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第三章桩基础第一节概述一、桩基础的基本构造和特点桩基础可以是单根桩（如一柱一桩的情况），也可以是单排桩或多排桩。对于双（多）柱式桥墩单排桩基础，当桩外露在地面上较高时，桩间以横系梁相联，以加强各桩的横向联系。多数情况下桩基础是由多根桩组成的群桩基础，基桩可全部或部分埋入地基土中。1-承台；2-基桩；3-松软土层；4-持力层；5-墩身桩基的作用：穿过软弱的压缩性土层或水，使桩底坐落在更密实的地基持力层上。承台的作用：将外力传递给各桩并将各桩联成一整体共同承受外荷载。桩基础的优点：承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀，在深基础中具有耗用材料少、施工简便等特点。在深水河道中，可避免（或减少）水下工程，简化施工设备和技术要求，加快施工速度并改善工作条件。桩基础的适应性：近代在桩基础的类型、沉桩机具和施工工艺以及桩基础理论等方面都有了很大发展，因此能以不同类型的桩基础的施工方法适应不同的水文地质条件、荷载性质和上部结构特征，因此，桩基础具有较好的适应性。二、桩基础的适用条件（1）荷载较大，地基上部土层软弱，适宜的地基持力层位置较深，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时；（2）河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易计算正确，位于基础或结构物下面的土层有可能被侵蚀、冲刷，如采用浅基础不能保证基础安全时；（3）当地基计算沉降过大或建筑物对不均匀沉降敏感时，采用桩基础穿过松软（高压缩）土层，将荷载传到较坚实（低压缩性）土层，以减少建筑物沉降并使沉降较均匀；（4）当建筑物承受较大的水平荷载，需要减少建筑物的水平位移和倾斜时；（5）当施工水位或地下水位较高，采用其它深基础施工不便或经济上不合理时；（6）地震区，在可液化地基中，采用桩基础可增加建筑物抗震能力，桩基础穿越可液化土层并伸入下部密实稳定土层，可消除或减轻地震对建筑物的危害。第二节桩与桩基础的分类一、桩基础按承台位置分类桩基础按承台位置可分为高桩承台基础和低桩承台基础（简称高桩承台、低桩承台）。高桩承台的承台底面位于地面（或冲刷线）以上，低桩承台的承台底面位于地面（或冲刷线）以下。低桩承台高桩承台高桩承台的特点：由于承台位置较高或设在施工水位以上，可减少墩台的圬工数量，避免或减少水下作业，施工较为方便。然而，在水平力的作用下，由于承台及基桩露出地面的一段自由长度周围无土来共同承受水平外力，基桩的受力情况较为不利，桩身内力和位移都比同样水平外力作用下的低桩承台要大，其稳定性也比低桩承台差。低桩承台的特点：施工较为复杂。在水平力的作用下，由于承台及基桩共同承受水平外力，基桩的受力情况较为不利，桩身内力和位移都比同样水平外力作用下的低桩承台要小，其稳定性比高桩承台好。二、桩基础按施工方法分类桩基础沉桩（预制桩）灌注桩管柱基础钻埋空心桩打入桩（锤击桩）振动下沉桩静力压桩钻、挖孔灌注桩沉管灌注桩沉桩——打入桩打入桩是通过锤击（或以高压射水辅助）将各种预先制好的桩（主要是钢筋混凝土实心桩或管桩，也有木桩或钢桩）打入地基内达到所需要的深度。这种施工方法适应于桩径较小（一般直径在0.60m以下），地基土质为砂性土、塑性土、粉土、细砂以及松散的不含大卵石或漂石的碎卵石类土的情况。沉桩——振动下沉桩振动法沉桩是将大功率的振动打桩机安装在桩顶（预制的钢筋混凝土桩或钢管桩），利用振动力以减少土对桩的阻力，使桩沉入土中。它对于较大桩径，土的抗剪强度受振动时有较大降低的砂土等地基效果更为明显。《公桥基规》将打入桩及振动下沉桩均称为沉桩。沉桩——静力压桩在软塑粘性土中也可以用重力将桩压入土中称为静力压桩。这种压桩施工方法免除了锤击的振动影响，是在软土地区，特别是在不允许有强烈振动的条件下桩基础的一种有效施工方法。沉桩预制桩的特点（1）不易穿透较厚的砂土等硬夹层（除非采用预钻孔、射水等辅助沉桩措施），只能进入砂、砾、硬粘土、强风化岩层等坚实持力层不大的深度。（2）沉桩方法一般采用锤击，由此产生的振动、噪声污染必须加以考虑。（3）沉桩过程产生挤土效应，特别是在饱和软粘土地区沉桩可能导致周围建筑物、道路、管线等的损失。（4）一般说来预制桩的施工质量较稳定。（5）预制桩打入松散的粉土、砂砾层中，由于桩周和桩端土受到挤密，使桩侧表面法向应力提高，桩侧摩阻力和桩端阻力也相应提高。（6）由于桩的贯入能力受多种因素制约，因而常常出现因桩打不到设计标高而截桩，造成浪费。（7）预制桩由于承受运输、起吊、打击应力，需要配置较多钢筋，混凝土标号也要相应提高，因此其造价往往高于灌注桩。灌注桩——钻孔灌注桩钻孔灌注桩系指用钻（冲）孔机具在土中钻进，边破碎土体边出土渣而成孔，然后在孔内放入钢筋骨架，灌注混凝土而形成的桩。为了顺利成孔、成桩，需采用包括制备有一定要求的泥浆护壁、提高孔内泥浆水位、灌注水下混凝土等相应的施工工艺和方法。钻孔灌注桩的特点是施工设备简单、操作方便，适应于各种砂性土、粘性土，也适应于碎、卵石类土层和岩层。但对淤泥及可能发生流沙或承压水的地基，施工较困难，施工前应做试桩以取得经验。我国已施工的钻孔灌注桩的最大入土深度已达百余米。灌注桩——挖孔灌注桩依靠人工（用部分机械配合）在地基中挖出桩孔，然后与钻孔桩一样灌注混凝土而成的桩称为挖孔灌注桩。它的特点是不受设备限制，施工简单；桩径较大，一般大于1.4m。适应于无水或渗水量小的地层；对可能发生流沙或含较厚的软粘土层地基施工较困难（需要加强孔壁支撑）；在地形狭窄、山坡陡峻处可以代替钻孔桩或较深的刚性扩大基础。因能直接检验孔壁和孔底土质，所以能保证桩的质量。还可采用开挖办法扩大桩底以增大桩底的支承力。灌注桩——沉管灌注桩沉管灌注桩系指采用锤击或振动的方法把带有钢筋混凝土桩尖或带有活瓣式桩尖（沉桩时桩尖闭合，拔管时活瓣张开）的钢套管沉入土层中成孔，然后在套管内放置钢筋笼，并边灌混凝土边拔套管而形成的灌注桩，也可将钢套管打入土中挤土成孔后向套管中灌注混凝土并拔出套管成桩。特点：适用于粘性土、砂性土、砂土地基可以避免钻孔灌注桩施工中可能产生的流砂、坍孔的危害和由泥浆护壁所带来的排渣等弊病桩的直径较小在软粘土中易出现混凝土桩缩颈现象灌注桩的特点（1）施工过程无大的噪声和振动（沉管灌注桩除外）。（2）可根据土层分布情况任意变化桩长；根据同一建筑物的荷载分布与土层情况可采用不同桩径；对于承受侧向荷载的桩，可设计成有利于提高横向承载力的异形桩，还可设计成变截面桩，即在受弯矩较大的上部采用较大的断面。（3）可穿过各种软、硬夹层，将桩端置于坚实土层和嵌入基岩，还可扩大桩底以充分发挥桩身强度和持力层的承载力。（4）桩身钢筋可根据荷载与性质及荷载沿深度的传递特征，以及土层的变化配置。无需象预制桩那样配置起吊、运输、打击应力筋。其配筋率远低于预制桩，造价约为预制桩的40～70%。管柱基础将预制的大直径（直径1~5m左右）钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土或钢管柱（实质上是一种巨型的管桩，每节长度根据施工条件决定，一般采用4m、8m或10m，接头用法兰盘和螺栓联接），用大型的振动沉桩锤沿导向结构将其振动下沉到基岩（一般以高压射水和吸泥机配合帮助下沉），然后在管柱内钻岩成孔，下放钢筋笼骨架，灌注混凝土特点：没有水下作业、不受季节限制施工动力要求较高在一般公路桥梁中很少采用钻埋空心桩是一种全新的基桩工艺，将预制桩壳预拼连接后，吊放沉入已成的桩孔内，然后进行桩侧填石压浆和桩底填石压浆而形成的预应力钢筋混凝土空心桩叫钻埋空心桩。它适用于大跨径桥梁大直径桩基础，通常与空心墩相配合，形成无承台大直径空心桩墩。三、桩按设置效应分类桩基础挤土桩部分挤土桩非挤土桩挤土桩在锤击或振入过程中都要将桩位处的土大量排挤开（一般把用这类方法设置的桩称为打入桩），因而使土的结构严重扰动破坏（重塑）。粘性土由于重塑作用使抗剪强度降低（一段时间后部分强度可以恢复）；而原来处于疏松和稍密状态的无粘性土的抗剪强度则可提高。桩型：实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩。部分挤土桩打桩时对桩周土稍有排挤作用，但对土的强度及变形性质影响不大。由原状土测得的土的物理、力学性质指标一般仍可用于估算桩基承载力和沉降。桩型：底端开口的钢管桩、型钢桩和薄壁开口预应力钢筋混凝土。非挤土桩先钻孔后打入以及钻（冲、挖）孔桩在成孔过程中将孔中土体清除掉，不会产生成桩时的挤土作用。但桩周土可能向桩孔内移动，使得非挤土桩的承载力常有所减小。四、桩按桩土相互作用特点分类桩基础竖向受荷桩横向受荷桩变截面桩摩擦桩端承桩或柱桩主动桩被动桩支盘桩扩底桩摩擦桩和端承桩摩擦桩：穿过并支承在各种压缩性土层中，在竖向荷载作用下，基桩所发挥的承载力以侧摩阻力为主时，统称为摩擦桩。端承桩：桩穿过较松软土层，桩底支承在坚实土层（砂、砾石、卵石、坚硬老粘土等）或岩层中，且桩的长径比不太大时，在竖向荷载作用下，基桩所发挥的承载力以桩底土层的抵抗力为主时，称为端承桩或柱桩。a端承桩b摩擦桩五、桩按桩身材料分类桩基础木桩钢桩钢筋混凝土桩钢桩的特点：可根据荷载特征制作成各种有利于提高承载力的断面。且其抗冲击性能好、节头易于处理、运输方便、施工质量稳定，还可根据弯矩沿桩身的变化情况局部加强其断面刚度和强度。钢桩的最大缺点是造价高和存在锈蚀问题。钢筋混凝土桩的特点：配筋率较低（一般为0.3~1.0%），而混凝土取材方便、价格便宜、耐久性好。钢筋混凝土桩既可预制又可现浇（灌注桩），还可采用预制与现浇组合，适用于各种地层，成桩直径和长度可变范围大。因此，桩基工程的绝大部分是钢筋混凝土桩，桩基工程的主要研究对象和主要发展方向也是钢筋混凝土桩。《公桥基规》规定：第三节桩与桩基础的构造一、桩基础的基本构造和特点1、钢筋混凝土灌注桩钻（挖）孔桩及沉管桩是采用就地灌注的钢筋混凝土桩，桩身常为实心断面。混凝土强度等级不低于C20，对仅承受竖直力的基桩可用C15（但水下混凝土仍不应低于C20）。钻孔桩设计直径一般为0.80~1.50m，挖孔桩的直径或最小边宽度不宜小于1.40m，沉管灌注桩直径一般为0.30~0.60m。桩内钢筋应按照内力和抗裂性的要求布设，长摩擦桩应根据桩身弯矩分布情况分段配筋，短摩擦桩和柱桩也可按桩身最大弯矩通长均匀配筋。钻孔灌注桩常用的含筋率为0.2~0.6%，较一般预制钢筋混凝土实心桩、管桩与管柱均低。钢筋混凝土灌注桩1-主筋；2-箍筋；3-加强箍；4-护筒绑扎钢筋笼钢筋笼2、钢筋混凝土预制桩沉桩（打入桩和振动下沉桩）采用预制的钢筋混凝土桩，有实心的圆桩和方桩（少数为矩形桩）,有空心的管桩，另外还有管柱（用于管柱基础）。管桩由工厂以离心旋转机生产，有普通钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土两种，直径为400、550mm，管壁厚80mm，混凝土强度为C25~C40，每节管桩两端装有连接钢盘（法兰盘）以供接长。管柱实质上是一种大直径薄壁钢筋混凝土圆管节，在工厂分节制成，施工时逐节用螺栓接成，它的组成部分是法兰盘、主钢筋、螺旋筋，管壁（不低于C25，100~140mm），最下端的管柱具有钢刃脚，用薄钢板制成。我国常用的管柱直径为1.50~5.80m一般采用预应力钢筋混凝土管柱。1-实心方桩；2-空心方桩；3-吊环预制方桩绑扎钢筋笼预制管桩《公桥基规》规定：3、钢桩型式：主要的有钢管型和H型钢桩，常用的是钢管桩。优点：强度高，能承受强大的冲击力和获得较高的承载力；其设计的灵活性大，壁厚、桩径的选择范围大，便于割接，桩长容易调节；轻便，易于搬运，沉桩时贯入能力强、速度较快，可缩短工期，且排挤土量小，对邻近建筑影响小，也便于小面积内密集的打桩施工。缺点：用钢量大，成本昂贵，在大气和水土中钢材具有腐蚀性。《公桥基规》规定：钢管桩裸管吊装钢管桩裸管进入防腐生产线正在进行环氧粉末喷涂的钢管桩钢管桩成品管吊装存放打桩船施工已打入杭州湾海底的防腐钢管桩大桥承台施工二、承台的构造及桩与承台的连接平面尺寸和形状：应根据上部结构（墩、台身）底截面尺寸和形状以及基桩的平面布置而定，一般采用矩形和圆端形。承台厚度：应保证承台有足够的强度和刚度，公路桥梁墩台多采用钢筋混凝土或混凝土刚性承台（承台本身材料的变形远