基础工程课程设计指导书

台州学院建筑工程学院课程设计指导书课程基础工程设计题目桩基础设计2014年9月基础工程课程设计指导书-1-桩基础的设计步骤设计桩基础时，首先应该搜集必要的资料，包括上部结构型式与使用要求，荷载的性质与大小，地质和水文资料，以及材料供应和施工条件等。据此拟定出设计方案（包括选择桩基类型、桩长、桩径、桩数、桩的布置、承台位置与尺寸等），然后进行基桩和承台以及桩基础整体的强度、稳定、变形验验，经过计算、比较、修改，以保证承台、基桩和地基在强度、变形及稳定性方面满足安全和使用上的要求，并同时考虑技术和经济上的可能性与合理性，最后确定较理想的设计方案。1、桩基础类型的选择选择桩基础类型时，应根据设计要求和现场的条件，并考虑各种类型桩基础具有的不同特点，综合分析选择。（1）承台底面标高的考虑承台底面的标高应根据桩的受力情况，桩的刚度和地形、地质、水流、施工等条件确定。承台低稳定性较好，但在水中施工难度较大，因此可用于季节性河流、冲刷小的河流或旱地上其它结构物的基础。当承台埋设于冻胀土层中时，为了避免由于土的冻胀引起桩基础损坏，承台底面应位于冻结线以下不少于0.25m，对于常年有流水，冲刷较深，或水位较高，施工排水困难，在受力条件允许时，应尽可能采用高桩承台。承台如在水中或有流冰的河道，承台底面也应适当放低，以保证基桩不会直接受到撞击，否则应设置防撞装置。当作用在桩基础上的水平力和弯矩较大，或桩侧土质较差时，为减少桩身所受的内力，可适当降低承台底面标高。有时为节省墩台身圬工数量，则可适当提高承台底面标高。（2）柱桩桩基和摩擦桩桩基的考虑柱桩和摩擦桩的选择主要根据地质和受力情况确定。柱桩桩基础承载力大，沉降量小，较为安全可靠，因此当基岩埋深较浅时，应考虑采用柱桩桩基。若岩层埋置较深或受施工条件的限制不宜采用柱桩，则可采用摩擦桩，但在同一桩基础中不宜同时采用柱桩和摩擦桩，同时也不宜采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩，以避免桩基产生不均匀沉降或丧失稳定性。（3）桩型与成桩工艺桩型与工艺选择应根据结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境、施工经验、桩的材料供应条件等，选择经济、合理、安全适用的桩型和成桩工艺。各行业的相关规范中都附有成桩工艺适用性的表格，可供选择时参考。2、桩径、桩长的拟定桩径与桩长的设计，应综合考虑荷载的大小、土层性质与桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比以及施工设备与技术条件等因素后确定，力争做到既满足使用要求，又造价经济，最有效地利用和发挥地基土和桩身材料的承载性能。设计时，首先拟定尺寸，然后通过基桩计算和验算，视所拟定的尺寸是否经济合理，再行最后确定。基础工程课程设计指导书-2-（1）桩径拟定桩的类型选定后，桩的横截面（桩径）可根据各类桩的特点与常用尺寸选择确定。（2）桩长拟定确定桩长的关键在于选择桩端持力层，因为桩端持力层对于桩的承载力和沉降有着重要影响。设计时，可先根据地质条件选择适宜的桩端持力层初步确定桩长，并应考虑施工的可行性（如钻孔灌注桩钻机钻进的最大深度等）。一般都希望把桩底置于岩层或坚硬的土层上，以得到较大的承载力和较小的沉降量。如在施工条件容许的深度内没有坚硬土层存在，应尽可能选择压缩性较低、强度较高的土层作为持力层，要避免使桩底坐落在软土层上或离软弱下卧层的距离太近，以免桩基础发生过大的沉降。对于摩擦桩，有时桩底持力层可能有多种选择，此时确定桩长与桩数两者相互牵连，遇此情况，可通过试算比较，选择较合理的桩长。摩擦桩的桩长不应拟定太短，一般不应小于4m。因为桩长过短达不到设置桩基把荷载传递到深层或减小基础下沉量的目的，且必然增加桩数很多，扩大了承台尺寸，也影响施工的进度。此外，为保证发挥摩擦桩桩底土层支承力，桩底端部应尽可能达到该土层的桩端阻力的临界深度。3、估算单桩承载力特征值（1）按单桩竖向静载试验确定根据单桩竖向静载试验确定单桩竖向极限承载力标准值的方法见《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106—2003）。采用该方法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，不宜少于总数的1％，并不应少于3根。工程总桩数在50根以内时不应少于2根。（2）按静力触探法确定采用双桥探头的静力触探可以确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值，对于黏性土、粉土和砂土，可按下式计算：ukcpiisiQqAulf(1)式中，Quk——单桩竖向极限承载力标准值，kN；qc——桩端平面上、下探头阻力，kPa；α——桩端阻力修正系数，对于黏性土、粉土取2/3，对于饱和砂土取1/2；Ap——桩端面积，m2;u——桩身周长，m；li——桩周第i层土的厚度，m；fsi——第i层土的探头平均侧阻力，kPa；βi——第i层土桩侧综合修正系数，对于黏性土、粉土βi＝10.04(fsi)-0.55，对于砂土βi＝5.05(fsi)-0.45。（3）按规范经验参数法确定规范经验参数法是在大量经验及资料积累的基础上，针对不同桩型推荐的基础工程课程设计指导书-3-估算公式。规范经验参数法是初步估计桩基承载力和作为非重要工程设计依据的方法。（a）对一般预制桩及中小直径（d800mm）的灌注桩，有ukskpksikipkpQQQuqlqA(2)式中，Qsk——单桩总极限侧阻力标准值，kN；Qpk——单桩总极限端阻力标准值，kN；qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）表5．3．5-l取值，kPa；qpk——桩端极限端阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）表5．3．5-2取值，kPa。（b）对大直径桩（d≥800mm），有ukskpksisikippkpQQQuqlqA(3)式中，qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，可按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）表5．3．5—l取值，kPa；qpk——桩径为800mm的极限端阻力标准值，对于干作业挖孔（清底干净）可采用深层载荷板试验确定，当不能进行深层载荷板试验时，可按《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）表5．3．6-1取值，kPa；Ψsi，Ψp——大直径灌注桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数，可按规范取值。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008），单桩竖向承载力特征值的计算公式为ukaQRK(4)式中，K——安全系数，K＝2。4、确定基桩根数及其平面布置（1）桩的根数估算基础所需桩的根数可根据承台底面上的竖向荷载和单桩容许承载力按下式估算：kkaFGnR(5)式中：n——桩的根数；Fk+Gk——作用在承台底面上的竖向荷载，kN；Ra——单桩承载力特征值，kN；μ——考虑偏心荷载时各桩受力不均而适当增加桩数的经验系数，可取=1.1～1.2。估算的桩数是否合适，在验算各桩的受力状况后即可确定。桩数的确定还须考虑满足桩基础水平承载力要求的问题。若有水平静载试验资料，可用各单桩水平承载力之和作为桩基础的水平承载力（为偏安全考虑），来校核按式估算的桩数。但一般情况下，桩基水平承载力是由基桩的材料强度所控制，可通过对基桩的结构强度设计（如钢筋混凝土桩的配筋设计与截面强度验算）来满足，所以桩数仍按式来估算此外，桩数的确定与承台尺寸、桩长及桩的间距的确定相关联，确定时应综基础工程课程设计指导书-4-合考虑。（2）桩间距的确定为了避免桩基础施工可能引起土的松驰效应和挤土效应对相邻基桩的不利影响，以及桩群效应对基桩承载力的不利影响，布设桩时，应该根据土类成桩工艺以及排列确定桩的最小中心距。一般情况下，穿越饱和软土的挤土桩，要求桩中心距最大，部分挤土桩或穿越非饱和土的挤土桩次之，非挤土桩最小；对于大面积的桩群，桩的最小中心距宜适当加大。对于桩的排数为1～2排、桩数小于9根的其它情况摩擦型桩基，桩的最小中心距可适当减小。摩擦桩的群桩中心距，从受力角度考虑最好是使各桩端平面处压力分布范围不相重叠，以充分发挥其承载能力。根据这一要求，经试验测定，中心距定为6d。但桩距如采用6d就需要很大面积的承台，因此一般采用的群桩中心距均小于6d。为了使桩端平面处相邻桩作用于土的压应力重叠不至太多，不致因土体挤密而使桩挤不下去，根据经验规定打入桩的桩端平面处的中心距不小于3d。震动下沉桩，因土的挤压更为显著，规定在桩端平面处不小于4d（d为桩的直径或边长）。（3）桩的平面布置桩数确定后，可根据桩基受力情况选用单排桩或多排桩桩基。多排桩的排列形式常采用行列式和梅花式，在相同的承台底面积下，后者可排列较多的基桩，而前者有利于施工。图1桩的典型排布方式桩基础中桩的平面布置，除应满足前述的最小桩距等构造要求外，还应考虑基桩布置对桩基受力有利。为使各桩受力均匀，充分发挥每根桩的承载能力，设计布置时，应尽可能使桩群横截面的重心与荷载合力作用点重合或接近，通常桥墩桩基础中的基桩采取对称布置，而桥台多排桩桩基础视受力情况在纵桥向采用非对称布置。当作用于桩基的弯矩较大时，宜尽量将桩布置在离承台形心较远处，采用外密内疏的布置方式，以增大基桩对承台形心或合力作用点的惯性距，提高桩基的抗弯能力。此外，基桩布置还应考虑使承台受力较为有利，例如桩柱式墩台应尽量使墩柱轴线与基桩轴线重合，盖梁式承台的桩柱布置应使承台发生的正负弯矩接近或相等，以减小承台所承受的弯曲应力。5、桩基验算（1）承载力验算基础工程课程设计指导书-5-中心荷载作用下0aNR(6)式中kkFGNn(7)偏心荷载作用下，除满足上式外，尚应满足：RN2.1max0(8)各基桩轴向力为：22iiyiixixxMyyMnGFN(9)上式各量物理意义见规范。（2）软弱下卧层承载力验算对于桩距s≤6d的群桩基础，桩端持力层下存在承载力低于桩端持力层承载力1/3的软弱下卧层时，按下式进行验算：zmazzf(10)0000()3/2()(2tan)(2tan)kksikizFGABqlAtBt(11)式中，σz是作用于软弱下卧层顶面的附加应力；γm代表软弱层顶面以上各层土层重度量，按厚度加权平均；t是持力层厚度；faz是软弱下卧层经深度修正的地基承载力特征值；A0、B0是桩群外缘矩形底面的长、短边边长；θ是桩端持力层压力扩散角，查表确定。（3）沉降验算对于s≤6d的情形，可使用等效作用分层总和法计算，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。桩基任一点最终沉降可用角点法按下式计算：(1)(1)01nijijijijeejjsizzsspE(12)式中:ψ是桩基沉降计算经验系数，查表确定;ψe是桩基等效沉降系数；p0j是第j块矩形底面在荷载效应准永久组合下的附加压力;n是划分的土层数;Esi是等效作用面下第i层土的压缩模量;zij、z(i-1)j是桩端平面第j块荷载作用面到第i,第i-1层底面的距离;(1),ijij是平均附加应力系数。计算深度则由0.2zc确定。基础工程课程设计指导书-6-s6、桩身强度验算及结构设计（1）当桩顶以下5d范围的桩身螺旋式箍筋间距不大于100mm时：0.9ccpsysNfAfA(13)（2）当桩身配筋不符合上述条件时：ccpsNfA(14)式中，N——荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值，kN；fc——混凝土的轴心抗压强度设计值，kPa；yf——纵向钢筋的抗压强度设计值，kPa；Aps——桩身的截面面积，m2；sA——纵向钢筋的横截面积，m2；Ψc——施工工艺系数，对于混凝土预制桩Ψc＝0.85，对于干作业非挤土灌注桩Ψc＝0.90，对于泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩和挤土灌注桩Ψc＝0.7~0.8，对于软土地区挤土灌注桩Ψc＝0.6。对于结构设计方面的其它细节问题可查阅现行规范相关章节解决。7、承台设计及计算(1)、桩基承台受弯简化计算a、多桩矩形承台的受弯简化计算如图2示，多桩矩