1、第五章 桩基工程,Pile Foundation,崔德山 中国地质大学（武汉）工程学院 Engineering Faculty, CUG(WuHan),桩的承载力,确定方法有：建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）和建筑桩基技术规范（JGJ 94-94） 桩的承载力：单桩竖向承载力、群桩竖向承载力和桩的水平承载力,建筑桩基技术规范（JGJ 94-94）,按载荷试验确定 Quk=Qum 单桩竖向极限承载力标准值和实测平均值 按土的物理指标 Quk=Qsk+Qpk 单桩竖向承载力设计值 RQsk /rs +Qpk /rp 桩侧阻和端阻抗力分项系数,竖向荷载下单桩承载力,单桩竖向承载力确
2、定,经验参数法,小于800mm 非大直径桩,大于800mm 大直径桩,大直径桩侧阻修正系数,大直径桩端阻修正系数,大直径桩扰动效应,单位面积效应降低,桩的极限侧 阻力标准值,桩的极限端 阻力标准值,又称尺寸效应系数,竖向荷载下单桩承载力,单桩竖向承载力确定,经验参数法,钢管桩,闭口 敞口,桩端土塞效应,形成类似闭口桩,土体大量涌入桩心,d1,竖向荷载下单桩承载力,单桩竖向承载力确定,经验参数法,混凝土空心桩,竖向荷载下单桩承载力,单桩竖向承载力确定,经验参数法,嵌岩桩,土体：,岩体：,饱和抗压强度 粘土岩取天然湿度抗压强度,嵌岩段侧阻与端阻综合系数,15MPa,30MPa,母岩强度,桩基抗拔承
3、载力,抗拔桩基承载力验算,确定方法,试验方法,甲级和乙级建筑桩基,载荷试验,经验公式法,丙级建筑桩基,两种破坏方式,单桩破坏模式,群桩破坏模式,抗拔桩基承载力验算,单桩破坏,基桩抗拔极限承载力标准值,516a,抗压桩摩阻力经验值,抗拔系数新老规范一致,扩底桩有所调整,思路：对抗压桩参数进行折减得到抗拉桩抗拔极限承载力,抗拔桩基承载力验算,整体破坏,基桩抗拔极限承载力标准值,群桩数,群桩外围周长,思路：首先将群桩看成一个整体破坏的大桩然后进行所有桩的平均,同时验算抗拔承载力,群桩整体破坏模式,单桩破坏模式,第三节 竖向荷载下的群桩承载力计算,Vertical bearing capacity o
4、f group piles,竖向荷载下的群桩承载力,单桩与群桩,基本概念,基桩(Foundation Pile),桩基础中的单桩,复合桩基(Composite pile foundation),有基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础,减沉复合疏桩基础(Composite foundation with settlement-reducing piles),软土地基天然地基承载力基本满足要求的情况下 为减少沉降采用疏布摩擦型桩的复合桩基,变刚度调平设计(Optimized design of pile foundation stiffness to reduce differential se
5、ttlement),考虑上部结构形式、荷载和地层分布以及相互作用效应，通过调整桩径、桩长、桩距等改变基础支承刚度分布，以促使建筑物沉降趋于均匀、承台内力降低的设计方法,竖向荷载下的群桩承载力,承台类型,条形承台,对应条形基础,独立承台,对应独立基础,筏型承台,对应筏型基础,箱型承台,对应箱型基础,竖向荷载下的群桩承载力,群桩的工作形状,端承型群桩,承台底部分担荷载小,桩侧荷载分担小,主要荷载由桩端岩土体承担,群桩承载力,单桩承载力,桩基的沉降验算也可以简化或者省掉,嵌岩桩 对沉降无特殊要求条形基础下不超过两排的桩基 简单的工业厂房桩基（桩端为密实土层）,竖向荷载下的群桩承载力,群桩的工作形状,
6、摩擦型群桩,上部荷载作用效应分为：,桩端应力效应 桩侧应力效应 承台应力效应,叠加,压力值增大 影响深度增大 群桩承载力不等于单桩承载力之和,群桩效应： 摩擦群桩才具有的特征 受土性、桩距、桩数、桩的长径比、桩长与承台宽度比、成桩方法等多因素的影响而变化 群桩效应又影响群桩基础的荷载分配特征及群桩破坏模式,竖向荷载下的群桩承载力,群桩的工作形状,反力与变形分布特征,边桩和角桩承担荷载大 中间沉降大两边小,蝶形沉降 马鞍形反力分布,导致上部结构和自身的附加弯矩、剪力，可能导致开裂,导致基础内力加大 弯矩增加,负面效应,Pmax/Pmin 刚性基础 柔性基础挤密桩基础 非挤密桩,解决途径： 变刚度
7、调平设计,竖向荷载下的群桩承载力,群桩的工作形状,摩擦型群桩破坏模式,群桩破坏模式整体与非整体破坏,群桩破坏模式端阻破坏与侧阻破坏,软弱下卧层冲剪破坏,竖向荷载下的群桩承载力,承台分担荷载,1 桩距离大小,桩侧阻力,桩直径,桩中心距,当rnd时 Wr0,实测nd610d,当土体的变形模量小 取小值,桩间距越大 桩间土体承担的荷载越大 承台效应越大,r,d,竖向荷载下的群桩承载力,承台分担荷载,2 承台土抗力随承台宽度与桩长之比而变化,Bc,L,施加荷载/极限荷载,承台荷载/施加荷载,当Bc/L1时:承台土抗力形成的压力泡包围整个桩群，导致桩侧阻力、端阻力发挥值降低，相应的承台土抗力增大。,竖向
8、荷载下的群桩承载力,承台分担荷载,3 承台土抗力随承台区位和排列的变化,承台内区（桩群包络线以内）土抗力明显小于外区 单排桩条基承台土抗力大于其他排列形式群桩,施加荷载/极限荷载,承台荷载/施加荷载,竖向荷载下的群桩承载力,考虑群桩效应的复合基桩竖向承载力特征值,承台效应系数,0.5Bc且小于5m深度范围内各土层地基土承载力按厚度加权平均值,0.5Bc且小于5m,Ac(AnAps)/n,取消了侧阻效应和端阻效应系数 简化了计算过程,对于端承型桩基 桩数少于4根摩擦型桩不计承台效应 对于液化土 湿陷性土 欠固结土 新填土 高灵敏软土 沉桩导致超孔隙水压力及隆起等不考虑承台效应,竖向荷载下的群桩承
9、载力,考虑群桩效应的复合基桩竖向承载力特征值,竖向荷载下的群桩承载力,考虑群桩效应的复合基桩竖向承载力特征值,满足承载力要求,竖向荷载下的群桩承载力,群桩基础整体破坏情况下承载力计算,等代墩基法,群桩基础整体破坏情况下承载力,深宽修正承载力,基础太深可能过高,侧摩阻要根据土层条件调整,竖向荷载下的群桩承载力,群桩基础整体破坏情况下承载力计算,实体深基础法,中心距小于6d的摩擦群桩 桩数超过9根(含9根)且多于2排的桩基,土体的/4内摩擦角进行扩散,K 安全系数23 摩擦角取有效摩擦角,竖向荷载下的群桩承载力,软弱下卧层承载力验算,等代墩基法,应力扩散,软弱下卧层承载力验算,软弱层顶面附加压力,
10、软弱层顶面土层重度厚度加权,深度修正后承载力特征值,扩散角,Es1/Es2范围扩大,当t0.25B0 =0,第四节 竖向荷载下的桩基沉降计算,Settlement calculation for pile foundation with vertical load,竖向荷载下的桩基沉降计算,桩基沉降计算的基本要求,控制指标： 沉降量 沉降差 整体倾斜 局部倾斜,采用地基规范中 中低压缩性土指标,高耸结构沉降量比地基规范小50mm,遵循了地基规范的原则,竖向荷载下的桩基沉降计算,桩基沉降计算与天然地基沉降计算比较,导致桩底面下压力加大,实体深基础,桩基沉降桩体范围的变形桩下土体沉降,竖向荷载下的
11、桩基沉降计算,桩中心距不大于6倍桩径,实体深基础法 等效基础面积等于承台投影面积,竖向荷载下的桩基沉降计算,桩中心距不大于6倍桩径,等效基础面积等于承台投影面积 等效作用的附加压力p0j取承台底附加压力 等效作用面以下（等代实体深基础底以下）的应力分布按Boussinesq解确定 附加压力统一取准永久值 上述公式是角点法公式 矩形基础中心点沉降可简化,经验修正系数,桩基等效系数,承台底面附加压力,竖向荷载下的桩基沉降计算,桩中心距不大于6倍桩径,经验修正系数,1.该表有一定改动（书表520） 2.对于后注浆施工工艺成桩的 乘以0.7（砂、砾、卵石）0.8（黏性土、粉土） 3.对于饱和土体中采用
12、一般预制桩 根据情况乘以1.31.8,相对94规范 适用地区更广 考虑了施工因素 相对合理,竖向荷载下的桩基沉降计算,桩中心距不大于6倍桩径,等效沉降系数e,C0、C1、C2由下列参数确定;距径比Sa/d长径比l/d基础长宽比Lc/Bc,矩形布桩时短边桩数,竖向荷载下的桩基沉降计算,单桩 单排桩 疏桩基础,思路： 采用Mindlin解决侧阻与端阻形成的附加压力 采用Boussinesq解决承台底反力在桩端下形成的附加反力 分别计算对沉降计算范围内所有桩与承台的作用形成的附加压力 将附加压力求和 采用分层总和法计算沉降计算点的沉降 考虑桩压缩量,竖向荷载下的桩基沉降计算,单桩 单排桩 疏桩基础,
13、附加压力,影响范围内基桩数,压缩层范围内土层,该式假设侧阻为三角形分布,端阻比例系数,Ip与Is查表得到,桩身压缩量,Ip Is采用Mindlin解,承台底均布压力,Boussinesq解,竖向荷载下的桩基沉降计算,单桩 单排桩 疏桩基础,计算繁琐 精度有限,有限元进行地基、基础、上部结构共同分析,第五节 桩基设计,Structure design of pile foundation,总步骤,桩基设计步骤,1、收集设计资料 2、选择桩型、桩断面尺寸、桩长的选择 3、确定单桩承载力 4、确定群桩的桩数及布桩,5、群桩承载力与变形验算 6、桩基中各桩受力与结构设计 7、承台结构设计,设计过程中要
14、满足构造要求,桩基础设计包括以下几方面,1、选择桩的类型（根据桩的承载性状、桩的材料和施工方法） 2、确定桩的规格与单桩竖向承载力 3、计算桩的数量进行平面布置 4、桩基础验算（承载力、沉降） 5、桩承台设计（作用、种类、材料与施工、尺寸、内力计算）,两种设计状态,一. 桩基础的两种极限状态,（一）桩基承载力极限状态 1、超过最大承载力 2、产生不适于继续承载的变形 3、桩基发生整体失稳 （二）桩基正常使用极限状态 变形、耐久性,桩基的设计等级：甲、乙、丙,资料准备,二.资料准备,岩土工程勘察资料岩土体物理力学参数 及原位测试资料不良地质作用地下水岩土体液化评价 特殊土地基评价 2. 环境条件
15、：场地现状 周围建筑 周围建筑桩基经验 环境要求等 3. 建筑物有关资料 安全等级 平面布置 结构类型 荷载 使用及要求 4.施工条件,桩基构造要求,三.桩基构造要求,灌注桩,桩基构造要求,三.桩基构造要求,灌注桩,有所提高,桩基构造要求,三.桩基构造要求,灌注桩,混凝土强度予以提高：满足钢筋混凝土规范要求 保护层厚度按二a环境类别确定,桩基构造要求,三.桩基构造要求,灌注桩,受压柱最小配筋0.6%钢混 专门抗拔桩通长配筋 摩擦桩至少配桩长1/3l,加劲箍提高钢笼刚度 小于600mm桩 布于笼外,桩基构造要求,三.桩基构造要求,扩底灌注桩,桩基构造要求,三.桩基构造要求,扩底灌注桩,桩基构造要
16、求,三.桩基构造要求,桩基构造要求,三.桩基构造要求,预制桩,桩基构造要求,三.桩基构造要求,预制桩,要求提高,桩基构造要求,三.桩基构造要求,预制桩,桩基构造要求,三.桩基构造要求,承台构造要求,桩基构造要求,三.桩基构造要求,承台构造要求,桩基构造要求,三.桩基构造要求,承台构造要求,桩基构造要求,三.桩基构造要求,承台构造要求,桩基构造要求,三.桩基构造要求,承台构造要求,桩基构造要求,三.桩基构造要求,承台构造要求,桩基构造要求,三.桩基构造要求,承台构造要求,桩基构造要求,三.桩基构造要求,承台构造要求,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,上部结构：形式 荷载 变形敏感性 及
17、一些特殊要求,地质条件：地层空间展布及其性质 地下水,环境条件：施工环境污染容忍度 地下管道 周围建筑等,施工条件及施工能力,桩基形式,筏型及箱型承台能有限提高基础及建筑物整体性 筏型承台可以提供连续的地下空间,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,10层 直径500mm左右的灌注桩 边长400mm的预制桩 1020层 直径8001000mm的灌注桩 边长450500mm的预制桩 2030层 直径10001200mm的灌注桩 边长等于或大于500mm的预制桩 30-40层 直径大于1200mm的灌注桩 直径 500-550mm的预应力混凝土管桩和大直径钢管桩 高层建筑所采用的挖孔灌注桩直
18、径可达5m左右,桩长与桩径经验数据,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,桩的布置,如何合理布置桩,从桩的承载力发挥分析,从桩施工工艺上分析,从桩与承台共同作用分析,从桩 承台上部结构共同作用分析,从经济上考虑,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,桩最小桩间距的要求,大桩距有利于摩阻力和承台反力的发挥,过大的桩间距加大承台造价,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,进入持力层深度要求,进入持力层深度,嵌岩桩嵌入岩层深度,注意：桩的入持力层深度均指全截面深度不计桩尖部分,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,桩间距下限：34.5d,桩入持力层深度：12d,桩端下硬层：3
19、d,0.2d且0.2m,0.4d且0.5m,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,100mm,约50mm,约20mm,箱型承台,外框内筒,主裙一体,主体156m,裙房4层,地下室3层,蝶形沉降,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,武汉一大厦桩反力分布：马鞍形分布,22层框剪结构 桩箱基础 持力层砂层,问题： 是在边缘增加桩 VS 在边缘减少桩,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,变刚度调平设计,考虑上部结构形式 荷载和地层分布以及相互作用效应 通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布 促使建筑物沉降趋于均匀、承台内力降低的设计方法,均匀布桩的反力与变形,变刚度调平设计的反力与变形,桩基构造要求,四.桩基形式的选择及桩的布置,变刚度调平设计的途径,1. 天然地基局部增强,如筒体部分采用局部桩基 外围采用天然地基,2. 变刚度桩基,局部加密布桩 该变桩径 改变桩长 弱化外围桩基或采用地基处理 或天然地基,3. 主、裙楼连体变刚度,采用增强主楼 弱化裙房原则,局部增强,局部加密,调整桩径,调整桩长,
