搜索
第十二章桩基础12.1概述12.8桩承台的设计12.2桩的类型12.3桩的竖向承载力12.4桩基础的沉降计算12.5桩的负摩擦问题12.6桩的水平承载力12.7桩的平面布置原则12.9桩基础设计的一般步骤一、桩基础及其应用桩基础（简称桩基）：桩基础由桩和承台两部分组成，共同承受静动荷载的一种深基础。桩：是设置于土中的具有一定刚度和抗弯能力的竖直或倾斜的柱型基础构件，其横截面尺寸比长度小得多，它与连接桩顶和承接上部结构的承台组成深基础。承台：把若干根桩的顶部联结成整体，把上部结构传来的荷载转换、调整分配于各桩，由穿过软弱土层或水的桩传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层，从而保证建筑物满足地基稳定和变形允许值的要求。桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、抗震能力强、便于机械化施工、适应性强等特点，在工程中得到广泛的应用。12.1概述对下述情况，一般可考虑选用桩基础方案：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；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他情况；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；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。桩的应用历史(1)7000-8000年前湖上居民,浙江河姆渡(2)3000-4000年前在罗马(3)西安灞桥,北京御河桥,隋唐建塔(4)明清二、桩基础的类型根据承台与地面相对位置的高低，分为：低承台桩基和高承台桩基。低承台桩基：承台底面位于地面以下。（工业民用建筑）高承台桩基：承台底面高于地面。（桥梁、海洋构筑物）桩基是由桩、土、承台共同组成的基础，应结合地区经验考虑三者的共同作用。由于桩基承载力都较高，通常大多数桩基的首要问题是在于控制其沉降量，因此，桩基设计应按变形控制设计。桩基设计应满足下列条件：强度要求：单桩承受竖向荷载不宜超过单桩竖向承载力特征值；变形要求：桩基础的沉降不得超过建筑物沉降允许值；对于坡地岸边的桩基应进行桩基稳定性验算。三、桩基设计原则四、桩基设计内容桩基设计包括下列基本内容：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。桩的分类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桩成型效应挤土桩部分挤土桩按承台地面位置非挤土桩低承台桩高承台桩12.2桩的类型一、按桩的承载性状和竖向受力分类——摩擦型桩和端承型桩摩擦型桩：桩顶竖向荷载由桩侧阻力和端阻力共同承担，但桩侧阻力分担较多荷载。当桩顶竖向荷载绝大部分由桩侧阻力承担，端阻力很小时，称为摩擦桩。下列情况可按摩擦桩考虑：1、桩的长径比很大，桩端分担的荷载很小；2、桩端下无较坚实的土层；3、桩底有较厚虚土和残渣的灌注桩；4、打入邻桩使先前设置的桩上抬，桩端脱空。端承型桩：桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受，但桩端阻力分担荷载较多的桩。这类桩的侧摩阻力虽属次要，但不可忽视。主要由桩端阻力分担荷载，而侧阻力很小可以忽视不计时的桩称为端承桩。下列情况可按端承型桩考虑：1、桩的长径比较小（l/d≤10），桩穿过软土层，桩端位于硬土层。2、当桩嵌入完整或较完整岩层时称为嵌岩桩。二、按桩的施工方法分类：——预制桩和灌注桩（一）预制桩1、定义：指借助于专用机械设备将预先制作好的具有一定形状、刚度与构造的桩杆打入、压入或振入土中去的桩型。2、预制桩的种类：据制桩材料不同，主要有木桩、混凝土预制桩和钢桩。1）混凝土预制桩一般为配筋率较低（0.3~1.0%）的钢筋混凝土桩。截面形状：方形、圆形等，普通实心方桩截面尺寸：300~500mm。制作方式：工厂预制，每节长度小于12m，现场预制25~30m，沉桩时现场连接到所需长度。特点：可方便地按所需长度、断面形状与尺寸进行制作（制作方便），材料易得，质量可控制与检验，强度高、刚度大，采用广泛。配筋主要受起吊、运输、吊立、沉桩等各阶段的应力控制，用钢量较大。2）预应力钢筋混凝土桩为减少混凝土预制桩的钢筋用量、提高桩的承载力和抗裂性，可采用预应力混凝土桩。预应力混凝土桩是指将钢筋混凝土桩的部分或全部主筋作为预应力张拉钢筋，采用先张法或后张法对桩身混凝土施加预压应力，以减小桩身混凝土的锤击拉应力和弯拉应力，提高桩的抗冲（锤）击能与抗弯能力。其特点为：强度高、抗裂性好。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。桩的下端设置十字型桩尖、圆锥型桩尖或开口型桩尖。3）钢桩工程常用的钢桩有H型钢桩以及下端开口或闭口的钢管桩等。H型钢桩的横截面大都呈正方形，截面尺寸为200×200mm~360×410mm，翼缘和腹板的厚度为9~26mm。H型钢桩贯人各种土层的能力强，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。特点：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。预制桩的沉桩方式主要有锤击法沉桩、振动法沉桩及静压法沉桩。1）锤击法（打桩）沉桩系采用蒸汽锤、柴油锤、液压锤等，依靠沉重的锤芯自由下落以及部分包含液压产生的冲击力，将桩体贯入土中，直至设计深度。适用于地基土为松散的碎石土（不含大卵石或漂石）、砂土、粉土以及可塑粘性土的情况。缺点：会产生较大的振动、挤土和噪声，引起邻近建筑物或地下管线的附加沉降或隆起，妨碍人们的正常生活与工作。措施：施工时应加强对邻近建筑物和地下管线的变形监测与施工控制，并采取周密的防护措施。适用于松软土地质条件和较空旷的地区。2）振动法沉桩凭借放置于桩顶的振动锤使桩产生振动，从而使桩周土体受扰动或液化，强度和阻力大大降低，于是桩体在自重和动力荷载作用下沉入土中。适用于可塑状的粘性土和砂土，对受振动时土的抗剪强度有较大降低的砂土地基和自重不大的钢桩，沉桩效果更好。选用时应考虑其振动、噪声和挤土效应。3）静压法沉桩采用液压或机械方法对桩顶施加静压而将桩压入土中设计标高。施工过程中无振动和噪声。适宜在软土地带城区施工。但应注意，其挤土效应仍不可忽略，亦应采取防挤措施。静压桩机压桩力一般约为800kN至5000kN，最大压桩力已达8000kN。沉管灌注桩钻孔灌注桩挖孔灌注桩爆破灌注桩灌注桩（二）灌注桩指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成的桩孔内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。灌注桩的横截面呈圆形，可以做成大直径和扩底桩。优点：省去了预制桩的制作、运输、吊装和打入等工序，桩不承受这些过程中的弯折和锤击应力，节省了钢材和造价。同时更能适应基岩起伏变化剧烈的地质条件（适应性强）。缺点：成桩过程完全在地下“隐蔽”完成。施工过程中的许多环节把握不当则会影响成桩质量。1、沉管灌注桩沉管灌注桩是指采用锤击沉管打桩机或振动沉管打桩机，将套上预制钢筋混凝土桩尖或带有活瓣桩尖（沉管时桩尖闭合，拔管时活瓣张开以便浇灌混凝土）的钢管沉入土层中成孔，然后边灌注混凝土、边锤击或边振动边拔出钢管并安放钢筋笼而形成的灌注桩。锤击沉管灌注桩的常用直径（指预制桩尖的直径）为300~500mm，振动沉管灌注桩的直径一般为400~500mm。沉管灌注桩桩长常在20m以内，可打至硬塑粘土层或中、粗砂层。优点：在钢管内无水环境中沉放钢筋笼和浇灌混凝土，为桩身混凝土的质量提供了保障。缺点：一是提管速度过快会造成缩颈、夹泥、甚至断桩；二是沉管过程中产生挤土效应除产生与预制桩类似的影响处，还可能使混凝土尚未结硬的邻桩被剪断。对策：控制提管速度，并振动桩管，不让管内产生负压，提高桩身混凝土的密实度并保持其连续性；采用“跳打”顺序施工，待混凝土强度足够时再在它的近旁施打相邻桩。机器就位沉管浇混凝土拨管、振动机器就位安钢筋笼，浇混凝土成型2、钻孔灌注桩：指各种在地面用机械方法取土成孔的灌注桩。目前，桩径为600或650mm的钻孔灌注桩，国内常用回转机具成孔，桩长10~30m；1200mm以下的钻（冲）孔灌注桩在钻进时不下钢套筒，而是采用泥浆保护孔壁以防塌孔，清孔（排走孔底沉渣）后，在水下浇灌混凝土。更大直径（1500-3000mm）的钻（冲）孔桩一般用钢套筒护壁，所用钻机具有回旋钻进、冲击、磨头磨碎岩石和扩大桩底等多种功能，钻进速度快，深度可达80m。步骤：成孔、沉放导管和钢筋笼、浇灌水下混凝土成桩。优点：施工过程无挤土、无振动、噪声小，对邻近建筑物及地下管线危害较小，且桩径不受限制，是城区高层建筑常用桩型。缺点：泥浆沉淀不易清除，以至使其端部承载力不能充分发挥，并造成较大沉降。措施：孔底夯填碎石消除淤泥沉淀或桩底注浆，置换与加固沉淀泥浆。3、挖孔灌注桩挖孔桩可采用人工或机械挖掘成孔，每挖深0.9~1.0m，就现浇或喷射一圈混凝土护壁（上下圈之间用插筋连接），然后安放钢筋笼，灌注混凝土而成。人工挖孔桩的桩身直径一般为800~2000mm，最大可达3500mm。当持力层承载力低于桩身混凝土受压承载力时，桩端可扩底，视扩底端部侧面和桩端持力层土性情况，扩底端直径与桩身直径之比D/d不宜超过3，最大扩底直径可达4500mm。挖孔桩的桩身长度宜限制在30m内。当桩长L≤8m时，桩身直径（不含护壁）不宜小于0.8m；当8m＜L≤15m时，桩身直径不宜小于1.0m；当15m＜L≤20m时，桩身直径不宜小于1.2m;当桩长L＞20m时，桩身直径应适当加大。工艺特点：现多用现浇混凝土护壁。适用环境：适用于粘性土和地下水位较低，含水砂层易引起流砂坍孔；优点：一是直观性，可在开挖面直接鉴别和检验孔壁和孔底的土质情况；二是能直能测定与控制桩身与桩底的直径及形状等，克服“隐蔽性”；三是干作业，挖土和浇灌混凝土都是在无水环境下进行，避免了泥水对桩身质量和承载力的影响；四是施工过程对周围没有挤土影响；五是不必采用大型机械、造价低，但需注意安全。4、爆扩灌注桩爆扩灌注桩是指就地成孔后，在孔底放人炸药包并灌注适量混凝土后，用炸药爆炸扩大孔底，再安放钢筋笼，灌注桩身混凝土而成的桩。爆扩桩的桩身直径一般为200~350mm，扩大头直径一般取桩身直径的2~3倍，桩长一般为4~6m，最深不超过10m。这种桩的适应性强，除软土的新填土外，其他各种地层均可用，最适宜在粘土中成型并支承在坚硬密实土层上的情况。我国常用灌注桩的适用范围见下页表（三）按桩的成型方式效应分类：——挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩桩的成型方式（打入或钻孔成桩等）不同，桩周土受到的挤土作用也很不相同。挤土作用会引起桩周土的天然结构、应力状态和性质产生变化，从而影响桩的承载力，这种变化与土的类别、性质特别是土的灵敏度、密实度和饱和度有密切关系。对摩擦型桩，成桩后的承载力还随时间呈一定程式的增长，一般来说，初期增长速度较快，随后逐级变缓，一段时间后则趋于某一极限值。根据成桩方法对桩周土层的影响，桩可分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类。（1）挤土桩(也称排土桩)：这类桩在设置过程中，桩周土被挤开，使土的工程性质与天然状态比较，发生较大变化。挤土桩主要包括打入或压入预制混凝土桩、封底钢管桩和混凝土管桩和沉管式的灌注桩等；挤土桩的成桩效应:①粘性土：表现为桩侧土受到挤压、扰动、重塑，产生超孔隙水压力，饱和粘性土中，可能会因邻近土体产生横向位移和竖向隆起而使临近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。随后超孔隙水压力消散、产生再固结和触变恢复。挤土效应将使桩周土产生压缩增强效应，使侧阻力提高。但压缩增强效应有限，与土的强度、模量、泊松比