桩基础计算书毕业设计

一引言

桩基础是一种重要的基础型式，在房屋建筑、桥梁、海洋等工程中都有广泛的应用。但桩基础的设计和计算过程比较复杂，手工计算十分麻烦、且很难得到满意的结果。目前，有关桩基础设计与分析的软件非常少见。本研究根据现有桩基础设计与分析理论，以VisualB++6.0为开发平台，研制了能够设计与分析单桩或群桩基础的程序。程序设计主要包括界面设计与计算程序两个方面。界面除了起交换数据作用外，更重要是直观、方便，能够有效地减少设计中的错误。计算程序分别采用静力触探法、经验公式法、按土的抗剪强度指标法计算单桩竖向承载力，能够简单分析单桩和群桩的桩基础受力与变形。。

随着计算机的普遍应用，国内外工程师加快了桩基础设计分析软件的开发和设计，国内外桩基础设计软件成果如下：国外桩基础程序设计起步较早，现在发展成熟的常见的软件有FAD3DPG，AllPile，mPile等国内桩基础程序设计起步较晚，当经过几年的发展桩基础设计程序日趋完善，国内有代表性的软件有：①湖南大学桩基础辅助设计软件PFCA D；

②浙江大学某设计院以Visual C++6.0为平台开发设计横向承载桩基础分析软件；③华侨大学开发的PFOD系统；④同济大学启明星桩基础设计计算软件 Pile 2009等桩基础是目前在高层建筑，桥梁港口设计中应用极为广泛的一种基础形式，本设计的目的是为了使设计人员从枯燥的计算中解脱出来，并能够有效的减少人为设计错误

二桩基础设计计算

2.1 桩基础设计一般步骤：

桩基础的设计应力求选型适当、经济合理、安全适用，对桩和承台有足够的强度、刚度和耐久性；对地基（主要是桩端持力层）有足够的承载力和不产生过量变形，其设计内容如下图所示：

场地勘察

提出勘察报告

确定桩基持力层

确定桩型、外形尺寸和构造

确定单桩承载力

确定桩数和布桩

拟定承台尺寸和埋深

根据荷载条件验算

作用于桩上的力

验算承台的结构强度

验算桩基整体强度

计算桩基

沉降量

验算下卧

层强度

最后确定承台的

尺寸、配筋构造

单桩设计

绘制桩、承台施工图

结束

无必

要验

算整体强度变

形

，

且

无

软

弱

下

卧

层

Y

Y

Y Y

Y

Y Y

N

N

N

图2.1 桩基础设计框图

即：

(1) 进行调查研究，场地勘察，收集有关资料；

(2) 综合勘察报告、荷载情况、使用要求、上部结构条件等确定桩基持力层； (3) 选择桩材，确定桩的类型、外型尺寸和构造； (4) 确定单桩承载力特征值；

(5) 根据上部结构荷载情况，初步拟定桩的数量和平面布置； (6) 根据桩的平面布置；初步拟定承台的轮廓尺寸及承台底标高； (7) 验算作用于单桩上的竖向和横向荷载； (8) 验算承台尺寸及结构强度；

(9) 必要时验算桩基整体承载力及沉降量，当持力层下有软弱下卧层时，验算软弱下卧层的地基承载力；

(10) 单桩设计，绘制桩和承台的结构及施工详图。 ⑾根据计算过程编制程序

2.2 确定桩型、构造 2.2.1 桩的分类

⑴ 按承载性状分为：摩擦性状和端承型桩;

⑵ 按使用功能分类：竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩和复合受荷桩；⑶ 按桩身材料分类：混凝土桩、钢桩和组合材料桩；

⑷ 按成桩方法分类：非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩。 ⑸按桩径大小分类：小桩、中等直径桩和大直径桩。 小桩：指桩径d ≤250mm 的桩。 中等直径桩：指250mm

2.2.2 桩型与工艺选择

桩型与工艺选择应根据建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境、施工条件、制桩材料供应条件等，选择经济合理、安全适用的桩型和成桩工艺。

2.2.3 确定桩数

轴心荷载： G F k k n R

+

≥

(2-1)

偏心荷载： (1.1~1.2)G F k k n R

+≥ (2-2)

F-----作用在承台上的轴向压力值。 G-----承台及其上方填土的自重设计值

2.2.3 桩的布置

根据土层情况，结合建筑物的荷载及上部结构等条件，选择桩端持力层，应尽可能使桩支撑在承载力相对较高的坚实土层上。根据当地施工条件、打桩设备及环境限制等因素，确定桩型，并相应决定桩的平面布置和尺寸，桩的中心距应符合下表规定。

表2.1 桩的最小中心距

土类与成桩工艺 排桩数不少于三排且桩数不少

于9根的摩擦型桩

其他情况 非挤土和小量挤土灌注桩 3.0d 2.5d 挤土灌注桩

穿越非饱和土 3.5d 3.0d 穿越饱和土

4.0d 3.5d 挤土预制桩

3.0d 3.0d 打入式敞口管桩和H 型钢桩

3.5d

3.0d

桩的截面主要根据上部荷载等情况确定，常见的桩截面与楼层数的经验数值关系如下表所示。

表2.2 楼层数与桩截面的经验数值关系

≤10 10~20 20~30 30~40

预制桩

300~400

450~550

450~550

500~550（预应力）

φ800（钢管桩） 灌注桩

φ500 φ600~800

φ650~1000

φ800~1200

2.3 单桩竖向承载力确定

单桩承载力是指单桩在外荷载作用下，不丧失稳定性，不产生过大变形的能力。

2.3.1 按材料强度法确定：

楼

层

数

桩

型

确定桩基竖向承载力一般采用材料强度法。根据强度计算单桩承载力是，可把桩视为插在土中的受压构件，计算桩身在轴向压力的受压强度时，一般不考虑弯曲的影响。

`0.9N c A p A g f f c y

φ?

?≤ψ+ ??

?

(2-3)

N-----荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值

c f -----混凝土轴心抗压强度设计值，KPa

`

f y -----纵向主筋抗压强度设计值，KPa

A p

----桩身横截面面积，m 2

A g -----纵向主筋横截面积，m 2

?-----桩的稳定系数

cc ψ-----基桩成桩工艺系数，混凝土预制桩、预应力混凝土空心桩取0.85；干作业非挤土

灌注桩取0.9；泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩及挤土灌注桩取0.7~0.8；软土区挤土灌注桩取0.6.

2.3.2 按抗剪强度指标确定：

u Q c l c NA p a i i u c u =+∑

(2-4)

u

c

-----桩底以上3d 至桩底以下1d 范围内土的不排水抗剪强度平均值，对裂隙粘土宜用含

裂隙的大试样测定，对钻孔桩可取三轴不排水抗剪强度的0.75倍；

c N -----地基承载力系数，当桩的长径比l/d>5时，c N =9； u-----桩身周长；

i

l -----第i 层土的厚度

ai c -----第i 层土桩之间的附着力，ai c =c u α

2.3.3 按静力触探法确定：

u Q q f l A p i i u k c a

i αβ=+∑ (2-5)

q c -----桩端平面上、下探头阻力，KPa 。 f si -----第i 层土的探头平均侧阻力，KPa 。

α-----装端阻力修正系数，对粘性土、粉土取2/3，饱和沙土取1/2.

i β-----第i 层土装侧阻力综合修正系数，按下式计算：

粘性土和粉土 ()

0.5510.04f i si

β-=砂类土()

0.45

5.05f i si β-= 2.3.4 按经验公式法确定：

根据土的物理指标与承载力之间的经验关系，《建筑桩基技术规范》针对不同的常用桩型，推荐了不同的单桩竖向极限承载力标准值的估算公式 ⑴ 一般预制桩及中小直径灌注桩

p i u k s i k p k u Q q q l A =+∑

(2-7)

sik q -----桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，KPa

pk q -----极限端阻力标准值，KPa 。

⑵ 大直径灌注桩

s i p p s i k p k uk i q q u Q A

l =+∑ψψ

(2-8)

si ψ-----大直径桩侧阻力尺寸效应系数。

p ψ-----大直径桩端阻力尺寸效应系数。 ⑶ 岩嵌桩

p p i r uk sik rk Q q f u l A ζ=+∑ (2-9)

r ζ-----岩嵌段侧阻和端阻综合系数。

rk

f

-----岩石饱和单轴抗压强度标准值。

2.4 单桩竖向承载力特征值的确定

初步设计时单桩竖向承载力特征值可按下式估算：

a p i pa sia u q q l R A =+∑ (2-10)

pa q -----桩端端阻力特征值。 sia q -----桩根侧阻力特征值。

当桩端嵌入完整及较完整的硬质岩中时单桩竖向承载力特征值可按下式估算：

a p pa q R A =

pa q -----桩端岩石承载力特征值。

2.5 承台设计及计算 2.5.1 承台尺寸要求

承台的最小宽度不应小于500mm ，承台边缘至桩中心的距离不宜小于桩的直径或边长，且边缘挑出部分不应小于150mm 。对于条形承台梁挑出部分不应小于75mm 。 条形承台或柱下独立桩基承台的厚度不应小于300mm

筏型、箱型承台板的厚度应满足整体刚度、施工条件及防水要求。对于桩布置于墙下或基础梁下的情况，承台板厚度不宜小于250mm ，且板厚与计算区段最小跨度之比不宜小于1/20。

承台埋深应不宜小于600mm ，且应满足冻胀土要求。在满足要求的前提下，承台应尽量浅埋，且应在地下水位以上

2.5.2 承台混凝土要求

承台混凝土强度等级不宜小于C15，采用Ⅱ级钢筋时，混凝土等级不宜小于C20.承台底面钢筋混凝土保护层厚度不宜小于70mm 。当设素混凝土垫层时，保护层厚度可适当减小，垫层厚度宜为100mm 强度等级为C5.5

2.5.3 承台构造配筋要求

承台梁的纵向主筋直径不宜小于φ12，架立钢筋直径不宜小于φ10，箍筋直径不宜小于φ6.

2.5.4 桩与承台的连接

桩与承台的连接宜符合下列要求：

⑴桩顶嵌入承台的长度对大直径桩，不宜小于100mm ，对于中等直径桩不宜小于50mm

⑵混凝土桩的桩顶主筋应伸入承台内，其锚固长度不宜小于30倍主筋直径，对于抗拔桩基不应小于40倍主筋直径。预应力混凝土桩可采用钢筋与桩头钢板焊接的连接方法。钢桩可采用在桩头加焊锅型板或钢筋的连接方法。

2.5.5 承台内力计算

柱下多桩矩形承台： x i i y N M =∑ (2-11)

y i i N x M =∑

x M 、y M -----垂直x 、y 轴方向计算截面弯矩设计值。

i x 、i y -----垂直y 轴和x 轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离。

i N -----扣除承台和承台上土自重设计值后i 桩竖向净反力设计值;当不考虑承

台效应时，则为i 桩竖向总反力设计值。

柱下三桩三角承台： x x x N M =∑

(2-12)

x y y N M =∑

2.5.6 承台厚度及强度计算

受冲切计算

图2.2 柱下独立桩基对承台的冲切计算

验算时应满足： h f u F t

m

hp

1ββ

≤

(2-13) ∑-=N F i F 1 (2-14) 2

.084

.00+=

λβ

(2-15)

F

1

-----作用于冲切破坏椎体上的冲切力设计值。

u

m

-----冲切破坏锥体有效高度中线周长。

h 0

-----承台冲切破坏锥体的有效高度。

βhp

-----受冲切承载力截面高度的影响系数，当h<800m 时βhp 取1.0；h>2000mm 时

β

hp

取0.9，其间按线性内插法取值。

β

-----冲切系数。

λ-----冲垮比，λ=a 0/h 0（a 0为冲跨，即柱边或承台变阶处到桩边处的水平距离），当λ<0.25时，取λ=0.25；当λ>1.0时，取λ=1.0。

F-----作用于柱（墙）底的竖向荷载设计值。

∑N

i

-----冲切破坏锥体范围内各基桩净反力（不计承台和承台上土自重）设计值之

和。

柱下矩形独立承台受冲切时可按下列公式计算： ()[]h f a h a b F

o

t

hp

x c y

y

c

x

i

β

β

β

)

(20000+++=

(2-16)

受剪切计算

图2.3 承台受剪切计算

柱下等厚度承台的斜截面受剪承载力计算： h

b f t

hs V 0

α

β≤ (2-17)

.175

.1+=

λα (2-18)

4

/10800?

???

??=h hs β

(2-19)

V------斜截面的最大剪力设计值。

b

-----承台计算截面处的计算宽度。

h 0

-----承台计算截面处的有效高度。

β

hs

-----受剪切承载力截面高度的影响系数。

α-----剪切系数。

λ-----计算截面的剪跨比。

2.6 群桩验算

2.6.1 基桩竖向承载力验算

荷载效应标准组合：

承受轴心荷载的桩基其基桩或复合基桩竖向承载力特征值R 应满足下式： R N

k

≤ (2-20)

承受偏心荷载的桩基还应满足 R N

k 2.1m a x

≤ (2-21)

地震作用效应和荷载效应标准组合：

轴心荷载作用效应下应满足：

R N Ek

25.1≤ (2-22)

偏心荷载作用下，应满足：

R N k

≤ (2-23)

R N

Ek 5.1max

≤ (2-24)

2.6.2 桩基软弱下卧层承载力验算

当桩端平面以下受力层范围内存在软弱下卧层时，应进行软弱下卧层验算。 应满足 f

az

m z z ≤

+γσ (2-25)

桩距d s a

6≤的群桩图（a ）：σz

=()()()()

θθtan 2tan 22/30

00

t t b a l

q b a G F i

sik

k

k

+++-+∑

桩距d s a 6>且各桩端的压力扩散线不相交于硬持力层图（b ）时：

σz =

(

)()

2

tan 24θπt u d l q

N z i sik

k +-∑。

图2.4 软弱下卧层验算

σ

z

-----作用于软弱下卧层顶面的附加应力， γ

m

-----软弱层顶面以上各土层容重加权平均值。

Z-----地面至软弱层顶面的深度。

f

az

-----软弱下卧层经深度修正的地基承载力特征值。

2.6.3 桩基竖向抗拔承载力验算

应满足： 2

gk k gp T

N G ≤+ （2-26）

2gk

k p

T N G ≤

+

（2-27）

G gp

-----群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数。

G

p

-----基桩自重。

2.6.4 桩基沉降验算

桩基一般只进行承载力计算，但当桩端持力层为软弱土，或建筑物重要性大，对桩基沉降的要求较高时，应对桩基按下列方法进行变形验算。 ⑴实体深基础

桩基沉降表达式： s =`e s ψψ (2-28) 式中 s-----桩基最终沉降量；

`s -----按分层总和法计算出的桩基沉降，但桩基沉降计算深度Z n 应按应力比法确定；

ψ-----桩基沉降计算经验系数； e ψ-----桩基等效沉降系数，e ψ=()012

11b b n C C n C -+

-+ /c c b n n B L = 0C 、1C 、2C -----与群桩中各基桩的不同距径比s a /d 、长径比l/d ，及承台长宽比c L /c B 有关的系数，可见《建筑桩基规范》

； c L 、c B 、n-----矩形承台的长、宽及总桩数。 ⑵．Mindlin 应力公式 S=(),2,,2,11

1,1j m

n

j i

k p k sl k s k p

j i k sj i k

n Q h I I I E l αβαβψ

===?

?

?++--??

∑∑

∑ (2-29) α------竖向荷载准永久组合作用下附加荷载的桩端阻力比 p ψ-----桩基沉降计算经验系数

三桩基础计算程序设计

3.１程序介绍

本程序根据现有桩基础设计与分析理论，以VisualB++6.0为开发平台，研制了能够设计与分析单桩或群桩基础的程序。程序设计主要包括界面设计与计算程序两个方面。界面除了起交换数据作用外，更重要是直观、方便，能够有效地减少设计中的错误。计算程序分别采用静力触探法、经验公式法、按土的抗剪强度指标法计算单桩竖向承载力，分别采用张法、m法、c法计算单桩或群桩的桩基础受力与变形。

3.2 程序界面

图3.1 桩基础设计程序主页面

3.3程序流程图

图 3.2 程序流程图

基本信息输入

主控窗体

结构计算窗体

计算书窗体

逻辑流程 数据流程

承载力验算及其他计算

操作系统

四设计实例

4.1 设计基本资料

某厂房上部结构荷载设计值为轴力F=7460KN,M=840KN·m，柱截面尺寸为600mm×800mm。建筑场地位于城郊，土层分布情况及土层的物理、力学指标如表4.1.1所示，地下水位离地表1.0m，从各测点的静力触探结果看，场地具有不均匀性，东部区域的p s平均值高于西部，局部地区有明滨，埋深将近2m。

表 4.11 各层土的物理、力学指标

土层序号土层名

称

层底

埋深

（m）

重度

()3/m

KN

γ

含水量

()%

w

孔隙

比

液性

指数

抗剪强度

比贯入

阻力

粘聚力

（KPa）

内摩擦角

()??

压缩模

量

（MPa

）

2 褐黄色

粉质粘

土

2.0 18 27.8 0.81 0.48

30

（21）

25.5

（18.5）

6.4

0.59

（0.54）

3 灰色淤

泥质粉

质粘土

6.0 1

7.8 3

8.8 1.09 1.18

14

（9.8）

19.3

（13.5）

4.5

0.57

（0.38）

4 灰色淤

泥质粘

土

14.9 17 53.1 1.51 1.29

12

（8.4）

10.5

（7.5）

2.1

0.62

（0.41）

5 灰~褐

色粉质

粘土

20.0 18 55.4 1.02 0.80

16

（11.2）

18.5

（13.2）

4.8

2.27

（1.77）

6 暗绿色

~草黄

色粉质

粘土

24 18.5 24.7 0.71 0.31

36

（25.2）

25.0

（18.0）

7.8

4.76

（3.86）

8 灰色粉

质粘土

>34.

18.0 35.5 1.02 0.87

22

（13.4）

22.1

（13.0）

4.9

4.2 桩基持力层、桩型、承台埋深的选择

由于柱荷载较大，从土层分布情况看，浅部第2层土较好，但厚度较薄，具有明显的暗滨切割，3、4、5土层较差，基础形式必须选用桩基础，第6层土是桩基础的理想持力层。桩尖进入持力层的深度为1m，工程桩入土深度为21m，考虑到明滨深度及承台厚度承台埋深确定为2m，故桩基的有效桩长为19m。由于建设场地在郊区，周围环境不要求限制振动、噪声，因此，应优先采用施工速度快、施工质量容易保证的打入桩，桩的截面尺寸选用450×450，并在每个柱子下设一独立承台桩基础。

4.3 确定单桩承载力

采用静力触探法估算

（１）东区计算结果：

计算单桩承载力标准值计算参数

方型桩

请选择桩型于工艺：预制桩、钢管桩

静力触探法

桩径（边长）（m) 0.45

桩穿越土层数 3

桩穿越第i层土的厚度li(m) 均值(KPa) 土层情况

5.1 2270 粘性土

8.9 620 粘性土

4 570 粉土

结果列表：

桩径0.45

单桩竖向极限承载力标准值(KN) 1924.52

（2）西区计算结果：

计算单桩承载力标准值计算参数

方型桩

请选择桩型与工艺：预制桩、钢管桩

静力触探法

桩径（边长）（m) 0.45

桩穿越土层数 3

桩穿越第i层土的厚度li(m) 均值(KPa) 土层情况

4.6 1770 粘性土

9.4 410 粘性土

4 380 粉土

结果列表：

桩径0.45

单桩竖向极限承载力标准值(KN) 1924.52 4.4确定桩数与承台尺寸

承台设计基本数据

单桩竖向极限承载力标准值1924.52 单桩竖向承载力特征值962.26 中心坐标x 中心坐标y

1.5 1.5

1.5 0

1.5 -1.5

0 1.5

0 0

0 -1.5

-1.5 1.5

-1.5 0

-1.5 -1.5

图4.1 布桩及桩基受力验算界面

计算结果

初步计算所得桩数8

修正后桩排数 3

修正后桩列数 3

修正后布桩总数9

桩间距计算值（m） 1.35

承台底长度计算值（m） 3.7

承台底宽度计算值（m） 3.7

桩基竖向力满足设计要求。

桩基水平力满足设计要求。

群桩设计满足设计要求。

4.5 软弱下卧层验算结果

方型桩

地面至软弱下卧层顶面的深度24

硬持力层厚度 4

桩端硬持力层扩散角15

软弱下卧层经深度修正的地基承载力特征值126

桩距 1.5

桩群外围桩边包络线矩形面积的长边长 3.45

桩群外围桩边包络线矩形面积的短边长 3.45

桩端等代直径0.45

桩径0.45

第i层土厚度Li(m) 第i层土极限测阻力第i层土厚度KN/m^3

4 0 8.5

4.6 47 8

9.4 21 7

4 2

5 7.8

1 0 8

1 0 18

图4.2 下卧层验算界面

输出结果

下卧层不满足设计要求

4.6 承台设计计算

承台设计基本参数

承台底长度(m) 4

承台底宽度（m) 4

桩伸入承台尺寸(m) 0.1

承台底主筋保护层厚度(mm) 35

承台有效高度h0(mm) 1365

承台上部分高度好h1（m) 2.0

钢筋强度（N/mm^2) 300

混凝土抗拉强度（KN/m^2) 9600

混凝土轴心抗压强度（KN/m^2) 1100

单桩受到的最大竖向力设计值1924.52 布桩排数 3

布桩列数 3

布桩总数9

桩距Sdx(m) 1.5

桩距Sdy(m) 1.5

柱(变阶处)长(m) 0.975

柱(变阶处)宽(m) 0.875

中心坐标x(m) 中心坐标y(m)

1.5 1.5

1.5 0

1.5 -1.5

0 1.5

0 0

0 -1.5

-1.5 1.5

-1.5 0

-1.5 -1.5

图4.3 矩形承台设计计算界面

结果列表：

承台受冲切承载力满足设计要求

受剪承载力满足设计要求

作用于角桩桩顶的竖向压力设计值(取最大值)(KN) 922.22 承台受角桩冲切的承载力(KN) 1776.8 角桩向上冲切验算满足设计要求