桩基础

桩基础第一节概述当天然地基上采用浅基础，其沉降量过大或地基稳定性不能满足设计要求时，就有必要进行地基处理或改变上部结构。

但若地基的上覆软土层很厚，土质又很差时，即使采用地基处理，还是难于满足设计要求或耗资巨大，尤其对重大的建筑物和近岸水域中的建筑物更是如此。

在这种情况下，往往采用桩基将建筑物荷载传递到深处合适的土层上，或传递给桩周围土体。

以保证建筑物对稳定性和容许沉降量的要求。

桩基是一种常用的地基处理形式，也可视为一种深基础。

根据工程实践的经验，遇到下列情况，可考虑采用桩基：1.接近地表为软弱土层，下卧硬土层，而挖除土层不经济或不现实时；2.当建筑物荷载较大，地基软弱，采用天然地基沉降量过大，或者建筑物较为重要，不容许有过大的沉降时；3.基础范围内地基的压缩性相差悬殊，松软地基部分的压缩量过大时；4.高耸建筑物或构筑物对限制倾斜有特殊要求时；5.动力基础、精密设备基础对地基变形有严格的限制时；6.码头及其他港湾建筑物。

桩基通常由许多根桩组成，桩身全部或部分埋入土中，在桩顶处建承台，将桩群连成整体，构成桩基础，再在承台上修建上部建筑。

桩基础可以按承台的位置分低桩承台基础和高桩承台基础两种，如图10－1所示。

1.低桩承台基础承台底面位于地面以下；2.高桩承台基础承台底面位于地面以上。

（ａ）低桩承台（ｂ）高桩承台图10－1低桩和高桩承台基础由于承台位置的不同，两种桩基础中桩的受力、变形情况也不一样，故计算方法也不相同。

一般建筑物应用最多的是低桩承台基础。

桩可用各种材料制成，例如木桩、钢筋混凝土桩和钢桩等等。

木桩在干湿交替的环境中，极易腐烂、在海水中，亦易为各种食木虫所蛀蚀、适宜作桩的木材来源又极其紧缺，所以，现在木桩已很少使用，而由钢筋混凝土或钢桩代替。

钢筋混凝土桩适用于荷载较大或水位经常变化的地区，故在工程中应用最广。

按桩的制作方法，可分为预制桩与现场灌注桩，后者由于施工方法不同，又分为沉管灌注桩和钻孔灌注桩（亦称钻孔桩），都是在施工现场的桩位上成孔，然后在孔内灌注混凝土而制成。

钢桩容易搬运和打入，在必要时也易切割和接长，但用于永久性海上建筑物的钢桩容易腐蚀。

按桩的传力及作用性质不同分为：1.端承桩建筑物荷载由桩传递到桩尖平面的硬土层或岩层上，荷载由桩端反力来支承；2.摩擦桩建筑物荷载主要由桩侧摩擦力来承受，同时桩端的土也起一定的支承作用。

两类桩的传力及作用性质，如图10－2所示。

（ａ）端承桩（ｂ）摩擦桩图10－2桩的传力及作用关于桩和桩基的设计计算，涉及的内容很多。

本章仅对⑴单桩竖向承载力的计算；⑵单桩水平承载力的计算；⑶桩的负摩擦力的近似计算以及⑷群桩的承载力和沉降量等问题作简要的介绍。

第二节单桩竖向承载力的计算单桩竖向承载力，取决于制桩材料的强度或土对桩的支承能力。

一般情况下，桩的承载力都是由土的支承能力控制的。

因此，如何根据地基土的变形和强度确定桩的承载力，就成为设计桩基的关键问题。

确定单桩竖向承载力的方法和公式甚多，现择主要的叙述如下。

一、桩的现场荷载试验事先将预制桩打入或现场灌注桩浇注达到设计深度，然后在试验桩顶上逐级加荷，同时测读桩顶沉降量，每级荷载大小约为单桩承载力设计值的1/5—1/8。

在每级荷载作用下，桩顶的沉降量在每小时内小于0.1ｍｍ时，即认为已趋稳定，然后施加下一级荷载，直到桩已显现破坏特征，再分级卸荷至零。

测读桩沉降量的间隔时间为每级加荷后，隔5、10、15分钟各测读一次，以后每隔15分钟读一次，累计一小时后，每隔半小时读一次。

当出现下列情况之一时，即可终止加荷：1.当荷载—沉降（Ｑ－ｓ）曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过40ｍｍ；2.桩顶总沉降量达到40ｍｍ后，继续加二级或二级以上荷载仍无陡降段。

这样，便可得出荷载与桩沉降关系曲线（Ｑ－ｓ曲线），如图10－3所示，由此求出桩的极限承载力。

现场试桩数量一般不少于桩总数的1％，且至少为3根。

单桩极限承载力的确定，按桩的荷载试验曲线的特征，由下列方法选取：1.当陡降明显时，取相应于陡降段起点的荷载值；图10－3Ｑ－ｓ曲线2.对于直径或桩宽在550ｍｍ以下的制作桩，当某级荷载Ｑｉ＋1作用下，其沉降增量与相应荷载增量比值（△Qi+1/△Qi+1）大于或等于0.1ｍｍ/ＫＮ时，取前一级荷载Ｑｉ之值；3.当符号终止加荷条件第二点时，在Ｑ－ｓ曲线上取桩顶总沉降量ｓ为40ｍｍ时的相应荷载值；4.对桩基沉降有特殊要求者，应根据具体情况选取。

将单桩竖向极限承载力除以安全系数2，即得单桩竖向承载力标准值Ｒｋ。

二、验公式国内外确定单桩竖向承载力的经验公式较多，但均假定单桩竖向承载力是由桩端抗力和桩侧摩擦力之和，即根据静力平衡条件得出单桩竖向承载图标准值Ｒｋ，其表达式为摩擦桩Ｒｋ＝ＱｐＡｐ＋Ｕｐ∑ＱｓｉＬｉ（10－1）端承桩Ｒｋ＝ＱｐＡｐ（10－2）式中Ｑｐ――桩端土的承载力标准值（ｋｐａ）可按地区经验确定；对于预制桩，当无地区经验时，也可查10－1表；Ａｐ――桩身横截面面积（ｍ2）；Ｕｐ――桩截面周长（ｍ）；Ｑｓｉ——桩周第ｉ层土的摩擦力标准值（ｋｐａ），可按地区经验确定，对于预制桩也可按10－2表选用；Ｌｉ——按土层划分的各段桩长（ｍ）。

表10－1预制桩桩端土（岩）承载力标准值Ｑｐ（ｋｐａ）注：1.表中数值仅用作初步设计时估算；2.入土深度超过15ｍ时按15ｍ考虑。

《建筑地基基础设计规范》规定：对于一级建筑物，单桩的竖向承载力标准值应通过现场荷载试验确定。

对于二级建筑物，初步设计时，可按经验公式估算单桩的竖向承载力标准值Ｒｋ，而初步设计阶段的单桩竖向承载力设计值Ｒｄ可根据下式确定Ｒｄ＝1.2Ｒｋ（10－3）对桩数有3根及3根以下的桩下桩台取Ｒｄ＝1.1Ｒｋ（10－4）注：1.表中数据仅用作初步设计时估算；2.尚未完成固结的填土，和以生活垃圾为主的杂填土可不计其摩擦力。

三、按静力触探估算单桩竖向承载力静力触探与打入式预制桩的工作原理极其相似如图10－4所示。

探头阻力能反映土层（尤其是砂性土）天然结构及其沿深度的变化，能确定各层土的摩擦力。

但不适用于估算现场灌注桩（钻孔桩的情况）。

按照双桥探头触探资料（即探头阻力ｑｃ及侧壁摩擦力ｆｓ），单桩竖向极限承载力，可按下式计算：图10－4静力触探与单桩竖向承载力Ｑｕ＝ａｑｃＡｐ＋ｕｐ∑Ｌｉβｉｆｓｉ（10－5）式中ａ――桩端阻力修正系数；对粘性土、粉土取2/3，对饱和砂土取1/2；ｑｃ――桩端附近探头阻力平均值，取桩端以上4ｄ和桩端以下1ｄ（见图示）范围内的平均值ｄ为桩径（ｋｐａ）；Ａｐ――桩的端部截面积（ｍ2）；ｕｐ――桩的横截面周长（ｍ）；βｉ――第ｉ层土桩侧摩擦力综合修正系数，按下式计算粘性土βｉ＝10.04（ｆｓｉ）－0.55砂土βｉ＝5.05（ｆｓｉ）－0.45ｆｓｉ――桩周第ｉ层土中双桥探头测得的侧壁摩擦力（ｋｐａ）；Ｌｉ――第ｉ层土的厚度（ｍ）。

单桩竖向承载力标准值Ｒｋ＝Ｑｕ/Ｆｓ，安全系数Ｆｓ取2.必须指出，使用静力触探资料时，要注意到它的经验性。

由于静力触探方法简便，进度快，能获得连续的原位测试数据，又利用静力触探资料可以选择桩端持力层，确定桩长等，因此，它是一种日益受到重视的桩基勘察手段。

第三节单桩水平承载力的计算单桩的水平承载力计算，要比其竖向承载力复杂得多，因此，单桩的水平承载力计算结果与实际情况误差也较大。

目前，桩的水平承载力是根据验桩受到弯矩后引起的应力，使其满足桩材的容许强度，则相应的水平荷载就作为单桩水平承载力；或者由桩顶容许水平位移来控制水平承载力。

长期以来，人们对水平受载桩的桩土共同作用机理进行了不断的研究和探讨，在不同的假设条件下，提出了众多的计算方法。

通常依据的是弹性地基反力法或称为弹性力学法。

一、弹性地基反力法的基本概念弹性地基反力法是建立在文克尔假设的基础上，它考虑了桩与基土共同作用下弹性变形的影响。

假定基土是一弹性介质，在外力作用下，某个深度X处单位面积的基土反力与该处桩的水平位移成正比。

该比例系数（即横向抗力系数）沿桩身如何分布，有不同的假定，因而就有各种不同的计算方法。

工程实践中所用的弹性地基反力法，有“常数法”、“K法”和“ｍ法”等。

（一）常数法这是30年代我国张有龄提出的方法。

他假定横向抗力系数沿桩身（深度）保持常数（图ｂ）。

它的数学处理比较简单，而桩的挠曲微分方程有其理论解，故在美国、日本等国工程界应用较广。

图10－5横向抗力系数分布的几种假想（二）Ｋ法假定横向抗力系数ｋ值在桩的第一弹性（挠曲）零点（即嵌固点）以上部分（ｘ小于ｔ）随深度按比例增加，而后（ｘ≥ｔ），则保持常量（图ｃ）。

该法求解较易，适合于计算一般预制桩或灌注桩的内力和水平位移，故常被采用。

（三）ｍ法假定横向抗力系数ｋ值在桩的全部长度范围内随深度按比例增加，ｍ为比例系数（图ｄ）。

该法运用于横向抗弯刚度ＥＩ甚大的灌注桩等。

以下简要地介绍“ｍ法”。

二、ｍ法在桩顶受水平力Ｔ和力矩Ｍ的作用下，桩身发生弹性挠曲变形，基土产生弹性抗力，整个桩绕着距地面某个深度的零点而转动（图10－6所示）。

而零点上下基土的弹性抗力方向相反。

（一）基本假定ｍ法在计算中假定图10－6桩身挠曲变形示意图1.单桩受水平荷载时，将土体视为直线变形体，假定深度ｘ处的水平抗力δｙ等于该点的横向抗力系数ｋ与该点的水平位移ｙ的乘积，即δｙ＝ｋｙ；2.横向抗力系数ｋ在地面处为零，随着深度成比例增加，即ｋ＝ｍｘ。

（二）桩的挠曲微分方程根据以上假定，并由材料力学中梁的挠曲微分方程得到ＥＩｄ4ｙ/ｄｘ4＝－ｋｙｂ0（10－6）或ｄ4ｙ/ｄｘ4＋ｋｂ０ｙ/ＥＩ＝０（10－7）由于ｍ法假定ｋ＝ｍｘ，代入上式得到ｄ4ｙ/ｄｘ4＋ｍｂ０ｘｙ/ＥＩ＝０（10－8）令ａ＝5√ｍｂ０/ＥＩ（10－9）将式（10－9）代入式（10－8）则得ｄ4ｙ/ｄｘ4＋ａ5ｘｙ＝０（10－11）式中ａ――桩在土中的变形系数，其单位为ｍ－１；ｍ――基土的比例系数，相当于深度ｘ＝1时侧壁的横向抗力系数，ｍ值见表10－3。

ｂ0――桩身的计算宽度；圆形桩，当桩径ｄ<1ｍ时，ｂ０＝0.9（1.5ｄ＋0.5），当桩径ｄ≥1ｍ时，ｂ０＝0.9（ｄ＋1）；方形桩：当边宽ｂｍ时，ｂ０＝1.5ｂ＋0.5，当边宽ｂ≥1ｍ时，ｂ０＝ｂ＋1。

当桩侧由几层土组成时（图10－7所示），应求出主要影响深度ｈｍ＝2（ｄ＋1）（ｄ为桩径）范围内的ｍ值加权平均，作为整个深度的ｍ值ｍ＝ｍ１ｈ２１＋ｍ２（2ｈ１＋ｈ2）ｈ2＋ｍ3（2ｈ１＋２ｈ２＋ｈ３）ｈ３/（ｈ１＋ｈ２＋ｈ３）２如ｈｍ深度内仅有两层土时，则令上式中ｈ３为零，即得相应的ｍ值。

表10－3 基土的比例系数ｍ注意到材料力学中梁的挠度ｙ与转角θ、弯矩Ｍ和剪力Ｑ的微分关系，利用幂级数积分后得到微分方程式的解答，从而可求出桩身各截面的内力Ｍ、Ｑ和位移ｙ，θ及土的水平抗力δｙ。