桩基工程第七章桩基础设计.ppt

1,第7章 桩基础设计,7.1 概 述7.2 地基基础的设计总原则7.3 桩基础的设计思想、原则与内容7.4 按变形控制的桩基设计7.5 桩型的选择与优化7.6 桩的平面布置7.7 桩基持力层的选择7.8 桩长与桩径的选择7.9 承台中桩基的承载力计算与平面布置7.10 承台的结构设计与计算7.11 桩基础抗震设计7.12 特殊条件下桩基的设计原则7.13 桩端桩侧后注浆设计7.14 桩土复合地基设计7.15 刚柔复合桩基设计7.16 刚性桩基础设计实例7.17 桩基设计程序思路简介,2,7.1 概 述,桩基的设计既有其严肃性的一面，必须按规范保证建（构）筑的长久安全，也有其灵活性的一面，可以采用多种桩基方案比较优化设计。桩基的设计应做到安全、合理、经济、施工方便快速，并能发挥桩土体系的力学性能。桩和承台应有足够的强度、刚度和耐久性，地基应有足够的承载力，且不产生超过上部结构安全和正常使用所允许的变形。桩型的多样性决定了桩基设计的多样性，要按照不同的地质条件选择适合拟建建筑物场地环境的桩型、桩基设计方案和施工方案以保证建筑物的长久安全。本章主要介绍了地基基础的设计总原则、桩基的设计思想、原则与内容、按变形控制的桩基设计、桩型的选择与优化、桩的平面布置、桩持力层的选择、桩长与桩径的选择、承台中桩基的承载力计算与平面布置、承台的结构设计与计算、桩基础抗震设计、特殊条件下桩基的设计原则、桩端桩侧后注浆设计、桩土复合地基设计、刚柔复合桩基设计及桩基设计程序思路简介等方面内容。,3,学完本章后应掌握以下内容：（1）地基基础的设计原则；（2）桩基础的设计思想与基本要求；（3）桩基的设计内容；（4）按变形控制的桩基设计方法；（5）桩型的选择与优化；（6）桩的平面布置方法；（7）桩持力层的选择方法；（8）桩长与桩径的选择方法；（9）桩基与承台的设计与计算；（10）桩基础抗震设计；（11）特殊条件下桩基的设计原则；（12）桩端桩侧后注浆设计方法；（12）桩土复合地基设计方法；（13）刚柔复合桩基设计方法；（14）桩基设计程序思路。,4,学习中应注意回答以下问题：（1）地基基础设计有哪些基本要求？桩基础的设计思想是什么？各类桩基的设计有哪些原则和要求？（2）桩基的设计包含哪些内容？如何按变形控制来进行桩基设计？（3）桩型选择应考虑哪些因素？如何进行桩型的优化？（4）影响桩基平面布置的因素有哪些？桩基平面布置有什么原则和要求？常见的桩基平面布置形式有哪些？（5）设计中桩持力层如何选择？（6）设计中桩长与桩径如何选择？（7）承台的设计与计算包括哪些内容？如何进行计算与校核？（8）如何进行桩基础抗震设计？（9）特殊地质条件下桩基的设计有哪些原则？（10）如何进行桩端桩侧后注浆设计？（10）复合地基如何进行设计？（11）刚柔复合桩基有哪些特点？如何进行设计？（12）桩基设计程序的思路和步骤有哪些？各步骤有哪些应注意的问题？,5,7.2 地基基础的设计总原则,地基基础分为浅基础和深基础，桩基础是深基础的主要形式之一，桩基础设计必须要服从地基基础设计的总原则。7.2.1 地基基础设计的基本要求地基基础设计包括三方面内容，即重要建筑物必须满足地基承载力要求、变形要求和稳定性要求。地基承载力计算是每项工程都必须进行的基本设计内容。稳定性验算并不要求所有工程都需要进行。只有两种情况才需要验算建筑物的稳定性，一种是经常受水平荷载的高层建筑和高耸结构；另一种是建造在斜坡上的建筑物和构筑物。根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，将地基基础设计分为三个设计等级，设计时应根据具体情况，按表7-1选用。,6,7,根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计应符合下列规定：1.所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定；2.设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计；3.表7-2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，如有下列情况之一时，仍应作变形验算：1)地基承载力特征值小于130kPa，且体型复杂的建筑；2)在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时；3)软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时；4)相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时；5)地基内有厚度较大或厚薄不均的填土，其自重固结未完成时。4.对经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构和挡土墙等，以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性；5.基坑工程应进行稳定性验算；6.当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。,8,9,7.2.2 地基基础设计的荷载规定地基基础设计的荷载是上部结构设计的结果，必须和上部结构设计的荷载组合与取值一致。但由于地基基础设计与上部结构设计在概念与设计方法上都有差异，在设计原则上也不统一，造成了地基基础设计荷载规定中的某些方面与上部结构设计中的习惯不完全一致，为了进行地基基础设计，在荷载计算时，必须进行3套(标准组合、基本组合和准永久组合)荷载传递的计算。荷载传递计算的结果各适用于不同的计算项目。,10,11,12,13,14,地基变形计算1.基本规定 建筑物的地基变形计算值，不应大于地基变形允许值。而且表7-4是最大允许变形量。实际设计时要控制远小于最大允许变形量。地基变形特征可分为沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。1）沉降量为基础中心的沉降。主要用于计算独立柱基和地基变形较均匀的排架结构柱基的沉降量，也可用于预估建筑物在施工期间和使用期间的地基变形量，以预留建筑物有关部分的净空。2)沉降差指两相邻独立基础沉降量的差值。主要用于计算框架结构相邻柱基的地基变形差异。3)倾斜是指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。主要用于计算大块式基础上的烟囱、水塔等高耸结构物及受偏心荷载作用或不均匀地基影响的基础整体倾斜。,15,16,17,18,19,2.地基变形的计算 地基变形计算是由土的压缩性决定的，计算的常用方法是分层总和法，主要计算参数为土层的压缩模量和压缩层厚度及上部荷载，见本书第4章。影响土体压缩性因素很多。土在外荷载作用下产生变形主要有以下一些原因：a.土颗粒在受力后发生错动或土颗粒的集合体之间发生滑动；b.土颗粒或颗粒集合体被压碎；c.土颗粒之间孔隙中的自由水和空气被挤出；d.土颗粒的薄膜水或结合水(束缚水)产生移动或被挤出，封闭的孔隙气体被压缩；e.土颗粒产生弹性变形。其中a、c、d项产生的变形是主要的，它是由于土体中的孔隙体积减小而形成的。可以通过对土体受力后其孔隙比的变化来表征土的压缩性。孔隙中水的挤出和土颗粒的移动都需要经过一定的时间后才能完成，这就是土的压缩(地基沉降)需要一定时间才能完全稳定的主要原因。设计时要详细研究地质报告提供的岩土物理力学参数，对压缩模量的取值和变形计算深度要仔细核定。,20,7.3 桩基础的设计思想、原则与内容,7.3.1 桩基础的设计思想与基本要求在土木建筑工程中，当浅基础不能满足建筑物或构筑物的承载力、变形和稳定性要求时就要采用深基础。桩基是常用的深基础。桩基的用途和类型有很多，对任一用途或类型的桩基，设计时都必须满足三方面要求：其一是桩基必须是长期安全适用的；其二是桩基设计必须是合理且经济的；其三是桩基设计必须考虑施工上的方便快速。此三方面要求同等重要，相互制约。因此，桩基设计的指导思想（Design concepts of pile foundation）可以概括为在确保长久安全的前提下，充分发挥桩土体系力学性能，做到既经济合理，又施工方便、快速、环保。要求设计施工人员依据规范又不僵硬地使用规范，从桩基工程的基本原理出发，考虑上部结构荷载、地质条件、施工技术、经济条件来正确地设计施工桩基础，目的是保证建（构）筑物的长久运行安全。,21,桩基设计的安全性要求包括两个方面：一是桩基与地基土相互之间的作用是稳定的且变形满足设计要求；二是桩基自身的结构强度满足要求。前者要求桩基在设计荷载作用下具有足够的承载力，同时保证桩基不产生过量的变形和不均匀变形，后者要求桩基结构内力必须在桩身材料强度容许范围以内。为保证建筑物的长久安全性，桩基础必须有一定的安全储备。建筑地基基础设计规范中规定单桩竖向承载力特征值取单桩竖向极限承载力的一半，即安全系数为2，以满足长期荷载和不可预见荷载对桩基础的长久安全要求。桩基设计的合理性要求桩的持力层、桩型、桩的几何尺寸及自身参数和桩的布置尽可能地发挥桩基承载能力。按受力确定桩身材料强度等级和配筋率，无论是整体还是局部，既满足构造要求，又不过量配置材料；设计结果施工可行；设计结果符合建(构)筑物的使用功能。桩基设计的经济性要求是指桩基设计中要通过运用先进技术和手段，充分把握桩基特性，通过多方案的比较，寻求最佳设计方案，最大限度地发挥桩基的性能，力求使设计的桩基造价最低，又能确保长久安全。,22,23,24,7.3.4 规范对桩基设计计算、验算内容的要求1.建筑桩基安全等级根据桩基损坏造成建筑物的破坏后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响)的严重性，桩基设计时应根据表7-6选定适当的安全等级。,2.桩基的极限状态桩基的极限状态分为下列两类：承载力极限状态：对应于桩基达到最大承载能力或整体失稳或发生不适于继续承载的变形；正常使用极限状态：对应于桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。,25,3.桩基设计时需进行的承载能力计算 所有桩基均应进行承载能力极限状态的计算，主要包括：1)桩基的竖向承载力计算(抗压和抗拔)，当主要承受水平荷载时应进行水平承载力计算；2)对桩身及承台承载力进行计算；3)当桩端平面以下有软弱下卧层时，应验算软弱下卧层的承载力；4)对位于坡地、岸边的桩基应验算整体稳定性；5)按建筑抗震设计规范的规定，需进行抗震验算的桩基，应作桩基的抗震承载力验算；6)承载力计算时，应采用荷载作用效应的基本组合和地震作用效应组合。荷载及抗震作用应采用设计值。,26,4.建筑桩基的变形验算建筑桩基应验算变形如下：1)桩端持力层为软弱土的一、二级建筑桩基以及桩端持力层为黏性土，粉土或存在软弱下卧层的一级建筑桩基，应验算沉降；并宜考虑上部机构与基础的共同作用；2)受水平荷载较大或对水平变位要求严格的一级建筑桩基应验算水平变形；3)沉降计算时应采用荷载的长期效应组合，荷载应采用标准值；水平变形、抗裂、裂缝宽度计算时，根据使用要求和裂缝控制等级应分别采用荷载作用效应的短期效应组合或短期效应组合考虑长期荷载的影响。建于黏性土、粉土上的一级建筑桩基及软土地区的一、二级建筑桩基，在其施工过程及建成后使用期间，必须进行系统的沉降观测直至沉降稳定。,27,7.4 按变形控制的桩基设计,按变形控制的桩基设计理念按变形控制的桩基设计理念，是指桩基设计时在保证长久安全和满足使用功能的前提下，控制一定的允许沉降量来协调同一建筑中不同荷载要求的变形，同时考虑桩、土、承台的共同作用，现在流行的概念设计就是这个思路。这里必须要注意建筑地基规范表7-4的变形允许值是指房屋长期使用的最大和最终沉降值，而不是设计时控制变形的值。设计时房屋竣工的变形控制值建议控制在50mm以内，这样既满足建筑物的使用功能不使建筑物基础与周边地下管线脱开，又能做到建筑物内部不同荷载桩基础变形协调。,28,7.4.2 主楼与裙楼一体的桩基设计 主楼建筑往往较高，相对单位荷载较大；裙楼建筑往往较低，相对单位荷载较小。而主裙楼一体建筑往往设置有统一的地下室，地下室使用功能一般为地下车库、消防水池、电梯井等，现代设计主裙楼一般要求不设沉降缝，所以要求主裙楼建筑沉降要一致，因此在桩基设计时要考虑主裙楼桩基础的变形协调。通常设计时主裙楼桩基的桩端持力层放在同一层上，而主楼桩基由于上部荷载大采用大直径群桩基础，而裙楼桩基由于上部荷载小采用直径相对小一些的单桩或双桩基础。主楼与裙楼之间地下基础可以是一体的（但承台和基础梁板的厚度可以不一样）并通过后浇带来协调变形，特别要注意在主裙楼上部荷载变化应力叠加处会造成基础内力不均匀从而导致沉降不均匀。总之，主裙楼一体建筑在设计时要考虑两者的基础沉降基本均匀。,29,7.4.3 长短桩组合时的变刚度调平设计天然地基和均匀布桩的初始竖向支承刚度是均匀分布的，设置于其上的有限刚度的基础(承台)受均布荷载作用时，由于土与土、桩与桩、土与桩的相互作用导致地基或桩群的竖向支承刚度分布发生内弱外强变化，沉降变形出现内大外小的碟形分布，基底反力出现内小外大的马鞍形分布。当上部结构为荷载与刚度内大外小的框筒结构时，碟形沉降会更趋明显。为避免上述负面效应，突破传统设计理念，通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布，促使差异沉降减到最小，基础或承台内力显著降低。这就是变刚度调平概念设计的内涵。,30,1.局部增强 在采用天然地基时突破纯天然地基的传统观念，对荷载集度高的区域如核心筒等实施局部增强处理，包括采用局部桩基与局部刚性桩复合地基(如图7-2(a)。2.桩基变刚度 当整体采用桩基时对于框筒、框剪结构，采用变桩距、变桩径、变桩长(多层持力层)布桩，如图7-2(b)、(c)、(d)。对于荷载集度高的内部桩群除考虑荷载因素外，尚应考虑相互作用影响予以增强；对于外围区应适当弱化，按复合桩基设计。3.主裙连体变刚度 对于主裙连体建筑，基础应按增强主体(采用桩基)、弱化裙房(采用天然地基、疏短桩、复合地基)的原则设计。4.上部结构一基础一地基(桩土)共同工作分析在概念设计的基础上，进行上部结构一基础一地基(桩土)共同工作分析计算，进一步优化布桩，并确定承台内力与配筋。5.必须要注意变刚度调平设计的目的是希望同一建筑物内不同荷载部位的基础沉降均匀。但在长短桩布桩时如果短桩的持力层很差，长桩的持力层很好，就会造成基础沉降不均匀。特别是在长短桩变化处，由于上部结构荷载变化造成基础交汇处应力叠加导致基础内力不均匀，从而产生基础沉降不均匀。所以变刚度调平设计是有条件的，适合于长短桩桩端持力层均较好的地层，也就是说一般适用于北方土质较好的地层中。对于短桩桩端持力层较差时应慎用。,31,32,7.4.4 考虑花园覆土、降水等附加荷载时的桩基设计随着生态意识的提高，在城市建设时，有越来越多的绿化面积采用人工地面覆土植被，尤其是很多住宅小区大量采用花园覆土。地下基础顶面的绿化覆土与在自然土层上绿化种植不同，对地下结构影响较大，将会引起可观的地基附加应力，同时对桩基础带来负摩阻力。而现在很多住宅小区又大量采用了大面积地下车库，如果设计时不考虑花园覆土带来的附加荷载和负摩阻力，就有可能导致基础的整体过大沉降和不均匀沉降，如图7-3。对于桩基持力层下存在软弱下卧层时，更应认真考虑花园覆土带来的附加荷载和负摩阻力对桩基础沉降的影响，应在设计验算下卧层的变形时考虑花园覆土的附加荷载影响。现代很多小区往往有很多幢不同高度的建筑，且一般设计有不同的地下室并分期施工。在地下室基坑开挖时又往往需要降水。当邻近后来建造的建筑基坑开挖降水水位下降时，会对小区内已建建筑的地下室桩基础带来负摩阻力，所以在设计计算桩基础沉降时要考虑地下降水水位下降附加荷载的影响。,33,34,35,7.5 桩型的选择与优化,在现代的桩基工程实践中，开发了大量的各式各样的桩型，而且一些新的桩型还在不断地涌现。对于某一项具体的工程来说，桩型选择是一个需要慎重对待的问题。桩基设计应该尽可能选用技术性能更好、经济效益更高以及更适合现有施工条件的桩型。桩型与工艺选择应根据建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境、施工队伍水平和经验以及制桩材料供应条件等，选择经济合理、安全适用的桩型和成桩工艺。不过，严格地说，对于某一个工程，并非只有某一种桩可以选用，从不同的角度或要求来看，可能同时有两三种桩型各有利弊，而综合效果也差不多，因此，设计时应当遵循一定的选择原则来考虑桩型的选用。,36,7.5.1 桩型选择应考虑的因素桩基桩型的选择一般应考虑下列因素：1.桩基础的长久安全性安全性（safety）是指所选的桩型要考虑必须保证建筑物长久安全，不能只考虑满足短期的安全，如有软弱下卧层时，短桩基础必须验算下卧层的变形，如经验算长期变形不能满足使用要求，那么必须将短桩基础变为长桩基础（桩端穿过软弱下卧层到下部坚硬的持力层）。2.建筑物类型、上部结构特点、荷载大小、对变形要求等选择桩型必须考虑所设计建筑物类型（types of building）、上部结构特点（character of upper structure）、荷载大小（magnitude of loading）、对变形要求（requirement of deformation）等因素，例如若桩的承载力较小，以致桩的数量过多，间距过密，则将会引起“桩的饱和”，此时便应考虑改用大承载力的大直径桩等桩型。对于路堤、码头等承受循环或冲击荷载的构（筑）物，可考虑采用钢桩，因钢桩具有良好的吸收能量的特性。对于承受风力或地震作用较大的高层建筑等情况，则需采用具有承受水平力和弯矩能力较强的桩型。通常大荷载的高层建筑一般采用人工挖孔桩、大直径钻孔灌注桩、大口径预应力管桩；小高层建筑采用小直径钻孔桩和预应力管桩；多层建筑采用沉管灌注桩和小口径预应力管桩。,37,3.地质条件 地质条件（geological conditions）是桩型选择要考虑的一个很重要的因素，桩型的选择要求所选定桩型在该地质条件下是安全的，能符合桩基设计对于桩承载力和沉降的要求。符合这样的要求的桩型可能不只是一种，这就要加上其它条件的限制。桩基设计中的地质问题是一个十分复杂的问题，如一般对于基岩或密实卵砾石层埋藏不深的情况，通常首先考虑端承桩，并选用大直径、高强度的嵌岩桩，并由桩身材料强度控制桩承载力；而当基岩埋藏很深时，则只能考虑摩擦型桩或摩擦端承桩，但为了避免上部建筑物产生过大的沉降，应使桩端支承于具有足够厚度的性能良好的持力层。4.桩土体系的力学性能进行桩型的选择时，要考虑不同桩型的桩土体系的力学性能（mechanical properties of pile-soil system）的发挥特点，即找出不同桩型、不同桩长、不同桩径桩在本地质条件下侧阻端阻的最佳发挥性能的桩。如对于大直径超长灌注桩，应考虑其侧摩阻力软化对桩基础承载力的影响。,38,5.施工条件任何一种桩型施工都必须运用专门的施工机械设备和依靠特定的工艺才能实现。因此，在地质条件和环境条件一定的情况下，所选桩型是否能利用现有设备与技术达到预定的目标，以及现场环境是否允许该施工工艺顺利实施，都必须在选型中一一考虑。鉴于建筑物的重要性，通常首选当地比较常用的、施工与设计经验都比较成熟的桩型，如钻孔桩、预应力管桩、沉管灌注桩。另外，桩基施工可能对周围建(构)筑物及地下设施造成扰动或危害，如打桩引起的震动、挤土等。挤土桩施工将会引起地面隆起和侧移，尤其是在密实的细粒砂质粉土和黏性土的场地，从而影响邻近建筑物和先前已打设的桩，此时采用置换桩将可减轻此类影响。如由于某些特殊原因而必须采用挤土桩时，那么必须采取预钻孔取土等相应的措施防止土体隆起和侧移。又如当采用钻孔桩时，必须对施工所产生的泥浆废液或污水妥善处理，以免污染环境。,39,6.经济条件 桩型的最后选定还要看技术经济综合分析，即考虑包括桩的荷载试验在内总造价和整个工程的综合经济效益及施工方便性。为此，应对所选桩型和设计方案进行全面的技术经济分析加以论证，并同时顾及环境效益和社会效益。此外，还要考虑工期问题，延误工期是要罚款的，时间就是金钱。所以，对于桩型选择来讲，承包商的经济条件（economic conditions）及工期要求也是一个重要的因素。7.环境条件环境条件（environment conditions）对桩型选择也有一定的影响和约束，现场环境是否允许所选桩型的施工工艺顺利实施，桩基施工是否会对邻近建筑物导致不良环境效应以及这些效应是否为有关法规所容许，这些问题都必须要慎重考虑。,40,桩型选择的优化在具体进行桩的选型时，要根据上部结构的荷载特点和地质条件、环境条件、施工条件来合理选择桩型。可以初步选定23个桩型，如选钻孔桩、预应力管桩或沉管灌注桩编制初步设计方案，并进行方案的综合技术经济安全对比，优选出初步设计桩型方案。同时与各方讨论商定最终方案。最后选定的桩型其单桩和群桩的极限强度和安全系数都应当满足规范要求。群桩的最终沉降量和最大差异沉降应首先满足甲方使用要求且必须满足建筑地基基础设计规范规定的容许变形量。同时，对于主楼、裙楼、地下室一体的建筑，所选桩型必须满足变形协调的要求。规范规定对于同一建筑物，原则上宜采用同种桩型。对于有可能产生液化的砂土层，不应采用锤击式、振动式现场灌注的混凝土桩型。对于软土要考虑打桩挤土效应。一般最终选择的桩型设计参数是经过桩基静载试验检验最终确定可行的优化方案。,41,7.6 桩的平面布置,7.6.1 影响桩基平面布置的因素1.地质条件 在满足荷载条件和规范要求的前提下，桩的布置也要适当考虑地质条件的制约。例如，在黏土地基中布桩，一般需要采用比较大的桩距，以减小地表土的隆起；当桩端持力层为倾斜的基岩或土层中含有漂石时，桩距也应取大值。如果采用预先挖孔或钻孔的办法，桩距可减小。在松砂和砂质淤泥层中，小桩距反而因能挤密桩周土，致使对具有负摩擦力的桩基产生有利的作用，故宜将桩距予以适当减小。2.桩型条件 考虑桩距问题，主要是尽量避免地基土中应力重叠所产生的不利影响(过大沉降或剪切破坏)，但过分加大桩距，将导致由于承台加大加厚而带来的造价提高，对水下基础而言，还会带来许多不利于施工的技术问题。众所周知，不同桩型对应力重叠不利影响是不同的，例如端承型群桩由于通过桩侧摩阻力传递到土层中的应力很小，因此桩群中各桩的相互影响较小，应力重叠只发生于持力层的深部，因而可以考虑较小的桩距。,42,3.施工条件 在有些情况下，施工条件也会对桩的布置有影响，例如，当采用地下室逆作法施工时，要求桩的布置必须为一柱一桩，此时桩的中心距已为柱距所限定。又如，地下埋设物(地下管道、电缆等)的情况与桩的布置亦有关，当地下埋设物确实影响桩基施工而又不可能拆除时，布桩时必须考虑或在施工时将设计桩位移位。4.功能条件 桩的使用功能对桩的布置很有影响，桩的布置要使得预期的桩基功能能够充分地发挥。例如，作为深基坑开挖支护结构的围护桩，其布置形式与桩距与一般的桩基础的布置明显不同。围护桩为了发挥防渗和支挡的双重作用，一般采用小桩距和纵向排列的桩墙形式。5.几何条件 桩的布置还应满足最小间距的要求。桩的最小间距在很大的程度上取决于桩的直径和桩的长度。6.其它方面的考虑桩的布置问题是空间性的，除了考虑桩距外，还要考虑群桩的排列型式、桩的结构型式、埋设深度以及持力层的确定等。除此以外，设计中采用的设计理论也在一定的程度上影响着布桩的最终结果。,43,44,2.基桩排列时，桩群反力的合力点与荷载重心宜重合，并使桩基受水平力和力矩较大方向有较大的刚度。3.对于桩箱基础，宜将桩布置于墙下；对于带梁(肋)桩筏基础，宜将桩布置于梁(肋)下；对于大直径桩宜采用一柱一桩。4.同一结构单元宜避免采用不同类型的桩。同一基础相邻桩的桩底标高差，对于非嵌岩端承型桩，不宜超过相邻桩的中心距。对于摩擦型桩，在相同土层中不宜超过桩长的l10；5.一般应选择较硬土层作为桩端持力层。桩端全断面进入持力层的深度，对于黏性土、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，桩端到软下卧层顶板的距离不宜小于4d，并应进行下卧层变形验算。当硬持力层较厚且施工条件许可时，桩端全断面进入持力层的深度宜达到桩端阻力的临界深度。,45,7.6.3 常见的桩基平面布置形式总的来说，桩的布置要和基础底面及作用于基础上的荷载分布相适应，不同的基础下，桩的布置就各有不同，桩的布置要尽可能使群桩的形心与长期作用的荷载的重心在一根垂线上，这样可使上部结构对倾覆的抵抗有更好的稳定性和较小的沉降差，如当荷载有可能引起较大的弯矩时，就应把较多的桩布置在较大弯矩的一侧以使群桩有更大的抗弯能力。同时如基底面积许可，把桩排得疏一些也可使桩基具有较大的抗弯刚度和稳定性。电梯井一般应布置群桩承台，剪力墙则必须要在墙下布条形群桩。桩的布置也要考虑到沉桩的施工实效，要使桩正确地下沉在施工平面图所示的位置，或要求各桩完全在指定垂线上，这都是往往办不到的事，所以桩基设计时，就应考虑到桩的位置虽略有变动但不致造成大碍的打算，例如一个不大的柱下基础可以使用两根桩时，由于考虑到桩的定位，垂度在实际施工中可能会有误差，就不如改用三根桩，这样各桩略有偏差，影响就较小，又如墙基下用单排桩就不如用双排桩好。,46,47,48,49,50,51,52,7.7 桩基持力层的选择,在本书2.8节中，已经介绍了针对地质勘察报告对挤土桩和非挤土桩选择持力层的一些要求，这里从桩基设计出发，介绍持力层选择应遵循的原则。持力层是指地层剖面中某一能对桩起主要支承作用的岩土层。桩端持力层一般要有一定的强度与厚度，能使上部结构的荷载通过桩传递到该硬持力层上且变形量小。所以持力层的选择与上部结构的荷载密切相关。一般对荷载较小的如6层建筑，持力层只要选用地层剖面中浅层持力层且满足沉降要求就可以。对于荷载较大的如18层建筑，持力层要选在地层剖面中较深部的较硬持力层以满足承载力要求，同时桩持力层下无软下卧层以满足变形要求。对于荷载很大的如30层高层建筑，桩端持力层要选在地层剖面中深部的坚硬持力层如中风化基岩（或厚度大的卵砾层实行桩底注浆）以满足变形要求。总之，选择桩端持力层要满足承载力和沉降要求（安全性），其次要考虑经济性、合理性、施工方便等因素。原则上在相同的经济性时尽可能不用纯摩擦桩型（即无持力层），而选择摩擦端承型、端承摩擦型或纯端承桩。,53,持力层的选定是桩基设计的一个重要环节。持力层的选用决定于上部结构的荷载要求、场地内各硬土层的深度分布、各土层的物理力学性质、地下水性质、拟选的桩型及施工方式、桩基尺寸及桩身强度等。持力层选择是否得当，直接影响桩的承载力、沉降量、桩基工程造价和施工难易程度。一般地说，对于持力层的选定，可以提供下列一些应当遵循的原则：1.必须根据上部结构荷载要求和沉降要求来选择桩端持力层。不同高度的建筑物应选择不同的持力层，桩长桩径也不同。2.在经济性相同的条件下，尽可能选择坚硬的持力层作为桩端持力层以减少桩基础沉降量。3.同一建筑物原则上宜选用同一持力层。4.软土中的桩基宜选择中低压缩层作为桩基的持力层。对于上部有液化的地层，桩基一般应穿过液化土层。对于黄土湿陷性地层，桩端应穿过湿陷性土层而支承在低压缩性的黏性土、粉土、中密和密实砂土及碎石类土层中。对于季节性冻土和膨胀土地基中的桩基，桩端应进入冻深线或膨胀土的大气影响急剧层以下深度4倍桩径以上，且最小深度应大于1.5m。5.桩端持力层的地基承载力应能保证满足设计要求的单桩竖向承载力。如果地基中有软弱土层，原则上桩端应穿过软弱下卧层到下部较坚硬的地层作持力层。对于小荷载多层建筑桩端平面距离软弱下卧层顶面应不小于临界厚度以满足变形要求。6.对于地下地层为倾斜地层时，桩端持力层的选择不但要满足承载力的要求，而且要满足稳定性要求，此时桩端入持力层深度应满足规范要求以防止桩端滑移。,54,7.对于基础作用在桩持力层上的荷载(总荷载中的桩端分担部分)，必须保证有足够的安全度并且不会产生过大沉降量和不均匀沉降。在验算群桩基础的桩基持力层的承载力时，应考虑等代墩基的应力扩散角。8.在选择桩端持力层时，要考虑所选桩基的施工可行性和方便性。9.在选择桩端持力层时，要考虑打桩对桩端持力层的扰动影响。在必要的情况下，可以考虑对持力层进行注浆加固。10.在选择桩端持力层时要考虑打桩对周边建筑物管线等环境的影响。11.在根据地质资料桩端持力层不能确定的情况下，可以通过对不同桩长持力层进行单桩静载试验对比的办法来最终确定合理的桩基持力层。持力层的好坏密切关系建筑物的稳定与安全，并影响基础工程的造价，因此应对上述各项原则充分考虑后合理的确定，详细了解区内各剖面的地质情况，提供持力层等高线图。,55,7.8 桩长与桩径的选择,确定桩径与桩长是个较为复杂的问题，它受到不少具体条件的制约，一般说来，桩径与桩长要受到下列各种因素的影响：桩的荷载特性(大小，作用方向，动力还是静力)，桩打入地下地层的土力学特性(土层在深度方向的分布情况，各层土的物理力学特性，地下水的性质以及有无地下障碍物等)，打桩方式，桩的类型与桩材等。因此在工程实践中，选用桩径与桩长要在遵守规范的前提下充分发挥桩土体系的力学性能，结合设计人员的工程经验，经过分析比较来选定最优的桩径与桩长。在实际工作中，桩径与桩长的选用，通常是由设计人员根据自己所掌握的地质资料、荷载特点和周边成功的工程类比及选定桩型的特点，凭经验先对拟选用的桩长与桩径进行计算，然后根据甲方、施工方等各方意见来平面布桩，反复修改验算再来具体确定。,56,7.8.1 桩长的选择对桩长的确定应综合考虑各种有关的因素。当然，在大多数情况下难以做到面面俱到，在桩基设计中，只能照顾和控制主要的影响因素，力求做到既满足使用要求、又能最有效地利用和发挥地基土和桩身的承载能力，既符合成桩技术的现实水平，又能满足工期要求和降低桩基造价。在确定桩长时对各有关因素的考虑，大致可概括为如下几个方面：1.荷载条件上部结构传递给桩基的荷载大小是控制单桩设计承载力因而也是控制桩长的主要因素。在给定的地质条件下，确定选用桩型和桩径后，桩长也就初步确定，因为一定的桩长才能提供足够的桩侧摩阻力和端阻力，以满足设计对单桩承载力的要求。一般直接根据规范方法确定，需要强调的是在欠固结的松散填土中，负摩擦力会引起下曳荷载，因而负摩擦力也是确定桩长的主要因素。2.地质条件主要是良好持力层的埋深与地层层次排列的影响。在桩型确定以后，根据土层的竖向分布特征，大体可以选定桩端持力层，从而初步确定桩长。但地层层次的排列情况也是决定桩长的重要因素，在现实的施工技术条件下，桩的最大可能的打入深度或埋设深度以及沉降量都与地层层次的排列有密切关系。例如，对于地基浅处有砂砾层而深处有硬黏土层的情况，要权衡的是采用设置桩端于砂砾层的短桩有利，还是采用抵达硬黏土层中的长桩有利?又如，在地基为深厚(厚度为60m左右)饱和软黏土且底层为砂层的情况下，当采用天然地基及软土加固方案均不可行时，只有采用超长桩方案，将高层建筑的荷载传递至软土下的砂层。,57,3.地基土的特性桩长也受到地基土特性的影响。1）可液化土（liquefied soil）：饱和松砂受振动作用时，会发生液化现象，土的有效应力骤减甚至全无，抗剪强度便突然减小或变为零，这时土中的桩便失去土的支持而破坏。规范指出，采用打桩处理时，桩长应穿过可液化砂层，并有足够长度伸入稳定土层。2）湿陷性黄土（collapsible loess）：湿陷性黄土受水浸湿时其强度指标会因而降低，桩的承载能力随之削弱，其削弱程度与桩长有关，大于10m的长桩，强度下降可达40，小于6m的短桩可达50。黄土湿陷还对桩产生负摩擦力，这个力产生在湿陷性黄土层的整个厚度内(即中性点出现在湿陷性与非湿陷性黄土层的交界面上)。负摩擦力的出现增大了桩所承受的荷载，故在计算桩的承载力和沉降时，都应计及桩所承受的负摩擦力。在湿陷性黄土中，桩应穿过湿陷性土层而进入非湿陷性的土层中，故湿陷性黄土的桩长必须大于湿陷性土层厚度。3）膨胀土（expansive soil）：膨胀土活动层的土遇水膨胀，桩便会因而受到上拔力的作用，这对桩的结构整体性和对基础的变形都有影响，在桩的设计中，埋入活动层中那一部分桩长的承载力，不予考虑；插入活动层以下那一部分的桩长应具有足够的抗拔力，桩的结构抗力足以抵抗上拔力的作用。,58,4.桩土相互作用条件桩长的选择要使桩土相互作用（pile-soil interaction）发挥最佳的承载效果。从桩基设计的总体来考虑，在地基土的条件允许时，采用较长的桩、较少的桩数、较大的桩距和较大的单桩设计荷载，通常是比较经济的。比较明显的例子是当设计中考虑要多发挥承台分担荷载的作用而利用“疏桩基础理论”进行设计时，按照“长桩疏布、宽基浅埋”的原则，就应该采用较大的桩长。又如，对于摩擦桩，不宜采用短粗的大直径桩，而应采用细长桩，以获得较大的比表面尺寸和节省材料。,59,60,7.8.2 桩径的确定一方面桩径越大相对单桩承载力就越高，另一方面桩径越大混凝土用量就越多，所以存在一个合理桩径的问题。桩径与桩长之间相互影响，相互制约。本书第节中确定桩长时要考虑的一些因素也同样适用于桩径。设计时还应该注意到如下的一些规定和原则：1.桩径的确定要考虑平面布桩和规范对桩间距的要求。如规范规定钻孔桩的最小桩间距为3d，若选定桩径d为1000mm，那么最小桩间距就为3000mm，此时要考虑上部荷载按3000mm的最小桩间距能否布得下全部桩。2.一般情况下，同一建筑物的桩基应该选用同种桩型和同一持力层，但可以根据上部结构对桩荷载的要求选择不同的桩径。3.桩径的选择应考虑长径比的要求，同时按照不出现压屈失稳条件来核验所采用的桩长径比，特别是对高承台桩的自由段较长或桩周土为可液化土或特别软弱土层的情况下更应重视。,61,62,7.9 承台中桩基的承载力计算与平面布置,桩基设计应满足安全、合理和经济的要求。对桩和承台来说，应有足够的强度、刚度和耐久性；对承台下的地基来说，要有足够的承载力和不产生过量的变形。在充分掌握必要的设计资料后，承台中桩基的设计与计算可按下列步骤进行：1.选择桩的类型和几何尺寸，初拟承台底面标高；2.确定基桩承载力特征值；3.确定桩的数量及其平面布置；4.桩基承载力验算，必要时验算桩基沉降；5.桩身结构设计；6.承台设计与计算；7.绘制桩基施工图。桩的类型、截面尺寸和桩长，持力层选择等应根据建(构)筑物的结构类型、楼层数量、荷载情况、场地地质和环境条件、当地使用桩基经验、施工能力和造价等因素综合考虑确定。确定的原则本章前面几节已经进行了详细介绍。在确定桩的类型和几何尺寸后，应初步确定承台底面标高，以明确有效桩长，便于计算桩基承载力。一般情况下，主要从地下空间使用要求、结构要求、工程地质水文地质条件、地基冻融条件和方便施工等方面来选择合适的承台埋深。,63,7.9.1 基桩竖向承载力的计算 桩基竖向承载力取决于两个方面，其一是桩本身的材料强度；其二是地基土对桩的支承抗力。设计时二者必须兼顾，即设计时分别计算二者的设计值后取其中的小值作为设计依据。,64,65,66,67,68,69,7.9.2 桩数的确定及承载力、沉降验算建(构)筑物的桩基通常是由多根桩(群桩)组成，在桩基承载力特征值确定后，由建(构)筑物设计荷载确定基桩根数，并合理确定桩的间距和基桩的平面布置，是桩基设计中的重要环节之一。对于低承台桩基，在桩基承载力特征值确定以后，可按桩基承台的荷载设计值和复合基桩或基桩的承载力设计值来确定桩的根数。,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,7.10 承台的结构设计与计算,承台的常用形式有：柱下独立承台、墙下或柱下条形承台、十字交叉条形承台、筏形承台、箱形承台和环形承台等。承台设计计算包括受弯、受冲切、受剪和局部受压等，具体计算可参考相应规范，并应符合构造要求。,80,81,82,2.箱形承台和筏形承台 箱形承台和筏形承台的弯矩可按下列规定计算：1）箱形承台和筏形承台的弯矩宜考虑地基土层性质、基桩分布、承台和上部结构形式和刚度，按地基一桩承台上部结构共同作用原理分析计算；2）对于箱形承台，当桩端持力层为基岩、密实的碎石类土、砂土，且较均匀时，当上部结构为剪力墙或当上部结构为框筒、框剪结构且按变刚度调平原则布桩时，箱形承台顶、底板可仅考虑局部弯矩作用进行计算；3）对于筏形承台，当桩端持力层坚硬均匀、上部结构刚度较好，且柱荷载及柱间距的变化不超过20时，或当上部结构为框筒、框剪结构且按变刚度调平原则布桩时，可仅考虑局部弯矩作用按倒楼盖梁法进