桩基础设计与施工

1. 桩基础设计与施工 建艺分院建筑工程系

2. 目录 • 任务1 桩的分类与管桩施工 • 任务2 灌注桩施工与特点 • 任务3 单桩承载力与基桩检测 • 任务4桩基础验算

3. 6. 4 桩基础设计与验算

4. 灌注桩施工与特点 • 群桩作用及其特点； • 桩基础设计步骤； • *承台验算（TSSD软件）； • 桩基础计算分析实例；

5. 一、群桩 对于群桩基础，承台上作用荷载实际上由桩和地基土共同承担。 1、端承群桩：群桩承载力=单桩承载力之和 2、摩擦群桩： 1）桩距s>6d(d为桩径)， 桩端平面处各桩传来的压力互不重叠或重叠不多。 群桩承载力=单桩承载力之和

6. （一）群桩的特点 • 当桩距较小时，桩间 • 摩擦力叠加，承载作 • 用相互削减； • 桩端应力叠加，地基 • 受力大； • 结论：群桩承载力小 • 于单桩承载力之和。 (b)群桩受力 (a)单桩受力

7. N （二）群桩地基承载力验算 G0 h • 把群桩连同周围土体作为一实体深基础来分析。 W0 l φ φ Pl+h=γ(l+h)+ (N+G0+W0)/ab ≤faz G0、W0—承台及桩体的超重 （超过同体积土重部分） b0 b φ—各土层摩擦角平均值 a=a0+2ltanφ/4 a0 b=b0+2ltanφ/4 a

8. （三）群桩地基软弱下卧层验算（理解） • 当桩端持力层下存在软弱下卧层时，必须验算其强度是否满足要求。计算方法同浅基础。 （四）群桩地基沉降计算与变形验算（了解） • 将群桩地基作为一实体深基础来分析； • 采用荷载效应准永久组合，不计风载与 • 地震荷载； • 变形特征：沉降量、沉降差、倾斜与 • 水平位移。

9. 2）桩距s=(3~4)d(d为桩径) 前提：不允许群桩沉降量大于同荷载作用下单桩沉降量。 则， 群桩承载力<单桩承载力之和 群桩效率系数：η=群桩承载力/单桩承载力之和 （五）、桩顶作用效应计算（掌握） (1)、轴心竖向力作用下： (2)、偏心荷载作用下：

10. (3)、水平力： 3 影响群桩承载力的因素： 首先决定于桩距，其次与土质、桩数、桩径、入土深度、桩类型及排列方式等因素有关。 • 承台下土对荷载的分担作用。 • 承台下土的抗力，由于存在群桩效应，要比平板基础底面下土的抗力低。

11. 二、桩基础设计 设计要求 1.桩基有足够的竖向与水平承载力； 2.桩基的沉降与水平位移在允许范围内； 3.桩身挠曲在允许范围内； 4.设计方案在技术与经济上应合理可行。 1.调研、搜集设计资料； 2.确定桩基持力层； 3.选定桩材、桩型、尺寸、确定基本构造； 4.计算并确定单桩垂直承载力； 5.初拟桩的平面布置和数量； 6.拟定承台尺寸和底面高程； 7.验算，结构设计； 8.绘结构施工图。 设计步骤

12. （一）、设计资料的收集 1.上部结构的类型、尺寸、构造和使用要求； 2.工程地质勘察报告； 3.当地建材与施工能力、条件（包括施工机 具、方法、经验等）； 4.施工场地及周围环境（包括交通、进出场 条件、周围建筑要求、环境要求等）。

13. （二）、桩型、桩身断面尺寸及桩长的选择 （1）桩型的选择 1.荷载大小及性质； 2.工程地质条件； 3.施工条件。 • 考虑因素： 1.桩型； 2.施工工艺； 3.工期要求； 4.桩型特点的利用。 • 选择要求： 1.经济合理； 2.安全适用。

14. （2）桩断面尺寸的选择 1.混凝土灌注桩 • 断面形式：圆形 • 沉管灌注桩直径：300~500mm； • 钻孔灌注桩直径：500~1200mm； • 扩底钻孔灌注桩：扩底直径1~2d. 2.混凝土预制桩 • 断面形式：方形、圆形、三角形等 扩底钻孔灌注桩 • 断面尺寸：≤550mm

15. （3）.桩长的选择 • 考虑因素：主要桩端持力层选择，同时考虑 • 桩的材料及施工工艺。 • 端承桩 • 桩端持力层选择：较硬土层 • 桩端全截面进入持力层深度： • 粘性土、粉土：≥2d； • 砂土：≥1.5d； 碎石土：≥1d。 • 有软弱下卧层时桩基下持力层厚度：≥4d • 嵌岩桩嵌入岩层深度： ≥0.5m

16. 摩擦桩 • 考虑因素：承载力与沉降量 • 注意： 1.同一种建筑物尽量采用同一种桩； 2.除落在岩面上的桩，桩端间高差≤d； 3.摩擦型桩，桩端间高差≤l/10； 4.高层及荷载大的建筑物宜用大桩径(挖孔)。

17. （三）、桩的平面布置 （1）墙下桩基 1.桩的最小中心距：≥3d（一般3~4d)； 2.尽量使群桩形心与荷载重心重合； 3.纵横墙交接处宜布置桩。 单排布置 双排布置 交叉布置 墙角布置 墙下桩的平面布置

18. （2）独立桩基 1.桩的最小中 心距：≥3d （一般3~4d) ； 2.边桩距承台 边缘：≥d。 二桩布置 三桩布置 四桩布置 六桩布置 柱下独立承台桩的平面布置

19. （四）、桩数的确定 • 承受竖向中心荷载的桩基，可按下式计算桩数： Fk—标准组合时，承台 顶面竖向力； Gk—承台及上覆土自重； Ra—单桩竖向承载力； n—桩基中的桩数； μ—偏心增大系数， 一般取1.1~1.2。 • 承受竖向偏心荷载的桩基

20. （五）、桩基础验算 （1）单桩受力验算 轴心受力： Qk ≤ Ra 偏心受力： Qikmax≤1.2 Ra Qikmin ≤Ta Ta —单桩抗拔承载力特征值。 （2）群桩承载力与变形验算 （六）、桩身结构设计 （七）、承台设计

21. 三、桩承台设计 承台（pile caps）设计是桩基设计的一个重要组成部分，承台应具有足够的强度和刚度，以便将上部结构的荷载可靠地传给各基桩，并将各单桩连成整体。 承台的设计主要包括构造设计和强度设计两部分，强度设计指抗弯、抗冲切、抗剪切计算。

22. 承台构造 承台有多种形式，如柱下独立桩基承台、箱形承台、筏形承台、柱下梁式承台和墙下条形承台等。 承台的作用是将桩联成一个整体，并把建筑物的荷载传到桩上，因而承台要有足够的强度和刚度。 以下主要介绍板式承台的构造要求。 (1)承台的宽度不应小于500mm。

23. (2)、承台厚度不应小于300mm。 (3)、承台的配筋，对于矩形承台其钢筋应 按双向均匀通长配筋，钢筋直径不宜 小于10mm，间距不宜大于200mm（图 12.13(a))；对于三桩承台，钢筋应按三 向板带均匀配置，且最里面的三根钢筋 围成的三角形应在柱截面范围内（图 12.13(b)) 。 (4)、承台混凝土的强度等级不宜低于C20。

24. 承台之间的连接 单桩承台宜在两个相互垂直的方向上设置连系梁；两桩承台宜在其短向设置连系梁；有抗震要求的柱下独立承台宜在两个主轴方向设置连系梁。连系梁顶面宜与承台位于同一标高。连系梁的宽度不应小于250mm，梁的高度可取承台中心距的1／10～1／15。连系梁内上下纵向钢筋直径不应小于12mm且不应少于2根，并按受拉要求锚入承台。

25. 图12.12 桩基础

26. 图12.13 承台配筋示意 (a)矩形承台配筋；(b)三桩承台配筋；(c)承台梁

27. （一）、桩承台设计（承台的形式）

28. 三、桩承台设计（承台的形式）

29. （三）、桩承台设计（承台的构造） • 承台混凝土： 强度、保护层 • 承台钢筋： 直径、锚固、分布筋 • 承台埋深： 在满足桩基稳定的前提下承台宜浅埋，并尽可能埋在地下水位以上

30. （三）、桩承台设计（承台的构造） 承台配筋示意 （a）矩形承台配筋；（b）三桩承台配筋；（c）墙下承台梁配筋图

31. （三）、桩承台设计（承台受弯计算） • 柱下独立承台 两桩条形承台和多桩矩形承台弯矩计算截面取在柱边和承台变阶处

32. （三）、桩承台设计（承台受弯计算） • 柱下独立承台 等腰三桩承台 等边三桩承台

33. （三）、桩承台设计（承台受冲切计算） • 对于板式承台，与钢筋混凝土扩展基础相类似，其厚度主要由抗冲切计算确定，并应满足抗剪验算的要求。 • 承台冲切破坏主要有两种形式： 1.沿柱（墙）边和承台变阶处的冲切 2.角桩对承台的冲切

34. （三）、桩承台设计（承台受冲切计算） 柱对承台的冲切

35. （三）、桩承台设计（承台受冲切计算） 角桩对承台的冲切

36. （三）、桩承台设计（承台受剪切计算） • 对于柱下独立承台，应分别对柱边和桩边、变阶处和桩边联线形成的斜截面进行受剪计算。当柱边外有多排桩形成多个剪切斜面时，尚应对每个斜截面进行验算。

37. （三）、桩承台设计（局部受压和抗震验算） • 对于柱下桩基，当承台混凝土强度等级低于柱的强度等级时，应按现行《混凝土设计规范》（GB50010-2001）规定验算承台局部受压承载力。 • 当进行承台的抗震验算时，应根据现行《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定，对承台受弯、受剪切承载力进行抗震调整。

38. 单桩承台 双桩承台 三桩承台 四桩承台 四、桩基础设计实例

39. 案例一 柱下钢筋混凝土预制桩基础 • 一、设计资料 如图1所示，某工程位于软土地区，采用桩基础，柱截面尺寸为500mm×600mm。已知基础顶面承受上部结构传来的荷载效应的标准组合竖向力Fk=3000kN，沿承台长边方向弯矩Mk=320kN•m，水平方向水平力Hk=40kN。工程地质资料，表层为人工填土，h1=2.0m；第二层为软塑状态粘土，h2=8.5m；第三层为可塑状态粉质粘土，h3=6.8m，地下水位于地表下2.0m。土工试验结果见表4-10 。采用钢筋混凝土预制方桩，桩长为10m，截面尺寸为300mm×300mm，混凝土采用C30，钢筋采用4φ20，进行现场静载荷试验，得单桩承载力特征值Ra=300kN。

40. 1 图1 群桩承载力验算

41. 二、计算书 1．桩型、材料及尺寸 根据地质资料，选第三层粉质粘土作为桩端持力层。采用与试验相同尺寸的桩。桩承台埋深2.0m，桩顶嵌入承台100mm，桩端入持力层1.5m。 材料：桩身采用C30混凝土，HRB235钢筋，4φ16；承台采用C20混凝土，HRB钢筋。 2．单桩竖向承载力特征值 1）静载荷试验 Ra=300kN 2）经验公式 已知桩入土深11.9m，粉质粘土IL=0.6，由当地静载荷试验结果统计分析算得qpa=900kPa；AP=0.3×0.3=0.09m2；μp=4×0.3=1.2m；qs1a：第二层粘土qs2a=17kPa，第三层粉质粘土qs3a=28.2kPa。

42. 二者取最小值，按现场静载荷试验，取Ra=300kN 3．估算桩数、桩布置及承台尺寸 1）桩数 ，取桩数n=12。 2）桩的布置 通常桩的中心距为（3~4）d= 0.9~1.2m，取中心距为1.0m。 采用行列式排列，弯矩方向排 4根，另一个方向排3根， 如图2。 图2 案例一 桩的排列

43. 3）桩承台 承台的尺寸：桩的外缘每边外伸d/2=150mm，承台长l=3600mm，宽限b=2600mm。承台埋深设计为2.0m，位于人工填土层底，粘土层顶面。 承台及上覆土重：G=3.6×2.6×2.0×20=374.4 kN 4．单桩承载力验算 各桩平均受力计算： 单桩的最大、最小竖向力（四角最不利桩的受力）：

44. 5．群桩承载力验算 1）计算实体基础底面尺寸 桩周摩擦力向外扩散角： 边桩的外围尺寸为2.3m×3.3m，tan5°=0.0875。 实体基础的底面宽为：2.3+2×9.9×0.0876=4.03m 实体基础的底面长为：3.3+2×9.9×0.0876=5.03m 2）桩端地基土的承载力特征值 实体基础埋深范围内土的加权平均重度：

45. 桩端地基土的承载力特征值： 3）桩端承载力验算 实体基础自重：取实体的混合重度为20kN/m3；水位以下，应扣除地下水的浮力，按10kN/m3计，则有 中心受压验算： 基础边缘最大压力验算： 满足要求。

46. 6．桩身承载力验算 1）施工阶段吊桩抗弯承载力校核 吊桩设计应符合下式要求： 满足施工阶段吊桩抗弯承载力要求。 2）使用阶段桩身承载力校核 满足使用阶段单桩承载力的要求。 7．承台承载力 1）桩顶荷载的净反力设计值 对由永久荷载效应控制的基本组合，按S=1.35Sk。

47. 选取20φ20 As=6284mm2 选取16φ18 As=4070.4mm2 3)柱下矩形独立承台抗冲切承载力验算 此例桩均布置刚好在冲切角锥体范围内，故可不作冲切验算。 4）承台抗剪验算 平行于Y轴的柱边抗剪承载力复核：

48. Ni为扣除承台和其上填土自重后相应于荷载效应基本组合时的第i桩竖向力设计值。 2）承台受弯承载力计算

49. 符合抗剪承载力要求。 对于平行X轴的柱边斜截面上的剪力较小，但抗剪截面较大，满足抗剪的要求。

50. 课外训练： • 作业1 桩基础设计与施工 （见项目手册） • 1环境要求 • 某拟建综合业务楼地上8层地下1层，框架结构，地下室底板埋深2.9m，地下水位埋深1.1m，拟采用柱下独立桩基础型式。其中某柱截面尺寸为600mm×600mm，柱荷载设计值为：F=4000kN，M=250kN·m，H=140。试按照二级桩基设计桩基础。场地典型地质剖面见图1，各土层物理力学性质指标见下表。 桩基础验算采用手算；承台计算采用TSSD软件；