基礎工程-樁基

第4章

樁基礎與深基礎

4．1概

述

當天然地基上的淺基礎不能滿足建筑物的承載力或沉降要求時，可考慮利用基底以下較深處相對較好的土層承載。

向深部土層傳遞荷載的方式有樁基礎、墩基礎和沉井基礎等。

樁是指垂直或者稍傾斜布置于地基中，其斷面積相對其長度是很小的桿狀構件。樁的功能是通過其側壁摩阻力和端部阻力將上部結構的荷載傳遞給深處的地基土。在我國，經常將預制的和現澆的，小直徑與大直徑的這類桿件統稱為樁(pile)。

雖然樁基礎一般比天然地基的淺基礎造價要高，但它可以大幅度提高地基承載力，減少沉降，還可以承擔水平荷載和向上拉拔荷載，同時有較好的抗震(振)性能，所以應用很廣泛。樁基礎主要用于以下方面：(1)上部荷載很大，只有在較深處才有能滿足承載力要求的持力層的情況；(2)為了減少基礎的沉降或不均勻沉降，利用較少的樁將部分荷載傳遞到地基深處，從而減少基礎沉降，按沉降控制設計，這種樁基礎稱為減沉樁基礎或疏樁基礎；(3)當設計基礎底面比天然地面高或者基礎底部的土可能被沖蝕，形成承臺與地基土不接觸的高承臺樁基；(4)有很大的水平方向荷載情況，如風、浪、水平土壓力、地震荷載和沖擊力等荷載，可采用垂直樁、斜樁或交叉樁承受水平荷載；

(5)地下水位較高，加深基礎埋深需要進行深基坑開挖和人工降水，這可能不經濟或者對環(huán)境有不利影響，這時可考慮采用樁基礎；(6)在水的浮力作用下，地下室或地下結構可能上浮，這時用樁抗浮承受上拔荷載；(7)在振動機器基座下，可用樁基礎控制地基基礎系統振幅、自振頻率等；

(8)用樁穿過濕陷性土、膨脹性土、人工填土、垃圾土和可液化土層，可保證建筑物的穩(wěn)定。目前樁還廣泛用于基坑的支擋結構，用樁作為錨固結構，用于滑坡治理的抗滑樁等。振沖樁方法4．2樁的分類及選用4．2．1樁的分類1．按樁的使用功能分類

按樁的使用功能可以分為如下四類。(1)豎向抗壓樁(2)豎向抗拔樁(3)水平受荷樁(4)復合受荷樁(1)豎向抗壓樁

這是使用最廣泛、用量最大的一種樁。它組成的樁基礎是為了提高地基承載力和(或)減少地基沉降量。

(2)豎向抗拔樁

例如抗浮樁。隨著大跨度輕型結構(如機場停機坪)和淺埋的地下結構(如地下停車場)的大量興建，這類樁的使用也越來越廣泛。另外在單樁豎向靜載試驗中使用的錨樁也承受拉拔荷載。

(3)水平受荷樁

：主要承受水平荷載，最典型的是抗滑樁和基坑支擋結構中的排樁。(4)復合受荷樁

其豎向、水平荷載均較大。例如碼頭、擋土墻、高壓輸電線塔和在強地震區(qū)中的高層建筑基礎中的樁也都承受較大的豎向及水平荷載。根據水平荷載的性質，這類樁也可設計成斜樁和交叉樁。

2．豎向抗壓樁按承載性狀分類

豎向抗壓樁一般是通過樁身的摩阻力和樁端的端承力將荷載傳到深層地基土中去的。(1)摩擦型樁

又可分為摩擦樁和端承摩擦樁兩種。摩擦樁是指在極限承載力狀態(tài)下，樁頂荷載基本由樁側阻力承受，端阻力一般不超過荷載的10％。端承摩擦樁是指在極限承載力下，樁頂荷載主要由樁側阻力承受，是一種最常用的樁。(2)端承型樁

又可分為端承樁和摩擦端承樁兩種。端承樁是指在極限承載力狀態(tài)下，樁頂荷載基本由樁端阻力承受。摩擦端承樁是指在極限承載力狀態(tài)下，樁頂荷載主要由樁端阻力承受。這四種樁的劃分主要取決于土層分布。但也與樁長、樁的剛度、樁身形狀、是否擴底、成樁方法等條件有關。隨著樁長徑比L/d的增大，在極限承載力的狀態(tài)下，傳遞到樁端的荷載就會減少，樁身下部側阻和端阻的發(fā)揮會相對降低。當L/d≥40時，在均勻土層中端阻分擔荷載比趨于零；當L/d≥100時，即使樁端位于堅硬土(巖)層上，端阻的分擔荷載值也小到可以忽略。3．按樁身材料分類(1)混凝土樁

一般均由鋼筋混凝土制作。按照施工制作方法又可分為灌注樁和預制樁。預制樁又可分為現場預制和工廠預制兩種。預制樁還可分為預應力樁和非預應力樁。使用高強水泥和鋼筋制作的預應力樁具有很高的樁身強度。預應力樁(2)鋼樁

按照斷面形狀可分為鋼管樁、鋼板樁、型鋼樁和組合斷面樁。鋼樁較易打入土中，由于擠土少，對地層擾動小，但是造價較高，抗腐蝕性差，需做表面防腐處理。型鋼樁（工字鋼）(3)組合材料樁

這類樁種類很多，并且不斷地有新類型出現。比如在作為抗滑樁時，在混凝土中加入大型工字鋼承受水平荷載；在用深層攪拌法制作的水泥墻中內插入H型鋼，形成地下連續(xù)墻(SMW)。最近在我國，研究人員在水泥土中插入高強鋼筋混凝土樁作為勁芯，所形成的樁承載能力高于一般的灌注樁。另外一種復合載體夯擴樁則是在樁端夯入磚石，其上夯入干硬性混凝土，再澆注鋼筋混凝土樁身。4．按成樁方法分類

按成樁方法也可有多種依據進行樁的分類，其中，因成樁過程中擠土與否對樁和地基土的性狀影響較大，所以常常按此分為三類:非擠土樁

、部分擠土樁

和擠土樁

。

(1)非擠土樁

非擠土樁的特點是預先取土成孔，成孔的方法是用各種鉆機鉆孔或人工挖孔。人工挖孔通常在地下水位以上；鉆孔可以在水上，也可在水下。水下鉆孔需對井孔護壁，通常采用泥漿護壁，即在井孔中注入泥漿，并保持泥漿水位高于地下水位1—2m，以確保井壁的穩(wěn)定。這種方法往往會在井底產生浮泥和在井壁形成泥皮，從而降低了樁的承載力，在施工中應采取措施盡量減少其影響。另一種護壁方式是采用套管，常用于不穩(wěn)定的土層。成樁的方法分為現場灌注法和置入預制樁法；現場灌注樁施工是先向孔內放入鋼筋籠，使其就位后澆筑混凝土，在地下水位以下則用導管法澆筑。置入預制樁法是首先將預制樁吊裝入井孔中，然后在樁孔間的孔隙中灌漿。(2)擠土樁

擠土樁主要是預制樁。施工方法：將預制樁用錘擊、振動或者靜壓的方法置入地基土中，這樣就將樁身所占據的地基土擠到樁的四周了。在合適的土層(如飽和度不高的可擠密土層中)，也可將管底有活動瓣門的封閉套管打入地基土中，成孔后邊拔管邊澆筑混凝土，這樣形成的樁稱為擠土的灌注樁。對于飽和的軟粘土，當沉入的擠土樁較多較密時，可能會使地面上抬，造成相鄰建筑物或管線損壞，引起已入土的樁上浮、側移或斷裂；同時在地基土中會引起較高的超靜孔隙水壓力，這些都是十分不利的。

(3)部分擠土樁

開口的沉管取土灌注樁、先預鉆較小孔徑的鉆孔(稱為引孔)，然后打入預制樁、打入式敞口的管樁等都屬于部分擠土樁。

5．按樁的幾何特性分類1)按樁徑大小分類

按樁徑d的不同樁可分為以下三類：(1)大直徑樁：d≥800mm(2)中等直徑樁：250mm<d<800mm(3)小樁：d≤250mm2)按長度L或折算樁長αL分類

通常按樁的長度可分為如下四類：(1)L≤10m稱為短樁；(2)10m<L≤30m稱為中長樁；(3)30m<L≤60m稱為長樁；(4)L>60m稱為超長樁。

但這種按樁的絕對長度分類并不能表述樁的綜合性質，也有按折算樁長αL進分類的，其中α為水平變形系數。α為水平變形系數E、Ⅰ——樁材料的彈性模量和截面慣性矩；b。———樁的計算寬度；m——地基土水平抗力系數的比例系數，見表4—10。αL≤2．5為剛性短樁；2．5<aL<4．0為彈性中長樁；aL≥4．0為彈性長樁。

3)按樁的幾何形狀分類

按樁的縱向形狀有柱式樁、楔式樁；按樁端是否有擴底可分為擴底樁和非擴底樁；按樁的橫斷面可分為方形樁、三角形樁、圓形樁和圓筒形樁等，如圖4-3所示。

其中擴底樁按照擴底部分的施工方法又可分為挖擴樁、鉆擴樁、擠擴樁、夯擴樁、爆擴樁、振擴樁等。

4．3豎向承壓樁的荷載傳遞

樁基礎的作用是將荷載傳遞到下部土層，這種荷載傳遞是通過樁與樁周土間的相互作用進行的。

4．3．1承壓的單樁豎向承載力的組成

作用于樁頂的豎向壓力由作用于樁側的總摩阻力Qs和作用于樁端的端阻力Qp共同承擔.歸納為如下幾點：(1)在荷載增加的過程中，樁身上部的側阻力先于下部側阻力發(fā)揮作用；(2)一般情況下，側阻力先于端阻力發(fā)揮作用；

(3)在工作荷載Qk下，對于一般摩擦型樁，側阻力發(fā)揮作用的比例明顯高于端阻力發(fā)揮作用的比例；(4)對于L/d較大的樁，即使樁端持力層為巖層或堅硬土層，由于樁身本身的壓縮，在工作荷載下端阻力也很難發(fā)揮。當L/d≥100時，端阻力基本可以忽略而成為摩擦樁。4．3．2樁的側阻力1．側阻力沿樁身的分布很多實測的荷載傳遞曲線表明，qs的分布可能為多種形式的曲線，對打入樁而言在粘性土中，其qs沿深度的分布類似于拋物線形；在極限荷載下，在砂土中，其qs值開始時隨深度近似線性增加，至一定深度后接近于均勻分布，此深度稱為臨界深度.2．qs的主要影響因素

單位側阻力qs的影響因素很多，最主要取決于土的類型和土性。砂土的單位側阻力比粘土的大；密實土的比松散土的大。樁的極限側阻力標準值應根據當地的靜力現場載荷試驗資料統計分析得到，當缺乏地區(qū)經驗時，可參考表4-2。影響側阻力的另一個重要的因素是成樁的工藝。對于打入的擠土樁，如果樁周土是可擠密的土，打入的樁會將四周的土擠密，可明顯提高單位側阻力。對于鉆(挖)孔灌注樁，由于需要預先成孔，這就可能引起樁周土的回彈和應力松弛，從而使樁的側阻力減少，尤其是對于d大于800mm的大孔徑樁尤為明顯。對于水下泥漿護壁成孔的灌注樁，在樁側形成的泥皮及水下澆注混凝土的質量問題也可使側阻力減小。泥漿護壁成孔的灌注樁4．3．3樁的端阻力1．經典理論計算法將樁視為一寬度為b(相當于樁徑d)，埋深為樁入土深度L的基礎進行計算。在樁加載時，樁端土發(fā)生剪切破壞，根據假設的不同滑裂面形狀，用土力學教材中所介紹的地基極限承載力理論求出樁端的極限承載力，確定極限單位端阻力qPu。。根據極限承載力理論，qpu的一般表達式為

式中：Nγ，Nc，Nq一一承載力系數，其值與土的內摩擦角有關，可參考有關土力學教材的圖表；b(d)——樁的寬度或直徑，mm；C--土的粘聚力，kPa；q——樁底標高處土中的豎向應力，q＝γL，kPa。2．樁的端阻力的影響因素樁的極限端阻力標準值可參考表4-3。樁的端阻力受成樁工藝的影響很大。對于擠土樁，如果樁周圍為可擠密土(如松砂)，則樁端土受到擠密作用而使端阻力提高，并且使端阻力在較小樁端位移下即可發(fā)揮作用。對于密實的土或者飽和粘性土，擠壓的結果可能不是擠密，而是擾動了原狀土的結構，或者產生超靜孔隙水壓力，端阻力反而可能會受不利影響。對于非擠土樁，成樁時可能擾動原狀土，在樁底形成沉渣和虛土，則端阻力會明顯降低。大直徑的挖(鉆)孔樁，由于開挖造成的應力松弛，使端阻力隨著樁徑增大而降低。對于水下施工的灌注樁，由于樁底沉渣不易清理，一般端阻力比干作業(yè)灌注樁要小。3．端阻力的深度效應樁端阻力有明顯的深度效應，即存在著一個臨界深度ｈc，當樁端進入均勻持力層的深度小于臨界深度ｈc時，其極限端阻力隨深度基本上是線性增加；當進入深度大于臨界深度ｈc，時，極限端阻力基本不再增加，趨于一個常數。

(1)樁的端阻力的臨界深度ｈc隨持力層砂土的相對密度的提高而提高。

(2)端阻臨界深度ｈc隨樁徑增大而增加。

4．4豎向承壓樁單樁承載力的確定

單樁承載力是由以下三個條件決定的。(1)在荷載作用下，樁在地基土中不喪失穩(wěn)定性；(2)在荷載作用下，樁頂不產生過大的位移；(3)在荷載作用下，樁身材料不發(fā)生破壞。2.單樁在軸向受壓荷載作用下的破壞模式

軸向受壓荷載作用下，單樁的破壞是由地基土強度破壞或樁身材料強度破壞所引起。而以地基土強度破壞居多。

縱向撓曲破壞：當樁底支承在很堅硬的地層，樁側土為軟土層其抗剪強度很低時，樁在軸向受壓荷載作用下，如同一受壓桿件呈現縱向撓曲破壞。樁的承載力取決于樁身的材料強度。

整體剪切破壞：當具有足夠強度的樁穿過抗剪強度較低的土層而達到強度較高的土層時，樁底土體將形成滑動面而出現整體剪切破壞。樁的承載力主要取決于樁底土的支承力，樁側摩阻力也起一部分作用。刺入式破壞：當具有足夠強度的樁入土深度較大或樁周土層抗剪強度較均勻時，將出現刺入式破壞。樁所受荷載由樁側摩阻力和樁底反力共同承擔，一般端承摩擦樁或純摩擦樁多為此類破壞，且基樁承載力往往由樁頂所允許的沉降量控制。4.4.1現場試驗法1．單樁豎向靜載荷試驗

單樁豎向靜載荷試驗既可在施工前進行，用以測定單樁的承載力；也可用以對施工后的工程樁進行檢測。它適用各種情況下對于單樁承載力的確定確定單樁軸向承載力的方法:靜荷載試驗、理論計算、經驗公式

概念：在樁頂逐級施加軸向荷載，直至樁達到破壞狀態(tài)為止，并在試驗過程中測量每級荷載下不同時間的樁頂沉降。

特點：直觀可靠，但費時、費力，通常只在大型、重要工程或地質較復雜的樁基工程中進行試驗。是樁基礎研究分析常用的試驗方法。

規(guī)范要求:試樁數量，不宜少于總樁數的1％，并且不應少于3根。工程中常用的單樁豎向靜載荷試驗方法有兩種：可以用錨樁；也可在千斤頂上架設平臺堆載提供反力。錨樁法靜載試驗錨樁法靜載試驗錨樁法靜載試驗千斤頂及位移傳感器

觀測系統：主要有樁頂位移和加載數值的觀測。位移通過安裝在基準梁上的位移計或百分表量測。加載數值通過油壓表或壓力傳感器觀測。每根基準梁固定在兩個無位移影響的支點或基準點上，支點或基準樁與試樁中心距應大于4d且不小于2m（d為試樁直徑或邊長）。

2、試驗方法

分級加載：試樁加載應分級進行，每級荷載約為預估破壞荷載的1/10~1/15；

遞變加載:開始階段每級荷載取預估破壞荷載的1/2.5~1/5，終了階段取1/10~1/15。

測讀沉降時間：在每級加荷后的第一小時內，按2、5、15、30、45、60min測讀一次，以后每隔30min測讀一次，直至沉降穩(wěn)定為止。沉降穩(wěn)定的標準，通常規(guī)定為對砂性土為30min內不超過0.1mm；對粘性土為1h內不超過0.1mm。待沉降穩(wěn)定后，方可施加下一級荷載。循此加載觀測，直到樁達到破壞狀態(tài)，終止試驗。

破壞荷載的確定：當出現下列情況之一時，一般認為樁已達破壞狀態(tài)，所相應施加的荷載即為破壞荷載：（1）樁的沉降量突然增大，總沉量大于40mm，且本級荷載下的沉降量為前一級荷載下沉降量的5倍。（2）本級荷載下樁的沉降量為前一級荷載下沉降量的2倍，且24h樁的沉降未趨穩(wěn)定。確定單樁的豎向極限承載力：

(1)當曲線的陡降段明顯時，取相應陡降段的起點的荷載值；(2)當曲線是緩變型時，取樁頂總沉降量S＝40mm所對應的荷載值，當樁長大于40m時，可考慮樁身彈性壓縮，適當增加對應的S值；4．4．2觸探法觸探法確定單樁豎向承載力

4．4．3經驗統計法根據表4-2和4-3或者靜載荷試驗資料統計值獲得極限端阻力標準值和極限側阻力標準值，按下列公式計算：

4．4．3經驗統計法嵌巖樁的承載力

4.5樁的抗拔承載力與樁的負摩擦力1．單樁的抗拔承載力

破壞模式：單樁的拔出與群樁的整體拔出；確定方法：現場靜載荷試驗與經驗公式4．5．2樁土的負摩擦力1．負摩擦力的概念和形成

在樁頂壓力作用下，樁相對周圍土體向下運動，因而土對樁施加向上的摩擦力，這構成了承壓樁的承載力的一部分。這種摩擦力通常被稱為正摩擦力；或簡稱側摩阻力或側阻力。由于某些原因，使承壓樁本身向下的位移量小于周圍土體向下的位移量，從而使作用在樁上的摩擦力向下，這種摩擦力實際上成為作用在樁上的下拉荷載，被稱為負摩擦力。負摩擦力減少了樁的承載力，增加樁上荷載，并可能導致過量的沉降。產生負摩擦力的原因有多種，例如：(1)樁周地面上分布大面積的較大荷載，例如倉庫中大面積堆載；(2)樁身穿過欠固結軟粘土或新填土層，樁端支承于較堅硬的土層上，樁周土在自重作用下隨時間固結沉降；(3)由于地下水大面積下降使易壓縮土層有效應力增加而發(fā)生壓縮；(4)自重濕陷性黃土浸水下沉，凍土融陷；

(5)在靈敏性土內打樁引起樁周圍土的結構破壞而重塑和固結。2．負摩擦力的分布

樁身上負摩擦力的分布范圍視樁身與樁周土的相對位移情況而定。一般除了支承在基巖上的非長樁以外，都不是沿樁身全部分布著負摩擦力。ab線代表樁周土層的下沉量隨深度的分布對產生負摩擦力的樁，《樁基規(guī)范》給出的中性點深度與樁長的比值。3．負摩阻力的計算我國的《樁基規(guī)范》計算負摩擦力的標準值：4．6樁在水平荷載下的性狀及承載力確定

對于工業(yè)與民用建筑工程，大多數樁基以承受豎向壓荷載為主，但有時也要承受一定的水平荷載，如瞬時作用的風荷載、吊車制動荷載和地震荷載等。由于大多數情況下水平荷載不大，為了施工便利，往往采用豎直樁同時抵抗水平力。

4.6.1單樁水平承載力的影響因素

樁在水平荷載的作用下發(fā)生變位(水平位移和轉角)，會促使樁周土發(fā)生變形而產生抗力。當變形增大到樁所不能允許的程度，或者樁周土失去穩(wěn)定時，或者樁折斷就達到了樁的水平極限承載能力。單樁水平承載力，應滿足如下三個要求：(1)樁周土不會喪失穩(wěn)定。(2)樁身不會發(fā)生斷裂破壞。(3)建筑物不會因樁頂水平位移過大而影響其正常使用。確定單樁橫向容許承載力有水平靜載試驗和分析計算法兩種。4．6．2樁的水平靜載試驗

對于受水平荷載較大的重要建筑物，單樁水平承載力的特征值應通過單樁水平靜載荷試驗確定。首先，可在現場制作兩根相同的試樁，兩樁間水平放置加載用的千斤頂。每級荷載施加后，恒載4min測讀橫向位移，然后卸載至零，停2min測讀殘余橫向位移，至此完成一個加卸載循環(huán)。5次循環(huán)后，開始加下一級荷載。試驗不得中途停頓，直至樁身折斷或者水平位移超過30～40mm時，可終止試驗。加載方法試驗加載方法有兩種：單向多循環(huán)加卸載法或慢速連續(xù)法。一般采用前者，對于個別受長期橫向荷載的樁也可采用后者。

1）單向多循環(huán)加卸載法這種方法可模擬基礎承受反復水平荷載（風載、地震荷載、制動力和波浪沖擊力等循環(huán)性荷載）的情形。根據試驗數據可繪制荷載一時間一位移（H0-T-U0））曲線（圖4-17）。橫向極限荷載可取H0-T-U0曲線明顯陡降（即圖中位移包絡線下凹）的前一級荷載作為極限荷載。橫向極限荷載可取H0-T-U0曲線明顯陡降（即圖中位移包絡線下凹）的前一級荷載作為極限荷載。

荷載一時間一位移（H0-T-U0））曲線橫向臨界荷載系指樁身受拉區(qū)混凝土開裂退出工作前的荷載，會使樁的橫向位移增大。相應地可取H0-T-U0曲線出現突變點的前一級荷載為橫向臨界荷載或取荷載-位移梯度曲線第一直線段終點相對應的荷載為橫向臨界荷載，綜合考慮。荷載位移梯度（H0—）曲線

荷載位移（H0-U0）曲線對于鋼筋混凝土樁、配筋率不小于0.65%的灌注樁，也可取地面上水平位移為10mm或6mm所對應的荷載作為單樁水平承載力特征值。2）、慢速連續(xù)加載法此法類似于垂直靜載試驗

4.6.2彈性長樁在水平荷載作用下的理論分析

彈性長樁的水平變形與承載力通常按橫向彈性地基梁的方法進行分析。采用文克爾地基模型研究在橫向荷載和樁側土抗力共同作用下樁的撓度曲線，通過撓度曲線微分方程，可求出樁身各截面的彎矩、剪力和變形。（一）、土的水平彈性抗力及其分布規(guī)律

1．土對樁的水平彈性抗力px——水平土抗力（kN/m）；kh——地基土的水平抗力系數（kN/m3）x——樁的水平位移（m）。彈性地基上的梁，按文克爾假定：梁身任一點的土抗力和該點的位移成正比2．地基水平抗力系數

基本概念：地基水平抗力系數表示單位面積土在彈性限度內產生單位變形時所需要的力。3.隨深度的分布規(guī)律如下：

4.相應的基樁內力和位移計算方法為：1）“m”法：假定水平抗力系數隨深度呈線性增長，m稱為地基系數隨深度變化的比例系數或者水平抗力系數的比列系數（kN/m4）。2）“K”法：假定地基水平抗力系數隨深度呈折線變化即在樁身第一撓曲變形零點以上抗力系數隨深度呈凹形拋物線增加；該點以下，地基系數為常數（kN/m3）。3）“c”法：假定地基抗力系數隨深度呈拋物線增加。4）“常數”法，又稱“張有齡法”：假定地基水平抗力系數沿深度為均勻分布，不隨深度而變化。5.樁的計算寬度b0

樁在水平外力作用下，除了樁身寬度范圍內樁側土受擠壓外，在樁身寬度以外的一定范圍內的土體都受到一定程度的影響（空間受力），且對不同截面形狀的樁，土受到的影響范圍大小也不同。為了將空間受力簡化為平面受力，并綜合考慮樁的截面形狀及多排樁樁間的相互遮蔽作用，將樁的設計寬度（直徑）換算成相當實際工作條件下，矩形截面樁的寬度b0,b0稱為樁的計算寬度。樁基規(guī)范圓形樁：當直徑小于等于1m時，b0=0.9(1.5d+0.5);

當直徑大于1m時，b0=0.9(d+1);方形樁：當邊寬小于等于1m時b0=1.5b+0.5

當邊寬大于1m時b0=b+1

6.樁的撓曲微分方程7.剛性樁與彈性樁、彈性中長樁與彈性長樁彈性樁：當樁的入土深度時，樁的相對剛度小，必須考慮樁的實際剛度，按彈性樁來計算。其中稱為樁的變形系數，。一般情況下，橋梁樁基礎的樁和房屋基樁多屬彈性樁。

剛性樁：當樁的入土深度時，則樁的相對剛度較大，可按剛性樁計算（沉井基礎就可看作剛性樁。）彈性長樁：αh>4的樁橫向位移順x軸正方向為正值；轉角逆時針方向為正值；彎矩當左側纖維受拉時為正值；橫向力順x軸方向為正值.8.坐標系統及對力和位移的符號規(guī)定：9．彈性長樁撓度曲線微分方程的求解αL>4按上式可計算并繪出單樁的水平土抗力、內力和變形隨深度的分布。

10．樁頂的水平位移x0彈性長樁的樁頂水平位移：折算深度為0時的Ax和Bx值，代入水平位移公式得的位移Xz。對于彈性中長樁(2.5<αL<4)及剛性短樁(αL≤2.5)；可由表4-11根據αL及樁端支承條件查得樁頂處的位移系數Ax和Bx，代入下式，即可計算樁頂的水平位移。

11．樁身最大彎矩及其位置

為進行配筋計算，設計受水平荷載樁時需要確定樁身最大彎矩的大小及位置，當配筋率較小時，樁身能承受的最大彎矩決定了樁的水平承載力。

目的：用于檢驗樁的截面強度和配筋計算。

一般方法：要找出彎矩最大的截面所在的位置及相應的最大彎矩Mmax值。一般可將各深度Z處的Mz值求出后繪制Z－Mz圖，即可從圖中求得。

數解法：

在最大彎矩截面處，其剪力Q等于零，因此Qz=0處的截面即為最大彎矩所在的位置。查得,即可求得最大彎矩所在的位置4.7樁基的沉降計算《地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定，對于樁基，需要進行沉降驗算的有：地基基礎設計等級為甲級的建筑物樁基；體型復雜，荷載不均勻或樁端以下存在軟弱土層的、設計等級為乙級的建筑物樁基；摩擦型樁基(包括摩擦樁和端承摩擦樁)。4.7.1實體深基礎法

這類方法的本質是將樁端平面作為彈性體的表面，用布辛內斯克解計算樁端以下各點的附加應力，再用與淺基礎沉降計算一樣的單向壓縮分層總和法計算沉降。所謂假想實體深基礎，就是將在樁端以上的一定范圍的承臺、樁及樁周土當成一實體深基礎，也就是說不計從地面到樁端平面間的壓縮變形。這類方法適用于樁距s≤6d的情況。

這種計算的示意圖如圖所示。應力擴散法：擴散角取為樁所穿過各土層內摩擦角的加權平均值的1/4。在樁端平面處的附加應力p0可用下式計算：

在計算出樁端平面處的附加應力p。以后，則可按擴散以后的面積進行分層總和法沉降計算：

2．扣除樁群側壁摩阻力法

另一種假想實體深基礎沉降計算法為扣除樁群的側壁摩阻力。這時樁端平面的附加壓力p。通過下式計算：4．8樁基礎的設計

實際工程中的樁基礎，除了獨立柱基礎下大直徑樁有時采用一柱一樁外，一般都是由多根樁組成，上部用承臺連結。因而樁基礎的設計中要綜合考慮及驗算其承載力和變形。4.8.1群樁及群樁效應

由三根或三根以上的樁組成的樁基礎叫作群樁基礎。由于樁、樁間土和承臺三者之間的相互作用和共同工作，使群樁中的承載力和沉降性狀與單樁明顯的不同。群樁基礎受力(主要是豎向壓力)后，其總的承載力往往不等于各個單樁的承載力之和，這種現象稱為群樁效應。群樁效應不僅發(fā)生在豎向壓力作用下，在受到水平力時，前排樁對后排樁的水平承載力有屏蔽效應；在受拉拔力時，群樁可能發(fā)生的整體拔出都屬于群樁效應。端承樁群樁的沉降量與單樁基本相同，群樁的承載力就等于各單樁承載力之和。摩擦型樁通過樁側面的摩擦力將豎向力傳到樁周土，然后再傳到樁端土層上。一般認為樁側摩擦力在土中引起的豎向附加應力按某一角度沿樁長向下擴散到樁端平面上。當樁數少，并且樁距S0較大時。S0>6d，樁端平面處各樁傳來的附加壓力互不重疊或重疊不多，這時群樁中各樁的工作狀態(tài)類似于單樁。但當樁數較多，樁距較小時，常用的樁距S0=(3-4)d時，樁端處地基中各樁傳來的壓力就會相互疊加，使得樁端處壓力要比單樁時數值增大，荷載作用面積加寬，影響深度更深。一方面可能使樁端持力層總應力超過土層承載力，從而使群樁的承載力不等于各單樁承載力之和；另一方面由于附加應力數值加大，范圍加寬、加深，使得群樁基礎的沉降大大高于單樁的沉降，則可能由于沉降控制而明顯減小樁的承載力。承臺在群樁效應中也起重要的作用：

承臺與樁間土直接接觸，在豎向壓力作用下承臺會發(fā)生向下的位移，樁間土表面承壓，分擔了作用于樁上的荷載，有時承受的荷載高達總荷載的三分之一，甚至更高的比例。只有在如下幾種情況下，承臺與土面可能分開或者不能緊密接觸，導致分擔荷載的作用不存在或者不可靠，從而不能考慮承臺下樁間土的承載作用：(1)樁基礎承受經常出現的動力作用，如鐵路橋梁的樁基。(2)承臺下存在可能產生負摩擦力的土層，如濕陷性黃土、欠固結土、新近填土、高靈敏度粘土、可液化土。(3)在飽和軟粘土中沉入密集的群樁，引起超靜孔隙水壓力和土體隆起，隨后樁間土逐漸固結而下沉的情況。(4)樁周堆載或降水而可能使樁周地面與承臺脫開等。不過在設計中出于安全考慮，一般不計承臺下樁間土的承載作用。承臺對于各樁的摩阻力和端承力也有影響由于在承臺底部，土、樁、承臺三者有基本相同的位移，因而減少了樁與土間相對位移，使樁頂部位的樁側阻力不能充分發(fā)揮出來。承臺底面向地面施加的豎向附加應力，又使樁的側阻力和端阻力有所增加。群樁效應系數

4.8.2樁基礎的設計步驟

樁基礎的設計可按下述步驟進行。

1．調查研究，收集設計資料設計前詳細掌握建筑物場地的工程地質勘察資料十分重要。并且對于勘探孔的深度和間距有特殊的要求。

2．選定樁型、樁長和截面尺寸針對土層分布情況，考慮施工條件、設備和技術等因素，決定采用端承樁還是摩擦樁，擠土樁還是非擠土樁，最終可通過綜合經濟技術比較確定。由持力層的深度和荷載大小確定樁長、樁截面尺寸，同時進行初步設計與驗算。樁身進入持力層的深度應考慮地質條件，荷載和施工工藝，一般為1到3倍樁徑；對于嵌巖灌注樁，樁周嵌入的深度不宜小于0.5m。當持力層以下存在軟弱下臥層時，樁端以下硬持力層厚度不宜小于4d。3．確定單樁承載力的特征值，確定樁數并進行樁的布置確定單樁承載力的特征值。然后根據基礎的豎向荷載和承臺及其上自重確定樁數，當中心荷載作用時，樁數n為式中：Fk——作用于樁基承臺頂面的豎向力，kN；Gk——承臺及其上土自重的標準值，kN；Rａ——單樁豎向承載力特征值，kN；n——初估樁數，取整數。布置樁并初步確定承臺的形狀和尺寸。

(1)樁距：摩擦型樁中心距一般不小于3d；擴底灌注樁的中心距不小于擴底直徑的1.5倍；當擴底直徑大于2m時，樁端擴底凈距不小于1m，擴底直徑不大于3d。(2)群樁的承載力合力作用點應與長期荷載的重心重合，以便使各樁均勻受力；對于荷載重心位置變化的建筑物，應使群樁承載力合力作用點位于變化幅度之中。(3)對于樁箱基礎，宜將樁布置于墻下；對于帶肋的樁筏基礎，宜將樁布置在肋下；同一結構單元，避免使用不同類型的樁。4．樁基礎的驗算

在完成布樁之后，根據初步設計進行樁基礎的驗算。驗算的內容包括：樁基中單樁承載力的驗算及摩擦群樁承載力驗算；樁基的沉降驗算；

5．承臺和樁身的設計、計算

內容：承臺的平面尺寸、厚度和構造的設計，應滿足抗沖切、抗彎、抗剪、抗裂等要求。而對于鋼筋混凝土樁，要對于樁的配筋、構造和預制樁吊運中的內力、沉樁中的接頭進行設計計算。對于豎向受壓荷載的樁，一般按構造設計或采用定型產品。

4.8.3群樁基礎中單樁承載力的驗算及摩擦群樁承載力驗算。在荷載作用下剛性承臺下的群樁基礎中各樁所分擔的力一般是不均勻的，往往處于很復雜的狀態(tài)，受許多因素的影響。

當作用于樁基上的外力主要為水平力時，應對樁基的水平承載力進行驗算。在由相同截面樁組成的樁基礎中，可假設各樁所受的橫向力

相同，即樁的承載力主要取決于地基巖土對樁的支承能力，所以樁的承載力按土的支承力確定。荷載采用標準組合。一般而言，樁的承載力主要取決于地基巖土對樁的支承能力，但是對于端承樁，超長樁或者樁身質量有缺陷的情況，可能由樁身混凝土強度控制。與材料強度有關的設計，當樁頂以下5d范圍內箍筋間距大于100mm時應滿足：當樁頂以下5d范圍內箍筋間距不大于100mm時應滿足：注意：此驗算應用荷載的基本組合，與上面用土的支承力確定的樁承載力驗算用的是標準組合不一樣。對于豎向受壓摩擦群樁，還要控制樁端地基土的承載力，要求：樁端應力小于等于地基承載力特征值。樁底持力層承載力驗算摩擦群樁應力分布

摩擦型群樁基礎當樁間中心距小于6倍樁徑時，將樁基礎視為相當于cdef范圍內的實體基礎，認為樁側外力以φ/4角向下擴散，驗算樁底平面處土層的承載力：

4.8.4承臺的設計計算1．承臺的構造基本要求

承臺可分為柱下或墻下獨立承臺、柱下或墻下條形承臺梁、樁筏基礎和樁箱基礎的筏板承臺及箱形承臺等。柱下獨立承臺柱下獨立承臺筏板承臺對于條形承臺梁，樁的外緣距承臺梁邊緣距離不小于75mm。

承臺的尺寸與樁數和樁距有關。其尺寸主要滿足抗彎、抗沖切、抗剪的要求。按照基本要求，承臺的厚度不小于300mm，寬度不小于500mm。承臺邊緣距邊樁的中心距離不小于樁的直徑或樁的邊長；且樁的外緣與承臺邊緣間距離不小于150mm；為了保證樁群與承臺連接的整體性，樁頂嵌入承臺的長度不宜小于50mm。樁主筋插入承臺的錨固長度對于HPB235級鋼筋不小于30倍鋼筋直徑；對于HRB335和HRB400級鋼筋不小于35倍鋼筋直徑。對于大直徑灌注樁，采用一柱一樁時，可設置承臺或者將樁和柱直接連接起來。承臺混凝土強度等級不低于C20?？v向鋼筋的混凝土保護層厚度不小于70mm；當設置混凝土墊層時，保護層不小于40mm。矩形承臺的鋼筋雙向均勻通長布置；三樁承臺的鋼筋按三向板帶均勻布置，最里邊的三根鋼筋圍成的三角形應在樁的截面范圍之內，見圖4—25所示。除滿足設計計算的要求外，一般配筋尚需滿足《混凝土設計規(guī)范》所規(guī)定的最小配筋率要求，并且主筋直徑不小于12mm，架立筋不小于10mm，箍筋不小于6mm。有抗震要求的柱下單樁和兩樁獨立承臺常常用聯系梁連接。承臺的埋置深度一般不是由承臺底土

層的承載力決定，主要考慮建筑物結構設計和環(huán)境條件。在滿足這些條件下可盡量淺埋。對于有抗震要求的樁基，為增加抗水平力可加大承臺埋置深度。承臺位于較好土層上可發(fā)揮承臺、樁、土的共同作用，增加群樁基礎承載力、減少沉降。承臺周圍回填土應采用素土、灰土、級配砂土等分層夯實，或者在原坑澆筑混凝土承臺。

2．承臺的抗彎計算

如果承臺厚度較小，配筋量不足，承臺在柱傳下的力作用下，可能發(fā)生彎曲破壞。試驗和工程實踐表明，柱下的獨立樁基承臺呈梁式破壞，即撓曲裂縫在平行于柱邊的兩個方向出現，最大彎矩產生于柱邊處。

1)多樁矩形承臺

對于多樁矩形承臺，計算截面取在柱邊和承臺截面變化處，彎矩計算公式為(見圖4-27)2)等邊三角形三樁承臺應以受力最大的樁計算設計彎矩。

3)等腰三角形三樁承臺3．柱下樁基獨立承臺的沖切計算

板式承臺的厚度往往由沖切驗算決定。承臺的沖切破壞主要有兩種形式：由柱邊緣或承臺變階處沿≥45°斜面拉裂形成沖切錐體破壞；或者是角樁頂部對于承臺邊緣形成≥45°的向上沖切半錐體破壞，如圖4-28所示。

1)柱對承臺的沖切

柱對承臺的沖切有兩種可能破壞形式，即沿柱邊緣或者沿承臺變階處沖切破壞。由于柱的沖切力要扣除破壞錐體底面下各樁的凈反力，當擴散角度等于45°時，可能覆蓋更多的樁，所以沖切力反而減少，因而不一定最危險。最危險沖切錐為錐體與承臺底面夾角≥45°情況，并且此錐體不同方向的傾角可能不等，這時可按下式進行沖切計算：

2)角樁對承臺的沖切計算

由于假設相同的樁型在承臺下按照線性規(guī)律分擔總的豎向力。在偏心荷載下，某一角樁會承受最大豎向力。另一方面角樁向上沖切時，抗沖切的錐面只有一半，亦即對于四棱臺只有兩個抗沖切面。角樁的沖切是最危險的。承臺為錐形承臺為臺階形(2)三樁三角形承臺角樁的沖切計算

4．柱下樁基獨立承臺的受剪計算剪切面為柱(墻)邊與樁內邊緣連線形成的斜截面。當柱(墻)邊有多排樁形成多個斜截面時，也應對每個斜截面進行驗算。5．樁身結構設計選擇預制樁時，一般要按施工條件加以驗算。對于混凝土現場灌注樁一般只按使用階段進行結構強度計算。對于承受較大水平荷載作用和彎矩較大的樁以及抗拔樁應進行計算確定配筋。4.9樁基技術和理論的新發(fā)展

4．9．1樁的形式和規(guī)模

為了充分發(fā)揮地基的承載力，人們對樁進行了擴底和擴徑。擴底的施工方法有鉆擴、爆擴、夯擴、振擴、擠擴、挖擴等多種，采用擴底樁可大大提高單樁承載力。夯擴樁為我國近年來涌現的新樁型。它是采用細長錘夯擊成孔，將護筒沉到設計標高后，分批向孔內投放廢磚石及干硬性混凝土，反復擊實，擠密樁底土體，在樁端形成復合載體。

DX多節(jié)擠擴灌注樁是一種局部擴徑的樁型，在鉆孔后向孔內放入專用液壓擠擴設備，根據土層情況在不同部位擠壓出分岔或者圓錐盤式擴大腔體，澆筑混凝土后成為支盤和支叉，可明顯提高單樁承載力。

4.9.2樁的施工

為消除和減輕對于環(huán)境的不利影響，在城區(qū)軟土地區(qū)采用靜壓樁受到歡迎，采用此法施工的樁長已達70m以上。為了消除泥漿護壁鉆孔中循環(huán)泥漿對環(huán)境的污染，國內外常采用套管鉆進法或者用穩(wěn)定液代替泥漿護壁的無套管鉆進法施工。拔出套管

4.9.3單樁承載力的測定和樁的檢測單樁豎向靜載試驗法，是一種費錢、費工、費時的試驗方法，不可能在工程中大量應用，更不可能用以檢測每根樁的質量和承載力。

1．用動測法代替靜壓法

近二三十年來用動力法檢測樁的質量和確定樁的承載力發(fā)展很快，其法是在樁頂施加動態(tài)力(動荷載)，量測在樁頭位移、速度或加速度等動力響應信號，從而對樁土的性狀作出分析。根據能否使樁土間產生塑性位移，可把動測樁分為低應變法和高應變法。低應變法中，作用在樁上的動荷載遠小于樁的使用荷載，不能將樁打動，常用來檢測樁的完整性，直接用以確定樁的承載力則尚有爭議。高應變法是指動荷載能使樁土間產生較大動位移，距樁頂一定距離的樁兩側對稱安裝力傳感器和加速度傳感器，測量力和采集樁土系統響應信號，通過不同的數學模型分析樁身結構的完整性和單樁的承載力。4.9.4樁基的設計

1．復合樁基群樁基礎實際上是樁、土和承臺三者的共同作用問題。承臺貼地，常常承擔相當部分的荷載，這種考慮承臺底樁間土抗力的樁基也叫做復合樁基，其中的單樁叫做復合基樁。2．減沉樁基(疏樁基礎)

在天然地基的承載力滿足建筑物的要求時，而沉降過大。當采用擴大基礎尺寸或進行地基處理來減小沉降耗費資金較多，這時做成樁基，這種以控制沉降為目的，直接用沉降量指標來確定樁數量的樁基，此樁基稱為疏樁基礎。疏樁基礎樁距較大，一般為Sｓ＝(4—6)d，甚至更大。減沉樁基中的樁應為摩擦樁，但樁端也應進入較好土層，以防沉降過大，達不到預期的控制沉降的效果。減沉樁在承臺產生一定沉降時，樁可充分發(fā)揮其承載力并允許進入極限承載狀態(tài)，同時承臺也類似淺基礎或復合地基，很大部分的荷載加在樁間土上，是一種承臺作用發(fā)揮較大的復合樁基。4.10墩

基

礎

墩基礎是一種常用的深基礎。從外形和工作機理上墩(pier)與樁(pile)很難嚴格區(qū)分。但墩與樁還是有區(qū)別的。墩的斷面尺寸較大，相對墩身較短，體積巨大。這樣墩身一般不能預制，也不能打入、壓入地基，只能是現場灌注或砌筑而成。一般認為墩的直徑大于0.8m；墩身長度為6～20m；長徑比不大于30。墩與樁之間的主要區(qū)別在于：(1)與樁相比，墩的斷面尺寸較大，長細比較小，亦即短而粗；(2)墩不能用打入和壓入地基的方法施工；(3)墩常常單獨承擔荷載，且承載力比單樁高。

與淺基礎相比，墩的埋深不小于4倍斷面尺度；墩的側壁摩阻力往往是承載力的重要部分?！岸铡边@個詞還有另外一層含意，那就是指某些建筑物的基礎與上部結構之間的部分。應用

為獲得較大的墩的端承力，墩基礎一般支承在較堅硬的土層或巖層上，尤其是擴底的情況下。墩基礎廣泛地應用于橋梁、海洋鉆井平臺和港口碼頭等近海建筑物中。在我國西南山區(qū)，常常用直徑(或邊長)達幾米的大尺寸墩治理滑坡，抵抗滑動力。

4.10.2墩的分類1．按墩的承載性狀分類抗壓墩抗滑墩抗拔墩：錨錠結構的基礎時，一般采用擴底的形式以提供更大的抗拔力。

2．按施工方法分類

按施工方法可從成孔、護壁和澆(砌)筑三個方面考慮。1)成孔方法

墩按成孔方法分為三類：挖孔墩、鉆孔墩和沖孔墩。2)護壁方式

墩的成孔與澆筑可以有護壁，也可無護壁。3)澆(砌)筑方式

墩一般是混凝土澆筑而成的，可以是水下澆筑或干作業(yè)澆筑。在山區(qū)，也可用漿砌石、磚砌筑墩基礎。3．按墩的形狀分類

墩的橫斷面一般為圓形，但也有方形和矩形等情況。墩的軸向截面形式

4.10.3墩基礎的設計由于墩和樁的工作機理相似，所以許多樁基的設計方法也適用于墩基。在許多情況下是單墩工作或者少數墩共同工作，這與群樁基礎不同；墩基承重的復雜性和設計計算方法不完善。1)用現場載荷試驗確定墩的承載力2)經驗公式法

與樁的承載力一樣，在初步設計階段估算墩承載力特征值時，可以使用類似于式(4-7)的公式計算：1．墩的豎向抗壓承載力墩的水平承載力比一般單樁的水平承載力高得多。在抵抗地震力、波浪力、動力機器振動力及船舶撞擊力等水平荷載時，墩是十分有效的基礎形式。3．墩的沉降估算

墩的沉降一般由三部分組成：式中：S——墩頂沉降量，m；Sp——墩身軸向壓縮量，m；sb——墩底土層壓縮變形，m；

Ｓｓ——墩端以下沉渣壓縮變形，m。4.10.4承臺

由于墩多數為單獨承載或少數墩共同工作，所以承臺的設計相對簡單。和樁一樣要求墩頂嵌入承臺及主筋伸入承臺。對于一柱一墩情況，柱下單墩宜在墩頂的兩個相互垂直的方向設置聯系梁。當墩與柱的截面積尺寸之比大于2，且柱底的剪力和彎矩較小時，也可不設聯系梁。柱樁基礎4.11沉井基礎

沉井是以現場澆筑、挖土下沉方式進入地基中的深基礎。一般為鋼筋混凝土制成，很少情況也可使用磚石、鋼筒等。

江陰長江大橋(1999年)北錨沉井工程是整個大橋工程中的重中之重。沉井平面長69