桩基础与承台设计

时间：2022-10-03 百科知识版权反馈

【摘要】：与浅基础一样,桩基础的设计也应符合安全、合理、经济的要求.对桩和承台来说,应具有足够的强度、刚度和耐久性;对地基来说,要有足够的承载力和不产生过量的变形.考虑到桩基相应于地基破坏的极限承载力甚高,大多数桩基的首要问题在于控制沉降量.(5)桩基承载力及变形验算,包括竖向及水平承载力、沉降或水平位移等,对有软弱下卧层的桩基,尚需验算软弱下卧层的承载力.(7)承台结构设计,包括承台的抗剪、抗弯、抗冲切和

与浅基础一样,桩基础的设计也应符合安全、合理、经济的要求.对桩和承台来说,应具有足够的强度、刚度和耐久性;对地基来说,要有足够的承载力和不产生过量的变形.考虑到桩基相应于地基破坏的极限承载力甚高,大多数桩基的首要问题在于控制沉降量.

4．8．1 设计步骤

(1)收集设计资料,包括建筑物类型、规模、使用要求、结构系和荷载情况,建筑场地的岩土工程勘察报告等.

(2)选择桩型,并确定桩的断面形状及尺寸、桩端持力层及桩长等基本参数和承台埋深.

(3)确定单桩承载力,包括竖向抗压、抗拔和水平承载力等.

(4)确定群桩的桩数及布桩,并按布桩、建筑平面及场地条件确定承台类型及尺寸.

(5)桩基承载力及变形验算,包括竖向及水平承载力、沉降或水平位移等,对有软弱下卧层的桩基,尚需验算软弱下卧层的承载力.

(6)桩基中各桩受力与结构设计,包括各桩桩顶荷载分析、内力分析以及桩身结构构造设计等.

(7)承台结构设计,包括承台的抗剪、抗弯、抗冲切和抗裂等强度设计及结构构造等.桩基础设计需要满足上述两种极限状态的要求,若上述设计步骤中不满足这些要求,应修改设计参数甚至方案,直至全部满足各项要求方可停止设计工作.

4．8．2 设计资料收集

设计桩基之前必须具备以下资料:建筑物类型及规模、岩土工程勘察报告、施工机具和技术条件、环境条件及当地桩基工程经验.勘查任务书和勘察报告应符合勘查规范的一般规定和桩基工程的专门勘察要求.其中,关于详细勘察阶段的勘探点布置,应按下列要求考虑:

(1)勘探点的间距.对于承载桩和嵌岩桩,主要根据桩端持力层顶面坡度决定,点距一般为12~24m.当相邻两勘探点揭露出的层面坡度大于10％时,应根据具体工程条件适当加密勘探点.对于摩擦型桩,点距一般为20~30m,但遇到土层的性质或状态在水平向的分布变化比较大,或存在可能对成桩不利的土层时,应适当加密勘探点.复杂地质条件的柱下单桩基础应按桩列线布置勘探点,并宜逐桩设点.

(2)勘探深度.取1/3~1/2的勘探孔为控制性孔,且对安全等级为一级的建筑场地至少有三个,安全等级为二级的建筑桩基至少有两个.控制性孔应穿透桩端平面以下3~5m.嵌岩桩钻孔应深入持力层至少3~5倍桩径.当持力岩层较薄时,部分钻应钻穿持力岩层.岩溶地区应查明岩洞、溶沟、溶槽和石笋等的分布情况.在勘探深度范围内的每一地层,均应进行室内试验或原位测试,以提供设计所需的参数.

4．8．3 桩型、桩长和截面的选择

桩基设计的第一步就是根据结构类型及层数、荷载情况、地层条件和施工能力,选桩型(预制桩或灌注桩)、桩的截面尺寸和长度、桩端持力层.

桩型的选择是桩基设计的最基本环节之一,应综合考虑建筑物对桩基的功能要求、土层分布及物理性质、桩施工工艺以及环境等方面因素,充分利用各桩型的特点来适应建筑物在安全、经济及工期等方面的要求.

根据土层竖向分布特征,结合建筑物的荷载和上部结构类型等条件,选择桩端持力层,应尽可能使桩支承在承载力相对较高的坚实土层上,采用嵌岩桩或端承桩.当坚硬土层埋藏很深时,则宜采用摩擦桩基,桩端应尽量达到低压缩性、中等强度的土层上.

由桩端持力层深度可初步确定桩长,为提高桩的承载力和减小沉降,桩端全断面必须进入持力层一定的深度,对黏性土、粉土,进入的深度不宜小于2倍桩径;对砂类土不宜小于1．5倍桩径;对碎石类土不宜小于1倍的桩径.当存在软弱下卧层时,桩端以下硬持力层厚度不宜小于3d.对于嵌岩桩,嵌岩深度应综合荷载、上覆土层、基岩、桩径、桩长诸因素确定;对于嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于0．4d且不小于0．5 m,倾斜度大于30％的中风化岩,宜根据倾斜度及岩石完整性适当加大嵌岩深度;对于嵌入平整、完整的坚硬岩和较硬岩的深度不宜小于0．2d,且不应小于0．2m.

此外,同一建筑物应避免同时采用不同类型的桩,否则应用沉降缝分开.同一基础相邻的桩低标高差,对于非嵌岩端承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1/10.

在确定桩的类型和桩端持力层后,可相应决定桩的断面尺寸,并初步确定承台底面标高,以便计算单桩承载力.一般情况下,主要从结构要求和方便施工的角度来选择承台深度.季节性冻土上的承台埋深,应根据地基土的冻胀性考虑,并应考虑是否需要采取相应的防冻害的措施,膨胀土的承台,其埋深选择与此类似.

4．8．4 桩的数量和桩位布置

(1)桩的根数.根数主要受到荷载量级、单桩承载力及承台结构强度等方面的影响.桩数确定的基本要求是满足单桩及群桩的承载力.确定单桩承载力设计值R之后,可估算桩数.

当桩基为轴心受压时,桩数n应满足下式要求:

式中 F——作用于桩基承台顶面的竖向力设计值(k N);

G——承台及承台上土的自重设计值(k N).

当桩基偏心受压时,一般先按轴心受压估出桩数,然后按偏心荷载大小将桩数增加10％~20％.这样定出的桩数也是初步的,最终要依据总承载力与变形、单桩受力,以及承台结构强度等要求决定.承受水平荷载的桩基在确定桩数时,还应满足对桩的水平承载力的要求.此时,可以取各单桩水平承载力之和作为桩基的水平承载力设计值.这样做通常是偏于安全的.

(2)桩的中心距.桩的间距(中心距)一般采用3~4倍桩径.桩的间距过大,承台体积增加,造价提高;间距过小,桩的承载力不能充分发挥,且给施工造成困难.桩的最小中心距应符合表4．19的规定.对于大面积桩群,尤其是挤土桩,桩的最小中心距宜按表4．19列值适当加大.

表4．19 桩的最小中心距

(3)桩在平面上的布置.桩在平面上布置成方形(或矩形)网格或三角网格形式[图4．20(a)]的条形基础下的桩,可采用单排或双排布置[图4．20(b)]也可采用不等距的排列.

图4．20 桩的平面布置图

(a)桩下基础;(b)墙下基础

为了使桩基中各桩受力比较均匀,群桩横截面的中心应与荷载合力的作用点重合或接近.当作用在承台底面的弯矩较大时,应增加桩基横截面的惯性矩.对柱下单独桩基和整片式桩基,宜采用外密内疏的布置方式;对横墙下桩基,可在外纵墙之外布设1~2根“探头”桩,如图4．21所示.

图4．21 横墙下“探头”桩的布置

在有门洞的墙下布桩时,应将桩设置在门洞的两侧.梁式或板式承台下的群桩,布置桩时应注意使梁、板中的弯矩尽量减小,即多布设在柱、墙下使上部荷载尽快传递给桩基.

为了节省承台用料和减少承台施工的工作量,在可能的情况下,墙下应尽量采用单排桩基,柱下的桩数也应尽量减小.一般来说,桩数较少而桩长较大的摩擦桩,无论在承台的设计和施工方面,还是在提高群桩的承载力以及减小桩基沉降量方面,都比桩数多而桩长小的桩基优越.

4．8．5 承台设计计算

桩基承台可分为柱下独立承台、柱下墙下承台,以及筏形承台和箱形承台.承台设计包括选择承台的材料及强度等级、形状及尺寸、进行承台结构承载力计算,并使其满足一定要求.

(1)构造要求.承台的平面尺寸一般由上部结构、桩数及布桩形式决定的.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),如图4．22所示.其剖面形状可做成锥形、台阶形或平板形.

图4．22 柱下独立桩基承台配筋示意图

(a)矩形承台;(b)三桩承台

承台的最小宽度不应小于500mm,承台边缘至桩中心的距离不宜小于桩的直径或边长,且边缘挑出部分不应小于150mm,这主要是为了满足桩顶嵌固及冲切要求.对于条形承台梁边缘挑出部分不应小于75mm,这主要是考虑墙体与条形承台的相互作用可增强结构的整体刚度,并不会产生桩体对承台的冲切破坏.

为满足承台的基本刚度、桩与承台的链接等构造需要,条形承台和柱下独立承台的最小厚度为300mm.筏形和箱形承台的厚度应满足整体刚度、施工条件及防水要求.对于桩布置于墙下或基础梁下的情况,承台板厚度不宜小于250mm,且板厚度与计算区最小跨度之比不宜小于1/20.

承台混凝土强度等级不宜小于C20,纵向钢筋的混凝土保护层厚度不宜小于70mm,当有混凝土垫层时不应小于40mm.

承台的配筋除满足计算要求外,还应符合下列规定:柱下独立桩基承台的受力钢筋应通长配置,矩形承台板宜双向均匀配置[图4．22(a)],钢筋直径不宜小于ϕ10,间距应满足100~200mm,对于三桩承台,钢筋应均匀配置,最里面三根钢筋相交围成的三角形,应位于柱截面范围以内[图4．22(b)];承台梁的纵向主筋不宜小于ϕ12,架立筋直径不宜小于ϕ10,箍筋直径不宜小于ϕ6;承台板的分布构造钢筋可采用ϕ12,间距150~200mm,考虑到整体弯矩的影响,纵横两方向的支座钢筋应有1/3~1/2,且配筋率不小于0．15％,贯通全跨配置,跨中钢筋应按计算配筋率全部连通.

(2)承台结构承载力计算.各种承台均应按《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)进行受弯、受冲切、受剪切和局部受压承载力计算.下面主要介绍柱下多桩承台的计算.

1)受弯计算.桩基承台应进行正截面受弯承载力计算.柱下独立桩基承台的正截面弯矩设计值可按下列规定计算:

①两桩条形承台和多桩矩形承台弯矩计算截面取在柱边和承台变阶处[图4．23(a)],可按下列公式计算:

Mx＝∑Niyi 　(4-52)

My＝∑Nixi 　(4-53)

图4．23 承台弯矩计算示意

(a)矩形多桩承台;(b)等边三桩承台;(c)等腰三桩承台

式中 Mx、My——分别为绕X轴和绕Y轴方向计算截面处的弯矩设计值;

xi、yi——垂直Y轴和X轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离;

Ni——不计承台及其上土重,在荷载效应基本组合下的第i基桩或复合基桩竖向反力设计值.

②三桩承台的正截面弯矩值应符合下列要求:

a．等边三桩承台如图4．23(b)所示,其弯矩计算如下:

式中 M——通过承台形心至各边边缘正交截面范围内板带的弯矩设计值;

Nmax——不计承台及其上土重,在荷载效应基本组合下三桩中最大基桩或复合基桩竖向反力设计值;

sa——桩中心距;

c——方柱边长,圆柱时c＝0．8d(d为圆柱直径).

b．等腰三桩承台如图4．23(c)所示,其弯矩计算如下:

式中 M1、M2——分别为通过承台形心至两腰边缘和底边边缘正交截面范围内板带的弯矩设计值;

sa——长向桩中心距;

α——短向桩中心距与长向桩中心距之比,当α小于0．5时,应按变截面的二桩承台设计;

c1、c2——分别为垂直于、平行于承台底边的柱截面边长.

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、承台和上部结构类型和刚度,按地基—桩—承台—上部结构共同作用原理分析计算.对于箱形承台,当桩端持力层为基岩、密实的碎石类土、砂土且深厚均匀时,或当上部结构为剪力墙,或为框架G核心筒结构且按变刚度调平原则布桩时,箱形承台底板可仅按局部弯矩作用进行计算.对于筏形承台,当桩端持力层深厚坚硬、上部结构刚度较好,且柱荷载及柱间距的变化不超过20％时,或当上部结构为框架G核心筒结构且按变刚度调平原则布桩时,可仅按局部弯矩作用进行计算.

柱下条形承台梁的弯矩可按弹性地基梁(地基计算模型应根据地基土层特性选取)进行分析计算.当桩端持力层深厚坚硬且桩柱轴线不重合时,可视桩为不动铰支座,按连续梁计算.砌体墙下条形承台梁,可按倒置弹性地基梁计算弯矩和剪力.对于承台上的砌体墙,尚应验算桩顶部位砌体的局部承压强度.

2)受冲切计算.桩基承台厚度应满足柱(墙)对承台的冲切和基桩对承台的冲切承载力要求.冲切破坏锥体应采用自柱(墙)边或承台变阶处至相应桩顶边缘连线所构成的锥体,锥体斜面与承台底面的夹角不应小于45°(图4．24).

①桩基承台受柱(墙)冲切.桩基承台受柱(墙)冲切承载力可按下列公式计算:

Fl＝F－∑Qi 　(4-58)

Fl≤βhpβ0umfth0 　(4-57)

图4．24 柱对承台的冲切计算示意

式中 Fl——不计承台及其上土重,在荷载效应基本组合下作用于冲切破坏锥体上的冲切力设计值;

ft——承台混凝土抗拉强度设计值;

βhp——承台受冲切承载力截面高度影响系数,当h≤800mm时,βhp取1．0;h≥2000mm时,βhp取0．9,其间按线性内插法取值;

um——承台冲切破坏锥体一半有效高度处的周长;

h0——承台冲切破坏锥体的有效高度;

β0——柱(墙)冲切系数;

λ——冲跨比,λ＝a0/h0,a0为柱(墙)边或承台变阶处到桩边水平距离;当λ＜0．25时,取λ＝0．25;当λ＞1．0时,取λ＝1．0;

F——不计承台及其上土重,在荷载效应基本组合作用下柱(墙)底的竖向荷载设计值;

∑Qi——不计承台及其上土重,在荷载效应基本组合下冲切破坏锥体内各基桩或复合基桩的反力设计值之和.

②柱下矩形独立承台受柱冲切.对于柱下矩形独立承台受柱冲切如图4．24所示,其冲切承载力可按下列公式计算:

Fl≤2[β0x(bc＋a0y)＋β0y(hc＋a0x)]βhpfth0 　(4-60)

式中 β0x、β0y——由式(4-59)求得,λ0x＝a0x/h0,λ0y＝a0y/h0;λ0x、λ0y均应满足0．25~1．0的要求;

hc、bc——分别为x、y方向的柱截面的边长;

a0x、a0y——分别为x、y方向柱边离最近桩边的水平距离.

③柱下矩形独立阶形承台受上阶冲切.对于柱下矩形独立阶形承台受上阶冲切如图4．24所示,其冲切承载力可按下列公式计算:

Fl≤2[β1x(b1＋a1y)＋β1y(h1＋a1x)]βhpfth10 　(4-61)

式中 β1x、β1y——由式(4-59)求得,λ1x＝a1x/h10,λ1y＝a1y/h10;λ1x、λ1y均应满足0．25~1．0的要求;

h1、b1——分别为x、y方向承台上阶的边长;

a1x、a1y——分别为x、y方向承台上阶边离最近桩边的水平距离.

对于圆柱及圆桩,计算时应将其截面换算成方柱及方桩,即取换算柱截面边长bc＝0．8dc(dc为圆柱直径),换算桩截面边长bp＝0．8d(d为圆桩直径).

对于柱下两桩承台,宜按受弯构件(l0/h＜5．0,l0＝1．15ln,ln为两桩净距)计算受弯、受剪承载力,不需要进行受冲切承载力计算.

④冲切破坏锥体以外的基桩冲切.对位于柱(墙)冲切破坏锥体以外的基桩,需计算承台受基桩冲切的承载力.

a．四桩以上(含四桩)承台受角桩冲切如图4．25所示,其冲切承载力可按下列公式计算:

Nl≤[β1x(c2＋a1y/2)＋β1y(c1＋a1x/2)]βhpfth0 　(4-62)

式中 Nl——不计承台及其上土重,在荷载效应基本组合作用下角桩(含复合基桩)反力设计值;

β1x、β1y——角桩冲切系数;

a1x、a1y——从承台底角桩顶内边缘引45°冲切线与承台顶面相交点至角桩内边缘的水平距离;当柱(墙)边或承台变阶处位于该45°线以内时,则取由柱(墙)边或承台变阶处与桩内边缘连线为冲切锥体的锥线(图4．25);

图4．25 四桩以上(含四桩)承台受角桩冲切计算示意

(a)锥形承台;(b)阶形承台

h0——承台外边缘的有效高度;

λ1x、λ1y——角桩冲跨比,λ1x＝a1x/h0,λ1y＝a1y/h0,其值均应满足0．25~1．0的要求. b．三桩三角形承台受角桩冲切如图4．26所示,其冲切承载力可按下列公式计算:

底部角桩:

顶部角桩:

式中 λ11、λ12——角桩冲跨比,λ11＝a11/h0,λ12＝a12/h0,其值均应满足0．25~1．0的要求;

a11、a12——从承台底角桩顶内边缘引45°冲切线与承台顶面相交点至角桩内边缘的水平距离;当柱(墙)边或承台变阶处位于该45°线以内时,则取由柱(墙)边或承台变阶处与桩内边缘连线为冲切锥体的锥线.

图4．26 三桩三角形承台受角桩冲切计算示意

c．箱形、筏形承台受内部基桩冲切如图4．27所示,冲切包括受基桩的冲切及受桩群的冲切两部分.

图4．27 箱形、筏形承台受内部基桩冲切计算示意

(a)受基桩的冲切;(b)受桩群的冲切

受基桩的冲切承载力如图4．27(a)所示,可按下列公式计算:

Nl≤2．8(bp＋h0)βhpfth0 　(4-69)

受桩群的冲切承载力如图4．27(b)所示,可按下列公式计算:

∑Nli≤2[β0x(by＋a0y)＋βoy(bx＋a0x)]βhpfth0 　(4-70)

式中 β0x、β0y——由式(4-59)求得,其中λ0x＝a0x/h0,λ0y＝a0y/h0,λ0x、λ0y均应满足0．25~1．0的要求;

Nl、∑Nli——不计承台和其上土重,在荷载效应基本组合下,基桩或复合基桩的净反力设计值、冲切锥体内各基桩或复合基桩反力设计值之和.

3)受剪计算.柱(墙)下桩基承台,应分别对柱(墙)边、变阶处和桩边连线形成的贯通承台的斜截面的受剪承载力进行验算.当承台悬挑边有多排基桩形成多个斜截面时,应对每个斜截面的受剪承载力进行验算.

①承台斜截面受剪承载力.承台斜截面受剪如图4．28所示,受剪承载力可按下列公式计算:

V≤βhsαftb0h0 　(4-71)

式中 V——不计承台及其上土自重,在荷载效应基本组合下,斜截面的最大剪力设计值;ft——混凝土轴心抗拉强度设计值;

b0——承台计算截面处的计算宽度;

h0——承台计算截面处的有效高度;

α——承台剪切系数,按式(4-72)确定;

λ——计算截面的剪跨比,λx＝ax/h0,λy＝ay/h0,此处,ax、ay为柱边(墙边)或承台变阶处至y、x方向计算一排桩的桩边的水平距离,当λ＜0．25时,取λ＝0．25;当λ＞3时,取λ＝3;

βhs——受剪切承载力截面高度影响系数;当h0＜800mm时,取h0＝800mm;当h0＞2000mm时,取h0＝2000mm;其间按线性内插法取值.

图4．28 承台斜截面受剪计算示意

②阶梯形承台变阶处.对于阶梯形承台,应分别在变阶处(A1—A1,B1—B1)及柱边处(A2—A2,B2—B2)进行斜截面受剪承载力计算,如图4．29所示.计算变阶处截面(A1—A1,B1—B1)的斜截面受剪承载力时,其截面有效高度均为h10,截面计算宽度分别为by1和bx1.计算柱边截面(A2—A2,B2—B2)的斜截面受剪承载力时,其截面有效高度均为h10＋h20,截面计算宽度分别为