桩基础设计
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1 概述
1.1 桩基础的历史回顾
桩基础是最古老的基础型式之一。有关文献资料表明，在人类有历史记载以前，就已经在地基土条件不良的河谷及洪积地区采用桩基础来建造房屋；在许多不同文化时期的初期，都可以找到桩基础的房屋。1982年在智利发掘的文化遗址所见到的桩，距今大约有12000～14000年。根据历史文物遗址的发掘揭示，我国最早的桩基础距今大约有7000多年，是在浙江宁波附近的河姆渡，作为古代干阑式木结构建筑的基础是有圆木桩、方木桩和板桩组成的桩基础。圆木桩直径在6～8cm之间，板桩厚2.4～4.0cm，宽10～50cm，木桩均系下部削尖，入土深度最深达115 cm。这是最早的桩的雏形。桩基础用于桥梁，历史也极为悠久。据《水经注》记载，公元前532年在今山西汾水上建成的三十墩柱木柱梁桥，即为桩柱式桥墩。我国秦代的渭桥、隋朝的郑州超化寺、五代的杭州湾大海堤、南京的石头城和上海的龙华塔等，都是我国古代桩基础的典范。
桩基技术的发展历史阶段 阶段 年代 主要桩型 特点
初期阶段 人类有历史记载以前（我国7000多年前）～19世纪 木桩
石桩 1.有天然材料制作而成 ，桩身较短，桩径小；
2.桩竖直设置，主要用于传递竖向荷载；
3.多设置于地基条件不良的河谷及洪积地区；
4.采用简单人工锤打沉桩。
发展阶段 19世纪中叶～20世纪20年代 除天然材料做成的桩外，主要是混凝土桩和钢筋混凝土桩 1.受水泥工业出现及其发展的影响；
2.桩型不多，开始使用打桩机械沉桩；
3.桩基设计理论和施工技术比较简单，处于“萌芽”阶段；
4.桩身尺寸有所扩大，桩径约30cm，桩长9～15m；
5.土力学的建立为桩基技术的发展提供了理论基础。
现代化阶段 第二次世界大战后～现在 除钢筋混凝土桩外，发展了一系列的桩系，如钢桩系列、水泥土系列、特种桩（超高强度、超大直径、变截面等）系列，以及天然材料的砂桩、灰土桩和石灰桩等。 1.发展了众多的新型的桩型，形成现代桩基的各种不同体系；
2. 桩基技术和理论引进了其它学科的先进的研究成果，大大地拓宽了它的研究领域和深度，桩的应用范围大大扩展；
3.人工沉桩被复杂的机械和专门化的工艺代替。
表5-1给出了桩基技术发展历史的简要概括。不过，桩基技术的内涵是如此的丰富，读者显然不能期望能从一本书了解到桩基技术发展历史的全貌。但在桩基技术发展的历史过程中，下述几点情况应予以特别的注意：
1. 桩基技术的发展受工业化的影响巨大，如水泥工业的问世，现代钢铁工业的高速发展，以及化学工业的崛起，都使桩基技术及其应用形成了一个独特的时期或阶段。而且，由于某一地区或国家的历史及环境背景，往往出现最古老的桩型和现代化的桩型同时共存，例如 ，至今木桩在我国某些地区和工程中仍有应用。
2. 由于桩型及施工工艺的不断推陈出新，无论是在桩基的设计理论和概念上，还是在桩的效用上，都产生了许多实质性的变化，桩的应用及成桩工艺比过去更为多样化和复杂了。特别是在桩基的设计和施工领域中提出了许多新的甚至是“离经叛道”的概念，例如，塑性支承桩概念、复合桩基理论、桩基逆作法，热加固成桩……，等等。在桩的应用上，除了承受竖向荷载外，还用以承受斜向的甚至是水平向的荷载，而且在有些情况下，桩仅用于改善桩周围土的承载力，而不是由桩直接承担结构物的荷载。
3. 随着桩基技术的改良和发展，桩已不只是单独地被应用，在许多情况下，它与其它的基础形式或工艺联合应用，例如，化学灌浆排桩联合护壁等，以适应上部建筑的超重荷载、深基坑开挖等的需要。此外，桩的发展趋势表明，桩身的超高强度、大直径、超长度、无公害沉桩工艺，以及完美的施工控制技术等已经成为未来桩基改良和发展的重要内容。
4. 桩基的施工监测和检测应工程的需要已形成一项相当丰富有效的技术。
1.2 桩基础的适用性
桩基础通常作为荷载较大的结构（建筑）物的基础，具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、便于机械化施工、适应性强等特点。对下述情况，一般可考虑选用桩基础方案：
1. 地基上层土的土质太差而下层土的土质较好；或地基土软硬不均；或荷载不均，不能满足上部结构对不均匀变形的要求。
2. 地基软弱或地基土性特殊，如存在较深厚的软土、可液化土层、自重湿陷性黄土、膨胀土及季节性冻土等，采用地基改良和加固措施不合适。
3. 除承受较大竖向荷载外，尚有较大的偏心荷载、水平荷载、动力或周期性荷载作用。
4. 上部结构对基础的不均匀沉降相当敏感；或建筑物受到大面积地面超载的影响。
5. 地下水位很高，采用其它基础型式施工困难；或位于水中的构筑物基础，如桥梁、码头、采油平台等。
6. 需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。
通常，当软弱土层很厚，桩端达不到良好地层时，桩基设计时应考虑基础沉降问题。目前，桩基设计思想正在由过去单纯的承载力控制向承载力和变形双控制过渡，按地基容许沉降量大小设计桩基的思想正在逐步得到推广。
1.3 高层建筑桩基础
随着我国改革开放的深入，城市建设也随之迅速发展。作为现代城市重要特征之一的
高层建筑如雨后春笋拔地而起，使城市面貌大为改观。仅以上海为例，1997年新建高层建筑484幢；到1998年底，上海高层建筑已经突破2500幢，其中100 m以上的高层建筑有100多幢；在建的高层建筑还有1 000多幢。高层建筑的特点是高，由此导致一方面竖直荷载大而集中；另一方面重心高，对倾斜十分敏感，且在风和地震水平荷载作用下会产生巨大的倾覆力矩，故其对基础的承载力、稳定性和差异沉降要求很高。因此，在松软深厚地基上建造高层建筑时，若采用天然地基上的浅基础，即使整板基础亦往往不能满足上述要求，而桩基础则以其巨大的承载潜力和抵御复杂荷载特殊能力以及对各种地质条件的良好适应性，而成为高层建筑的理想基础形式。目前，国内已建成的最高建筑—上海浦东88层高420.5 m的金贸大厦，桩基础的桩入土深度超过80 m；在建的世界第一高楼—上海浦东94层高460 m的环球金融中心，也采用桩基础。事实上，桩基础已经成为松软深厚地基上高层建筑的主要基础形式。桩基工程是否能实现其预定功能，并达到技术先进、经济合理，完全取决于设计与施工质量。
高层建筑对桩基础的基本要求是：超常的竖向与水平向承载力和刚度，以及良好的整体性。考虑到高层建筑桩基础比一般建筑桩基础要复杂得多，因此，本章从高层建筑桩基础的特点与要求出发，结合现行相关设计规范和最新研究成果，阐述桩型选择、桩基的结构型式、工作性状、设计原理与计算方法。
一、高层建筑桩基础的作用特点
⑴. 桩支承于坚硬的（基岩、密实的卵砾石层）或较硬的（硬塑粘性土、中密砂等）持力层，具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力，足以承担高层建筑的全部竖向荷载（包括偏心荷载）。如深圳国际贸易中心大厦，筒中筒结构，50层，高160.5 m，折算基底压力达752.5 kPa，只用了58根人工挖孔桩，桩长20.0 m～28.0 m，桩径3 100 mm、2 600 mm、2 200 mm三种，桩底嵌固于凝灰质微风化砂岩，其允许抗压强度为7500 kPa ，
因而单桩允许承载力极高，φ3 100 mm桩为40 205 kN，φ2 600 mm桩为27 457 kN，φ2 200 mm桩为108 632 kN。又如上海杨浦区某24层高层住宅建筑，基底面积约917 m ，折算基底压力390 kPa，采用24.2 m长预制钢筋混凝土方桩450 m m×450 mm，桩端持力层为密实粉细砂，单桩允许承载力约1 400 kN，采用233根桩满堂布置成大群桩，满足了设计要求。
⑵. 桩基具有很大的竖向单桩刚度（端承型桩）或群桩刚度（摩擦型桩），在建筑物自重或相邻荷载影响下，不会产生过大的不均匀沉降，并能确保建筑物的倾斜不超过允许范围。
⑶. 凭借巨大的单桩侧向刚度（大直径桩）或群桩基础的侧向刚度及其整体抗倾覆能力，能抵御风和地震引起的水平荷载与力矩荷载，保证高层建筑的抗倾覆稳定性。
⑷. 箱、筏承台底土分担上部结构荷载。如德国法兰克福展览会大楼，筒中筒结构，桩筏基础，56层，高256 m，仅用根φ1 300 mm钻孔桩，长度26.9 m～34.9 m，建筑物总重1 880 MN，筏底土分担25％的荷载。上海某高层住宅，框架剪力墙结构，16层，高56.5 m，桩箱基础，箱基底板面积为49.95 m×14.2 m，钢筋混凝土预制方桩500 mm×500 mm，桩长26 m，桩距1.65 m－3.3 m，共布桩209根，箱基底土分担建筑物荷载大约17.5％。上海某高层建筑，由一座26层高94.5 m的钢筋混凝土框筒结构的主楼和一座5层裙房组成。主楼采用桩筏基础，筏基面积2 000 m ，底下布置钢管桩230根，φ609.6 mm×12 mm，桩长53 m，桩距1.91 m～1.95 m。至结构竣工时，筏底土分担建筑物荷重约26％。
⑸. 桩身穿过可液化土层而支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩，在地震引起浅层土液化与震陷的情况下，桩基凭靠深部稳固土层仍具有足够的抗压与抗拔承载力，从而确保
高层建筑的稳定，且不产生过大的沉陷与倾斜。
二、高层建筑桩基础的基本型式
桩基础的结构型式主要取决于两方面：上部结构的型式与布置；地质条件与桩型。由于高层建筑结构体系多种多样，地基条件千变万化，桩工技术不断进步，从而使得高层建筑桩基础的结构型式也灵活多样。归纳起来，主要有以下几种：桩柱基础、桩梁基础、桩墙基础、桩筏基础和桩箱基础。下面分别说明它们的特点和适用条件。
1. 桩柱基础
桩柱基础即柱下桩基础，可采用一柱一桩或一柱数桩基础。为了加强基础结构的整体性，特别是提高桩基抵御水平荷载的能力，在各个桩柱基础之间通常设置拉梁，或将地下室底板适当加强。
桩柱基础是框架结构或框剪、框支剪、框筒等结构的高层建筑的一种造价较低的基础形式，但它有严格的适用条件。
单桩柱基一般只适用于端承桩。因为各个基础之间只有拉梁相连，几乎没有调整差异沉降的能力，而框架结构又对差异沉降很敏感。如深圳蛇口金融中心，框架结构，21层，高76.6 m，由12根大柱和10根小柱支撑在22根人工挖孔桩基础上，桩径φ1 200 mm～φ2 800 mm，桩端嵌入硬质基岩微风化层，十分稳固。
群桩桩基主要用于摩擦型桩的情况，且须谨慎。一般仅当持力层比较坚硬且无软弱下卧层的地质条件下采用，以免产生过大的沉降与差异沉降。如深圳科技园宿舍楼，17层，
高53.5 m，除电梯井和楼梯井为井筒剪力墙，以及沿建筑物四角布置局部剪力墙外，全部为框架结构，共有24根柱，均采用钢筋混凝土预制方桩450 mm×450 mm的小群桩基础支承，桩数3～7根不等，视柱荷载大小而定。各承台之间以拉梁连接。本工程选用摩擦型小群桩的理由是：①建筑物荷载适中，用所选摩擦型桩基本可满足承载力要求；②持力层为低压缩性土，且不存在可压缩性下卧层（持力层为砾质粉质粘土，以下为强风化花岗岩），故沉降与差异沉降均很小；③比采用穿过强风化岩的大直径挖孔桩基础方案施工速度快、造价低。
2. 桩梁基础
桩梁基础系指框架柱荷载通过基础梁（或称承台梁）传递给桩这种型式的桩基础。沿柱网轴线布置一排或多排桩，桩顶用刚度大的基础梁相连，以便将柱网荷载较均匀地分配给每根桩。它比桩柱基础具有较高的整体刚度和稳定性，在一定程度上具有调整不均匀沉降的能力。
一般地，桩梁基础主要适用于端承型桩的情况。这是因为，端承型桩承载力高，桩数可以较少，承台梁不必过宽，否则就失去了经济性；另一方面若用摩擦型桩，为调整不均匀沉降而加大基础梁断面也是不经济的。
3. 桩墙基础
桩墙基础系指剪力墙或实腹筒壁下的单排或多排桩基础。剪力墙可视为深梁，以其巨大的刚度足以把荷载较均匀地传给各支承桩，无需再设置基础梁；但因剪力墙厚度较小（一般为200 mm～800 mm），筒壁厚度也不大（一般为500 mm～1 000 mm），而桩径则一般大于1 000 mm，甚至大于3 000 mm，为了保证桩与墙体或筒体很好地共同工作，
通常需在桩顶做一条形承台，其尺寸按构造要求。
桩墙基础亦常用于筒体结构。一般做法是沿筒壁轴线布桩，桩顶不设承台梁，而是通过整块筏板与筒壁相连；或在桩顶之间设拉梁，并与地下室底板及筒壁浇成整体。
4. 桩筏基础
当受地质条件，单桩承载力不很高，而不得不满堂布桩或局部满堂布桩才足以支承建筑荷载时，常通过整块钢筋混凝土板把柱、墙（筒）集中荷载分配给桩。习惯上将这块板称为筏，故称这类基础为桩筏基础。筏可做成梁板式或平板式。
桩筏基础主要适用于软土地基上的筒体结构、框剪结构和剪力墙结构，以便借助于高层建筑的巨大刚度来弥补基础刚度的不足。不过，若为端承桩基，则可用于框架结构。
从设计观点看，应注意鉴别某种形似桩筏而实为桩柱或桩墙的基础形式。例如，有时将柱下或墙下端承桩顶承台之间的拉梁省去，而代之以整块现浇板，这种板实际上仅能传递水平荷载，起着增强建筑物基础横向整体稳定性的作用，并不传递竖向荷载。因此，这类板的设计不同于桩筏基础的板，不应混淆。
天津凯悦饭店是框架—剪力墙结构高层建筑采用桩筏的一个很好实例。该高层建筑20层，高71.8 m，采用钢筋混凝土预制方桩350 mm×350 mm，长21 m，支承于26m深处的粉质粘土中，单桩允许承载力882.5 kN，满堂布桩，框架柱和剪力墙均往下延伸到底板，地下室不设内隔墙，底板厚2 000 mm。
5. 桩箱基础
桩箱基础系由具有底、顶板、外墙和若干纵横内隔墙构成的箱型结构把上部荷载传递给桩的基础形式。由于其刚度很大，具有调整各桩受力和沉降的良好性能，因此，在软弱0地基上建造高层建筑时较多地采用桩箱基础。它适用于包括框架在内的任何结构型式。采用桩箱基础的框剪结构高层建筑的高度可达100 m以上。桩箱基础是一种可以在任何适合于桩基的地质条件下建造任何结构型式的高层建筑的“万能式桩基”。这并不是说它在任何情况下都“合适”，关健是造价。桩箱基础是各种桩基中最贵的，因此，必须在全面的技术经济分析的基础上作出选择。
应注意形似桩箱实为桩筏的基础形式。主要区别在于是否按箱基要求设置纵横贯通的内隔墙，桩—“箱”结构能否形成整体刚度。
上海电信大楼，24层，高151.8 m，筒中筒结构，是采用桩箱基础的一个实例。桩箱基础含两层地下室，高度9.25 m，埋深12.65 m，底板厚1 500 mm，顶板厚750 mm，外墙厚600 mm，在箱体内设置了二道纵隔墙、八道横隔墙，底板下满堂布桩408根，采用钢筋混凝土预制方桩500 mm×500 mm，长33 m，支承于45.65 m深的粉细砂层，桩距2.0 m～2.45 m，单桩允许承载力2 059 kN。
