基 础 工 程

1. 基 础 工 程 （第 5 章 桩基础）

2. 第5章 桩基础 5.1 概 述 5.2 竖向荷载下单桩的工作性能 5.3 单桩的竖向承载力 5.4 单桩的水平承载力 5.5 群桩基础的变形和桩顶内力计算 5.6 群桩基础的承载力和沉降检算 5.7 桩基础设计

3. 5.1 概 述 5.1.1 桩基础及其应用 5.1.2 桩和桩基的分类 5.1.3 桩的质量检验 5.1.4 桩基的设计原则

4. 5.1.1 桩基础及其应用 深基础——埋置深度比较大，而且往往需要采用特殊的施工方法做成的基础。 　　深基础与浅基础的区别： 1）埋置深度比较大； 2）施工方法特殊； 3）荷载传递方式与浅基础有明显差异。 　　深基础的类型：（见下图） 　　桩基础是深基础的代表。

5. 一、基础的类型（复习）

6. 桥梁工程中的桩基础

7. 建筑工程中的桩基础

9. 沉箱的施工过程

10. 地下连续墙井箱基础

11. 沉井与桩基的组合

12. 二、桩与桩基础的概念 桩完全或部分设置于土面以下，以竖直方向为主，可通 　　　过其侧壁和下端将荷载传至周围土体和深层地基的受 　　　力杆件。 桩基础以桩为主体构成的深基础，简称桩基。 　桩基础是一种重要的基础结构型式。和别的基础结构相比，桩基础具有承载力高、沉降小而均匀、用料较省、机械化程度高而且能够广泛适用于各类地层条件的突出优点。 　　桩基础在各类建筑工程中得到了极为广泛的应用，特别是当上部结构的荷载复杂而巨大，而浅部土层状态不佳时，桩基础更成为设计师的首要考虑对象 。 桩基础的造价相对较高。在基础选型时，一般应优先选用浅基础。

13. 三．桩与桩基础的发展历史 1982年在智利发掘的文化遗址所见到的桩大约距今有12000年至14000年。 1973年，考古工作者在浙江余姚的河姆渡发现了7000年前的木桩。

15. 19世纪20年代，人们开始使用铸铁板桩。 20世纪初，随着冶金业的进步，美国和欧洲开始使用各种形式的型钢制作桩基础。 钢筋混凝土桩在20世纪初叶问世。我国在20世纪50年代开始生产钢筋混凝土预制桩和预应力钢筋混凝土桩。 中国的钻孔灌注桩首先出现在河南。 随着成桩工艺的进步，为提高灌注桩的承载力，又出现了桩端和桩身局部扩大的各种形式的扩孔桩以及对灌注桩进行各种处理的新工艺。伴随着各种新工艺和新技术的引入，桩基础这种古老的基础结构形式又焕发了新的生命活力，并以前所未有的速度发展和变化着，在工程建设中充当着越来越重要的角色。

16. 5.1.2 桩和桩基的分类 1. 桩的类型 （1）按使用功能分类 1）竖向抗压桩——以承受竖向抗压荷载为主的桩，包括摩擦桩、端承桩和中间类型的桩。（p.125）

17. 2）竖向抗拔桩：主要承受竖向上拔荷载的桩。2）竖向抗拔桩：主要承受竖向上拔荷载的桩。 3）水平受荷桩：主要承受水平荷载的桩。 4）复合受荷桩（也称为纵横弯曲桩）：承受竖向和水平荷载均较大的桩。

18. （2）按施工方法分类 1）预制桩：预先制作好桩体，然后使用各种机械将其沉入土层中（p. 126）。 截面形状、直径大小、特别预应力管桩 2）灌注桩：用各种方法预先成孔，然后灌注混凝土而形成桩体（p. 127）。钻孔方法、人工挖孔、沉管灌注 3）其它桩：如钻孔插入桩，压力灌浆桩。 　要求较好地了解前两类桩的施工方法。

19. 预制混凝土管桩 • 采用先张法预应力工艺和离心成型法制作。 • 经高压蒸汽养护生产的称为PHC管桩，桩身混凝土强度≥C80。 • 未经高压蒸汽养护生产的称为PC管桩，桩身混凝土强度≥C60~80。 • 管径300~600mm，每节长6~13m。 • 设计承载力为200-300t左右。 • 通过焊接端头板接长。 • 下端设置开口的钢桩尖或封口十字刃桩尖。

20. CFG桩 • CFG桩：其实简而言之就是钻孔桩.可以采用长螺旋钻孔灌注桩,也可以采用套管成孔灌注桩。 • CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即cement fIying-ash gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。 • CFG桩不配筋。

21. CFG桩工作原理 • 它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。 • CFG桩复合地基通过褥垫层（干铺碎石，上做10cm的素砼：基础垫层）与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。 • 工作原理：由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小。 • 工程造价低：CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价

22. 灌注桩---沉管灌注桩 • 用锤击或振动等方法沉管成孔。 • 然后放钢筋笼、灌注混凝土并拔管，有单打、复打法和反插（灌满混凝土后，先振动再拔管，一般上拔0.5~1.0m，再反插0.3~0.5m。 • 桩径300-500mm，桩长20m以内。 • 优点设备简单、打进速度快、成本低。 • 缺点：断桩、离析和缩颈等现象。

23. 灌注桩---钻孔灌注桩 • 程序：成孔、下钢筋笼和导管、清孔、灌注混凝土和修筑承台。 • 成孔：根据土质可选用不同的钻具，常用的有：正反循环钻机、螺旋钻机、冲击钻机、冲抓钻机和旋挖钻机等。 • 目前国内钻（冲）孔灌注桩多采用泥浆护壁，泥浆选用膨润土或高塑性粘土现场拌制而成。 • 泥浆指标：相对密度1.1~1.15，粘度为10~25s，含砂率<6%,胶体率>95%,施工时泥浆面高出地下水位1米以上，清孔后水下灌注混凝土。 • 桩径为800、1000、1200、1500及以上。 • 优点：入土深，能进入岩层，刚度大，承载力高，桩身变形小，并可方便进行水下施工。

24. （3）按桩的设置效应分类 1）挤土桩：成桩过程中对土体有较大排挤和扰动。在不同的土层中有不同的效果，要注意在软土中易于引起危害。此类桩型主要有打入或静压的实心桩和闭口管桩。 2）部分挤土桩：成桩过程中对土体有明显排挤和扰动，但不如挤土桩强烈。此类桩主要有打入或静压的H型桩和开口管桩、螺旋钻孔桩和冲孔桩。 3）非挤土桩：成桩过程中对土体没有排挤作用的桩。相应的桩型为钻、挖孔桩。

25. 　　（4）按桩的材料分类 1）混凝土桩：包括普通钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土桩。 2）钢桩：常用钢管桩和H型桩。 3）木桩：用木材制作而成。目前很少使用。 4）组合桩：用两种或两种以上材料做成的桩。可因地制宜加以选取。

26. 　　（5）按桩的直径分类 1）大直径桩：直径大于800mm的桩。 2）中等直径桩：直径大于250mm但小于800mm的桩。 3）小桩：直径小于250mm的桩。 还有一些分类方式，比如按桩的截面形式、桩轴线的方位等。

27. 2. 桩基础的类型 　　（1）按桩的数量分类 1）单桩基础 2）群桩基础 　　（2）按承台位置分类 1）高承台桩基 2）低承台桩基 　　（3）按承台形式分类 1）板式承台（矩形、三角形） 2）条形承台（十字交叉、环形） 3）沉井、箱形、筏板

28. 5.1.3 桩的质量检验 　桩基础属于隐蔽工程，加之施工工艺特殊，故易于出现质量问题，因此必须加强质量监督和检验。 　常用检验方法如下： 1）开挖检验 2）抽芯检验：桩身内钻孔（孔径100-150mm），取芯样观察和抗压，了解有无离析、空洞、桩底沉渣和夹泥等现象。 3）声波透射法：预埋声测管，利用超声波在混凝土中的声学参数变化判断桩身质量。 4）静载试验 5）各类动力检验法：低应变和高应变两大类。

29. 5.1.4 桩基的设计原则 《建筑桩基技术规范》规定，建筑桩基采用概率极限状态设计法。 　 桩基的极限状态区分为两类： 1）承载能力极限状态： 达到最大承载能力导致整体失稳或发生不适宜继续承载的变形。 作用效应采用：基本组合和地震作用效应作何。 2）正常使用极限状态 桩基变形达到保证建筑物正常使用所规定的限值或达到耐久性要求的某些限值。 沉降验算采用荷载的长期效应组合； 水平位移、抗裂和裂缝验算应采用短期效应或短期效应组合并考虑长期效应的影响。

30. 5.2 竖向荷载下单桩的工作性能 5.2.1 桩的荷载传递 5.2.2 桩的荷载传递的一般规律 5.2.3 单桩的破坏模式 5.2.4 桩侧负摩阻力

31. 5.2.1 桩的荷载传递 桩受荷载的作用产生向下的位移，同时通过桩土间的摩擦力带动桩周的环形土体向下运动，这种运动通过土体间的剪应变一环一环地向外扩散，直到离桩心比较远的位置时才收敛为零。另外，当桩向下运动而使桩端土层产生压缩时，桩端土也会产生相应的抗力。这两种抗力合称为轴力桩的土阻抗。一般而言，桩的土阻抗由桩身位移而产生，随其发展而增长，一直到其极限。如果外荷载继续增加，桩土体系便进入破坏状态。 　对桩取脱离体，根据静力平衡关系，有 　当荷载达到极限时，上式改写为 （5-1） （5-2）

32. a) 变形示意 b) 影响范围 桩侧土的变形示意

33. 桩受轴向荷载作用时的基本分析图式如图5-9。设桩的截面积为A，截面周长为u，由微元体的平衡，可以写出下列方程：桩受轴向荷载作用时的基本分析图式如图5-9。设桩的截面积为A，截面周长为u，由微元体的平衡，可以写出下列方程： 　　化简后得到 dz段的压缩变形为： 　　代入式（5-4），得： （5-3） （5-4）

34. 图5-9 单桩轴向荷载传递的基本分析图式

35. 　写成标准形式，为： 　上式即为桩土体系荷载传递分析的基本微分方程，如果已知z的分布，理论上可通过该式的积分求得桩身各截面的位移和轴向力沿桩身的分布，分别如图5-9(c)和(e)所示。 式中

36. 5.2.2 桩的荷载传递的一般规律 1）承受竖向压力的桩，桩上部的摩阻力首先发挥，随时间或荷载的增加，摩阻力逐渐向下发展，桩端阻力也逐渐发挥。 2）发挥极限侧摩阻力所需的位移su对于黏性土一般约为5~10mm，对于砂类土一般约为10~20mm，但并非定值。 3）充分发挥桩端阻力需要较大的桩端位移，并与持力层性质、上覆荷载大小及桩径有关。 4）在粘性土中的桩，其桩侧摩阻力的分布随时间由桩身上部逐渐向下部转移，桩端阻力也随时间逐渐增大。

37. 5）桩端土与桩周土的刚度比Ep/Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快。5）桩端土与桩周土的刚度比Ep/Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快。 6）随桩土刚度比Ep/Es的增大，传递至桩端的荷载增大。 7）随桩的长径比L/d增大，传递至桩端的荷载减小，桩身下部侧阻发挥值也相应降低。 8）随桩端扩径比D/d增大，桩端阻力分担的荷载比则愈大。 桩的侧摩阻和桩的端阻均存在深度效应。

38. 5.2.3 单桩的破坏模式 单桩在轴向荷载的作用下的破坏模式取决于桩周土的抗剪强度、桩端支承情况、桩的尺寸以及桩的类型等条件。 　一般认为典型的破坏模式有桩材破坏和地基土破坏两大类，如图5-10所示。如详细区分还有一类，桩、土之间的界面破坏。 图5-10 轴向荷载下基桩的破坏模式

39. 5.2.4 桩侧负摩阻力 1. 负摩阻力的概念 2. 负摩阻力的分布特性 3. 负摩阻力的确定 4. 减小负摩阻力的工程措施

40. 1. 负摩阻力的概念 当桩周土体的沉降速率（或沉降量）大于桩的下沉速率（或沉降量）时，桩侧土体将对桩产生与桩的位移方向一致的摩擦力，即负摩阻力。工程中常见下列情形： 1）桩侧土层的大面积地下水位下降； 2）桩侧附近大面积堆载； 3）桩侧有较厚的欠固结土层或新填土； 4）在饱和软土中打下密集的桩群时； 5）位于湿陷性黄土、季节性冻土或可液化土层的桩。

41. 2. 负摩阻力的分布特性 中性点—— 在桩的某一深度ln以上，桩受负摩阻力作用；在ln深度以下，土对桩产生正摩阻力。在ln深度处的摩阻力为零，称该点为中性点。中性点处桩身轴力最大。 影响中性点深度ln的因素主要有： 1）桩端持力层的刚度； 2）桩周土层的变形性质和应力历史； 3）当负摩阻力系由沉桩后外部条件变化所致，则条件变化幅度和范围愈大，ln愈大； 4）桩的长径比愈小、截面刚度愈大，则ln愈大； 5）在桩承受荷载过程中，随承受荷载及沉降的增加，ln逐渐变小。 《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）推荐的ln值见表5-3。

42. 5-11

43. 3. 单桩负摩阻力的计算---（1）贝伦提出的有效应力法 《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）推荐采用有效应力法计算单桩负摩阻力标准值： （5-7） 负摩差阻力标准值 负摩差阻力系数 平均竖向有效应力 多数学者认为该法比较接近实际

44. 平均竖向有效应力的计算 当降低地下水位时，位于降水后地下水位以下第i层土平均竖向有效压力： 当降低地下水位时，位于降水后地下水位以上第i 层土平均竖向有效压力： 当地面作用满布均布荷载时： 44

45. （2）按经验公式计算负摩阻力 软土或中等强度粘土可按下式估算负摩阻力标准值 ： 砂类土也可按下式估算负摩阻力标准值 ： （5-8） 土的不排水剪切强度 经修正后的平均标准贯入锤击数 （5-9） 桩侧总的负摩阻力(下拉荷载)Qn为： 式中各符号的含义见p. 137。 （5-10）

46. 4. 消减与避免负摩阻力的技术措施 主要有降低摩擦法、隔离法、预处理等方法。 常用的工程措施有： （1）对预制桩采用在桩中性点以上涂层法；沥青或塑料薄膜。 （2）保证填土的密实度，并在填土稳定时成桩。 （3）预压措施。 （4）地基处理法（强夯或挤密等）； （5）其他方法。

47. 5.3 单桩的竖向承载力 确定原则 5.3.1 按材料强度确定 5.3.2 按单桩竖向抗压静载试验确定 5.3.3 按土的抗剪强度指标确定 5.3.4 按静力触探法确定 5.3.5 按经验公式法确定 5.3.6 按动力试桩法确定 5.3.7 桩的抗拔承载力 5.3.8 单桩竖向承载力特征值

48. 单桩承载力的确定原则 按《建筑桩基规范》，确定单桩竖向极限承载力标准值需满足下列规定： ①．一级建筑桩基应采用现场静载荷试验，并结合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定； ②．二级建筑桩基应根据静力触探、标准贯入、经验参数等估算，并参照地质条件相同的试桩资料综合确定。无可参照的试桩资料或地质条件复杂时，应由现场静载荷试验确定； ③．三级建筑桩基，如无原位测试资料，可利用承载力经验参数估算。

49. 5.3.1 按材料强度确定 按材料强度确定单桩竖向承载力时，可将桩视为轴心受压杆件，根据桩材按现行《混凝土结构设计规范》或《钢结构设计规范》计算。对于钢筋混凝土桩： 式中 桩受弯曲影响时的稳定系数 施工工艺系数：挖孔灌注桩取0.9，其他灌注桩取0.8，预制桩取1.0 （5-11）

50. 5.3.2 按单桩竖向抗压静载试验确定 1、试验目的 采用接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，确定单桩竖向（抗压）极限承载力，作为设计依据，或对工程桩的承载力进行抽样检验和评价。当埋设有桩底反力和桩身应力、应变测量元件时，尚可直接测定桩周各土层的极限侧阻力和极限端阻力。除对于以桩身承载力控制极限承载力的工程桩试验加载至承载力设计值的1.5-2倍外，其余试桩均应加载至破坏。