1、第三部分 桩基础设计的基础知识,桩基及发展,桩基结构示意图,承台,桩身,桩间土,上部结构,地表,Df,桩长,桩入持力层深度1.5m,桩基埋深,LB,L0b0,桩周尺寸ab,桩径dp,半个桩径,桩基础按桩的数量可分成：单桩群桩,桩身截面、桩尖与扩大脚,受横向荷载常用桩截面,受竖向荷载常用桩截面,桩的分类,桩可根据桩身材料、施工方法、成桩过程中挤土效应、承载性状及使用功能等进行分类。 1按桩身材料分类 按桩身材料不同，可将桩划分为木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢桩、其它组合材料桩。,a.木桩 b.预制混凝土桩 c.预制混凝土管桩 g.复合桩,2按施工方法分类 按施工方法可分为预制桩、灌注桩两大类。
2、,d. e. f.混凝土灌注桩,3按承载性状分类荷载作用下的桩，按达到承载力极限状态时的荷载传递主要方式，可分为： (a)端承型桩 (b)摩擦型桩,P,QP,桩杆受力,QS,4按成桩过程中挤土效应分类 随着桩的设置方法（打入或钻孔成桩等）的不同，桩周土所受的排挤作用也很不相同。挤土作用会引起桩周土天然结构、应力状态和性质的变化，从而影响土的性质和桩的承载力。 对桩按设置效应分为三类：挤土桩、小量挤土桩和非挤土桩。,挤土桩,1、挤土灌注桩振动沉管桩锤击沉管桩沉管灌注桩 振动冲击沉管桩平底大头桩沉管灌注同步桩夯扩灌注桩 法兰基桩夯击成型桩 干振灌注桩,挤土桩,2、挤土预制桩冲击施工法桩打入式桩摇动
3、施工法桩静压桩,部分挤土桩,1、部分挤土灌注桩 冲击成孔灌注桩 桩端压力注浆桩 孔底压力注浆桩 小桩（M桩） CIP工法进桩 MIP工法进桩 PIP工法进桩 爆扩灌注桩,2、埋入式桩中掘施工法桩预钻孔打入式预制桩旋转埋设施工法桩 3、螺旋式预制桩 4、打入式开口管桩 5、组合桩,非挤土桩非挤土灌注桩,1、干作业法设桩螺旋钻孔灌注桩多节扩孔灌注桩钻孔扩底灌注桩机动洛阳铲成孔灌注桩人工挖（扩）孔灌注桩,2、泥浆护壁法潜水钻成孔灌注桩 钻斗钻成孔灌注桩 反循环钻成孔灌注桩正循环钻成孔灌注桩钻孔扩底灌注桩 3、套管护壁法4、巴列特灌注桩,按照受力分类,1、竖向受荷桩摩擦桩和端承桩 2、横向受荷桩主动桩
4、和被动桩 3、抗拔桩 4、抗浮桩 5、抗倾覆桩,二、常用的桩型特点 木桩 钢桩 混凝土桩 顶压桩 螺旋桩 爆扩桩 斜桩,P,P,M,RK=QS+QP,QP,QP,桩杆受力,偏心受压桩身受力,QS,单桩与地基土的相互作用,QS,P,P,抗拔桩受力,负摩擦桩受力,原始地面,重新固结地面,QS,QS,RK=QS+QP,1、桩身所穿越土层的强度、变形性质、应力历史 2、桩端持力层的强度和变形性质： 3、桩身与桩底的几何特征： 4、桩体材料强度： 5、群桩几何参数： 6、成桩方法：,影响桩承载力的因素：,N,软 土 层,硬土层 或基岩,N,S,Z,0,0,杆端嵌入硬土层或基岩的端承桩,桩的破坏模式与极限
5、承载力,N,软 土 层,硬土层 或基岩,N,S,Z,0,0,杆端嵌入坚实土层的摩擦桩,桩的破坏模式与极限承载力,N,软 土 层,N,S,Z,0,0,均匀土质中的摩擦桩,桩的破坏模式与极限承载力,N,软土层,N,S,Z,0,0,杆端嵌入软土层,桩的破坏模式与极限承载力,单桩轴向承载力的确定,、规范法： 桩的承载力包括地基土对桩的支承力和桩身结构承载力。 单桩竖向极限承载力除以安全系数2得到单桩竖向承载力标准值Rk。考虑上部结构的载荷系数之后取1.2Rk为单桩竖向承载力设计值Rd。,2、按桩杆材料强度确定：,其中：R竖向载荷设计值，,：为纵向弯曲系数，A桩杆横截面积，,：为混凝土轴向抗压设计强度，
6、,：为受压钢筋设计强度，,：为受压钢筋面积。,3、按地基与基础设计规范经验公式确定：,摩擦桩：,端承桩：,、,的标准值查表。也可按地区经验确定。,4、按建筑桩基技术规范公式确定：根据土的物理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，按下式计算：,5、原位静力测试确定承载力 这是在施工现场对桩施加轴向荷载并量测桩的沉降量，根据量测结果确定桩的轴向承载力，这种方法称为试桩。静力试桩,群桩承载力的确定,1、群桩效应,QP,QS,QP,QS,对端承桩或者桩距较大的摩擦桩,1、群桩效应,QP,QS,QP,QS,对桩距较小的摩擦桩,影响荷载传递的因素,（1）桩端土与桩周土的刚度比 （2）
7、桩土的刚度比 （3）桩底扩大头与桩身直径之比 （4）桩长径比,1、群桩效应的评判,沉降比：,群桩效应系数：,避免产生群桩效应的措施,1、对端承桩：,2、对桩距3d的摩擦桩：,N,M,T,Qmax,Qmin,3、对桩距s3d，桩数超过9根（含9根）的摩擦桩基假想的实体基础,将桩与桩间土看成一个实体基础，载荷从桩周最外缘的桩顶以 的倾角向外沿深度扩散传播。桩侧为中压缩性土层，桩尖处为中、低压缩性时就是这种情况。此时应满足： 中心受压：,，,，,：为桩长范围内各土层的加权内摩擦角,为桩周尺寸,偏心受压时：,：为桩长,1、上部为中压缩层，下部为中低压缩层,2、桩侧为高压缩层，桩尖为地低压缩层将桩与桩间
8、土视为一个实体基础，不考虑桩间土的摩擦作用，此时应满足如下条件：中心受压：,偏心受压：,3、桩侧、桩尖为高、中压缩性土层将桩与桩间土看成一个实体基础，考虑实体基础侧面与土的摩擦力的支持作用，在此条件下应满足如下条件：中心受压：,安全系数K一般取3。,偏心受压：,群桩沉降检算,建筑桩基技术规范中指出，桩基的桩距小于6d，最终沉降计算可用当地经验或等效作用分层总和法。 桩基内任意点最终沉降量可用角点法计算：,上部结构,承台,D承台埋深,L桩长,第 层,等效作用面下应力分布计算模式,：桩基沉降计算经验系数，按地区经验取值，当无地区经验时，按下式计算： 非软土地区和软土地区桩端有良好的持力层时，,软土
9、地区且桩端无良好持力层时，,为桩基等效沉降值，按下式计算：,式中：,分别为根据群桩不同的距径比,长径比,基础长宽比,均由建筑桩基技术规范中附录查出。,分别为承台尺寸和总桩数。,桩基设计程序：,1、根据地基情况确定桩的类型及几何尺寸，初步确定承台底面标高； 2、确定单桩的容许承载力； 3、确定桩的数量及平面布置； 4、确定群桩承载力，必要时验算群桩地基沉降； 5、计算桩基中各桩的荷载，进行单桩设计。 6、承台设计； 绘制桩基施工图。,桩的设计,1、桩型 2、尺寸选择 3、构造要求 4、承台梁的连接 5、桩的布置,单独桩基础在承受中心受压时，其布置可采用行列式及梅花式，桩的间距一般采用等间距。偏心
10、受压时，常采用在偏心方向上不等距的布置方式，但宜使桩的中心轴对称，使桩基各桩受力均匀。群桩横截面的重心，应尽可能与合力作用点相重合或尽可能接近。当上部有几种不同内力组合时，承台上面合力作用点将发生变化，此时群桩截面的重心应位于合力作用点可能变化的变化范围之内，尽可能接近最不利时的合力作用点位置。,条形基础下桩的布置,单列式,梅花式 (双排错放),桁列式 (双排并排),3d,满堂红桩基础下桩的布置,梅花式,行列式,3d,d,2d,四方布置,中心布置,纵横墙交接处桩的布置,合理布置桩并确定适当的间距，是桩基设计达到经济和安全可靠的重要一环。一般情况下桩的间距可取 。,对于打入的竖直摩擦桩，桩的中心
11、距离不宜小于3d。 斜桩的中心间距在桩尖处3d，在承台底面不宜小于1.5d（或边长）。 振动法打入砂土的预制桩，在桩尖处不宜小于桩径或边长。 支承于岩基上的端承桩，桩的中心间距不得小于2.5d或者2.5d倍的边长。 桩的间距一般取3d6d或边长，也不得小于0.7m。,桩的间距,桩的根数,1、墙下桩基：,2、单独基础的桩基础：,中心受压时：,偏心受压时,群桩中单桩受力 计算,对低承台桩基础,1、中心受压：,2、偏心受压：,一般情况下，桩不能受拉，所以要求,9,10,11,12,6,5,7,8,1,2,3,4,桩顶荷载计算图,单桩水平承载力,边桩对承台的冲切简图,方桩,圆形桩,边桩对承台的冲切简图
12、,其中,，,分别为边桩处承台冲切破坏锥 下边、上边的长度,当柱尺寸与位置正好位于桩基础中心几根桩之间时，容易产生直剪破坏。 承台高度应满足,其中,为作用于桩承台上的剪切荷载，取抗剪计算截面以外全部桩的净反力之和,是抗剪截面。对截面,对截面,，,为混凝土轴心抗压强度设计值。若桩还有弯矩作用，应取桩反力最大的一边承台进行验算。,承台的抗剪强度计算,承台板抗弯计算,4根桩以上柱下独立桩基矩形承台板的抗弯强度计算，有三种基本模式： 桁架法 板式法 梁式法,桁架法,板式法,，,取承台板中心作为危险计算截面，任一基桩反力引起的弯矩在板的两个正交方向上按距离比例分配，求得对承台板中心的X,Y轴的设计弯矩 ：
13、,梁式法,桩净反力对柱底边缘的弯矩：,，,桩承台的形式,等边3桩承台 ：,等腰3桩承台：,，,承台梁设计,承台梁有墙下及柱下承台梁两种形式。这些承台梁，都必须进行抗冲切及抗弯强度计算： 1、承台梁抗冲切计算 墙下承台梁由于它与墙体共同作用，具有很高的抗冲切能力，因此不必验算桩对承台梁的冲切强度。柱下承台梁（单向或交叉承台梁）的抗冲切计算，可采用与承台板相同的方法进行。 2、墙下承台梁的抗弯计算 墙下承台梁弯矩的确定，主要是考虑墙体与承台梁的共同作用，即作用于承台梁上的有效竖向荷载的取值问题。,预制桩的起吊 及运输验算,不同起吊点位置及其弯矩简图,0.295L,0.705L,L,L,0.207L
14、,0.207L,0.586L,M1,M1,M1,M1,M2,，,跨中M2： 起吊点M1：,Gd,0.13L,0.37L,0.13L,0.37L,0.095L,0.095L,0.27L,0.27L,0.27L,L,L,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M1,M2,M2,M2,M2,M2,，,实例,某住宅楼6层，横墙承重，作用在横墙脚底荷载为N165.9KN/m，横墙长10.5m，墙为24墙。地基土情况如下图所示，设计桩基础。 （可选择的沉管灌注桩尺寸有：325，377，500，预制桩尺寸300300，400600，600800，布桩密度Ws5%）,稍密杂填土,r=16.3kN/m3，qs=12
15、,r=19kN/m3，qs=10，,r=16.5kN/m3，qs=25,r=16.3kN/m3，qs=35 qp=1700,2200,2400,2600,5000,1600,软塑淤泥,可塑粘土,硬塑粘土,解答：地下水位深1600mm，则可以取承台埋深Df1500， 桩长L100（桩入承台）700240026001200（桩入持力层）7000m。 选择预制桩尺寸：300300。 单桩承载力： RkQs+Qp （0.7122.4102.6251.235）40.31700300300 =332.88KN 取 进行桩基础设计。,桩数：,考虑到承台自重及上覆回填土重，取n7 排桩：（10.50.32）6
16、1.65m4dp,可以不考虑群桩效应问题。 根据以上条件取承台尺寸为10.5mm0.8mm。 此时布桩密度Ws5% 因为（40.30.3）/(10.50.8)=4.3%，则采取4根桩打入，3根桩取土植桩。 承台高度尺寸可取8001000。,有一预制的钢筋混凝土打入式桩基础，地基土的物理力学性质如表中，地质剖面及单桩垂直静载荷试验QS曲线。 轴力N4000KN 弯矩M400KNm 水平力T50KN 承台底面埋深D2.0m,地基土物理力学性质,桩身材料：混凝土为C30，,15N/mm2，,=16.5 N/mm2，,310N/mm2,10N/mm2，,=11 N/mm2，,承台材料：混凝土C20,钢
17、筋级，,N,M,T,2000,1500,13.5m,2.0m,灰色粘土,灰色粘土,200,400,600,800,4,8,12,16,Q/KN,S/mm,Q/KN,单桩竖向承载力的确定 ：按经验公式计算,桩尖处为灰黄色亚粘土层，液限指数为0.6，桩的入土深度为1.5m，查表可得,（9001100）kpa，用直线内插法得：,980kpa。,桩侧土的摩阻力：查表可得：灰色粘土，当0.75,1.0，,1724，取,17kpa,灰黄色粘土当0.5,0.75，,2431，取,29kpa。,按桩身材料强度确定单桩的承载力,，,取,根据静载荷QS曲线：,700KN，,7002350KN，R1.2,最后取单桩
18、承载力的设计值R为420kpa。,420kpa,200,400,600,800,4,8,12,16,Q/KN,S/mm,Q/KN,桩的根数及布置 按中心受压确定桩的数量：,因为承台顶面有弯矩M400KNm及T50KN，取,初步拟定桩的布置如图，按行列式排列 承台尺寸为2.6m3.6m 承台埋深D2m 承台及其上覆土的密度平均值,G2.63.6202=374.4KN,距取S(36)d(36)0.3m0.91.8m，取S1.0m。,9,5,6,7,8,1,2,3,4,10,11,12,1000,1000,500,300,300,X,Y,群桩中单桩承载力的计算： 单桩所受平均作用力：,群桩承载力 如
19、图（群桩承载力计算图）：考虑/4的侧向角度向外扩散，桩所穿越的土层的内摩擦角按20计算，验算下卧层地基土的强度。,实体基础的尺寸为：,N,M,T,2000,1500,13.5m,2.0m,1500,Qmax,Qmin,5,群桩承载力验算图,实体基础埋深范围内土的平均密度：,实体基础底面灰黄色粘土修正后承载力设计值为：,地下水位在承台底面处，取承台、桩、土的混合密度为,20KN/m3，地下水位以下取平均密度,10KN/m3，则实体基础的自重为：,当底面压力按中心受压计算时：,按偏心受压计算时：,地基强度满足,承台设计 承台尺寸如图所示。 单桩净反力计算：单桩平均净反力：,单桩最大的净反力：,承台
20、冲切验算（取保护层为100mm）: 桩对承台的冲切，单桩最大荷载在边缘，因此只需要对边桩进行冲切检验：单桩最大净反力：,600mm0.6m，承台混凝土C20，,满足冲切强度要求。,承台抗剪验算 按多桩承台计算图中的截面的抗剪强度边排桩单桩最大净反力：,有3根桩，剪力,B取平均宽度，,保护层取100mm 基底面积：,满足强度要求。,截面边排有4根桩，单桩平均净反力为：,，,承台长度取平均长度：,，,，,M1,M1,M2,桩身起吊验算,15000,3105,3105,8790,q,400,400,700,1500,825,975,825,25,18150,10150,45,N,M,T,45,100
21、,700,400,400,500,1,2,3,4,1000,500,300,300,地基土性质,地下水位深1.0米,室内地坪,室外地坪,墙体,深不见底淤泥,粉质粘土,粉质粘土,耕植土,8.8m,d=9.8m,450,500,400,100,d=900,bo=240,500,建筑物平面布置图,3600,5000,1800,3600,5000,深基础,深基础的两种类型 桩基础与墩基础,地下连续墙,地下连续墙的优点是刚度大,既挡土又挡水,施工时无振动,噪音低,可用于任何土质。 施工过程：利用专用的挖槽机械在泥浆护壁下开挖一定长度（一个单元槽段）挖至设计深度并清除沉渣插入接头管吊入钢筋笼导管浇注混凝土
22、待混凝土初凝后拔出接头管逐段施工。 地下连续墙在成槽之前先要沿设计轴线施工导墙，导墙的作用是挖槽导向、防止槽段上口塌方、存蓄泥浆和作为测量的基准。,墩基础,墩基础是在人工或机械成孔的大直径孔中浇筑混凝土（钢筋混凝土）而成，我国多用人工开挖，亦称大直径人工挖孔桩。 墩身施工：在护圈保护下开挖土方支模板浇筑混凝土护圈浇筑墩身混凝土,沉井基础,为了满足结构物的要求，适应地基的特点，在土木工程结构的实践中形成了各种类型的深基础，其中沉井基础，尤其是重型沉井、深水浮运钢筋混凝土沉井和钢沉井，在国内外已有广泛的应用和发展，如我国的南京长江大桥。,公路铁路两用双层钢架连续桥梁，跨度160米，铁路桥总长6,7
23、72米， 1968年建成，该桥的建成是中国修建深水基础桥梁工程的一项重大突破。,沉井按下沉方式分类,（1）就地制造下沉的沉井 这种沉井是在基础设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基础位置在水中，需先在水中筑岛，再在岛上筑井下沉。,水上筑岛下沉沉井,（ 2）浮运沉井,在深水地区，筑岛有困难或不经济，或有碍通航，或河流流速大，可在岸边制筑沉井拖运到设计位置下沉，这类沉井叫浮运沉井。 沉井按外观形状分类 沉井按外观形状分类，在平面上可分为单孔或多孔的圆形、矩形、圆端沉井及网格形沉井。圆形沉井受力好，适用于河水主流方向易变的河流。矩形沉井制作方便，但四角处的土不易挖除，河流水流也不顺。圆端形沉井兼有两者的优点也在一定程度上兼有两者的缺点，是土木工程中常用的基础类型。,沉井平面形式,沉井竖直剖面外形主要有竖直式、倾斜式及阶梯式等。采用哪种形式主要视沉井需要通过的土层性质和下沉深度而定。,沉井竖直剖面形式,沉井施工过程： 基坑开挖 铺砂垫层和承垫木 沉井制作 抽取承垫木 挖土下沉 封底回填 浇筑其它部分结构。,
