岩土工程深基础之桩基础详解

桩基础

5.1 概述

5.2 竖向荷载下单桩的工作性能

5.3 单桩的竖向承载力     

5.4 单桩的水平承载力

5.5 群桩基础的变形和桩顶内力计算   

5.6 群桩基础的承载力和沉降检算

5.7 桩基础设计

5.1.1 桩基础及其应用

深基础：埋置深度比较大，而且往往需要采用特殊的施工方法做成的基础。

深基础与浅基础的区别：

1）埋置深度比较大；

2）施工方法特殊；

3）荷载传递方式与浅基础有明显差异。

深基础的类型：（见下图）

桩基础是深基础的代表。

一、基础的类型

二、桩与桩基础的概念

桩：完全或部分设置于土面以下，以竖直方向为主，可通过其侧壁和下端将荷载传至周围土体和深层地基的受力杆件。

桩基础：以桩为主体构成的深基础，简称桩基。

桩基础是一种重要的基础结构型式。和别的基础结构相比，桩基础具有承载力高、沉降小而均匀、用料较省、机械化程度高而且能够广泛适用于各类地层条件的突出优点。

桩基础在各类建筑工程中得到了极为广泛的应用，特别是当上部结构的荷载复杂而巨大，而浅部土层状态不佳时，桩基础更成为设计师的首要考虑对象 。

桩基础的造价相对较高。在基础选型时，一般应优先选用浅基础。

三、桩与桩基础的发展历史

5.1.2 桩和桩基的分类

1、桩的类型

（1）按使用功能分类

1）竖向抗压桩——以承受竖向抗压荷载为主的桩，包括摩擦桩、端承桩和中间类型的桩。（p125）

2）竖向抗拔桩：主要承受竖向上拔荷载的桩。

3）水平受荷桩：主要承受水平荷载的桩。

4）复合受荷桩（也称为纵横弯曲桩）：承受竖向和水平荷载均较大的桩。

（2）按施工方法分类

1）预制桩：预先制作好桩体，然后使用各种机械将其沉入土层中（p.126）。

2）灌注桩：用各种方法预先成孔，然后灌注混凝土而形成桩体（p.127）。

3）其它桩：如钻孔插入桩，压力灌浆桩。

要求较好地了解前两类桩的施工方法。

（3）按桩的设置效应分类

1）挤土桩：成桩过程中对土体有较大排挤和扰动。在不同的土层中有不同的效果，要注意在软土中易于引起危害。此类桩型主要有打入或静压的实心桩和闭口管桩。

2）部分挤土桩：成桩过程中对土体有明显排挤和扰动，但不如挤土桩强烈。此类桩主要有打入或静压的H型桩和开口管桩、螺旋钻孔桩和冲孔桩。

3）非挤土桩：成桩过程中对土体没有排挤作用的桩。相应的桩型为钻、挖孔桩。

（4）按桩的材料分类

1）混凝土桩：包括普通钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土桩。

2）钢桩：常用钢管桩和H型桩。

3）木桩：用木材制作而成。目前很少使用。

4）组合桩：用两种或两种以上材料做成的桩。可因地制宜加以选取。

（5）按桩的直径分类

1）大直径桩：直径大于800mm的桩。

2）中等直径桩：直径大于250mm但小于800mm的桩。

3）小桩：直径小于250mm的桩。

还有一些分类方式，比如按桩的截面形式、桩轴线的方位等。

2、桩基础的类型

（1）按桩的数量分类

1）单桩基础

2）群桩基础

（2）按承台位置分类

1）高承台桩基

2）低承台桩基

（3）按承台形式分类

1）板式承台（矩形、三角形）

2）条形承台（十字交叉、环形）

3）沉井、箱形、筏板

5.1.3 桩的质量检验

桩基础属于隐蔽工程，加之施工工艺特殊，故易于出现质量问题，因此必须加强质量监督和检验。

常用检验方法如下：

1）开挖检验

2）抽芯检验

3）声波透射法

4）静载试验

5）各类动力检验法

5.1.4 桩基的设计原则

《建筑桩基技术规范》规定，建筑桩基采用概率极限状态设计法。

桩基的极限状态区分为两类：

1）承载能力极限状态

2）正常使用极限状态

建筑桩基按其破坏后果的严重性分为三个安全等级（表5-2）。

建筑桩基按其安全等级和地基的土质情况进行不同内容的检算（p131）

5.2.1 桩的荷载传递

桩受荷载的作用产生向下的位移，同时通过桩土间的摩擦力带动桩周的环形土体向下运动，这种运动通过土体间的剪应变一环一环地向外扩散，直到离桩心比较远的位置时才收敛为零。另外，当桩向下运动而使桩端土层产生压缩时，桩端土也会产生相应的抗力。这两种抗力合称为轴力桩的土阻抗。一般而言，桩的土阻抗由桩身位移而产生，随其发展而增长，一直到其极限。如果外荷载继续增加，桩土体系便进入破坏状态。

桩受轴向荷载作用时的基本分析图式如图5-9。设桩的截面积为A，截面周长为u，由微元体的平衡，可以写出下列方程：

5.2.2 桩的荷载传递的一般规律

1）承受竖向压力的桩，桩上部的摩阻力首先发挥，随时间或荷载的增加，摩阻力逐渐向下发展，桩端阻力也逐渐发挥。

2）发挥极限侧摩阻力所需的位移su对于黏性土一般约为5~10mm，对于砂类土一般约为10~20mm，但并非定值。

3）充分发挥桩端阻力需要较大的桩端位移，并与持力层性质、上覆荷载大小及桩径有关。

4）在粘性土中的桩，其桩侧摩阻力的分布随时间由桩身上部逐渐向下部转移，桩端阻力也随时间逐渐增大。

5）桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快。

6）随桩土刚度比Ep/Es的增大，传递至桩端的荷载增大。

7）随桩的长径比L/d 增大，传递至桩端的荷载减小，桩身下部侧阻发挥值也相应降低。

8）随桩端扩径比D/d 增大，桩端阻力分担的荷载比则愈大。桩的侧摩阻和桩的端阻均存在深度效应。 

5.2.3 单桩的破坏模式

单桩在轴向荷载的作用下的破坏模式取决于桩周土的抗剪强度、桩端支承情况、桩的尺寸以及桩的类型等条件。

一般认为典型的破坏模式有桩材破坏和地基土破坏两大类，如图5-10所示。如详细区分还有一类，桩、土之间的界面破坏。

5.2.4 桩侧负摩阻力

1、负摩阻力的概念

当桩周土体的沉降速率（或沉降量）大于桩的下沉速率（或沉降量）时，桩侧土体将对桩产生与桩的位移方向一致的摩擦力，即负摩阻力。工程中常见下列情形：

1）桩侧土层的大面积地下水位下降；

2）桩侧附近大面积堆载；

3）桩侧有较厚的欠固结土层或新填土；

4）在饱和软土中打下密集的桩群时；

5）位于湿陷性黄土、季节性冻土或可液化土层的桩。

2、负摩阻力的分布特性：

中性点：在桩的某一深度ln以上，桩受负摩阻力作用；在ln深度以下，土对桩产生正摩阻力。在ln深度处的摩阻力为零，称该点为中性点。中性点处桩身轴力最大。

影响中性点深度ln的因素主要有：

1）桩端持力层的刚度；

2）桩周土层的变形性质和应力历史；

3）当负摩阻力系由沉桩后外部条件变化所致，则条件变化幅度和范围愈大，ln愈大；

4）桩的长径比愈小、截面刚度愈大，则ln愈大；

5）在桩承受荷载过程中，随承受荷载及沉降的增加，ln逐渐变小。

《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）推荐的ln值见表5-3。

3、单桩负摩阻力的计算：

4. 减小负摩阻力的工程措施

主要有降低摩擦法、隔离法、预处理等方法。

（1）桩侧涂层法；

（2）预钻孔法；

（3）双重套管法；

（4）设置消减负摩阻桩群法；

（5）地基处理法；

（6）其他方法。

确定原则：

单桩承载力的确定原则

按《建筑桩基规范》，确定单桩竖向极限承载力标准值需满足下列规定：

①一级建筑桩基应采用现场静载荷试验，并结合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定；

②二级建筑桩基应根据静力触探、标准贯入、经验参数等估算，并参照地质条件相同的试桩资料综合确定。无可参照的试桩资料或地质条件复杂时，应由现场静载荷试验确定；

③三级建筑桩基，如无原位测试资料，可利用承载力经验参数估算。

5.3.1 按材料强度确定

5.3.2 按单桩竖向抗压静载试验确定

1、静载荷试验装置及方法         

试验时加载方式通常有慢速维持荷载法、快速维持荷载法、等贯入速率法、等时间间隔加载法以及循环加载法等。工程中最常用的是慢速维持荷载法。（p139）

2、终止加载条件

3、按试验成果确定单桩承载力

一般地，根据静载试验可以得到桩的荷载、位移以及时间之间的关系，据此可以作出各种分析曲线，其中最主要的是Q（荷载）~s（桩顶位移）曲线和s~lgt 曲线，如图5-13和5-14。根据这些分析曲线可以推求桩的承载力。

和地基承载力的概念一样，桩的承载力通常也用两个指标来表示，即桩的极限承载力和容许承载力。

对于陡降型Q-s曲线，可取曲线发生明显陡降的起始点所对应的荷载为Qu。

对于缓变型Q-s曲线，一般可取s=40～60mm对应的荷载值为Qu。对于大直径桩可取s=0.03～0.06d(d为桩端直径)所对应的荷载值，(大桩径取低值，小桩径取高值)，对于细长桩(l/d >80)，可取s=60～80mm对应的荷载。

此外，也可根据沉降随时间的变化特征确定Qu，取 s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值作为Qu。

测出每根试桩的极限承载力值Qui后，可通过统计确定单桩竖向极限承载力标准值Quk。 

5.3.3 按土的抗剪强度指标确定

5.3.4 按静力触探法确定

静力触探与桩打入土中的过程基本相似，所以可把静力触探近似看成是小尺寸打入桩的现场模拟试验。《建筑桩基规范》提出，当按双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值Quk时，对于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算：

5.3.5 按经验公式法确定

3、嵌岩桩

这里所说的嵌岩桩是指下端嵌入中等风化、微风化或新鲜基岩中的桩。

嵌岩桩单桩极限承载力标准值由桩周土总侧阻力、嵌岩段总侧阻力和总端阻力三部分组成，并可按下式计算：

5.3.6 按动力试桩法确定

动力试桩法是应用振动理论和应力波理论来确定单桩竖向承载力以及检验桩身完整性的一种方法。其最大的优点是速度快、成本低，可对工程桩进行大量的普查。

目前的动力试桩法种类繁多。一般将其分为高应变和低应变两大类。国内外普遍采用高应变法测定桩的极限承载力，而用低应变法检测桩的质量和完整性。

低应变法在我国应用极为广泛，约有90%的检测单位采用低应变法，每年检测的桩数在4万根以上。

5.3.7 桩的抗拔承载力

主要承受竖向抗拔荷载的桩称竖向抗拔桩。

影响抗拔桩极限承载力的因素主要有桩周土的土类、土层的形成条件、桩的长度、桩的类型和施工方法、桩的加载历史和荷载的特点等。

1、单桩抗拔静载试验

抗拔试验也有多种方法，例如慢速维持荷载法、等时间间隔法、连续上拔法和循环加载法等可以根据需要加以选用。

更详细的情况请见规范和手册。

2、经验公式

5.3.8 单桩竖向承载力特征值

《地基规范》规定，单桩竖向承载力特征值的确定应符合下列规定：

（1）单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载试验确定。在同一条件下的试桩数量，不宜少于总桩数的1%，且不应少于3根。单桩竖向承载力特征值取单桩竖向静载荷试验所得单桩竖向极限承载力除以安全系数2 。

当桩端持力层为密实砂卵石或其他承载力类似的土层时，对单桩承载力很高的大直径端承型桩，可采用深层平板载荷试验确定桩端土的承载力特征值。

《地基规范》所称的单桩竖向承载力特征值是表示正常使用状态下的单桩竖向承载力值；而《建筑桩基规范》的单桩竖向承载力设计值是指单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载（即单桩竖向极限承载力）经分项系数处理后得到的承载力值。此外，两者在荷载取值中也存在一定差别，按单桩竖向承载力特征值设计应取荷载效应的标准组合，而按单桩竖向承载力设计值计算时则取荷载效应的基本组合。（p150）