桩基知识

  第4章
桩基础4.1　概述
桩基础由设置在土中的桩和承接上部结构的承台组成。桩——是将承台荷载（竖向的和水平的）全部或部分传递给地基土（或岩层）的具有一定刚度和抗弯能力的杆件。桩在平面内可布置成方形或矩形网格，或三角形及梅花形网格。桩可为等间距的，也可为不等间距的。（单桩），也可承接几根桩，也可承接一片桩。
单桩：一个承台承接一根桩就称为单桩
群桩：一个承台将各根桩在上端联成一体，为群桩。

桩基础在工程中有多方面的应用，就房屋建筑工程而言，桩基础适用于上部土层软弱而下部土层坚实的场地。具体地说，下列情况往往适宜采用桩基础：

（1）
高重建筑物下，天然地基承载力与变形不能满足要求时；

（2）
地基软弱，且采用地基加固措施技术上不可行或经济上不合理时；

（3）
地基软硬不均或荷载分布不均，天然地基不能满足结构物对差异沉降限制的要求时；

（4）地基土性不稳定，如液化土、湿陷性黄土、季节性冻土、膨胀土等，要求采用桩基将荷载传至深部土性稳定的土层时；

（5）建筑物受到相邻建筑物或地面堆载影响，采用浅基础将会产生过量沉降或倾斜时。
桩基已成为软弱地基上高、重建筑物、桥梁、码头、海洋平台等结构的最常用的基础形式。
4.2
桩的类型及施工工艺
一、按施工工艺分类
（1）预制桩
定义：指借助于专用机械设备将预先制作好的具有一定形状、刚度与构造的桩杆打入、压入或振入土中去的桩型。

1）预制桩的种类
预制桩的种类：据制桩材料不同，主要有钢筋混凝土桩和钢桩
① 钢筋混凝土桩：可方便地按所需长度、断面形状与尺寸进行制作（制作方便），材料易得，质量可控制与检验，强度高、刚度大，采用广泛。
②预应力钢筋混凝土桩，指将钢筋混凝土桩的部分或全部主筋作为预应力张拉钢筋，采用先张法或后张法对桩身混凝土施加预压应力，以减小桩身混凝土的锤击拉应力和弯拉应力，提高桩的抗冲（锤）击能与抗弯能力。其特点为：强度高、抗裂性好。
③ 钢桩：强度高、抗冲击疲劳和贯入能力强，方便割接和运输，质量可靠，沉桩速度快及挤土效应较小等特点。但造价高。

2）预制桩的施工工艺
包括桩与沉桩两部分，沉桩工艺随沉桩机械而变，主要有：锤击式、静压式和振动式。
① 锤击式（打桩）
系采用蒸汽锤、柴油锤、液压锤等，依靠沉重的锤芯自由下落以及部分包含液压产生的冲击力，将桩体贯入土中，直至设计深度。
缺点：会产生较大的振动、挤土和噪声，引起邻近建筑物或地下管线的附加沉降或隆起，妨碍人们的正常生活与工作。
措施：施工时应加强对邻近建筑物和地下管线的变形监测与施工控制，并采取周密的防护措施。适用于松软土地质条件和较空旷的地区。
② 静压式
采用液压或机械方法对桩顶施加静压力而将桩压入土中设计标高。施工过程中无振动和噪声。适宜在软土地带城区施工。但应注意，其挤土效应仍不可忽略，亦应采取防挤措施。静压桩机压桩力一般约为800kN至500OkN，最大压桩力已达80OOkN。
③ 振动式
凭借放置于桩顶的振动锤使桩产生振动，从而使桩周±体受扰动或液化，强度和阻力大大降低，于是桩体在自重和动力荷载作用下沉入土中。选用时应考虑其振动、噪声和挤土效应。
（2）灌注桩
定义：指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成的桩孔内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。
优点：省去了预制桩的制作、运输、吊装和打入等工序，桩不承受这些过程中的弯折和锤击应力，节省了钢材和造价。同时更能适应基岩起伏变化剧烈的地质条件（适应性强）。
缺点：成桩过程完全在地下“隐蔽”完成。施工过程中的许多环节把握不当则会影响成桩质量。以下为按成孔方法分类：
① 沉管灌注桩
施工过程：沉管、放笼、灌注、拔管。沉管可锤击、振动和静压任一种。
优点：在钢管内无水环境中沉放钢筋笼和浇灌混凝土，为桩身混凝土的质量提供了保障。
缺点：一是提管速度过快会造成缩颈、夹泥、甚至断桩；二是沉管过程中产生挤土效应除产生与预制桩类似的影响处，还可能使混凝土尚未结硬的邻桩被剪断。
对策：a.控制提管速度，并振动桩管，不让管内产生负压，
b.提高桩身混凝土的密实度并保持其连续性；
c.采用“跳打”顺序施工，待混凝土强度足够时再在它的近旁施打相邻桩。

② 钻孔灌注桩
定义：指各种在地面用机械方法取土成孔的灌注桩。
步骤：成孔、沉放导管和钢筋笼、浇灌水下混凝土成桩。
优点：施工过程无挤土、无振动、噪声小，对邻近建筑物及地下管线危害较小，且桩径不受限制，是城区高层建筑常用桩型。常用直径：600mm,800,3000
缺点：泥浆沉淀不易清除，以至使其端部承载力不能充分发挥，并造成较大沉降。
措施：孔底夯填碎石消除淤泥沉淀或桩底注浆，置换与加固沉淀泥浆。
③ 挖孔灌注桩
定义：指工人下到井底挖土护壁成孔的灌注桩，简称挖孔桩。
工艺特点：边挖土边做护壁，逐层成孔。护壁有：木板钢环梁或套筒式金属壳，现多用现浇混凝土护壁。
适用环境：适用于粘性土和地下水位较低的条件，不能在含水砂层中施工，易引起流砂坍孔
优点：一是直观性，可在开挖面直接鉴别和检验孔壁和孔底的土质情况；二是能直能测定与控制桩身与桩底的直径及形状等，克服“隐蔽性”。三是干作业，挖土和浇灌混凝土都是在无水环境下进行，避免了泥水对桩身质量和承载力的影响。四是施工过程对周围没有挤土影响；五是不必采用大型机械、造价低。但需注意安全。

二、按桩材分类
（1）混凝土桩：分为混凝土预制桩和混凝土灌注桩(简称灌注桩)两类。各种混凝土桩是目前最广泛使用的基桩。
（2）钢桩：常见的是型钢和钢管两类。
（3）组合桩：即不同人土深度分段用不同材料的桩。
三、按桩的使用功能分类
（1）竖向抗压桩：一般的房屋建筑，在正常工作的条件下(如不承受地震荷载，或抗震设防烈度不高而建筑物高度亦不大)，主要承受上部结构传来的垂直荷载。
（2）水平受荷桩：港口工程的板桩、基坑的支护桩等，都是主要承受水平荷载的桩。桩身的稳定依靠桩侧土的抗力，往往还设置水平支撑或拉锚以承受部分水平力。
（3）抗拔桩：指的是主要承受拉拔荷载的桩。如板桩墙背的锚桩和受浮力的构筑物在浮力作用下自身不能稳定而在底板下设置的锚桩。
四、按桩的承载性状分类
（1）摩擦桩
通过桩侧面传递全部或部分荷载于土层中，它主要依靠桩身侧面与土之间的摩擦力支承，同时也考虑桩端下土的支承作用。对于全部荷载都由摩擦力传递的桩称为纯摩擦桩，实承上桩身周围及桩端以下都是软弱土的桩就属于这种情况。
（2）端承桩
通过桩端传递荷载，而不考虑桩身侧面与土的摩擦力。实用上将桩的端部置于岩层或坚实土层中。

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五、按成桩方法分类
（1）挤土桩(也称排土桩)：这类桩在设置过程中，桩周土被挤开，使土的工程性质与天然状态比较，发生较大变化。挤土桩主要包括打入或压入预制混凝土桩、封底钢管桩和混凝土管桩和沉管式的灌注桩等；

（2）部分挤土桩(也称少量排土桩)：这类桩在设置过程中，由于挤土作用轻微，故桩周土的工程性质变化不大。这类桩主要有打入的截面厚度不大的工字型和H型钢桩、开口钢管桩和螺旋钻成孔桩等；
（3）非挤土桩(也称非排土桩)：这类桩在设置过程中将相应于桩身体积的土挖出，因而桩周及桩底土有应力松弛现象。这类桩主要是各种型式的钻孔桩、挖孔桩以及预钻孔埋桩等。
六、按承台底面的相对位置分类
（1）高承台桩基：由于结构设计上的需要，群桩承台底面有时设在地面或局部冲刷线之上，这种桩基称为高承台桩基。这种桩基在桥梁、港口等工程中常用；
（2）低承台桩基：凡是承台底面埋置于地面或局部冲刷线以下的桩基称为低承台桩基。房屋建筑工程的桩基多属于这一类。
【本节小结】
1．归纳总结桩基础的概念。
2．归纳总结桩的类型及其相应特点。
【复习思考】
1．沉管灌注桩的施工工序？
2．桩按承载性状分为哪几类，其特点是什么？
3．预制桩与灌注桩各有何特点？

4.3
单桩在竖向荷载作用下的性状与计算
一、单桩的竖向承载力
（一）单桩的破坏模式和极限承载力
1．单桩的破坏模式

单桩的竖向承载力包括桩身结构的承载力和地基土对桩的支承力两重意义。它们分别由
不同途径确定，即前者由结构计算确定，后者一般应由单桩静载试验确定。以往的桩基限于工艺、设备等原因相对于桩身结构而言，引用的承载力都较低，所以控制因素往往是土对桩的支承力。随着受力要求和桩工设备与技术水平的提高，桩身结构的负载水平也在不断提高之中，如部分扩底桩、嵌岩桩和超长桩，桩身结构的承载力往往成了控制因素。静载试验中，桩身破坏的例子也时有出现。所以在确定单桩竖向承载力时，更要注意到上述两个方面都能满足要求。
（1）桩身材料屈服（压屈）
（2）持力层土整体剪切破坏
（3）剌入剪切破坏
（4）沿桩身侧面纯剪切破坏
（5）在拔力作用下沿桩身侧面纯剪切破坏
2．单桩极限承载力

单桩极限承载力——指一根桩在上述五种模式的任何一种破坏发生之前所能承受的最大荷载。
　　桩的承载力取决于桩的材料强度和土的支承能力。
　（1）土的支承能力所能提供的的承载力

（2）桩身结构强度所能提供的承载力
（二）单桩竖向承载力的确定
　　确定的方法：
　　1．静载试验法
　　2．规范经验参数法
　　3．静力触探法
　　4．动力法
（三）抗拔极限承载力的确定
式中　　 ——桩周土剪切破坏面周长；
　　　　 ——抗拔系数
二、单桩荷载传递
竖向荷载施加于桩顶，上部桩身首先受到压缩而发生相对于土的向下位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上的摩阻力，荷载沿桩身下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程；因而桩身轴力 沿着深度而逐渐减小；及至桩端， 与桩底土反力相平衡，同时使桩底土压缩，致使桩身下沉，又使摩阻力进一步发挥。随着荷载的逐渐增加，上述过程周而复始地进行，直至变形稳定为止。此乃荷载传递全过程。
荷载传递的一般规律：
（1）桩在竖向荷载下发生压缩和沉降，首先沿桩身侧面引起土体的剪切变形，该剪应力遵循土的剪切应力应变关系；当荷载传到桩底时，使桩底土产生压缩变形，该压应变服从土的压缩应力应变关系。
（2）桩底土越硬，即桩底土与桩周土的刚度比 越大，则经由桩底传递的荷载越多；
（3）桩身相对刚度 越大，则经由桩底传递的荷载越多；
（4）扩底直径D越大，则桩底传递的荷载亦越多；
（5）桩长对荷载传递有重要影响，当桩长超过 时，上述各种影响都将大大减弱，甚至失去意义。
三、单桩承载力的时间效应
　软粘性土中挤土型摩擦桩的承载力随时间而增长，机理为：
（1）粘性土具有触变性，受打（压）桩扰动面损失的强度随着时间得以逐渐恢复；
（2）打压桩过程中在桩周积聚的超孔隙水压力随着时间逐渐消散，有效应力随之增长；而且桩周土由于挤压亦使密度得以提高，这两个因素都将使土的强度增长；
（3）桩端土的强度由于压密与固结作用而逐渐恢复与增长，因此桩端部承载力亦有所增加。
四、负摩阻力
负摩阻力——指桩周土层由于某种原因而产生超过桩身沉降量的下沉时，作用于桩身向下的摩阻力。
（一）负摩阻力产生的条件
（1）桩穿过欠压密的软粘土或新填土，而支承于坚硬土层（硬粘性土、中密以上砂土、卵石层或岩层）时；
（2）在桩周地面有大面积堆载或超填土时；
（3）由于抽取地下水或桩周地下水位下降，使桩周土下沉时；
（4）挤土桩群施工结束后，孔隙水消散，降起的或扰动的土体逐渐固结下沉时；
（5）自重湿陷性黄土浸水下沉或冻土下沉时。
（二）负摩阻力发生的条件（略）

4.5
桩基础设计

一般的桩基础设计可按下述步骤进行：

（1）确定桩和桩基类型的选择
（2）截面尺寸和桩长，桩基持力层，初步选择承台底面的标高；

（3）确定单桩承载力；

（4）估算桩数并确定其在平面上的布置；

（5）验算桩基础承载力与沉降；

（6）桩身结构设计；

（7）承台设计；

（8）绘制桩基础施工详图。
一、
桩型和桩基类型的选择

确定桩型一般应经过三个步骤：

（1）根据上部结构的荷载水平与场地土层分布列出可用的桩型；

（2）根据设备条件和环境因素决定许用的桩型；

（3）根据经济比较决定采用的桩型。
二、桩基持力层和桩长的确定

桩长指的是自承台底至桩端的长度尺寸。在承台底面标高确定之后，确定桩长即是选择持力层和确定桩底(端)进入持力层深度的问题。


一般应选择较硬土层作为桩端持力层，桩底进入持力层的深度，因地质条件、荷载及施工工艺而异，一般宜为1－3倍桩径d。在确定桩底进入持力层深度时，尚应根据有关专门规范的规定考虑特殊土、岩溶以及震陷、液化等影响。嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中等风化硬质岩体的最小深度，不宜小于0.5m。

当持力层下面存在软弱下卧层时，持力层厚度不宜小于4d。嵌岩桩(端承桩)要求桩底下
3d范围内应无软弱夹层、断裂带、洞穴和空隙分布。

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三、 单桩竖向承载力计算
（一）桩的根数

桩基中所需桩的根数可按承台荷载和单桩承载力确定。当轴心受压时，桩数n应满足下
式要求：

式中
n——桩的根数；
    ——荷载效应标准组合时上部结构传至桩基承台顶面的竖向力，kN；
    ——承台与承台上方填土重力标准值，kN；
    ——单桩竖向承载力特征值，kN；
（二）单桩竖向承载力 的确定

1、安全系数法

2、分项系数法
四、桩的平面布置

桩的间距一般指桩与桩之间的最小中心距S。对于不同的桩型有不同的要求。如挤土桩由于存在挤土效应要求较大的桩距。挤土桩穿过饱和软土时，因孔隙水压力骤增会加剧挤土效应，因而相对穿越非饱和土的桩而言，要求更大的桩距。对于穿越饱和软土的打(压)入桩，预制桩因挤土造成的损害较轻，故要求的桩距又比灌注桩略小。

布桩时应注意以下几点：

a 既要布置紧凑，使得承台面积尽可能减小，又要充分发挥各桩的作用。要做到这一点，除了取合适的桩距外，还要使永久荷载的合力点与桩群截面的形心尽可能接近；

b 尽量对结构受力有利。如对墙体落地的结构沿墙下布桩。对带梁桩筏基础沿梁位布桩，尽量避免采用板下布桩，一般不在无墙的门洞部位布桩；
c 尽量使桩基在承受水平力和力矩较大的方向有较大的断面抵抗矩，如承台长边与力矩较大的平面取向一致，以及在横墙外延线上布置探头桩等。
五、群桩承载力与沉降的验算
六、桩身结构设计

桩身结构设计包括桩身结构要求、配筋计算等。
（一）钢筋混凝土预制桩

钢筋混凝土预制桩常见的是预制方桩和管桩。混凝土预制桩等级不低于C30。预应力混凝土桩的混凝土等级不低于C40。纵向钢筋的混凝土保护层厚度不小于30mm。混凝土预制方桩的截面边长不应小于200mm，预应力混凝土方桩的截面边长不宜小于350mm，预应力管桩外径不宜小于300mm。预制桩的桩身配筋应按吊运、打桩及桩在建筑物中受力等条件确定，但打人式预制桩主筋的最小配筋率不低于0.8％，静压预制桩不宜低于0.6％。
（二）混凝土灌注桩

a
一般规定

桩身混凝土强度等级不得低于C20，混凝土预制桩尖不得低于C30。桩身主筋应经计算确定。但对桩径300～2000mm的桩，配筋率不宜低于0．2％。箍筋采用声φ6～8@200—300mm，宜采用螺旋式箍筋。受横向荷载较大的桩基和抗震桩基，桩顶3d～5d范围内箍筋适当加密。当钢筋笼长度超过4m时，应每隔2m左右设一道φ2～φ8的焊接加劲箍筋，以加强钢筋笼的刚度。此外，桩径大于600mm的钻孔桩，构造钢筋的长度不宜小于桩长的2／3。

b
桩身按构造要求配筋的规定

该规定系《桩基规范》作出的，引用时，已对若干细节作了调整。

① 按构造配筋应满足的条件

第一个条件：桩顶轴向力符合要求。

第二个条件：桩顶横向力符合下式要求
        

式中 ——桩顶横向力基本组合值，kN
    ——综合系数，kN，

d——桩身设计直径，m；
    ——按基本组合计算的桩顶永久荷载效应轴向力设计值，kN；

A——桩身截面面积，m2；
    一一混凝土轴心抗拉强度设计值，kPa；
    ——桩身截面抵抗矩的塑性系数。

同时满足上述两个条件，意味着桩身混凝土具有足够的承受竖向和横向荷载的能力，因此只在桩顶与承台之间配置连接钢筋或不配筋，即按构造配筋即可。

② 按构造配筋的具体规定

一级建筑物桩基应配置桩顶与承台的连接钢筋笼，其主筋为6～10根φ2～φ4的钢筋，配筋率不小于0.2％，锚人承台30倍主筋直径，伸人桩身长度不小于10倍桩身直径，且不宜小于承台下软弱土层层底深度。

二级建筑物桩基，应根据桩径大小配置4～8根φ10～φ12的钢筋，锚人承台至少30倍主筋直径且伸人桩身长度不小于5d。对于沉管灌注桩，配筋长度不应小于承台下软弱土层的层底深度；

三级建筑物桩基可不配构造钢筋。
（三）
若干专门构造规定

a．扩底灌注桩的扩底直径，不宜大于3倍桩身直径。

B．配筋长度

① 受水平荷载和弯矩较大的桩、抗拔桩，配筋长度应通过计算确定。

② 桩基承台下存在淤泥、淤泥质土或液化上层时，配筋长度应穿过淤泥、淤泥质土层或液化土层。

③ 坡地岸边的桩、8度及8度以上地震区的桩、嵌岩端承桩应通长配筋。

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七、承台设计
1．构造要求

桩基承台的宽度不应小于500mm，承台边缘至边桩中心的距离不宜小于桩的直径或边长，且桩的外边缘至承台边缘的距离不小于150mm。对条形敢台梁，桩的外边缘至承台边缘的距离不小于75mm。承台厚度不应小于300mm。承台混凝土的强度等级不宜低于C20。承台底面的混凝土垫层厚度不宜小于70mm，强度等级宜为C10。当设素混凝土垫层时，保护层厚度不应小于40mm。承台的受力钢筋应通长配置。矩形承台板宜双向均匀通长配筋，直径不宜小于φ10，间距不宜大于200mm。对于三桩承台，应按三向板带均匀配置，最里面的三根钢筋相交围成的三角形应位于柱截面范围以内。承台梁的主筋除满足计算要求外尚应符合现行《混凝土结构设计规范》关于最小配筋率的规定，主筋直径不宜小于12mm，架立筋不宜小于lOmm，箍筋直径不宜小于6mm。

对大直径灌注桩，当采用一叫主一桩时，可没置承台或将桩和柱直接连接。桩和柱的连接可按《地基规范》中高杯口基础的要求选择截面尺寸和配筋，且柱纵筋插入桩身的长度应满足锚固要求。

桩顶嵌入承台的长度不宜小于50mm。桩顶主筋应伸人承台内，其锚固长度对I级钢筋不宜小于30倍主筋直径。对Ⅱ、Ⅲ级钢筋不宜小于35倍主筋直径。预应力混凝土桩可采用钢筋与桩头钢板焊接的连接方法。

由于结构受力要求，柱下独立桩基承台，当有抗震要求时，纵横方向宜设置连系梁；在一般情况下，柱下单桩在互相垂直的两个方向上、两桩承台在其短向上宜设置连系梁。而当桩柱截面积之比较大(如大于2)且柱底剪力和弯矩较小时，亦可不设连系梁。连系梁顶与承台顶齐平，宽度不宜小于250mm，高度取承台中心距的1／15～l／10，配筋按计算确定。但顶、底纵筋均不小于2φ12，并按受拉要求锚人承台。此外，在承台及地下室周围的回填中，应保证填土的密实性。
2．承台板的正截面抗弯强度验算

多桩承台的弯矩计算截面取在柱边，弯矩 ， 按下式计算
        
式中 ， ——垂直于y轴和x轴方向的计算截面处的弯矩设计值，kN·m；
    、 ——垂直于x轴和y轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离，m；
    ——扣除承台及其上填土自重后，相应于荷载效应基本组合时的第i根桩竖向力设计值，kN。
3．承台板的冲切验算

（1）承台板抗冲切承载力验算公式：
（2）角桩对承台的冲切验算
4．承台板的斜截面抗剪强度验算

斜截面受剪承载力按下列公式验算：
当 时，          
当 时，          
5．局部承压验算

柱下桩基当承台的混凝土强度等级低于柱子的强度等级时，尚应《混凝土规范》验算承台的局部受压承载力。
【本节小结】
1．归纳总结桩身与承台的结构设计。
2．归纳总结桩承载力与沉降验算。
【复习思考】
1．单桩荷载传递的一般规律？
2．承台设计要验算哪些，如何验算？
3．桩的平面布置要考虑些哪些问题？