钢筋混凝土桩基础设计在某工程中的应用
2015-10-19钱玲玲
钱玲玲
（甘肃工业职业技术学院，甘肃天水741025）
钢筋混凝土桩基础设计在某工程中的应用
钱玲玲
（甘肃工业职业技术学院，甘肃天水741025）
桩基础作为一种深基础，在建筑工程中，应用较为广泛。桩基础类型的选择及设计多受上部结构类型、荷载要求、地质条件及施工能力等诸多因素的影响。本文以某工程桩基础设计为例，系统的介绍钢筋混凝土桩基础设计的实施程序，依据桩基础设计规范，结合工程特点，按照设计要求，通过分析基础资料确定桩的类型、桩的规格，估算桩的数量，确定桩的平面布置，验算桩的承载力，结果表明设计均满足要求。
桩基础；设计；承载力；验算
0 引言
在建筑工程中，桩基础是最常用的基础形式，是一种由承台梁或者承台板把沉入土中的数根桩联结起来的深基础，其作用是承受上部建筑物传来的荷载，再通过桩身或桩尖传到深处承载力较大的土层上。其中，有一种桩的作用是处理软弱地基，提高地基土的承载力。
桩基础的选择、布置既要符合建设单位的主观意图，又要根据建筑物所在位置的客观地质条件，还要遵从建设的基本程序。桩基设计不仅要根据材料力学，考虑桩的尺寸、布筋、强度、刚度，而且要从地基承载力、地下水、施工条件等方面进行综合考虑和选择。随着现代建筑业的飞速发展和科学技术的进步，桩基础已从木桩逐渐发展为钢筋混凝土桩和钢桩，以某工程桩基础设计为例，介绍钢筋混凝土桩基础的设计[1-3]。
1 工程概况
某建筑工程设计一个桩基础，根据设计要求，柱基顶面荷载N为2150kN，弯矩M为380kN·m，水平荷载H为50kN，桩承台地面埋深D为2m。
通过勘察，该建筑工程的拟建场地为冲积地形地貌，地形高差较小，场地及附近无地表水，地下水位深约2m，场区位于浅层稳定地块构造之上，地质构造条件简单，拟建场地未见有明显的新活动构造通过；地形地貌中未见不良地质现象。通过勘察，基底覆盖层中未发现软弱地层、土洞、溶洞等基础不良地质现象。无滑坡、崩塌等地质灾害。经施工钻探，在钻探控制范围及深度内，场地工程地质条件相对简单，场地地层岩性自上而下分别为：①杂填土（Q4al+pl）厚2.0m。②黏土（Q4al+pl）厚8.5m。③粉质黏土（Q3al+pl）厚4.0m。岩土层分布及物理力学性质见表1。
表1 拟建场地岩土层分布及物理力学性质
2 桩基础设计步骤
2.1选择桩的类型
一般根据上部结构类型、荷载要求、地质条件及施工能力，确定大致的桩型以及选择桩的材料和施工方法，根据地质资料，可确定工程的桩尖持力层为粉质黏土，适宜采用预制钢筋混凝土方桩。
2.2确定桩的规格
主要包括桩的长度和桩的截面面积，桩的长度，一般选择较坚实土层作为桩端持力层。桩端全段面进持力层的深度：黏土层、粉土≥2d；砂土≥1.5d；碎石土≥1d。桩顶嵌入承台，以此确定桩长。根据资料可确定桩尖进入持力层1.5m，桩长10m。根据桩顶荷载大小与当地施工机具及建筑经验确定桩的横截面面积，断面尺寸为30cm× 30cm，桩身材料用C30和I级钢筋4×16。
按静力公式计算，由式一确定单桩轴向容许承载力。
式中[Pp]——单桩轴向容许承载力，kN；
PR——桩尖端承力，kN；Pf——桩侧摩擦力，kN；
Fs——安全系数，一般采用2.0；
U——桩身截面周长，m；
fi——i层土堆桩身表面的极限摩擦力，kPa，可查表确定；
li——桩在层土中的长度，m；
R——桩尖持力层的极限端承力，kPa，可查表确定；
A——桩的截面积，m2。桩侧极限摩擦力f，根据黏土lL=1，桩的入土深度12m，经过查表，确定f=29kPa，粉质黏土lL=0.6，确定f=39kPa。
桩尖极限摩擦力f，根据黏土lL=0.6，桩的入土深度12m，可最终确定R=821kPa，安全系数取2，最终确定单桩轴向容许承载力为220kN。
2.3估算桩的数量
主要由承台处于轴心或偏心受压确定，当承台处于轴心受压作用下时[2-4]：
当承台处于偏心受压作用下时：
式中F——作用于桩基承台顶面的竖向力；
G——承台及承台上土自重标准值；
R——单桩竖向承载力标准值；
μ——系数，取1.1～1.2；
n——预估桩数。
桩的数量估算之后，据上部结构的特点与荷载性质，进行桩的平面布置，在进行桩的布置考虑时，对于桩的中心距通常桩的中心距宜取（3～4）d（桩径）。若桩的中心距过小，桩施工时互相挤土影响桩的质量；反之，桩的中心距过大，则桩承台尺寸太大，不经济[4-5]。
在工程中假设承台平面尺寸为2m×3m，则承台及其上土重G=2×3×2×20=240kN。
桩距S=（3-4）×0.3=0.9-1.2m，取S=1m。
根据桩的平面布置，承台平面尺寸修改为2.6m×3.6m。
2.4桩的平面布置
依据桩的布置原则，尽量使桩群承载力合力点与长期荷载重心重合；并使桩基受水平力和力矩较大方向及承台的长边，有较大的截面模量；桩离桩承台边缘的净矩应不小于0.5d；同一结构单元，宜避免用不同类型的桩；桩的平面布置形式：一般采用矩形网格状、梅花形（三角形）网格状，不等距的排列方式，根据工程的特点，可采用矩形网格状。
2.5验算桩的承载力
当桩端支撑在低压缩性土层时，应对软弱下卧层强度进行验算，单桩承载力验算，在轴心竖向力作用下采用式三确定：
在偏心竖向力作用下，除满足N≤R，还应满足下式要求：
确定桩的规格与单桩竖向承载力计算桩的数量、进行平面布置和桩基础验算。
式中Nmax——基桩或复合基桩最大竖向力设计值；
R——基桩或复合基桩竖向承载力设计值。
桩基一般只按承载力进行计算，但桩端持力层为软弱土，或建筑物重要性大，对桩基沉降的要求高时，尚应对桩基进行变形验算。
桩基变形计算过去多假定由承台、桩、桩间土构成的实体基础，以分层总和法计算，称为等代墩基法。其土中应力计算采用Boussinesq解。由于桩伸入土层中，故不符合Boussinesq解，近年来的工程实践证明，应用Midlin解计算桩基沉降更符合实际。
在工程中，对单桩的受力验算如下：
群桩的验算如下：
1）计算群桩实体基础底面尺寸。
2）实体基础底面处的容许承载力。
桩尖平面以上土的加权平均容重为9.97kN/m2，可确定实体基础底面处土的容许承载力采用如下公式计算：
3）桩尖平面处地基承载力验算如下。
群桩实体基础自重G为2902.2kN，当中心受压时，P为247kPa<[P]，当偏心受压时，Pmax为 273.4kPa<1.2[P]，满足设计要求。
2.6桩承台设计
桩承台的作用是把多根桩联结成整体，共同承受上部荷载。把上部结构荷载通过桩承台传递到各根桩的顶部；桩承台为现浇钢筋混凝土结构，相当于一个浅基础。因此，桩承台本身具有类似于浅基础的承载能力，即桩承台效应。
承台的材料一般采用钢筋混凝土材料，采用现场现浇施工；平面尺寸取决于桩的平面布置，承台的厚度可以确保桩头的嵌入并能防止冲切破坏，承台的混凝土强度等级不低于C15；承台配筋按计算确定；钢筋保护层厚度不宜小于50mm。
3 结语
该工程的桩基础设计，依据桩基础设计规范[3-4]，结合设计要求，通过分析基础资料确定桩的类型、桩的规格，估算桩的数量，桩的平面布置，验算桩的承载力，结果表明设计均满足要求。
[1]陈希哲.土力学地基基础[M].北京：清华大学出版社，2004.
[2]林宗元.岩土工程勘察设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1996.
[3]GB50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].
[4]JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].
[5]叶见曙.结构设计原理[M]：北京：人民交通出版社，2005.
TU973+.351
A
1673-1093（2015）12-0091-03
10.3969/j.issn.1673-1093.2015.12.022
钱玲玲（1983），女，云南曲靖人，讲师，从事工程地质、岩土工程等专业的教学与研究工作。
2015-07-20；
2015-08-10
