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=kz n x m线弹性地基反力假定地基为服从虎克定律的弹性体，地基反力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=k h xK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p—y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。

αh≤2.5 刚性基础αh＞2.5 弹性基础（1）单桩计算宽度b0b0=kψk0b式中：k ψ—基础形状的换算系数。

k 0—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，bk 110+= 对于垂直于力的作用方向有多根桩时，nb 0≤B ＋1（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m 0值C=my ，是指y 深度处基础底面土的地基系数。

注：a)当基础地面或局部冲刷线以下h m =2（d ＋1）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l p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。

桩身纵向弯曲计算长度l p3）刚性桩基础计算（1） 置于非岩石地基上基础 aWC mh b Hh M 04018)2312++=（ω)23(26)34(200300Hh M mh b aWHC Hh M mh b y +++= ωσ200maxminaC A N ±= 地面或局部冲刷线以下任一点深度y 处侧向应力、弯矩为：ωσ)(0y y my x -=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=)2(12020y y my b H y M M y ω（2） 嵌入岩层内的基础 aW C mh b Hh M 0406)12++=（ωωσ200max mina C A N ±= 地面或局部冲刷线以下任一点深度y 处侧向应力、弯矩为： ωσ)(y h my x -=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=)2(1220y h my b H y M M y ω基础嵌入处的横向力为：H mh b P -=630ω 以上式中各符号意义如下： N —作用于基础底面的竖向力； A 0—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 )tan (cos 421C y x +⋅⋅≤φγφηησ 式中：φ—土的内摩擦角；γ—土的容重（为透水层时取浮容重）； C —土的凝聚力；η1—系数，对超静定拱桥墩台取η1=0.7，其他结构取η1=1.0；η2—总荷载中恒载所占的比例系数，MM n8.012-=η M n 、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：0201δωωδ++=l k y k （包括置于风化层内和风化层面上）嵌入岩石内基础：021δωωδ++=l k h k 式中：l —地面或局部冲刷线至墩台顶高度；δ0—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—考虑基础实际刚度的系数，按下表采用；注：① 表中λ=M / H 。

② 当仅有偏心竖向力作用时，λ/h=∞。

4）弹性桩基础计算计算中需采用的一些参数：（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ξ、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ξ系数，打入桩ξ=2/3，钻（挖）孔摩擦桩ξ=0.5，柱桩ξ=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[])(21R i i A l U P στ+=∑≥Nmax ＋1/2G式中：U —桩周长（m ），采用成孔直径计算； l i —局部冲刷线以下各土层的深度（m ）；τi —局部冲刷线以下各土层的极限摩阻力（KPa ）； A —桩底面积（m 2），采用设计桩径计算；σR —桩底处土的极限承载力（KPa ），σR =2m 0λ{[σ0]＋k 2γ2（h －3）}； [σ0]—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；γ2—桩尖以上土的容重（KN/m 3）； λ—桩入土深度修正系数；m 0—清底系数。

《铁路规范》中将λ、m 0合并为一个修正系数。

（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：[])(21R i i i A l U P σατα+=∑≥Nmax ＋1/2G式中：αi 、α—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：[])(21R p i i i s A l U P σλτλ+=∑≥Nmax ＋1/2G式中：λp —桩端闭塞效应系数，对于闭口桩λp=1，对于开口桩按下式计算；当h b /d s ＜5时，s sbp d h λλ16.0= 当h b /d s ≥5时，s p λλ8.0= h b —桩底进入持力层深度（m ）； d s —桩内径（m ）；λs —侧阻挤土效应系数，对于闭口桩λs=1，对于开口桩按下表确定。

（3） 柱桩[P]=（C 1A ＋C 2Uh ）Ra ≥Nmax ＋G式中：Ra —天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（KPa ），试件直径为7～10cm ，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（m 2），按设计桩径计。

C 1、C 2—根据清孔情况、岩石破碎程度等确定的系数。

（4） 抗拔桩[]G l U P i i l +=∑τ3.0≥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=△C ＋△K式中：△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：AC N EA Nl S 0+=摩擦桩沉降量：00A C NN EA h l S ++=ξ 式中：C 0—桩底地基土的竖向地基系数；A 0—桩尖土的作用面积，212041)42(L htg d A πϕπ≤+=，单桩作用范围可假定桩顶反力借助土的摩阻力自地面以4ϕ角扩散至桩底处，但扩散半径不应大于桩中心距的一半。