第6章 高层建筑桩基础

1.概述2.竖向荷载作用下的单桩工作性状3.竖向荷载下单桩极限承载力的确定方法4.竖向荷载作用下单桩沉降计算5.竖向荷载下群桩的工作性状6.群桩的竖向承载力计算7.群桩的沉降计算8.桩基础设计6.1概述6.1.1高层建筑的特点:竖直荷载大而集中；重心高，对倾斜十分敏感，且在风和地震水平荷载作用下会产生巨大的倾覆力矩，故其对基础的承载力、稳定性和差异沉降要求很高。图上海金茂大厦6.1.1高层建筑桩基础的特点⑴具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力;⑵具有很大的竖向单桩或群桩刚度（摩擦桩），不会产生过大的不均匀沉降;⑶具有良好的抗倾覆能力（单桩或群桩基础的侧向刚度巨大）；⑷箱、筏承台底土分担上部结构荷载；⑸桩身穿过可液化土层而支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩，在地震引起浅层土液化与震陷的情况下，具有足够的抗压与抗拔承载力，从而确保高层建筑的稳定。6.1.2桩的分类不同的分类标准(一)按承台承台:将几个桩结合起来传递荷载（二）按桩对土层作用效应（三）材料（四）形状（五）承载机理（六）按尺寸（七）施工方法软土层二桩的分类(一)按承台承台:将几个桩结合起来传递荷载1高承台桩承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥2低承台桩承台在地面以下,承台本身承担部分荷载软土层低承台桩高承台桩（二）按材料：木桩、混凝土、钢筋混凝土、钢管（型钢）桩、复合桩钢筋混凝土：普通混凝土、预应力混凝土（离心预制）、高强混凝土（三）按形状按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节（分叉）桩、扩底桩、支盘桩、微型桩按横断面：圆形，八边形，十字桩、X形桩桩身横断面（四）按尺寸按断面(直径）的大小：大直径:d80cm;小直径d40（25）cm按长度（长径比）L60m（3):长桩；L10m短桩L/（：桩的特征长度）44nBkEI（五）按桩对土层作用效应：1挤土桩：桩周土被挤密或挤开，周围土层严重扰动，结构破坏。粘土由于重塑扰动降低强度；非密实无粘性土由于振动挤密，强度提高。打入或压入的预制桩Prefabricatedpile、封底钢管桩、沉管灌注桩。2少量挤土桩：桩周土层受较少扰动，土的结构和工程性质变化不明显。小截面H型钢桩、型钢桩、开口式钢管桩、螺旋桩。3非挤土桩：桩孔内土被取出。土体应力松弛各种挖孔桩、钻孔桩等现场灌注桩Castinplace(六)按荷载传递方式（1）竖直荷载：端承桩、摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩Q=Qp+QsTipresistance,Skinfriction端承桩主要由桩端承受极限荷载,桩不长,桩端土坚硬摩擦桩主要由桩侧壁与土的摩擦力承受极限荷载,桩长,深端承桩摩擦桩PsPsP（七）按桩施工方法成桩方法1预制桩Prefabricatedpile挤土桩2现场灌注桩Castinplace非挤土桩1预制桩2现场灌注桩气锤打入振动沉桩静压桩引孔,部分挤土,大面积地面隆起不引孔,挤土桩成孔方法人工挖孔螺旋钻正反循环—地下水以下泥浆护壁冲击,夯扩,爆破沉管灌注浇注法省,易泥皮,虚土,断桩水上水下其他离心,预应力,工厂,现场振动沉桩预制桩1－13mPilePoint离心预应力预制钢筋混凝土人工挖孔桩广州市亚洲大酒店人工挖孔桩螺旋钻2.2扩底桩人工挖孔扩孔桩（芝加哥法）UK英国1.0-3.0m0.6-0.9m爆破扩底桩挤扩桩（支盘桩）6.1.2桩的分类总结挤土桩（打入预制桩）非挤土桩（现场钻孔）摩擦桩端承桩Q=Qp+Qs6.1.3高层建筑桩基础的基本型式桩基础的结构型式主要取决于两方面：1.上部结构的型式与布置；2.地质条件与桩型。高层建筑桩基础的结构型式也灵活多样。主要有以下几种：桩柱基础、桩梁基础、桩墙基础、桩筏基础和桩箱基础。1.桩柱基础-柱下独立桩基础可采用一柱一桩或一柱数桩基础。各个桩柱基础之间通常设置拉梁，提高桩基抵御水平荷载的能力。特点：1)一般只适用于端承桩;2)调整差异沉降的能力差，而框架结构又对差异沉降很敏感。3)适用于：框架结构式框剪、框支剪、框筒等结构，造价低。2.桩梁基础桩梁基础系指框架柱荷载通过基础梁（或称承台梁）传递给桩这种型式的桩基础。特点：1)沿柱网轴线布置一排或多排桩;2)桩顶用刚度大的基础梁相连;3)比桩柱基础具有较高的整体刚度和稳定性，具有调整不均匀沉降的能力。4)适用于端承桩。3.桩墙基础指剪力墙或实腹筒壁下的单排或多排桩基础。剪力墙可视为深梁，以其巨大的刚度足以把荷载较均匀地传给各支承桩，无需再设置基础梁；通常需在桩顶做一条形承台，其尺寸按构造要求。桩墙基础亦常用于筒体结构。一般做法是沿筒壁轴线布桩，桩顶不设承台梁，而是通过整块筏板与筒壁相连；或在桩顶之间设拉梁，并与地下室底板及筒壁浇成整体。4.桩筏基础单桩承载力不很高，而不得不满堂布桩或局部满堂布桩才足以支承建筑荷载时，常通过整块钢筋混凝土板把柱、墙（筒）集中荷载分配给桩。习惯上将这块板称为筏，称这类基础为桩筏基础。筏可做成梁板式或平板式。桩筏基础主要适用于软土地基上的筒体结构、框剪结构和剪力墙结构，以便借助于高层建筑的巨大刚度来弥补基础刚度的不足。不过，若为端承桩基，则可用于框架结构。5.桩箱基础上部荷载通过箱型结构传递给桩基础。由于其刚度很大，具有调整各桩受力和沉降的良好性能，因此，在软地基上建造高层建筑时较多地采用桩箱基础。它适用于包括框架在内的任何结构型式。高层建筑桩基础的基本型式比较基础型式桩柱桩梁桩墙桩筏桩箱桩排列方式一柱一桩沿轴线分布沿剪力墙布置满堂满堂沿轴线一排、多排墙下承台结构柱梁基础梁剪力墙筏箱基型式（条形承台）提高抵御水平通常有较高的整体刚度，能够将荷载荷载的能力均匀地分配给每一桩，在一定程度上有调整不均匀沉降的能力。6.1.4桩基的基本要求⑴桩基形式的合理选性；⑵持力层与桩长的合理选择。承载力、沉降、经济、施工技术；⑶桩的布置是否合理。“内疏外密”、“外疏内密”，桩基承载力的发挥；⑷桩基水平承载力是否满足。基底水平剪力和倾覆力矩，主要由地震和风所引起，一般地，地震作用为控制因素。⑸高层建筑桩基的施工和使用对周围环境的影响，挤土效应、排污、振动。6.2竖向荷载作用下的单桩工作性状6.2.1竖向荷载下单桩的荷载传递荷载传递微分方程根据静力的竖向平衡，有：Qs/Q≥0.8摩擦桩Qp/Q≥0.8端承桩Qs/Q=0.6－0.75端承摩擦桩Qp/Q=0.6－0.75摩擦端承桩22dzzSdUAEzqPS）（）（PSQQQ图6.2－2单桩及侧阻，端阻发挥性状(a)均匀土中的摩擦桩；(b)端承于砂层中的摩擦桩；(c)扩底端承桩；(d)孔底有沉淤的摩擦桩；(e)孔底有虚土的摩擦桩；(f)嵌入坚实基岩的端承桩桩的荷载传递的一般规律⑴桩端土与桩侧土的模量比Eb/Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快，即传递到桩端的荷载愈小，如图6.7所示。图6-7桩端土性对荷载传递的影响⑵随桩土刚度比Ep/Es（桩身刚度与桩侧土刚度之比）的增大，传递到桩端的荷载增加；但当Ep/Es≥1000后，的变化不明显。⑶随桩的长径比l/d增大，传递到桩端的荷载减小，桩身下侧阻发挥值相应降低；当l/d≥40时，在均匀土层中，趋于零；当l/d≥100时，不论桩端土刚度多大，其值小到可忽略不计。⑷扩大桩端面积，桩端传递荷载的比率Qp/Q增大。单桩弹性-完全塑性解桩身平衡方程0≤Z≤dd≤Z≤H边界条件位移连续条件：Z=dS1=S2=S0静力平衡条件：0)(0)(002202222uZdZSdAEuZdZSdAEudZSdAEpppHZSkZSAEZSAEZSAEsppp2221假定：1ks剪切变形系数，随深度是常量2s0随深度是常量sskZskZs000'6.2.2桩侧负摩阻力1.产生桩侧负摩阻力的条件负摩阻力--土体相对于桩身而向下位移时，土体不仅不能起扩散桩身轴向力的作用，反而会产生下拉的摩阻力，使桩身的轴力增大，该下拉的摩阻力称为。负摩阻力的存，增大了桩身荷载，增大了桩基的沉降。Sg—地表沉降量;Sp—桩端沉降量;L0—压缩土层厚度Ln—中性点深度；Sc—桩顶沉降量；QZ—桩身轴向力图6.2-7桩的负摩阻力中性点示意图产生负摩阻力的条件：第一类情况为桩周土在自重作用下固结沉降或浸水导致土体结构破坏、强度降低而固结（湿陷）；第二类情况为外界荷载作用导致桩周土固结沉降，如桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载或大面积地面堆载（包括填土）；第三类情况为因降水导致桩周土中有效应力增大而固结。负摩阻力对于桩基的影响:①桩基承载力;②桩基沉降量随桩侧阻力与桩端阻力分但荷载比、建筑物各桩基周围土层沉降的均匀性、建筑物对不均匀沉降的敏感程度而定。2.考虑桩侧负摩阻力验算桩基承载力和沉降问题桩基承载力:摩擦型桩基:中性点以上侧阻力为零计算桩基承载力。端承型桩基:下拉荷载作为外荷载的一部分验算其承载力。由于下拉荷载的计算是以负摩阻力、中性点位置均达理论最大值的假定为基础的，而实际上由于桩身的弹性压缩、桩端持力层的压缩引起桩基一同沉降，导致摩阻力小于理论值。因此，在传统的定值法设计中将安全系数K降低，由正常状态K＝2降至K＝1.2~1.3。桩基沉降：1）负摩阻力作用必然加大桩基沉降。2）当建筑物各桩周围土层的沉降均匀，且建筑物对不均匀沉降不敏感时，不必验算沉降。3）不均匀堆载、不均匀降水或土层不均匀时，将出现不均匀沉降，各桩基因负摩阻力产生的下拉荷载和沉降也会是不均匀的，因此需考虑负摩阻力验算桩基沉降。3.负摩阻力及其引起的下拉荷载的计算负摩阻力的影响因素：桩侧与桩端土的变形与强度性质、土层的应力历史、地面堆载的大小与范围、降低地下水的范围与深度、桩顶荷载施加时间与发生负摩阻力时间之间的关系、桩的类型与成桩工艺等。计算方法：《建筑桩基技术规范》法：（6.28）为qs1n第i层土桩侧负摩阻力标准值；σi为第i层土的平均竖向有效应力；ξi为负摩阻力系数，如表6-4所示。对于砂类土，也可按下式估算负摩阻力标准值：（6.29）式中，为桩周第i层土经杆长度修正的平均标准贯入试验级数。根据负摩阻力计算由此引起的单桩下拉荷载标准值为：（6.30）式中，n为中性点以上土层数；li为中性点以上各土层的厚度。'innsiq35/insiNqniinsinklquQ16.3单桩竖直向承载力的确定单桩竖向承载力建筑桩基规范-JGJ94单桩承载力设计值R，单桩极限承载力标准值Quk除抗力分项系数sp。对Quk的确定2地基基础规范-GB50007-2002单桩承载力特征值Ra，桩极限承载力标准值Quk除安全系数2.06.3竖向荷载下单桩极限承载力的确定方法《建筑桩基技术规范》对单桩竖向极限承载力标准值的确定作了如下规定：⑴一级建筑桩基应采用现场静载荷试验，并给合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定；⑵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。当缺乏可参照的试桩资料或地质条件复杂时，仍应由现场静载试验确定；⑶对三级建筑桩基，如无原位测试资料时，可利用承载力经验参数估算。上述规定明确了静载试验是确定单桩竖向承载力的第一标准，其他方法是静载试验的补充。6.3.1按静载试验确定单桩极限承载力《建筑桩基技术规范》规定：采用现场静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值时，在同一条件下的试桩数量不宜小于总桩数的1％，且不应小于3根。近年来大直径桩及长桩的普遍应用及受力特性，《建筑桩基技术规范》对单桩静载试验结果的极限承载力取值方法，作如下规定：⑴根据沉降随荷载的变化特征确定极限承载力：对于陡降型Q－S曲线取为发生明显陡降的起始点；⑵根据沉降量确定极限承载力：对于缓变型Q－S曲线一般可取S＝40～60mm对应的荷载；对于大直径桩可取S＝（0.03～0.06）D（D为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值）所对应的荷载值；对于细长桩（L/d80）可取S＝60～80mm对应的荷载；《建筑桩基技术规范》对单桩静载试验规定：⑶根据沉降随时间的变化