高层建筑桩基础

u 0
2 d S (0 Z ) u 0 E pA 2 dZ 2 E A d S ( Z ) u 0 0 p dZ 2
0≤Z≤d
d≤Z≤H
边界条件 位移连续条件： Z=d S1=S2=S0 静力平衡条件：

E pA E pA S 1 Z S 2 Z E pA S 2 Z Z H
假定： 1 ks 剪切变形系数，随深度是常量 2 s0随深度是常量
s0

按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节 （分叉）桩、扩底桩、支盘桩、微型桩 按横断面：圆形，八边形，十字桩、X形桩

桩身
横Байду номын сангаас面
（四）按尺寸


按断面(直径）的大小：大直径:d>80cm; 小直 径d<40（25）cm 按长度（长径比）L>60m（>3):长桩； L<10m短桩 L/ （：桩的特征长度） 4 EI 4 Bk n
⑶ 桩的布置是否合理。 在桩数相同的情况下，在不同的布桩方式下，桩基的承载力 与所发挥的作用的是不一样的。对于桩箱基础，宜将桩布置于墙下； 对于带梁（肋）的桩筏基础，宜将桩布置于梁（肋）下，这对底板 的计算十分有利，可大大减小箱基或筏板的底板厚度。 对满堂布桩的桩箱和桩筏基础，通常采用“内疏外密”布桩， 即中间少布桩，布小桩，周边多布桩，布大桩，这主要是由于基础 和上部结构具有较大的刚度，上部结构荷载传到地基时周边大而中 间小，从而角桩和边桩荷载大，而中央桩荷载小。 采用“外疏内密”，可能更为经济，即减小外围桩的数量（桩 距大），减小外围桩的桩径和桩长；中间部分桩间距相对较小，桩 长较长，从而减小外围桩的刚度，加大了中间桩的刚度，使得内外 桩分担荷载趋于均衡，箱筏底板个点沉降区域一致，降低了底板的 内力，大大较小了板厚度和用钢量。
成桩方法 1 预制桩 Prefabricated pile 挤土桩 2 现场灌注桩 Cast in place 非挤土桩
1 预制桩
离心,预应力, 工厂,现场
气锤打入 振动沉桩 静压桩
引孔,部分挤土, 大面积地面隆起 不引孔,挤土桩
成 2 现场灌注桩 孔 方 省,易 法
泥皮,虚土,断 桩
人工挖孔 螺旋钻 正反循环—地下水以下泥浆护壁 冲击,夯扩,爆破 沉管灌注
⑴ 桩基形式的合理选择：
桩基形式选择合理与否，对高层建筑的安全功能与造价影 响很大，桩基形式的选择，应考虑以下几个方面：
一是地质条件，当有条件做成大直径的端承桩时（基岩或 密实的卵石层埋藏较浅时），采用单桩支承的和单排桩支承的 墙基是最为经济合理的；但是在深厚软土地区（如覆盖层厚度 超过100m以上）只能采用各种摩擦桩基础。 二是高层建筑的体型和结构特点，体型规则且高度不很高 （如30m以下）的高层建筑，可以考虑采用小群桩的桩柱基础 和桩梁基础，当体型复杂且地基条件又不好时，可考虑采用桩 筏或桩箱基础， 三是建筑功能对地下空间利用的方式，对桩基类型的选择也是 也个重要的限制条件。
浇 注 法
水上 水下 其他
振动沉桩 预制桩1－13m
Pile Point
离心预应力预制钢筋混凝土
人工挖孔桩
广州市亚洲大酒店人工挖孔桩
螺旋钻
扩底桩
人工挖孔扩孔桩 （芝加哥法）
1.0-3.0 m
0.6-0.9 m
UK英国
爆破扩底桩
挤扩桩（支盘桩）
（八）按功能分 1.承受轴向压力的桩 2.承受轴向拔力的桩 3.承受横向荷载的桩
q（ z ） S U d S （ z） dz
2 2
根据静力的竖向平衡，有：
Q QS QP
Qs/Q≥0.8 摩擦桩 Qs/Q= 0.6－0.75 端承摩擦桩
Qp/Q≥0.8 端承桩 Qp/Q= 0.6－0.75 摩擦端承桩
图2－2 单桩及侧阻，端阻发挥性状
(a)均匀土中的摩擦桩； (b)端承于砂层中的摩擦桩；(c)扩底端承桩； (d)孔底有沉淤的摩擦桩； (e)孔底有虚土的摩擦桩； (f)嵌入坚实基岩的端承桩
⑷ 桩基水平承载力是否满足。
高层建筑基底水平剪力和倾覆力矩，主要由地震和风引起， 一般地震作用为控制因素。地震引起的基底水平剪力一般不超 过高层建筑总重的5%，但是仍然是相当可观的，因为高层建筑 的上部结构的重心远高于基础底面，因此还会引起很大倾覆力 矩，地震作用往往成为设计中的控制因素。在沿海地区，由于 海洋风暴的侵扰，风的影响可能甚于地震，在超高层建筑，风 引起的基底水平剪力和倾覆力矩可能接近甚至超过地震引起的 结果，成为设计中的控制因素，高层建筑的桩基础，必须有足 够的地域水平荷载和倾覆力矩的能力。
⑶ 随桩的长径比l/d增大，传递到桩端的荷载减小，桩身下侧阻发挥 值相应降低；当l/d ≥40时，在均匀土层中，趋于零；当l/d ≥100时，不 论桩端土刚度多大，其值小到可忽略不计。 ⑷ 扩大桩端面积，桩端传递荷载的比率Qp/Q增大。
单桩弹性-完全塑性解

E pA
桩身平衡方程
d S dZ
2 2
（五） 按桩对土层作用效应：
1 挤土桩：桩周土被挤密或挤开，周围土层严重扰动，结 构破坏。 粘土由于重塑扰动降低强度； 非密实无粘性土由于振动挤密，强度提高。 打入或压入的预制桩 Prefabricated pile、封底钢管桩、 沉管灌注桩。 2 少量挤土桩：桩周土层受较少扰动，土的结构和工程性 质变化不明显。 小截面H型钢桩、型钢桩、开口式钢管桩、螺旋桩。 3 非挤土桩：桩孔内土被取出。土体应力松弛 各种挖孔桩、钻孔桩等现场灌注桩 Cast in place
(六) 按荷载传递方式
（1）竖直荷载：端承桩、摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承 Q = Qp+Qs Tip resistance, Skin friction 端承桩：主要由桩端承受极限荷载,桩不长,桩端土坚硬
摩擦桩 ：主要由桩侧壁与土的摩擦力承受极限荷载,桩长深
P
端承桩
s
P
摩擦桩
s
P
（七） 按桩施工方法
（九）按桩土相互作用的特点分
1.竖向荷载桩 （1）摩擦桩 （2）端承桩 2.横向受荷桩 （1）主动桩 （2）被动桩
6.1.3桩的分类总结

挤土桩 （打入预制桩） 非挤土桩 （现场钻孔） 摩擦桩 端承桩 Q = Qp+Qs
6.1.4高层建筑桩基础的基本型式
桩基础的结构型式主要取决于两方面： 1. 上部结构的型式与布置； 2. 地质条件与桩型。 由于高层建筑桩基础的结构体系多种多样，地基条件千变万化， 高层建筑桩基础的结构形式也灵活多样。主要有以下几种：桩柱基 础、桩梁基础、桩墙基础、桩筏基础和桩箱基础。 1.桩柱基础-柱下独立桩基础 可采用一柱一桩或一柱数桩基础。各个桩柱基础之间通常设置 拉梁，提高桩基抵御水平荷载的能力。 特点： 1)一般只适用于端承桩; 2)调整差异沉降的能力差，而框架结构又对差异沉降很敏感。 3)适用于：框架结构式框剪、框支剪、框筒等结构，造价低。
⑷箱、筏承台底土分担上部结构荷载； ⑸桩身穿过可液化土层而支承于稳定的坚实土层或 嵌固于基岩，在地震引起浅层土液化与震陷的情况 下，桩基凭靠深部稳固土层仍然具有足够的抗压与 抗拔承载力，从而确保高层建筑的稳定，且不产生 过大的沉陷与倾斜。
6.1.2桩的分类
(一) 按承台 承台:将几个桩结合起来传递荷 载 （二）按桩对土层作用效应 （三）材料 （四）形状 （五）承载机理 （六）按尺寸 （七）施工方法 （八）按功能分 （九）按桩土相互作用的特点分
⑸ 高层建筑桩基的施工和使用不能对周围环境造成不良影响， 并应该技术先进，造价经济合理，高层建筑多建在建筑物密集， 交通繁忙，地下关心交错的繁华城区，一般不宜采用挤土桩， 有条件采用人工挖孔桩时要优先采用。
6.2 竖向荷载作用下的单桩工作性状
6. 2.1 竖向荷载下单桩的荷载传递 荷载传递微分方程 EPA
承台结构 型式 柱梁 基础梁 剪力墙 （条形承台） 筏 箱基
提高抵御水平 荷载的能力
通常有较高的整体刚度，能够将荷载 均匀地分配给每一桩，在一定程度上 有调整不均匀沉降的能力。
6.1.5 高层建筑桩基的基本要求
对高层建筑桩基础而言，与一般建筑物桩基础不 同的是，桩基础的选型及其技术经济比较至关重要， 即桩基方案设计（或称概念设计）比施工图设计更重 要；此外，基础的整体竖向水平承载力与变形验算比 单桩的验算更具有根本意义。为取得良好的技术经济 效果，多方案比较和经多次循环修改设计是完全必要 的。
桩的荷载传递的一般规律
⑴ 桩端土与桩侧土的模量比Eb/Es愈小，桩 身轴力沿深度衰减愈快，即传递到桩端的 荷载愈小，如图7所示。
图6-7 桩端土性对荷载传递的影响
⑵ 随桩土刚度比Ep/Es （桩身刚 度与桩侧土刚度之比）的增大， 传递到桩端的荷载增加；但当 Ep/Es ≥ 1 000后，的变化不明显。
2.桩梁基础 桩梁基础系指框架柱荷载通过基础梁（或称承台梁）传递给 桩这种型式的桩基础。 特点： 1) 沿柱网轴线布置一排或多排桩;
2) 桩顶用刚度大的基础梁相连;
3)比桩柱基础具有较高的整体刚度和稳定性，具有调整不 均匀沉降的能力。
4) 主要适用于端承桩。
3. 桩墙基础 指剪力墙或实腹筒壁下的单排或多排桩基础。剪 力墙可视为深梁，以其巨大的刚度足以把荷载较均 匀地传给各支承桩，无需再设置基础梁；通常需在 桩顶做一条形承台，其尺寸按构造要求。 桩墙基础亦常用于筒体结构。一般做法是沿筒壁 轴线布桩，桩顶不设承台梁，而是通过整块筏板与 筒壁相连；或在桩顶之间设拉梁，并与地下室底板 及筒壁浇成整体。
⑵ 持力层与桩长的合理选择。
一是能提供足够大的单桩承载力，所选持力层一般应该为中密 以上的非液化砂层、比较坚硬的粘土层或卵石砾石层，以至基 岩。 二是保证建筑物不产生过大的沉降与差异沉降；
三是考虑单方混凝土所提供的承载力，单方混凝土提供的承载 力越大，桩基造价越低，因此在提供同样承载力的情况下，摩 擦桩宜选用细长桩。 四是考虑施工技术的可能性。

图 上海金茂大厦
高层建筑桩基础的作用特点： ⑴具有很高的竖向单桩承载力或群 桩承载力; ⑵具有很大的竖向单桩或群桩刚度 （摩擦桩），在建筑物自重或相邻 荷载影响下，不会产生过大的不均 匀沉降，并能确保建筑物的倾斜不 超过允许范围; ⑶凭借巨大的单桩侧向刚度（大 直径桩），或群桩基础的侧向刚度 及其整体抗倾覆能力，能抵御风和 地震引起的水平荷载和力矩荷载， 保证建筑物的抗倾覆稳定性。
软土层
(一) 按承台 1.高承台桩 承台在地面以上,桥桩,码 头,栈桥 2.低承台桩 承台在地面以下, 承台本 身承担部分荷载
软土层
低承台 桩
高承台桩
（二） 按材料： 木桩、混凝土、钢筋混凝土、 钢管（型钢）桩、复合桩
钢筋混凝土：普通混凝土、 预应力混凝土（离心预制）、 高强混凝土
（三） 按形状
第六章 高层建筑桩基础工程
1. 概述 2. 竖向荷载作用下的单桩工作性状
3. 竖向荷载下单桩极限承载力的确定方法
4. 竖向荷载作用下单桩沉降计算
5. 竖向荷载下群桩的工作性状
6. 群桩的竖向承载力计算
7. 群桩的沉降计算
8. 桩基础设计
6.1 概述
6.1.1 高层建筑的特点:
竖直荷载大而集中； 重心高，对倾斜十分敏感，且在风和地震水平荷载作用下会产生巨 大的倾覆力矩，故其对基础的承载力、稳定性和差异沉降要求很高。
5. 桩箱基础 上部荷载通过箱型结构传递 给桩基础。由于其刚度很大， 具有调整各桩受力和沉降的 良好性能，因此，在软地基 上建造高层建筑时较多地采 用桩箱基础。它适用于包括 框架在内的任何结构型式。
高层建筑桩基础的基本型式比较
基础型式 桩 柱 桩 梁 桩 墙 桩 筏 桩 箱
桩排列方式 一柱一桩 沿轴线分布 沿剪力墙布置 满堂 满堂 沿轴线 一排、多排 墙下
4. 桩筏基础 单桩承载力不很高，而不得不满堂布桩或局部满堂布桩才 足以支承建筑荷载时，常通过整块钢筋混凝土板把柱、墙 （筒）集中荷载分配给桩。习惯上将这块板称为筏，称这类 基础为桩筏基础。筏可做成梁板式或平板式。 桩筏基础主要适用于软土地基上的筒体结构、框剪结构和 剪力墙结构，以便借助于高层建筑的巨大刚度来弥补基础刚 度的不足。不过，若为端承桩基，则可用于框架结构。