搜索
第四章桩基础4.1概述4.2桩的类型4.3桩的竖向承载力4.4桩基础沉降的计算4.5桩的负摩擦问题4.7桩的平面布置原则4.8桩承台的设计4.9桩基础设计的一般步骤一、桩基础的特点桩是竖直或微倾斜的基础构件，横截面尺寸远小于长度方向。荷载传递：桩侧摩擦阻力+桩端阻力OR通过桩身将横向荷载传递给土体桩的工程作用：(1)桩侧与土体接触，将荷载传递给桩周土体，或荷载传给深层的岩(砂、硬粘土)层；(2)对液化地基，桩穿越液化层，增加结构抗震能力；(3)桩侧竖向刚度大，桩穿越高压缩土层，沉降要求高的结构满足安全和使用要求；(4)桩具有很大的侧向刚度和抗拔力，抵抗台风、地震等巨大水平力；(5)改变地基基础的动力特性，提高地基基础自振频率，减少振幅，保证结构及设备正常运行。桩的施工工艺分类表主要针对钢筋混凝土桩，机具设备、制桩工艺预制桩：在地面上预先制作好钢筋混凝土桩身，然后通过锤击、静压或振动等方法将预制桩沉入地基内到达的深度，形成桩基础。桩径较小0.6m以下；地基土为砂性土、粉土、细砂及松散的不含大卵石的土。灌注桩：在施工现场的桩位上，通过机械钻凿或人工挖掘等方法形成桩孔，然后孔内放入钢筋笼，灌注混凝土，形成钢筋混凝土灌注桩。桩长桩径变化大，应用广。图4－1桩基础示意图（a）低承台桩基础；（b）高承台桩基础坚实土层软弱土层桩承台上部结构软弱土层坚实土层桩承台上部结构(a)(b)高承台低承台竖直桩斜桩4.1概述适用性：①天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物；②天然地基承载力基本满足要求、但沉降量过大，需利用桩基减少沉降的建筑物，如软土地基上的多层住宅建筑，或在使用上、生产上对沉降限制严格的建筑物；③重型工业厂房和荷载很大的建筑物，如仓库、料仓等；④软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物；⑦地基土有可能被水流冲刷的桥梁基础；⑧需穿越水体和软弱土层的港湾与海洋构筑物基础，如栈桥、码头、海上采油平台及输油、输气管道支架等。⑤作用有较大水平力和力矩的高耸结构物（如烟囱、水塔等）的基础，或需以桩承受水平力或上拔力的其它情况；⑥需要减弱其振动影响的动力机器基础，或以桩基作为地震区建筑物的抗震措施；桩基设计原则：荷载效应组合与浅基础相同。桩基设计应满足下列基本条件：单桩承受的竖向荷载不应超过单桩竖向承载力特征值；桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值；对位于坡地岸边的桩基应进行桩基稳定性验算。特殊土地基上的桩基：软土、湿陷性黄土、岩溶……桩基设计内容①桩的类型和几何尺寸的选择；②单桩竖向（和水平向）承载力的确定；③确定桩的数量、间距和平面布置；④桩基承载力和沉降验算；⑤桩身结构设计；⑥承台设计；⑦绘制桩基施工图。1.根据桩的性状和竖向受力情况划分2.根据施工方法划分3.根据挤土效应划分4.2桩的类型1、端承型桩和摩擦型桩端承型桩是指桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受的桩。端承型桩包括端承桩和摩擦端承桩两类。当桩侧阻力很小可以忽略不计时，称为端承桩。摩擦型桩是指桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受的桩。摩擦型桩包括摩擦桩和端承摩擦桩。当桩端阻力很小可以忽略不计时,称为摩擦桩。桩侧阻力，桩端阻力端承型桩：其桩端一般进入中密以上的砂类、碎石类土层，或位于中风化、微风化及新鲜基岩顶面。这类桩的侧摩阻力虽属次要，但不可忽略。端承桩：桩的长径比较小（一般l／d≤10），桩身穿越软弱土层，桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中风化、微风化及未风化硬质岩石顶面（即入岩深度hr≤0.5d）。嵌岩桩：当桩端嵌入完整和较完整的中风化、微风化及未风化硬质岩石一定深度以上（hr0.5d)时,称为嵌岩桩。工程实践中，嵌岩桩一般按端承桩设计。但这并不意味着嵌岩桩不存在侧阻和嵌岩阻力。摩擦型桩：桩端持力层多为较坚实的粘性土、粉土和砂类土，且桩的长径比不很大。摩擦桩：具备下列条件之一时：①桩的长径比很大，桩顶荷载只通过桩身压缩产生的桩侧阻力传递给桩周土，因而桩端下土层无论坚实与否，其分担的荷载都很小；②桩端下无较坚实的持力层；③桩底残留虚土或残渣较厚的灌注桩；④打入邻桩使先设置的桩上抬、甚至桩端脱空等情况。2、预制桩和灌注桩(1)预制桩木桩，混凝土预制桩，钢桩。常用松木，长4~6m，桩径160~260mm，多用于软弱地基上的民宅和小型建筑物。应打入地下水位以下0.5m。要确保桩端进入硬持力层。工程实例－－某民宅剖面图平面图北转下页硬土软土1995年10月6日下午4:20楼房先是缓慢向南倾斜，后突然倾覆倒塌。3名装修工人死亡，室内多人受伤。鉴定结果：违章作业；梁柱钢筋锚固长度严重不足；基础设计错误。判决结果：屋主、转包人、承建人赔偿40万元；承建人被处以有期徒刑一年零六个月。混凝土预制桩普通混凝土预制桩、预应力混凝土管桩（PC）、预应力高强混凝土管桩（PHC）、预应力砼空心方桩。普通混凝土预制桩截面边长一般为300～500mm。可以在工厂生产，也可在现场预制。现场预制桩的长度一般在25～30m以内，工厂预制桩的分节长度一般不超过12m，沉桩时在现场连接到所需长度。预应力混凝土管桩采用先张法预应力工艺和离心成型法制作。经高压蒸气养护生产的为预应力高强混凝土管桩（代号为PHC桩），其桩身离心混凝土强度等级不低于C80；未经高压蒸气养护生产的为预应力混凝土管桩（代号为PC桩），其桩身离心混凝土强度等级C60～C80。常用的PHC、PC管桩的外径为300～600mm，分节长度为7～13m，沉桩时桩节处通过焊接端头板接长。桩的下端设置十字型桩尖、圆锥型桩尖或开口型桩尖。锤击法沉桩施工工艺沉桩前的准备工作：(1)认真处理高空、地上和地下障碍物。(2)对现场周围(50m以内)的建筑物作全面检查。对危房进行必要的处理。(3)对建筑物基线以外4～6m以内的整个区域及打桩机行驶路线范围内的场地进行平整、夯实。在桩架移动路线上，地面坡度不得大于1%。(4)修好运输道路，做到平坦坚实。打桩区域及道路近旁应排水畅通。(5)在打桩现场或附近需设置水准点，数量为两个，用以抄平场地和检查桩的入土深度。根据建筑物的轴线控制桩定出桩基每个桩位，作出标志，并在打桩前，应对桩的轴线和桩位进行复验。(6)打桩机进场后，应按施工顺序铺设轨垫，安装桩机和设备，接通电源、水源，并进行试机。然后移机至起点桩就位，桩架应垂直平稳。沉桩施工要点：(1)桩帽与桩接触的表面应平整，与桩身应在同一直线上。(2)当桩吊起就位后，要缓缓放下，插入土中，进行桩位和垂直度校正后，并在桩身侧面或桩架上设置标尺，做好记录，才能开始施打，开始时应起锤轻压或轻击数锤，待锤以及桩身等垂直度一致后，即可转入正常施打。(3)沉桩时如桩顶不平，可用麻袋或厚纸板等垫平。(4)打桩顺序；(5)桩停止锤击的控制原则：①桩端位于一般土层时，以控制桩端设计标高为主，贯入度可作参考；②桩端过到坚硬、硬塑的粘性土、粉土、中密以上砂土、碎石类土以及风化岩时，以贯入度控制为主，桩端标高作参考。建设部行业标准《预应力砼空心方桩》JG197-2006预应力砼空心方桩KFZ，C60预应力高强砼空心方桩HKFZ，C80薄壁预应力砼空心方桩TKFZ，C60边长300~1000mm相比管桩，承载力更高，成本低，抗震性好，更易成桩。钢桩H型钢桩，下端开口或闭口的钢管桩H型钢桩的横截面大都呈正方形，截面尺寸200×200～360×410mm翼缘和腹板的厚度为9～26mm。H型钢桩贯入各种土层的能力强，对桩周土的扰动亦较小。由于H型钢桩的横截面面积较小，因此能提供的端部承载力并不高。钢管桩的直径一般为400～3000mm，壁厚为6～50mm，国内工程中常用的大致为400～1200mm，壁厚为9～20mm。端部开口的钢管桩易于打入（沉桩困难时，可在管内取土以助沉），但端部承载力较闭口的钢管桩小。钢桩的穿透能力强，自重轻、锤击沉桩的效果好，承载能力高，无论起吊、运输或是沉桩、接桩都很方便。但钢桩的耗钢量大，成本高，抗腐蚀性能较差，须做表面防腐蚀处理，目前我国只在少数重要工程中使用。工程实例－－杭州湾跨海大桥全长36km，打设钢管桩5475根，桩径1500~1600mm，壁厚20~23mm，l=71~89.35m。砼预制桩主要优缺点：桩身质量好，施工工期短。桩径较小，穿透能力有限，配筋量较大。（2）灌注桩（4类）灌注桩是直接在所设计桩位处成孔，然后在孔内加放钢筋笼（也有省去钢筋的）再浇灌混凝土而成。适用于各种地基土，桩端可进入中、微风化岩层；桩径可较大，配筋量小；桩长可按要求确定；桩身质量相对较差。特点：1)沉管灌注桩沉桩方式：锤击、振动、振动冲击。桩径：300~500mm。桩长：20m以内。施工设备简单，沉桩进度快，成本最低，但很易产生缩颈（桩身截面局部缩小）、断桩、局部夹土、混凝土离析和强度不足等质量问题。特点：2）钻（冲、磨）孔灌注桩国内：桩径600~2500mm，桩长70m。特点：桩端能进入微风化硬质岩石。成本高；现场不够环保（泥浆护壁时）。桩径大；能克服流砂、消除孤石等障碍物；3)挖孔桩柱插筋插筋箍筋主筋加劲筋护壁图4－5人工挖孔桩示例桩径0.8~2m（广州新电视塔用了24根，桩径1m-2m)，桩长宜小于30m。Ddbbh1hDbdb图4-6扩底桩构造hh1挖孔桩的优点：可直接观察地层情况，孔底易清除干净，设备简单，噪声小，场区各桩可同时施工，桩径大，适应性强，桩端可以入岩，又较经济；缺点：桩孔内空间狭小、劳动条件差，可能遇到流砂、塌孔、有害气体、缺氧、触电和上面掉下重物等危险而造成伤亡事故，在松砂层（尤其是地下水位下的松砂层）、极软弱土层、地下水涌水量多且难以抽水的地层中难以施工或无法施工。4）爆扩灌注桩（自学）我国常用灌注桩的适用范围见表4-1。3、按挤土效应分类(1)挤土桩－－实心的预制桩，下端封闭的管桩，木桩，沉管灌注桩挤土桩在锤击、振动贯入或压入过程中，都将桩位处的土大量排挤开因而使桩周土层受到严重扰动，土的原状结构遭到破坏，土的工程性质有很大变化。粘性土由于重塑作用而降低了抗剪强度，孔隙水压力升高（土体固结后强度会更高）；而非密实的无粘性土则由于振动挤密而使抗剪强度提高。在饱和粘性土中挤土桩若设置过密，会使土体产生横向位移和竖向隆起，致使先打入的桩被推移或被抬起，或对邻近的结构物造成重大影响。“植桩”法施工钻孔植桩法：放样定桩位→钻机就位钻孔→测量孔深、孔径及孔底虚土沉渣→泥浆护壁→植入预制桩，桩尖达设计标高→拔送桩管、回填送桩内孔虚土。此新工艺将排挤土桩改善为低排挤土桩，减少超空隙水压力上升和土体隆起及位移，从而排除了沉桩时对邻近建筑物、马路、构筑物等不良影响，解决了穿越硬夹土层等的特定条件下的施工难度。(2)非挤土桩－－钻、冲、挖孔桩设桩时桩周土不但没有受到排挤，相反可能因桩周土向桩孔内移动而产生应力松弛现象。因此，非挤土桩的桩侧摩阻力常有所减小。(3)部分挤土桩－－开口的管桩、钢管桩、H型钢桩4.3.1单桩轴向荷载的传递机理Nzz(a)(b)(c)(d)(e)QO图4－8单桩轴向荷载传递（a)微桩段的作用力；(b)轴向受压的单桩；(c)截面位移曲线；(d)摩阻力分布曲线；(e)轴力分布曲线Nz+dNzdzzldzzzzOON0=QNzNQsNl=s承载机理：桩顶轴力Q＝桩侧总阻力Qs+桩端总阻力Qp4.3桩的竖向承载力桩侧摩阻力桩截面位移图4－9曲线ABDC0桩侧阻对应的δu数值：粘性土4~6mm;砂类土6~10mm桩端阻对应的δu数值：粘性土d/10~d/4（d为桩径）；砂类土d/12~d/10。影响荷载传递的主要因素之一：桩的长径比l/d短桩：l/d10中长桩：10~40长桩：40~100超长桩：100长径比很大的桩都属于摩擦桩。为什么？1）桩端土与桩周土的刚度比；对于中长桩，桩端土与桩周土的刚度比分别为多少时，为摩擦桩和端承型桩？2）桩土刚度比；桩土刚度比愈大，传递到桩端的荷载愈大吗？3）桩端扩底直径与桩身直径之比；4）桩的长径比。影响荷载传递的因素：其刚度比愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快还是愈慢？传递到桩端的荷载愈小还是愈大？4.3.2单桩竖向承载力