第三章：桩基础.ppt

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1、第三章 桩基础,第一节 概述 如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，而又不适宜采取地基处理措施时，就要考虑深基础方案了。深基础主要有桩基础、沉井和地下连续墙等几种类型，其中以桩基础应用最为广泛。,桩基础是最古老的基础型式之一。智利古文化遗址中发现的桩距今约有12000年。河姆渡遗址表明，在7000年前，我国已有采用木桩支承房屋的历史。在漫长的历史过程中，桩基有了很大的发展变化，特别是近代以来，桩基从型式到工艺和规模都有了飞跃发展。显现出强大的生命力和广阔的发展前景。,一、桩基础的组成与特点1.组成 桩基础是由埋于地基土中的若干根桩通过承台（或盖梁）将其联成一个整体而形成

2、的一种基础型式。,图3.1 桩基础1.承台；2.基桩；3.松软土层；4-.持力层；5.墩身,桩身可以全部或部分埋入地基土中，当桩身外露在地面上较高时，在桩之间还应加横系梁，以加强各桩之间的横向联系。若干根桩在平面排列上可成为一排或几排，所有桩的顶部有承台联成一整体。在承台上再修筑桥墩、桥台及上部结构。,2.作用 承台的作用是将外力传递给各桩并将各桩连城一体共同承受外荷载。基桩作用在于穿越软弱的压缩性土层或水中，将桩所承受的荷载传递到更硬、更密实或压缩性较小的地基持力层上。各桩所承受的荷载由桩通过桩侧土的摩阻力及桩端土的抗力将荷载传递到桩周土及持力层中，如图所示。3.特点 桩基础设计正确，施工得

3、当，则具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀，抗震能力强，适应性好，机械化程度高，生产效率高，耗用材料少、施工简便等特点。在河水河道中，可避免水下工程，抵抗河流冲刷，简化施工设备和技术要求，加快施工速度并改善工作条件。,二、桩基础的适用条件 基础类型往往通过多种方案的技术经济比较确定，下列情况下往往适宜采用桩基础。,(1)荷载较大，地基上部土层软弱，适宜地基持力层较深；(2)河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易正确计算，采用浅基础施工困难或不能保证基础的安全时；(3)当地基计算沉降过大或结构物对不均匀沉降敏感时；(4)当施工水位或地下水位较高时，采用桩基础可减小施工困难和避免水下施工；(5)

4、在地震区，以桩基作为地震区结构抗震措施或穿越可液化地基时。(6)当建筑物承受较大的水平荷载，需要减少建筑物的水平位移和倾斜时。(7)遇到特殊土，地基不稳定，采用桩基础可穿越不稳定土层，将荷载传至深层稳定土层中。(8)采用桩基础抵抗上拔力或倾覆时。,第二节 桩和桩基础的类型及构造一、桩按受力条件分类1.竖向受荷桩（1）摩擦型桩 桩穿过并支撑在各种压缩性土层中，在竖向荷载作用下，基桩所发挥的承载力以侧摩阻力为主，统称为摩擦型桩。包括：摩擦桩与端承摩擦桩。,摩擦型桩和端承型桩(a)摩擦桩;(b)端承摩擦桩;(c)摩擦端承桩;(d)端承桩,以下几种情况均视为摩擦型桩：当桩端无坚实持力层且不扩低时；当桩

5、的长径比很大时；当预制桩沉桩过程由于桩距小，已沉入桩上涌，桩端持力明显降低时。（2）端承型桩 桩穿越较松软土层，桩底支撑在坚实土层或岩层中，且桩的长径比不太大时，在竖向荷载作用下，基桩所发挥的承载力以柱底土层的抵抗力为主时，称为端承型桩。包括摩擦端承桩和端承桩两种。2.横向受荷桩（1）主动桩：桩顶受横向荷载作用，桩身轴线偏离初始位置，桩身所受土压力因桩主动变位而产生。风力、地震力等。（2）被动桩：沿桩身一定范围内承受侧向压力，桩轴线被该土压力作用而偏离初始位置。深基坑支护桩、坡体抗滑桩等。,（3）竖直桩与斜桩 按桩轴方向可分为竖直桩、单向斜桩和多向斜桩等。（见教材P50）二、按施工方法分类（1

6、）预制桩（沉桩）预制桩是按设计要求在工厂或预制现场制作成型的桩。1.打入桩：打入桩是通过锤击将各种预先制好的桩打入到地基内达到所需要的深度。适用于桩径小，地基土较软弱或松散。2.振动下沉桩：振动下沉桩是将大功率的振动打桩机安装在桩顶，利用振动力以减少土对桩的阻力，使桩沉入土中。对于较大桩径，土的抗剪强度受振动时有较大降低的砂土等地基效果更加明显。,3.静力压桩：利用重力将桩压入土中。适用于软粘土地基和不允许有强烈振动的情况下。预制桩的特点见教材（二）灌注桩1.钻、挖孔灌注桩1）钻孔灌注桩定义2）钻孔灌注桩的特点及适用条件 钻孔灌注桩的特点是施工设备简单、操作方便，适用于各种砂性土、粘性土，也适

7、用于碎、卵石类土层和岩层。对于淤泥及可能发生流砂或承压水的地基，施工较困难。3）挖孔灌注桩定义4）挖孔灌注桩特点及适用条件 挖孔灌注桩适用于无水或少水的较密实的各类土层中。桩的直径（或边长）不宜少于1.4m，孔深不宜超过20m。,对可能发生流砂或含较厚的软粘土层地基施工较困难；在地形狭窄、山坡陡峻处可以代替钻孔桩或较深的刚性扩大基础。挖孔桩的特点见教材。2.沉管灌注桩1）定义（见教材P52）2）特点及适用条件 由于采用了套管，可以避免钻孔灌注桩施工中可能产生的流砂、塌孔的危害和由泥浆护壁所带来的排渣等病害。但桩的直径较小，常用的尺寸在0.6m以下，桩长在20m以内，它适用于粘性土、砂性土地基。

8、在软粘土中由于沉管的挤压作用对邻桩有挤压影响，且挤压时产生的孔隙水压力易使拔管时出现混凝土桩缩径现象。各类灌注桩共同优点见教材：,三、高桩承台和低桩承台 桩基础按承台位置可以分为高桩承台基础和低桩承台基础（简称高桩承台和低桩承台）。高桩承台的承台底面位于地面（或冲刷线）以上，低桩承台的承台地面位于地面（或冲刷线）以下。高桩承台的结构特点是基础部分桩身沉入土中，部分桩身外露在地面以上（称为桩的自由长度），而低桩承台则基桩全部沉入土中（桩的自由长度为零）。,图3.4 桩基础承台类型(a)低承台桩基;(b)高承台桩基,高桩承台由于承台位置较高或设在施工水位以上，可减少墩台的圬工数量，可避免或减少水下

9、作业，施工较为方便，而且经济。然而，高桩承台基础刚度较小，在水平力作用下，由于承台及基桩露出地面的一段自由长度周围无土来共同承受水平外力，基桩的受力情况较为不利，桩身内力和位移都将大于在同样水平外力作用下的低桩承台，在稳定性方面低桩承台也较高桩承台好。四、不同桩身材料的桩及其构造 桩的构造指的是桩的几何形状、几何尺寸大小、采用什么材料、对材料的强度等级要求及含筋率高低等。（一）钢筋混凝土灌注桩构造要求见教材,（二）钢筋混凝土预制桩构造要求见教材。（三）钢桩1.钢桩的形式 钢桩的形式很多，主要有钢管型和H型钢桩，钢管桩的分段长度按施工条件确定，不宜超过12-15m，常用直径4001000mm.2

10、.钢管桩的设计厚度 钢管桩的设计厚度由有效厚度和腐蚀厚度两部分组成。有效厚度为管壁在外力作用下所需要的厚度。3.钢桩的防腐 钢桩防腐处理可采用外表涂防腐层，增加腐蚀余量及阴极保护。当钢管桩内壁同外界隔离时，可不考虑内壁防腐。,4.钢管桩的分类 钢管桩按桩端构造可分为开口桩和闭口桩两类。（四）承台的构造及桩与承台的连接 1.对承台的要求 对于多排桩基础，桩顶由承台连接成为一个整体。承台的平面尺寸和形状应根据上部结构（墩、台身）底截面尺寸和形状以及基础的平面布置而定，一般采用矩形和圆端形。承台厚度应保证承台有足够的强度和刚度，其厚度不宜小于1.5m。混凝土强度不应低于C25。对于空心墩台的承台，应

11、验算承台强度并设置必要的钢筋。2.桩和承台的连接 桩顶主筋深入承台连接：桩身嵌入承台的深度可采100mm；,伸入承台的桩顶主筋可做成喇叭形（约与竖直线倾斜15度；若受构造限制，主筋也可不做成喇叭形），深入承台内的主筋长度，光圆钢筋不应小于30倍钢筋直径（设弯沟），带肋钢筋不应小于35倍钢筋直径（不设弯沟）。,图3.6 桩和承台的连结,桩顶直接埋入承台连接：当桩径(或边长)小于0.6m时不应小于2倍桩径或边长;当桩径为0.61.2mm时不应小于1.2m；当桩径（或边长）大于1.2m时,埋入长度不应小于桩径（或边长）。,3.承台的钢筋构造 当桩顶直接埋入承台连接时，应在每根桩的顶面上设1-2层钢筋

12、网。当桩顶主筋伸入承台时，承台在桩身混凝土顶端平面内须设一层钢筋网，在每米内（按每一方向）设钢筋网12001500mm2,钢筋直径采用12-16mm，钢筋网在越过桩顶钢筋处不应截断。并应与桩顶主筋连接。钢筋网也可根据基桩和墩台的布置，按带状布置，如图所示。承台的顶面与侧面应设置表层钢筋网，每个面在两个方向的截面面积均不宜小于400mm2/m，钢筋间距不应大于400mm。,图3.7 承台底钢筋网,第三节：桩基础的施工 桩基础施工方法众多，现介绍几种常用的桩基础施工方法。主要包括施工工序、施工设备和施工技术要求。桩基础施工前应根据已定出的墩台或上部结构纵横中心轴线直接定出桩基础轴线和各基桩桩位，并

13、设值好固定标志或控制桩，以便施工时随时校核。一、钻孔灌注桩的施工 钻孔灌注桩施工应根据土质、桩径大小、入土深度和机具设备等条件选用适当的钻具和钻进方法。目前我国常使用的钻具有旋转钻、冲击钻和冲抓钻。以保证能顺利到达预计孔深，然后清孔、吊放钢筋笼架、灌注水下混凝土。现按施工顺序介绍其主要工序如下：（一）准备工作1.准备场地见教材p56（水上作业见图）,2.埋置护筒见教材p56；,3.制备泥浆见教材p56；4.安装钻机和钻架见教材p56。,（二）钻孔1.钻孔方法与钻具（1）旋转钻进成孔：利用钻具的旋转切削土体钻进，并同时采用循环泥浆的方法护壁排渣。（正循环与反循环）正反循环的特点见教材。,（2）冲

14、击钻进成孔（见教材P57）,（3）冲抓钻进成孔（见教材P58）,2.钻孔过程中容易发生的质量问题及处理方法（见教材P58）3.钻孔注意事项（见教材P58）（三）清孔及装吊钢筋骨架（见教材P58-P59）（四）灌注水下混凝土 目前我国多采用直升导管法灌注水下混凝土。1.灌注方法及有关设备,2.对混凝土强度的要求（见教材P59）3.灌注水下混凝土注意事项（见教材P60）二、挖孔灌注桩和沉管灌注桩的施工（一）挖孔灌注桩的施工 挖孔灌注桩施工，必须在保证安全的前提下不间断地快速进行，每一桩孔开挖、提升出土、排水、支撑、立模板、吊装钢筋混凝土等作业都应事先准备充分，紧密配合。1.开挖桩孔（见教材P60）

15、2.护壁和支撑（见教材P60）3.吊装钢筋骨架与灌注桩身混凝土（见教材P61）（二）沉管灌注桩施工（见教材P61）,三、打入桩的施工,打入桩靠撞锤的冲击能量将桩打入土中，因此桩径不能太大（在一般土质中桩径不大于0.6mm），桩的入土深度在一般土质中不超过40m，否则打桩设备要求较高，而打桩效率较低。打桩过程包括：桩架移动和定位、吊装和定桩、打桩、截桩和接桩。（一）桩锤（见教材P61）（二）桩架（见教材P62）（三）桩的吊运（见教材P62）（四）打桩过程中常遇到的问题（见教材P62）（五）打桩过程中常遇到的问题（见教材P62）,四、水中桩基础施工 水中修筑桩基础显然比旱地上施工要复杂困难得多，尤

16、其是在深水急流的大河中修筑桩基础。为了适应水中施工的环境，必然要增添浮运沉桩及有关的设备和采用水中施工的特殊方法。与旱地施工相比较，水中钻孔灌注桩的施工有如下特点（见教材P63）,（一）浅水中桩基础施工（自己看教材P63）（二）深水中桩基础施工,在宽大的江河深水中施工桩基础时，常采用笼架围堰和吊箱等施工方法。1.围堰法 在深水中低桩承台桩基础或墩身有相当长度需在水下施工时，常采用围拢修筑钢板桩围堰进行桩基础施工。钢板桩围堰桩基础施工的方法与步骤见（教材P63）,2.吊箱法与套箱法（1）吊箱法（见教材P64）,（2）套箱法（见教材P64）（3）沉井结合法（见教材P64）五、桩基础施工质量检测 桩

17、基础属于隐蔽工程，为了保证桩基础的安全可靠，必须加强桩基础施工质量检测，特别对于各种灌注桩，容易发生断桩、颈缩、局部混凝土密实度差和孔底沉渣过厚等质量问题，在成桩后进行施工质量检测至关重要。（一）桩身完整性检测（见教材P65）（二）单桩承载力检测（见教材P65）第四节 单桩承载力 一般情况下，桩受到轴向力、横轴向力力及弯矩作用，因此须分别研究和确定单桩的轴向承载力和横向承载力。,一、单桩轴向荷载传递机理和特点（一）荷载传递过程 在单桩上作用竖向荷载，桩顶将发生轴向位移，为桩身弹性压缩和桩底以下土层压缩之和。置于土中的桩与其侧面土是紧密接触的，当桩相对于土向下位移时就产生土对桩向上作用的桩侧摩阻

18、力。桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断克服这种摩阻力，使得桩身轴向力随深度逐渐减小，传至桩底的轴向力也即桩底支承反力，它等于桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力。桩顶荷载是通过桩侧摩阻力和桩底阻力传递给土体。土对桩的支承力由桩侧摩阻力和桩底阻力两部分构成。桩的极限荷载就等于桩侧极限摩阻力和桩底极限阻力之和。桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土之间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不同的。,试验表明：桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，在粘性土中约为桩底直径的25，在砂土中约为810%；而桩侧摩阻力只要桩土之间有不大的相对位移就能得到充分发挥。置于一般土层中的摩擦桩，桩底土层支承反

19、力发挥到极限值，则需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先达到极限值，然后桩底阻力才逐渐发挥，直至到达极限值。对于一般柱桩，桩底阻力占桩支承力的绝大部分，桩侧摩阻力很小，常忽略不计。（二）桩侧摩阻力的影响因素及其分布 桩侧摩阻力除与桩土间的相对位移有关，还与土的性质、桩的刚度、时间因素和土中应力状态以及桩的施工方法等因素有关。桩的侧摩阻力沿深度的分布规律较复杂，只能用试验研究方法，即桩在承受竖向荷载过程中，量测桩身内力和应变，计算各截面轴力，求得侧摩阻力分布或桩端阻力值。,为简化起见，现今常近似假设打入桩桩侧摩阻力在地面处为零，沿桩入土深度成线性分布；对钻孔灌注桩则近似假设

20、桩侧摩阻力沿桩身均匀分布。（三）桩底阻力的影响因素及其深度效应 桩底阻力与土的性质、持力层上覆荷载(覆盖土层厚度)、桩径、桩底作用力、时间及桩底进入持力层深度等因素有关，其主要影响因素仍为桩底地基土的性质。模型和现场的试验研究表明，桩的承载力（主要是桩底阻力）随着桩的入土深度，特别是进入持力层的深度而变化，这种特性称为深度效应。（四）单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式 轴向受压荷载作用下，单桩的破坏是由地基土强度破坏或桩身材料强度破坏所引起的。而地基土强度破坏居多。,（1）当桩底支承在很坚硬的地层，桩侧土为软土层，其抗剪强度很低时，桩在轴向受压荷载作用下，如同一受压杆件呈现纵向挠曲破坏，如图a

21、)。在荷载沉降（P-S）曲线上出现明显的破坏荷载。桩的承载力取决于桩身的材料强度。（2）当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时，桩在轴向受压荷载作用下，由于桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏，如图b)。在（P-S）曲线上可见明显的破坏荷载。桩的承载力主要取决于柱底土的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。（3）当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，桩在轴向受压荷载作用下将出现刺入式破坏，如图c)。根据荷载大小和土质不同，其（P-S）曲线上可能无明显转折点，或有明显转折点（表示破坏荷载）。,桩所承载的荷载

22、由桩侧摩阻力和桩底反力共同承担，一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏，且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。二、按土的支承力确定单桩轴向承载力容许值 单桩轴向承载力容许值，系指单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载。（一）静载试验法 垂直静载试验法即在桩顶逐级施加轴向荷载，直至桩达到破坏状态为止。并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向容许承效力。试桩可在已打好的工程桩中选定，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。考虑到试验场地的差异及试验的离散性，试桩数目应不小于基桩总数的2，且

23、不应少于2根；试桩的施工方法以及以桩的材料和尺寸、入土深度均应与设计桩相同。,1.试验装置 试验装置主要有加载系统和观测系统两部分组成。加载方法有堆载法和锚桩法两种。锚桩法是在试桩周围布置4-6根锚桩，常利用工程桩群。锚桩深度不小于试桩深度，且与试桩有一定距离，一般应大于试桩直径的3倍，以减小对试桩的影响。桩顶沉降常用百分表或位移计测量。观测装置的固定点（如基准桩）应与试桩和锚桩保持一定的距离。以避免受到试桩和锚桩位移的干扰。2.测试方法 试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏荷载的1/10-l/15；有时也采用递变加载方式，开始阶段每级荷载取预估破坏荷载的1/2.5-1/5。终了阶段取1/

24、10-l/15。测读沉降时间，在每级加荷后的第一小时内，按2、5、15、,15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。沉降稳定的标准，通常规定为：对砂性土为30min内沉降不超过0.1mm，对粘性土为1h内不超过0.1mm。待沉降稳定后，方可施加下一级荷载。循此加载观测，直至桩达到破坏状态，终止试验。当出现下列情况之一时，一般认为桩已达破坏状态，所相应施加的荷载即为破坏荷载：（1）桩的沉降量突然增大，总沉降量大干40mm，且本级荷载下的沉降量为的前一级荷载下沉降量的5倍以上；（2）本级荷载下桩的沉降量力为前一级荷载下沉降量的2倍，且24h桩的沉降未趋稳定

25、。破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷裁，从而确定单桩轴向容许承载力。,根据试验曲线综合评定基桩的极限承载力的方法（1）P-S曲线明显转折点法 在从P-S曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的荷载作为极限荷载。因为当荷载超过该荷载后，桩底下土体达到破坏阶段发生大量塑性变形，引起桩底发生较大或较长时间仍不停滞的沉降，所以在P-S曲线上呈现出明显的下弯转折点。但有时，P-S曲线转折点不明显，则极限荷载难以确定，需借助其他方法辅助判定，例如用对数坐标绘制1ogP-1ogS曲线，可能使转折点显得明确些。(2)S-logt法(沉降速率法)该方法是根据沉降随时间的变化特征来确定极限荷载，大量试验

26、资料分析表明，桩在破坏荷载以前的每级荷载作用,下的下沉量(S)与时间(t)的对数成线性关系，用公式表示为：,直线的斜率m在某种程度上反映了桩的沉降速率；m值不是常数，它随着桩顶荷载的增加而增大。m越大则桩的沉降速率越大。当桩顶荷载继续增大时，如发现绘得的S-logt线不是直线而是折线时，则说明在该级荷载作用下桩沉降骤增，即地基土塑性变形骤增，桩破坏。因此可将相应于S-logt线型由直线变为折线的那一级荷载定为该桩的破坏荷裁，其前一级荷载即为桩的极限荷载。（二）经验公式1.摩擦桩打入桩与钻（挖）孔灌注桩，由于施工方法不同，根据试验资料所得桩侧摩阻力和桩底阻力数据不同，所给出的计算式和有关数据也不

27、同。,（1）沉桩,（2）钻（挖）孔灌注桩,（3）管柱受压承载力容许值确定 管柱受压承载力容许值可按教材（3-4）计算，也可由专门试验确定。（4）单桩轴向受拉承载力容许值确定 当桩受拉时，单桩轴向受拉承载力容许值可按下式计算。,2.柱桩 支承在基岩上或嵌入岩层中的单桩，其轴向受压承载力容许值，取决于桩底处岩石的强度和嵌入岩石的深度，可按下式计算。,（三）静力分析法 静力分析法是根据土的极限平衡理论和土的强度理论，计算桩底极限阻力和桩侧极限摩阻力，然后将其除以安全系数从而确定单桩承载力容许值。1.桩底极限阻力的确定 把桩作为深埋基础，在做了某些假定的前提下，运用塑性力学中的极限平衡理论，导出地基极

28、限承载力（即桩底极限阻力）的理论公式：,2.桩侧极限摩阻力的确定,3.单桩轴向承载力 桩的极限阻力等于桩底极限阻力和桩侧极限摩阻力之和；单桩轴向承载力容许值为桩的极限阻力除以安全系数。,三、单桩横轴向承载力容许值的确定 桩的横向承载力，是指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。桩在横向力（包括弯矩）作用下的工作情况较轴向受力时要复杂，但仍然是从保证桩身材料和地基强度与稳定性以及桩顶水平位移满足使用要求来分析和确定桩的横轴向承载力容许值。（一）横向荷载作用下桩的破坏机理和特点 横向荷载作用下，桩产生横向位移和挠曲，并与桩侧土协调变形。桩身对土产生侧向压应力，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力。桩

29、土共同作用，相互影响。通常有下列两种情况：第一种情况，当桩径较大，入土深度较小或周围土层较松软，即桩的刚度远大于土层刚度时，受横向力作用后桩身挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一点转动，见图3-17a）。,如果不断增大横向荷载，则可能由于桩侧土强度不够而失稳，使桩丧失承载的能力或破坏，因此，基桩的横向承载力容许值可能由桩侧土的强度及稳定性决定。第二种情况，当桩径较小，入土深度较大或周围土层较坚,实，即桩的相对刚度较小时，由于桩侧土有足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度增大而逐渐减小，以致达到一定深度后，几乎不受荷载影响。形成一端嵌固的地基梁，桩的变形呈图3-17b）所示的

30、波状曲线。如果,不断增大横向荷载，可使桩身在较大弯矩处发生断裂或使桩发生过大的侧向位移超过了桩或结构物的容许变形值。因此，基桩的横向承载力容许值将由桩身材料的抗剪强度或侧向变形条件决定。（二）单桩横向承载力容许值的确定方法 确定单桩横向承载力容许值有水平静载试验和分析计算法两种。1.单桩水平静载试验 桩的水平静载试验是确定桩的横向承载力的较可靠的方法，也是常用的研究分析试验方法。1）试验装置 试验装置如图3-18所示。采用千斤顶施加水平荷载，其施力点位置宜放在实际受力点位置。在千斤顶与试桩接触处宜安置一球形铰座，以保证,2）加载方法 试验加载方法有两种：单向多循环加载法或慢速连续法。（1）单向

31、多循环加载法 这种方法可模拟基础承受反复水平荷载的情形。,千斤顶作用力能水平通过桩身轴线。桩身水平位移宜采用大量程百分表测量。固定百分表的基桩宜打设在试桩侧面靠位移的反方向，与试桩的净距不小于1倍试桩直径。,（2）慢速连续加载法,（3）单向单循环恒速水平加载法 此法加载法是加载每级荷载维持20min，第0min、5min、10min、15min、20min测读位移。卸载每级维持10min,第0min、5min、10min测读。零荷载维持30min，第0min、10min、20min、30min测读。在恒定荷载下，横变急剧增加、变位速率逐渐加快；或已达到试验要求的最大荷载或最大变位时即可终止加载

32、。此法确定临界荷载及极限荷载的方法同慢速加载法。用上述方法求得的极限荷载除以安全系数，既得桩的横向承载力容许值，安全系数一般取2。用水平静载试验确定单桩横向承载力容许值时，还应注意按上述强度条件确定的极限荷载时的位移，是否超过结构使用要,求的水平位移，否则应按变形条件控制，目前在水平静载荷试验中根据公路桥涵基础设计规范有关的规定可取试桩在地面处水平位移不超过6mm，定为确定单桩承载力判别标准。2.分析计算法见建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）。四、按桩身材料强度确定单桩承载力 一般情况。桩的竖向承载力往往由土对桩的承载力控制。但当桩穿过极软弱土层，支承于岩层或坚硬的土层上时，单桩竖向承载

33、力往往由桩身材料强度控制。此时，基桩将像一根受压杆件，在竖向荷载作用下，将发生纵向挠曲破坏而丧失稳定性，而且这种破坏往往发生于截面承压强度破坏以前，因此验算时尚需考虑纵向挠曲影响，即截面强度应乘以纵向挠曲系数。,根据公路桥涵设计通用规范，对于钢筋混凝土桩，当配有普通钢筋时，可按下式确定基桩的竖向承载力。,五、桩的负摩阻力（一）负摩阻力的意义及其产生原因 一般情况下，桩受轴向荷载作用后，桩相对于桩侧土体作向下位移，土对桩产生向上作用的摩阻力，成为正摩阻力。桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降速率大于桩的下沉时，则桩侧土就相对于桩作向下位移，而使土对桩产生向下作用的摩阻力，即称其为负摩阻力。桩负摩阻

34、力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩，因此，负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，使桩的外荷载增大，桩承载力相对降低，桩基沉降加大，这在桩基设计中应予以注意。桩的负摩阻力能否产生，主要是看桩与桩周土的相对位移发展情况。桩的负摩阻力产生的原因有：,（1）在桩基础附近地面大面堆载，引起地面沉降，对桩产生负摩阻力，对于桥头路提高填土的桥台桩基础，要特别注意负摩阻力问题；（2）土层中抽取地下水或其他原因，地下水位下降，使土层产生自重固结下沉；（3）桩穿过欠固结土层（如填土）进入硬持力层，土层产生自重固结下沉；（4）桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土中产生很大的超空隙水压力，

35、打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉；（5）在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。从上述可见，当桩穿过软弱高压缩性土层而支承在坚硬的持力层上时最易发生桩的负摩阻力问题。要确定桩身负摩阻力的大小，就要先确定土层产生负摩阻力的范围和负摩阻力强度的大小。,（二）中性点及位置的确定 正负摩阻力变换处的位置称为中性点。,桩侧土下沉量有可能在某一深度处与桩身的位移量相等。在此深度以上桩侧土下沉大于桩的位移，桩身受到向下作用的负摩阻力；在此深度以下，桩的位移大于桩侧土的下沉，桩身受到向上作用的正摩阻力。正、负摩阻力变换处的位置，即称中性点，图中O1所示。中性点位置取决于桩与桩侧土的相对位移，

36、与作用荷载和桩周土性质有关。精确计算出中性点位置是比较麻烦和困难的，可按经验值确定。,（三）负摩阻力的计算 对于软粘土层的负摩阻强度计算，可按太沙基所建议的方法计算，即：,第五节 横向受荷桩内力和位移计算 桩在横轴向荷载作用下桩身的内力和位移计算，国内外学者提出了许多方法。目前较为普遍的是桩侧土采用文克尔假定，通过求解挠曲微分方程，再结合力的平衡条件，求出桩各部位的内力和位移，该方法成为弹性地基梁法。以文克尔假定为基础的弹性地基梁法从土力学观点是不够严格的，但其基本概念明确，方法简单，所得结果一般较安全，在国内外工程界得到广泛应用。我国公路、铁路在桩基础的设计中常用的“m”法，就属此类方法。一

37、、基本概念（一）土的弹性抗力及其分布规律1.土抗力的概念及定义式（1）概念 桩基础在荷载(包括轴向荷载、横轴向荷载和力矩)作用下产生,（包括竖向位移、水平位移和转角）。桩的竖向位移引起桩侧土的摩阻力和桩底土的抵抗力。桩身的水平位移及转角使桩挤压桩侧土体，桩侧土必然对桩产生一横向土抗力ZX，它起抵抗外力和稳定桩基础的作用，土的这种作用力称为土的弹性抗力。（2）定义式,2.影响土抗力的因素（1）土体性质；（2）桩身刚度；（3）桩的入土深度；（4）桩的截面形状；（5）桩距及荷载等因素3.地基系数的概念及确定方法。,（1）概念 地基系数C表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需施加的力。单位为KN

38、/m3或MN/m3。（2）确定方法 地基系数的大小与地基土的类别、物理力学性质有关。地基系数C值是通过对试桩在不同类别土质及不同深度进行实测xZ及 ZX后反算得到。大量试验表明，地基系数C值不仅与土的类别及其性质有关，而且也随深度而变化。由于实测的客观条件和分析方法不尽相同等原因，所采用的C值随深度的分布规律也各有不同。常用的几种地基系数分布规律如下图所示的几种形式。（二）单桩、单排桩与多排桩1.单排桩的概念与力的分配（1）概念 是指与水平外力H作用面相垂直的平面上，仅有一根或一排桩的桩基础。,（2）力的分配 对于单排桩，如图3-25所示桥墩作纵向验算时，若作用于承台底面中心的荷载为N、H、M

39、y，当N在单排桩上无,偏心时，可以假定它是平均分布在各桩上的，即：,2.多排桩概念：指在水平外力作用平面内有一根以上桩的桩基础。（三）桩的计算宽度1.定义 计算桩的内力及位移时不直接采用桩的设计宽度（直径），而是换算成实际工作条件下相当于矩形截面桩的宽度b1，b1称为桩的计算宽度。2.计算宽度的确定方法 根据已有的试验资料分析，现行规范认为计算宽度的换算方法可以用下式表示。,（四）刚性桩与弹性桩 为计算方便，按照桩与土的相对刚度，将桩分为刚性桩和弹性桩。1.弹性桩 2.刚性桩二、“m”法弹性单排桩基桩内力和位移计算（一）计算参数 地基土水平抗力系数的比例系数m值宜通过桩的水平静载试验确定。但某

40、些建筑物可采用规范规定的经验值确定。,（二）符号规定 在公式推导和计算中，取图3-29所示的坐标系统，对力和位移的符号作如下规定：横向位移顺x轴正方向为正值；转角逆时针方向为正值；弯矩当左侧受拉时为正值；横向力顺x轴方向为正值，如图3-30所示。,（三）桩的挠曲微分方程的建立及其解,（四）无量纲法（桩身在地面以下任一深度处的内力和位移的简捷算法）,（五）桩身最大弯矩位置及最大弯矩的确定,（六）桩顶位移的计算,七、单排桩基础算例（1）基本设计资料1）水文与地质资料,2）桩基础尺寸与材料,3）计算荷载,（2）计算1）桩长的计算 由于地基土层单一，用确定单桩容许承载力的公桥基规（JTG D63-20

41、07）公式反算估算桩长，设该桩埋入最大冲刷线以下深度为h2，一般冲刷线下深度为h3，一根桩受到的全部竖直荷载（kN），最大冲刷线以下（入土深度）的桩重的一半作外荷载计算。则,2）桩的内力及位移计算确定桩的计算宽度b1b1=kkf（d+1）=1.00.9（1.6+1）=2.34m计算桩的变形系数,计算墩帽顶上外力Pi、Qi、Mi及最大冲刷线处桩上P0、Q0、M0 根据公桥基规（JTG D63-2007），恒载安全系数为1.2，活载系数为1.4，则按一跨活载计算墩帽顶外力为,地面以下深度Z处桩身截面上的弯矩Mz与剪力Qi,桩身水平位移,桩顶水平位移：由于露出地面部分为变截面，其柱、桩刚度之比为：,

42、第六节 群桩基础承载力验算及承台的计算一、群桩基础承载力的验算 当由柱桩组成的群桩基础，群桩的承载力等于单桩承载力之和，群桩基础沉降等于单桩沉降，群桩效应可以忽略不计，不需要进行群桩承载力验算。即使由摩擦桩组成的群桩基础，在一定的条件下也不需要验算群桩基础的承载力。例如，建筑桩基础规定根数少于3根的群桩基础，桥梁工程中规定桩距小于6倍桩径时，只要验算单桩的承载力就可以了。如不满足规范条件要求时，除了验算单桩承载力外，还需要验算柱底持力层的承载力。,如有需要，可以将群桩基础作为一个实体基础，用分层总和法计算桩端以下持力层的沉降量。持力层下有软弱土层时，还应验算软弱下卧层的承载力。二、承台计算 承

43、台是桩基础的一个重要组成部分。承台应有足够的强度和刚度，以便把上部结构的荷载传递给各桩，并将各桩连接成整体。承台设计包括承台材料、形状、高度、底面高程和平面尺寸的确定以及强度验算，并符合构造要求。承台按极限状态设计，一般应进行局部受压、抗冲剪、抗弯和抗剪验算。（一）桩顶处的局部受压验算,桩顶作用于承台混凝土的压力，如不考虑桩身与承台混凝土间的粘聚力，局部承压时按下式计算。,（二）桩对承台的冲剪,（三）承台抗弯及抗剪强度验算承台应有足够的厚度及受力钢筋以保证其抗弯及抗剪强度。1.承台抗弯验算,2.承台抗剪切强度验算,第七节：桩基础设计,设计桩基础应根据上部结构的形式与使用要求，荷载的性质与大小，

44、地质和水文资料，以及材料供应和施工条件等，确定适宜的桩基础类型和各组成部分的尺寸，保证承台、基桩和地基在强度、变形和稳定性方面，满足安全和使用上的要求，并应同时考虑技术和经济上的可行性和合理性。桩基础的设计方法与步骤一般先根据收集的必要设计资料，拟定出设计方案（包括选择桩基类型、桩长、桩径、桩的布置、承台位置与尺寸等），然后进行基桩和承台以及桩基础整体的强度、稳定、变形验算，经过计算、比较、修正直至符合各项要求，最后确定较佳的设计方案。一、桩基础类型的选择 选择桩基础类型，应根据设计要求、场地地质条件、施工,条件、施工水平、各种类型桩的特性及经济技术水平等因素，综合分析选择。（一）承台底面标高

45、的考虑 承台底面的标高应根据桩的受力情况，桩的刚度和地形、地质、水流、施工等条件确定。埋入土层中的低桩承台的底面标高可参照浅基础埋深的条件考虑。当承台在水中、有流冰的河道，承台底面应低于最低冰层底面以下不少于0.25m；在有漂浮物或通航的河道，承台底面也应适当放低，以保证基桩不会直接受到撞击，否则要设置防撞装置。对于常年有流水，冲刷较深，或水位较高，施工排水困难，在受力条件允许时，应尽可能采用高桩承台。,（二）柱桩桩基与摩擦桩桩基的考虑 柱桩与摩擦桩的选择主要根据地质和受力条件确定。柱桩桩基础承载力较大，沉降量较小，较为安全可靠，因此当基岩埋深较浅时，应考虑采用柱桩桩基。若岩层埋置较深或受施工

46、条件的限制不宜采用柱桩，则可采用摩擦桩。在同一桩基中不宜同时采用柱桩和摩擦桩，同时也不宜采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩，以避免桩基产生不均匀沉降和丧失稳定性。当采用柱桩时，如果覆盖层较薄，或水平荷载较大时，需要将桩底嵌入基岩中一定深度形成嵌固桩，以增加桩的稳定性和承载力。埋入基岩中的最小深度，应分别考虑弯矩和轴力的要求，由要求较大者来进行控制设计。,式中：b垂直于弯矩作用平面桩的边长（m）。二、桩径、桩长的拟定 桩径与桩长的设计，应综合考虑荷载的大小、土层性质与桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比以及施工设备与技术条件等因素后确定。,设计时，首先拟定尺寸，然后通过基桩计算和

47、验算，视所拟定的尺寸是否经济合理，再形最后确定。（一）桩径拟定 桩的类型选定后，桩的截面尺寸可根据各类桩的特点与常用尺寸选择确定。（二）桩长拟定 桩长的拟定关键在于选择桩底的持力层，设计时可先根据地质条件选择合适的持力层，初步确定桩长，并考虑施工的可能性（如打桩设备能力或钻进的最大深度）。对于摩擦桩，有时持力层可能有多种选择，此时桩长的确定与桩数的多少产生牵连。应进行比较选择。三、确定基桩的根数及其在平面的布置（一）桩的根数估算,一个基础所需桩的根数可根据承台底面上的竖向荷载和单桩容许承力按下式估算 式中：n桩的根数；N作用在承台底面上的竖向荷载（kN）；P单桩容许承载力（kN）；考虑偏心荷载

48、时各桩受力不均而适当增加桩数的经验系数，可取=1.11.2 此外，桩数的确定与水平荷载、承台尺寸、桩长和桩的间距的确定相关连，确定时要综和考虑。（二）桩间距的确定 考虑桩与桩侧土的共同作用条件和施工的需要，对桩轴线中心距离（桩的间距）应有一定的限制。,钻（挖）孔灌注桩的摩擦桩中心距不得小于2.5倍成孔直径；柱桩的中心距不得小于2倍成孔直径；桩的最大中心距一般也不超过56倍桩径。打入桩的中心距不应小于桩径的3倍。为了避免承台边缘距桩身过近而发生破裂，并考虑桩顶位置允许的偏差，边桩外侧到承台边缘的距离，对于桩径小于等于1.0m的桩不应小于0.5倍桩径，且不小于0.25m；对,于桩径大于1.0m的桩

49、不应小于0.3倍桩径，并不小于0.5m（盖梁不受此限制）。桩的根数确定以后，可根据桩基受力情况选用单排桩或多排桩。多排桩的排列形式常采用行列式和梅花式。,设计布置时应尽可能使桩群横截面的重心与荷载合力作用点重合或接近，通常桥墩桩基础中的基桩采取对称布置，而桥台多排桩桩基础视受力情况在纵桥向采用非对称布置。当作用于桩基的弯矩较大时，宜尽量将桩布置在离承台形心较远处，采用外密内疏的布置方式，以增大基桩对承台形心或合力作用点的惯性矩，提高桩基的抗弯能力。四、桩基础设计计算与验算内容（一）单根基桩的验算1.单桩轴向承载力的验算2.单桩横向承载力验算3.单桩水平位移及墩台顶水平位移验算（二）群桩基础承载力和沉降量的验算（三）承台强度验算,