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1、4.7 桩基础设计 本节重点： 桩基础设计的一般步骤。 本节难点： 承台设计。 4.7 桩基础设计 桩基础的设计应力求选型恰当、经济合理、安全适用，对桩和承台有 足够的强度、刚度和耐久性；对地基有足够的承载力和不产生过量的变形 ，其设计内容和步骤如下： 进行调查研究、场地勘察，收集有关资料； 综合勘察报告、荷载情况、使用要求、上部结构条件等确定桩基持力层； 选择桩材，确定桩的类型、外形尺寸和构造； 确定单桩承载力特征值； 根据上部结构荷载情况，初步拟定桩的数量和平面布置； 根据桩的平面布置，初步拟定承台的轮廓尺寸及承台底标高； 验算作用于单桩上的竖向和横向荷载； 验算承台尺寸及结构强度； 必要
2、时验算桩基的整体承载力和沉降量，当桩端下有软弱下卧层时，验算软 弱下卧层的地基承载力； 单桩设计，绘制桩和承台的结构及施工详图。 一、收集设计资料 在设计之前，首先应通过调查研究，充分掌握一些基 本的设计资料，其中包括上部结构的情况(如平面布置、 结构型式、荷较大小以及构造和使用上的要求)、工程地 质与水文地质勘察资料、基础材料的来源及施工条件(如 桩的制作、运输、沉桩设备)等。并了解当地使用桩的经 验，以供设计参考。 1)勘探点间距：端承型桩和嵌岩桩，主要由桩端持力层顶 面坡度决定。点距一般为12-24m，若相邻两勘探点揭露出 的层面坡度大于10%，应根据具体情况适当加密勘探点； 摩擦型桩，
3、点距一般为20-30m，若土层性质或状态在水平 向分布变化较大，或存在可能对成桩不利的土层时，也应 适当加密勘探点；在复杂地质条件下的柱下单桩基础应按 桩列线布置勘探点，并宜逐柱设点。 2)勘探深度：布置1/3-1/2的勘探孔作为控制性孔，且一 级建筑桩基场地至少应有3个，二级建筑桩基应不少于2个 。控制性孔应穿透桩端平面以下压缩层厚度，一般性勘探 孔应深入桩端平面以下3-5m，嵌岩桩钻孔应深入持力层不 小于3-5倍桩径；当持力岩层较薄时，部分钻孔应钻穿持力 岩层。岩溶地区，应查明溶洞，溶沟，溶槽，石笋等分布 情况。 二、初步选择桩的类型、桩长及桩的截面尺寸等 桩基设计时，首先应根据建筑物的结
4、构类型、荷载情况 、地层条件、施工能力及环境限制（噪音、振动）等因素， 选择预制桩或灌注桩的类别，确定桩的受力工作类型。 1.桩的类型 2.桩的截面尺寸 桩的横截面面积根据桩顶荷载大小与当地施工机具及建筑 经验确定。如为钢筋砼预制桩：中小工程常用250250mm 或300300mm，大工程常用350350mm或400400mm。 人工挖孔桩直径则在800mm以上。 3.桩长 根据土层的竖向分布特征，尽可能选定硬土层作为桩端 持力层和下卧层，从而可初步确定桩长，这是桩基础要具备 较好的承载变形特性所要求的。强度较高、压缩性较低的粘 性土、粉土、中密或密实砂土、砾石土以及中风化或微风化 的岩层，是
5、常用的桩端持力层，如果饱和软粘土地基深厚， 硬土层埋深过深，也可采用超长摩擦桩方案。 桩端全断面进入持力层的深度，对于粘土、粉土不宜 小于2d ，砂土不宜小于 1.5d ，碎石类土不宜小于 1d 。 当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于3d 。 三、确定单桩承载力 四、确定桩的数量及其平面布置 1.确定桩数n 荷载效应标准组 合下作用在承台 顶面的竖向力 承台及其上方 填土的重力 选择最优的桩距就是合理布桩，这是使桩基设计做到经 济和有效的重要一环。 一般常用桩距为：s=34d 桩距太大会增加承台的面积，使其体积和用料加大而 不经济；桩距太小则会使摩擦桩基承载力降低，沉降加大， 且
6、给施工造成困难。 桩的边距s1（桩的中心至承台边的距离）一般不小于桩 的直径，亦不得小于300mm。 2.确定桩距s 桩的最小中心距 土类与沉桩工艺 排数不少于3排且桩数不 少于9根的摩擦型基桩 其他情况 非挤土灌注桩3.0d3.0d 部分挤土桩3.5d3.0d 挤土桩非饱和土4.0d3.5d 饱和黏性土4.5d4.0d 钻、挖孔扩底桩 2D或D2m （当D2m） 1.5D或D1.5m （当D2m） 沉管夯扩、钻 孔挤扩桩 非饱和土2.2D且4.0d2.0D且3.5d 饱和黏性土2.5D且4.5D2.2D且4.0D d：圆桩设计直径或方桩涉及边长；D：扩大端设计直径 在确定桩数、桩距和边距后，
7、根据布桩的原则，选用合 理的排列方式，尺寸。 （1）布置原则: 力求使桩基中各桩受力比较均匀: 作用在板式承台上荷 载的合力作用点，应与群桩横截面的重心相重合或接近； 桩基在承受水平和弯矩较大方向有较大的抵抗矩，以增 强桩基的抗弯能力。 3.桩的平面布置 在框架结构的柱下,通常在承台下设置若干根桩，构成 独立承台的桩基础或一柱一桩基础； 当荷载较大时，在框架柱列之间常联以基础梁，沿梁的 轴线方向布置排桩，构成梁式的承台桩基础； 桩在平面内可布置成方形、矩形、三角形和梅花形等。 横墙下“探头桩”的布置 外密内疏 （桩承台外围布桩间距较小、而内部布桩间距较大） 布置探头桩 五、桩基承载力验算 桩顶
8、荷载的计算简图 1.桩顶荷载效应计算 （1）轴心竖向力作用下: （2)偏心竖向力作用下: （3)水平力作用下: 荷载效应标准组合下作用于承台顶面的竖向力； 承台及其上土的自重标准值，地下水位以下部分应扣除水的浮力； 荷载效应标准组合下作用于承台底面通过桩群形心的x，y轴的力矩； 荷载效应标准组合轴心和偏心竖向力作用下第i根基桩或复 合基桩的平均竖向力、竖向力； 荷载效应标准组合下作用于承台底面的水平力； 荷载效应标准组合下作用于第i根基桩或复合基桩的水平力； 桩基中的基桩总数； 第i，j基桩或复合基桩至y，x轴的距离。 对于主要承受竖向荷载的抗震设防区低承台桩基，当同时满足下 列条件时，计算桩
9、顶作用效应时可不考虑地震作用: 1. 按建筑抗震设计规范规定可不进行桩基抗震承载力计算的建筑物； 2. 不位于斜坡地带和地震可能导致滑移，地裂地段的建筑物； 3. 桩端及桩身周围无可液化土层； 4. 承台周围无可液化土，淤泥，淤泥质土。 对位于8度和8度以上抗震设防区的高大建筑物低承台桩基，在计 算各基桩的作用效应和桩身内力时，可考虑承台（包括地下墙体） 与基桩的共同工作和土的弹性抗力作用。 2.桩基竖向承载力验算 （1）轴心竖向力作用下: 荷载效应标准组合: （2）偏心竖向力作用下: （3）水平力作用下: 基桩水平承载力特征值 基桩或复合基桩竖向 承载力特征值 2.桩基竖向承载力验算 （1）
10、轴心竖向力作用下: 地震作用效应和荷载效应标准组合: （2）偏心竖向力作用下: 地震震害调查表明，不论桩周土类别如何，基桩竖向承 载力均可提高25%，因此： 地震作用效应与荷载效应标准组合基桩或复合基桩的平均竖向力； 地震作用效应与荷载效应标准组合下，基桩或复合基桩的最大竖向力。 基桩或复合基桩竖向 承载力特征值 3.桩基软弱下卧层承载力验算 对桩距不超过6d的群桩基础，当桩端持力层以 下受力层范围内存在承载力低于桩端持力层1/3的软 弱下卧层时，应进行下卧层的承载力验算。 作用于软弱下卧层顶面的附加应力； 软弱层顶面以上各土层重度加权平均值，地下水位以下取浮重度； 地面至软弱层顶面的深度；
11、软弱下卧层经深度修正（系数取1.0）的地基承载力特征值； 桩群外围桩边包络线内矩形面积的长、短边长； 桩端硬持力层压力扩散角，按表7.19取值； 桩端至软弱下卧层顶面的距离。 六、桩身截面强度计算及构造 桩身结构强度验算需考虑整个施工阶段和使用阶段期间 的各种最不利受力状态。在许多场合下，对于预制混凝土桩， 在吊运和沉桩过程中所产生的内力往往在桩身结构计算中 起到控制作用；而灌注桩在施工结束后才成桩，桩身结构 设计由使用荷载确定。 1.桩身承载力验算 预制桩在施工过程中的最不利受力状况，主要出现在吊运和锤击沉桩时 。桩在吊运过程中的受力状态与梁相同。一般按两支点（桩长 L 18m 时）起吊和运
12、输。吊点的设置应使桩身在自重下产 生的正负弯矩相等，如下图所示。 2.预制桩施工过程桩身结构计算 预制桩构造： （1）最小截面尺寸： 非预应力桩不小于200mm；预应力桩不小于350mm。 （2）混凝土强度等级与保护层厚度： 非预应力桩不小于C30，预应力桩不小于C40，保护层不小于30mm 。 （3）打入、静压的最小配筋率、箍筋与网片设置： 锤击沉桩不小于0.8，静压沉桩不小于0.6； 桩顶45d箍筋加密，并设网片。 （4）分节长度根据施工、运输条件确定：接头不多于3个。 下图为方形截面的混凝土预制桩的构造示意图。 灌注桩构造 配筋率：0.200.65，受水平荷载桩，不小于812， 抗压桩和
13、抗拔桩，不小于610 配筋长度 1）端承型桩和位于坡地岸边的基桩应沿桩身等截面或 变截面通长配筋； 2）桩径大于600mm的摩擦型桩配筋长度不应小于2/3桩 长；受水平荷载时，配筋长度尚不宜小于4.0/； 3）抗震桩基：主筋应穿过液化土层和软弱土层进入稳 定土层； 4）抗拔基桩：等截面或变截面通长配筋。 箍筋： 68200300，桩顶5d应加密至100mm 混凝土及保护层： 强度等级不小于C25 保护层不小于35mm 计算桩基结构承载力时，采用荷载效应基本组合。 七、桩基承台设计 桩基承台的设计包括确定承台的材料、底面标高、平面形 状及尺寸、剖面形状及尺寸,以及进行受弯、受剪、受冲切和局 部受
14、压承载力计算，并应符合构造要求。 桩基承台可分为柱下独立承台，柱下或墙下条形 承台梁，以及筏板承台和箱型承台等。其作用是将桩 联结成一个整体，并把建筑物的荷载传到桩上，因而 承台应有足够的强度和刚度。 承台的平面尺寸一般由上部结构、桩数及布桩形 式决定，通常墙下桩基做成条形承台梁；柱下桩基宜 采用板式承台（矩形或三角形），其剖面形状可做成 锥形、台阶形或平板形。 外形尺寸及构造要求 承台厚度应大于300mm，宽度大于等于500mm。 承台边缘至边桩中心距离不应小于桩的直径或边长， 且边缘挑出部分大于等于150mm，对于条形承台梁应 大于等于75mm。 为保证群桩与承台之间连接的整体性，桩顶应嵌
15、 入承台一定长度，对大直径桩宜大于等于100mm，对 中等直径桩宜大于50mm，混凝土桩的桩顶主筋应伸入 承台内，其锚固长度宜大于等于30dg，对于抗拔桩基 应大于等于40dg。 承台的配筋按计算确定，对于矩形承台板，宜双 向均匀布置，钢筋直径宜大于等于10mm，间距应满足 100-200mm。保护层厚度宜大于等于70mm，当有混凝 土垫层时不应小于40mm，承台梁的纵向主筋应大于等 于12mm。 1.承台的计算 桩基承台的受力十分复杂，作为上部结构墙、柱和下 部桩群之间的力的转换结构，承台可能因承受弯矩作用而 破坏，亦可能因承受冲切或剪切作用而破坏。因此，承台 计算包括受弯计算、受冲剪计算和
16、受剪计算三种验算。当 承台的混凝土强度等级低于柱子的强度等级时，还要验算 承台的局部受压承载力。 根据受弯计算的结果进行承台的钢筋配置；根据受冲切和 受剪计算确定承台的厚度。 模型试验研究表明，柱下独立桩基承台（四桩及三桩承台 ）在配筋不足的情况下将产生弯曲破坏，其破坏特征呈梁式破 坏。破坏时屈服线如图所示，最大弯矩产生于屈服线处。 2.承台的内力计算 柱下多桩矩形承台： 弯矩的计算截面应取在柱边和承台高度变化处（杯口外侧 或台阶边缘），并按下式计算： 扣除承台和承台上土自重设计值后i桩竖向净反力设计值； 当不考虑承台效应时，则为i桩竖向总反力设计值。 柱下三桩三角形承台： 计算截面应取在柱边，并按下式计算： 当计算弯矩截面不与主筋方向正交时，须对主筋方向角进行换算。 柱下或墙下条形承台梁正截面弯矩设计值一般可按弹性地基梁进 行分析，地基的计算模型应根据地基土层的特性选取。 3.承台厚度及强度计算 当桩基承台的有效高度不足时，承台将产生冲切破 坏。承台冲切破坏的方式，一是沿柱
