桩基础设计

第6章 桩基础设计

6.1 设计资料

6.1.1 上部结构资料

本设计上部结构为4层现浇框架结构，楼板为现浇板体系，混凝土强度等级为梁板C25，柱C30。底层层高4.1m，二层层高5.1m，三层层高3.3m，顶层层高4.8m。

底层结构平面图如图6.1。

图6.1 底层结构平面图

6.1.2 地质资料

拟建建筑场地平整。

按照原先预计是准备做独立基础的，因为4层不是很高，建筑里也无大型机械设备。但是因为框架跨度大而且不均匀，柱底荷载大，不宜采用浅基础[12]。并且在看了地质报告后，发现场地上部有厚层的淤泥质土，具大孔隙比、高灵敏度、高压缩性的特点[13]，做独立基础也不经济，所以改做桩基础。

表6.1 各土层物理力学地质指标

地基地编层号 编号 地层名称 天然层底埋深（m） 层厚（m） 重度γ（kN/m） 3承载含水量(%) 孔隙比 液限(%) 塑限(%) 内摩擦角 压缩模量(Mpa) 力特征值fak（KPa） 1 ①-2 素填土 1.10 1.10 15.5 1.087 1.395 0.819 0.776 0.739 0.639 2 ② 粘土 2.40 1.30 18.0 37.2 淤泥41.2 22.8 8.3 4.0 80 3 ③ 质粘土 15.50 28.00 32.60 37.30 38.10 42.70 13.10 12.50 16.9 47.7 43.7 23.8 3.5 1.5 60 4 ⑥ ⑦-2 ⑧-1 ⑧-2 ⑧-3 粉质粘土 粉质粘土 含粘土粉砂 粗砂 19.1 27.4 36.6 21.1 11.0 9.0 200 5 4.60 19.2 26.1 31.5 19.0 10.4 8.5 180 6 4.70 19.3 24.2 28.5 14.0 210 7 0.80 19.8 20.6 29.0 18.0 240 8 圆砾 强风4.60 28.0 350 9 ⑨-2 化泥质粉砂岩 44.30 1.60 25.0 500 中风1⑨化泥质粉砂岩 48.80 未钻穿 1000 0 -3

与本工程关系较密切的地下水主要是上部孔隙潜水，地下水位离地表2.46m，潜水水样水质分析成果：水化学类型为HCO3?SO4—Ca?Mg型水，矿化度600～1500 mg/L，PH值6.5～7.0。本场区无明显污染源存在，根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009年局部修订）12.2按Ⅱ类场地环境类别，对地下水进行评价：地下水（潜水）对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀性。

依据所提供的地勘报告，工程的各土层物理力学地质指标自上而下土层如表6.1所示。

6.2 ④-A下四桩承台桩基础设计

6.2.1 选择桩型

在地勘报告中建议根据场地地层情况结合建筑物设计荷载，主楼和地下室建议采用钻孔灌注桩，以⑨-3为中风化泥质粉砂岩和⑩-3层为中风化凝灰质砂岩作桩基持力层。

根据施工场地、地基条件以及场地周围环境条件，选择桩基础。因钻孔灌注桩泥水排泄不便，为减少对周围环境污染，采用静压预应力预制桩，这样可以较好的保证桩身质量，并在较短的施工工期完成沉桩任务，同时，当地的施工技术力量、施工设备以及材料供应也为采用静压桩提供可能性。

选择桩的几何尺寸以及承台埋深：

依据地基土的分布，第2层是粘土，第3层是淤泥质粘土，且厚度很大，而第4、5层是粉质粘土，第6层是含粘土粉砂。所以第6层是较适合的桩端持力层。桩端全断面进入持力层含粘土粉砂2.0m（>3d，且≥2m），工程桩入土深度为h。

故：h?1.10?1.30?13.10?12.5?4.6?2?34.6m

由于第1层厚1.1m，地下水位为离地表1.2m，为了使地下水对承台没有影响，所以选择承台底进入第2层土，即承台埋深为1.2m，桩基得有效桩长即为34.6-1.2=33.4m。

桩截面尺寸选用：由于经验关系建议：楼层<10时，桩边长取300～400，根

据《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ94-2008）4.14条，预应力混凝土预制实心桩的截面边长不宜小于350mm，故取400mm×400mm。由施工设备要求，预制桩长为35m，桩分为两节，上段长17.5m，下段长17.5m（不包括桩尖长度在内），实际桩长比有效桩长长1.4m，这是考虑持力层可能有一定的起伏以及桩需要嵌入承台一定长度而留有的余地。

6.2.2 单桩极限承载力标准值

表6.2 极限桩侧、桩端阻力标准值

地层编号 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ①-2 ② ③ ⑥ ⑦-2 ⑧-1 ⑧-2 ⑧-3 ⑨-2 岩 中风化泥质粉砂10 ⑨-3 岩 [5]

地层名称 素填土 粘土 淤泥质粘土 粉质粘土 粉质粘土 含粘土粉砂 粗砂 圆砾 强风化泥质粉砂qsia 15 7 32 30 35 38 55 55 qsik 30 14 64 60 70 76 110 110 qpa 1500 1200 2500 3500 5000 4500 qpk 3000 2400 5000 7000 10000 9000 根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）3.1.2条，本设计属于丙级桩基设计等级。当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按下式6.1计算：

Quk?Qsk?Qpk?u?qsikli?qpkAp （6.1）

式中 Qsk——总极限侧阻力标准值；

Qpk——总极限端阻力标准值； u ——桩身周长；

qsik——桩侧第层土的极限侧阻力标准值如无当地经验值时可按《建筑桩

基技术规范》[5]（JGJ 94-2008）中表5.2.5-1（桩的极限侧阻力标准值）取值；

li ——桩周第i层土的厚度；

qpk——极限端阻力标准值如无当地经验值时可按表《建筑桩基技术规范》

[5]

（JGJ 94-2008）中表5.3.5-2（桩的极限端阻力标准值）取值；

Ap——桩端面积。

对于尚未完成自重固结的填土和以生活垃圾为主的杂填土不计算其桩侧阻力qsik。

根据地质勘测报告查表得极限桩侧、桩端阻力特征值和标准值如表6.3。其中特征值乘以安全系数2即为标准值。

用公式6.1按经验参数法参考表6.3确定单桩竖向承载力极限承载力标准值：

Quk?Qsk?Qpk?u?qsikli?qpkAp

?4?0.4??30?1.2?13?14.1?64?12.5?60?4.6?70?2?? 0.4 2?5000

?3062.94kN

根据《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ94-2008）5.2.2条，单桩竖向承载力特征值应按下式6.2确定：

Ra?1Quk （6.2） K式中 Quk——单桩竖向极限承载力标准值； K——安全系数，取K?2。

（1）所以单桩竖向承载力特征值Ra?11Quk??3062.94?1531.47kN K2

估算的单桩竖向承载力设计值（?s??p?1.65 ） R?Qsk?s?Qpk?p?3062.94?1856.33kN 1.65所以最终按经验参数法计算单桩承载力设计值，即采用R=1856.33kN，初步确定桩数。

（2）桩身结构材料强度计算[14]：

两端桩长各17.5m，采用单点吊立的强度进行桩身配筋设计。吊立位置在距桩顶、桩端平面0.293L(L=11m)处，起吊时桩身最大正负弯矩Mmax?0.0429KqL2，其中K=1.3；q?0.42?25?1.2?4.8kN/m。即为每延米桩的自重（1.2为恒载分项系数）。桩身长采用混凝土强度C30，Ⅱ级钢筋，所以：

Mmax?0.0429KqL2?0.0429?1.3?4.8?17.52?82.0kN?M 桩身截面有效高度h0?0.4?0.04?0.36m

M82.0?106 ?s???0.1106122fcbh014.3?400?360?s?(1?1?2?s)?(1?1?2?0.11061)?0.94125 M82.0?106桩身受拉主筋As???807mm2

?sfyh00.94125?300?360因为选用的桩型的静压预制桩，所以根据《建筑桩基技术规范》[5]

（JGJ94-2008）4.1.6条，主筋直径不宜小于14mm，最小配筋率不宜小于0.6%。所以选用3B20（As?942mm2?807mm2）因此整个截面的主筋为6B20，

1212As?1884mm2，配筋率为??桩身强度：

1884?1.308%??min?0.6%。

400?360?(?cfcA?fyAs)?1.0?(1.0?14.3?400?360?300?1884)?2624.4kN?R?1531.47kN

满足要求。

（3）桩数和承台的确定

以④-A的荷载计算。柱底荷载设计值如下：

最大轴力： 最大轴力5036.1kN；X弯矩-333kN m，X剪力249.9kN；Y弯矩336.3kN m，Y剪力242.9kN；

最大轴力标准值：4642.6kN

初步估算桩数，由于柱子是偏心受压，故考虑一定的系数，规范中建议取1.1~1.2，

现在取1.1的系数，即：n?F5036.1?1.2??1.2?3.26 R1856.33取n＝4根，桩距sa?3d＝1.2m，桩位平面布置如图4.1.1，承台底面尺寸为2m?2m。四桩桩基础布置图如图6.3所示。

图6.2 四桩桩基础布置图

6.2.3 承台设计与验算

该桩基属于非端承桩，并n>3，承台底面下并非欠固结土，新填土等，故承台底面不会于土脱离，所以宜考虑桩群、土、承台的相互作用效应，按复合基桩计算竖向承载力设计值。

根据《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ94-2008）5.2.5条，考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值可按下列公式6.3、6.4确定，同时，根据《建筑抗震设计规范》[1]（GB50011-2010）4.2.1条规定，选择考虑地震作用：

R?Ra??a1.25?cfakAc （6.3）

Ac??A?nAps?/n （6.4）

式中 ?c——承台效应系数，可按《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ 94-2008）中

表5.2.5（承台效应系数?c）取值；

fak——承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内各层土的地基承载力

特征值按厚度加权的平均值；

Ac——计算基桩所对应的承台底净面积；

Aps——桩身截面面积；

A——承台计算域面积对于柱下独立桩基，A为承台总面积；对于桩筏基

础，A为柱、墙筏板的1/2跨距和悬臂边2.5倍筏板厚度所围成的面积；桩集中布置于单片墙下的桩筏基础，取墙两边各1/2跨距围成的面积，按条形承台计算?c；

?a——地基抗震承载力调整系数，应按表《建筑抗震设计规范》[1]（GB

50011）采用。

当承台底为可液化土、湿陷性土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土时，沉桩引起超孔隙水压力和土体隆起时，不考虑承台效应，取?c=0。

22?4?0.42?0.84m2 计算基桩所对应的承台底净面积：Ac??A?nAps?/n?4

因为sa/d?1.2/0.4?3，Bc/l?2/33.4?0.06?0.4，所以?c?0.06 查《建筑抗震设计规范》[1]（GB 50011-2010）表4.2.3得?a?1.0

fak?1?80?80KPa

④-A复合基桩竖向承载力特征值：

R?Ra??a1.25?cfakAc

1?0.06?80?0.84 1.25 ?1531.47? ?1534.70kN

根据《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ94-2008）5.1.1条，对于一般建筑物和受水平力（包括力矩与水平剪力）较小的高层建筑群群桩基础，应按下列公式6.5、6.6、6.7计算柱、墙、核心筒群桩中基桩或复合桩的桩顶作用效应：

（1） 竖向力

轴心竖向力作用下

Nk? 偏心竖向力作用下

Fk?Gk （6.5） nFk?GkMxkyiMykxi （6.6） Nik???22nyx?j?j（2） 水平力

Hik?Hk （6.7） n式中 Fk——荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力；

Gk——桩基承台和承台上土的自重标准值，对稳定的地下水位以下部分

应扣除水的浮力；

Nk ——荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，基桩或复合基桩的平均竖

向力；

Nik——荷载效应标准组合偏心竖向力作用下，第i基桩或复合基桩的竖

向力；

Mxk、Myk——荷载效应标准组合下，作用于承台底面，绕通过桩群形心的x、

y主轴的力矩；

xi、xj、yi、yj——第i、j基桩或复合基桩至y、x轴的距离；

Hk——荷载效应标准组合下，作用于基桩承台底面的水平力；

Hik——荷载效应标准组合下，作用于第i基桩或复合基桩的水平力；

n ——桩基中的桩数。

荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力：Fk?4642.6kN

由于柱处于①轴线，它是建筑物的边柱，所以室内填土比室外高，设为0.3m，即室内高至承台底1.5m，所以承台的平均埋深d?1(1.2?1.5)?1.35m。 2桩基承台和承台上土的自重标准值，G的分项系数取为1.2：

Gk??GAd?20?2?2?1.35?1.2?129.6kN

Fk?GkMxkyiMykxi Nik???22n?yj?xj ?4642.6?129.6302.3?0.6306?0.6??

44?0.624?0.62 ?1194.592kN?R?1534.70kN 设计满足要求.

6.2.4 承台受力计算

承台混凝土强度等级采用C20，承台是正方形，双向配筋相同。 下面将以④-A四桩承台为样板做承台设计。

图6.3 ④-A柱下承台结构计算图

（1）受弯计算

FMyx5036.1336.3?0.2如图6.3，桩顶净反力Nl?????1679.4kN

n?x244?0.22承台Ⅰ-Ⅰ截面处最大弯矩M?2Nly?2?1679.4?0.2?671.76kN?m 承台Ⅱ-Ⅱ截面处最大弯矩

M?2Nlx?2?1679.4??0.2?0.1??1007.64kN?m

Ⅱ级钢筋fy?300N/mm，fc?11.9MPa。

M1007.64?106As???4056.5mm2

0.9fyh00.9?300?920选用14B20，As?4398.8mm2?4056.5mm2

整个承台宽度范围内用钢筋取14根，即14B20（双向布置） 即B20@150，As?314.2?（2）受冲切计算

2000?4189mm2?4056.5mm2 150

图6.4 柱对承台的结构计算图示例

(a)柱的轴心竖向力对桩基承台的冲切

如图6.4，④-A柱截面为600?800mm2，即hc?600mm，bc?800mm。

a0x?100mm，a0y?0mm。承台厚度H=1.0m，承台底保护层厚度取80mm，计算截面处的有效高度h0?1000?80?920mm。

冲垮比

[5]

?0x?a0x/h0?100/920?0.11?0.25根据规范《建筑桩基技术规范》

?0y?a0y/h0?0/920?0?0.25（JGJ94-2008）5.9.7条规定。?取值应在0.25~1.0之间。当??0.25时，取

??0.25；当??1.0时，取??1.0。

即冲垮比?0x??0y?0.25 冲切系数?0x??0y?0.840.84??1.87

?0x?0.20.25?0.2承台采用C25。即混凝土的轴心抗拉强度设计值为ft?1.27MPa?1270kPa

Ni?

F4642.6??1160.65kN n4

冲切力设计值Fl?F??Qi?4642.6?1160.65?3481.95kN 承台冲切破坏锥体一半有效高度处的周长

um?2?(600?100)?800?2?3000mm?3m

?0?hpftumh0?1.87?0.983?1270?3?0.92?6443.29kN?Fl?3481.95kN

满足柱对承台的冲切和基桩对承台的冲切承载力要求。 (b)角桩对承台的冲切

如图6.5，a1x?100mm，a1y?0mm，c1?c2?600mm

?1x?a1x/h0?100/920?0.11?0.25?取值应在0.25~1.0之间。角桩冲垮比

?1y?a1y/h0?0/920?0?0.25当??0.25时，取??0.25

角桩的冲切系数?1x??1y?a1y20.560.56??1.24

?1x?0.20.25?0.2[?1x(c2?)??1y(c1?a1x)]?hpfth0 2??1.24?0.6?1.24??0.6?0.05???0.983?1270?0.92 ?1811.02kN?Nl?1679.4kN 满足要求。 （3）受剪计算

计算截面为Ⅰ-Ⅰ，截面有效高度h0?0.92m，截面的计算宽度b0?2m，混凝土的抗压强度fc?11.9MPa?11900kPa，该计算截面的最大剪力设计值：

V?2Nl?2?1679.4?3358.8kN 如图6.5，ax?100mm，ay?0mm

?x?ax/h0?100/920?0.11?0.25角桩冲垮比

?y?ay/h0?0/920?0?0.25?800??800??当??0.25时，?hs??????0.946。?取值应在0.25~1.0之间。?h??1000??0?

1414

取??0.25，??1.75?1.4。 ??1?hs?fcb0h0?0.946?1.4?9600?2?0.92?23394.2kN?V?3358.8kN

满足要求。

可按构造要求配置分布筋。 选用A18@200双肢箍。 （4）局部受压计算

根据建筑桩基技术规范》[5]（JGJ94-2008）5.9.15条，对于柱下桩基，当承台混凝土强度等级低于柱或桩的混凝土强度等级时，应验算柱下或桩上承台的局部受压承载力。

④-A柱截面面积为0.6?0.8?0.48m2 局部受压净面积A1n?At?0.48m2

局部受压计算面积Ab?(3?0.6)?(3?0.8)?4.32m2 混凝土的局部受压强度提高系数??Ab4.32??3 At0.481.35?fcA1n?1.35?3?11900?0.48?23133.6kN?FC?5036.1kN 满足要求。

6.2.5 桩基础沉降验算

图6.5 桩基沉降量计算示意图

根据《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ94-2008）5.5.6条，对于桩中心距不大于6倍桩径的桩基，其最终沉降量计算可采用等效作用分层总和法。等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积，等效作用附加压力近似取承台底平均附加压力。等效作用面以下的应力分布采用各向同性均质直线变形体理论。计算模式如上图6.5所示，桩基任一点最终沉降量可用角点法按下式6.8计算：

s????e?s'????e??p0j?j?1i?1mnzij?ij?z?i?1?j??i?1?jEsi （6.8）

式中 s——桩基最终沉降量（mm）；

s'——采用布辛奈斯克（Boussinesq）解，按实体深基础分层总和法计算

出的桩基沉降量（mm）；

? ——桩基沉降计算经验系数，当无当地可靠经验时可按《建筑桩基技

术规范》[5]（JGJ 94-2008）第5.5.11条确定；

94-2008）?e——桩基等效沉降系数，可按《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ

第5.5.9条确定；

； p0j ——第j块矩形底面在荷载效应准永久组合下的附加压力（kPa） n——桩基沉降计算深度范围内所划分的土层数；

Esi——等效作用面以下第i层土的压缩模量（MPa），采用地基土在自重压

力至附加压力作用时的压缩模量；

zij、z?i?1?j——桩端平面第j块荷载作用面至第i层土、第i-1层土底面的距离；

?ij、??i?1?j——桩端平面第j块荷载计算点至第i层土、第i-1层土底面深度范

围内平均附加应力系数，可按《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ 94-2008）附录D选用。

根据《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ94-2008）5.5.7条，计算矩形桩基中点沉降时，桩基沉降量可按下式6.9计算：

s????e?s'?4????e?p0?i?1nzi?i?zi?1?i?1 （6.9）

Esi式中 p0 ——在荷载效应准永久组合下承台底的平均附加压力；

?i、?i?1——平均附加应力系数，根据矩形长宽比ab及深宽比

zi2zizi?12zi?1[5]

?,?，可按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）bBcbBc附录D选用。

[5]

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.5.8条，桩基沉降计算深度zn

应按应力比法确定，即计算深度处的附加应力?z与土的自重应力?c应符合下式6.10、6.11计算：

?z?0.2?c （6.10） ?z??ajp0j （6.11）

j?1cm式中 aj ——附加应力系数，可根据角点法划分的矩形长宽比及深宽比按《建

筑桩基技术规范》[5]（JGJ 94-2008）附录D选用。

[5]

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.5.9条，桩基等效沉降系数?e可按下式6.12、6.13简化计算：

nb?1?e?C0? （6.12）

C1?nb?1??C2nb?n?Bc/Lc （6.13）

式中 nb ——矩形布桩时的短边布桩数，当布桩不规则时可按《建筑桩基技术

[5]

规范》（JGJ 94-2008）中式（5.5.9-2）近似计算，nb?1；nb?1可按《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ 94-2008）中式（5.5.14）计算；

长径比l/d及基础长宽比Lc/Bc，按《建C0、C1、C2——根据群桩距径比sa/d，

筑桩基技术规范》[5]（JGJ 94-2008）附录E确定；

Lc、Bc、n ——分别为矩形承台的长、宽及桩总数。

桩基础的桩中心距小于6d，所以可以采用布辛奈斯克（Boussinesq）解[15]，按实体深基础分层总和法计算出的桩基沉降量（mm）。

竖向荷载标准值F?4642.6kN 基底处压力P?F?G4642.6?20?2?2?1.35??1187.65kPa A2?2基底自重压力?d?15.5?1.1?18?0.1?18.85kPa

基底附加应力p0?P??d?1187.65?18.85?1168.8kPa 同时根据地勘报告④-2层粉质粘土夹粉土下部为不透水土层。 桩端平面下的土的自重应力?c和附加应力?z（?z?4?p0）计算如下： 其中根据《建筑桩基技术规范》[5]（JGJ94-2008）5.5.8条，?z?0.2?c （1）在z=0m时

?c???ihi

?15.5?1.1?18?0.1?(18?10)?1.2?(16.9?10)?13.1?19.1?12.5?19.2?4.6?19.3?2?478.31kPa

l?1,2z?0,??0.25,??4?p?4?0.25?1168.8?1168.8kPa z0bb

（2）在z=2m时

?c???ihi?478.31?2?19.3?516.91kPa

l?1，2z?2，??0.084，?z?4?p0?4?0.084?1168.8?392.7168kPa bb（3）在z=3m时

?c???ihi?516.91?1?19.3?536.21kPa

l?1，2z?3，??0.045，?z?4?p0?4?0.045?1168.8?210.384kPa bb（4）在z=4.5m时

?c???ihi?536.21?0.7?19.3?0.8?19.8?565.56kPa

l?1，2z?4.5，??0.022，?z?4?p0?4?0.022?1168.8?102.8544kPa bb将以上计算资料整理于表6.4

表6.3

?c、?z的计算结果（④-A柱）

2z b0 2 3 附加应力系数? 0.25 0.084 0.045 Z（m） 0 2 3 l b1 1 1 ?c(kPa) 478.31 516.91 536.21 ?z(kPa) 1168.8 392.7168 210.384

4.5 1 c4.5 0.022 565.56 102.8544 ?在z=4.5m处，z??102.8544565.56?0.18?0.2，所以本基础取Zn?4.5m计算沉降量。

计算如表6.5。

所以s'?116.61?20.54?12.25?149.4mm 桩基础持力层性能良好，去沉降经验系数??1.0

根据公式6.12、6.13，短边方向桩数nb?2，等效距径sa/d?1.2/0.4?3，长径比ld?33.40.4?83.5，承台的长宽比LcBc?1.0，查表得：

C0?0.024,C1?2.054,C2?18.081

?e?C0?nb?12?1?0.024??0.074

C1?nb?1??C22.054?2?1??18.081所以，四桩桩基础最终沉降量s????e?s'?1?0.074?149.4?11.06mm

表6.4 计算沉降量（④-A柱）

l2z 加应力z?mm? bb系数? 0 2000 3000 4500 1 1 1 1 0 2 3 4.5 0.2500 0.1746 0.1369 0.10175 平均附?si?4p0?zi?i(mm) zi?i?zi?1?i?1(mm) Esi(kPa) zi?i?zi?1?i?1 Esi(mm)0 349.2 410.7 457.875 349.2 61.5 47.175 14000 14000 18000 116.61 20.54 12.25

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