基础工程课程设计
班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师：
2012年 1月
设计资料
某场地地质资料如下图所示，拟建一座二级工业厂房，根据地质情况采用桩基础，要求承台埋深不小于1.5m，柱传至设计地面处荷载设计值F=3400KN，M=500KN.m，V=100KN,钢筋混凝土柱截面尺寸为400×400mm2。
邻近现场曾进行三根打入式预制桩（300×300mm2）的荷载试验，分别测得竖向极限荷载值为560KN,484KN,456KN。
0.00
F
2500
V M
Ⅰ
γ=17KN/m 3 ,φ=12°
杂填土
淤泥质粘土
Ⅱ Ⅲ
4600
φ=7° γ ' =9KN/m 3,
粘土
φ=16°,I >1 γ ' =10KN/m 3,
L
2200
粉质粘土
3 ,e=0.80,I L =0.25,
Ⅳ γ '=11KN/m , φ=22°
E S =12000KPa,
5000
粉质粘土
2400
Ⅴ Ⅵ
I =0.8,E S =4000 KPa γ '=11KN/m 3,L
砂砾石层（未见底）
设计内容
根据场地资料，可先确定桩的某些参数：承台埋深为2m，初步选定承台厚度为1m（满足承台要求最小厚度不小于300mm），选定IV层粉质粘土层为持力层，桩深入持力层1.7m（满足桩端全截面进入持力层的深度不小2d=600mm，桩端以下硬持力层厚度不小于4d=1200mm），则桩的长度l=9.07m。 一、
桩的类型及几何尺寸
根据场地资料初步可选用预制桩或灌注桩。
（1） 预制桩的优点：
1、 桩身的质量易于保证和检验。
2、 桩的单位面积承载力较高。预制桩属于挤土桩，打入地层时使松软
的地层挤密，从而使地基土承载力较打桩前有所提高。 3、 桩身混凝土的密度大，抗腐蚀性能强。 4、 易于在水上施工。
5、 单桩成桩周期短，施工工效高。打入桩的施工工序较灌注桩的简单得
多，工效也高。 预制桩的缺点：
1、 单价较灌注桩高。预制桩的配筋常常受搬运、起吊和锤击时的应力控
制，这些荷载一般情况下远超过正常工作荷载，因此，预制桩的用钢量较大。如果要接长时，接头又增加了钢的用量，因而成本提高。 2、 预制桩一般用锤击或振动法下沉，施工噪音大，污染环境，不宜在城
市使用。
3、 预制桩是挤土桩，群桩施工时将引起周围地面的隆起。桩间距设计不
当时，锤击下沉桩的过程中，可能使相邻已就位的桩上浮。 4、 受起吊设备能力的，单节预制桩的长度不能过长，一般为十余米，
难免进行接桩。
5、 不宜穿过较厚的坚硬地层。
6、 打入后桩长超过要求时，需截桩，施工较困难。 （2） 灌注桩的优点：
1、 适用地层范围较广。
2、 桩长可随持力层起伏而改变，不需截桩，没有接头。
3、 仅承受轴向压力时，不用配置钢筋。配筋按工作荷载要求布置，不用
接头，节约了钢的用量。
4、 桩径可以较大，单桩的承载能力可以很大。可减弱或消除群桩效应。 5、 一般情况下比预制桩经济。 灌注桩缺点：
1、 桩的质量不易控制和保证。容易在灌注混凝土过程中出现断桩、缩径、
露筋和夹泥层等现象。
2、 桩身直径变化较大，孔底沉积物不易清除干净，因而单桩的承载能力
变化较大。
3、 大直径灌注桩做压载实验的费用昂贵。 4、 一般情况下，不宜用于水下基桩。
分析：从场地条件可知桩基穿过了淤泥质黏土层，在钻孔时易出现紧缩，所以用灌注桩则要用水泥浆护壁钻孔，从而施工太繁杂，则确定选用预制桩。预制桩的长度为9.07m，截面尺寸为300mm×300mm。 二、
确定单桩竖向承载力设计值
单桩竖向承载力设计值可根据载荷试验或规范经验公式确定。 （1） 载荷试验确定
邻近现场曾进行三根打入式预制桩（300mm×300mm）的载荷试验，分别测得竖向极限荷载为560KN，484KN，456KN。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）：当满足其极差不超过其平均值的30%时，可取平均值为单桩竖向极限承载力。 F1=560KN F2=484KN F3=456KN
F平均=500 极差X=（F1-F3）/F平均=22.8%<30% 则单桩竖向承载力特征值Ra=500／2=250KN。 （2） 规范公式确定
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），单桩竖向极限承载力可按下式计算：
Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk×Ap
u－桩身周长；
qsik－桩侧第i层土的极限侧阻力标准值； qpk－极限端阻力标准值； Ap－端桩面积；
li－桩穿越第i层土的厚度。
∵桩的尺寸为300mm×300mm
则u=300×4=1.2m Ap=300×300=0.09m2 ∵持力层为粉质粘土 Il=0.25 混凝土预制桩桩长为9m 则查《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）.表5.3.5—2: 当0＜ Il≤0.25, l≤9时，2500≤qpk≤3800 用内插法求得：qpk=3800 kpa
查《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）.表5.3.5—1： 杂填土： qsik=26kpa li=0.5m 淤泥质粘土： qsik=26kpa li=4.6m 粘土（Il>1）： qsik=32kpa li=2.2m 粉质粘土（Il=0.25）： qsik=92 kpa li=1.7m 则Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk×Ap
=1.2×(0.5×26+26×4.6+32×2.2+92×3.2)+3150×0.09=715 kN 根据规范可知：
单桩竖向承载力特征值Ra=Quk／K K—安全系数，取K=2 则Ra=715/2=358 kN 附表：
三、
确定桩的数量、间距及布置方式
（1） 桩数的初步确定：
对于偏心受压的桩基，一般情况下，桩基中各桩受力不均等，故桩数较
中心受荷时要适当增加，可按下式估算： n≥ξ(F+G)/R
n—所估算的桩的根数；
F—作用在承台上的轴向压力设计值； G—承台及其上方的填土重；
ξ—增大系数，可取1.2。
∵对桩数经行初步估算时，当桩基为轴向受压时，按n≥(F+G)/R确定：
n≥(F+G)/R =4210/358=11.8
因为没有计算G的大小则可以将n的值取大，所以取n=16 （2） 桩距的确定：
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），查表3.3.3-1
则桩距选用4d=1.2m （3） 桩的平面布置：
根据桩数可选定桩的布置方式为行列式布置方式，因为桩数为16，则选择4×4的矩形布置。
则桩的外边缘至承台边缘的距离取300mm，满足规范规定，所以承台的尺寸为4500mm×4500mm。 重新验算桩的数量：
16≥1.2×(3400+4.5×4.5×20×2)/358=14.11根 则桩的数量满足要求。 四、 验算桩的承载力及沉降
轴心荷载下的竖向力： Qk=(Fk+Gk)/n 偏心荷载下的竖向力：Qik=(Fy+Gk)/n±Mxkyi/∑yi
2
±Mykxi/∑xi
2
Fk—相应于荷载效应标准组合时，作用于桩基承台顶面的竖向力； Gk—桩基承台自重及承台上土自重标准值；
Qk—相应于荷载效应标准组合竖向力作用下任一单桩的竖向力； n—桩基中的桩数；
Qik—相应于荷载效应标准组合偏心竖向力作用下第i根桩的竖向力；
Mxk、Myk—相应于荷载效应标准组合作用于承台地面通过桩群形心的x、
y轴的力矩；
xi、yi—桩i至桩群形心的y、x轴线的距离。
（1） 基桩的承载力验算
1、在轴心竖向力作用下应满足： Qk≤Ra
Qk=(Fk+Gk)/n=(3400+4.5×20×2)/16=263KN
2
∵Ra=358KN> Qk=263KN 则轴心竖向力满足。
2、当验算偏心竖向作用下应满足： Qik max≤1.2Ra
可取最不利荷载进行验算，则离承台中心最远的桩为最不利位置，所以 yi max=xi max=1.8m, Mxk=Myk=500+100×2=700KN·m 所以：Qik max≤1.2Ra
Qik max=(Fy+Gk)/n±Mxkyi/∑yi±Mykxi/∑xi =(4400+3.85×20×2.5)/16+2×700×1.8/14.4=351KN
2
22
Qik max=351KN≤1.2×358=429.6KN
则基桩的承载力满足要求。 （2） 软弱下卧层承载力验算
持力层下有一层软弱下卧层，为了防止软弱下卧层由于承载承载力不足发生冲剪破坏引起桩基础破坏，故对其进行承载力验算。对于桩距不超过6d的群桩基础，桩端持力层下存在承载力低于桩端承载力1/3的软弱下卧层时，可按下列公式进行验算软弱下卧层的承载力：
σz+Υzz≤faz
σz=[Υ0(Fk+Gk)-3/2(A0+B0) ×∑qsikli]/[(A0+2t·tgθ) × (B0+2t·tgθ)]
Υ0—结构重要系数；
F—作用于承台顶面的竖向力设计值； G—承台及以上土重设计值；
A0、B0—桩群外围桩边包络线内矩形底面的长、短边长； θ—桩端持力层压力扩散角； t—桩端平面至软弱层顶面的距离。 桩端硬持力层压力扩散角θ查表：
E1/E2 1 3 5 10 T=0.25B0 40 60 100 200 T≥0.50B0 120 230 250 300 ∵A0=B0=3.9m t=3.3m ≥0.50B0=1.95m E1/E2=3 则查表可得: θ=230
∴σz=[4210-1.5×7.8×359.4]/(3.9+2×3.3×tg 23)=0.112
02
Υz=(9×4.6+10×2.2+11×5+17×2.5)/(4.6+2.2+5+2.5)=11.25KN/m3
Υzz=11.25×12.3=138.37kpa ∵Il=0.8 所以查表可得faz=196kpa σz+Υzz=138.48kpa≤faz=196kpa 所以下卧层的承载力满足要求。
（3） 沉降验算
P0=(F+G)/(A×B)- Υm×d
Ψ—桩基沉降计算的经验系数； Ψe—桩基的等效沉降系数;
nb—矩形布桩时的短边布桩数;
Lc、Bc、n—分别为矩形承台的长、宽、总桩数。
因为桩端以下只有两层土，故可将沉降计算的土层分为两层： 第一层厚度1.8m Es=12000kpa 第二层厚度2.4m Es=4000kpa 则 Z1=3.3m Z2=5.7m P0=(F+G)/(A×B)-rmZ=173.9kpa
矩形荷载角点下的竖向附加应力系数αc z/b 0 0.73 1.267
S′=（4×173.9×3.3×0.2373）/12000 =45mm
S′=4×173.9×(5.7×0.2113-3.3×0.2373)/4000 =73mm ∑S′=118mm
∵Sa/d=0.886×Ac½ /(n½×d)=3.323 l/d=30 Lc/Bc=1 ∴查表可得： C0=0.055 C1=1.521 C2=8.127
l/b=1 0.25 0.2373 0.2113 nb=(16×1)1/2=4 Ψe=0.055+3/(1.521`×3+8.127)=0.291
则 Ψ=1.2 Ψe=0.291
∴S= S′×Ψ×Ψe=1.2×0.291×118=41.26mm＜120mm 所以沉降满足要求。
五、 桩身结构设计
预制桩的混凝土强度不应低于C30，打入式预制桩的最小配筋率不宜小于0.8%，预制桩的主筋直径不宜小于φ14，打入桩桩顶2-3d长度范围箍筋应加密，并设置钢筋网片，纵向钢筋最小保护层厚度不宜小于30mm。取钢筋混凝土的保护层厚度为35mm。
（1） 桩身混凝土强度验算
桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求：
Q≤ApfcΨc
Ap—桩身的截面积； fc—混凝土的抗压强度设计值；
Ψc—工作条件系数，预制桩取0.75。
取混凝土强度为C40，fc=19.1N/mm
c
2
，动系数k取1.5
ApfcΨ=0.09×0.75×19100=12KN＞358KN
（2） 吊运验算
钢筋选择HRB335，则fy=300N/mm2,混凝土的容重为25KN/m3 G=ΥA=2.25KN/m
两点起吊：
M1=M2=0.0214Kql=0.0214×1.5×2.25×9.07=5.94KN·m h0=0.3-0.035×2=0.23m
2
2
αs=M/(fbh)=5.94×10/(19.1×300×230)=0.0196
6
2
c
0
ξ=1-（1-2αs）½=0.0198＜0.55
As=(ξ·fc·b·h0)/ fy=(0.0196×19.1×300×230)/300=87 mm2<720mm2 一点起吊：
M1=M2=0.0429Kql=0.0429×1.5×2.25×9.07=11.91KN·m h0=0.3-0.035×2=0.23m
2
2
αs=M/(fcbh0)=11.91×10/(19.1×300×230)=0.0393
6
2
ξ=1-（1-2αs）½=0.0401＜0.55
As=(ξ·fc·b·h0)/ fy=(0.0401×19.1×300×230)/300=176 mm2<720mm2所以桩身配筋按构造配筋，则选择4φ16，As=803mm>720mm2
在桩顶2500mm范围内配置Φ6 @100的箍筋，同样在桩尖2500mm范围内配置Φ6@100的箍筋，在桩身中间部位配置Φ6@150的箍筋。桩身配筋详图见桩身配筋图。
六、 承台设计
承台构造要求：对于矩形承台其钢筋应按双向通长布置，直径不小于10mm，间距不大于200mm，还应满足最小配筋率规定。主筋直径不宜小于12mm，架立筋不宜小于10mm，箍筋的直径不宜小于6mm，承台中纵向钢筋的保护层厚度不小于70mm。
根据本设计可选择保护层厚度为80mm，混凝土强度为C20，钢筋为HRB335。 承台可分为两阶，第一阶高度为600mm，宽度为1000mm。第二阶高度为500mm，宽度为1050mm。
2
（1） 受弯计算
∵承台的形状为正方形，则只用验算一个方向即可。 N=3400/16=212.5KN 1-1截面：
yi=xi=0.550m
M=4·N·yi=4×212.5×0.550=467.5KN·m
∵h0=600-80=520mm
则As=M/( 0.9·h0·fy)=467.5/(0.9×300×520)=3330mm2-2截面：
y1=1.600m y2=0.400m h0=1.1-0.08=1.02m M=4×212.5×1.600+4×212.5×0.400=1700KN·m As= M /( 0.9·h0·fy)=1700/(0.9×300×1020)=6173mm2
所以可选24Φ20钢筋双向布置，间距为180mm，As=7534 mm2>6173mm2 （2） 承台冲切计算：
柱对承台的冲切：
2
Fl=F-∑Nl
β0x=0.84/(λ0x+0.2) β0y=0.84/(λ0y+0.2)
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；
β0x、β0y—冲切系数； λ0x、λ0y—冲垮比，
∑Nl—冲切破坏锥体范围内各桩的净反力设计值；
βhp—受冲切承载力截面高度影响系数，h≤800mm时，取1.0，当h≥2000mm
时，取0.9。
∵hc=bc=0.4m βhp=0.98 h0=520mm
λ0x=λ0y=400/520=0.77 则β0x=β0y=0.84/0.97=0.866 Fl=3400-212.5×12=850KN
2×2×0.866×(0.4+0.4) ×0.98×1100×0.52=1553KN>850KN 则柱对承台的冲切满足要求。 角桩对承台的冲切：
β1x、β1y—角桩冲切系数； λ1x、λ1y—角桩冲垮比；
C1、C2—从角桩内边缘至承台外边缘的距离；
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者值。
λ1x=λ2y=400/520=0.77 则β1x=β1y=0.56/0.97=0.577 βhp=0.98 h0=520mm a1y=a1x=0.4m Nl=300KN
C1=C2=0.6
0.577×（0.6+0.4/2）×2×0.98×1100×0.52=517KN>358KN 所以角桩对承台的冲切满足要求。
（3） 受剪切计算
柱下桩基承台应分别对柱边和桩边，变阶处和桩边联线形成的斜截面进行受剪计算。
变阶截面的受剪承载力计算：
b0=4.5m h0=0.520m λ=0.4/0.520=0.77
α=1.75/(0.77+1)=0.9 βhs=(800/800)=1
1×0.9×1100×4.5×0.52=2545.7KN>100KN 柱边截面的受剪承载力计算： b0=(4.5×0.52+2.5×0.5)/1.02=3.52m
1/4
βs=(800/1020)=0.94 λ=1650/1020=1.618 α=1.75/(1.618+1)=0.67
0.94×0.67×1100×3.52×1.02=2487.4KN>100KN 则剪切承载力满足要求。
1/4
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准·《混凝土结构设计规范( GB 50010 – 2010) 》. [2] 中华人民共和国国家标准·《建筑桩基技术规范( JGJ94-2008) 》. [3] 彭社琴，赵其华 编著《基础工程》.成都理工大学出版社.
[3] 中华人民共和国国家标准·《建筑基桩检测技术规范( JGJ106-2003) 》.
