《桩基础设计》课件.ppt

第十章第十章 桩基础设计桩基础设计10.1 10.1 桩基础的适用范围桩基础的适用范围10.2 10.2 桩基础的分类桩基础的分类10.3 10.3 建筑桩基设计等级建筑桩基设计等级10.4 10.4 静荷载试验确定单桩竖向极限承载力静荷载试验确定单桩竖向极限承载力10.5 10.5 影响桩顶作用效应的因素影响桩顶作用效应的因素10.6 10.6 确定桩型和截面尺寸的有关规定确定桩型和截面尺寸的有关规定10.7 10.7 桩身设计的有关规定桩身设计的有关规定10.8 10.8 桩承台设计的一般规定桩承台设计的一般规定 如果建筑场地浅层的土质不能满足建如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对筑物对地基承载力地基承载力和和变形变形的要求、而又不的要求、而又不宜采取地基处理措施时，就需要考虑以下宜采取地基处理措施时，就需要考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的部坚实土层或岩层作为持力层的深基础深基础方方案。案。桩基础桩基础是应用最为广泛的一类深基础。是应用最为广泛的一类深基础。概述一、概述一、概述u桩基础是最古老的基础型式之一。在人类有历史记载以前，就已经在地基土条件桩基础是最古老的基础型式之一。在人类有历史记载以前，就已经在地基土条件不良的河谷及洪积地区采用桩基础来建造房屋；在许多不同文化时期的初期，都可不良的河谷及洪积地区采用桩基础来建造房屋；在许多不同文化时期的初期，都可以找到桩基础的房屋。以找到桩基础的房屋。u1982年在智利发掘的文化遗址所见到的桩，距今大约有年在智利发掘的文化遗址所见到的桩，距今大约有1200014000年。年。u我国最早的桩基础距今大约有我国最早的桩基础距今大约有7000多年，是在浙江宁波附近的河姆渡，作为古代多年，是在浙江宁波附近的河姆渡，作为古代木结构建筑的基础是有圆木桩、方木桩和板桩组成的桩基础。圆木桩直径在木结构建筑的基础是有圆木桩、方木桩和板桩组成的桩基础。圆木桩直径在68cm之间，板桩厚之间，板桩厚，宽，宽1050cm，木桩均系下部削尖，入土深度最深达，木桩均系下部削尖，入土深度最深达115 cm。这。这是最早的桩的雏形。是最早的桩的雏形。u我国秦代的渭桥、隋朝的郑州超化寺、五代的杭州湾大海堤、南京的石头城和上我国秦代的渭桥、隋朝的郑州超化寺、五代的杭州湾大海堤、南京的石头城和上海的龙华塔等，都是我国古代桩基础的典范。海的龙华塔等，都是我国古代桩基础的典范。桩基技术发展的历史阶段桩基技术发展的历史阶段阶阶段段年代年代主要主要桩桩型型特点特点初期初期阶阶段段人人类类有有历历史史记载记载以前以前（我国（我国70007000多年前）多年前）1919世世纪纪木木桩桩石石桩桩1.1.由天然材料制作而成由天然材料制作而成 ，桩桩身身较较短，短，桩桩径小；径小；2.2.桩竖桩竖直直设设置，主要用于置，主要用于传递竖传递竖向荷向荷载载；3.3.多多设设置于地基条件不良的河谷及洪置于地基条件不良的河谷及洪积积地区地区4.4.采用采用简单简单人工人工锤锤打沉打沉桩桩。发发展展阶阶段段1919世世纪纪中叶中叶2020世世纪纪2020年代年代除天然材料做成的除天然材料做成的桩桩外，外，主要是混凝土主要是混凝土桩桩和和钢钢筋筋混凝土混凝土桩桩1.1.受水泥工受水泥工业业出出现现及其及其发发展的影响；展的影响；2.2.桩桩型不多，开始使用打型不多，开始使用打桩桩机械沉机械沉桩桩；3.3.桩桩基基设计设计理理论论和施工技和施工技术术比比较简单较简单，处处于于“萌芽萌芽”阶阶段；段；4.4.桩桩身尺寸有所身尺寸有所扩扩大，大，桩桩径径约约30cm30cm，桩长桩长9 915m15m；5.5.土力学的建立土力学的建立为桩为桩基技基技术术的的发发展提供了理展提供了理论论基基础础。现现代代化化阶阶 段段第二次世界第二次世界大大战战后后现现在在除除钢钢筋混凝土筋混凝土桩桩外，外，发发展了一系列的展了一系列的桩桩系，如系，如钢桩钢桩系列、水泥土系列、系列、水泥土系列、特种特种桩桩（超高（超高强强度、超度、超大直径、大直径、变变截面等）系截面等）系列，以及天然材料的砂列，以及天然材料的砂桩桩、灰土、灰土桩桩和石灰和石灰桩桩等。等。1.1.发发展了众多的新型的展了众多的新型的桩桩型，形成型，形成现现代代桩桩基基的各种不同体系；的各种不同体系；2.2.桩桩基技基技术术和理和理论论引引进进了其它学科的先了其它学科的先进进的的研究成果，大大地拓研究成果，大大地拓宽宽了它的研究了它的研究领领域和深域和深度，度，桩桩的的应应用范用范围围大大大大扩扩展；展；3.3.人工沉人工沉桩桩被复被复杂杂的机械和的机械和专门专门化的工化的工艺艺代代替。替。浅基础：浅基础：施工简单，造价低。有时承载力、变形施工简单，造价低。有时承载力、变形等不能满足要求等不能满足要求桩基础：桩基础：承载力高，沉降小，稳定性好。不需大承载力高，沉降小，稳定性好。不需大范围的开挖（支护、降水）。施工较为复杂，造范围的开挖（支护、降水）。施工较为复杂，造价较高。价较高。深基础深基础:埋置深度比较大，而且往往需要采用特埋置深度比较大，而且往往需要采用特殊的施工方法做成的基础。殊的施工方法做成的基础。深基础与浅基础的区别：深基础与浅基础的区别：1 1）埋置深度比较大；）埋置深度比较大；2 2）施工方法特殊；）施工方法特殊；3 3）荷载传递方式与浅基础有明显差异。）荷载传递方式与浅基础有明显差异。u桩桩完全或部分设置于土面以下，完全或部分设置于土面以下，可通过其侧壁和下端将荷载传至周围可通过其侧壁和下端将荷载传至周围土体和深层地基的竖直或倾斜状的受土体和深层地基的竖直或倾斜状的受力杆件。力杆件。u桩基础桩基础以桩为主体构成的深基础，以桩为主体构成的深基础，简称桩基。简称桩基。是由基桩和连接于桩顶的是由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。承台把桩联结起来并承台共同组成。承台把桩联结起来并承受上部结构的荷载，然后通过桩传承受上部结构的荷载，然后通过桩传递到地基中去。递到地基中去。桩基础具有承载力高、沉降小而均匀、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。泛适用于各类地层条件的突出优点。桩基础的造价相对较高。在基础选型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。时，一般应优先选用浅基础。桩与桩基础的概念桩与桩基础的概念 1.传递荷载；传递荷载；2.消除地基液化影响。对于液化地基，穿过液化消除地基液化影响。对于液化地基，穿过液化土层，将荷载传给稳定的不液化土层；土层，将荷载传给稳定的不液化土层；3.减小沉降；减小沉降；4.抵抗水平力、上拔力和倾覆力矩；抵抗水平力、上拔力和倾覆力矩；5.改变地基基础的动力特性。改变地基基础的动力特性。v 桩的作用：桩的作用：桥梁工程中的桩基础桥梁工程中的桩基础砖木结构，七层，高40.64 米，塔身外平面为八角形，建于公元978年(宋太平兴国三年)。塔基共分四层，第一层在离地表2米多处，打有直径米、长30米的木桩多根，桩间填有三合土，桩上铺米厚垫木，木上再加五层总厚达米的菱角牙子砖，最上层是用方砖砌成高约米砖基。龙华塔龙华塔建筑工程中的桩基础建筑工程中的桩基础沉井与桩基的组合沉井与桩基的组合二、桩基础的适用性二、桩基础的适用性1 1、地基上层土的土质太差而下层土的土质较好；或地基土、地基上层土的土质太差而下层土的土质较好；或地基土软硬不均；或荷载不均，不能满足上部结构对不均匀变形限软硬不均；或荷载不均，不能满足上部结构对不均匀变形限制的要求。制的要求。2.2.地基软弱或地基土性特殊，采用地基改良和加固措施不地基软弱或地基土性特殊，采用地基改良和加固措施不合适。合适。3.3.除承受较大竖向荷载外，尚有较大的偏心荷载、水平荷除承受较大竖向荷载外，尚有较大的偏心荷载、水平荷载、动力或周期性荷载作用。载、动力或周期性荷载作用。4.4.上部结构对基础的不均匀沉降相当敏感；或建筑物受到上部结构对基础的不均匀沉降相当敏感；或建筑物受到大面积地面超载的影响。大面积地面超载的影响。5.5.地下水位很高，采用其它基础型式施工困难；或位于水地下水位很高，采用其它基础型式施工困难；或位于水中的构筑物基础。中的构筑物基础。6.6.需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。三、桩基设计内容三、桩基设计内容1.1.选择桩的类型和几何尺寸；选择桩的类型和几何尺寸；2.2.确定单桩竖向和水平向承载力设计值；确定单桩竖向和水平向承载力设计值；3.3.确定桩的数量、间距和布桩方式；确定桩的数量、间距和布桩方式；4.4.验算桩基的承载力和沉降；验算桩基的承载力和沉降；5.5.桩身结构验算；桩身结构验算；6.6.承台设计；承台设计；7.7.绘制桩基施工图。绘制桩基施工图。四、桩基设计的基本原则四、桩基设计的基本原则u建建筑筑桩桩基基技技术术规规范范规规定定，建建筑筑桩桩基基采采用用概概率率极极限限状状态设计法。态设计法。1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态u建建筑筑桩桩基基按按其其破破坏坏后后果果的的严严重重性性分分为为三三个个安安全全等等级级（表表）。u建建筑筑桩桩基基按按其其安安全全等等级级和和地地基基的的土土质质情情况况进进行行不不同同内内容容的验算的验算建筑桩基设计等级u甲级甲级（1）重要的建筑）重要的建筑（2）30 层以上或高度超过层以上或高度超过100m 的高层建筑的高层建筑（3）体型复杂且层数相差超过）体型复杂且层数相差超过10 层的高低层层的高低层(含纯地下室含纯地下室)连体建筑连体建筑（4）20 层以上框架核心筒结构及其他对差异沉降有特殊要求的建筑层以上框架核心筒结构及其他对差异沉降有特殊要求的建筑（5）场地和地基条件复杂的）场地和地基条件复杂的7 层以上的一般建筑及坡地、岸边建筑层以上的一般建筑及坡地、岸边建筑（6）对相邻既有工程影响较大的建筑）对相邻既有工程影响较大的建筑u乙级乙级-除甲级、丙级以外的建筑除甲级、丙级以外的建筑u丙级丙级-场地和地基条件简单、荷载分布均匀的场地和地基条件简单、荷载分布均匀的 7 层及层及7 层以下的一般建层以下的一般建筑筑桩和桩基的分类及质量检测1.1.桩基的分类桩基的分类 u按桩的数量分类按桩的数量分类 1 1）单桩基础）单桩基础 2 2）群桩基础）群桩基础 u按承台位置分类按承台位置分类 1 1）高承台桩基）高承台桩基 2 2）低承台桩基）低承台桩基 低承台桩基低承台桩基:桩身全部埋于土中，承台底面桩身全部埋于土中，承台底面与土体接触的桩基础。与土体接触的桩基础。高承台桩基高承台桩基:桩身上部露出地面，承台底面桩身上部露出地面，承台底面位于地面以上的桩基础。位于地面以上的桩基础。低承台桩基低承台桩基高承台桩基高承台桩基高承台、低承台高承台、低承台桩和桩基的分类及质量检测1.1.桩基的分类桩基的分类 u按承台形式分类按承台形式分类 1 1）板式承台（矩形、三角形）板式承台（矩形、三角形）2 2）条形承台（十字交叉、环形）条形承台（十字交叉、环形）3 3）沉井、箱形、筏板）沉井、箱形、筏板直桩和斜桩直桩和斜桩建筑工程中的桩基础建筑工程中的桩基础沉井与桩基的组合沉井与桩基的组合桩和桩基的分类及质量检测2.2.桩的分类桩的分类 （1 1）按使用功能分类）按使用功能分类 （2 2）按承载性状分类）按承载性状分类 （3 3）按施工方法分类）按施工方法分类 （4 4）按桩的材料分类）按桩的材料分类 （5 5）按桩的直径分类）按桩的直径分类 （6 6）按桩的设置效应分类）按桩的设置效应分类（1 1）按使用功能分类）按使用功能分类 竖向抗压桩：竖向抗压桩：以承受竖向抗压荷载为主的桩，包括摩擦桩、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。端承桩和中间类型的桩。应进行竖向承载力计算，必要时还应进行竖向承载力计算，必要时还需计算桩基沉降，验算软弱下卧层的承载力以及负摩阻力产需计算桩基沉降，验算软弱下卧层的承载力以及负摩阻力产生的下拉荷载。生的下拉荷载。竖向抗拔桩：竖向抗拔桩：主要承受竖向上拔荷载的桩。主要承受竖向上拔荷载的桩。应进行应进行桩身强度和抗裂计算以及抗拔承载力验算。桩身强度和抗裂计算以及抗拔承载力验算。水平受荷桩：水平受荷桩：主要承受水平荷载的桩。主要承受水平荷载的桩。应进行桩身应进行桩身强度和抗裂验算以及水平承载力和位移验算。强度和抗裂验算以及水平承载力和位移验算。复合受荷桩复合受荷桩（也称为纵横弯曲桩）：承受竖向和水（也称为纵横弯曲桩）：承受竖向和水平荷载均较大的桩。平荷载均较大的桩。应按竖向抗压（或抗拔）桩及应按竖向抗压（或抗拔）桩及水平受荷桩的要求进行验算。水平受荷桩的要求进行验算。（2 2）承载性状分类）承载性状分类 l摩擦桩：摩擦桩：当软土层很当软土层很厚，桩端达不到坚硬厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上时，则土层或岩层上时，则桩顶的极限荷载主要桩顶的极限荷载主要靠桩身与周围土层之靠桩身与周围土层之间的摩擦力来支承，间的摩擦力来支承，桩尖处土层反力很小，桩尖处土层反力很小，可忽略不计。可忽略不计。l端承桩：端承桩：桩穿过软弱桩穿过软弱土层，桩端支承在坚土层，桩端支承在坚硬土层或岩层上时，硬土层或岩层上时，则桩顶极限荷载主要则桩顶极限荷载主要靠桩尖处坚硬岩土层靠桩尖处坚硬岩土层提供的反力来支承，提供的反力来支承，桩侧摩擦力很小，可桩侧摩擦力很小，可以忽略不计。以忽略不计。（2 2）承载性状分类）承载性状分类 l摩擦端承桩摩擦端承桩:桩顶的桩顶的极限荷载由桩侧阻力极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，和桩端阻力共同承担，但主要由桩端阻力承但主要由桩端阻力承受。受。l端承摩擦桩端承摩擦桩:桩顶的桩顶的极限荷载由桩侧阻力极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，和桩端阻力共同承担，但主要由桩侧阻力承但主要由桩侧阻力承受。受。（3 3）按桩的材料分类）按桩的材料分类混凝土桩：混凝土桩：包括普通钢筋混凝土桩和预应包括普通钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土桩。力钢筋混凝土桩。钢桩：钢桩：常用钢管桩和常用钢管桩和H H型桩。型桩。木桩：木桩：用木材制作而成。目前很少使用。用木材制作而成。目前很少使用。组合桩：组合桩：用两种或两种以上材料做成的桩。用两种或两种以上材料做成的桩。可因地制宜加以选取。可因地制宜加以选取。（4 4）按桩的直径分类）按桩的直径分类 大直径桩：大直径桩：桩径桩径d800mm。近年来的发展较快，应用范围近年来的发展较快，应用范围逐渐增大。因为桩径大且桩端还可以扩大，因此，单桩承载力逐渐增大。因为桩径大且桩端还可以扩大，因此，单桩承载力较高。此类桩除大直径钢管桩外，多数为钻、冲、挖孔灌注桩。较高。此类桩除大直径钢管桩外，多数为钻、冲、挖孔灌注桩。通常用于高层或重型建（构）筑物的基础，并可实现柱下单桩通常用于高层或重型建（构）筑物的基础，并可实现柱下单桩的结构型式。正因为如此，也决定了大直径桩施工质量的重要的结构型式。正因为如此，也决定了大直径桩施工质量的重要性。性。中等直径桩：中等直径桩：250mmd80)，可可取取s 6080mm对应的荷载。对应的荷载。u 也也可可根根据据沉沉降降随随时时间间的的变变化化特特征征确确定定Qu，取取 s-lgt曲曲线线尾尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值作为部出现明显向下弯曲的前一级荷载值作为Qu。3.按试验成果确定单桩承载力按试验成果确定单桩承载力单桩单桩 Q-s 曲线曲线 单桩单桩 s-logt 曲线曲线 国国外外广广泛泛采采用用以以土土力力学学原原理理为为基基础础的的单单桩桩极极限限承承载载力力公式。公式。Qu Qsu Qpu (G Apl)G表表示示桩桩的的重重力力，Apl为为与与桩桩同同体体积积的的土土重重，如如假假设设其值等于桩重其值等于桩重G，故上式可简化为：，故上式可简化为：Qu Qsu Qpu 三、按土的抗剪强度指标确定三、按土的抗剪强度指标确定 建建筑筑桩桩基基规规范范提提出出，当当按按双双桥桥探探头头静静力力触触探探资资料料确确定定混混凝凝土土预预制制桩桩单单桩桩竖竖向向极极限限承承载载力力标标准准值值Quk时时，对对于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算：于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算：Quk qcAp uli i fsi 粘性土和粉土粘性土和粉土 i （fsi）砂性土：砂性土：i （fsi）四、按静力触探法确定四、按静力触探法确定 1.一般预制桩及中小直径灌注桩一般预制桩及中小直径灌注桩 对对预预制制桩桩和和直直径径doFl(2800 0)2800 kN（可以）（可以）.角桩冲切，角桩冲切，c1 c2，a1x aox，1x ox a1y aoy，1y oy。1x(c2 a1y/2)1y(c1 a1x/2)ft ho (0.6+0.575/2)1100 0.715 987.7 kN oNmax 571.7 kN（可以）（可以）承台受剪切承载力计算承台受剪切承载力计算 剪跨比与以上冲跨比相同，故对剪跨比与以上冲跨比相同，故对I I斜截面：斜截面：x ox 0.804(介于之间介于之间)故剪切系数故剪切系数 所以所以 fcboho 96000.715 =1309.3 kN 2oNmax 2 1143.4 kN II II斜截面斜截面 按计，其受剪切承载力更大，故验算从略。按计，其受剪切承载力更大，故验算从略。承台受弯承载力计算承台受弯承载力计算 Mx Niyi 30.325 479.8 kNm 选用选用22 12 As 2488 mm2，沿平行，沿平行y轴方向均匀布置。轴方向均匀布置。My Nixi 20.757 862.5 kNm 选用选用14 20 As 4398 mm2，沿平行，沿平行x轴方向均匀布置。轴方向均匀布置。