝控推制等级湿，按《扮混凝土餐结构设戴计规范游》第3彻.3.挂3条确览定）桩基结构养的耐久性梁验算…本规范仅第3.扫5条与敌《混凝确土结构明设计规粮范》第辽3.4论条一致几点讨舒论：温1）试桩的吉桩身强戴度避免错测误地将派试桩砼借标号定电的过高熔a)芬见规范吐第5.责8.2志条，当矿桩顶以弓下5d颗范围内铁的螺旋之式箍筋坦间距不宇大于1派00m双m时，显新的桩北基规范罩计算桩疤身强度例Rp时歌计入了学受压钢著筋的影腰响，比哨旧规范商在量值毒上提高城了8%库~9%驾。

b痕)试桩热时，应隆以桩身戴极限承粗载力R粮u为加泼载依据薯,即：丛Q阶max疼≼Ru坑=2R它p/1贸.35额=1.镰48R捧p

c逼)试桩很时，为桑了获得抽桩的最储大承载亡力，往华往加载副至破坏袖。大量员的工程析实践证宪明，试热桩加载棉至Qm溜ax≻盗Ru时重均未破鄙坏，有封的工程结甚至加级到1.紫4Ru后。即使双试桩作宁工程桩惑用，对拥于桩头毫已破坏副的桩经纲局部修亦复后仍需可使用缺。2）回桩基竖矩向承载占力特征工值的确掌定a)按规往范公式及握地勘资料昌提供的桩国的最大承扣载力数据仔往往不准鹿确，大部俗分偏保守孔，应注意父收集积累准已有的工盖程试桩资队料，按经赏验对其进刻行修正。奸比如对于庸西安地区恩粉质粘土流中的摩擦通桩，可考锹虑1.2系~1.4错的增大系附数。

b呢)为了最缸大限度地吃利用桩的纪承载力，磁试桩时应池设法获得屑桩的最大灾承载力，匀试桩时建蔽议加载至汇破坏。顿c)最终敞确定单桩夸的最大承瞎载力时，璃应对试桩巴结果进行百分析，特赛别是当桩新端持力层据土层面起持伏较大或址桩底沉渣愉厚度异常装时，应格袍外留心。鹿d)确秀定复合基占桩的承载匹力时应考犯虑承台效半应和群桩触效应的影凤响。…承台效容应可提高歪复合基桩拘的承载力葛，对满足代本规范第连5.2.近4条规定砍的摩擦桩犹，可按规各范第5.纪2.5条伏计算，一尚般提高幅覆度可达2表5%。锅…群桩中矮的摩擦桩铅，由于桩饺周摩擦力村扩散到桩掌底平面上劲后的相互甘叠加作用糊，使得摩其擦桩组成侧的群桩桩严底平面上兼的土中应顽力，要比抓单桩桩底电平面上的渠土中应力柿大得多，颗同时，压党缩层的厚陶度也远比沙单桩的大娃。

…换抵一种方法打理解：当律桩距较小拾时(小于伪6d)，煤土中的摩肉擦力使桩蚂间土与桩遗形成一个茎整体，这写时可认为因群桩与其里间的桩间孔土构成了剩一个实体柱深基础，忍显然，该昌实体深基饲础外围土昆的摩擦力巷要小于各笨桩单独作凡用时的桩债周摩擦力粮之和。忆…据有关斥资料，桩要中心距在爽2d~3组d时，群变桩中摩擦站桩的单桩闻承载力折苗减系数为沃0.7，革桩中心距脖在6d时些，群桩中当摩擦桩的爷单桩承载筋力折减系登数为1。3）8乡丰度区预应储力空心管瞒桩的抗震线分析…国标图迫集03S休G409罢第2.3爬条明确指胜出：该图魂集中的P阶HC桩和雕PC桩仅融适用于非类抗震及抗散震设防的筛6、7度胀地区，若口用于8度蔑区，需另抚行验算。递…本规闹范第3.调3.2条跌也指出：港抗震设防靠8度及以路上地区，狭不宜采用楚PC桩和视PS桩。伞…水平极地震力是故由基础底室面的摩擦完力、承台蹲侧面及地云下室外墙弊的土压力旁和桩顶提容供的水平肯剪力共同乌承担的。料要准确确含定桩顶承写担的水平抖剪力是比惕较困难的职。

…所球以，在抗批震设防8斩度区，仅亏可使用P患HC桩,悼并应注意丧以下措施吵：a)使赖用PH马C桩时饶，应提挺高对承循台侧面劳及地下访室外墙沙周边回寨填土的削要求，达特别强输调不能唉用苯板未代替砖阵墙作为筛地下室孩外墙的蔽防水保像护。康b)膏无地下芦室及基汤础底板洁时，应正设双向稀承台拉砌梁

c诵)按照郑上部结刮构计算桑得到的马底部剪灾力系数臂的大小谅及承台浓侧面周右边回填戚土的约暖束条件们选举管伶桩的型造号等级咽。从剪治力系数侵小，回校填土的沙约束条娱件好到君剪力系冶数大，魄回填土郑的约束担条件差昆依次选苹举AB准、B焰、C壁级,未的经可靠个计算时款不宜选羞A级。辞d)捆根据估紫算，底台部剪力挨系数小秩于8%店时，所悦有PH剪C桩均肆能满足片承载力景要求，昨当底部拘剪力系梁数大于搅8%时历，应从品回填土迷的约束厦条件和吹选取管动桩的型挎号等级状等多方辆面采取熄措施。宽e)瓦两层及晨以上地代下室，拘回填土概的约束拉条件可透靠时，欲可不考辟虑水平俱地震力肿。4）桩基的所沉降分搂析a)桩种基沉降计霉算结果的碰准确性，丛关键在于袄沉降计算办经验系数扛的合理取蚕值。应在梢工程实际主中注意长升期积累不呜同土层结纤构桩基沉禁降观测资末料，确定垦适合于该貌土层的经者验系数。偿b)毁规范关于姥沉降计算拦的公式，版地基规范事和桩基规坑范有所不烫同，桩基皆规范的沉母降计算结腰果大于地产基规范的掀沉降计算位结果。桩躁基沉降工荷程实际中辛多取决于勿经验。7.桩控的检测1）检裁测内容些：工程斑桩的单晋桩承载有力和桩休身完整算性检测换。怪先院进行完取整性检溪测：低昏应变法艰后承蔽载力检泥测：试掘桩—静架载试验奖及大应险变法恼工拍程--沾大应变水法

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