桩基垂直度控制方法

一、任务介绍

桩基础的设计应做到安全、合理、经济、施工方便快捷，并能发挥桩土体系的力学性能。桩和承台应有足够的强度、刚度和耐久性，地基应有足够的承载力，并且不产生超过上部结构安全和正常使用所允许的变形。桩型的多样性决定了桩基础设计的多样性，要按照不同的地质条件选择合适的桩型、桩基础设计方案，以保证建筑物的长久安全。本任务主要介绍桩基础设计的步骤，桩数的确定和平面布置，桩身设计及承台设计等内容。

二、理论知识

1．桩基础设计的内容和步骤

桩基础的一般设计内容和步骤（程序）如下。

（1）调查研究，收集设计资料。需要掌握的资料有：①建筑物上部结构的类划、平面尺寸、构造及使用上的要求；②上部结构传来的荷载大小及性质；③工程地质勘察资料，在提出勘察任务书时，必须说明拟议中的桩基方案，以便勘察工作符合有关规范的一般规定和桩基工程的专门要求；④当地的施工技术条件，包括成桩机具、材料供应、施工方法及施工质量；⑤施工现场的交通、电源、邻近建筑物、周围环境及地下管线情况；⑥当地及现场周围建筑基础工程设计及施工的经验教训等。

（2）选择桩的类型及其几何尺寸，包括桩的材料、顶底标高（即承台埋深）、持力层的选定。

（3）确定单桩承载力设计值。

（4）确定桩的数量及平面布置，包括承台的平面形状尺寸。

（5）确定群桩或带桩基础的承载力，必要时验算群桩地基强度和变形（沉降量）。

（6）桩身构造设计与强度计算。

（7）承台设计，包括构造和受弯、冲切、剪切计算。

（8）绘制桩基础施工图。

其中，（3）、（5）项已如前述，下面对上述（2）、（4）、（6）各项分别进行介绍。

2．确定桩型和截面尺寸

1）选择桩型

选择桩的类型，应根据工程地质状况、施工技术条件、工期情况以及施工对周围环境的影响等因素综合考虑，应根据具体情况进行综合技术与经济分析。

2）选择持力层

持力层应尽可能选择坚硬土层或岩层。如在一般桩长深度内没有坚硬土层，也可考虑选择中等强度的土层，如中密以上砂层或中等压缩性的一般黏性土等。桩端进入持力层的深度（d为桩径）黏性土和粉土应不小于2d；砂土应不小于1．5d；碎石类土应不小于d。当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度应不小于4d。当硬持力层较厚且施工许可时，桩端进入持力层的深度应尽可能达到桩端阻力的临界深度，以提高桩端阻力。临界深度值，对于砂、砾石为（3～6）d；对于粉土、黏性土为（5～10）d。嵌岩灌注桩的周边嵌入微风化或中等风化岩体的最小深度不宜小于0．5m。

3）确定桩长、承台底面标高

桩长为承台底面标高与桩端标高（不包括桩尖）之差。在确定持力层及其进入深度后，就要拟定承台底面标高，即承台埋置深度。一般情况下，应使承台顶面低于室外地面100mm以上；如有基础梁、筏板、箱基等，其厚（高）应考虑在内；同时要考虑季节性冻土和地下水的影响。

4）桩截面尺寸

（1）最小桩径。钢筋混凝土方桩边长应不小于250mm；干作业钻孔桩和振动沉管灌注桩应不小于φ300mm；泥浆护壁回转或冲击钻孔桩应不小于φ500mm；人工挖孔桩应不小于φ800mm；钢管桩应不小于φ400mm。

（2）摩擦桩宜采用细长桩，以获得较大比表面（桩侧表面积与体积之比）。

（3）端承桩的持力层强度低于桩材强度，而地基土层又适宜时，应优先考虑采用扩底灌注桩。

（4）桩径的确定还要考虑单桩承载力的需求和布桩的构造要求。如条形基础不能用过大的桩距而造成承台梁跨度过大；柱下独立基础不宜使承台板平面尺寸过大。一般情况下，同一建筑的桩基采用相同桩径，但当荷载分布下均匀时，尤其是采用灌注桩时，可根据荷载和地基土条件采用不同直径的桩。

（5）当高承台桩基露出地面较高，或桩侧土为淤泥或自重湿陷性黄土时，为保证桩身不产生受压屈服失稳，端承桩的长径比应取l／d≤40；按施工垂直度偏差要求也需控制长径比，对一般黏性土、砂土，端承桩的长径比应取l／d≤60；对摩擦桩则不限制。

3．确定桩数与平面布置

1）确定桩数

当桩的类型，基本尺寸和单桩承载力设计值确定后，可根据上部结构情况，按下式初步确定桩数。

式中：n——桩数；

Fk——相应于荷载效应标准组合用于桩基承台顶面的竖向力，kN；

Gk——桩基承台和承台上土自重标准值，kN；

Ra——单桩竖向承载力特征值，kN；

μ——系数，当桩基为轴心受压时μ＝1，当偏心受压时μ＝1．1～1．2。

初步确定的桩数，可据以进行桩的平面布置，如经有关验算可作必要的修改。

2）桩的平面布置

桩基中各桩的中心距主要取决于群桩效应（包括挤土桩的挤土效应）和承台分担荷载的作用及承台用料等。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2001）规定，桩的中心距不宜小于3倍桩身直径；若为扩底灌注桩，桩的中心距不宜小于1．5倍扩底直径。《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中规定桩的最小中心距见表8－12。

表8－12 桩的最小中心距

若设计为大面积挤土桩群，宜按表8－12中的值适当加大桩距。

扩底灌注桩除应该符合表8－11的要求外，还应满足如下规定：钻、挖孔灌注桩桩距≥1．5D或D＋1m（当D＞2m时）；对沉管扩灌注桩桩距≥2D（D为扩大端设计径）。

进行桩位布置时，应尽可能使上部荷载的中心和桩群横截面的形心重合。应力求各桩受力相近，宜将桩布置在承台外围，而各桩应距离垂直于偏心荷载或水平力与弯矩较大方向的横截面轴线大些，以便使桩群截面对该轴具有较大的惯性矩。

桩的排列可采用行列式或梅花式，如图8－5所示，适用于较大面积的满堂桩基；箱基和带梁筏基及墙下条形基础的桩，宜沿墙或梁下布置成单排或双排，以减小底板厚度或承台梁宽度。

柱下独立基础的桩宜采用承台板，形状如图8－6所示。此外，为了使桩受力合理，在墙的转角及交叉处应布桩，窗下及门下尽可能不布桩。

图8－5 桩的排列图

图8－6 桩基承台平面形状

4．桩身设计

（1）混凝土强度等级。预制桩混凝土强度大于等于C30；灌注桩混凝土强度大于等于C25；预应力桩混凝土强度大于等于C40。

（2）桩身配筋。桩的主筋应经计算确定，打入式预制桩的最小配筋率宜为ρ≥0．8％，静置预制桩宜为ρ≥0．6％；灌注桩宜为ρ＞0．2％～0．65％（小直径桩取大值）。

（3）配筋长度。

①受水平荷载和弯矩形较大的桩，配筋长度应通过计算确定。

②桩基承台下存在淤泥、淤泥质土或液化土层时，配筋长度应穿过淤泥、淤泥土层或液化土层。

③坡地岩边的桩、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。

④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。

（4）桩顶构造。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35d。对于大直径灌注桩，当采用一柱一桩时，可设置承台或将桩和柱直接连接，柱纵筋插入桩身的长度应满足锚固长度的要求。

5．承台设计

1）桩基承台的作用

桩基承台的作用包括以下3项。

（1）把多根桩连接成整体，共同承受上部荷载。

（2）把上部结构荷载通过桩承台传递到各根桩的顶部。

（3）桩基承台为现浇钢筋混凝土结构，相当于一个浅基础，因此桩基承台本身具有类似于浅基础的承载能力，即桩基承台效应。

2）桩基承台的种类

（1）高桩承台。当桩顶位于地面以上相当高度的承台称为高桩承台。如上海宝钢位于长江上运输矿石的栈桥桥台，为高桩承台。

（2）低桩承台。凡桩顶位于地面以下的桩承台称低桩承台，通常建筑物基础承重的桩承台都属于这一类。低桩承台与浅基础一样，要求承台底面埋置于当地冻结深度以下。

3）桩基承台的材料与施工

（1）桩承台应采用钢筋混凝土材料，现场浇筑施工。因各桩施工时桩顶的高度与间距不可能非常规则，要将各桩紧密连接成为整体，桩基承台无法预制。

（2）承台的混凝土强度等级不宜低于C20。

（3）承台配筋按计算确定。矩形承台应按双向均匀通长布置受力钢筋，钢筋直径不宜小于10mm，间距不宜大于200mm；对于三桩承台，钢筋应按三向板带均匀布置，并且最里面的三根钢筋围成的三角形应在柱截面范围内。承台梁的主筋除满足计算要求外尚应符合国家现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）关于最小配筋率的规定，主筋直径不宜小于12mm，架立筋不宜小于10mm；箍筋直径不小于6mm。

（4）钢筋保护层厚度不宜小于50mm。

4）桩基承台的尺寸

（1）桩基承台的平面尺寸。

依据桩的平面布置，承台周边至边桩的净距不宜小于0．5倍桩径（或边长），并且桩的外边缘至承台边缘的距离不小于150mm；对于条形承台梁，桩的外边缘至承台梁边缘的距离不小于150mm；承台的宽度不宜小于500mm。

（2）桩基承台的厚度。

桩承台的厚度要保证桩顶嵌入承台，并防止桩的集中荷载造成承台的冲切破坏。承台的最小厚度不宜小于300mm。对大中型工程承台厚度应进行抗冲切计算确定。我国西南地区一幢大楼因采用桩基础，由于桩承台厚度太小，承台发生冲切破坏，造成了整幢大楼倒塌的严重事故，应引以为戒。

5）桩承台的内力

桩承台的内力可按简化计算方法确定，并按《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）进行局部受压、受冲切、受剪及受弯的强度计算，防止桩承台破坏，保证工程的安全。

三、任务实施

【例8－4】 某多层建筑一框架柱截面为400mm×800mm，承担上部结构传来的荷载设计值为：轴力F＝2800kN，弯矩M＝420kN·m，水平力H＝50kN。经勘察地基土依次为：0．8m厚人工填土；1．5m厚黏土；9．0m厚淤泥质黏土；6m厚粉土。各层物理力学性质指标如表8－13所示，地下水位离地表1．5m。试设计桩基础。

表8－13 各土层物理力学指标

【解】 （1）确定持力层、桩型、承台埋深和桩长。

由勘察资料可知，地基表层填土和1．5m厚的黏土以下为厚度达9m的软黏土，而不太深处有一层形状较好的粉土层。分析表明，在柱荷载作用下天然地基难以满足要求时，考虑采用桩基础。根据地质情况，选择粉土层作为桩端的持力层。

根据工程地质情况，在勘察深度范围内无较好的持力层，故桩为摩擦型桩。选择钢筋混凝土预制桩，边长350mm×350mm，桩承台埋深1．2m，桩进入持力层④层粉土层2d，伸入承台100mm，则桩长为10．9m。

（2）确定基桩的竖向承载力。

确定单桩竖向极限承载力标准值Quk。

查相关表格，可得：

第②黏土层：qsik＝75kPa，li＝（0．8＋1．5－1．2）m＝1．1m

第③黏土层：qsik＝23kPa，li＝9m

第④粉土层：qsik＝55kPa，li＝2d＝2×0．35m＝0．7m

qpk＝1 800kPa

Quk＝Qsk＋Qpk＝u∑qsikli＋Apqpk＝（459．2＋220．5）kN＝679．7kN

确定基桩竖向承载力设计值R。

桩数超过3根的非端承桩复合桩基，应考虑桩群、土、承台的相互作用效应，因承台下有淤泥质黏土，不考虑承台效应，取ηc＝0。查表时取Bc／L＝0．2一栏的对应值。因桩数位置，桩距sa也未知，先按Sa／d＝3查表得ηs＝0．80，ηp＝1．64；查表8－4得γs＝γp＝1．65。待桩数及桩距确定后，再验算基桩的承载力设计值是否满足要求。

（3）确定桩数、布桩及承台尺寸。

①确定桩数：由于桩数未知，承台尺寸未知，先不考虑承台质量，初步确定桩数，待布置完桩后，再计承台质量，验算桩数是否满足要求。

故取n＝8。

②确定桩距sa：根据规范规定，摩擦型桩的中心矩，不宜小于桩身直径的3倍，又考虑到穿越饱和软土，相应的最小中心矩为4d，故取sa＝4d＝4×350mm＝1 400mm，边距取350mm。

桩布置形式采用长方形布置，承台尺寸如图8－7所示。

图8－7 承台尺寸

（4）桩数验算。

承台及上覆土重为

故满足要求。

（5）桩基竖向承载力验算。

①基桩平均竖向荷载设计值。

②基桩最大竖向荷载设计值。

作用在承台底的弯矩为Mx＝M＋Hd＝（420＋50×1．2）kN·m＝480kN·m

Nmax＝436．7kN＜1．2R＝1．2×441．8kN＝530．16kN

故均满足要求。

四、任务小结

1．桩数的确定

当桩的类型，基本尺寸和单桩承载力设计值确定后，可根据上部结构情况，按下式初步确定桩数。

2．桩的排列

可采用行列式或梅花式，适用于较大面积的满堂桩基。箱基和带梁筏基及墙下条形基础的桩，宜沿墙或梁下布置成单排或双排，以减小底板厚度或承台梁宽度。柱下独立基础的桩宜采用承台板。此外，为了使桩受力合理，在墙的转角及交叉处应布桩。窗下及门下尽可能不布桩。

五、拓展练习

1．桩基础设计包括哪些内容？

2．桩基础初步设计后，还需要进行哪些验算？如果验算不满足要求，应如何解决？

3．某教师住宅为6层砖混结构，横墙承重。作用在横墙墙角底面荷载为165．9kN／m。横墙长度为10．5m，墙厚370mm。地基土表层为中密杂填土，层厚h1＝2．2m，桩侧阻力特征值qsa1＝11kPa；第二层为流塑淤泥，层厚h2＝2．4m，qsa2＝8kPa；第三层为可塑粉土，层厚h3＝2．6m，qsa3＝25kPa，第四层为硬塑粉质黏土，层厚h4＝6．8m，qsa4＝40kPa，桩端阻力特征值qpa＝1 800kPa。试设计横墙桩基础。

4．有一建筑场地地基土情况：第一层，杂填土，厚1m；第二层，粉土，软塑e＝0．92，ω＝30％，γ＝18．6kN／m，厚7m，qsa2＝12kPa；第三层，粉砂，中密，e＝0．82，厚4m，qsa3＝30kPa；第四层，黏土，e＝1．2，γ＝17kN／m，流塑IL＝1．2，厚度10m以上（夹薄层砂），qsa4＝25kPa，qpa＝1 800kPa。立柱的截面为1．0m×0．6m；荷载F＝4000kN，My＝500kN·m，H＝100kN。地下水位在室外地面下4m。试为柱下独立基础选择桩型，并设计桩基础及其承台。