基础工程-赵明华-第四章

4.桩基础内容提要桩基础及其分类桩基础的施工单桩竖向抗压承载力计算水平荷载下基桩的内力及位移计算群桩基础受力分析桩基础设计简介组成：基桩和连接于桩顶的承台。作用：将上部结构荷载通过承台传递给基桩，再由基桩传递到地基土体（持力层）。特点：历史悠久、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。低承台桩基示意图4.1桩基础及其分类4.1.1概述单桩基础群桩基础承台基桩上部结构荷载4.1.1概述地基土质差或软硬不均，不能满足上部结构对变形的要求。地基软弱或土性特殊，自重湿陷性黄土、膨胀土等。荷载大，且伴有较大偏心、水平、动力或周期性荷载作用。水中基础施工困难，如桥梁、码头、钻采平台等。需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。4.1.1概述按承载性状：摩擦型桩、端承型桩按施工方法：预制桩、灌注桩按设置效应：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩按桩径大小：小桩(﹤250mm)、中等直径桩(250～800mm)、大直径桩(﹥800mm)按使用功能：受压桩、抗拔桩、横向受荷桩、锚桩按截面形状：圆桩、方桩、多边形桩、异形桩、DX桩等4.1.2桩基的分类基桩分类按承载性状分类（荷载传递方式）摩擦型桩摩擦桩端承摩擦桩端承型桩端承桩摩擦端承桩分类依据：根据桩侧与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比例的不同。4.1.2桩基的分类预制桩——在工厂或施工现场制成的各种形式的桩，如锤击桩、振动桩、静压桩等。灌注桩——在施工现场的桩位上用机械或人工成孔，然后在孔内灌注混凝土而成。如挖孔、钻孔、冲孔及爆扩成孔灌注桩等。按施工方法分类4.1.2桩基的分类混凝土预制桩要求：截面边长300500mm，分节长度≤12m。预应力管桩外径300600mm，每节长513m；优点：承载力高，耐久性好，质量较易保证。缺点：自重大，打桩难，桩长难统一，工艺复杂。钢桩要求：直径2501200mm，批量生产。优点：穿透性强，承载能力高，应用方便。缺点：成本高，易锈蚀。木桩要求：桩径160260mm，桩长46m。优点：制作运输方便，打桩设备简单。缺点：承载力低，仅在一些加固工程与临时工程中采用。预制桩的分类及特点4.1.2桩基的分类分类沉管灌注桩、钻孔灌注桩、挖孔桩。原理直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼灌注混凝土而成。特点能适应各种地层，无需接桩，施工时无振动、无挤土、噪音小，宜在建筑物密集地区使用。施工关键桩身的成型和混凝土质量灌注桩的分类及特点4.1.2桩基的分类按桩的设置效应分类非挤土桩成桩过程中对桩相邻土基本不产生挤土效应的桩,如钻（冲或挖）孔灌注桩及先钻孔后再打入的预制桩；部分挤土桩对桩周土体稍有排挤，但土的强度和变形性质变化不大。包括冲击成孔灌注桩、预钻孔打入式预制桩等。挤土桩设置过程中使土的结构严重扰动破坏，对土的强度和变形性质影响较大。实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等。4.1.2桩基的分类按承台位置：高承台桩基——承台底面位于地面以上，且常处于水下，水平受力性能差，但施工方便。可避免水下施工及节省基础材料，多用于桥梁及港口工程。低承台桩基——承台底面位于地面以下，其受力能好，具有较强的抵抗水平荷载的能力，施工不方便。土层低承台桩基高承台桩基桩上部结构承台桩基4.1.2桩基的分类锤击振动下沉静压预制桩的施工方法4.2.1预制桩的施工4.2桩基础的施工打入第一节桩体电焊接桩打入末节桩体锤击预制桩沉桩深度控制以最后贯入度（指沉至某标高时，每次锤击的沉入量）和桩尖设计标高两方面控制。要求最后两阵的平均贯入度为10-50mm/阵。锤击法：常以10次锤击为一阵。振动法：以1min为一阵。4.2.1预制桩的施工沉管灌注桩利用锤击或振动等方法沉管成孔，然后浇灌混凝土拔出套筒。可避免流砂、坍孔及排渣等弊病。锤击沉管灌注桩振动沉管灌注桩内击式沉管灌注桩4.2.2灌注桩的施工沉管灌注桩(e)(f)(d)(c)(b)(a)图4.5沉管灌注桩的施工程序示意（a）打桩机就位；（b）沉管；（c）浇灌混凝土；（d）边拔管，边振动；（e）安放钢筋笼，继续浇灌混凝土；（f）成型4.2.2灌注桩的施工优点：设备简单、打桩进度快、成本低。缺点：在土层软、硬交界处或软弱土层处易发生缩颈、断桩现象。（缩颈桩的形成）克服办法：•复打——浇灌混凝土并拔管后，立即在原位再次沉管及浇灌混凝土；（沉管灌注桩复打）•反插法——灌满混凝土后，先振动再拔管，一般拔0.5～1.0m，再反插0.3～0.5m。分单打、复打、反插三种施工方法。沉管灌注桩特点4.2.2灌注桩的施工钻（冲）孔灌注桩原理用钻机(如螺旋钻、振动钻、冲抓锥钻等)钻土成孔(需泥浆护壁)，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土。施工方法有正循环、反循环施工法。优缺点优点：入土深，能进入岩层，刚度大，承载力高，桩身变形小，并可方便地进行水下施工。缺点：要求有专门的设备（钻机），清孔较难彻底。4.2.2灌注桩的施工钻孔灌注桩—护筒埋设护筒作用固定桩位，并作钻孔导向；保护孔口，防止孔内土层坍塌隔水，稳固孔壁。4.2.2灌注桩的施工泥浆制备与运输要求：膨胀土或高塑性粘土现场加水搅拌，比重1.1~1.15，粘度10~25s，含砂率小于6％，胶体率大于95％。作用：护壁、携渣、防渗、润滑钻头等。4.2.2灌注桩的施工钻进机械图4.6冲击钻机示意图1—滑轮；2—主杆；3—拉索；4—斜撑；5—卷扬机；6—垫木；7—钻头旋转钻进冲击钻进冲抓钻进4.2.2灌注桩的施工图4.8反循环泥浆循环成孔工艺1—钻头；2—泥浆循环方向；3—沉淀池；4—泥浆池；5—泥浆泵；6—砂石泵；7—水龙头；8—钻杆；9—钻机回转装置钻进方法图4.7正循环泥浆循环成孔工艺1—钻头；2—泥浆循环方向；3—沉淀池；4—泥浆池；5—泥浆泵；6—砂石泵；7—水龙头；8—钻杆；9—钻机回转装置4.2.2灌注桩的施工清孔目的除去孔底沉渣，保证孔底砼质量及桩的承载力。方法•抽浆清孔：用空气吸泥机吸出含铅渣的泥浆。•换浆清孔：正、反循环钻孔完成后不停钻、不进尺。•掏渣清孔：孔用掏渣筒掏清孔内粗粒铅渣。继续循环换浆清渣。要求孔底0.5m内ρ≤1.25；含砂率≤8％；粘度≤28s。4.2.2灌注桩的施工将导管居中插入，上接漏斗，设隔水栓；放开隔水栓使混凝土向孔底猛落，将水挤出，并使导管始终埋在混凝土内，此后连续灌注混凝土；不断提升导管，直至灌注完毕。水下砼灌注—直升导管法施工步骤图4.9灌注水下混凝土1-通混凝土储料槽；2-漏斗3-隔水栓；4-导管4.2.2灌注桩的施工混凝土搅拌必须均匀；防止卡管事故；必须连续作业，避免中断灌注，并防止混凝土上升顶起钢筋笼；随时记录孔内混凝土灌注标高和导管入孔长度，防止导管提升过猛，形成断桩；桩顶标高应比设计值愈加一定高度，以确保混凝土质量。一般取0.5m。注意事项4.2.2灌注桩的施工基本要求：内径≥800mm，开挖直径≥1000mm，护壁厚≥100mm分节支护，每节高500~1000mm桩长小于40m。优点：符合国情，经济，设备简单，噪音小，场区内各桩可同时施工，可直接观察地层情况，孔底易清除干净，且桩径大、适应性强。缺点：可能遇到流砂、塌孔、缺氧、有害气体、触电和地面掉重物等危险而造成伤亡事故。原理：采用人工或机械挖掘成孔，逐段边开挖边支护，达所需深度后再进行扩孔，利用钻（冲）孔机具钻土成孔，然后清除孔底残渣，安装钢筋笼，浇灌混凝土。4.2.3人工挖孔桩柱插筋插筋箍筋φ8@200加劲筋φ16@2000扶壁200_主筋22φ2220002600600600140016001230021000图4.10人工挖孔桩示例人工挖孔桩4.2.5桩基的质量检测可能存在的质量问题预制桩：桩位偏差、桩身裂缝过大、断桩等灌注桩：缩颈、夹泥、断桩、沉渣过厚等。常用质量检测方法开挖检查：只限于对所暴露的桩身进行观察检查。抽芯检查：在灌注桩桩身内钻孔，取混凝土芯样进行观察，看它的连续性。反射波法：测砼的连续性，是否存在孔洞、断桩等。动测法：高应变测桩承载力，低应变只能测砼质量。4.2.6桩基设计原则GB50007-2002：基于正常使用极限状态的概率设计原则JGJ94-94：采用以概率理论为基础的极限状态设计法，并按极限状态设计表达式计算，考虑桩基的两种极限状态，即承载能力、正常使用。并根据桩基损坏所造成的后果的严重性分为3个等级。桩基的竖向承载力（抗压和抗拔）、水平承载力计算桩端平面以下的软弱下卧层验算桩基抗震承载力计算承载及桩身结构计算（包括预制桩吊运和锤击过程中的强度验算、桩身屈曲稳定计算）所有桩基均应进行承载能力极限状态计算桩基尚应进行变形验算桩端持力层为软弱土的一、二级建筑物（竖向沉降）桩端持力层为粘性土、粉土或存在软弱下卧层的一级建筑桩基（竖向沉降）承受较大水平荷载或对水平变位要求严格的一级建筑桩基（水平变位）4.2.6桩基设计原则4.3单桩承载力承载机理荷载→桩压缩→侧摩阻消耗荷载→桩底阻力。土对桩的支撑力桩侧摩阻力和桩端阻力：何种为主，与桩身压缩量有关。桩的荷载传递过程实质上就是桩侧摩阻力与桩端阻力逐步发挥的过程。4.3.1桩的荷载传递过程侧阻先于端阻发挥，发挥程度与桩土相对位移相关；侧阻充分发挥桩土相对位移值：粘性土：4～6mm；砂土：6～10mm；端阻充分发挥桩底极限位移值：砂类土:(0.08～0.1)d；粘性土：0.25d，硬粘土0.1d。桩侧阻与桩端阻存在深度效应。(a)中密土层(b)岩层软弱土层QQ4.3.1桩的荷载传递过程图4.11桩身荷载传递(a)摩擦桩；(b)端承桩桩侧摩阻力影响因素土的性质：如抗剪强度(c,j)→决定摩阻力的可能最大值桩土相对位移→决定摩阻力的发挥程度时间因素：土的固结随t增加向下部转移→决定摩阻力发挥的时间桩的刚度：影响桩周应力的分布。土中的应力状态：主要指侧向压力施工方法：a)挤土桩；b)非挤土桩。4.3.1桩的荷载传递过程sZQoQsoZQosQs压曲oQsZsooQ图4.12压曲破坏图4.13整体剪切破坏图4.14刺入破坏压曲破坏：沉降量很小，桩端阻为主，桩材控制承载力，穿越软弱土层的小直径桩和嵌岩桩属于此类；整体剪切：沉降量较大，桩端阻为主，桩端桩侧土控制承载力，打入式短桩、钻孔短桩属于此类；刺入破坏：沉降量大，桩侧阻为主，桩顶容许沉降控制承载力，一般情况下的钻孔灌注桩属于此类。4.3.2单桩的破坏模式定义：桩周土相对于桩身下沉时产生的摩阻力。4.3.3桩侧负摩阻力正摩擦负摩擦图4.15桩侧摩阻力示意图桩侧大范围降低地下水，如大面积抽水，基坑降水等桩侧地面大面积堆载；桩身穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层；冻土区升温引起桩侧土沉陷。产生负摩阻力的条件填土图4.１6住宅楼建于有新填土的斜坡上4.3.3桩侧负摩阻力中性点定义：桩土相对位移为零处桩侧摩阻力为零处。在某深度处桩周土与桩截面沉降相等；或两者无相对位移发生；或其摩阻力为零。特点：在中性点处桩身轴力达到最大值。4.3.3桩侧负摩阻力中性点位置还与时间因素、环境因素、地质条件等有关，精确计算有困难，目前采用经验估算法：（0.5～1.0l0）l0—桩周变形土层下限深度，即软弱压缩层厚度。桩侧土下沉曲线桩下沉曲线ⅠⅡ桩底下沉摩阻力分布曲线中性点位置的确定中性点的位置取决于桩－土间的相对位移：•当桩侧压缩变形大，桩地下土层坚硬，抗下沉量小，→下移；•反之，中性点位置上移。图4.17有负摩阻力时的荷载传递4.3.3桩侧负摩阻力涂层法；塑料薄膜隔离层法；桩土之间灌注斑脱土浆法；插入变径预制桩法—钻孔桩；群桩：设内外围保护桩法减小负摩阻力的措施4.3.3桩侧负摩阻力按桩材强度确定按