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1、第六节 群桩基础的竖向分析与验算 承台计算 桩基础设计概述?由基桩群与承台组成的桩基础称群桩基础。?群桩基础在荷载作用下, 由于基桩间的相互影响及承台的共同作用, 其工作性状显然会与单桩不同。?在水平荷载 (包括弯矩)作用时 , 基桩间的相互影响和基桩的受力分析与计算, 已在上节有关部分作了论述;?本节主要讨论群桩基础在荷载作用下的竖向分析和群桩基础的竖向承载力与变形验算问题。一、群桩基础的工作性状及其特点 群桩基础工作性状的竖向分析主要取决于竖向荷 载的传递特征 , 不同受力条件的基桩有着不同的 荷载传递特征 。 不同类型基桩的群桩基础呈现出不同的工作性状 与特点不同类型基桩的群桩基础呈现出
2、不同的工作性状 与特点。1. 柱桩群桩基础 柱桩群桩基础通过承台分配到各基桩桩顶 的荷载 , 绝大部分或全部由桩身直接传递 到桩底, 由桩底岩层 ( 或坚硬土层)支承。 由于桩底持力层刚硬 , 桩的贯入变形小, 低桩承台的承台底面地基反力与桩侧摩阻力 和桩底反力相比所占比例很小, 可忽略不计。 承台分担荷载的作用和桩侧摩阻力的扩散扩散 作用作用一般均不予考虑。 桩底压力分布面积较小 , 各桩的压力叠加作用也 小 ( 只可能发生在持力层深部 ), 群桩基础中的各 基桩的工作状态近同于单桩 , 柱桩群桩基础的承 载力承 载力等于各单桩承载力之和 , 其沉降量沉降量等于单桩 承载量 , 即不考虑群桩
3、效应。 群桩效应是针对摩擦桩群桩基础而言群桩效应是针对摩擦桩群桩基础而言。2. 摩擦桩群桩基础 由摩擦桩组成的群桩基础 , 在竖向荷载作用下 , 桩顶上的作用荷载主要通过桩侧土的摩阻力传递 到桩周土体。由于桩侧摩阻力的扩散作用, 使桩 底处的压力分布范围要比桩身截面积大得多, 以 使群桩中各桩传布到桩底处的应力可能叠加 , 群 桩桩底处地基土受到的压力比单桩大 ; 群桩基础的基础尺寸大 , 荷载传递的影响范围也 比单桩深, 因此桩底下地基土层产生的压缩变形 和群桩基础的沉降比单桩大。在桩的承载力方面 , 群桩基础的承载力也决不是等于各单桩承载力总 和的简单关系。 群桩基础的承载力常常小于各单桩
4、承载力之 和 , 但有时也可能会大于或等于各单桩承载 力之和。群桩基础除了上述桩底应力的叠加 和扩散影响外 , 桩群对桩侧土的摩阻力也必 然会有影响。 摩擦桩群的工作性状与单桩相比有显著区别。 群桩不同于单桩 的工作性状所产生的效应 , 可称群桩效应群桩效应 , 它主要表现在对桩基承载力 和沉降的影响。 群桩基础承载力和沉降与土的性质、桩长、 桩距、桩数、群桩的平面排列和大小等因 素有关。 桩距大小的影响是主要的, 其次是桩数。桩群破坏形式?当桩距较小, 土质较坚硬时, 在荷载作用下, 桩间土 与桩群作为一个整体而下沉, 桩底下土层受压缩, 破坏时呈“整体破坏”即指桩、土形成整体, 破坏形 态
5、类似一个实体深基础； ?当桩距足够大、土质较软时, 桩与土之间产生剪切 变形 , 桩群呈“刺入破坏”。 ?在一般情况下群桩基础兼有这两种性状。 ?现通常认为当桩间中心距离当桩间中心距离 6 倍桩径时倍桩径时 , 可不 考虑群桩效应可不 考虑群桩效应。二、群桩基础承载力验算 当桩距较大，单桩荷载传到桩底处的压力叠加影 响较小时，可不考虑群桩效应。 公桥基规规定： 当桩距6 倍桩径时，不须验算群桩基础承载力，只要验算单桩容许承载力即可； 当桩距6 倍桩径时，需验算桩底持力层土的容许承载力，持力层下有软弱土层时，还应验算软弱下卧层的 承载力。1. 桩底持力层承载力验算 摩擦桩群桩基础当 桩间中心距小
6、于 6 倍桩径时 , 将桩基 础视为相当于cdef 范围内的实体基础 , 桩侧外力认为以 /4 角向下扩散。承载力验算公式)1 (maxlhWeA AN AhBlhl+=式中：桩底平面处的最大压应力。max2. 软弱下卧层强度验算 软弱下卧层验算方法是按土力学中土内应 力分布规律计算出软弱土层顶面处的总应力不得大于该处地基土的容许承载力。三、群桩基础沉降验算 超静定结构桥梁或建于软土、湿陷性黄土 地基或沉降较大的其它土层的静定结构桥 梁墩台的群桩基础应计算沉降量并进行验 算。 当柱桩或桩的中心距大于桩的中心距大于 6 倍桩径倍桩径的摩擦 桩群桩基础 , 可以认为其沉降量等于在同样土层中静载试验
7、的单桩沉降量。当桩的中心距小于桩的中心距小于 6 倍桩径倍桩径的摩擦桩群桩基础，则作 为实体基础考虑，可采用分层总和法计算沉降量。墩台基础的沉降应满足下式要求：mLLSLS250 . 10 . 2总沉降差总沉降量第七节 承台计算 承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, 并将各单桩联结成整体。 承台设计包括确定承台材料、形状、高度、底面标高和平 面尺寸以及强度验算 , 并符合构造要求。除强度验算外, 上述各项均可根据本章前叙有关内容初步拟定确定, 经验 算后若不能满足有关要求时, 仍须修改设计, 直至满足为止。 承台按极限状态设计, 一
8、般均应进行局部受压、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 承台混凝土间的粘着力 , 局部承压时 , 按下式计 算 :mj aciRAP式中：Pi为承台内一根基桩承受的最大计算轴向 力；rm为材料安全系数，混凝土为1.54；为局 部承压时的提高系数。 如验算结果不符合上式 要求 , 应在承台内桩的 顶面以上设置 12 层钢筋网，钢筋网的边长应 大于桩径的 2.5 倍，钢 筋直径不宜小于 12mm, 网孔为100 100mm 左右。二、桩对承台的冲剪验算 桩顶到承台顶面的厚度t0, 应根据桩顶对承台的冲 剪强度 , 按下式近似计算确定:
9、mj jmj RPt0=式中：um为承台受桩冲剪， 破裂锥体上网平均周长。221uuum+= t0一般不应小于 0.5 1.0m, 如不符要求 , 也应在桩顶设钢筋网。 如基桩在承台的布置 范围不超过墩台边缘 以刚性角 (max) 向外 扩散范围, 可不验算桩对承台的冲剪强度。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 抗弯及抗剪切强度。 承台在桩反力作用下 , 作为双向受弯构件 尚无统一验算方法 , 现以桩基础重力式桥 墩为例 , 说明常采用的承台内力在两个方 向上分别进行单向受力的近似计算近似计算方法。(一)承台抗弯验算 按照桩及桥墩在承 台布置情况 , 承台最大弯矩
10、将发生在 墩底边缘截面- 及-。承台抗弯验算 按单向受弯计算 , 该截面弯矩计算公式为:222111 PSmMPSmM= 在确定承台的验算截面弯矩后 , 可根据钢筋混凝土矩形截面受弯构件按极限状态设计法进行承台纵桥向及横桥 向配筋计算或验算截面抗弯强度。式中：m1、m2为对-、 -截面作用的基桩 数；S1、S2为每排桩中 心截面到-、-的 距离。( 二 ) 承台抗剪切强度验算 承台应有足够的厚度 , 防止沿墩身底面边缘- 及-截面处产生剪切破坏。在各截面剪切力分 别为 m1P1及 m2P2, 按此验算承台厚度 , 必要时在 承台纵桥向及横桥向配置抗剪钢筋网或加大承台 厚度。 在验算承台强度时
11、, 承台厚度可自顶面算至承台底 层钢筋网。 桩柱式墩台 , 一般应将桩柱上盖梁视为支承在桩柱 的单跨或多跨连续受弯构件计算并配筋和验算截 面强度 , 以保证其抗弯、抗剪结构强度和位移、裂 缝等。第八节桩基础的设计 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、桩数、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、变形检验 , 经过计算、比较、修改直至符合各项要求 , 最后确定较佳的设计方案。一、桩基础类型的选择 选择桩基础类型时应根据设计要求和现场的条件，同时要考虑到各种类型桩和桩基础具有的不同特点，
12、注意扬长避短，给予综合考虑选定。(一)承台底面标高的考虑(1) 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。?承台低稳定性较好，但在水中施工难度较大，因此可用于季节性河流，冲刷小的河流或岸滩上墩台及旱地上其他结构物基础。?当承台埋于冻胀土层中时，为了避免由于土的冻胀引 起桩基础的损坏，承台底面应位于冻结线以下不少于0.25m。(一)承台底面标高的考虑(2)?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。?承台如在水中、在有流冰的河道，承台底面应位于最 低冰层底面以下不少于 0.25m；?在有其他漂流物或通航的
13、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，否则应设置防撞 装置。?采用木桩时，由于木材在湿度经常变化的环境容易腐 朽，承台内木桩顶应位于最低水位以下至少 0.3m。?当作用在桩基础上的水平力和弯矩较大，或桩侧土质 较差, 为减少桩身所受的内力可适当降低承台底面。?为节省墩台身坞工数量,则可适当提高承台底面。( 二 ) 柱桩桩基和摩擦桩桩基的考虑 柱桩与摩擦桩的选择主要根据地质和受力情况确 定。 柱桩桩基础承载力大, 沉降量小, 较为安全可靠, 因此当基岩埋深较浅时应考虑采用柱桩柱桩桩基。 若适宜的岩层埋置较深或受到施工条件的限制不宜采 用柱桩时, 则可采用摩擦桩摩擦桩, 但在同
14、一桩基础中不宜同 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或丧失稳定性。 当采用柱桩时当采用柱桩时, 除桩底支承在基岩上 ( 即柱承桩 ) 外, 如覆盖层较薄, 或水平荷载较大时, 还需将桩底端嵌入基岩中一定深度成为嵌岩桩, 以增加桩基的稳定性和承载能力。 为保证嵌岩桩在横向荷载作用下的稳定性, 需嵌入基岩的深度与桩嵌固处的内力及桩 周岩石强度有关, 应分别考虑弯矩和轴向力要求, 由要求较大的来控制设计深度。嵌岩深度的近似计算 忽略嵌固处水平剪力影响, 假定桩在岩层表面处弯矩 MB作用下, 绕嵌入深度h的 1/2 处转动；偏安全地不
15、计桩底与岩石的摩阻力； 不考虑桩底抵抗弯矩，MB由桩侧岩层产生的水平抗力平衡。并考虑到桩侧为圆柱状曲面，其四周受力不均匀，假定最大应力为平 均应力的1.27倍。 为保证嵌固牢靠 , 在任何情况下均不计风化层 , 嵌入岩层最小深度不应小于 0.5m 。(三) 单排桩桩基础 和多排桩桩基础的考虑 多排桩稳定性好，抗弯刚度较大，能承受较大的 水平荷载，水平位移小，但多排桩的设置将会增 大承台的尺寸，增加施工困难，有时还影响航 道；单排桩与此相反，能较好地与柱式墩台结构 形式配用，可节省圬工，减小作用在桩基的竖向 荷载。 当桥跨不大、桥高较矮时 , 或单桩承载力较大 , 需用桩数不多时常采用单排排架式
16、基础。 公路桥梁自采用了具有较大刚度的钻孔灌注桩后, 选用盖梁式承台双柱或多柱式单排墩台桩柱基础 也较广泛，对较高的桥台、拱桥桥台、制动墩和 单向水平推力墩基础则常需用多排桩。 在桩基受有较大水平力作用时，无论是单排桩还 是多排桩，若能选用斜桩或竖直桩配合斜桩的形 式则将明显增加桩基抗水平力的能力和稳定性。二、桩径、桩长的拟定 桩径与桩长的设计即基桩的外部尺寸的设计，它 应综合考虑荷载的大小、土层性质及桩周土阻力 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优选确定，力求做到 既满足使用要求又造价经济，最有效地利用和发 挥地基土和桩身材料的承载性能。 设计时常先拟定尺寸，然后通过基桩计算和验算, 视所拟定的尺寸是否经济合理，再作最后确定。( 一 ) 桩径拟定 当桩的类型选定后，桩的横截面 ( 桩径 ) 可根
