（3）大直径桩是指桩径d≥800mm的桩，特点是单桩承载力较高，常用于上部结构荷载特别大的基础。
7-2桩基础设计原则
一、承载能力极限状态设计
二、正常使用极限状态验算
7-3桩和桩基础的构造
桩和桩基的构造应符合下列要求：
（1）摩擦型桩的中心距不宜小于桩身直径的3倍。
（2）桩进入持力层的深度，根据地质条件、荷载及施工工艺确定，宜为桩身直径的1~3倍；嵌岩灌注桩周边嵌入完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度，不宜小于0.5mm。
（3）布置桩位时，宜使桩基承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合。
（4）预制桩的混凝土强度等级不应低于c30；灌注桩不应低于c20；预应力桩不应低于c30。
（5）预制桩应通长配筋，打入式预制桩最小配筋率不宜小于0.8%；静压预制桩的最小配筋率不宜小于0.6%。
（6）灌注桩最小配筋率不宜小于0.2%~0.65%，小直径桩取大值，如Φ377mm的沉管灌注桩的主筋配置不少于6Φ12。
（7）灌注桩的主配筋长度应满足：
1）桩基承台下存在淤泥、淤泥质土或液化土层时，配筋长度应穿过这些软弱土层；
2）坡地岸边的桩、8度及8度以上地震区的桩、抗拔桩、嵌岩端承桩应通长配筋；
3）桩径大于600mm的钻孔灌注桩，构造钢筋的长度不宜小于桩长的2/3。
（8）灌注桩主筋保护层厚度不应小于35mm，水下灌注混凝土时，不得小于50mm；预制桩主筋保护层厚度不小于30mm。
（9）灌注桩箍筋采用Φ6~8@200~300mm，当钢筋长度超过4m时，应每隔2m设一道Φ12~18焊接加劲箍筋。
（10）桩顶嵌入承台内的长度不宜小于50mm；主筋伸入承台内的锚固长度不宜小于钢筋（HPB235）直径的30倍或钢筋（HRB335和HRB400）直径的35倍；对大直径灌注桩，当采用一桩一柱且桩柱直接连接时，柱纵筋插入桩身的长度应满足锚固长度的要求。
7－4桩的竖向承载力
一、桩基础设计原则
现行《建筑地基基础设计规范》规定，按单桩承载力确定桩数时，传至承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下的标准组合，相应的抗力应采用单桩承载力的特征值。
正常使用极限状态是指桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性的某项限值时的状态，具体指竖向荷载引起的沉降和水平荷载引起的水平变位，可能导致建筑物标高的过大变化以及差异沉降和水平位移使建筑物倾斜过大、开裂，设备不能正常运转等，从而影响建筑物的正常使用功能，或者处于腐蚀介质环境中的桩身和承台应满足耐久性，以保持建筑物的正常使用功能。
荷载效应的标准组合值SK用下式表示
SK=SGK+SQ1K+ΨC2SQ2K+…+ΨCNSQnK
式中Sgk――按永久荷载标准值GK计算的荷载效应值；
SQik――按可变荷载标准值计算的荷载效应值；
Ψci――可变荷载Qi的组合值系数，按现行《建筑结构荷载规范》GB50009的规定取值。
桩基础作为地基基础的一种型式，与其它型式的地基基础一样，地基复杂程度，建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，划分为甲、乙、丙三个设计等级，详见第六章表6－1。
对摩擦型桩基、设计等级为甲级的桩基、以及体型复杂荷载不均匀或桩端以下存在软弱土层的设计等级为乙级的建筑物桩基都应进行沉降验算。
二、单桩竖向承载力特征值
单桩竖向承载力特征值是指单桩竖向静载荷试验中荷载――桩顶沉降曲线线性变形段内不超过比例界限点的荷载值，实际上就是单桩竖向承载力的允许值。
《建筑地基基础设计规范》规定：
（1）单桩竖向承载力特征值应能过单桩竖向静荷载试验确定。
在同一条件下的试桩数量，不宜少于总桩数的1％，且不少于3根。
（2）地基基础设计等级为丙级时，可采用静力触探及标贯试验参数确定单桩竖向承载力特征值。
（3）初步设计时单桩竖向承载力特征值Ra可按下式估算
Ra＝qpaAp+Up∑qsiali
式中qpa,qsia――桩端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静荷载试验结果统计分析算得，kPa;
Ap――桩底端横截面面积，㎡；
Up――桩身周边长度，m；
Li――第i层岩土的厚度，m。
（4）嵌岩桩在初步设计时可按下式估算单桩竖向承载力特征值
Ra=qpaAp
式中qpa――桩端岩石承载力特征值，kPa，可按岩石饱和单轴抗压强度标准值折减而得。
（5）桩身材料强度应满足桩的承载力设计要求。
桩轴向受压时，桩身强度应符合下式要求Q≤ApfcΨc
式中fc――混凝土轴心抗压强度设计值，kPa;
Ap――桩身横截面积，㎡；
Q――相应荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值，KN；
Ψc――工作条件系数，预制桩取0.75，灌注桩取0.6~0.7（水下灌注桩或长桩时用低值）。
三、单桩竖向静载荷试验
静载荷试验是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法，它除了考虑地基的支承能力外，也计入了桩身材料对承载力的影响。
试验装置如图7－6所示桩顶沉降用固定的基准梁上的百分表量测。
试桩、锚桩（压重平台支座）和基准桩之间的中心距离应符合表7－1的规定。
试桩、锚桩和基准桩之间的中心距离
反力系统
试桩与锚桩（或压重
平台支座墩边）
试桩与基准桩
基准桩与锚桩（或压
重平台支座墩边）
锚桩横梁反力装置
压重平台反力装置
≥4d且
>2.0m
≥4d且
>2.m
≥4d且
>2.m
注d――试桩或锚桩的设计直径，取其较大者（如试桩或锚桩为扩底桩时，试桩与锚桩的中心距尚不小于2倍扩大端直径）。
对于灌注桩，应在桩身强度达到设计强度后方能进行静载荷试验。
对于预制桩，由于沉桩扰动强度下降有待恢复，因此在砂土中沉桩7天后，粘性土中沉桩15天后，饱和软粘土中沉桩25天后才能进行静载试验。
静载荷试验时，加荷分级不应小于8级，每级加载量宜为预估限荷载的1/8~1/10。
测读桩沉降量的间隔时间为：
每级加载后，第5、10、15min时各测读一次，以后每15min测读一次，累计一小时后每隔半小时测读一次。
在每级荷载作用下，桩的沉降量连续两次在每小时内小于0.1mm时可视为稳定，稳定后即可加下一级荷载。
符合下列条件之一时可终止加载：
（1）当荷载一沉降曲线上有可判断极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过40mm；
（2）后一级荷载产生的沉降量超过前一级荷载沉降增量的2倍，且24小时尚未达到稳定；
（3）桩长25m以上的非嵌岩桩，荷载一沉降曲线呈现缓变型时，桩顶总沉降量大于60~80mm；
（4）在特殊条件下，可根据具体要求加载至桩顶总沉降量大于100mm。
卸载时，每级卸载值为加载值的两倍，卸载后隔15min测读一次桩顶百分表读数，读二次后，隔半小时再读一次，即可卸下一级荷载。
全部卸载后，隔3~4h再测读一次桩顶百分表读数。
单桩竖抽权限承载力可以根据荷载沉降（Q-s）曲线，按下列方法确定：
（1）当陡降段明显时，取相应于陡降段起点的荷载值为极限承载力；
（2）当Q-s曲线呈缓变型时，取桩顶总沉降量s=40mm所对应的荷载作为极限承载力；
（3）当试验过程中，因最后一级荷载24h尚未终止加载时，取前一级荷载为极限承载力；
（4）按上述方法判断极限承载力有困难时，可取沉降－时间（s-lgt）曲线尾部出现明显下弯曲的前一级荷载作为极限承载力；
（5）对桩基沉降有特殊要求时，应根据具体情况选取极限承载力。
将单桩竖向极限承载力除以安全系数2，即得到单桩竖向承载力特征值Ra。
7－5桩基础的沉降验算
《建筑地基基础设计规范》规定，桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值，并不得超过第三章表3－15规定的地基变形允许值。
规范还规定下列建筑物的桩基础必须进行沉降验算：
（1）地基基础设计等级为甲级的建筑物桩基；
（2）体型复杂、荷载不均匀或桩端以下存在软弱土层的设计等级为乙级的建筑物桩基；
（3）摩擦型桩基。
计算桩基础沉降时，最终沉降量可按单向压缩分层总和法计算桩端以下压缩土层的总变形量。
考虑到桩端处的应力集中，土体的计算分层厚度在桩端以下规定范围内应适当加密。
实际工程计算时，一般区域计算层厚度取1m，加密区域计算层厚度取0.1m，已能保证足够的精度。
具体计算方法参看《建筑地基基础设计规范》附录R及本章第六节桩基础设计实例。
五、桩的负摩阻力
在一情况下，桩在荷载作用下产生沉降，土对桩的摩阻力与桩的位移方向相反，向上起着支承作用，即为正摩阻力。
但如果桩周土层由于某些原因产生了相对桩向下位移，就会在桩侧产生向下的摩阻力，称为负摩阻力。
引起负摩阻力的原因有多种，如桩周为欠固结土或新填土，在自重作用下继续固结而下沉；由于地下水们全面下降使土的有效应力增大，而引起桩周土的大面积沉降；大面积堆载使桩周土层产生压缩变形等。
负摩阻力实际上对桩施加一个下拉荷载，使桩身向力增大，而使桩的承载能力降低，在设计时应引起重视。
六、对于高耸的塔式结构物（如高压输电塔、电视塔、微波通讯塔、海洋石油平台等）的桩基、承受巨大浮力作用的基础（如地下室、地下油罐、取水泵房等）、以及承受巨大水平荷载的桩结构（如码头、桥头、挡土墙下的斜桩），都需要验算桩的抗拔承载力。
桩的抗拔承载力特征值主要取决于桩身材料强度及桩与土之间抗拔侧阻力和桩身自重。
单桩抗拔承载力特征值可以通过抗拔静载荷试验得到，其试验方法与抗压静载荷试验类似。
桩的水平承载力
建筑工程的桩基础大多以承受竖向荷载为主,但在风荷、地震荷载、机械制动荷载或土压力、水压力等作用下,也将承受一定的水平荷载.尤其是桥梁工程中的桩基,除了满足桩基的竖向承载力要求之外,还必须对桩基的水平承载里进行验算.
在水平荷载和弯矩作用下,桩身挠曲变形,并挤压桩侧土体,土体对桩侧产生水平抗力,其大小和分布与桩的变形、土质条件以及桩的入土深度等因素有关.在出现破坏以前,桩身的水平位移与土的变形的协调的,相应地桩身产生内力.随着位移和内力的增大,对于低配筋的灌注桩而言,通常桩身首先出现裂缝,然后断裂破坏;对于、抗弯性能好的混凝土预制桩,桩身虽围断裂,但桩侧土体明显开裂和隆起,桩的水平位移将超出建筑物变形允许值,使桩处于破坏状态.
当作用在桩基上的外力主要为水平力时,应根据使用要求对桩顶变位的限制,对桩基水平承载力进行验算.当外力作用面的桩距较大时,桩基的水平承载力可视为各单桩的水平承载力的总和.当承台侧面的土未经扰动或回填密实时,应计算土抗力的作用.当水平推力较大时,可设斜桩来承担水平推力.
卸载,每30min卸一级载,并于每次卸载前测读位移.
根据试验数据绘制荷载位移Ho-Xo曲线及荷载位移梯度Ho-（△Xo/△Ho）曲线,取Ho-（△Xo/△Ho）曲线的第一拐点为临界荷载,取第二拐点或Ho-Xo曲线的陡降起点为极限荷载.若装身设有应力测读装置,还根据最大弯距点变化特征判定临界荷载和极限荷载.
对于重要的工程,可模拟承台顶竖向荷载的实际状况进行试验.
7－6承台设计
当基桩数量、桩距和平面布置形式确定后，即可确定承台尺寸。
承台应有足够的强度和刚度，以便将各基桩连接成整体，从将上部结构荷载安全可靠地传递到各个基桩。
同时承台本身也具有类似浅基础的承载能力。
承台形式较多，如柱下独立承台、柱下或墙下条形基础（梁式承台）、筏板承台、箱形承台等。
本书仅介绍最常用的柱下独立承台的设计。
承台除满足构造要求外，还应满足抗弯曲、抗冲切、抗剪切承载力和上部结构的要求。
承台埋置深度参照基础确定。
1、承台的构造要求
（1）承台的宽度不小于500mm。
边桩中心至承台边缘的距离不宜小于桩的直径或边长，且桩的外边缘至承台梁边缘距离不小于75mm。
（2）承台的最小厚度不应小于300mm。
（3）承台的配筋，对于矩形承台其钢筋应按双向均匀通长布置，如图7－13（C）所示。
（4）承台混凝土强度等级不应低于C20，纵向钢筋的混凝土保护层厚度不小于70mm，当有混凝土垫层时，不应小于40mm。
2、承台的抗弯承载力设计
多数承台的钢筋含量较低，常为受弯破坏、抗弯承载力设计的本质是配筋设计，按承台截面最大弯矩进行配筋。
柱下桩基承台的弯矩可按以下算法确定：
（1）我桩矩形承台计算截面取在柱边和承台高度变化处（杯口外侧或台阶边缘，图7－14a）Mx=∑NiyiMy=∑Nixi
Mx、My――分别为垂直y轴和x轴方向计算截面处的弯矩设计值，kN.m；
Xi、yi――垂直y轴和x轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离，m；
Ni――扣除承台和其上填土自重后相应于荷载效应基本组合的第i桩竖向力设计值，kN。
（2）三桩承台
1）等边三桩承台
M＝Nmax/3（s-√3/4c）
M――由承台形心至承台边缘距离范围内板带的弯矩设计值，kN.m；
Nmax――扣除承台和其上填土自重后的三桩中相就于荷载效应基本组合时的最大单桩竖向力设计值，kN；
S――桩距，m；
C――方柱边长，圆柱时c＝0.866d（d为圆柱直径），m。
2）等腰三桩承台
M1＝Nmax/3[s-0.75/√（4-α2）c1]
M2＝Nmax/3[αs-0.75/√（4-α2）c2]
式中M1、M2――分别为由承台形心到承台两腰和底边的距离范围内板带的弯矩设计值，kN.m；
s――长向桩距，m；
α――短向桩距与长向桩距之比，当小于0.5时，应按变截面的二桩承台设计；
c1、c2――分别为垂直于、平行于承台底边的柱截面边长，m。
3、承台抗冲切承载力设计
柱下桩基础独立承台承受的冲切作用包括柱对承台的冲切和角桩对承台的冲切。
如果承台厚度不够，就会产生冲切破坏锥体。
（1）柱对承台的冲切，可按下列公式计算
Fl≤2[βox（bc+aoy）+βoy（hc+aox）]βhpfth0
Fl=F-∑Ni
βox=0.84/（λox+0.2）
βoy＝0.84/（λoy+0.2）
λox=αox/h0
λoy=αoy/h0
式中Fl――扣除承台及其上填土自重，作用在冲切破坏锥体上相应于荷载效应基本组合的冲切力设计值，kN，冲切破坏锥体应采用自柱边或承台变阶处至相应桩顶边缘边线构成的锥体，锥体与承台底面的夹角不小于45°，如图7－15所示；
h0――冲切破坏锥体的有效高度，m；
βhp――受冲切承载力截面高度影响系数，当承台高度h≤800mm时，βhp＝1.0，当h≥2000mm时，βhp＝0.9，其它按线性内插法取值；
βox、βoy――冲切系数；
λox、λoy――冲跨比；
αox、αoy――柱边或变阶处至桩边的水平距离，当αox（αoy）<0.2h0时，αox（αoy）＝0.2h0；当αox（αoy）>h0时，αox（αoy）＝h0，m；
F――柱根部轴力设计值，kN；
∑Ni――冲切破坏锥体范围内各桩的静反力设计值之和，kN。
对中低压缩性土上的承台，当承台与地基土之间没有脱空现象时，可根据地区经验适当减少柱下基础独立承台受冲切计算的承台厚度。
（2）角桩对承台的冲切，可按下列公式计算：
1）多桩矩形承台受角桩冲切的承载力应按下式计算（图7－16）
Nl≤[β1x（c2+α1y/2）+β1y（c1+α1x/2）]βhpfth0
Β1x＝0.56/（λ1x+0.2）
Β1y＝0.56/（λ1y+0.2）
λ1x=α1x/h0
λ1y=α1y/h0
式中Nl――扣除承台和其上填土自重后的角桩桩顶相应于荷载效应基本组合时的竖向力设计值，kN；
β1x、β1y――角桩冲切系数；
λ1x、λ1y――角桩冲跨比，其值满足0.2～1.0；
c1、c2――从角桩内边缘至承台外边缘的距离，m；
λ1x、λ1y――从承台底角桩内边缘引45°冲切线与承台变阶处相交点至角桩内边缘的水平距离；
h0――承台外边缘的有效高度，m。
2）三桩三角形承台受角桩冲切的承载力可按下列公式计算（7－17）
底部角桩
Nl≤β11（2c1+α11）tan（θ1/2）βhpfth0
Β11＝0.56/（λ11+0.2）
顶部角桩
Nl≤β12（2c2+α12）tan（θ2/2）βhpfth0
Β12＝0.56/（λ12+0.2）
λ11＝α11/h0
λ12＝α12/h0
式中λ11、λ12――角桩冲跨比；
α11、α12――从承台底角桩内边缘向相邻承台边引45°冲切线与承台顶面相交点至角桩内边缘的水平距离，m，当柱们位于该45°线以内时则取柱边与桩内边缘边线为冲切锥体的锥线。
对圆柱及圆桩，计算时可将圆形截面换算为正方形截面，换算后正方形边长为圆直径的0.8倍。
4、承台斜截面抗剪切承载力设计
承台在基桩反力作用下，剪切破坏面位于柱边和桩边联线形成的斜截面或承台变阶处和桩边联线形成的斜截面（图7－18）。
当柱外边有多排桩形成多个剪切斜截面时，应对每个斜截面进行抗剪切承载验算。
验算时，圆柱和圆桩也换算成正方形截面。
斜截面抗剪切承载力可按下列公式计算
V≤βhsβftb0h0
Β＝1.75/（λ+1.0）
λx＝αx/h0
λy＝αy/h0
βhs＝（0.8/h0）1/4
式中V――扣除承台及上填土自重后相应于荷载效应基本组合时斜截面的最大剪力设计值，kN；
b0――承台计算截面处的计算宽度，m，阶梯形承台变阶处的计算宽度、锥形承台的计算宽度应按《建筑地基基础设计规范》附录S确定；
h0――计算宽度处的承台有效高度，m;
β――剪切系数；
λ――计算截面的剪跨比，当λ<0.3；当λ>3时，取λ＝3；
αx、αy――柱边或承台变阶处到x
升级会员 