一引言樁根底是一種重要的根底型式，在房屋建筑、橋梁、海洋等工程中都有廣泛的應用。但樁根底的設計和計算過程比擬復雜，手工計算十分麻煩、且很難得到滿意的結果。目前，有關樁根底設計與分析的軟件非常少見。本研究根據現有樁根底設計與分析理論，以VisualB++6.0為開發平臺，研制了能夠設計與分析單樁或群樁根底的程序。程序設計主要包括界面設計與計算程序兩個方面。界面除了起交換數據作用外，更重要是直觀、方便，能夠有效地減少設計中的錯誤。計算程序分別采用靜力觸探法、經驗公式法、按土的抗剪強度指標法計算單樁豎向承載力，能夠簡單分析單樁和群樁的樁根底受力與變形。。隨著計算機的普遍應用，國內外工程師加快了樁根底設計分析軟件的開發和設計，國內外樁根底設計軟件成果如下：國外樁根底程序設計起步較早，現在開展成熟的常見的軟件有FAD3DPG，AllPile，mPile等國內樁根底程序設計起步較晚，當經過幾年的開展樁根底設計程序日趨完善，國內有代表性的軟件有：①湖南大學樁根底輔助設計軟件PFCAD；②浙江大學某設計院以VisualC++6.0為平臺開發設計橫向承載樁根底分析軟件；③華僑大學開發的PFOD系統；④同濟大學啟明星樁根底設計計算軟件Pile2009等樁根底是目前在高層建筑，橋梁港口設計中應用極為廣泛的一種根底形式，本設計的目的是為了使設計人員從枯燥的計算中解脫出來，并能夠有效的減少人為設計錯誤二樁根底設計計算2.1樁根底設計一般步驟：樁根底的設計應力求選型適當、經濟合理、平安適用，對樁和承臺有足夠的強度、剛度和耐久性；對地基〔主要是樁端持力層〕有足夠的承載力和不產生過量變形，其設計內容如以下圖所示：場地勘察場地勘察提出勘察報告確定樁基持力層確定樁型、外形尺寸和構造確定單樁承載力確定樁數和布樁擬定承臺尺寸和埋深根據荷載條件驗算作用于樁上的力驗算承臺的結構強度驗算樁基整體強度計算樁基沉降量驗算下臥層強度最后確定承臺的尺寸、配筋構造單樁設計繪制樁、承臺施工圖結束無必要驗算整體強度變形，且無軟弱下臥層YYYYYYYNNN圖2.1樁根底設計框圖即：(1)進行調查研究，場地勘察，收集有關資料；(2)綜合勘察報告、荷載情況、使用要求、上部結構條件等確定樁基持力層；(3)選擇樁材，確定樁的類型、外型尺寸和構造；(4)確定單樁承載力特征值；(5)根據上部結構荷載情況，初步擬定樁的數量和平面布置；(6)根據樁的平面布置；初步擬定承臺的輪廓尺寸及承臺底標高；(7)驗算作用于單樁上的豎向和橫向荷載；(8)驗算承臺尺寸及結構強度；(9)必要時驗算樁基整體承載力及沉降量，當持力層下有軟弱下臥層時，驗算軟弱下臥層的地基承載力；(10)單樁設計，繪制樁和承臺的結構及施工詳圖。⑾根據計算過程編制程序2.2確定樁型、構造2.2.1樁的分類⑴按承載性狀分為：摩擦性狀和端承型樁;⑵按使用功能分類：豎向抗壓樁、豎向抗拔樁、水平受荷樁和復合受荷樁；⑶按樁身材料分類：混凝土樁、鋼樁和組合材料樁；⑷按成樁方法分類：非擠土樁、局部擠土樁和擠土樁。⑸按樁徑大小分類：小樁、中等直徑樁和大直徑樁。小樁：指樁徑d≤250mm的樁。中等直徑樁：指250mm<d<800mm的樁。大直徑樁：指d≥800mm的樁。2.2.2樁型與工藝選擇樁型與工藝選擇應根據建筑結構類型、荷載性質、樁的使用功能、穿越土層、樁端持力層土類、地下水位、施工設備、施工環境、施工條件、制樁材料供給條件等，選擇經濟合理、平安適用的樁型和成樁工藝。2.2.3確定樁數軸心荷載：(2-1)偏心荷載： (2-2)F-----作用在承臺上的軸向壓力值。G-----承臺及其上方填土的自重設計值2.2.3樁的布置根據土層情況，結合建筑物的荷載及上部結構等條件，選擇樁端持力層，應盡可能使樁支撐在承載力相對較高的堅實土層上。根據當地施工條件、打樁設備及環境限制等因素，確定樁型，并相應決定樁的平面布置和尺寸，樁的中心距應符合下表規定。表2.1樁的最小中心距土類與成樁工藝排樁數不少于三排且樁數不少于9根的摩擦型樁其他情況非擠土和小量擠土灌注樁3.0d2.5d擠土灌注樁穿越非飽和土3.5d3.0d穿越飽和土4.0d3.5d擠土預制樁3.0d3.0d打入式敞口管樁和H型鋼樁3.5d3.0d樁的截面主要根據上部荷載等情況確定，常見的樁截面與樓層數的經驗數值關系如下表所示。表2.2樓層數與樁截面的經驗數值關系樓樓層數樁型≤1010~2020~3030~40預制樁300~400450~550450~550500~550〔預應力〕800〔鋼管樁〕灌注樁500600~800650~1000800~12002.3單樁豎向承載力確定單樁承載力是指單樁在外荷載作用下，不喪失穩定性，不產生過大變形的能力。2.3.1按材料強度法確定：確定樁基豎向承載力一般采用材料強度法。根據強度計算單樁承載力是，可把樁視為插在土中的受壓構件，計算樁身在軸向壓力的受壓強度時，一般不考慮彎曲的影響。 (2-3)N-----荷載效應根本組合下的樁頂軸向壓力設計值-----混凝土軸心抗壓強度設計值，KPa-----縱向主筋抗壓強度設計值，KPa----樁身橫截面面積，m-----縱向主筋橫截面積，m-----樁的穩定系數-----基樁成樁工藝系數，混凝土預制樁、預應力混凝土空心樁取0.85；干作業非擠土灌注樁取0.9；泥漿護壁和套管護壁非擠土灌注樁、局部擠土灌注樁及擠土灌注樁取0.7~0.8；軟土區擠土灌注樁取0.6.2.3.2按抗剪強度指標確定： (2-4)-----樁底以上3d至樁底以下1d范圍內土的不排水抗剪強度平均值，對裂隙粘土宜用含裂隙的大試樣測定，對鉆孔樁可取三軸不排水抗剪強度的0.75倍；-----地基承載力系數，當樁的長徑比l/d>5時，=9；u-----樁身周長；-----第i層土的厚度-----第i層土樁之間的附著力，=2.3.3按靜力觸探法確定： (2-5)-----樁端平面上、下探頭阻力，KPa。-----第i層土的探頭平均側阻力，KPa。-----裝端阻力修正系數，對粘性土、粉土取2/3，飽和沙土取1/2.-----第i層土裝側阻力綜合修正系數，按下式計算：粘性土和粉土砂類土2.3.4按經驗公式法確定：根據土的物理指標與承載力之間的經驗關系，《建筑樁基技術標準》針對不同的常用樁型，推薦了不同的單樁豎向極限承載力標準值的估算公式⑴一般預制樁及中小直徑灌注樁 (2-7)-----樁側第i層土的極限側阻力標準值，KPa-----極限端阻力標準值，KPa。⑵大直徑灌注樁 (2-8)-----大直徑樁側阻力尺寸效應系數。-----大直徑樁端阻力尺寸效應系數。⑶巖嵌樁(2-9)-----巖嵌段側阻和端阻綜合系數。-----巖石飽和單軸抗壓強度標準值。2.4單樁豎向承載力特征值確實定初步設計時單樁豎向承載力特征值可按下式估算：(2-10)-----樁端端阻力特征值。-----樁根側阻力特征值。當樁端嵌入完整及較完整的硬質巖中時單樁豎向承載力特征值可按下式估算：-----樁端巖石承載力特征值。2.5承臺設計及計算2.5.1承臺尺寸要求承臺的最小寬度不應小于500mm，承臺邊緣至樁中心的距離不宜小于樁的直徑或邊長，且邊緣挑出局部不應小于150mm。對于條形承臺梁挑出局部不應小于75mm。條形承臺或柱下獨立樁基承臺的厚度不應小于300mm筏型、箱型承臺板的厚度應滿足整體剛度、施工條件及防水要求。對于樁布置于墻下或根底梁下的情況，承臺板厚度不宜小于250mm，且板厚與計算區段最小跨度之比不宜小于1/20。承臺埋深應不宜小于600mm，且應滿足凍脹土要求。在滿足要求的前提下，承臺應盡量淺埋，且應在地下水位以上2.5.2承臺混凝土要求承臺混凝土強度等級不宜小于C15，采用Ⅱ級鋼筋時，混凝土等級不宜小于C20.承臺底面鋼筋混凝土保護層厚度不宜小于70mm。當設素混凝土墊層時，保護層厚度可適當減小，墊層厚度宜為100mm強度等級為C5.52.5.3承臺構造配筋要求承臺梁的縱向主筋直徑不宜小于12，架立鋼筋直徑不宜小于10，箍筋直徑不宜小于6.2.5.4樁與承臺的連接樁與承臺的連接宜符合以下要求：⑴樁頂嵌入承臺的長度對大直徑樁，不宜小于100mm，對于中等直徑樁不宜小于50mm⑵混凝土樁的樁頂主筋應伸入承臺內，其錨固長度不宜小于30倍主筋直徑，對于抗拔樁基不應小于40倍主筋直徑。預應力混凝土樁可采用鋼筋與樁頭鋼板焊接的連接方法。鋼樁可采用在樁頭加焊鍋型板或鋼筋的連接方法。2.5.5承臺內力計算柱下多樁矩形承臺： (2-11) 、-----垂直x、y軸方向計算截面彎矩設計值。、-----垂直y軸和x軸方向自樁軸線到相應計算截面的距離。-----扣除承臺和承臺上土自重設計值后i樁豎向凈反力設計值;當不考慮承臺效應時，那么為i樁豎向總反力設計值。柱下三樁三角承臺： (2-12)2.5.6承臺厚度及強度計算受沖切計算圖2.2柱下獨立樁基對承臺的沖切計算驗算時應滿足： (2-13) (2-14) (2-15)-----作用于沖切破壞椎體上的沖切力設計值。-----沖切破壞錐體有效高度中線周長。-----承臺沖切破壞錐體的有效高度。-----受沖切承載力截面高度的影響系數，當h<800m時取1.0；h>2000mm時取0.9，其間按線性內插法取值。-----沖切系數。-----沖垮比，=/〔為沖跨，即柱邊或承臺變階處到樁邊處的水平距離〕，當<0.25時，取=0.25；當>1.0時，取=1.0。F-----作用于柱〔墻〕底的豎向荷載設計值。-----沖切破壞錐體范圍內各基樁凈反力〔不計承臺和承臺上土自重〕設計值之和。柱下矩形獨立承臺受沖切時可按以下公式計算： (2-16)受剪切計算圖2.3承臺受剪切計算柱下等厚度承臺的斜截面受剪承載力計算：(2-17)(2-18)(2-19)V------斜截面的最大剪力設計值。-----承臺計算截面處的計算寬度。-----承臺計算截面處的有效高度。-----受剪切承載力截面高度的影響系數。-----剪切系數。-----計算截面的剪跨比。2.6群樁驗算2.6.1基樁豎向承載力驗算荷載效應標準組合：承受軸心荷載的樁基其基樁或復合基樁豎向承載力特征值R應滿足下式：(2-20)承受偏心荷載的樁基還應滿足(2-21)地震作用效應和荷載效應標準組合：軸心荷載作用效應下應滿足：(2-22)偏心荷載作用下，應滿足：(2-23)(2-24)2.6.2樁基軟弱下臥層承載力驗算當樁端平面以下受力層范圍內存在軟弱下臥層時，應進行軟弱下臥層驗算。應滿足(2-25)樁距的群樁圖〔a〕：=樁距且各樁端的壓力擴散線不相交于硬持力層圖〔b〕時：=。圖2.4軟弱下臥層驗算-----作用于軟弱下臥層頂面的附加應力，-----軟弱層頂面以上各土層容重加權平均值。Z-----地面至軟弱層頂面的深度。-----軟弱下臥層經深度修正的地基承載力特征值。2.6.3樁基豎向抗拔承載力驗算應滿足：〔2-26〕〔2-27〕-----群樁根底所包圍體積的樁土總自重除以總樁數。-----基樁自重。2.6.4樁基沉降驗算樁基一般只進行承載力計算，但當樁端持力層為軟弱土，或建筑物重要性大，對樁基沉降的要求較高時，應對樁基按以下方法進行變形驗算。⑴實體深根底樁基沉降表達式：s=(2-28)式中s-----樁基最終沉降量；-----按分層總和法計算出的樁基沉降，但樁基沉降計算深度應按應力比法確定；-----樁基沉降計算經驗系數；-----樁基等效沉降系數，=、、-----與群樁中各基樁的不同距徑比/d、長徑比l/d，及承臺長寬比/有關的系數，可見《建筑樁基標準》；、、n-----矩形承臺的長、寬及總樁數。⑵．Mindlin應力公式S=(2-29)------豎向荷載準永久組合作用下附加荷載的樁端阻力比-----樁基沉降計算經驗系數三樁根底計算程序設計3.１程序介紹本程序根據現有樁根底設計與分析理論，以VisualB++6.0為開發平臺，研制了能夠設計與分析單樁或群樁根底的程序。程序設計主要包括界面設計與計算程序兩個方面。界面除了起交換數據作用外，更重要是直觀、方便，能夠有效地減少設計中的錯誤。計算程序分別采用靜力觸探法、經驗公式法、按土的抗剪強度指標法計算單樁豎向承載力，分別采用張法、m法、c法計算單樁或群樁的樁根底受力與變形。3.2程序界面圖3.1樁根底設計程序主頁面3.3程序流程圖操作系統操作系統根本信息輸入窗體根本信息輸入窗體主控窗體結構計算窗體計算書窗體邏輯流程數據流程承載力驗算及其他計算圖3.2程序流程圖四設計實例4.1設計根本資料某廠房上部結構荷載設計值為軸力F=7460KN,M=840KN·m，柱截面尺寸為600mm×800mm。建筑場地位于城郊，土層分布情況及土層的物理、力學指標如表4.1.1所示，地下水位離地表1.0m，從各測點的靜力觸探結果看，場地具有不均勻性，東部區域的平均值高于西部，局部地區有明濱，埋深將近2m。表4.11各層土的物理、力學指標土層序號土層名稱層底埋深〔m〕重度含水量孔隙比液性指數抗剪強度比貫入阻力粘聚力〔KPa〕內摩擦角壓縮模量〔MPa〕2褐黃色粉質粘土2.01827.80.810.4830〔21〕25.5〔18.5〕6.40.59〔0.54〕3灰色淤泥質粉質粘土6.017.838.81.091.1814〔9.8〕19.3〔13.5〕4.50.57〔0.38〕4灰色淤泥質粘土14.91753.11.511.2912〔8.4〕10.5〔7.5〕2.10.62〔0.41〕5灰~褐色粉質粘土20.01855.41.020.8016〔11.2〕18.5〔13.2〕4.82.27〔1.77〕6暗綠色~草黃色粉質粘土2418.524.70.710.3136〔25.2〕25.0〔18.0〕7.84.76〔3.86〕8灰色粉質粘土>34.018.035.51.020.8722〔13.4〕22.1〔13.0〕4.94.2樁基持力層、樁型、承臺埋深的選擇由于柱荷載較大，從土層分布情況看，淺部第2層土較好，但厚度較薄，具有明顯的暗濱切割，3、4、5土層較差，根底形式必須選用樁根底，第6層土是樁根底的理想持力層。樁尖進入持力層的深度為1m，工程樁入土深度為21m，考慮到明濱深度及承臺厚度承臺埋深確定為2m，故樁基的有效樁長為19m。由于建設場地在郊區，周圍環境不要求限制振動、噪聲，因此，應優先采用施工速度快、施工質量容易保證的打入樁，樁的截面尺寸選用450×450，并在每個柱子下設一獨立承臺樁根底。4.3確定單樁承載力采用靜力觸探法估算〔１〕東區計算結果：計算單樁承載力標準值計算參數方型樁請選擇樁型于工藝：預制樁、鋼管樁靜力觸探法樁徑〔邊長〕〔m) 0.45樁穿越土層數 3樁穿越第i層土的厚度li(m) 均值(KPa) 土層情況5.1 2270 粘性土8.9 620 粘性土4 570 粉土結果列表：樁徑 0.45單樁豎向極限承載力標準值(KN) 1924.52西區計算結果：計算單樁承載力標準值計算參數方型樁請選擇樁型與工藝：預制樁、鋼管樁靜力觸探法樁徑〔邊長〕〔m) 0.45樁穿越土層數 3樁穿越第i層土的厚度li(m) 均值(KPa) 土層情況4.6 1770 粘性土9.4 410 粘性土4 380 粉土結果列表：樁徑 0.45單樁豎向極限承載力標準值(KN) 1924.524.4確定樁數與承臺尺寸承臺設計根本數據單樁豎向極限承載力標準值1924.52單樁豎向承載力特征值 962.26中心坐標x 中心坐標y1.5 1.51.5 01.5 -1.50 1.50 00 -1.5-1.5 1.5-1.5 0-1.5 -1.5圖4.1布樁及樁基受力驗算界面計算結果初步計算所得樁數 8修正后樁排數 3修正后樁列數 3修正后布樁總數 9樁間距計算值〔m〕 1.35承臺底長度計算值〔m〕 3.7承臺底寬度計算值〔m〕 3.7樁基豎向力滿足設計要求。樁基水平力滿足設計要求。群樁設計滿足設計要求。4.5軟弱下臥層驗算結果方型樁地面至軟弱下臥層頂面的深度 24硬持力層厚度 4樁端硬持力層擴散角 15軟弱下臥層經深度修正的地基承載力特征值 126樁距 1.5樁群外圍樁邊包絡線矩形面積的長邊長 3.45樁群外圍樁邊包絡線矩形面積的短邊長 3.45樁端等代直徑 0.45樁徑 0.45第i層土厚度Li(m) 第i層土極限測阻力 第i層土厚度KN/m^34 0 8.54.6 47 89.4 21 74 25 7.81 0 81 0 18圖4.2下臥層驗算界面輸出結果下臥層不滿足設計要求4.6承臺設計計算承臺設計根本參數 承臺底長度(m) 4承臺底寬度〔m) 4樁伸入承臺尺寸(m) 0.1承臺底主筋保護層厚度(mm) 35承臺有效高度h0(mm) 1365承臺上局部高度好h1〔m) 2.0鋼筋強度〔N/mm^2) 300混凝土抗拉強度〔KN/m^2) 9600混凝土軸心抗壓強度〔KN/m^2) 1100單樁受到的最大豎向力設計值 1924.52布樁排數 3布樁列數 3布樁總數 9樁距Sdx(m) 1.5樁距Sdy(m) 1.5柱(變階處)長(m) 0.975柱(變階處)寬(m) 0.875中心坐標x(m) 中心坐標y(m)1.5 1.51.5 01.5 -1.50 1.50 00 -1.5-1.5 1.5-1.5 0-1.5 -1.5圖4.3矩形承臺設計計算界面結果列表：承臺受沖切承載力滿足設計要求受剪承載力滿足設計要求作用于角樁樁頂的豎向壓力設計值(取最大值)(KN)922.22承臺受角樁沖切的承載力(KN)1776.8角樁向上沖切驗算滿足設計要求受沖切承載