第十四章：桩基础介绍

　　本章的主要内容为介绍与桩基设计分析相关的 GEO5 软件模块的操作和在 工程中的应用。GEO5 软件套装包含了三个有关桩基设计分析的模块：“单桩设 计模块”、“群桩设计模块”和“桩基静力触探分析模块”。下面详细介绍在不 同的工程条件下，如何选择正确的模块。

14.1 桩基竖向承载力

　　桩基础的竖向承载力可以通过多种方法来确定：

1) 静载试验：很多国家明确要求采用静载试验来确定桩基的竖向承载力，而结构分析计算仅作为确定桩基承载力的初步建议。例如，中国《建筑桩基技术规范》中要求甲级建筑桩基或非简单地质条件的乙级建筑桩基应通过单桩静载试验确定单桩极限承载力。

2) 基于土体抗剪强度参数分析：使用GEO5“单桩设计模块”和“群桩设计模块”中的有效应力法或其它国家规范采用的分析方法进行计算。

3) 基于静力触探试验结果分析：使用 GEO5“桩基静力触探分析模块”进 行计算。中国《建筑桩基技术规范》中要求简单地质条件的乙级建筑桩基，可以参照地质条件相同的试桩资料，结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定。丙级建筑桩基可根据原位测试和经验参数确定。

4) 基于静载试验结果得到的回归曲线方程分析：使用GEO5“单桩设计模 块”；桩基竖向承载力由桩基静载试验曲线上的拐点或允许沉降量对应的荷载值确定。允许沉降量请参考《建筑桩基技术规范》中的规定。

5) 基于岩土体的摩尔-库仑参数和应力-应变性质分析：使用 GEO5“单桩设 计模块”和“群桩设计模块”中的弹性法进行计算。

6) 有限元分析方法：使用 GEO5“岩土工程有限元分析模块”进行计算。 

　　从上面的说明可以看出，桩基可以采用多种不同的方法来分析，同时，不同的方法要求输入不同的参数。不同分析方法的结果应该是相同的，但实际上往往是显著不同的。

　　GEO5的巨大优势在于用户可以尝试各种不同的分析方法，并从中找到最接近实际桩基受力变形情况的结果，从而确定出单桩或群桩的总承载力和沉降。在GEO5中，桩基的竖向承载力的计算只与竖向荷载有关，水平荷载、弯矩和扭矩对桩的竖向承载力分析没有任何影响（唯一例外的情况是“群桩设计模块” 中的弹性法）。

　　第15章介绍了使用 GEO5“单桩设计模块”分析单桩竖向承载力的详细步骤，同时，第16章讲解了基于静力触探数据使用“桩基静力触探分析模块”对同一单桩问题进行竖向承载力分析的方法。

14.2 桩基水平承载力 

　　水平受力桩的分析结果是桩的水平位移和沿桩长的内力分布曲线。 对于单桩设计，其水平位移和配筋取决于土的水平反力系数、水平荷载或桩身弯矩。第18章介绍了单桩水平承载力的详细分析过程，第 20 章则介绍了群桩 水平承载力的计算分析过程。

14.3 桩基沉降

　　桩的实际承载力往往和桩基沉降直接相关，因为所有的桩基都是在荷载作用下发生沉降和产生竖向变形。

　　GEO5“单桩设计模块”采用如下方法进行单桩的沉降分析：

1) Masopust 法（非线性）：软件基于沿着桩侧和位于桩端的回归系数来计算分析单桩沉降。

2) Poulos 法（线性）：软件基于桩端极限承载力Rbu 和桩侧极限承载力Rsu来计算分析最终沉降量。

3) 弹性法：软件基于岩土体参数，采用有限单元法来分析荷载 - 沉降曲线。 

　　在“单桩设计模块”中，上述所有分析方法都能计算得到荷载 - 沉降曲线。群桩沉降分析过程在第18章进行详细介绍，基于静力触探试验的桩基沉降计算在第17章进行详细介绍。

14.4 软件模块的选择

1) 根据桩承台（底板）的刚度进行选择。如果承台的刚度可以假设为无限大，那么可以使用“群桩设计模块”进行设计分析。对于其它情况，可以使用“单桩设计模块”分别计算和分析每一根桩。

2) 根据地质勘察报告进行选择。如果有静力触探试验(CPT)数据，那么可以使用“桩基静力触探分析模块”来进行单桩或群桩设计（详见第 17 章）。对于其 它情况，可以基于可以获得的岩土体参数使用“单桩设计模块”或“群桩设计模 块”进行计算和分析。

根据分析类型注意区别排水条件和不排水条件：

排水条件分析：对于有效应力分析方法和 CSN 73 1002 和，“单桩设计模块”与“群桩设计模块”中均使用土体抗剪强度有效应力参数 φef、cef 作为标准强度参数。

不排水条件分析：在“单桩设计模块”和“群桩设计模块”中只需输入土体不排水抗剪强度参数 cu 即可。单桩竖向承载力采用 Tomlinson 法计算，而群桩的竖向承载力采用等代实体基础法计算。

美国规范 NAVFAC DM 7.2 中包含了上述两种分析类型（排水&不排水），因此，当选择此规范作为分析方法时，可以单独指定每一层土的排水条件（黏性土 - 不排水；无黏性土 - 排水）。

14.5 关于中国桩基规范的使用说明

桩基竖向承载力

　　目前（2016/06）的 GEO5 桩基系列模块中并没有完美的加入中国《建筑桩基技术规范》中的分析方法，但是中国规范中桩基竖向承载力的计算多基于静载试验、原位测试或经验参数（极限侧阻力、极限端阻力），不做试验且无经验参数的情况下往往无法计算。而 GEO5 中提供的分析方法则可由岩土体的强度参数并结合一定的修正系数得到，从而解决了在没有静载试验、原位测试和经验参数的情况下，对桩基竖向承载力进行估算。因此，虽然 GEO5中并没有加入直接输入极限侧阻力和极限端阻力的经验参数方法，但仍然为我们提供了一种没有经验参数时的计算方法，或可以和经验参数方法（经验参数的取值范围往往较大） 进行对比的可靠方法。

　　中国《建筑桩基技术规范》中群桩和单桩承载力的计算均按照单桩承载力进行计算。在使用GEO5“单桩设计模块”验算桩基竖向承载力时，对于验算方法需要注意一些细节问题。虽然我们可以采用国外成熟的分析方法利用岩土体的抗 剪强度对单桩的竖向极限承载力进行估算，但是验算方法上我们需要严格按照中国规范进行。以下是《建筑桩基技术规范》中对群桩中基桩竖向承载力验算方法的规定：

1）荷载效应标准组合： 

轴心竖向作用力下

　　　  　(14.1)

偏心竖向作用力下

　　(14.2)

2）地震作用效应和荷载效应标准组合：

轴心竖向作用力下

          (14.3)

偏心竖向作用力下

       (14.4)

式中：

    N_k – 荷载效应标准组合轴心竖向作用力下，基桩或复合基桩的平均竖向力；

    N_kmax – 荷载效应标准组合偏心竖向作用力下，桩顶最大竖向力；

    N_Ek – 地震作用效应和荷载效应标准组合下，基桩和复合基桩的平均竖向力；

    N_Ekmax – 地震作用效应和荷载效应标准组合下，基桩或复合基桩的最大竖向力；

    R – 基桩或复合基桩竖向承载力特征值。

其中：

              (14.5)

式中：

    Q_uk – 单桩竖向极限承载力标准值；

    K – 安全系数，取K=2。

　　这里，作用在桩顶的竖向荷载N_k或N_kmax实际上为作用在承台上的总荷载分担在单根基桩上的作用力，即作用在承台上的荷载为轴心作用时，各基桩假设平均分担荷载并进行单桩验算；作用在平台上的荷载为偏心作用时，取分担荷载最大的基桩进行验算（基桩所受荷载的计算公式请查阅《建筑桩基技术规范》第  5 章）。

 注：对于需要考虑承台和基桩协同工作和土的弹性抗力作用的情况，参考下文弹性法部分的说明。

　　GEO5“单桩设计模块”中并不区分轴心作用力、偏心作用力以及标准组合 和地震作用的组合，因此，当在 GEO5“单桩设计模块”的「荷载」界面中输入 轴向力 N 时，需要注意一下几点：

•    对于没有弯矩的荷载，直接输入轴向荷载即可；

•    对于有弯矩的荷载，需要在计算得到的上部轴向荷载的基础上除以 1.2 进行折减（不适用于单桩桩基的验算）；

•    对于考虑了地震作用计算得的荷载，需要在计算得到的上部轴向荷载的基 础上除以 1.25（轴心作用力）或 1.5（偏心作用力 - 不适用于单桩桩基的验算）进行折减。

　　同时，GEO5计算得到的桩基承载力为极限承载力Quk，即验算计算得到的承载力是否大于竖向荷载时，需要考虑安全系数K。软件中选择分析设置为“中国规范”时，竖向承载力的安全系数默认为2，和《建筑桩基技术规范》一致。对于计算桩基承载力所采用的荷载组合，规范要求为标准组合，GEO5中相对应的为荷载设计值。对于计算桩基沉降所采用的荷载组合，规范要求为准永久组合，GEO5中相应的为荷载标准值，即标准组合荷载以设计值输入到GEO5中，准永久组合荷载以标准值输入到GEO5 中。

桩基水平承载力

　　国内常用的桩基水平承载力计算方法之一为 p - y 曲线法，即将桩看作作用在 竖向弹性地基上的梁。当在分析设置中选择“中国规范”时，默认采用的桩基水 平承载力计算方法为 p - y 曲线法。

弹性法

　　除了基于一定经验的解析法，GEO5还提供了另外一种方法—弹性法。弹性法采用半解析法来进行分析。桩周土采用著名的 Winkler-Pasternak 模型。该模型可以很好地模拟桩土之间的相互作用。桩周土的弹性、刚性和塑性剪切变形假设是沿桩土接触面发生的，并满足 Mohr-Coulomb 破坏准则。作用在桩侧法向的正应力取决于地应力和静止土压力。不同于常规的有限元方法，该方法不需要确定复杂的岩土体本构模型。

　　弹性法的最大优势在于其所需的桩周土参数都可以轻易获得。使用弹性法时，用户需要输入土体的内摩擦角、黏聚力、重度和变形模量（或压缩模量）。同时，弹性法还可以得到解析法无法得到的更多计算结果，例如荷载-沉降曲线。

　　《建筑桩基技术规范》中要求属于下列情况之一的桩基，计算各基桩的作用效应、桩身内力和位移时，宜考虑承台与基桩协同工作和土的弹性抗力：

•    位于 8 度和 8 度以上抗震设防区的建筑，当其桩基承台刚度较大或由于上 部结构与承台协同作用能增强承台的刚度时；

•    其他受较大水平力的桩基。

　　规范中推荐的附录 C 的计算方法实质上即为 GEO5 桩基模块中的弹性法。 在没有试验、原位测试以及经验参数的情况下，弹性法不失为一种很好的用于估算桩基承载力和沉降的方法。

14.6 工程案例基本说明

　　本工程案例旨在分析桩基的竖向承载力和沉降量，并在此基础之上进一步确定桩的水平位移和每根桩的配筋率。桩基由四个钻孔灌注桩组成，灌注桩直径 d=1.0m，长度 l=12.0m 。荷载 N、My、Hx 作用在基础底板（承台）上表面的中心位置。所有单桩采用的钢筋混凝土型号为 C30。

1）地质剖面

表 14.1 场地地层分布

2）桩荷载 

　　为了简化问题，在本案例中我们只考虑一种荷载组合。桩基荷载组合的确定取决于上部结构的类型和后续的设计方案，即需要对单桩进行计算还是对群桩进 行计算。

3）群桩

　　如果与桩连接的承台是刚性的，那么在这种情况下，只需要确定作用于桩承台中心的荷载。这里，取桩承台厚度t=1.0m。

 注：关于群桩荷载的确定，“群桩设计模块”帮助文档（F1）的“操作指南–荷 载–作用在群桩基础上的荷载”章节中有详细说明如何使用任意一款静力分析 结构设计软件来求解作用在群桩承台中心的荷载。

a)  设计（计算）荷载：

表 14.2 设计荷载

b)  标准（工作）荷载：

表 14.3 标准荷载

图 14.1 桩基案例示意图

4）单桩

　　如果桩承台是柔性的，或者建筑物位于桩承台之上，那么在这种情况下，需要通过静力分析结构设计软件（例如，GEO5 – 筏基有限元分析模块，FIN 3D 结构设计软件，SCIA Engineer 结构设计软件，Dlubal RStab 结构设计软件等）来确定每一根桩的桩顶荷载。中国《建筑桩基技术规范》中对于各基桩分担的荷载的计算有相应的近似计算公式。

 注：如果所有的桩均采用相同的尺寸和配筋，那么就可以把所有的桩都看作同一 根单桩来分析，但是所有可能的（不同桩上的）荷载组合都需要考虑。

　　在本案例中，为了简化问题，在进行桩基分析时，我们只考虑一种荷载组合。

a)  设计荷载：

表 14.4 设计荷载

注：因为弯矩不等于零，所以这里的N_kmax为荷载效应标准组合偏心竖向作用力下的桩顶最大竖向力。

表 14.5 标准荷载

图 14.2 荷载示意图 - 荷载在不同桩之间的分布