建筑桩基设计方法及实例二

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，详情见本规范条和条…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4三：三黄土三塬上三大厚三度自三重湿三陷性三黄土三地基土层三分布三状况：勘察三范围三内黄三土状三土土三层深三不见三底，三自然三地面三以下三为大三厚度三（2三0m三以上三）的三Ⅱ~三Ⅲ级三自重三湿陷三性黄三土，三中等三或中三偏低三压缩三性。三黄土三状土三的承三载力三特征三值一三般为三17三0k三pa三~2三00三kp三a；三地下三水位三一般三距自三然地三面4三0m三以上三。分析：场地三地基三属均三匀地三基，三桩以三摩擦三桩为三主。三由于三基础三底面三以下三为大三厚度三（1三5m三以上三）的三Ⅱ~三Ⅲ级三自重三湿陷三性黄三土，三单桩三竖向三承载三力的三计算三除不三计入三湿陷三性黄三土层三内的三桩长三按饱三和状三态下三的正三侧阻三力外三，尚三应扣三除桩三侧的三负摩三阻力三（在三这一三段内三的桩三长为三无效三桩长三）。三其负三摩阻三力使三桩的三效率三大大三降低三，经三济性三很差三。选型三与布三置：a)三应尽三量选三用细三长桩三，降三低负三摩阻三力桩三段长三度占三总桩三长的三比例三，提三高桩三的效三率。三b三)当三有好三的桩三端持三力层三时，三可设三法增三大桩三的端三承力三，如三：扩三底和三桩底三后压三浆等三。三c)三先对三自重三湿陷三性黄三土进三行挤三密处三理，三消除三其湿三陷性三，再三用钢三筋混三凝土三钻孔三灌注三桩。讨论：某工三程两三种桩三基方三案的三经济三比较三基底三以下三为古三土壤三（Q31e三l），三硬塑三状态三，层三厚2三.2三0~三2.三40三m，三层底三埋深三8.三50三~8三.7三0m三，不三具湿三陷性三，地三基承三载力三特征三值为三19三0k三Pa三。再三往下三为黄三土（三Q22e三ol）层三和古三土壤三（Q21e三l）层三交互三分布三，均三有湿三陷性三。黄三土硬三塑~三坚硬三状态三，每三层厚三3~三5m三，地三基承三载力三特征三值为三17三0~三19三0k三Pa三；古三土壤三为硬三塑状三态，三每层三厚1三~2三m，三地基三承载三力特三征值三为1三90三~2三20三kP三a。土层三分布三见下三图：上部三建筑三传到三基底三的平三均压三力标三准值三为5三40三kP三a。三分别三采用三以下三两种三方案三：三方案三一：三钢筋三混凝三土钻三孔灌三注桩三ø8三00三桩，三墙下三单排三布桩三，间三距2三.3三m，三桩长三58三m，三单桩三竖向三承载三力特三征值三48三60三k三N。三方三案二三：灰三土挤三密桩三+钢三筋混三凝土三钻孔三灌注三桩三先用三灰土三挤密三桩处三理湿三陷性三黄土三，灰三土挤三密桩三孔径三40三0m三m，三成桩三直径三55三0m三m左三右。三于钢三筋混三凝土三钻孔三灌注三桩之三间隙三布置三，并三沿建三筑基三底周三边外三放一三排，三桩距三1.三0m三~1三.1三m，三以消三除钢三筋混三凝土三钻孔三灌注三桩之三桩间三土的三湿陷三性，三使桩三侧阻三力由三负变三正，三且数三值大三幅增三加。三钢筋三混凝三土钻三孔灌三注桩三采用三墙下三单排三布桩三，采三用ø三60三0桩三，桩三长4三0m三，桩三间隔三1三.8三m,三单桩三竖向三承载三力特三征值三38三00三k三N。三布桩三见下三图：为了三进行三经济三比较三，将三两种三方案三对应三于单三位基三底面三积的三材料三用量三列于三表一三，表三中造三价系三按当三时西三安地三区的三市场三价计三算得三到的三，其三中钢三筋混三凝土三钻孔三灌注三桩单三方造三价分三别按三80三0元三/m3（旋三挖成三孔，三用于ø80三0的三58三m长三桩）三和7三00三元/三m3（锅三锥成三孔，三用于三桩长三40三m的ø60三0桩三），三灰土三挤密三桩按三70三元/三m3计算三。可三以看三出，三方案三二的三造价三仅为三方案三一的三60三%左三右。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）3.2425921.616.5615866.三相三关验三算及三相应三的作三用效三应三桩基三承载三力验三算…按特三征值三布桩三—取承三台底三面处三的荷三载效三应标三准组三合沉降三及水三平位三移验算…荷载三效应三的准三永久三组合坡地三、岸三边桩三的整三体稳三定验算…地震三效应三与荷三载效三应的三标准三组合承台三及桩三身承载三力验三算…取承三台顶三面处三的荷三载效三应基三本组三合承台三及桩三身裂缝三宽度三验算三…取承三台顶三面处三的荷三载效三应的三标准三组合三和准三永久三组合三（分三不同三的裂三缝控三制等三级，三按《三混凝三土结三构设三计规三范》三第条三确定三）桩基三结构三的耐三久性三验算三…本规三范第三3.三5条三与《三混凝三土结三构设三计规三范》三第3三.4三条一三致几点三讨论三：三1）试桩三的桩三身强三度避免三错误三地将三试桩三砼标三号定三的过三高三a)三见规三范第三条，三当桩三顶以三下5三d范三围内三的螺三旋式三箍筋三间距三不大三于1三00三mm三时，三新的三桩基三规范三计算三桩身三强度三Rp三时计三入了三受压三钢筋三的影三响，三比旧三规范三在量三值上三提高三了8三%~三9%三。三b)三试桩三时，三应以三桩身三极限三承载三力R三u为三加载三依据三,即三：三Qm三ax三≼R三u=三2R三p/三1.三35三=1三.4三8R三p三c)三试桩三时，三为了三获得三桩的三最大三承载三力，三往往三加载三至破三坏。三大量三的工三程实三践证三明，三试桩三加载三至Q三ma三x≻三Ru三时均三未破三坏，三有的三工程三甚至三加到三1.三4R三u。三即使三试桩三作工三程桩三用，三对于三桩头三已破三坏的三桩经三局部三修复三后仍三可使三用。2）三桩三基竖三向承三载力三特征三值的三确定a)三按规三范公三式及三地勘三资料三提供三的桩三的最三大承三载力三数据三往往三不准三确，三大部三分偏三保守三，应三注意三收集三积累三已有三的工三程试三桩资三料，三按经三验对三其进三行修三正。三比如三对于三西安三地区三粉质三粘土三中的三摩擦三桩，三可考三虑1三.2三~1三.4三的增三大系三数。三b三)为三了最三大限三度地三利用三桩的三承载三力，三试桩三时应三设法三获得三桩的三最大三承载三力，三试桩三时建三议加三载至三破坏三。三c)三最终三确定三单桩三的最三大承三载力三时，三应对三试桩三结果三进行三分析三，特三别是三当桩三端持三力层三土层三面起三伏较三大或三桩底三沉渣三厚度三异常三时，三应格三外留三心。三d三)确三定复三合基三桩的三承载三力时三应考三虑承三台效三应和三群桩三效应三的影三响。…承三台效三应可三提高三复合三基桩三的承三载力三，对三满足三本规三范第三条规三定的三摩擦三桩，三可按三规范三第条三计算三，一三般提三高幅三度可三达2三5%三。三…群三桩中三的摩三擦桩三，由三于桩三周摩三擦力三扩散三到桩三底平三面上三后的三相互三叠加三作用三，使三得摩三擦桩三组成三的群三桩桩三底平三面上三的土三中应三力，三要比三单桩三桩底三平面三上的三土中三应力三大得三多，三同时三，压三缩层三的厚三度也三远比三单桩三的大三。三…换三一种三方法三理解三：当三桩距三较小三时(三小于三6d三)，三土中三的摩三擦力三使桩三间土三与桩三形成三一个三整体三，这三时可三认为三群桩三与其三间的三桩间三土构三成了三一个三实体三深基三础，三显然三，该三实体三深基三础外三围土三的摩三擦力三要小三于各三桩单三独作三用时三的桩三周摩三擦力三之和三。三…据三有关三资料三，桩三中心三距在三2d三~3三d时三，群三桩中三摩擦三桩的三单桩三承载三力折三减系三数为三0.三7，三桩中三心距三在6三d时三，群三桩中三摩擦三桩的三单桩三承载三力折三减系三数为三1。3）三8三度区三预应三力空三心管三桩的三抗震三分析…国三标图三集0三3S三G4三09三第2三.3三条明三确指三出：三该图三集中三的P三HC三桩和三PC三桩仅三适用三于非三抗震三及抗三震设三防的三6、三7度三地区三，若三用于三8度三区，三需另三行验三算。三…三本规三范第三条也三指出三：抗三震设三防8三度及三以上三地区三，不三宜采三用P三C桩三和P三S桩三。三…水三平地三震力三是由三基础三底面三的摩三擦力三、承三台侧三面及三地下三室外三墙的三土压三力和三桩顶三提供三的水三平剪三力共三同承三担的三。要三准确三确定三桩顶三承担三的水三平剪三力是三比较三困难三的。三…三所以三，在三抗震三设防三8度三区，三仅可三使用三PH三C桩三,并三应注三意以三下措三施：a)三使用三PH三C桩三时，三应提三高对三承台三侧面三及地三下室三外墙三周边三回填三土的三要求三，特三别强三调不三能用三苯板三代替三砖墙三作为三地下三室外三墙的三防水三保护三。三b三)无三地下三室及三基础三底板三时，三应设三双向三承台三拉梁三c三)按三照上三部结三构计三算得三到的三底部三剪力三系数三的大三小及三承台三侧面三周边三回填三土的三约束三条件三选举三管桩三的型三号等三级。三从剪三力系三数小三，回三填土三的约三束条三件好三到剪三力系三数大三，回三填土三的约三束条三件差三依次三选举三AB三、三B三、C三级,三未经三可靠三计算三时不三宜选三A级三。三d)三根据三估算三，底三部剪三力系三数小三于8三%时三，所三有P三HC三桩均三能满三足承三载力三要求三，当三底部三剪力三系数三大于三8%三时，三应从三回填三土的三约束三条件三和选三取管三桩的三型号三等级三等多三方面三采取三措施三。三e)三两层三及以三上地三下室三，回三填土三的约三束条三件可三靠时三，可三不考三虑水三平地三震力三。4）桩基三的沉三降分三析a)三桩三基沉三降计三算结三果的三准确三性，三关键三在于三沉降三计算三经验三系数三的合三理取三值。三应在三工程三实际三中注三意长三期积三累不三同土三层结三构桩三基沉三降观三测资三料，三确定三适合三于该三土层三的经三验系三数。三b三)三规范三关于三沉降三计算三的公三式，三地基三规范三和桩三基规三范有三所不三同，三桩基三规范三的沉三降计三算结三果大三于地三基规三范的三沉降三计算三结果三。桩三基沉三降工三程实三际中三多取三决于三经验三。7.三桩三的检三测1）三检测三内容三：工三程桩三的单三桩承三载力三和桩三身完三整性三检测三。三先三进行三完整三性检三测：三低应三变法三后承三载力三检测三：试三桩—三静载三试验三及大三应变三法三工三程-三-大三应变三法三…工三程桩三的大三应变三法单三桩承三载力三检测三是单三桩承三载力三的