基础工程-桩基

第4章

桩基础与深基础

4．1概

述

当天然地基上的浅基础不能满足建筑物的承载力或沉降要求时，可考虑利用基底以下较深处相对较好的土层承载。

向深部土层传递荷载的方式有桩基础、墩基础和沉井基础等。

桩是指垂直或者稍倾斜布置于地基中，其断面积相对其长度是很小的杆状构件。桩的功能是通过其侧壁摩阻力和端部阻力将上部结构的荷载传递给深处的地基土。在我国，经常将预制的和现浇的，小直径与大直径的这类杆件统称为桩(pile)。

虽然桩基础一般比天然地基的浅基础造价要高，但它可以大幅度提高地基承载力，减少沉降，还可以承担水平荷载和向上拉拔荷载，同时有较好的抗震(振)性能，所以应用很广泛。桩基础主要用于以下方面：(1)上部荷载很大，只有在较深处才有能满足承载力要求的持力层的情况；(2)为了减少基础的沉降或不均匀沉降，利用较少的桩将部分荷载传递到地基深处，从而减少基础沉降，按沉降控制设计，这种桩基础称为减沉桩基础或疏桩基础；(3)当设计基础底面比天然地面高或者基础底部的土可能被冲蚀，形成承台与地基土不接触的高承台桩基；(4)有很大的水平方向荷载情况，如风、浪、水平土压力、地震荷载和冲击力等荷载，可采用垂直桩、斜桩或交叉桩承受水平荷载；

(5)地下水位较高，加深基础埋深需要进行深基坑开挖和人工降水，这可能不经济或者对环境有不利影响，这时可考虑采用桩基础；(6)在水的浮力作用下，地下室或地下结构可能上浮，这时用桩抗浮承受上拔荷载；(7)在振动机器基座下，可用桩基础控制地基基础系统振幅、自振频率等；

(8)用桩穿过湿陷性土、膨胀性土、人工填土、垃圾土和可液化土层，可保证建筑物的稳定。目前桩还广泛用于基坑的支挡结构，用桩作为锚固结构，用于滑坡治理的抗滑桩等。振冲桩方法4．2桩的分类及选用4．2．1桩的分类1．按桩的使用功能分类

按桩的使用功能可以分为如下四类。(1)竖向抗压桩(2)竖向抗拔桩(3)水平受荷桩(4)复合受荷桩(1)竖向抗压桩

这是使用最广泛、用量最大的一种桩。它组成的桩基础是为了提高地基承载力和(或)减少地基沉降量。

(2)竖向抗拔桩

例如抗浮桩。随着大跨度轻型结构(如机场停机坪)和浅埋的地下结构(如地下停车场)的大量兴建，这类桩的使用也越来越广泛。另外在单桩竖向静载试验中使用的锚桩也承受拉拔荷载。

(3)水平受荷桩

：主要承受水平荷载，最典型的是抗滑桩和基坑支挡结构中的排桩。(4)复合受荷桩

其竖向、水平荷载均较大。例如码头、挡土墙、高压输电线塔和在强地震区中的高层建筑基础中的桩也都承受较大的竖向及水平荷载。根据水平荷载的性质，这类桩也可设计成斜桩和交叉桩。

2．竖向抗压桩按承载性状分类

竖向抗压桩一般是通过桩身的摩阻力和桩端的端承力将荷载传到深层地基土中去的。(1)摩擦型桩

又可分为摩擦桩和端承摩擦桩两种。摩擦桩是指在极限承载力状态下，桩顶荷载基本由桩侧阻力承受，端阻力一般不超过荷载的10％。端承摩擦桩是指在极限承载力下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，是一种最常用的桩。(2)端承型桩

又可分为端承桩和摩擦端承桩两种。端承桩是指在极限承载力状态下，桩顶荷载基本由桩端阻力承受。摩擦端承桩是指在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受。这四种桩的划分主要取决于土层分布。但也与桩长、桩的刚度、桩身形状、是否扩底、成桩方法等条件有关。随着桩长径比L/d的增大，在极限承载力的状态下，传递到桩端的荷载就会减少，桩身下部侧阻和端阻的发挥会相对降低。当L/d≥40时，在均匀土层中端阻分担荷载比趋于零；当L/d≥100时，即使桩端位于坚硬土(岩)层上，端阻的分担荷载值也小到可以忽略。3．按桩身材料分类(1)混凝土桩

一般均由钢筋混凝土制作。按照施工制作方法又可分为灌注桩和预制桩。预制桩又可分为现场预制和工厂预制两种。预制桩还可分为预应力桩和非预应力桩。使用高强水泥和钢筋制作的预应力桩具有很高的桩身强度。预应力桩(2)钢桩

按照断面形状可分为钢管桩、钢板桩、型钢桩和组合断面桩。钢桩较易打入土中，由于挤土少，对地层扰动小，但是造价较高，抗腐蚀性差，需做表面防腐处理。型钢桩（工字钢）(3)组合材料桩

这类桩种类很多，并且不断地有新类型出现。比如在作为抗滑桩时，在混凝土中加入大型工字钢承受水平荷载；在用深层搅拌法制作的水泥墙中内插入H型钢，形成地下连续墙(SMW)。最近在我国，研究人员在水泥土中插入高强钢筋混凝土桩作为劲芯，所形成的桩承载能力高于一般的灌注桩。另外一种复合载体夯扩桩则是在桩端夯入砖石，其上夯入干硬性混凝土，再浇注钢筋混凝土桩身。4．按成桩方法分类

按成桩方法也可有多种依据进行桩的分类，其中，因成桩过程中挤土与否对桩和地基土的性状影响较大，所以常常按此分为三类:非挤土桩

、部分挤土桩

和挤土桩

。

(1)非挤土桩

非挤土桩的特点是预先取土成孔，成孔的方法是用各种钻机钻孔或人工挖孔。人工挖孔通常在地下水位以上；钻孔可以在水上，也可在水下。水下钻孔需对井孔护壁，通常采用泥浆护壁，即在井孔中注入泥浆，并保持泥浆水位高于地下水位1—2m，以确保井壁的稳定。这种方法往往会在井底产生浮泥和在井壁形成泥皮，从而降低了桩的承载力，在施工中应采取措施尽量减少其影响。另一种护壁方式是采用套管，常用于不稳定的土层。成桩的方法分为现场灌注法和置入预制桩法；现场灌注桩施工是先向孔内放入钢筋笼，使其就位后浇筑混凝土，在地下水位以下则用导管法浇筑。置入预制桩法是首先将预制桩吊装入井孔中，然后在桩孔间的孔隙中灌浆。(2)挤土桩

挤土桩主要是预制桩。施工方法：将预制桩用锤击、振动或者静压的方法置入地基土中，这样就将桩身所占据的地基土挤到桩的四周了。在合适的土层(如饱和度不高的可挤密土层中)，也可将管底有活动瓣门的封闭套管打入地基土中，成孔后边拔管边浇筑混凝土，这样形成的桩称为挤土的灌注桩。对于饱和的软粘土，当沉入的挤土桩较多较密时，可能会使地面上抬，造成相邻建筑物或管线损坏，引起已入土的桩上浮、侧移或断裂；同时在地基土中会引起较高的超静孔隙水压力，这些都是十分不利的。

(3)部分挤土桩

开口的沉管取土灌注桩、先预钻较小孔径的钻孔(称为引孔)，然后打入预制桩、打入式敞口的管桩等都属于部分挤土桩。

5．按桩的几何特性分类1)按桩径大小分类

按桩径d的不同桩可分为以下三类：(1)大直径桩：d≥800mm(2)中等直径桩：250mm<d<800mm(3)小桩：d≤250mm2)按长度L或折算桩长αL分类

通常按桩的长度可分为如下四类：(1)L≤10m称为短桩；(2)10m<L≤30m称为中长桩；(3)30m<L≤60m称为长桩；(4)L>60m称为超长桩。

但这种按桩的绝对长度分类并不能表述桩的综合性质，也有按折算桩长αL进分类的，其中α为水平变形系数。α为水平变形系数E、Ⅰ——桩材料的弹性模量和截面惯性矩；b。———桩的计算宽度；m——地基土水平抗力系数的比例系数，见表4—10。αL≤2．5为刚性短桩；2．5<aL<4．0为弹性中长桩；aL≥4．0为弹性长桩。

3)按桩的几何形状分类

按桩的纵向形状有柱式桩、楔式桩；按桩端是否有扩底可分为扩底桩和非扩底桩；按桩的横断面可分为方形桩、三角形桩、圆形桩和圆筒形桩等，如图4-3所示。

其中扩底桩按照扩底部分的施工方法又可分为挖扩桩、钻扩桩、挤扩桩、夯扩桩、爆扩桩、振扩桩等。

4．3竖向承压桩的荷载传递

桩基础的作用是将荷载传递到下部土层，这种荷载传递是通过桩与桩周土间的相互作用进行的。

4．3．1承压的单桩竖向承载力的组成

作用于桩顶的竖向压力由作用于桩侧的总摩阻力Qs和作用于桩端的端阻力Qp共同承担.归纳为如下几点：(1)在荷载增加的过程中，桩身上部的侧阻力先于下部侧阻力发挥作用；(2)一般情况下，侧阻力先于端阻力发挥作用；

(3)在工作荷载Qk下，对于一般摩擦型桩，侧阻力发挥作用的比例明显高于端阻力发挥作用的比例；(4)对于L/d较大的桩，即使桩端持力层为岩层或坚硬土层，由于桩身本身的压缩，在工作荷载下端阻力也很难发挥。当L/d≥100时，端阻力基本可以忽略而成为摩擦桩。4．3．2桩的侧阻力1．侧阻力沿桩身的分布很多实测的荷载传递曲线表明，qs的分布可能为多种形式的曲线，对打入桩而言在粘性土中，其qs沿深度的分布类似于抛物线形；在极限荷载下，在砂土中，其qs值开始时随深度近似线性增加，至一定深度后接近于均匀分布，此深度称为临界深度.2．qs的主要影响因素

单位侧阻力qs的影响因素很多，最主要取决于土的类型和土性。砂土的单位侧阻力比粘土的大；密实土的比松散土的大。桩的极限侧阻力标准值应根据当地的静力现场载荷试验资料统计分析得到，当缺乏地区经验时，可参考表4-2。影响侧阻力的另一个重要的因素是成桩的工艺。对于打入的挤土桩，如果桩周土是可挤密的土，打入的桩会将四周的土挤密，可明显提高单位侧阻力。对于钻(挖)孔灌注桩，由于需要预先成孔，这就可能引起桩周土的回弹和应力松弛，从而使桩的侧阻力减少，尤其是对于d大于800mm的大孔径桩尤为明显。对于水下泥浆护壁成孔的灌注桩，在桩侧形成的泥皮及水下浇注混凝土的质量问题也可使侧阻力减小。泥浆护壁成孔的灌注桩4．3．3桩的端阻力1．经典理论计算法将桩视为一宽度为b(相当于桩径d)，埋深为桩入土深度L的基础进行计算。在桩加载时，桩端土发生剪切破坏，根据假设的不同滑裂面形状，用土力学教材中所介绍的地基极限承载力理论求出桩端的极限承载力，确定极限单位端阻力qPu。。根据极限承载力理论，qpu的一般表达式为

式中：Nγ，Nc，Nq一一承载力系数，其值与土的内摩擦角有关，可参考有关土力学教材的图表；b(d)——桩的宽度或直径，mm；C--土的粘聚力，kPa；q——桩底标高处土中的竖向应力，q＝γL，kPa。2．桩的端阻力的影响因素桩的极限端阻力标准值可参考表4-3。桩的端阻力受成桩工艺的影响很大。对于挤土桩，如果桩周围为可挤密土(如松砂)，则桩端土受到挤密作用而使端阻力提高，并且使端阻力在较小桩端位移下即可发挥作用。对于密实的土或者饱和粘性土，挤压的结果可能不是挤密，而是扰动了原状土的结构，或者产生超静孔隙水压力，端阻力反而可能会受不利影响。对于非挤土桩，成桩时可能扰动原状土，在桩底形成沉渣和虚土，则端阻力会明显降低。大直径的挖(钻)孔桩，由于开挖造成的应力松弛，使端阻力随着桩径增大而降低。对于水下施工的灌注桩，由于桩底沉渣不易清理，一般端阻力比干作业灌注桩要小。3．端阻力的深度效应桩端阻力有明显的深度效应，即存在着一个临界深度ｈc，当桩端进入均匀持力层的深度小于临界深度ｈc时，其极限端阻力随深度基本上是线性增加；当进入深度大于临界深度ｈc，时，极限端阻力基本不再增加，趋于一个常数。

(1)桩的端阻力的临界深度ｈc随持力层砂土的相对密度的提高而提高。

(2)端阻临界深度ｈc随桩径增大而增加。

4．4竖向承压桩单桩承载力的确定

单桩承载力是由以下三个条件决定的。(1)在荷载作用下，桩在地基土中不丧失稳定性；(2)在荷载作用下，桩顶不产生过大的位移；(3)在荷载作用下，桩身材料不发生破坏。2.单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式

轴向受压荷载作用下，单桩的破坏是由地基土强度破坏或桩身材料强度破坏所引起。而以地基土强度破坏居多。

纵向挠曲破坏：当桩底支承在很坚硬的地层，桩侧土为软土层其抗剪强度很低时，桩在轴向受压荷载作用下，如同一受压杆件呈现纵向挠曲破坏。桩的承载力取决于桩身的材料强度。

整体剪切破坏：当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时，桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏。桩的承载力主要取决于桩底土的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。刺入式破坏：当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，将出现刺入式破坏。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同承担，一般端承摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏，且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。4.4.1现场试验法1．单桩竖向静载荷试验

单桩竖向静载荷试验既可在施工前进行，用以测定单桩的承载力；也可用以对施工后的工程桩进行检测。它适用各种情况下对于单桩承载力的确定确定单桩轴向承载力的方法:静荷载试验、理论计算、经验公式

概念：在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破坏状态为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降。

特点：直观可靠，但费时、费力，通常只在大型、重要工程或地质较复杂的桩基工程中进行试验。是桩基础研究分析常用的试验方法。

规范要求:试桩数量，不宜少于总桩数的1％，并且不应少于3根。工程中常用的单桩竖向静载荷试验方法有两种：可以用锚桩；也可在千斤顶上架设平台堆载提供反力。锚桩法静载试验锚桩法静载试验锚桩法静载试验千斤顶及位移传感器

观测系统：主要有桩顶位移和加载数值的观测。位移通过安装在基准梁上的位移计或百分表量测。加载数值通过油压表或压力传感器观测。每根基准梁固定在两个无位移影响的支点或基准点上，支点或基准桩与试桩中心距应大于4d且不小于2m（d为试桩直径或边长）。

2、试验方法

分级加载：试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏荷载的1/10~1/15；

递变加载:开始阶段每级荷载取预估破坏荷载的1/2.5~1/5，终了阶段取1/10~1/15。

测读沉降时间：在每级加荷后的第一小时内，按2、5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。沉降稳定的标准，通常规定为对砂性土为30min内不超过0.1mm；对粘性土为1h内不超过0.1mm。待沉降稳定后，方可施加下一级荷载。循此加载观测，直到桩达到破坏状态，终止试验。

破坏荷载的确定：当出现下列情况之一时，一般认为桩已达破坏状态，所相应施加的荷载即为破坏荷载：（1）桩的沉降量突然增大，总沉量大于40mm，且本级荷载下的沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍。（2）本级荷载下桩的沉降量为前一级荷载下沉降量的2倍，且24h桩的沉降未趋稳定。确定单桩的竖向极限承载力：

(1)当曲线的陡降段明显时，取相应陡降段的起点的荷载值；(2)当曲线是缓变型时，取桩顶总沉降量S＝40mm所对应的荷载值，当桩长大于40m时，可考虑桩身弹性压缩，适当增加对应的S值；4．4．2触探法触探法确定单桩竖向承载力

4．4．3经验统计法根据表4-2和4-3或者静载荷试验资料统计值获得极限端阻力标准值和极限侧阻力标准值，按下列公式计算：

4．4．3经验统计法嵌岩桩的承载力

4.5桩的抗拔承载力与桩的负摩擦力1．单桩的抗拔承载力

破坏模式：单桩的拔出与群桩的整体拔出；确定方法：现场静载荷试验与经验公式4．5．2桩土的负摩擦力1．负摩擦力的概念和形成

在桩顶压力作用下，桩相对周围土体向下运动，因而土对桩施加向上的摩擦力，这构成了承压桩的承载力的一部分。这种摩擦力通常被称为正摩擦力；或简称侧摩阻力或侧阻力。由于某些原因，使承压桩本身向下的位移量小于周围土体向下的位移量，从而使作用在桩上的摩擦力向下，这种摩擦力实际上成为作用在桩上的下拉荷载，被称为负摩擦力。负摩擦力减少了桩的承载力，增加桩上荷载，并可能导致过量的沉降。产生负摩擦力的原因有多种，例如：(1)桩周地面上分布大面积的较大荷载，例如仓库中大面积堆载；(2)桩身穿过欠固结软粘土或新填土层，桩端支承于较坚硬的土层上，桩周土在自重作用下随时间固结沉降；(3)由于地下水大面积下降使易压缩土层有效应力增加而发生压缩；(4)自重湿陷性黄土浸水下沉，冻土融陷；

(5)在灵敏性土内打桩引起桩周围土的结构破坏而重塑和固结。2．负摩擦力的分布

桩身上负摩擦力的分布范围视桩身与桩周土的相对位移情况而定。一般除了支承在基岩上的非长桩以外，都不是沿桩身全部分布着负摩擦力。ab线代表桩周土层的下沉量随深度的分布对产生负摩擦力的桩，《桩基规范》给出的中性点深度与桩长的比值。3．负摩阻力的计算我国的《桩基规范》计算负摩擦力的标准值：4．6桩在水平荷载下的性状及承载力确定

对于工业与民用建筑工程，大多数桩基以承受竖向压荷载为主，但有时也要承受一定的水平荷载，如瞬时作用的风荷载、吊车制动荷载和地震荷载等。由于大多数情况下水平荷载不大，为了施工便利，往往采用竖直桩同时抵抗水平力。

4.6.1单桩水平承载力的影响因素

桩在水平荷载的作用下发生变位(水平位移和转角)，会促使桩周土发生变形而产生抗力。当变形增大到桩所不能允许的程度，或者桩周土失去稳定时，或者桩折断就达到了桩的水平极限承载能力。单桩水平承载力，应满足如下三个要求：(1)桩周土不会丧失稳定。(2)桩身不会发生断裂破坏。(3)建筑物不会因桩顶水平位移过大而影响其正常使用。确定单桩横向容许承载力有水平静载试验和分析计算法两种。4．6．2桩的水平静载试验

对于受水平荷载较大的重要建筑物，单桩水平承载力的特征值应通过单桩水平静载荷试验确定。首先，可在现场制作两根相同的试桩，两桩间水平放置加载用的千斤顶。每级荷载施加后，恒载4min测读横向位移，然后卸载至零，停2min测读残余横向位移，至此完成一个加卸载循环。5次循环后，开始加下一级荷载。试验不得中途停顿，直至桩身折断或者水平位移超过30～40mm时，可终止试验。加载方法试验加载方法有两种：单向多循环加卸载法或慢速连续法。一般采用前者，对于个别受长期横向荷载的桩也可采用后者。

1）单向多循环加卸载法这种方法可模拟基础承受反复水平荷载（风载、地震荷载、制动力和波浪冲击力等循环性荷载）的情形。根据试验数据可绘制荷载一时间一位移（H0-T-U0））曲线（图4-17）。横向极限荷载可取H0-T-U0曲线明显陡降（即图中位移包络线下凹）的前一级荷载作为极限荷载。横向极限荷载可取H0-T-U0曲线明显陡降（即图中位移包络线下凹）的前一级荷载作为极限荷载。

荷载一时间一位移（H0-T-U0））曲线横向临界荷载系指桩身受拉区混凝土开裂退出工作前的荷载，会使桩的横向位移增大。相应地可取H0-T-U0曲线出现突变点的前一级荷载为横向临界荷载或取荷载-位移梯度曲线第一直线段终点相对应的荷载为横向临界荷载，综合考虑。荷载位移梯度（H0—）曲线

荷载位移（H0-U0）曲线对于钢筋混凝土桩、配筋率不小于0.65%的灌注桩，也可取地面上水平位移为10mm或6mm所对应的荷载作为单桩水平承载力特征值。2）、慢速连续加载法此法类似于垂直静载试验

4.6.2弹性长桩在水平荷载作用下的理论分析

弹性长桩的水平变形与承载力通常按横向弹性地基梁的方法进行分析。采用文克尔地基模型研究在横向荷载和桩侧土抗力共同作用下桩的挠度曲线，通过挠度曲线微分方程，可求出桩身各截面的弯矩、剪力和变形。（一）、土的水平弹性抗力及其分布规律

1．土对桩的水平弹性抗力px——水平土抗力（kN/m）；kh——地基土的水平抗力系数（kN/m3）x——桩的水平位移（m）。弹性地基上的梁，按文克尔假定：梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比2．地基水平抗力系数

基本概念：地基水平抗力系数表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需要的力。3.随深度的分布规律如下：

4.相应的基桩内力和位移计算方法为：1）“m”法：假定水平抗力系数随深度呈线性增长，m称为地基系数随深度变化的比例系数或者水平抗力系数的比列系数（kN/m4）。2）“K”法：假定地基水平抗力系数随深度呈折线变化即在桩身第一挠曲变形零点以上抗力系数随深度呈凹形抛物线增加；该点以下，地基系数为常数（kN/m3）。3）“c”法：假定地基抗力系数随深度呈抛物线增加。4）“常数”法，又称“张有龄法”：假定地基水平抗力系数沿深度为均匀分布，不随深度而变化。5.桩的计算宽度b0

桩在水平外力作用下，除了桩身宽度范围内桩侧土受挤压外，在桩身宽度以外的一定范围内的土体都受到一定程度的影响（空间受力），且对不同截面形状的桩，土受到的影响范围大小也不同。为了将空间受力简化为平面受力，并综合考虑桩的截面形状及多排桩桩间的相互遮蔽作用，将桩的设计宽度（直径）换算成相当实际工作条件下，矩形截面桩的宽度b0,b0称为桩的计算宽度。桩基规范圆形桩：当直径小于等于1m时，b0=0.9(1.5d+0.5);

当直径大于1m时，b0=0.9(d+1);方形桩：当边宽小于等于1m时b0=1.5b+0.5

当边宽大于1m时b0=b+1

6.桩的挠曲微分方程7.刚性桩与弹性桩、弹性中长桩与弹性长桩弹性桩：当桩的入土深度时，桩的相对刚度小，必须考虑桩的实际刚度，按弹性桩来计算。其中称为桩的变形系数，。一般情况下，桥梁桩基础的桩和房屋基桩多属弹性桩。

刚性桩：当桩的入土深度时，则桩的相对刚度较大，可按刚性桩计算（沉井基础就可看作刚性桩。）弹性长桩：αh>4的桩横向位移顺x轴正方向为正值；转角逆时针方向为正值；弯矩当左侧纤维受拉时为正值；横向力顺x轴方向为正值.8.坐标系统及对力和位移的符号规定：9．弹性长桩挠度曲线微分方程的求解αL>4按上式可计算并绘出单桩的水平土抗力、内力和变形随深度的分布。

10．桩顶的水平位移x0弹性长桩的桩顶水平位移：折算深度为0时的Ax和Bx值，代入水平位移公式得的位移Xz。对于弹性中长桩(2.5<αL<4)及刚性短桩(αL≤2.5)；可由表4-11根据αL及桩端支承条件查得桩顶处的位移系数Ax和Bx，代入下式，即可计算桩顶的水平位移。

11．桩身最大弯矩及其位置

为进行配筋计算，设计受水平荷载桩时需要确定桩身最大弯矩的大小及位置，当配筋率较小时，桩身能承受的最大弯矩决定了桩的水平承载力。

目的：用于检验桩的截面强度和配筋计算。

一般方法：要找出弯矩最大的截面所在的位置及相应的最大弯矩Mmax值。一般可将各深度Z处的Mz值求出后绘制Z－Mz图，即可从图中求得。

数解法：

在最大弯矩截面处，其剪力Q等于零，因此Qz=0处的截面即为最大弯矩所在的位置。查得,即可求得最大弯矩所在的位置4.7桩基的沉降计算《地基基础设计规范》规定，对于桩基，需要进行沉降验算的有：地基基础设计等级为甲级的建筑物桩基；体型复杂，荷载不均匀或桩端以下存在软弱土层的、设计等级为乙级的建筑物桩基；摩擦型桩基(包括摩擦桩和端承摩擦桩)。4.7.1实体深基础法

这类方法的本质是将桩端平面作为弹性体的表面，用布辛内斯克解计算桩端以下各点的附加应力，再用与浅基础沉降计算一样的单向压缩分层总和法计算沉降。所谓假想实体深基础，就是将在桩端以上的一定范围的承台、桩及桩周土当成一实体深基础，也就是说不计从地面到桩端平面间的压缩变形。这类方法适用于桩距s≤6d的情况。

这种计算的示意图如图所示。应力扩散法：扩散角取为桩所穿过各土层内摩擦角的加权平均值的1/4。在桩端平面处的附加应力p0可用下式计算：

在计算出桩端平面处的附加应力p。以后，则可按扩散以后的面积进行分层总和法沉降计算：

2．扣除桩群侧壁摩阻力法

另一种假想实体深基础沉降计算法为扣除桩群的侧壁摩阻力。这时桩端平面的附加压力p。通过下式计算：4．8桩基础的设计

实际工程中的桩基础，除了独立柱基础下大直径桩有时采用一柱一桩外，一般都是由多根桩组成，上部用承台连结。因而桩基础的设计中要综合考虑及验算其承载力和变形。4.8.1群桩及群桩效应

由三根或三根以上的桩组成的桩基础叫作群桩基础。由于桩、桩间土和承台三者之间的相互作用和共同工作，使群桩中的承载力和沉降性状与单桩明显的不同。群桩基础受力(主要是竖向压力)后，其总的承载力往往不等于各个单桩的承载力之和，这种现象称为群桩效应。群桩效应不仅发生在竖向压力作用下，在受到水平力时，前排桩对后排桩的水平承载力有屏蔽效应；在受拉拔力时，群桩可能发生的整体拔出都属于群桩效应。端承桩群桩的沉降量与单桩基本相同，群桩的承载力就等于各单桩承载力之和。摩擦型桩通过桩侧面的摩擦力将竖向力传到桩周土，然后再传到桩端土层上。一般认为桩侧摩擦力在土中引起的竖向附加应力按某一角度沿桩长向下扩散到桩端平面上。当桩数少，并且桩距S0较大时。S0>6d，桩端平面处各桩传来的附加压力互不重叠或重叠不多，这时群桩中各桩的工作状态类似于单桩。但当桩数较多，桩距较小时，常用的桩距S0=(3-4)d时，桩端处地基中各桩传来的压力就会相互叠加，使得桩端处压力要比单桩时数值增大，荷载作用面积加宽，影响深度更深。一方面可能使桩端持力层总应力超过土层承载力，从而使群桩的承载力不等于各单桩承载力之和；另一方面由于附加应力数值加大，范围加宽、加深，使得群桩基础的沉降大大高于单桩的沉降，则可能由于沉降控制而明显减小桩的承载力。承台在群桩效应中也起重要的作用：

承台与桩间土直接接触，在竖向压力作用下承台会发生向下的位移，桩间土表面承压，分担了作用于桩上的荷载，有时承受的荷载高达总荷载的三分之一，甚至更高的比例。只有在如下几种情况下，承台与土面可能分开或者不能紧密接触，导致分担荷载的作用不存在或者不可靠，从而不能考虑承台下桩间土的承载作用：(1)桩基础承受经常出现的动力作用，如铁路桥梁的桩基。(2)承台下存在可能产生负摩擦力的土层，如湿陷性黄土、欠固结土、新近填土、高灵敏度粘土、可液化土。(3)在饱和软粘土中沉入密集的群桩，引起超静孔隙水压力和土体隆起，随后桩间土逐渐固结而下沉的情况。(4)桩周堆载或降水而可能使桩周地面与承台脱开等。不过在设计中出于安全考虑，一般不计承台下桩间土的承载作用。承台对于各桩的摩阻力和端承力也有影响由于在承台底部，土、桩、承台三者有基本相同的位移，因而减少了桩与土间相对位移，使桩顶部位的桩侧阻力不能充分发挥出来。承台底面向地面施加的竖向附加应力，又使桩的侧阻力和端阻力有所增加。群桩效应系数

4.8.2桩基础的设计步骤

桩基础的设计可按下述步骤进行。

1．调查研究，收集设计资料设计前详细掌握建筑物场地的工程地质勘察资料十分重要。并且对于勘探孔的深度和间距有特殊的要求。

2．选定桩型、桩长和截面尺寸针对土层分布情况，考虑施工条件、设备和技术等因素，决定采用端承桩还是摩擦桩，挤土桩还是非挤土桩，最终可通过综合经济技术比较确定。由持力层的深度和荷载大小确定桩长、桩截面尺寸，同时进行初步设计与验算。桩身进入持力层的深度应考虑地质条件，荷载和施工工艺，一般为1到3倍桩径；对于嵌岩灌注桩，桩周嵌入的深度不宜小于0.5m。当持力层以下存在软弱下卧层时，桩端以下硬持力层厚度不宜小于4d。3．确定单桩承载力的特征值，确定桩数并进行桩的布置确定单桩承载力的特征值。然后根据基础的竖向荷载和承台及其上自重确定桩数，当中心荷载作用时，桩数n为式中：Fk——作用于桩基承台顶面的竖向力，kN；Gk——承台及其上土自重的标准值，kN；Rａ——单桩竖向承载力特征值，kN；n——初估桩数，取整数。布置桩并初步确定承台的形状和尺寸。

(1)桩距：摩擦型桩中心距一般不小于3d；扩底灌注桩的中心距不小于扩底直径的1.5倍；当扩底直径大于2m时，桩端扩底净距不小于1m，扩底直径不大于3d。(2)群桩的承载力合力作用点应与长期荷载的重心重合，以便使各桩均匀受力；对于荷载重心位置变化的建筑物，应使群桩承载力合力作用点位于变化幅度之中。(3)对于桩箱基础，宜将桩布置于墙下；对于带肋的桩筏基础，宜将桩布置在肋下；同一结构单元，避免使用不同类型的桩。4．桩基础的验算

在完成布桩之后，根据初步设计进行桩基础的验算。验算的内容包括：桩基中单桩承载力的验算及摩擦群桩承载力验算；桩基的沉降验算；

5．承台和桩身的设计、计算

内容：承台的平面尺寸、厚度和构造的设计，应满足抗冲切、抗弯、抗剪、抗裂等要求。而对于钢筋混凝土桩，要对于桩的配筋、构造和预制桩吊运中的内力、沉桩中的接头进行设计计算。对于竖向受压荷载的桩，一般按构造设计或采用定型产品。

4.8.3群桩基础中单桩承载力的验算及摩擦群桩承载力验算。在荷载作用下刚性承台下的群桩基础中各桩所分担的力一般是不均匀的，往往处于很复杂的状态，受许多因素的影响。

当作用于桩基上的外力主要为水平力时，应对桩基的水平承载力进行验算。在由相同截面桩组成的桩基础中，可假设各桩所受的横向力

相同，即桩的承载力主要取决于地基岩土对桩的支承能力，所以桩的承载力按土的支承力确定。荷载采用标准组合。一般而言，桩的承载力主要取决于地基岩土对桩的支承能力，但是对于端承桩，超长桩或者桩身质量有缺陷的情况，可能由桩身混凝土强度控制。与材料强度有关的设计，当桩顶以下5d范围内箍筋间距大于100mm时应满足：当桩顶以下5d范围内箍筋间距不大于100mm时应满足：注意：此验算应用荷载的基本组合，与上面用土的支承力确定的桩承载力验算用的是标准组合不一样。对于竖向受压摩擦群桩，还要控制桩端地基土的承载力，要求：桩端应力小于等于地基承载力特征值。桩底持力层承载力验算摩擦群桩应力分布

摩擦型群桩基础当桩间中心距小于6倍桩径时，将桩基础视为相当于cdef范围内的实体基础，认为桩侧外力以φ/4角向下扩散，验算桩底平面处土层的承载力：

4.8.4承台的设计计算1．承台的构造基本要求

承台可分为柱下或墙下独立承台、柱下或墙下条形承台梁、桩筏基础和桩箱基础的筏板承台及箱形承台等。柱下独立承台柱下独立承台筏板承台对于条形承台梁，桩的外缘距承台梁边缘距离不小于75mm。

承台的尺寸与桩数和桩距有关。其尺寸主要满足抗弯、抗冲切、抗剪的要求。按照基本要求，承台的厚度不小于300mm，宽度不小于500mm。承台边缘距边桩的中心距离不小于桩的直径或桩的边长；且桩的外缘与承台边缘间距离不小于150mm；为了保证桩群与承台连接的整体性，桩顶嵌入承台的长度不宜小于50mm。桩主筋插入承台的锚固长度对于HPB235级钢筋不小于30倍钢筋直径；对于HRB335和HRB400级钢筋不小于35倍钢筋直径。对于大直径灌注桩，采用一柱一桩时，可设置承台或者将桩和柱直接连接起来。承台混凝土强度等级不低于C20。纵向钢筋的混凝土保护层厚度不小于70mm；当设置混凝土垫层时，保护层不小于40mm。矩形承台的钢筋双向均匀通长布置；三桩承台的钢筋按三向板带均匀布置，最里边的三根钢筋围成的三角形应在桩的截面范围之内，见图4—25所示。除满足设计计算的要求外，一般配筋尚需满足《混凝土设计规范》所规定的最小配筋率要求，并且主筋直径不小于12mm，架立筋不小于10mm，箍筋不小于6mm。有抗震要求的柱下单桩和两桩独立承台常常用联系梁连接。承台的埋置深度一般不是由承台底土

层的承载力决定，主要考虑建筑物结构设计和环境条件。在满足这些条件下可尽量浅埋。对于有抗震要求的桩基，为增加抗水平力可加大承台埋置深度。承台位于较好土层上可发挥承台、桩、土的共同作用，增加群桩基础承载力、减少沉降。承台周围回填土应采用素土、灰土、级配砂土等分层夯实，或者在原坑浇筑混凝土承台。

2．承台的抗弯计算

如果承台厚度较小，配筋量不足，承台在柱传下的力作用下，可能发生弯曲破坏。试验和工程实践表明，柱下的独立桩基承台呈梁式破坏，即挠曲裂缝在平行于柱边的两个方向出现，最大弯矩产生于柱边处。

1)多桩矩形承台

对于多桩矩形承台，计算截面取在柱边和承台截面变化处，弯矩计算公式为(见图4-27)2)等边三角形三桩承台应以受力最大的桩计算设计弯矩。

3)等腰三角形三桩承台3．柱下桩基独立承台的冲切计算

板式承台的厚度往往由冲切验算决定。承台的冲切破坏主要有两种形式：由柱边缘或承台变阶处沿≥45°斜面拉裂形成冲切锥体破坏；或者是角桩顶部对于承台边缘形成≥45°的向上冲切半锥体破坏，如图4-28所示。

1)柱对承台的冲切

柱对承台的冲切有两种可能破坏形式，即沿柱边缘或者沿承台变阶处冲切破坏。由于柱的冲切力要扣除破坏锥体底面下各桩的净反力，当扩散角度等于45°时，可能覆盖更多的桩，所以冲切力反而减少，因而不一定最危险。最危险冲切锥为锥体与承台底面夹角≥45°情况，并且此锥体不同方向的倾角可能不等，这时可按下式进行冲切计算：

2)角桩对承台的冲切计算

由于假设相同的桩型在承台下按照线性规律分担总的竖向力。在偏心荷载下，某一角桩会承受最大竖向力。另一方面角桩向上冲切时，抗冲切的锥面只有一半，亦即对于四棱台只有两个抗冲切面。角桩的冲切是最危险的。承台为锥形承台为台阶形(2)三桩三角形承台角桩的冲切计算

4．柱下桩基独立承台的受剪计算剪切面为柱(墙)边与桩内边缘连线形成的斜截面。当柱(墙)边有多排桩形成多个斜截面时，也应对每个斜截面进行验算。5．桩身结构设计选择预制桩时，一般要按施工条件加以验算。对于混凝土现场灌注桩一般只按使用阶段进行结构强度计算。对于承受较大水平荷载作用和弯矩较大的桩以及抗拔桩应进行计算确定配筋。4.9桩基技术和理论的新发展

4．9．1桩的形式和规模

为了充分发挥地基的承载力，人们对桩进行了扩底和扩径。扩底的施工方法有钻扩、爆扩、夯扩、振扩、挤扩、挖扩等多种，采用扩底桩可大大提高单桩承载力。夯扩桩为我国近年来涌现的新桩型。它是采用细长锤夯击成孔，将护筒沉到设计标高后，分批向孔内投放废砖石及干硬性混凝土，反复击实，挤密桩底土体，在桩端形成复合载体。

DX多节挤扩灌注桩是一种局部扩径的桩型，在钻孔后向孔内放入专用液压挤扩设备，根据土层情况在不同部位挤压出分岔或者圆锥盘式扩大腔体，浇筑混凝土后成为支盘和支叉，可明显提高单桩承载力。

4.9.2桩的施工

为消除和减轻对于环境的不利影响，在城区软土地区采用静压桩受到欢迎，采用此法施工的桩长已达70m以上。为了消除泥浆护壁钻孔中循环泥浆对环境的污染，国内外常采用套管钻进法或者用稳定液代替泥浆护壁的无套管钻进法施工。拔出套管

4.9.3单桩承载力的测定和桩的检测单桩竖向静载试验法，是一种费钱、费工、费时的试验方法，不可能在工程中大量应用，更不可能用以检测每根桩的质量和承载力。

1．用动测法代替静压法

近二三十年来用动力法检测桩的质量和确定桩的承载力发展很快，其法是在桩顶施加动态力(动荷载)，量测在桩头位移、速度或加速度等动力响应信号，从而对桩土的性状作出分析。根据能否使桩土间产生塑性位移，可把动测桩分为低应变法和高应变法。低应变法中，作用在桩上的动荷载远小于桩的使用荷载，不能将桩打动，常用来检测桩的完整性，直接用以确定桩的承载力则尚有争议。高应变法是指动荷载能使桩土间产生较大动位移，距桩顶一定距离的桩两侧对称安装力传感器和加速度传感器，测量力和采集桩土系统响应信号，通过不同的数学模型分析桩身结构的完整性和单桩的承载力。4.9.4桩基的设计

1．复合桩基群桩基础实际上是桩、土和承台三者的共同作用问题。承台贴地，常常承担相当部分的荷载，这种考虑承台底桩间土抗力的桩基也叫做复合桩基，其中的单桩叫做复合基桩。2．减沉桩基(疏桩基础)

在天然地基的承载力满足建筑物的要求时，而沉降过大。当采用扩大基础尺寸或进行地基处理来减小沉降耗费资金较多，这时做成桩基，这种以控制沉降为目的，直接用沉降量指标来确定桩数量的桩基，此桩基称为疏桩基础。疏桩基础桩距较大，一般为Sｓ＝(4—6)d，甚至更大。减沉桩基中的桩应为摩擦桩，但桩端也应进入较好土层，以防沉降过大，达不到预期的控制沉降的效果。减沉桩在承台产生一定沉降时，桩可充分发挥其承载力并允许进入极限承载状态，同时承台也类似浅基础或复合地基，很大部分的荷载加在桩间土上，是一种承台作用发挥较大的复合桩基。4.10墩

基

础

墩基础是一种常用的深基础。从外形和工作机理上墩(pier)与桩(pile)很难严格区分。但墩与桩还是有区别的。墩的断面尺寸较大，相对墩身较短，体积巨大。这样墩身一般不能预制，也不能打入、压入地基，只能是现场灌注或砌筑而成。一般认为墩的直径大于0.8m；墩身长度为6～20m；长径比不大于30。墩与桩之间的主要区别在于：(1)与桩相比，墩的断面尺寸较大，长细比较小，亦即短而粗；(2)墩不能用打入和压入地基的方法施工；(3)墩常常单独承担荷载，且承载力比单桩高。

与浅基础相比，墩的埋深不小于4倍断面尺度；墩的侧壁摩阻力往往是承载力的重要部分。“墩”这个词还有另外一层含意，那就是指某些建筑物的基础与上部结构之间的部分。应用

为获得较大的墩的端承力，墩基础一般支承在较坚硬的土层或岩层上，尤其是扩底的情况下。墩基础广泛地应用于桥梁、海洋钻井平台和港口码头等近海建筑物中。在我国西南山区，常常用直径(或边长)达几米的大尺寸墩治理滑坡，抵抗滑动力。

4.10.2墩的分类1．按墩的承载性状分类抗压墩抗滑墩抗拔墩：锚锭结构的基础时，一般采用扩底的形式以提供更大的抗拔力。

2．按施工方法分类

按施工方法可从成孔、护壁和浇(砌)筑三个方面考虑。1)成孔方法

墩按成孔方法分为三类：挖孔墩、钻孔墩和冲孔墩。2)护壁方式

墩的成孔与浇筑可以有护壁，也可无护壁。3)浇(砌)筑方式

墩一般是混凝土浇筑而成的，可以是水下浇筑或干作业浇筑。在山区，也可用浆砌石、砖砌筑墩基础。3．按墩的形状分类

墩的横断面一般为圆形，但也有方形和矩形等情况。墩的轴向截面形式

4.10.3墩基础的设计由于墩和桩的工作机理相似，所以许多桩基的设计方法也适用于墩基。在许多情况下是单墩工作或者少数墩共同工作，这与群桩基础不同；墩基承重的复杂性和设计计算方法不完善。1)用现场载荷试验确定墩的承载力2)经验公式法

与桩的承载力一样，在初步设计阶段估算墩承载力特征值时，可以使用类似于式(4-7)的公式计算：1．墩的竖向抗压承载力墩的水平承载力比一般单桩的水平承载力高得多。在抵抗地震力、波浪力、动力机器振动力及船舶撞击力等水平荷载时，墩是十分有效的基础形式。3．墩的沉降估算

墩的沉降一般由三部分组成：式中：S——墩顶沉降量，m；Sp——墩身轴向压缩量，m；sb——墩底土层压缩变形，m；

Ｓｓ——墩端以下沉渣压缩变形，m。4.10.4承台

由于墩多数为单独承载或少数墩共同工作，所以承台的设计相对简单。和桩一样要求墩顶嵌入承台及主筋伸入承台。对于一柱一墩情况，柱下单墩宜在墩顶的两个相互垂直的方向设置联系梁。当墩与柱的截面积尺寸之比大于2，且柱底的剪力和弯矩较小时，也可不设联系梁。柱桩基础4.11沉井基础

沉井是以现场浇筑、挖土下沉方式进入地基中的深基础。一般为钢筋混凝土制成，很少情况也可使用砖石、钢筒等。

江阴长江大桥(1999年)北锚沉井工程是整个大桥工程中的重中之重。沉井平面长69