桩基础设计与计算课件

第十四章桩基础设计与计算

§14.1、概述1、桩基础是一种常用的基础形式，桩基通常由若干根桩组成，桩身全部或部分埋入土中，顶部由承台联成一体，再在承台上修筑上部建筑。 2、桩基础的主要功能是将荷载传至地下较深的密实土层中，以满足承载力和沉降的要求。具有承载力高、沉降速率低、沉降量较小而且均匀等特点，能承受竖直荷载、水平荷载、上拔力及由机器产生的振动或动力作用等。

第十四章桩基础设计与计算

§14.1、概述1一、按功能分类（一）、承受轴向压力的桩

（二）、承受轴向拨力的桩

（三）、承受横向荷载的桩

§14.2桩的分类一、按功能分类§14.2桩的分类2二、

按桩土相互作用特点分类（一）、竖向荷载桩1、摩擦桩竖向荷载作用下，桩基所发挥的承载力以侧摩阻力为主时，统称为摩擦桩。2、端承桩

竖向荷载作用下，基桩所发挥的承载力以端阻力为主时，统称为端承桩。

（二）、横向受荷桩1、主动桩桩顶受横向荷载，桩身轴线偏离初始位置，桩身所受土压力由桩主动变位而产生。2、被动桩

沿桩身一定范围内承受侧向土压力，桩身轴线在该土压力作用下而偏离初始位置。二、按桩土相互作用特点分类3三、按桩的材料分类

（一）、木桩（二）、钢桩（三）、钢筋混凝土桩四、按桩的直径分类D≤250mm为小桩直径桩（微型桩）250mm＜D≤800mm为中等直径桩D＞800mm为大直径桩。对于端承型大直径桩又称为墩。

三、按桩的材料分类4五、按成桩方法分类

（一）、预制桩

（二）、灌注桩灌注桩按成桩过程中对桩侧土体的影响程度可分为非挤土灌注桩、少量挤土灌注桩、挤土灌注桩三大类，每一类又包含多种成桩方法。

五、按成桩方法分类5§14.3、单桩竖向承载力

一、单桩承载力的影响因素

1、桩身穿过的土层的强度、变形性质和应力历史：2、桩端持力土层的强度和变形性质：3、桩身与桩底的几何特征：4、桩身材料强度：5、成桩方法与工艺：

§14.3、单桩竖向承载力一、单桩承载力的影响因素6二、单桩的破坏模式与极限承载力1、单桩在竖向荷载下的破坏由以下两种强度破坏状态之一而引起：地基土强度破坏或桩身材料强度破坏。通常桩的破坏是由于地基土的破坏而引起。2、与桩的承载力相联系的地基土强度包含桩侧阻力和桩端阻力。单桩承载力的极限状态一般由桩端阻力的破坏所制约（纯摩擦桩除外）。

二、单桩的破坏模式与极限承载力73、单桩的荷载─沉降特性是同桩的破坏模式联系在一起的。4、从桩的─曲线型态看，可分为突变陡降型和渐变缓降型两大类。一般情况下，极限承载力的确定，前者可根据─变化特征并结合s─、─等的分析确定，后者一般宜根据变形控制确定。

3、单桩的荷载─沉降特性是同桩的破坏模式联系在一起的。8三、单桩竖向承载力的确定（一）、按《规范》经验公式确定1、《建筑地基基础设计规范》（GB50007─2002）（1）、初步设计时单桩竖向承力特征值可按下式计算：（14.3.1）式中─单桩竖向承载力特征值；─桩端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得，如无当地经验可参考表14.3.1和表14.3.2取值；─桩底端横截面面积；─桩身周边长度；─第层岩土的厚度；三、单桩竖向承载力的确定9

（2）、桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中时，可按下式估算单桩竖向承载力特征值：（14.3.2）

式中

─桩端岩石承载力特征值；2、《建筑桩基技术规范》（JCJ94─94）（1）、当根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向承载力标准值时，如无当地经验，可按下式计算：

（14.3.3）

（2）、桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中时，可按下式估算单桩10─用静力触探比贯入阻力值估算的桩周第层土的极限侧阻力标准值；─桩端阻力的静力触探比贯入阻力标准值(平均值）；─桩端阻力修正系数

（2）、当由双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向承载力标准值时，对于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下计算:（14.3.4）式中

─第层土的探头平均侧阻力值；─桩端平面上、下探头阻力。─第层土桩侧阻力综合修正系数

─用静力触探比贯入阻力值估算11（3）、根据土的物理性质指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值，可按下式计算：（14.3.5）式中─桩侧第层土的极限侧阻力标准值；─极限端阻力标准值；对于大直径桩（≥800mm），按下式计算：（14.3.6）式中─大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数

（3）、根据土的物理性质指标与承载力参数之间的经验关系确定单12（二）、按静载荷试验确定可从荷载─沉降曲线（─曲线）上得到：（l）、当曲线陡降段明显时，取相应于陡降段起点的荷载值为；（2）、直径或桩宽小于500mm的预制桩，当在某级荷载作用下，其沉降增量与相应荷载增量的比值大于0.1mm／kN时，取前一级荷载作为；（3）、无明显陡降段时，取─s曲线上桩顶沉降量达40mm时的相应荷载值作为；

（二）、按静载荷试验确定13试桩数量一般不少于桩总数的1%，且不少于2根。对于一级建筑物和总桩数大于50根的工程，试桩应不少于3根。参加统计的试桩，当满足极差不超过平均值的30％时，取平均值为单桩极限承载力。对桩数为3根及3根以下的柱下承台，取最小值。单桩承载力标准值：（14.3.7）单桩承载力设计值：

（14.3.8）

试桩数量一般不少于桩总数的1%，且不少于2根。对于一级建筑物14（三）、按打桩公式确定桩在一次锤击下的入土深度（称为贯入度）与土对桩的阻力之间存在着一定的关系,即打桩公式或动力公式：（14.3.9）式中─桩锤冲击冲部分的重量，kN；H─桩锤的落距，m；e─贯入度，锤一击时的入土深度，m； R─相应于贯入度为e时，桩的贯入阻力，kN； h─桩锤的反弹高度，m；─能量消耗系数，0.0<<1.0；

（三）、按打桩公式确定15四、负摩阻力（一）、负摩阻力产生的原因当桩侧土体因某种原因下沉，且其沉降量大于桩的沉降时，桩侧土体将对桩产生与桩的位移方向一致的侧阻力，即负摩阻力。正负摩阻力交界处位置，称中性点（图14.3.2）

图14.3.2受负摩阻力的桩

四、负摩阻力16（二）、负摩阻力的计算

1、

有效应力法确定负摩阻力

（14.3.10)2、

按室内、处测定的土的力学参数确定负摩阻力对于粘性土：

（14.3.11）或

（14.3.12）其中，为土的无侧限抗压强度；土的不排水抗剪强度，可采用十字板现场测定。计算出负摩阻力后，即可计算出由于负摩阻力而在桩中引起的附加荷载值。

（二）、负摩阻力的计算17（三）、减少负摩阻力的方法1、预制混凝土桩和钢桩一般采用涂层的办法以减少负摩阻力，即对位于欠固结土层、湿陷性土层、冻融土层、液化土层、地下水位变动范围内的土层中的桩身部分，以及受地面堆载影响发生沉降的地层的桩身部分，涂以软沥青涂层。（三）、减少负摩阻力的方法182、灌注桩1）是在沉降地层范固内插人比钻孔直径小5～10cm的预制混凝土桩段，预制桩段外围充填以稠度较高的膨润土泥浆以形成隔离层。对于泥浆护壁成孔的情况下，可在浇注完下段混凝土后，填人高稠度膨润土泥浆，然后插人预制混凝土桩段。2）是在干作业成桩条件下，可采用双层筒形塑料薄膜预先置于钻孔沉降土层范围内，而后在其中浇注混凝土，便塑料薄膜在桩身与孔壁之间形成可自由滑动的隔离层。2、灌注桩19§14.4、群桩竖向承载力一、群桩竖向受力的工作性状通常用群桩承载力与单桩承载力乘桩数之比表示群桩效率，即：

（14.4.1）式中─群桩承载力；─单桩承载力；─桩数。可能小于1，也可能大于1，也可能等于1。值的变化与土性、桩距、桩长、承台和桩型等有关。也称为群桩“效应”系数。

§14.4、群桩竖向承载力一、群桩竖向受力的工作性状20（一）、整体破坏的群桩承载力Terzaghi和Peck(1967)认为群桩的整体破坏如同一整体深基础一样，其承载力等于实体基础底面上的极限承载力与实体基础周边面上的抗剪力之和，即：（14.4.2）式中─实体基础长、短边的边长；─群桩极限承载力；─实体基础底面上的极限承载力─桩入土深度；─实体基础周边面上的抗剪强度平均值，

（一）、整体破坏的群桩承载力21

图14.4.3群桩整体破坏计算模式桩基础设计与计算课件22二）、非整体破坏的群桩承载力在工程上是以各单桩极限承载力之和乘以群桩效率；单桩极限承载力已在第三节中给出，故主要问题是确定群桩效率。11、考虑群桩实体基础周边长的方法如群桩为m列，n行，则桩数为。桩距（中─中）为s，则群桩周边长可由下式计算：对圆形桩：单桩的总周边长为：则群桩效率：（14.4.4）对于方桩，用4d代替即可。二）、非整体破坏的群桩承载力2312、

Conrerse─Labrre群桩效率公式

（14.4.6）3、

Seiler─Keeney群桩效率公式（14.4.7）4、《建筑桩基技术规范》（JCJ94─94）（1）、不考虑承台效应的计算方法对桩数不超过3根的桩基，基桩的竖向承载力设计值：（14.4.8）（2）、考虑承台、桩、土相互作用分项群桩效应系数计算法

（14.4.10）

12、

Conrerse─Labrre群桩效率公式24三、群桩的软弱下卧层验算可能的破坏模式有：1）群桩中基桩的冲剪破坏；2）群桩整体的冲剪破坏（图14.4.5）。基桩冲剪破坏群桩整体冲剪破坏图14.4.5群桩破模式

三、群桩的软弱下卧层验算25(－)、基桩单独冲剪破坏基桩各个冲剪破坏的极限承载力按图14.4.6的情况计算：对高承台：（14.4.13）对低承台：(14.4.14）

图14.4.6基桩各个冲剪破坏承载力计算

(－)、基桩单独冲剪破坏26（二）、群桩整体冲剪破坏作用于桩基承台顶面的竖向荷载与实体基础的自重之和，扣除实体基础周边面积的极限侧阻力后，压力以一定的扩散角向下扩散（图14.4.7），则有：≤（14.4.17）

（14.4.18）图14.4.7整体冲剪破坏计算

（二）、群桩整体冲剪破坏27§14.5、桩基变形及估算一、单桩的沉降计算在竖向荷载作用下的单桩沉降由以下三部分组成：（1）、桩身本身的弹性压缩；用弹性理论进行计算（2）、桩侧摩阻力向下传递，引起桩端以下土体压缩所产生的桩端沉降；（3）、桩端阻力引起桩端以下土体所产生的桩端沉降；单桩桩顶沉降为以上三项之和。§14.5、桩基变形及估算一、单桩的沉降计算28（一）、单桩沉降的分层总和法假设单桩的沉降主要由桩端以下土层的压缩组成。假设桩侧摩阻力以扩散角向下扩散。扩散到桩端平面处用一等代的扩展基础代替，扩展基础的计算面积为。（14.5.1）式中

一桩侧各层土内摩擦角的加权平均值。在扩展基础底面的附加压力为：

（14.5.2）在扩展基础底面以下土中的附加应力分布可用Boussineq解确定，也可按Mindlin解确定。压缩层计算深度可按附加应力为20％自重应力确定（对软土可按10％确定）。

（一）、单桩沉降的分层总和法29（二）、Das法Das（1984）提出如下的计算方法，单桩在工作荷载作用下的沉降为：（14.5.3）式中，S为总沉降；S1为桩身的弹性变形；S2桩端荷载产生的桩的沉降；S3沿桩身传递的荷载产生的桩的沉降。（二）、Das法30二、群桩的沉降计算（－）Terzaghi和Peck的沉降计算法（1967）1、把桩和桩间土视作为一个假想的实体基础，在实体基础底面以下，可从实体基础边缘按水平与竖向1：2的斜线，将荷载向下扩散计算地基土中的附加应力。2、任一深度处的附加应力是用桩基所承受的荷载除以该深度的荷载扩散面积求得的。用分层总和法计算群桩的沉降时，应考虑假设实体基础底面以下土层的全部厚度，即包括实体基础底面和桩端之间的土层厚度，以及桩端以下压缩土层的厚度。二、群桩的沉降计算31

图14.5.1Terzaghi和Peck的沉降计算模式

32（二）、《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94）等效作用分层总和法对群桩沉降的计算基本上仍采用等代墩基法，。即将Boussinesq解的等代墩基分层总和法计算的群桩沉降乘以等效沉降系数后相当于用Mind1in解计算的群桩沉降：（14.5.7）等代墩基底面以下土中的附加应力可采用天然地基矩形基础Boussinesq附加应力系数表计算。

（14.5.8）

（二）、《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94）等效作用分层33§14.6、桩基础设计计算

一、桩基设计原则、内容和步骤（—）、桩基设计基本原则与土木工程其他部分一样，桩基础的设计也应贯彻安全、合理、经济的设计原则，即在保证安全和正常使用的前提下寻求适合具体工程、方便施工、对环境影响小的最经济的设计。

§14.6、桩基础设计计算

一、桩基设计原则、内容和步骤34（二）、桩基设计基本资料1、建筑本身的资料2、建筑场地、建筑环境资料3、岩土工程勘察资料4、施工条件和桩型条件（二）、桩基设计基本资料35（三）、桩基设计基本内容和步骤1、收集设计基本资料，包括提出勘察要求并实施勘察。2、持力层选择和桩型选择。3、确定单桩承载力。4、根据上部结构荷载情况，初步确定桩的数量和平面布置，初步确定承台尺寸与埋深。5、验算作用于单桩的荷载，若不符合要求，需调整平面布置与承台尺寸再进行验算，直至满足要求。（三）、桩基设计基本内容和步骤366、验算群桩承载力和变形，若不符合要求则返回第4步修正设计，直至满足要求。群桩承载力验算包括持力层验算和软弱下卧层强度验算两部分。7、桩身结构设计和计算。8、承台设计和计算。9、绘制桩位、桩身结构和承台结构施工图，编制设计说明。

6、验算群桩承载力和变形，若不符合要求则返回第4步修正设计，37二、桩型和持力层的选择（—）、桩型选择原则总的来说，桩型选择要根据各种桩型的特点，就地质条件、建筑结构特点及荷载大小、施工技术和环境条件、工期和制桩材料以及技术经济效果等因素进行综合分析比较后确定

（二）、持力层选择原则一般选择承载力高而压缩性低的土层作为持力层。当地基中存在多层可供选择的持力层时，应综合桩承载力、桩的布置及桩基沉降等方面综合确定，预先则可根据常规和试验选择几种方案进行技术经济比较。二、桩型和持力层的选择38三、桩的数量和桩的布置（一）、桩的数量根据下式计算桩的数量：≥（14.6.5）式中，─桩的数量；─上部结构构传至基础顶的荷载设计值；─承台底以上承台及承台上土的自重设计值；─复合基桩或基桩的竖向载力设计值；当承台尺寸难以估计时，可由下式估算桩的数量：≥（0.9～1.4）（14.6.6）三、桩的数量和桩的布置39（二）、桩的间距桩的间距指桩之间的中心距离。一般，都对最小桩间距加以限制，一般要求最小桩间距在2.5～3.5之间。对于钻、挖孔灌注桩最小桩间距不小于或（当时，D扩大端直径）；对于沉管夯扩灌注桩不小于。

（二）、桩的间距40（三）、桩的布置1、

满足最小中心距和布桩平面系数（同一建筑物内，桩的横截面面积之和与边桩外边缘所围面积之比，最大为4～7%）的要求；22、

的布置应与作用于基础上的荷载相适应，尽量使桩群的中心与上部荷载的作用中心相重合；对于单独桩基和整片式的桩基宜采用外密内疏的不等间距布置，33、

桩的布置应变于施工，并应考虑施工偏差的影响；在布桩时还需考虑地基、基础与上部结构的相互影响和协同工作。

（三）、桩的布置41四、桩身结构设计灌注桩的设计计算方法。（一）、使用荷载下桩身结构计算由于灌注桩，特别是水下灌注桩，混凝土的质量不易保证，竖向荷载作用下桩身结构强度难以准确计算，一般对桩身允许应力进行严格地限制来考虑桩身的强度。如上海地区曾用下式进行计算：≤（14.6.7）式中─单桩的横截面面积；─混凝土轴心抗压强度标准值；─桩身设计荷载；四、桩身结构设计42（二）、长径比对穿越一般粘性土、砂土的端承桩长径比宜小于60；对穿越淤泥、自重湿陷性黄土的端承桩长径比宜小于40；对摩擦桩则不加以限制。（三）、桩身配筋应遵照现行《混凝土结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》有关规定执行。（四）、构造要求

（二）、长径比43五、承台设计和计算承台应有足够的强度和刚度。承台应进行抗冲切、抗剪切及抗弯的强度计算。（－）、承台的构造要求（二）、承台平面尺寸的确定

（三）、承台厚度的确定承台的厚度一般按抗冲切及抗剪切的条件确定。冲切计算中，包括柱对承台的冲切及单根桩对承台的冲切两种情况。

五、承台设计和计算441、柱对承台的冲切当承台在承受柱传来的荷载时，如果承台厚度不够，就会产生如图14.6.1所示的冲切破坏，沿柱子四周形成45°斜面拉裂的冲切角锥体。根据《钢筋混凝土结构设计规范》，对矩形截面柱的矩形承台，在柱与承台交接处以及承台变阶处的冲切强度，可按下式计算。

（14.6.8）图14.6.1承台冲切破坏1、柱对承台的冲切图14.6.1承台冲切破坏452、桩对承台的冲切当承台边缘处的厚度太小时，则桩的反力可能导致承台边缘沿着斜面的冲切破坏（图14.6.3），其冲切破坏面大体如图14.6.4所示，可参考式（14.6.8）式计算。冲切面的面积可按下式计算：（14.6.9）图14.6.2承台冲切计算

2、桩对承台的冲切图14.6.2承台冲切计算46当冲切验算不能满足要求时，应增加承台厚度。3、承台抗剪验算

承台高度应满足抗剪的要求，可根据《混凝土结构设计规范》中受弯构件抗剪计算中的有关规定进行验算。

当冲切验算不能满足要求时，应增加承台厚47（四）、承台内力计算1、梁式承台计算墙下桩基承台梁时，可按连续的墙梁考虑。根据弹性理论，所有荷载以二个三角形的形式传布到梁上（图14.6.5），三角形分布荷载的最大值在桩轴线处，其值为：（14.6.10）在承台梁上的三角形荷载的分布长度为：

（14.6.11）

图14.6.5承台梁上作用荷载计算图形

（四）、承台内力计算图14.6.5承台梁上48承台梁的内力，即可按以上各计算图形进行计算，这时，连续梁的支座反力等于在桩上的荷载：（14.6.12）支座最大剪力：（14.6.13）最大弯矩：（14.6.14）按所得的和值，选择承台梁的截面和钢筋。通常截面的高度不取决于弯矩，而是取决于剪力。对于荷载不大，跨度较小的承台梁，也可采用钢筋砖过梁的形式，这时，可参照现行《砌体结构设计规范》关于钢筋砖过梁的有关规定进行计算.承台梁的内力，即可按以上各计算图形进行计算，这时，连续梁的支492、板式承台独立基础下的桩基承台常设计成板式承台，建筑地基基础规范中介绍的简化计算法如下：1、多桩矩形承台弯矩的计算截面取在柱边和承台高度变化处，参见图14.6.7，用下式计算。（14.6.16）（14.6.17）式中─垂直于轴方向计算截面处的弯矩，kN.m；─轴方向的桩轴线到相应计算截面的距离，m；2、板式承台502、三桩三角形承台三桩三角形承台弯矩计算截面取在柱边，参见图14.6.8，按下式计算：（14.6.18）（14.6.19）注：对于三桩三角形承台计算弯矩截面不与主筋方向正交时，须对主筋方向角进行换算。

2、三桩三角形承台51图14.6.7矩形承弯矩计算