第四章 桩基础

第四章桩基础
§4.1概述
4.1.1桩基础的使用
深基础：埋深较大，以下部坚实土层或岩层作为持力层的基础。

深基础的作用：把所承受的荷载相对集中地传递到地基的深层。

深基础何时采用：建筑场地的浅层土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求；
又不适于采取地基处理措施时。

深基础的类型：桩基础，地下连续墙，沉井等。

承台:将几个桩结合起来传递荷载
4.1.2桩基础的类型
桩基础的类型（按承台与地面相对位置的高低）：
①高承台桩基础承台底面位于地面以上,桥桩,码头,栈桥
②低承台桩基础承台底面位于地面以下,承台本身承担部分荷载
（注：工民建，低承台桩基础，竖直桩；桥梁港湾海洋构筑物，高承台，斜桩，承受较大水平荷载）4.1.3桩基设计原则
桩基础的设计应按变形控制设计。

桩基础设计时，上部结构传至承台上的荷载效应组合与浅基础相同。

桩基础设计满足的基本条件：
①单桩承受的竖向承载力不应超过单桩竖向承载力特征值；
②桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值；
③对位于坡地岸边的桩基础应进行稳定性验算。

4.1.4桩基设计内容
七个基本内容：
①桩基础的类型和几何尺寸的选择；
②单桩竖向（和水平向）承载力的确定；
③确定桩的数量、间距和平面布置；
④桩基础承载力和沉降验算；
⑤桩身结构设计；
⑥承台设计；
⑦绘制桩基础施工图。

§4.2桩的类型
4.2.1桩的分类（三种分类方式）
①按承载性状分类（荷载传递方式）和竖向受力情况：
分类依据：根据桩侧与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比例的不同。

摩擦型桩——摩擦型桩
——端承摩擦桩
端承型桩——端承型桩：桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受，但桩端阻力分担
较多，其桩端一般进入中密以上的砂类、碎石类土层，或位于中等风化、微
风化及新鲜基岩顶面。

（此类桩侧摩阻力属次要，不可忽略）
——摩擦端承型桩
②按施工方法分类：
预制桩——在工厂或施工现场制成的各种形式的桩，如锤击桩、振动桩、静压桩等。

灌注桩——在施工现场的桩位上用机械或人工成孔，然后在孔内灌注混凝土而成。

如挖孔、钻孔、冲孔及爆扩成孔灌注桩等。

③按桩的设置效应分类：
非挤土桩——成桩过程中对桩相邻土基本不产生挤土效应的桩。

如钻（冲或挖）孔灌注桩及先钻孔后再打入的预制桩；
部分挤土桩——对桩周土体稍有排挤，但土的强度和变形性质变化不大。

包括冲击成孔灌注桩、开口的钢管桩、H型钢桩等。

挤土桩——设置过程中使土的结构严重扰动破坏，对土的强度和变形性质影响较大。

实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等。

4.2.2桩的成型方式效应
挤土桩的成桩效应
1、粘性土中
2、砂土中
3、饱和粘性土中挤土摩擦型桩承载力的时间效应
非挤土桩的成桩效应
粘性土中
2、砂土中
3、粘性土中非挤土摩擦型桩承载力的时间效应
§4.3桩的竖向承载力
桩顶沉降=桩端沉降+桩身沉降
桩顶轴力Q=桩侧阻力Qs+桩端阻力Qp
4.3.1单桩轴向荷载的传递机理
一般说来，靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，侧阻力先于端阻力发挥。

桩的荷载传递的一般规律：
①不是同时发挥，同时到达极限（通常，侧阻早于端阻）。

②与桩土间的相对位移有关（通常，端阻达到极限状态所需位移高于侧阻所需位移）。

③深度效应（当桩入土深度达到某一临界深度后，端阻、侧阻侧阻均不随深度增加）。

④与桩的长径比及桩端土与桩侧土的相对刚度等有关。

影响单桩荷载传递的因素（2刚度比，1长径比，直径）
①桩端土与桩周土的刚度比
②桩土刚度比
③桩端扩底直径与桩身直径之比
④桩的长径比
桩侧极限阻力影响因素：
所在的深度，土的类别和性质，成桩方法等。

（主要因素：土的性质）
桩端极限阻力影响因素：
土的性质，桩端持力层上覆土层厚度，桩径，桩端进入持力层厚度等（主：土性质）。

4.3.2单桩竖向承载力的确定
单桩竖向承载力的确定取决于两个方面：（设计时取两者的小值）
①桩身的材料强度；（混凝土R=ΨcfcAp 钢筋混凝土R=ΨcfcAp +fyAg ）
②地层的支承力。

单桩竖向承载力的确定方法：
①按材料强度计算；
②静载荷试验；——最可靠
③按照土的抗剪强度指标确定；——国内少用，国外常用
④规范经验公式。

按材料强度计算——计算低承台桩基时，把桩视为轴心受力构件，且不考虑纵向压屈影响；
——计算通过很厚的软黏土层且支承在岩层上的端承型桩或承台地面以
下存在可液化土层的高承台桩基；应考虑压屈影响。

u su bu
Q Q Q =+单桩竖向极限承载力桩侧总极限摩阻力桩端总极限阻力su =+=2u bu a s p
Q Q Q K K K K =单桩竖向极限承载力特征值R ；（）（一般情况Ks<Kp ；对于短粗的支承于基岩的桩Ks<Kp ）
静载荷试验——（优点，可靠性较高，广泛采用；
缺点，设置后须隔一段时间才开始加载时间长，费用高）
按土的抗剪强度指标确定——（1）单桩承载力一般表达式：
su =+ =2u bu Q Q Q K 单桩承载力的一般表达式-G；（）
——（2）粘性土中的单桩极限承载力：
①对于正常固结、弱超固结或灵敏粘性土中的桩——
短期极限承载力按总应力分析法取不固结不排水抗剪强度。

②对于超固结粘土或非灵敏粘土中桩——
长期承载力按有效应力分析法取固结不排水抗剪强度估算。

——（3）无粘性土中的单桩承载力
规范经验公式——只考虑了土（岩）对桩的支承阻力，而尚未涉及桩身的材料强度。

规范规定单桩竖向承载力特征值——单桩竖向静载荷试验确定；
地基基础设计等级丙级的建筑物——可静力触探及标贯试验方法确定。

+a pa p p sia i q A u q l =∑单桩竖向极限承载力特征值R ；
4.3.3竖向荷载下的群桩效应
群桩基础：由两根以上桩组成的桩基础。

群桩效应：在竖向荷载作用下，由于承台、桩土相互作用，群桩基础中的一根桩单独受荷时
的承载力和沉降性状，往往与相同地质条件和设置方法的同样独立单桩由显著区别的现象。

群桩承载力不符合要求的补救措施：
（1）对于中小直径桩（非端承桩）
①承载力相差较多——补桩或重新设计承台；
②承载力相差不多——增大承台面积，加大承台间联系梁的刚度等；
（2）对于大直径灌注桩
通常需对地基或桩身作补强处理。

端承型群桩基础——无需计算沉降（除软弱下卧层时）
群桩基础承载力等于各根单桩承载力之和，群桩效应系数η=1。

摩擦型群桩基础——两种情况（承台脱地和贴地）——需计算沉降
①承台地面脱地的情况（非复合桩基）
摩擦型群桩的沉降大于独立单桩。

（应力重叠→沉降增加→单桩承载力下降η<1）实际的群桩效应的影响因素：
1）承台刚度的影响
2）基土性质的影响
3）桩距的影响（主导因素）
②承台地面贴地的情况（复合桩基）
承载力=端阻+承台底面土阻力（设计时一般不考虑）
为保证承台底贴地并提供足够土反力，通过：依靠桩端贯入持力层促使群桩整体下沉。

刚性承台底面土反力呈马鞍形。

承台地面贴地的包括三方面：
1）对桩侧阻力的削弱作用
2）对桩端阻力的加强作用
3）对基土侧移的阻挡作用
4.3.4减沉桩基使用范围：对于软弱地基上的多层住宅建筑。

作用：仅仅是为了减少基础的沉降量。

传统的做法：在基础下加桩，并假定桩和承台某一比例分担外荷载，据此确定桩数。

补充：桩的质量检测：某种方法设置于土中的预制桩或在地下隐蔽条件下成型的灌注桩：
——①开挖检测；②抽芯法；③声波检测法；④动测法。

§4.4桩基础沉降的计算
一般不计桩身压缩量及桩与土间的相对位移，以假想基础为刚性整体，验算桩端以下土沉降1.需要进行沉降计算：
甲（1）级建筑物的建筑物桩基
对沉降有严格要求的建筑物桩基
体型复杂或桩端以下存在软弱土层的
乙（2）级建筑物桩基
2.不需沉降计算的情况
丙（3）级建筑物桩基
s>6d大于桩距6被倍桩径n>9独立基础的
m2条基础某些单层工业厂房桩基
4.4.1单桩沉降的计算
竖向荷载作用下的单桩沉降组成（三部分）：
①桩身弹性压缩引起的桩顶沉降；
②桩端沉降——桩侧阻力引起桩周土中的附加应力向下扩散致使桩端土体压缩；
③桩端沉降——桩端荷载引起桩端下土体压缩。

单桩沉降计算方法：
①荷载传递分析；②弹性理论；③剪切变形传递；④有限单元分析；⑤其他简化方法。

4.4.2群桩沉降的计算——尚未有完整的计算方法
群桩沉降的组成：
①桩间土的压缩变形（桩身压缩、桩端贯入变形）；
②桩端平面以下土层受群桩荷载共同作用产生的整体压缩变形。

规范推荐方法（不考虑桩间土压缩变形对沉降的影响）：
单向压缩分层总和法：（见P143）
§4.5桩的负摩擦问题
4.5.1产生负摩擦的条件和原因
负摩擦力：与轴向压力方向相同的侧摩阻力。

危害：降低桩的承载力，增大位移。

条件：桩周土的下沉量大于桩的下沉量。

原因：
①大范围降水；
②桩侧地面大范围堆载；
③欠固结土或新填土；
④湿陷性黄土湿陷；
⑤冻土融陷。

桩侧负摩阻力由什么引起：
桩周土的固结沉降。

（固结时间的长短取决于：①桩自身沉降完成时间，②桩周土层固结完成时间。

）影响负摩阻力大小和分布的主要因素：
土的固结程度和速率。

4.5.2负摩阻力的计算——目前不成熟
负摩阻力的分布特征：
单桩负摩阻力的计算：
须先确定中性点的位置和负摩阻力的大小。

（中性点位置的确定：根据桩沉降与桩周土沉降相等的条件确定——初期不固定）群桩负摩阻力的计算：
对于桩距较小的群桩，所发生的的负摩阻力因群桩效应而降低。

4.5.3减小负摩阻力的工程措施
①对于填土建筑场地——保证填土密实度，待填土地面沉降基本稳定后在沉桩；
②对于地面大面积堆载建筑物——采用预压等处理措施，减少堆载引起的沉降；
③对于中性点以上的桩身——进行处理，减少负摩阻力；
④自重湿陷性黄土地基——采用强夯、挤密土桩等先行处理；
⑤其他有效处理措施。

§4.6桩的水平承载力
作用于桩顶的水平荷载包括：
①长期作用的水平荷载；
②反复作用的水平荷载；
③地震作用所产生的水平力。

水平和竖向荷载合力与竖直线的夹角不超过5°（水平相当于竖向1/12~1/10），竖直桩。

4.6.1水平荷载下桩的工作性状
4.6.2水平荷载作用下弹性桩的计算
4.6.3单桩水平静载荷试验
4.6.4单桩水平承载力特征值
§4.7桩的平面布置原则
§4.8桩承台的设计
§4.9桩基础设计的一般步骤。