常用地基基础的形式与受力特点

11.2　常用地基基础的形式与受力特点

・11.2.1　单独基础・

1）单独基础的形式

按照上部结构类型，可分为柱下单独基础和墙下单独基础。

单独基础是柱基础的主要类型。它所用材料根据柱荷载大小及柱身材料确定，通常采用砖、石、混凝土和钢筋混凝土等。

（1）柱下单独基础

现浇柱下钢筋混凝土基础的截面可做成阶梯形或锥形，预制柱下的基础一般做成杯形，如图11.3所示。

图11.3　柱下单独基础

（a）阶梯形；（b）锥形；（c）杯形

（2）墙下单独基础

当墙下地基土上层土质松软，而在不深处有可作持力层的好土时，为节省基础材料和减少土方开挖量而采用的一种基础形式，如图11.4所示。

图11.4　墙下单独基础

（a）支承梁；（b）支承拱

2）柱下钢筋混凝土独立基础设计

（1）一般设计要求

①材料选择

·混凝土　混凝土强度等级不应低于C20；基础垫层厚度不宜小于70 mm，混凝土强度等级不宜小于C10；预制柱与杯口之间的缝隙，用不低于C20的细石混凝土充填密实。

·钢筋　受力筋最小配筋率不应小于0.15%。底板受力钢筋的最小直径不应小于10 mm，间距不应大于200 mm，也不应小于100 mm。基础与上部结构连接的插筋数量、直径及种类应与上部结构的钢筋规格完全一致。插筋的锚固长度应符合现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）要求，插筋的下端宜做成直钩放在基础底板钢筋网上。

②混凝土保护层。当有混凝土垫层时，底板钢筋的混凝土保护层厚度不应小于40 mm；无混凝土垫层时，底板钢筋的混凝土保护层厚度不应小于70 mm。

③基础的形状和尺寸

·底板　轴心受压基础底板一般采用正方形。偏心受压基础底板一般采用矩形，其长边和短边之比一般为1.5～2，弯矩作用在长边方向。

·基础的高度　基础高度按抗冲切承载力计算确定，且基础有效高度h₀尚应满足柱纵向受力钢筋在基础内的锚固要求。当基础高度小于500 mm时，可采用锥形基础，如图11.5（a）所示；当基础高度大于600 mm时，宜采用阶梯形基础，如图11.5（b）所示，每阶高度宜为300～500 mm，阶高和水平宽度均采用100 mm的倍数，且最底层阶宽b₁≤1.75h₁，其余阶宽不大于相应阶高。

图11.5　柱下独立基础的形状和尺寸

（a）锥形基础；（b）阶梯形基础

（2）基础底面尺寸的确定

·轴心受压基础　按承载力极限状态确定基底尺寸时，要求作用于基础底面处的平均压应力值不大于修正后地基承载力的特征值。由式（11.2）、式（11.3）可得：

式中　A——基础底面面积；

　d——基础埋深。

当为方形基础时，基础底面尺寸

·偏心受压基础　偏心受压基础底面尺寸需用试算法确定。一般步骤为：

①首先按轴心荷载作用初估基础底面面积A₀。

②根据偏心荷载作用下应力分布不均匀程度，将A₀扩大10%～40%，即A=（1.1～1.4）A₀。

③将A代入式（11.4）进行验算。

④如不满足要求，需重新调整A值直至满足式（11.4）。

在确定基础边长时，应注意荷载对基础的偏心距不宜过大，以保证基础不致发生过度倾斜。一般对建筑在中、高压缩性土上的基础或有吊车的工业厂房柱基础，偏心距e不宜大于l/6；对建在低压缩性土上的基础，可适当放宽，但偏心距e不得大于l/4。

（3）基础高度的确定

在基底土净反力作用下，基础可能发生冲切破坏；破坏面为大致沿柱边45°方向的锥形斜面，如图11.6所示。破坏的原因是由于混凝土斜截面上的主拉应力超过混凝土抗拉强度，从而引起斜拉破坏。

图11.6　基础的冲切破坏

为了防止冲切破坏的发生，当冲切锥体落在基础底面以内时，对矩形截面柱的阶形基础，在柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力应进行计算，并满足如下要求（图11.7）：

式中　p_j——扣除基础自重及其上土重后相应于荷载的基本组合时的地基土单位面积净反力，对偏心受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力。

　h₀——基础冲切破坏锥体的有效高度。

　A_l——考虑冲切荷载时取用的多边形面积（图11.7中阴影面积ABCDEF）。

　a_t——冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长。在图11.7（a）中取柱宽，在图11.7（b）中取上阶宽。

　a_b——冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长（m），当冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内（图11.7（a），（b）），计算柱与基础交接处的受冲切承载力时，取柱宽加2倍基础有效高度；当计算基础变阶处的受冲切承载力时，取上阶宽加2倍该处的基础有效高度。

　β_hp——受冲切承载力截面高度影响系数，当h≤800 mm时取β hp=1.0，当h≥2 000 mm时取β_hp=0.9，其间按线性内插法取用。

　f_t——混凝土轴心抗拉强度设计值。

图11.7　计算基础受冲切承载力截面位置

（a）柱与基础交接处；（b）基础变阶处

1—冲切破坏锥体最不利一侧的斜截面；2—冲切破坏锥体底面线

在设计时，先按构造要求选定基础高度和阶高，然后进行验算，直到满足要求为止。显然，当破坏锥面落在基础底面（或变阶处下底面）以外时，不必进行验算。

当基础底面短边尺寸小于或等于柱宽加2倍基础有效高度的柱下独立基础，应验算柱与基础交接处的基础受剪切承载力。

式中　V_s——柱与基础交接处的剪力设计值，kN，图11.8中的阴影面积乘以基底平均净反力。

　β_hs——受剪切承载力截面高度影响系数，当h₀＜800 mm时，取h₀=800 mm；当h₀＞2 000 mm时，取h₀=2 000 mm。

　A₀——验算截面处基础的有效截面面积，m²。当验算截面为阶形或锥形时，可将其截面折算成矩形截面，截面的折算宽度和截面的有效高度按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）附录U计算。

（4）基础底板配筋

在基底净反力设计值p_j的作用下，基础底板在两个方向发生弯曲，受力状态如同倒置的变截面悬臂板，所以两个方向都要配受力钢筋，钢筋面积按两个方向的最大弯矩分别计算，计算截面取柱边或变阶处截面。

图11.8　验算阶形基础受剪切承载力示意图

（a）柱与基础交接处　（b）基础变阶处

在轴心荷载或单向偏心荷载作用下，当台阶的宽高比≤2.5和偏心距≤l/6基础宽度时，柱下矩形独立基础任意截面的底板弯矩可按下列简化方法进行计算，如图11.9所示。

式中　M_Ⅰ，M_Ⅱ——任意截面Ⅰ—Ⅰ、截面Ⅱ—Ⅱ处相应于作用的基本组合时的弯矩设计值，kN・m；

　a₁——任意截面Ⅰ—Ⅰ至基底边缘最大反力处的距离，m；

　l，b——基础底面的边长，m；

　p_max，p_min——相应于作用的基本组合时的基础底面边缘最大和最小地基反力设计值，kPa；

　p——相应于作用的基本组合时在任意截面Ⅰ—Ⅰ处基础底面地基反力设计值，kPa；

　G——考虑作用分项系数的基础自重及其上的土自重，kN，当组合值由永久作用控制时，作用分项系数可取1.35。

在求出M_Ⅰ和M_Ⅱ后，即可按下列近似公式计算配筋：

根据计算的配筋量选择钢筋，其直径不小于10 mm，间距不大于200 mm。当板长大于2.5 m时，钢筋的长度可取板长的0.9倍，并交错排列，如图11.10所示。

图11.9　矩形基础底板的计算示意图

图11.10　柱下混凝土独立基础配筋示意

・11.2.2　条形基础・

1）条形基础的类型

条形基础是指基础长度远大于基础宽度的一种基础形式。按上部结构形式可分为墙下条形基础和柱下条形基础。

（1）墙下条形基础

墙下条形基础是承重墙基础的主要形式。所用材料一般为砖、毛石、三合土或灰土等，当上部结构荷载较大或地基较差时可采用混凝土或钢筋混凝土条形基础。墙下混凝土条形基础一般做成无肋式，但若地基土质不均匀，为了增强基础整体性，减小不均匀沉降，也可做成有肋式的条形基础，如图11.11所示。

图11.11　墙下钢筋混凝土条形基础

（a）无肋式；（b）有肋式

（2）柱下钢筋混凝土条形基础

当上部结构荷载较大或地基土层较弱时，如柱下仍采用独立基础，基础底面积必然很大而相互靠得很近，此时可将同一排的柱基础连通，做成钢筋混凝土条形基础，如图11.12所示。

2）墙下钢筋混凝土条形基础设计

（1）构造要求（图11.13）

①锥形基础边缘高度，不宜小于200 mm；阶梯形基础的每阶高度，宜为300～500 mm。

图11.12　柱下钢筋混凝土条形基础

图11.13　墙下钢筋混凝土条形基础的构造

1—受力钢筋；2—C15混凝土垫层；3—构造钢筋

②垫层的厚度不宜小于70 mm，垫层混凝土强度等级应为C15，两端各宽出基础边缘50 mm。

③基础底板受力钢筋的最小直径不宜小于10 mm，间距不宜大于200 mm，也不宜小于100 mm。基础纵向分布钢筋的直径不小于8 mm，间距不大于300 mm，每延米分布钢筋的面积应不小于受力钢筋面积的1/10。当有垫层时，钢筋保护层的厚度不小于40 mm，无垫层时不小于70 mm。

④混凝土强度等级不应低于C20。

⑤当基础宽度大于或等于2.5 m时，底板受力钢筋的长度可取宽度的0.9倍，并宜交错布置。

⑥钢筋混凝土条形基础底板在T形及十字形交接处，底板横向受力钢筋仅沿一个主要受力方向通长布置，另一方向的横向受力钢筋可布置到主要受力方向底板宽度的1/4处，如图11.14所示。在拐角处底板横向受力钢筋应沿两个方向布置。

图11.14　墙下条形基础交接处底板受力钢筋布置示意图

（a）工形交接；（b）十形交接；（c）L形交接

（2）基础底板厚度

基础底板的受力情况犹如一倒置的悬臂梁，由自重G产生的均布压力与相应的地基反力相抵，即底板仅受到上部结构传来的荷载设计值产生的地基净反力的作用。

①轴心荷载作用时（图11.15）。

·地基净反力计算　地基净反力是扣除基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基单位面积净反力，可按式（11.15）计算：

图11.15　墙下条形基础轴心荷载下受力分析

图11.16　墙下条形基础受偏心载荷作用下受力分析

式中　F——上部结构传来荷载效应的基本组合设计值。

·最大内力设计值（取墙边截面）

式中　V——基础底板最大剪力设计值，kN/m；

　M——基础底板最大弯矩设计值，（kN・m）/m；

　a——砖墙厚。

·基础底板厚度　为了防止因剪力作用使基础底板发生剪切破坏，要求底板应有足够的厚度。因基础底板内不配置箍筋和弯筋，因而基础底板厚度应满足式（11.18）要求：

或

式中　f_t——混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm²；

　h₀——基础底板有效厚度，mm。

·基础底板配筋　计算公式为：

式中　A_s——条形基础底板受力钢筋面积，mm²/m；

　f_y——钢筋抗拉强度设计值，N/mm²。

②偏心荷载作用时（图11.16）。

·地基净反力偏心距e_0n

·地基净反力

·最大内力设计值

·基础底板厚度及配筋计算　仍用式（11.19）和式（11.20）。

3）柱下条形基础设计

（1）柱下条形基础构造要求

柱下条形基础除了要满足墙下条形基础与柱下独立基础的构造要求外，还须满足以下要求：

①柱下钢筋混凝土条形基础的高度宜为柱距的1/4～1/8，翼板厚度不应小于200 mm。当翼板厚度大于250 mm时，宜用变厚度翼板，其坡度宜小于或等于1∶3。

②条形基础的端部宜外伸，以增大底面积及调整底面形心位置，使反力分布合理，但不宜伸出过长，一般为第一跨跨距的1/4。

③现浇柱与条形基础梁的交接处，其平面尺寸不应小于图11.17规定，即一般情况下基础梁宽度宜每边宽于柱边50 mm，当与基础梁轴线垂直的柱边长大于或等于600 mm时，可仅在柱子处将基础梁局部加宽。

④条形基础梁顶面和底面的纵向受力钢筋除满足计算要求外，顶面钢筋宜全部贯通，底面通长钢筋不应少于底面受力钢筋总面积的1/3。

⑤梁上部和下部的纵向受力钢筋的配筋率均不小于0.2%，当梁高大于700 mm时，应在梁侧加设腰筋，其直径不小于10 mm，箍筋直径不小于8 mm。

图11.17　现浇柱与条形基础梁交接处平面尺寸

（a）与基础梁轴线垂直的柱边长＜600 mm时；（b）与基础梁轴线垂直的柱边长≥600 mm时

（2）柱下条形基础的简化计算

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定，在比较均匀的地基上，上部结构刚度较好，荷载分布较均匀，且条形基础梁的高度不小于1/6柱距时，地基反力可按直线分布，条形基础梁的内力可按连续梁计算，即通常所称的“倒梁法”。若不满足上述要求，宜按弹性地基梁法计算。倒梁法是一种实用的计算基础梁的简化方法。

图11.18　基底反力按直线分布

①地基承载力验算。如前所述，假设基底反力是直线分布，因此在确定基础尺寸时将作用在基础上的柱荷载向基础梁中心点简化，如图11.18所示，然后按式（11.26）和式（11.27）计算基底反力：

轴心荷载作用时：

偏心荷载作用时，除应满足上式外，还应满足：

式中　∑F_ik——各柱传至基础顶面的荷载效应标准组合值，kN；

　G_k——基础及上覆土重标准值，kN；

　G_wk——作用在基础梁上墙重标准值，kN；

　∑Mik——各荷载效应标准值对基础中点的力矩代数和，kN・m；

　b——基础底面翼板宽度，m；

　l——基础梁长度，m；

　f_a——修正后地基承载力特征值，kPa。

柱下条形基础底面积可按式（11.28）估算：

若为偏心荷载作用，将A扩大10%～40%。底面选定后，进一步确定l和b值，基础长度可按主要荷载合力作用点与基底形心尽量靠近的原则，并结合端部伸长尺寸选定，一般采用试算法。

②基础底板的计算。由于假定基底反力是直线分布，所以基础自重和上覆土重产生的基底压力与相应的地基反力相抵，故地基净反力按式（11.29）计算：

式中　∑F_i——各柱传来的总荷载效应设计值，kN；

　∑M_i——各荷载效应设计值对基础中点的力矩代数和，kN・m；

　G_w——作用在基础梁上墙重设计值，kN。

为简化计算，地基净反力在横向按均匀分布考虑。作用在基础底板上的地基净反力可取每柱距a内的最大值，如图11.19所示，故各柱距内底板的配筋是不同的。当净反力相差不大时，宜采用同一配筋。翼板的计算方法与墙下钢筋混凝土条形基础相同。

图11.19　基础底板上的净反力

③基础梁内力计算。采用简化的方法求出基底反力后，可按倒梁法计算条形基础梁的内力，即以柱作为基础梁的不动铰支座（可认为上部结构的刚度很大），地基净反力作为荷载，求连续梁的内力。

由于沿梁全长作用的均布墙重、基础及上覆土重均由其产生的地基反力所抵平，故作用在基础梁上的净反力只有由柱传来的荷载所产生，这时：

考虑到上部结构与地基、基础相互作用的影响，在协调地基变形过程中将引起端部地基反力的增加，因而在按地基反力直线分布假设进行计算后，将条形基础两端边跨的跨中弯矩及第一内支座的弯矩值宜乘以系数1.2。

按以上计算简图求得的“支座”反力，一般不等于原柱传来的荷载。此时可将支座反力与柱子的轴力之差折算成均匀荷载，布置在支座两侧各1/3跨内，再按连续梁计算内力，并与原算得的内力叠加。经调整后不平衡力将明显减少，一般调整一二次即可，这个调整方法也称调整倒梁法。

・11.2.3　十字交叉基础・

当上部结构荷载较大，以致沿柱列一个方向上设置条形基础已不再能满足地基承载力和地基变形要求时，可考虑沿柱列的两个方向都设置条形基础，形成十字交叉基础（图11.20），以增大基础底面积及基础刚度。十字交叉梁基础是具有较大抗弯刚度的超静定体系，对地基的不均匀变形有较大的调节能力。

图11.20　柱下十字交叉基础

柱下交叉梁基础，在每个交叉点（简称节点）上作用有柱传来的轴力及两个方向的弯矩。同柱下条形基础一样，当两个方向的梁高均大于1/6柱距、地基土比较均匀、上部结构刚度较好时，地基反力可近似视为按直线分布。根据节点处两个方向竖向位移和转角相等的条件，可求得各节点在两个方向梁上的分配荷载，然后按柱下条形基础的方法进行设计即可。

・11.2.4　筏形和箱形基础・

当上部结构荷载有显著增加，交叉梁基础在两个方向基底面积都会增加。当增大到一定程度时，连成一片则形成了筏形基础。筏形基础有两种形式，即平板式和梁板式，如图11.21所示。平板式筏形基础为一块厚板，梁板式筏形基础是在柱之间设地梁。

图11.21　筏板基础

（a）平板式；（b），（c）梁板式

筏形基础的受力性质比前几种基础有明显改善，其底面积大，基底压力小，能够有效地增强基础的整体性，调整不均匀沉降。

箱形基础由顶板、底板、外墙和内隔墙组成，是具有一定高度的整体结构。其形式如图11.22所示。

图11.22　箱形基础

箱形基础与筏形基础相比，基础底面积相差不大，但箱形基础具有更大的抗弯刚度，因而能够调整不均匀沉降，消除因地基变形而使建筑物开裂的现象，同时也具有很好的抗震性能。

・11.2.5　桩基础・

1）桩的分类

（1）按桩身材料分类

·混凝土桩　小型工程中，当桩基础主要承受竖向桩顶受压荷载时，可采用混凝土桩。混凝土强度等级一般采用C25和C30。这种桩的价格比较便宜，截面刚度大，易于制成各种尺寸。

·钢筋混凝土桩　钢筋混凝土桩应用较广，常做成实心的方形或圆形，亦可做成十字形截面，可用于承压、抗拔、抗弯等。可工厂预制或现场预制后打入，也可现场钻孔灌注混凝土成桩。当桩的截面较大时，也可做成空心管桩，常通过施加预应力制作管桩，以提高桩自身的抗裂能力。

·钢桩　钢桩用各种型钢制作。承载力高、质量轻、施工方便，但价格高、费钢材、易腐蚀。一般在特殊、重要的建筑物中才使用。常见的有钢管桩、宽翼工字型钢桩等。

·木桩　木桩在我国古代的建筑工程中早已使用。木桩虽然经济，但由于承载力低，易腐烂，木材又来之不易，故现在已很少使用，只在乡村小桥、临时小型构筑物中还少量使用。木桩常用松木、杉木、柏木和橡木制成。木桩在使用时，应打入地下水位0.5 m以下。

·组合材料桩　组合材料桩是一种新桩型，由两种材料组合而成，以发挥各种材料的特点。如在素混凝土中掺入适量粉煤灰形成粉煤灰素混凝土桩；水泥搅拌桩中插入型钢或预制钢筋混凝土小截面桩。但采用组合材料相对造价较高，故只在特殊地质情况下才采用。

（2）按施工方法分类

·预制桩　预制桩在工厂或施工现场预先制作成型，然后运送到桩位，采用锤击、振动或静压的方法将桩沉至设计标高。桩的材料有混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、钢管、木材等。在工程中应用最广泛的是钢筋混凝土预制桩。

·灌注桩　灌注桩指在设计桩位用钻、冲或挖等方法成孔，然后在孔中灌注混凝土成桩的柱型。它与预制桩相比，不存在起吊及运输问题，桩身可按内力大小决定配筋或不配筋，用钢量较省。灌注桩要特别注意保证桩身混凝土质量，防止露筋、缩颈、断桩等现象。灌注桩按成孔方法不同可分成沉管灌注桩、钻（冲）孔灌注桩和挖孔灌注桩。

（3）按荷载的传递方式分类

·端承桩　端承桩是桩顶荷载由桩端阻力承受的桩，如图11.23所示。桩身穿过软弱土层，达到深层坚硬土中。桩侧阻力很小，可略去不计。

·摩擦桩　摩擦桩是桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受的桩，如图11.24所示。它的桩侧阻力很大，起主要承载作用，桩未达到坚硬土层或岩层。

图11.23　端承桩

图11.24　摩擦桩

2）单桩竖向承载力特征值

单桩竖向承载力特征值是指竖直单桩在轴向外荷载作用下，不丧失稳定、不产生过大变形时的最大荷载值。

桩基在荷载作用下，主要有两种破坏模式：一种是桩身破坏，桩端支承于很硬的地层上，而桩侧土又十分软弱，桩相当于一根细长柱，此时有可能发生纵向弯曲破坏；另一种是地基破坏，桩穿过软弱土层支承在坚实土层上，其破坏模式类似于浅基础下地基的整体剪切破坏，土从桩端两侧隆起。此外，当桩端持力层为中等强度土或软弱土时，在荷载作用下，桩“切入”土中，称为冲剪破坏或贯入破坏。

由上述可见，单桩竖向承载力应根据桩身的材料强度和土对桩的支承力两方面确定。

（1）根据桩身材料强度确定

通常桩总是同时受轴力、弯矩和剪力的作用，按桩身材料计算桩的竖向承载力时，将桩视为轴心受压构件。对于钢筋混凝土桩：

式中　R_a——单桩竖向承载力特征值，N；

　ψ——纵向弯曲系数，考虑土的侧向作用，一般取ψ=1；

　f_c——混凝土的轴心抗压强度设计值，N/mm²；

　A——桩身的横截面面积，mm²；

　f′_y——纵向钢筋的抗压强度设计值，N/mm²；

　A′_s——桩身内全部纵向钢筋的截面面积，mm²。

由于灌注桩成孔和混凝土浇筑的质量难以保证，而预制桩在运输及沉桩过程中受振动和锤击的影响，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）规定，应将混凝土的轴心抗压强度设计值乘以桩基施工工艺系数ψ_c。对混凝土预制桩，ψ_c=1；干作业非挤土灌注桩，ψ_c=0.9；泥浆护壁和套管非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩、挤土灌注桩，ψ_c=0.8。

（2）根据土对桩的支承力确定

①按静载荷试验确定。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定，对于一级建筑物，单桩竖向承载力标准值应通过现场静载试验确定。单桩竖向静载荷试验是按照设计要求在建筑场地先打试桩，然后在试桩顶上分级施加静荷载，并观测各级荷载作用下的沉降量，直到桩周围地基被破坏或桩身被破坏，从而求得桩的极限承载力。试桩数量一般不少于桩总数的1%，且不少于3根。

对于打入式试验，由于打桩对土体的扰动，试桩必须待桩周围土体的强度恢复后方可开始，间隔天数应视土质条件及沉桩方法而定，一般间歇时间是：预制桩，打入砂土中不宜少于7 d，粘性土中不得少于15 d，饱和软黏土中不得少于25 d。灌注桩应待桩身混凝土达到设计强度后才能进行试验。

试验方法及终止加荷条件参见《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关规定。

对静载试验所得的极限荷载（或极限承载力）必须进行数理统计，求出每根试桩的极限承载力后，按参加统计的试桩数取试桩极限荷载的平均值，并要求极差最大值与最小值之差不得超过平均值的30%。当极差超过时，应查明原因，必要时宜增加试桩数；当极差符合规定时，取其平均值作为单桩竖向极限承载力，但对桩数为3根以下的柱下承台，取试桩的最小值为单桩竖向极限承载力。最后，将单桩竖向极限承载力除以2，即得单桩竖向承载力特征值。

②规范公式。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的规定，单桩的承载力特征值是由桩侧总极限摩擦力Q_su和总极限桩端阻力Q_pu组成。即：

对于二级建筑物，可参照地质条件相同的试验资料，根据具体情况确定。初步设计时，假定同一土层中的摩擦力沿深度方向是均匀分布的，以经验公式进行单桩竖向承载力特征值估算。

式中　R_a——单桩竖向承载力特征值，kN；

　q_pa——桩端阻力特征值，kPa，可按地区经验确定，对预制桩可按表11.4选用；

　A_p——桩底端横截面面积，m²；

　μp——桩身周边长度，m；

　q_sia——桩周围土的摩阻力特征值，kPa，可按地区经验确定，对预制桩可按表11.5选用；

l_i——按土层划分的各段桩长，m。

表11.4　预制桩桩端土（岩）的承载力特征值qpa　　　　单位：kPa

注：①表中数值仅用作初步设计的估算；

②入土深度超过15 m时，按15 m考虑。

3）桩基础设计

桩基础设计的目的是使作为支承上部结构的地基和基础结构必须具有足够的承载能力，其变形不超过上部结构安全和正常使用所允许的范围。桩基础在设计之前必须要有以下资料：建筑物上部结构的情况、工程地质勘察资料、当地建筑材料供应情况、施工条件、周围环境等。

表11.5　预制桩周围土的摩阻力特征值q_sia

注：①表中数值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。

（1）桩基设计内容

①选择桩的类型和几何尺寸，初步确定承台底面标高。

②确定单桩竖向和水平向（承受水平力为主的桩）承载力设计值。

③确定桩的数量、间距和布置方式。

④验算桩基的承载力和沉降。

⑤桩身结构设计。

⑥承台设计。

⑦绘制桩基施工图。

（2）选择桩材、桩型及其几何尺寸

桩的材料主要是混凝土和钢筋，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定，预制桩的混凝土强度等级不应低于C30，灌注桩不应低于C20，水下灌注桩不应低于C25，预应力桩不低于C40。

选择桩的类型及截面尺寸，应从建筑物实际情况出发，结合施工条件及工地地质情况进行综合考虑。预制方桩的截面尺寸一般可在300 mm×300 mm～500 mm×500 mm范围内选择；灌注桩的截面尺寸一般可在300～1 200 mm²范围内选择。

确定桩长的关键在于选择持力层，因桩端持力层对桩的承载力和沉降有着重要影响。坚实土层和岩石最适宜作为桩端持力层，在施工条件容许的深度内，若没有坚实土层，可选中等强度的土层作为持力层。

桩端进入坚实土层的深度应满足下列要求：对黏性土和粉土，不宜小于2～3倍桩径；对砂土，不宜小于1.5倍桩径；对碎石土，不宜小于1倍桩径；嵌岩桩嵌入中等风化或微风化岩体的最小深度，不宜小于0.5 m。桩端以下坚实土层的厚度，一般不宜小于5倍桩径；嵌岩桩在桩底以下3倍桩径范围内应无软弱夹层、断裂带、洞穴和空隙分布。

（3）确定单桩承载力

按前面所述方法确定单桩承载力。

（4）确定桩的根数及其布置

·确定桩数　根据单桩承载力设计值和上部结构荷载情况可确定桩数。

①当桩基础为中心受压时，桩数n为：

②当桩基础为偏心受压时，桩数n为：

式中　F_k——相应于荷载效应标准组合时，作用在桩基承台上的竖向荷载，kN；

　G_k——桩基承台自身及承台上土自重标准值，kN；

　R_a——单桩竖向承载力特征值，kN。

·桩的间距　所谓桩距就是指桩的中心距。间距太大会增加承台的体积和用料；太小则使桩基（摩擦型桩）的沉降量增加，且给施工造成困难。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定摩擦桩的中心距不宜小于桩身直径的3倍；扩底灌注桩的中心距不宜小于桩身直径的1.5倍，当扩底直径大于2 m时，桩端净距不宜小于1 m。扩底灌注桩的扩底直径不应大于桩身直径的3倍。

·桩的布置　桩位的布置应尽可能使上部荷载的中心与桩群的横截面重心相重合，当外荷载中弯矩占较大比重时，宜尽可能增大桩群截面抵抗矩，加密外围桩的布置。桩在平面内可布置成方形（或矩形）、网格或三角形网格的形式。条形基础下的桩，可采用单排或双排布置，如图11.25所示。

图11.25　桩位布置图

·桩基中各桩受力的验算　桩基础中各单桩承受的外力设计值Q应按式（11.37）和式（11.38）验算，如图11.26所示。

图11.26　桩顶荷载计算简图

①当轴心受压时：

②当偏心受压时：

式中　Q_k——相应于荷载标准组合轴心竖向力作用下任一单桩的竖向力；

　Q_ik——相应于荷载标准组合偏心竖向力作用下第i根桩的竖向力；

　M_xk，M_yk——相应于荷载标准组合作用于承台底面通过桩群形心的x，y轴方向的力矩；

　x_i，y_i——第i根桩中心至通过桩群形心x，y轴线的距离。

（5）桩身结构设计

·钢筋混凝土预制桩　预制桩桩身混凝土强度等级不宜低于C30，预应力混凝土桩的混凝土强度等级不宜低于C40；混凝土预制桩的截面边长不应小于200 mm，预应力混凝土预制桩的截面边长不宜小于250 mm。

预制桩的桩身应配置一定数量的纵向钢筋（主筋）和箍筋，最小配筋率一般不宜小于0.8%。若采用静压法沉桩时，其最小配筋率不宜小于0.6%。当截面边长在300 mm以下者，可用4根主筋，箍筋直径6～8 mm，间距不大于200 mm，在桩顶和桩尖处应适当加密。用打入法沉桩时，直接受到锤击的桩顶应放置3层钢筋网，桩尖在沉入土层以及使用中要克服土的阻力，故应把所有主筋焊在一根圆钢上或在桩尖处用钢板加强，受力钢筋的混凝土保护层不小于30 mm。

·混凝土灌注桩　灌注桩混凝土强度等级不得低于C20，水下灌注混凝土不得低于C25，混凝土预制桩尖不得低于C30。桩身配筋时，其最小配筋率不宜小于0.2%～0.65%（小直径桩取大值），纵向受力筋应沿桩身周边均匀布置，净距不应小于60 mm，并尽量减少钢筋接头。箍筋直径6～8 mm，间距200～300 mm，宜采用螺旋式箍筋。受水平荷载较大的桩基和抗震桩基，桩顶（3～5）d范围内箍筋应加密；当钢筋笼长度超过4 m时，应每隔2 m左右设一道φ 12～18焊接加劲箍筋。受力筋的混凝土保护层厚度不应小于35 mm，水下灌注混凝土保护层厚度不得小于50 mm。

（6）承台设计

承台平面形状应根据上部结构的要求和桩的布置形式决定。常见的形状有矩形、三角形、多边形、圆形、环形及条形等。承台的最小宽度不应小于500 mm，边桩中心至承台边缘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150 mm。对于条形承台梁，桩的外边缘至承台梁边缘的距离不应小于75 mm。条形承台和桩下独立桩基承台的厚度不应小于300 mm。

承台混凝土强度等级不宜小于C20，承台底面钢筋的混凝土保护层厚度不宜小于70 mm。当设100 mm厚素混凝土垫层时，保护层厚度可减至40 mm，垫层强度等级宜为C15。

矩形承台的钢筋应按双向均匀通长布置，如图11.27（a）所示，钢筋直径不宜小于10 mm，间距不大于200 mm；三桩承台钢筋应按三向板带均匀布置，且最里面的3根钢筋围成的三角形应在柱截面范围内，如图11.27（b）所示。承台梁的主筋除满足计算要求外，还应符合现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）关于最小配筋率的规定，纵向受力钢筋直径不宜小于12 mm，架立筋直径不宜小于10 mm，箍筋直径不宜小于6 mm，如图11.27（c）所示。

承台应进行冲切、抗剪及受弯强度计算。计算方法参阅现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）及《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关规定。

图11.27　承台配筋示意图

（a）矩形承台配筋；（b）三桩承台配筋；（c）承台剖面配筋