1、广东工业大学桩基础课程设计基础工程设计主要步骤一、确定桩基持力层的位置1基本要求（1）应选择压缩性低、承载力高的较硬土层作为持力层；（2）持力层应有一定的厚度，既能保证桩端进入持力层的深度要求，又能使桩端以下有一定厚度的剩余持力层；（3）桩端全断面进入持力层的深度要求为：对于粘性土、粉土不宜小于2d（d为桩径），砂土不宜小于1.5d。碎石类土不宜小于1d。当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于3d；当持力层较厚、施工条件许可时，桩端全断面进入持力层的深度宜达到桩端阻力的临界深度。砂与碎石类土的临界深度为(310)d。2根据实际工程地质条件选择由表1工程地质条件可知，如果作用于柱上的荷
2、载较小或采用的桩径较大，则可选择第层粉质黏土为持力层；反之，可选择第层中砂为持力层。现选第层中砂为持力层。桩端进入持力层的深度为1.91m。表1 土层参数土层编号土层名称土层底标高土层厚度hi压缩模量 kPa地基承载力 kPa极限侧阻力极限端阻力单桩竖向极限承载力标准值(kN)Q= Qsk+ Qpk单桩竖向承载力特征值(kN)Ra= Q/2黏土26(承台底标高)3标准值qi kPa单桩竖向总极限侧阻力标准值(kN)Qsk= Dqi hi单桩竖向总极限端阻力标准值 (kN)Qpk= qpAp24.611.396.315050淤泥质土22.911.72.575251黏土20.712.26.1150
3、552粉质黏土19.311.49.216055粉土18.610.732170501黏土16.911.77.216050粉质黏土15.511.411.6180551黏土13.611.97.216050粉质黏土8.914.711.6180553黏土7.811.11020050(标准值qp 800)1粉质黏土5.911.910.821060(标准值qp 700)中砂4(桩底标高，桩长22m)1.913723070(标准值qp 1300)400 1641.72163.361805.08902.5500 1827.15255.252082.41041.2550 2009.87308.862318.731
4、159.4600 2192.58367.572560.151280.10.913.093723070(标准值qp 1300)4砾石-0.891.84728080(标准值qp 1800)1黏土-2.591.74.99035(标准值qp 400)粉质黏土-5.492.915.224060(标准值qp 1000)1黏土-6.49110.922055(标准值qp 900)中砂-10.694.24226070(标准值qp 1500)基岩二、确定桩型、尺寸和构造1根据表1地质条件和所选择的持力层可知，本桩基为摩擦型桩基。2当持力层确定后，桩截面尺寸应根据作用于柱上的荷载大小确定。如果荷载较大，则应选择较大
5、的截面尺寸。本例假定作用在设计地面标高处的荷载为：轴力Fk104 kN，剪力Hk=600 kN，弯矩mk=103 kN.m。因荷载较大，故选择的桩截面为600，柱截面为900900，采用C40混凝土(抗压强度fc=21.1N/mm2，抗拉强度ft=1.8N/mm2）。承台采用C25混凝土(抗压强度fc=11.9N/mm2，抗拉强度ft=1.27N/mm2）。3因桩端进入持力层的深度为1.91m1.5d=1.50.6=0.9m，故桩端全断面进入持力层的深度满足要求。4因现工程的场地设计地面标高为28.5m，桩顶标高为26m，故净桩长为264=22m。此外，根据预制桩与承台的连接要求(桩嵌入承台内
6、的长度：大直径桩(d800mm)不宜小于100mm，中(800mmd250mm)、小(d250mm)直径桩不宜小于50mm），选择预制桩嵌入承台内的长度为50mm。这样整个桩的长度为22.05m。5考虑到一般预制桩的节长为513m及运输方便、便于接桩，对一根单桩，可选择5节长度为5m的管桩。三、确定单桩承载力1单桩竖向极限承载力标准值Quk 根据有2单桩竖向极限承载力特征值Ra 根据Ra=Quk/K，取安全系数K=2，可得Ra=1280 kN。3基桩竖向极限承载力特征值R（1）由于基桩的承载力是在单桩承载力的基础上考虑群桩效应和承台效应得到的，而群桩效应在现规范中一般不予考虑，因此，确定基桩的
7、承载力的关键就在于是否再考虑承台效应；（2）根据考虑承台效应的一般原则可知：因本工程为柱下独立摩擦型桩基，因此，如果桩数不少于4根，则应考虑承台效应；（3）根据R=Ra+cfakAc及Ac=(A-nAps)/n可知：为确定R，必须事先知道桩基的桩数n或者桩的平面布置，但这又与R有关。为此，桩数n大致可按下述方法预估：（A）首先不考虑承台效应，即认为RRa；（B）因按中心受压桩基计算桩数n=(Fk+Gk)/R时G=GDA(G=20kN/m3，D为承台埋深，A为承台底面积)时A也与桩数n或者桩的平面布置，因此，可先仅考虑Fk，将得到的桩数扩大510用于考虑Gk。 对本设计，因Fk=104 kN，故
8、n1=Fk/R=104/1280=7.81，n2=(1.051.1)n1=8.28.6，故可取n29。（C）因本工程为偏心受压桩基(作用在承台底面处的弯矩Mk=1000+6002.5=2500kN.m），因此，还应根据偏心情况将中心受压时的桩数扩大(1020)。即n=(1.11.2)n2=9.910.8。（D）值得注意的是，因为考虑承台效应时R增加、桩数n减小，故n可取9或10根。（E）进行平面布置： 因：（1）无论是打入或静压式预制桩，都属挤密型桩；（2）9或10根桩通常按不少于3排布置；（3）设计任务书表1中无地下水，故基桩间距Sa取4d。此外，因规范规定“承台边缘至边桩中心的距离不宜小于
9、桩的直径或边长，且边缘挑出部分不应小于150mm”，故桩基平面布置如下图1示。（F）确定考虑承台效应的基桩承载力特征值R 当n=9时：A=66=36m2，Aps=d2/4=0.62/4=0.282743m2，Ac=(A-nAps)/n=(36-90.282743)/9=3.7173m2 Sa=4d，承台宽度Bc=6m，桩长l=22m，Bc/l=0.27270.4，故查表1有c=0.14。 承台下1/2承台宽度为Bc/2=6/2=3m5m，该深度内土层地基承载力特征值为 fak=(1.39150+(3-1.39) 75)/3=109.75 kPa 这样，R=Ra+cfakAc=1280+0.14
10、109.753.7173=1337.1 kN当n=10时：A=8.46=50.4m2，Aps= 0.282743m2，Ac=(A-nAps)/n=(50.4-100.282743)/10=4.7573m2 Sa=4d，承台宽度(取短边)Bc=6m，桩长l=22m，Bc/l=0.27270.4，故查表1有c=0.14。承台下1/2承台宽度为Bc/2=6/2=3m5m，该深度内土层地基承载力特征值为 fak=109.75 kPa 这样，R=Ra+cfakAc=1280+0.14109.754.7573=1353.1 kN四、确定桩数和布置1确定桩数n 前面已初步确定了桩数n（9或10根）并进行了布
11、置。先再考虑承台及其上方填土自重Gk及弯矩M作用条件下的桩数。当n=9时：Gk=G LkBkD=20662.5=1800 kN，中心受压时n(Fk+Gk)/R=(10000+1800)/1337.18.8，考虑弯矩作用时应再增大(1020)，即n=9.710.6，因此可取n=10根。当n=10时：Gk=G LkBkD=208.462.5=2520 kN，中心受压时n(Fk+Gk)/R=(10000+2520)/1353.19.3，考虑弯矩作用时应再增大(1020)，即n=10.211.2，因此可取n=10根。综上可见，本桩基理应取n=10根。但为减少造价并便于布桩，现暂按n=9试算。若验算不满
12、足要求，可调整为n=10根。2进行平面布置:见图1(a)。五、基桩竖向承载力验算1验算时，荷载效应应采用标准组合。2验算：Gk=G LkBkD=20662.5=1800 kN，Fk =10000 kN，轴心受压：Nk=(Fk+Gk)/n=(10000+1800)/9=1311.1 kN600mm(满足要求)。2承台尺寸承台的底面尺寸可通过对桩的平面布置确定(如见图1)，而立面尺寸确定时应通盘考虑多项因素。主要有：（1）根据基础的最小埋深原则，承台顶面距地面的距离不应小于500mm；（2）承台厚度不应小于300400mm、埋深不应小于600mm；底面钢筋保护层厚度不应小于50mm（有混凝土垫层）
13、或70mm（无混凝土垫层）；桩嵌入承台长度不应小于100mm（大直径桩）或50mm（中等直径桩）；（3）确定承台厚度时，一定要兼顾承台满足受弯、剪、冲等验算的要求。即众多“450线”的要求。对本设计而言，首先确定承台内钢筋保护层厚度70mm（C10混凝土垫层）、桩嵌入承台长度50mm（因桩径d=600mm为中等直径桩）。此外，沿X或Y方向角桩顶内缘至柱边的水平距离为(2.4-X向柱边长之半-圆桩等效为方桩时X向桩边长之半(等效原因见承台抗冲切验算)=2.4-0.9/2-0.80.6/2=1.71m，因此，为满足柱边抗冲切时“450线”的要求，承台厚度必须大于1.71m，现取1.8m。这样，承台
14、顶面距地面28.5-26-1.8=0.7m0.5m的要求。由于承台的厚度(1.8m)较大，为降低造价，可将承台分阶。分阶的方法是，从X或Y方向角桩顶边缘做450射线，只要下阶台阶的高度位于该450射线之上即可。另外，各台阶的高、宽不要相差太大。最终的台阶尺寸见图2。七、桩基软弱下卧层承载力验算1前提：桩距Sa6d且桩端以下受力范围内存在承载力低于桩端持力层承载力1/3的非端承型桩。2对软弱下卧层承载力进行进行埋深修正以及计算软弱下卧层顶面处的自重应力时，不计承台的埋深(即承台底至软弱下卧层之间的距离)。3对本设计：桩基为摩擦型的，桩距Sa=4d6d，持力层为厚3.09m、天然承载力230kPa
15、的中砂层以及厚5.06m、天然承载力280kPa的砾石层4，其下有厚1.7m、天然承载力90kPa0.5，查表3并线性内插有= 25+(30-25)*(8.3-5)/(10-5)=28.30。软弱下卧层顶面处的自重应力为 桩长范围内的，软弱下卧层顶面处的附加应力为附加应力意味桩基在较小的荷载(Fk+Gk)作用时不至于使桩相对于侧边土向下位移、进而发挥出侧摩阻力，因此应取。软弱下卧层顶面以上土层的平均重度，承载力为软弱下卧层顶面处的合应力为，故软弱下卧层承载力满足要求。八、桩基沉降验算1计算方法：见教材或课程设计指导书。2计算过程：因本桩基底面为矩形桩，因此桩基中点的沉降量按可下式计算：（1）确
16、定桩基等效沉降系数e因Sa/d=4，=22/0.6=36.67，Lc/Bc=6/6=1，利用指导书附录3及线性内插，有当=30时C0=0.055；当=40时C0=0.044，由此可知，当=36.67时C0=0.055+(0.044-0.055)(36.67-30)/(40-30)=0.047663当=30时C1=1.477；当=40时C1=1.555，由此可知，当=22/0.6=36.67时C1=1.477+(1.555-1.477)(36.67-30)/(40-30)=1.52903当=30时C2=6.843，当=40时C2=8.261，由此可知，当=22/0.6=36.67时C2=6.84
17、3+(8.261-6.843)(36.67-30)/(40-30)=7.7888由于本桩基是均匀布置，短边桩数，故e为(2)计算S：计算时注意：(A)作用在桩基上的荷载效应应是准永久组合条件下的。准永久组合条件下的荷载与上部结构的形式、荷载类型等因素，一般不等于标准荷载。但本设计假定准永久组合条件下的荷载与标准荷载相同。(B)作用在桩端平面处的基底附加压力p0近似取承台底面处的平均附加压力；(C)沉降量采用基于附加应力系数的规范公式。采用角点法。注意到Lc=Bc=3m，0.5Lc/0.5Bc=3/3=1，计算过程见下表：土层 (m)(b= Bc /2=3)-（Mpa）(mm)(mm)000.2
18、50中砂3.091.030.22510.69560.69563721.024砾石4.891.7020.1890.92420.2286475.351粘土6.592.1870.16591.09330.16914.938.59粉质粘土9.493.1630.13211.25360.160315.211.791粘土10.493.4970.12311.29080.037210.93.82中砂14.694.8960.09511.3970.1062422.8383.4此外，因，故桩基的沉降量九、承台抗冲切承载力验算1因承台高度不足时，承台既可能受柱荷载向下冲切而破坏，也可能在角桩处受角桩反力向上冲切而破坏，因
19、此，应分别这两种情况各自进行验算。2鉴于现有的抗冲切验算方法都是在方形截面的桩、柱条件下得到的，因此，在进行验算之前，对于圆截面的桩、柱，必须换算成方柱或方桩(边长b=0.8d，其中d为圆桩或桩的直径)。3对承台进行抗冲切、抗剪切、抗弯等承载力验算时，荷载效应应采用基本组合(等于标准组合的1.35倍）。4对本设计，因柱截面是900900mm的方柱，故无需换算；对圆桩，其换算边长b=0.8*600=480mm(见图3虚线方框示)。此外承台的有效高度h0=1800-70=1730mm。 相应于荷载效应基本组合时作用在柱底处的荷载设计值为: F=1.35Fk=1.3510000=13500 kN M
20、=1.35Mk=1.352500=3375 kN.M H=1.35Hk=1.35600=810 kN扣除承台及其上填土自重后桩顶平均竖向力设计值 N=F/n=13500/9=1500 kN扣除承台及其上填土自重后桩顶最大、最小净反力：（1）柱对承台(向下)冲切因桩基是对称的，由图3知：a0x=a0y=1710mm,h0=1730mm,0x=0y=a0x/h0=0.9884(在0.251.0之间,满足要求),0x=0y =0.84/(0x+0.2) =0.70681。承台破坏锥体的有效高度h0=1730mm。因承台高度2000mmh=1800mm800mm，故hp在0.9与1.0之间线性内插。即
21、hp=0.8+(0.9-1.0)*(1800-800)/(2000-800)=0.81667因是方柱，故边长bc=hc=900mm；承台为C25混凝土时抗拉强度ft=1.27N/mm2。因冲切锥体底面范围内仅有1根桩(中心处)，故冲切力设计值Fl=F-Q=13500-1500= 12000 kN。 ，故柱对承台冲切承载力满足要求。（2）上台阶对承台(向下)冲切验算上台阶对承台冲切时，相当于将上台阶看作一个虚拟的“柱”，只不过该“柱”的“截面尺寸”等于上台阶在水平面上的尺寸，并且承台破坏锥体的有效高度等于h10=830mm。由图3知：a1x=a1y=460mm,1x=1y=a0x/h0=0.55
22、42(在0.251.0之间,满足要求),1x=1y =0.84/(1x+0.2) =1.11374。此外，由前“柱对承台(向下)冲切”知hp=0.81667。因虚拟的“柱”也是方柱，故边长b1=h1=3400mm；承台为C25混凝土时抗拉强度ft=1.27N/mm2。因冲切锥体底面范围内也仅有1根桩(中心处)，故冲切力设计值Fl=F-Q=13500-1500= 12000 kN。 ，故上台阶对承台冲切承载力满足要求。（3）角桩承台(向上)冲切根据桩基的对称性，由图4知：c1=c2=840mm，a1x= a1y=460mm，1x=1y=a1x/h0=0.2659，1x=1y=0.84/(1x+0
23、.2) =1.803。，故角桩对承台冲切承载力满足要求。十、承台抗剪承载力验算1由于剪切破坏面通常发生在柱(墙)边与桩边连线形成的贯通承台的斜截面处，因而受剪计算斜截面取在柱边处。当柱(墙)承台悬挑边有多排基桩时，应对每个柱(墙)边、变阶处与桩边连线形成的斜截面的受剪承载力进行计算。2本工程的柱下独立桩基为阶梯型，其中变阶处截面为A1A1和B1B1；柱边处截面为A2A2和B2B2，如图4所示。根据桩基几何特性的对称性以及仅在X向偏心可知，只要A1A1截面抗剪承载力满足要求，则B1B1截面也一定满足要求。同理，只要A2A2截面抗剪承载力满足要求，则B2B2截面也一定满足要求。因此，只需验算截面A
24、1A1和A2A2即可。 对变阶A1A1截面：截面有效高度h10=830mm,截面计算宽度by1=3400mm,a1x= 460mm,1x= a1x/h10 =460/830 =0.55422,1x= 1.75/(1x+1)=1.126，。 ，故承台变阶处满足抗剪承载力要求。对柱边A2A2截面：h20=h0-h10=1730-830=900mm，截面有效高度h0= h10+ h20=1730mm，by1=by2=6m，截面计算宽度by0=(by1h10+by2h20)/h0 = (60.83+60.9)/1.73=6m，ax=a1x+1.25=1.71m，x= ax/h0 =1.71/1.73
25、=0.98844，x= 1.75/(x+1) =0.8801，。 ，故柱边处满足抗剪承载力要求。 十一、承台抗弯承载力验算1承台抗弯承载力验算时是将承台看作在桩反力作用下的受弯构件进行的。2试验研究表明，柱下多桩独立桩基承台在配筋不足的情况下将产生弯曲破坏，其破坏特征呈梁式破坏，即弯曲裂缝在平行于柱边两个方向交替出现，承台在两个方向交替呈梁式承担荷载，最大弯矩产生在平行于柱边两个方向的屈服线处。3对本桩基： Mx=Niyi=31500(2.4-0.45)=8775 kN.m 若承台配置HRB335级钢筋(设计强度fy=300N/mm2)，需要的配筋面积选用3925150，As=19145mm2，平行于y轴方向均匀布置。My=Niyi=31734.38(2.4-0.45)=10146.12 kN.m 若同样选择HRB335级钢筋，需要的配筋面积选用4525130，As=22090.5mm2，平行于x轴方向均匀布置。配筋情况见图4。
