桩基础的设计.docx

1、桩基础的设计一、 桩基础的设计、施工与检测一、 桩基础的设计1 桩基分类1） 按材料有木桩、钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢桩2） 按受力特点有摩擦桩、柱桩3） 按施工方法有打入桩、钻孔桩、挖孔桩2 桩基内力计算1） 计算方法（1） 极限地基反力法即极限平衡法，假定桩侧土体处于极限平衡状态，按土的极限静力平衡来推求桩的横向承载力，不考虑桩本身的挠曲变形，该法仅适用于刚性短桩。（2） 弹性地基反力法弹性地基反力指对应于桩的位移x所产生的反力。将土体假定为弹性体，用梁的弯曲理论求解桩的横向抗力。有线弹性地基反力法和非线性弹性地基反力法。q=kznxm线弹性地基反力假定地基为服从虎克定律的弹性体，地

2、基反力q与桩上任一点的位移成正比，但未考虑地基土的连续性，对于某些如剪切刚度较大的岩石地基不成立。张氏法：假定地基系数沿深度为一常数，即n=0（我国张有龄30年代提出）。按此得出地面处土的侧向抗力最大（因地面处位移最大），与试验证明的非粘性土和正常固结粘性土的地面处侧向抗力较小相矛盾。只在坚硬岩石中地基系数才可能沿深度不变。q=khxK法：假定桩侧土地基系数在第一弹性零点t至地面间随深度增加，而t以后为常数。该法由苏联人提出，所计算得的桩身最大弯矩大于实测值，偏于安全，现在已取消。m法：假定桩侧土地基系数随深度呈线性增加，即n=1。该法我国目前应用较多，几乎所有桩基规范均用此法，但该法假定的地

3、基系数随深度无限增长，与实际情况不符。q=mzxC法：假定桩侧土地基系数沿深度呈抛物线增加，即n=0.5。该法由日本人提出，公路桥规在推荐m法的同时也推荐了该法。q=cz1/2xm法、C法适用于一般粘性土和砂性土，张氏法比较适用于超固结粘性土、地表有硬层的粘性土和地表为密实的砂土等情况。非线性弹性地基反力法适用于栈桥及柔性系缆浮标等有较大位移的结构计算。（3） 复合地基反力法即py曲线法，假定桩侧土上部为塑性区，采用极限地基反力法；下部为弹性区，采用弹性地基反力法。适用于承受反复荷载、在地基中产生较大应变时的桩基（如海洋结构物桩基）。（4） 弹性理论法假定桩埋置于各向同性半无限弹性体中并假定土

4、的弹性系数为常数或随深度按某种规律变化。其最大缺点是不能计算出在地面以下位移、转角及弯矩、土压力等。2） 内力计算桩基内力计算有刚性基础和弹性基础之分，其中刚性基础采用极限地基反力法计算，弹性基础一般采用弹性地基反力的m法计算。h2.5 刚性基础 h2.5 弹性基础（1） 单桩计算宽度b0b0=kk0b式中：k基础形状的换算系数。 k0考虑基础实际的空间工作条件不同于假设的平面工作条件的系数，对于垂直于力的作用方向有多根桩时，nb0B1（B为该排桩的外边距）（2） 地基比例系数mm为桩侧土水平地基系数C的比例系数，用来表征桩侧土对桩身产生弹性抗力大小的一个系数。m与土的类别和物理性质（特别是压

5、缩性）有关，对于同一类土，桩身侧向位移越大，m则越小；桩身侧向位移越小，m则越大。非岩石类土的比例系数m和m0值土的分类m或m0值（KN/m4）地面处水平位移6mm10mm地面处水平位移6mm流塑性粘土Il1、淤泥1000200030005000软塑性粘土1Il0.5、粉砂20004000500010000硬塑性粘土0.5Il0、细砂、中砂400060001000020000坚硬、半坚硬粘性土Il0、粗砂6000100002000030000砾砂、角砾、圆砾、碎石、卵石10000200003000080000密实粗砂夹卵石、密实漂卵石80000120000C=my，是指y深度处基础底面土的地基

6、系数。注：a)当基础地面或局部冲刷线以下hm=2（d1）米深度内为不同土层时，则m应取该深度内各土层的换算值。b)当基础侧面设有斜坡或台阶，且其坡度或台阶总宽与深度之比超过1：20时，表中m值应减小50%。（3） 桩身计算长度lp由于桩基与一般的杆件不同，桩身埋于土中，受到桩侧土的侧向约束作用，且每一根桩所承受的力也不相等，承台对桩顶也有约束作用，当桩基础中的一根或某几根桩发生纵向弯曲或屈曲时，承台会调整各桩桩顶的荷载作用；另外，桩身轴向力沿深度变化，桩侧摩阻力随土的类别和物理性质而变。因此，确定桩身纵向弯曲计算长度比较复杂，设计中可根据桩身特点、桩侧土类别和物理性质及单桩和多桩按下表公式计算

7、。桩身纵向弯曲计算长度lp桩基情况桩底支于非岩石土中桩底嵌于岩石内桩侧土对桩基的约束情况H4.0/H4.0/H4.0/H4.0/单桩或位于垂直外力作用面内的单排桩lp=1.0(L0+h)lp=0.7(L0+4.0/)lp=0.7(L0+h)lp=0.7(L0+4.0/)位于与外力作用面相平行面内的多排桩lp=0.7(L0+h)lp=0.5(L0+4.0/)lp=0.5(L0+h)lp=0.5(L0+4.0/)3） 刚性桩基础计算（1） 置于非岩石地基上基础 地面或局部冲刷线以下任一点深度y处侧向应力、弯矩为： （2） 嵌入岩层内的基础 地面或局部冲刷线以下任一点深度y处侧向应力、弯矩为： 基础

8、嵌入处的横向力为： 以上式中各符号意义如下： N作用于基础底面的竖向力； A0基底面积； a基础底面顺外力作用方向的基础长度； W基底截面抵抗矩。（3） 基础侧面土的容许应力 式中：土的内摩擦角； 土的容重（为透水层时取浮容重）； C土的凝聚力； 1系数，对超静定拱桥墩台取1=0.7，其他结构取1=1.0； 2总荷载中恒载所占的比例系数， Mn、M分别为恒载、总荷载对基础底面中心的弯矩。（4） 墩台顶水平位移 置于非岩石地基上基础：（包括置于风化层内和风化层面上） 嵌入岩石内基础：式中：l地面或局部冲刷线至墩台顶高度； 0在地面或局部冲刷线至墩台顶高度范围内由其本身产生的位移； k1、k2考虑

9、基础实际刚度的系数，按下表采用；换算深度h=h系数/h12351.6k11.01.01.01.01.0k21.01.11.11.11.11.8k11.01.11.11.11.1k21.11.21.21.21.32.0k11.11.11.11.11.2k21.21.31.41.41.42.2k11.11.21.21.21.2k21.21.51.61.61.72.4k11.11.21.31.31.3k21.31.81.91.92.02.5k11.21.31.41.41.4k21.41.92.12.22.3 注： 表中=M / H。 当仅有偏心竖向力作用时，/h=。4） 弹性桩基础计算 计算中需采用

10、的一些参数：（1） 桩的外径、内径、方桩边长、桩身混凝土的弹性模量、填芯部分的弹性模量；（2） 桩的自由长度、桩的入土深度、地层m值、桩尖处m值、桩尖处C值；（3） 单桩计算宽度、桩尖作用半径、系数、承台入土深度；（4） 承台底面处（应为群桩中心）竖向力、弯矩、水平力、墩顶至承台底高度；（5） 桩的类型数（承台底的坐标、倾斜度相同者为同一类型）；（6） 每一类型桩的X坐标、倾斜比、桩数。对于第（3）条中的系数，打入桩=2/3，钻（挖）孔摩擦桩=0.5，柱桩=1。3 桩基检算1） 检算内容桩基检算的主要内容有：单桩容许承载力、桩身强度、桩身裂缝宽度、群桩基础检算。2） 单桩容许承载力检算单桩容许

11、承载力根据桩的受力特点按摩擦桩、柱桩分别采用不同的公式计算。（1） 钻（挖）孔摩擦桩Nmax1/2G式中：U桩周长（m），采用成孔直径计算； li局部冲刷线以下各土层的深度（m）； i局部冲刷线以下各土层的极限摩阻力（KPa）； A桩底面积（m2），采用设计桩径计算； R桩底处土的极限承载力（KPa），R=2m00k22（h3）； 0桩尖处土的容许承载力（KPa）； h桩的入土深度（m），从天然地面（或实际开挖后地面、或一般冲 刷线计算起，当h大于40m时，取h=40m； k2深度修正系数； 2桩尖以上土的容重（KN/m3）； 桩入土深度修正系数； m0清底系数。铁路规范中将、m0合并为一个修

12、正系数。（为什么采用t/d的形式来表达清底系数？主要因为桩径越大，桩底反力越能传向深处，则相同厚度的沉渣在不同桩径时所起的影响有所不同；同时桩径越大，灌注混凝土时孔底的沉渣就易被冲动而翻浮起来，不致大量沉积在桩底。） （2） 打入（震动）摩擦桩 桩底不开口时：Nmax1/2G 式中：i、分别为震动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端阻力的影响 数，查表采用，对于打入桩二者均取1.0。 桩底开口时：Nmax1/2G 式中：p桩端闭塞效应系数，对于闭口桩p=1，对于开口桩按下式计算；当hb/ds5时，当hb/ds5时，hb桩底进入持力层深度（m）；ds桩内径（m）；s侧阻挤土效应系数，对于闭口桩s=1，对

13、于开口桩按下表确定。桩内径（mm）6007008009001000s1.000.930.870.820.77（3） 柱桩P=（C1AC2Uh）RaNmaxG式中：Ra天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（KPa），试件直径为710cm，试件高度与直径相等；h桩嵌入基岩深度（m），h应大于0.5m；U桩嵌入基岩部分的周长（m），按设计桩径计；A桩底截面面积（m2），按设计桩径计。C1、C2根据清孔情况、岩石破碎程度等确定的系数。（4） 抗拔桩Nmax注意：在主力作用下，桩不宜出现上拔力。3） 桩身强度检算根据运营、施工状态下计算出的桩身内力，按规范中有关构件的计算方法进行强度检算，计算中最好仍采用容许

14、应力法，以便前后统一。对于预制打入桩，还应检算吊装时的桩身强度及在锤击力作用下的桩身强度。4） 桩身裂缝宽度计算当桩身钢筋应力超过一定数值时，应检算桩身裂缝宽度，可参考铁路桥规中的有关公式进行计算。5） 桩基沉降计算单桩在竖向荷载作用下，其沉降量由以下三部分组成： 桩本身的弹性压缩量 由于桩侧摩阻力向下传递，引起桩端土体压缩产生的桩端沉降 由于桩端荷载引起土体压缩产生的桩端沉降单桩沉降计算方法： 弹性理论分析法 荷载传递分析法 剪切变形传递法 分层总和法 有限元分析法 简化法上述方法中以分层总和法、简化法的计算简便，应用较多，现有的规范基本以此两种来计算桩基沉降量。（1） 简化法S=CK式中：

15、C由桩身压缩变形产生的沉降量；K由桩端土压缩变形产生的沉降量。柱桩沉降量：摩擦桩沉降量：式中：C0桩底地基土的竖向地基系数；A0桩尖土的作用面积，单桩作用范围可假定桩顶反力借助土的摩阻力自地面以角扩散至桩底处，但扩散半径不应大于桩中心距的一半。桩侧土的内摩擦角，当桩侧土为多层土时，应取其加权平均值。（2） 分层总和法该法主要是针对大直径的短粗桩，桩的沉降主要由桩端反力所引起，可参照扩大基础采用分层总和法来计算。桩底附加应力为桩底土压缩层的计算深度按有关规范确定。6） 群桩基础检算当桩间距小于6倍桩径时，摩擦桩群桩基础除按以上内容检算各单桩的承载力、强度和沉降外，还应作为一个整体基础来检算其基底

16、应力和沉降量。（1） 基底应力式中：N作用于基底中心处的垂直力，包括土体和桩的重量；M承台底面或局部冲刷线以上外力对桩群中心处的弯矩；注：当桩基础底面以下土层含有软弱地层时，应验算软弱层处的地基应力。（2） 沉降量群桩基础的沉降量主要由桩间土的压缩变形Ss和桩端以下地基土的整体压缩变形Sg组成。目前通常采用的计算方法是将群桩基础视为假想的实体基础按分层总和法计算。式中：Zi第i层土顶面与底面附加应力的平均值（MPa）；hi第i层土的厚度（cm），土的分层厚度宜不大于基础宽度（短边或直径）的0.4倍；Esi第i层土的压缩模量（MPa）；e1i、e2i分别为第i层土受到平均自重应力（qzi）和平均

17、最终应力（qziZi）压缩稳定时的土的孔隙比；ms沉降计算经验系数，可参考下表选用。压缩模量Es（MPa）1.04.04.07.07.015.015.020.0大于20.0ms1.81.11.10.80.80.40.40.20.2注：Es为地基压缩层范围内土的压缩模量，当压缩土层由多层土组成时，可按厚度的加权平均值采用。压缩层计算深度可以下原则确定：1 取至地基附加应力与地基自重应力比（）等于20%处，当地基为淤泥或淤泥质土时，取至10%处；2 按下式计算：式中：Sn在深度z处，向上取计算层为1m的压缩量（cm）；Si在深度z范围内，第i层土的计算压缩量（cm）。（3） 桩基础施工期间沉将量

18、对于高压缩性饱和粘性土，为最终总沉降量的520%； 对于中压缩性饱和粘性土，为最终总沉降量的2040%； 对于低压缩性饱和粘性土，为最终总沉降量的5080%； 对于砂类土，为最终总沉降量的95%以上。4 桩基构造要求1） 桩基布置在同一桩基中，除特殊设计外，不宜同时采用摩擦桩和柱桩；不宜采用直径不同、材料不同和桩尖深度相差过大的桩。2） 桩径（1） 设计直径 钻孔桩：不宜小于80cm 挖孔桩：直径或边长不宜小于120cm 钢筋混凝土管桩：4050cm，壁厚不宜小于8cm 管柱：柱径不宜小于150cm，壁厚宜为814cm（2） 成孔直径桩基成孔直径随成孔所用钻头的类型不同而不同。 旋转钻：直径增

19、大35cm 冲击钻：直径增大510cm 冲抓钻：直径增大1020cm3） 桩身混凝土标号 钻（挖）孔桩：不低于水下混凝土C20 沉桩：不低于C25（包括打入桩和震动下沉桩） 管柱：不低于C25，填心混凝土不低于C154） 桩基埋深 摩擦桩：入土深度不小于4m（从地面或局部冲刷线算起） 柱桩：圆形桩，矩形桩，且h应不小于0.5m。其中，MH为基岩顶面处的弯矩；为系数，=0.51.0，根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值，节理不发育的取大值。5） 桩基间距（1） 摩擦桩 打入桩：桩尖处不小于3倍桩径（或边长），承台底面处不小于1.5倍 震动桩：桩尖处不小于4倍桩径（或边长），承台底面处不小于1.

20、5倍 钻（挖）孔桩：不小于2.5倍成孔桩径 管柱：不小于外径的2.53.0倍（2） 柱桩 打入（或震动）桩：不宜小于2.5倍桩径（或边长） 钻（挖）孔桩：不小于2.0倍成孔桩径 管柱：不小于外径的2.0倍，不考虑覆盖层抗力时可酌情减少6） 桩身与承台的边距 对于桩径（或边长）1m的桩，不小于0.5倍桩径（或边长）且不小于25cm； 对于桩径1m的桩，不小于0.3倍桩径（或边长）且不小于50cm； 桩身与盖梁直接相连时，可不受上述限制。7） 桩身配筋 （1） 钻（挖）孔桩主筋：直径不宜小于14mm，根数不宜小于8根，净距大于8cm，保护层净距大于5cm。箍筋：直径大于8mm，间距2040cm。加

21、强箍：直径1418mm，间距200250cm。（2） 管柱主筋：直径不宜大于20mm，配筋率1.8%，壁厚较大时可采用双层配置；入土深度大于25m时，应采用预应力。箍筋：直径大于8mm，间距保证管壁不出现纵向裂缝。8） 桩与承台的连接（1） 钢筋连接式桩身嵌入承台内1020cm（主要是加强桩和承台连接处抵抗水平力的能力），桩顶主筋按15做成喇叭形，主筋锚固长度为级钢筋30d（设弯钩）、级钢筋40d（不设弯钩），且不小于100cm。箍筋间距1020cm。（2） 埋入式主要适用于预制桩，其埋入长度如下： 桩径（或边长）小于0.6m时，埋入长度大于2D（或b）； 桩径（或边长）为0.61.2m时，埋

22、入长度大于1.2m； 桩径（或边长）大于1.2m时，埋入长度大于D（或b）5 桩基础设计中应注意的问题1） 关于承台底面土与桩基的共同受力对于承台底面土能否与桩基共同受力，目前国内外设计规范中均未考虑，主要是不能确保承台底面与土不发生脱离。承台底面与土是否发生脱离，与土的类别、地下水位和地面水的变化、桩基础的施工方法、桩基础所承受的荷载性质（静、动）及桩基的受力状态（拉或压）等因素有关。另外，桩基的压缩刚度与土的压缩刚度相差很大，二者共同受力非常难保证。2） 柱桩是否考虑桩侧土的摩阻力作用对于打入或震动下沉支承于岩层上的柱桩，在下沉时，桩侧土对桩产生向上的正摩阻力，当桩底达到坚硬的或压缩性很低

23、的土层时，锤击力或震动力将使桩身产生向上的回弹力，从而使桩侧土对桩产生向下的负摩阻力。此负摩阻力可能与下沉时桩侧土产生的正摩阻力互相抵消，或部分抵消，还剩余一部分负摩阻力，当桩基荷载施加后，由此产生的正摩阻力与原先已存在的负摩阻力全部（或一部分）抵消，或剩下部分正摩阻力，但数量很难确定，故从安全考虑，桩基承载力不计桩侧正摩阻力。对于钻（挖）孔柱桩，虽说桩基荷载施加后，因桩身变形会产生桩侧摩阻力，但考虑到柱桩通常不长，桩身轴向压缩不大，也即正摩阻力不大，更不好确定，故桩基承载力不计桩侧正摩阻力。如果采用的柱桩较长，可根据桩侧土的类别适当考虑一部分正摩阻力。实际设计中，一般将桩侧摩阻力作为安全储备

24、。3） 地震作用下桩基设计中计算地面线的确定由于桩基础的地震荷载与桩基础的侧向刚度有关，以一般冲刷线计算时，桩基础的侧向刚度比以局部冲刷线计算的要大，其地震荷载也大，故从结构和基础强度方面考虑，应以一般冲刷线作为地震荷载作用时的计算地面线。但如果从结构和桩基础的侧向位移考虑，则还应以局部冲刷线作为计算地面线。4） 地震作用下土的力学指标折减桩基础在地震荷载作用下，地面以下约20m深度范围内的桩侧土可能发生液化，其各种力学指标如地基比例系数、桩侧摩阻力、内摩擦角和凝聚力等均会发生变化，在进行桩基计算时可将各力学指标考虑如下折减系数。FlZ（m）Fl0.6Z10010Z200.330.6Fl0.8

25、Z100.3310Z200.660.8Fl1.0Z100.6610Z201.0注： Z为标准贯入或静力触探试验点的深度； Fl为液化土的抗液化指数，当采用标准贯入试验时，Fl=N/Ncr（N为现场实测标准贯入数，Ncr为液化临界标准贯入数）；当采用静力触探试验时，Fl=Psca/Ps（Psca为现场实测静力触探计算贯入阻力，Ps为液化临界静力触探贯入阻力）。5） 承受侧面土压力桩基础的计算对于承受侧面土压力的桩基础，较常见的结构有桥台桩基及海港工程中护岸，如右图所示。计算时可按以下步骤进行：（1） 联列解下列方程，求出直接承受侧向土压力桩在地面及承台底面处产生的弯矩和水平力；（2） 把所有承受

26、侧向土压力桩在承台底面处产生的弯矩和水平力组合至承台底的群桩中心处，按一般方法求解各桩桩顶内力；（3） 按单独构件则可求出承受侧向土压力桩各截面处的桩身内力。6） 承受负摩阻力的桩基计算（1）负摩阻力产生的条件 所谓负摩阻力，即当桩周地基土由于某种原因，产生的沉降变形大于桩身的沉降变形时，在桩侧表面的全部或一部分面积上出现的向下作用的摩阻力。 造成桩周出现负摩阻力的原因是多方面的，主要有以下几种情况。1 桩穿过新沉积的欠固结软粘土或新填土（河口或海岸新的沉积土层、人工水力冲填土层）而支承在硬持力层上时，土层产生固结下沉。2 饱和软土中打入密集的桩群，引起超孔隙水压力，土体大量上涌，随后土体因超

27、孔隙水压力消散而重新固结时。3 在正常固结粘土和粉土地基中，由于下卧砂层或砾石层中抽取地下水或其他原因，地下水位降低，使土层产生自重固结下沉。4 桩侧地面因大面积堆载或大面积填土而大量下沉时。5 在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。6 由于地层应力松弛，如挡土工程中板桩挠曲变形、隧道施工等引起地基沉降时，桩周非粘性土在动力作用下被夯、振密实时。 判断桩基是否作用有负摩阻力的主要标准：是看桩周土的位移是否大于桩的位移。（2）负摩阻力的特性 中性点 、中性点的特性 桩身负摩阻力并不一定发生于整个软弱压缩土层中，其深度是桩侧土层对桩产生相对下沉的范围，与桩侧土的压缩、固结、桩身弹性

28、压缩变形及桩端下沉等有关。 桩侧土的压缩与地表作用荷载及土压缩性质有关，随深度逐渐减少；而桩在外荷载作用下，桩端下沉量为一定值，桩身压缩变形随深度相应减少，故当到一定深度后，桩侧土的下沉量与桩身的位移量相等，桩土无相对位移，亦即摩阻力为零，此断面称为中性点。 中性点以上桩的位移小于桩侧土的位移，轴向力随深度递增；中性点以下桩的位移大于桩侧土的位移，轴向力随深度递减。 、中性点的位置 中性点位置一般可根据桩的沉降与桩侧土沉降相等来确定，设计中可按以下经验公式计算。h1=h2 式中：h1产生负摩阻力的深度； h2可压缩的软弱土层厚度； 中性点的相对深度系数，根据桩的持力层特点和桩的施工方 法，可按下表选用。桩类桩端持力层较密实砂层N20一般砂或砾砂层岩土或硬土层打入桩0.80.91.0灌注桩0.80.80.9 影响中性点深度的因素主要有： 桩底持力层的刚度，持力层越硬，中性点h1越深，柱桩的h1大于摩擦桩。 桩周土层的变形性质和应力历史。压缩性越高，欠固结度越大，土层越厚，则中性点深度h1越大。 如负摩阻力系由沉桩后外部条件引起的或在桩顶荷载作用下沉降已完成的情况下，h1较大；当堆载强度和面积、地下水降低幅度和面积越大，则h