桩基础整体承载力的验算、桩基础的设计

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[]—桩尖处修正后的地基承载力允许值,kPa。
[σ]= [σ0]+K1γ1(b-2)+K2γ2(h-3) +10hw P19公式2-11
式中： [σ0] — 当地基土基本容许承载力，直接从规范查取，一般粘性 土和砂土[σ0]如P18表2-5和表2-6； b — 桩尖处假设基础最小边宽(或直径)(m)，当b<2m时，取 b=2m计,当b>l0m时，按l0m计算; h — 桩尖的理置深度(m)，对于受水流冲刷的基础，由一般 冲刷线算起;不受水流冲刷的基础，由天然地面算起; 10hw—对于水中桩，当持力层为不透水层时计算此项。
3.6 桩基础设计计算步骤
设计桩基础应根据上部结构的形式与使用要求，荷载的性质 与大小，地质和水文资料，以及材料供应和施工条件等，确定 适宜的桩基类型和各组成部分的尺寸，保证承台、基桩和地基 在强度、变形和稳定性方面，满足安全和使用上的要求，并应 同时考虑技术和经济上的可能性和合理性。 桩基础的设计方法与步骤一般先根据收集的必要设计资料， 拟定出设计方案(包括选择桩基类型、桩长、桩径、桩数、桩 的布置、承台位置与尺寸等)，然后进行基桩和承台以及桩基 础整体的强度、稳定、变形检验，经过计算、比较、修改直至 符合各项要求，最后确定较佳的设计方案。
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影响群桩基础承载力和沉降的因素很复杂，与土的性 质、桩长、桩距、桩数、群桩的平面排列和大小等因素 有关。 通过模型试验研究和野外测定表明，上述诸因素中， 桩距大小的影响是主要的，其次是桩数; 并发现当桩距较小，土质较坚硬时，在荷载作用下， 桩间土与桩群作为一个整体而下沉，桩底下士层受压缩， 破坏时呈“整体破坏”。这时桩、土形成整体，破坏形 态类似--个实体深基础;
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因此，当桥跨不大、桥高较矮时，或单桩承载力 较大，需用桩数不多时常采用单排排架式基础。 公路桥梁自采用了具有较大刚度的钻孔灌注桩后， 选用盖梁式承台双柱或多柱式单排墩台桩柱基础也较 广泛，对较高的桥台，拱桥桥台，制动墩和单向水平 推力墩基础则常需用多排桩。在桩基受有较大水平力 作用时，无论是单排桩还是多排桩，若能选用斜桩或 竖直桩配合斜桩的形式则将明显增加桩基抗水平力的 能力和稳定性。
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单排桩桩基与多排桩桩基的确定： 主要根据受力情况，并与桩长、桩数的确定密切相关。 多排桩稳定性好，抗弯刚度较大，能承受较大的水平 荷载，水平位移小，但多排桩的设置将会增大承台的尺 寸，增加施工困难，有时还影响航道; 单排桩与此相反，能较好地与柱式墩台结构形式配用， 可节省圬工，减小作用在桩基的竖向荷载。
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由以上假设，根据静力平衡条件(ΣM=0)，便可 列出下式： MH=1/2·σmax/1.27·d·h/2·2h/3 因此 (3-52)
为了保证桩在岩层中嵌固牢靠，对桩周岩层产生的最大侧向 压应力σ不应超过岩石的侧向容许抗力[σ]=1/K·β·Rc(K为 安全系数，K=2)，所以得圆形截面柱桩嵌入岩层的最小深度 计算公式如下：
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1. 桩底持力层承载力验算
摩擦桩群桩基础当 桩间中心距小于6倍 桩径时，如下图所 示:将桩基础视为相 当于cdef范围内的 实体基础，桩侧外 力认为以/4角向下 扩散，可按下式验 算桩底平面处土层 的承载力：
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max

N
G A
M W
k[ ]
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群桩桩底处地基，土受到的压力比单桩大；且由于群桩基 础的基础尺寸大，荷载传递的影响范围也比单桩深(如下图 所示)，因此桩底下地基土层产生的压缩变形和群桩基础的 沉降比单桩大。
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在桩的承载力方面：群桩基础的承载力也决不是等于各单 桩承载力总和的简单关系。工程实践也说明，群桩基础的 承载为常小于各单桩承载力之和，但有时也可能会大于或 等于各单桩承载力之和。群桩基础除了上述桩底应力的叠 加和扩散影响外，桩群对桩侧土的摩阻力也必然会有影响。 摩擦桩群的工作性状与单桩相比有显著区别。群桩不同于 单桩的工作性状所产生的效应，可称群桩效应，它主要表 现在对桩基承载力和沉降的影响。
式中： max—桩底平面处的最大压应力,kPa; N—作用于承台底桩群形心点的竖向力,kN； G—所有桩及cdef范围内土的总重,kN； A—桩尖处假定的基础面积,m2； M—作用于承台底桩群形心点的力矩,kN·m； W—桩尖处假定的基础底面积的截面地抗拒,W=ab2/6； K—容许承载力提高系数P20表2-8； []—桩尖处修正后的地基承载力允许值,kPa。
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桩基础设计原则
1.设计前进行必要的基本情况调查； 2.认真选定适用、简便可行而又可靠的设计方法，认 真测定和选用有代表性的而且可靠的原始参数； 3.确定桩的设计承载力时应考虑不同结构物的容许沉 降量； 4.设计桩基础时应遵循和执行有关技术规范的规定。
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S 2.0 L
S 1.0 L
式中： S— 墩台基础的均匀总沉降 值(不包括施工中的沉降)(cm) ΔS — 相邻墩台基础均匀总 沉降差值(不包括施工的沉 降)(cm ); L 相邻墩台间最小跨径长度， 以m计；跨径小于25m时仍 以25m计算。
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3.5.1.2 群桩基础承载力验算
正如上述，当桩距较大，单桩荷载传到桩底处的压力 叠加影响较小时，可不考虑群桩效应。《公桥基规》 规定:当桩距≥6倍桩径时，不须验算群桩基础承载力， 只要验算单桩容许承载力即可；当桩距<6倍桩径时， 需验算桩底持力层土的容许承载力，持力层下有软弱 土层时，还应验算软弱下卧层的承载力。
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A—桩尖处假定的基础面积,m2；


A

ab

(a0

2l
tan
4 ) (b0

2l
tan
) 4
a、b—桩尖处假定的基础尺 寸,m； a0b0—承台底面处尺寸,m； l—桩埋入土中部分的长度,m； —桩穿过土层内摩擦角加权 平均值, °。
ili l
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如下图所示，可以认为柱桩群桩基础的承载力等于各单 桩承载力之和，其沉降量等于单桩承载量，即不考虑群 桩效应。因此，群桩效应是针对摩擦桩群桩基础而言。
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2. 摩擦桩群桩基础
由摩擦桩组成的群桩基础，在竖向荷载作用下，桩顶 上的作用荷载主要通过桩侧土的摩阻力传递到桩周土 体。由于桩侧摩阻力 的扩散作用，使桩底 处的压力分布范围要 比桩身截面积大得多 (如左图所示)，以使 群桩中各桩传布到桩 底处的应力可能叠加。
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当采用柱桩时，除桩底支承在基岩上(即柱承桩)外， 如覆盖层较薄，或水平荷载较大时，还需将桩底端嵌入 基岩中一定深度成为嵌岩桩，以增加桩基的稳定性和承 载能力。为保证嵌岩桩在横向荷载作用下的稳定性，需 嵌入基岩的深度与桩嵌固处的内力及桩周岩石强度有关， 应分别考虑弯矩和轴向力要求，由要求较大的来控制设 计深度。考虑弯矩时，可用下述近似方法确定。
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3.5 桩基础整体承载力的验算
3.5.1 群桩基础的竖向分析及验算
3.5.1.1 群桩基础的工作性状及其特点
1. 柱桩群桩基础
柱桩群桩基础通过承台分配到各基桩桩顶的荷载，绝大部分或全部由 桩身直接传递到桩底，由桩底岩层(或坚硬土层)支承。由于桩底持力 层刚硬，桩的贯入变形小，低桩承台的承台底面地基反力与桩侧摩阻 力和桩底反力相比所占比例很小，可忽略不计。因此承台分担荷载的 作用和桩侧摩阻力的扩散作用一般均不予考虑。桩底压力分布面积较 小，各桩的压力叠加作用也小(R可能发生在持力层深部)，群桩基础 中的各基桩的工作状态近同于单桩。
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3.6.1.2 柱状桩基和摩擦桩桩基的选定
柱桩与摩擦桩的选择主要根据地质和受力情况确定。 柱桩桩基础承载力大，沉降量小，较为安全可靠， 因此当基岩埋深较浅时应考虑采用柱桩桩基。 若适宜的岩层埋置较深或受到施工条件的限制不宜 采用柱桩时，则可采用摩擦桩。 但在同一桩基础中不宜同时采用柱桩和摩擦桩，同 时也不宜采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩， 以避免桩基产生不均匀沉降或丧失稳定性。
基础工程基础工程土木建筑工程学院土木建筑工程学院持力层以下有软弱下卧层持力层以下有软弱下卧层指容许承载指容许承载力小于持力层容许承载力的土层力小于持力层容许承载力的土层这时还应验算软弱下卧层的承载力验时还应验算软弱下卧层的承载力验算时先计算软弱下卧层顶面算时先计算软弱下卧层顶面aa在基底在基底形心轴下形心轴下的总应力的总应力包括自重应力及包括自重应力及附加应力附加应力不得大于该处地基土的容许不得大于该处地基土的容许承载力承载力图图228软弱下卧层承载力验算软弱下卧层承载力验算参见参见p20p20公式公式221212基础工程基础工程土木建筑工程学院土木建筑工程学院35133513群桩基础沉降验算群桩基础沉降验算超静定结构桥梁或建于软土湿陷性黄土地基或沉降超静定结构桥梁或建于软土湿陷性黄土地基或沉降较大的其它土层的静定结构桥梁墩台的群桩基础应计算较大的其它土层的静定结构桥梁墩台的群桩基础应计算沉降量并进行验算
3.6.1 桩基础类型的选择
3.6.1.1 桩基础类型、承台位置尺寸的选定
承台底面的标高应根据桩的受力情况，桩的刚度和地形、地 质、水流、施工等条件确定。 承台低稳定性较好，但在水中施工难度较大，因此可用于季 节性河流，冲刷小的河流或岸滩上墩台及旱地上其他结构物基 础。 当承台埋于冻胀土层中时，为了避免由于土的冻胀引起桩基 础的损坏，承台底面应位于冻结线以下不少于0.25m。 对于常年有流水、冲刷较深，或水位较高，施工排水困难， 在受力条件允许时，应尽可能采用高桩承台。
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至于设计时将桩基按施工方式或按材料从打入桩、 震动沉入桩、沉管灌注桩、钻(挖)孔灌注桩、管柱 基础、钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢管桩等 桩型的选择应根据地质情况、上部结构要求和施工 技术设备条件等确定。所选定的桩型的施工工艺应 适用于该地质条件，确保桩的质量，并具有技术合 理性和经济优越性。
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2. 软弱下卧层承载力验算
持力层以下有软弱下卧层(指容许承载 力小于持力层容许承载力的土层)，这 时还应验算软弱下卧层的承载力，验 算时先计算软弱下卧层顶面A(在基底 形心轴下)的总应力(包括自重应力及 附加应力)不得大于该处地基土的容许 承载力(图2-8)。即：
σh+z=γ1(h+z)+c(σ-γ2h)≤k[σ]h+z
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承台如在水中、在有流冰的河道，承台底面应位于最 低冰层底面以下不少于0.25m;在有其他漂流物或通航 的河道，承台底面也应适当放低，以保证基桩不会直接 受到撞击，否则应设置防撞装置。 采用木桩时，由于木材在湿度经常变化的环境容易腐 朽，承台内木桩顶应位于最低水位以下至少0.3m。当 作用在桩基础上的水平力和弯矩较大，或桩侧土质较差， 为减少桩身所受的内力可适当降低承台底面，为节省墩 合身圬工数量，则可适当提高承台底面。
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h— 桩嵌入岩层的最小深度(m) d —嵌岩桩嵌岩部分的设计直径(m) MH —在岩层顶面处的桩身弯矩(kN·m); β — 岩石垂直极限抗压强度换算为水平极限抗压强度的折减系 数β=0.5~1.0，岩层侧面节理发达取小值，不发达的取大值; Rc — 天然湿度的岩石单轴极限抗压强度(kPa)。 由于式(3-52)中作了如上一些简化假设，且Rc值规定取法 也偏安全，因此使用此式时，可结合具体情况考虑。为保证 嵌固牢靠，在任何情况下均不计风化层，嵌入岩层最小深度 不应小于0.5m。
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而当桩距足够大、土质较软时，桩与土之间产生剪 切变形，桩呈"刺入破坏"。 在一般情况下群桩基础兼有这两种性状。 现通常认为当桩间中心距离至6倍桩径时，可不考 虑群桩效应。 对于低桩承合群桩基础，承台底面土有可能会参与 工作共同作用，承台底面土的反力将会分担部分外荷 载，但此间题比较复杂，目前还处在研究之中，尚未 有公认的结论。
参见P20公式2-12
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3.5.1.3 群桩基础沉降验算
超静定结构桥梁或建于软土、湿陷性黄土地基或沉降 较大的其它土层的静定结构桥梁墩台的群桩基础应计算 沉降量并进行验算。 当柱桩或桩的中心距大于6倍桩径的摩擦桩群桩基础， 可以认为其沉降量等于在同样土层中静载试验的单桩沉 降量。 当桩的中心距小于6倍桩径的摩擦桩群桩基础，则作 为实体基础考虑，如下图所示，可采用分层总和法计算 沉降量。《公桥基规》规定墩台基础的沉降应满足下式 要求：
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作如左图所示的假设，即忽 略嵌固处水平剪力影响，桩在 岩层表面处弯矩MH作用下， 绕嵌入深度h的1/2处转动； 偏安全地不计桩底与岩石的摩 阻力；不考虑桩底抵抗弯矩， MH由桩侧岩层产生的水平抗 力平衡。并考虑到桩侧为圆性 状曲面，其四周受力不均匀， 假定最大应力为平均应力的 1.27倍。