桩基岩土工程(15.3)

2020/2/715.3桩基岩土工程问题分析在房屋建筑与构筑物的基础设计中，桩基是常用形式之一。桩基具有施工方便、承载力高、沉降量小等优点。一、桩基类型及持力层的选择桩的种类很多，但在房屋建筑与构筑物的桩基础设计中，常用灌注桩和预制桩。灌注桩——沉管灌注桩、大直径桩（钻孔、人工挖孔）、扩孔灌注桩等。桩基持力层选择在稳定的硬塑—坚硬状态的低压缩性粘性土和粉土层，中密以上的砂土、碎石层，微、中风化的基岩。第四系土层作为桩端持力层其厚度宜超过6～10倍桩身2020/2/7直径或桩身宽度；扩底墩的持力层厚度宜超过2倍墩底直径；如果持力层下卧软弱地层时，应从持力层的整体强度及变形要求考虑，保证持力层有足够厚度。此外，对于预制打入桩来说，还应考虑桩能顺利穿过持力层以上各地层的可能性。二、在房屋建筑与构筑物的桩基础中，一般以受竖向荷载为主，故单桩承载力常指的是单桩竖向承载力。单桩承载力一方面取决于制桩材料的强度，另一方面取决于土对桩的支承力，大多数情况下，桩的承载力都是由土的支承力控制的。因此，如何根据地基的强度与变形确定单桩承载力是设计桩基础的关键问题，根据土对桩的支承力确定单桩承载力的方法，主要有静荷载(桩载)试验与静力分析(半经验公式计算)两种方法。2020/2/7静力分析法主要是根据原位测试资料或土的物理性质指标与承载力参数之间的关系来确定单桩承载力。对一级建筑桩基应采用现场静载荷试验，并结合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定。对二级建筑桩基应根据静力触探、标准贯入、经验参数等估算，并参照地质条件相同的试桩资料，综合确定，当缺乏可参照的试桩资料或地质条件复杂时，应由现场静载荷试验确定。对三级建筑桩基，如无原位测试资料时，可利用承载力经验参数估算。2020/2/7桩静载荷试验是先在准备施工的地方打试验桩，在试桩顶上分级施加静荷载，直至桩发生剧烈或不停滞的沉降(桩已丧失稳定性)为止，在同一条件下的试桩数量，不宜少于总桩数的1%，并不应少于3根，工程总桩数在50根以内时不应少于2根。然后根据试验结果，绘制荷载～沉降(Q～S)关系曲线，从而可确定单桩竖向极限承载力标准值。按静力分析法估算单桩承载力，不同规范所推荐的经验公式是有差别的，有的用以估算单桩承载力设计值，有的则用以估算单桩承载力极限值。在房屋建筑与构筑物的桩基中，主要是估算单桩承载力极限值，下面介绍在房屋建筑与构筑物的桩基中常用的静力触探法与按土的物理指标法确定单桩承载力极限值。2020/2/7(一)静力触探试验中的探头与土的相互作用，相似于桩与土的相互作用，因此可以用静力触探试验测得的比贯入阻力(单桥)或双桥探头中的锥尖阻力与侧壁摩阻力估算单桩承载力。但不能直接以静力触探中端阻与摩阻作为实际单桩的端阻力和摩阻力，而必须经过修正，这是因为静力触探的工作性能与实际单桩的工作性能有所不同。不同之处主要是尺寸效应、应力场、材料性质等，存在这些差异所造成的影响至今还难以从理论上逐项严密地进行理论或从数学关系上加以描述，因此用静力触探确定单桩承载力也是一种经验估算。2020/2/7(1)根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制单桩竖向极限承载力标准值时，Quk=Qsk+Qpk=u∑qsik·li+α·psk·Ap式中：Quk——单桩竖向极限承载力标准值；Qsk——单桩总极限侧阻力标准值；Qpk——单桩总极限端阻力标准值；u——桩身周长；qsik——用静力触探比贯入阻力值估算的桩周第i层土的极限侧阻力标准值；li——桩穿越第i层土的厚度；α——桩端阻力修正系数；psk——桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值(平均值)；Ap——桩端面积。2020/2/7(2)根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，对于粘性土、粉土和砂土、如无当地经Quk=u∑liβifsi+αqcApfsi——第i层土的探头平均侧阻力；qc——桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4d(d为桩的直径或边长)范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值，然后再和桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均；α——桩端阻力修正系数，对粘性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2；βi——第i层土桩侧阻力综合修正系数。2020/2/7(二)根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkApqsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验值时，可查规范。qpk——极限端阻力标准值，如无当地经验值时，可表。三、当桩中心距小于或等于6倍桩径且桩数超过9根(含9根)时，可将桩和土作为假想的实体基础，此时桩台、桩和桩间土形成一个整体，在上部荷载作用下一起下沉，这便是群桩作用。验算这类桩基的承载力与沉降时，按实体基础考虑。2020/2/7（一）群桩承载力验算群桩承载力验算是指验算实体基础底面(桩端平面处)的地基承载力是否满足。常用方法之一是假定荷载从最外一圈的桩顶，以φ0/4的倾角向下扩散传布(φ0为桩长范围内各土层的平均内摩擦角)，此时应满足：中心荷载时，fAGF偏心荷载时，fWMWMAGFyyxx2.12020/2/7(二)群桩沉降验算时，同样将群桩作为实体基础，所计算的桩基变形值应满足建筑物桩基变形允许值的规定，建筑物桩基变形允许值如无当地经验时可查表中的规定采用，对于表中未包括的建筑物桩基变形允许值，可根据上部结构对桩基变形的适应能力和使用上的要求确定。实体基础的底面尺寸可按φ0/4扩散后的范围取值，亦可按桩端处群桩所占的范围取值，两种取法的计算结果略有差别。群桩的沉降计算可按浅基础的沉降计算步骤进行，亦即前面介绍的沉降计算方法。也可按等效作用分层总和法计算。2020/2/7四、桩的负摩擦(阻)力是因为桩周围土层的下沉(地面沉降)对桩产生方向向下的摩阻力。产生负摩擦力的原因主要有：（1）欠固结软粘土或新填土的自重固结；（2）大面积堆载使桩周土层下沉；（3）正常固结软粘土地区地下水位全面下降，有效应力增加引起土层下沉；（4）湿陷性黄土湿陷引起沉降。2020/2/7负摩擦力的作用使桩上的轴向荷载增大(附加荷载)，在负摩擦力较明显的地方，应引起重视。负摩擦力的大小受着多种因素的影响，诸如桩周土与桩端土的强度、土的固结历史、地面荷载、桩的类型及设置方法、地下水位变化以及历时等。因此计算负摩擦力大小是一个较为复杂的问题，大多采用半经验公式或经验估算，主要根据竖向有效应力、土的不排水抗剪强度、土的力学性质指标等进行估算。实际中一般按有效应力估算，即单桩负摩擦力标准值为：qnsi=ζnσ′iqnsi——第i层土桩侧负摩擦力标准值；ζn——桩周土负摩擦力系数，可查表；σ’i——桩周第i层土平均竖向有效应力。2020/2/7在地层组合、地下水情况、地面荷载情况不同时，桩的负摩擦力计算亦不同。我国沿海软土地区过去并未考虑负摩擦力问题，也很少发现由于负摩擦力引起的事故，这是因为在桩端可能继续沉降的情况下，负摩擦力可能减小甚至消失。但当桩穿过15m以上较厚软土层，且地面下沉速率超过每年2cm时，或桩端支承在岩层、砂砾石等硬层上时，所产生的负摩擦力可能较大。2020/2/7第五节兴建房屋建筑与构筑物基础，一般都需要进行基坑开挖，尤其在建筑密集的城市中兴建超高层建筑时，为了利用有限的空间及降低基底的净压力，往往设有1～3层地下室，有的甚至达6层，基坑深度一般都超过5m，有的达数十米。深浅基坑的划分界线在我国还没有统一标准，在国外有人建议把深度超过6m的基坑定为深基坑，小于6m的则为浅基坑。浅基坑(包括浅基础的基坑开挖)的岩土工程问题一般较少且不很严重；深基坑的岩土工程问题一般较为复杂且有的较为严重，因此对深基坑应重视岩土工程问题的分析与评价。2020/2/7基础牢固与否是关系到建筑物安全稳定的首要问题，而基础施工大多从基坑开挖开始。实践证明，基坑开挖工作是否顺利，不仅影响基础施工质量，而且影响施工周期与工程造价。基坑开挖过程中，常遇到基坑壁过量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回弹(或隆起)、坑底渗流(或突涌)、基坑流砂等基坑稳定性问题。为防止或抑制这些问题，使基坑开挖与基础施工顺利进行，需要采取相应的防护措施。2020/2/7(一)在房屋建筑与构筑物的基坑开挖中，尤其是城市中的基坑开挖，由于场地的局限性，大多为有侧壁支护基坑的开挖，即基坑侧壁常要求垂直开挖，如果不采取支护措施，一般基坑侧壁土体是不稳定的。基坑支护工程的作用主要有：①节约施工空间(不放坡开挖)；②保护相邻部位已有构筑物与地下设施的安全；③减小基底隆起；④利用支护结构进行地下水控制；⑤利用支护结构作为永久性结构的一部分等。2020/2/7(二)基坑采取支护措施时，一般都需要分析作用在支护结构上的土压力性质、分布与计算土压力大小。土压力应根据土体经受的侧向变形条件来确定，土压力性质包括静止土压力、主动土压力、被动土压力或与侧向变形条件相应的可能出现的土压力。分析土压力时应考虑场地的工程地质条件、支护结构相对于土体的位移、地面坡度、地面超载、邻近建筑及设施的影响、地下水位及其变化、支护结构体系的刚度、基坑工程的施工方法等。2020/2/7(一)基坑底卸荷回弹(隆起)基坑开挖是一种卸荷过程，开挖愈深，初始应力状态的改变就愈大，这就不可避免地引起坑底土体的隆起变形，有的甚至可能由于受到过大的剪应力而导致基底隆起失效。基坑回弹(隆起)不只限于基坑的自身范围，而且要波及四邻地面，引起地面挠曲，对邻近建筑物或设施均产生影响，应引起注意。必要时要组织施工开挖过程中坑内外地面的变形监测，供及时分析趋势和采取措施之需。2020/2/7(二)如果基坑在粘性土中开挖，且坑底下有承压水存在时，当上覆土层减到一定程度时，承压水水头压力便冲破基坑底板造成渗流(或突涌)现象。rw=mH/wh式中：m——透水层(砂层)以上粘性土的饱和重度(kN/m3)；H——透水层顶面至基坑底面的垂直距离(m)；w——水的重度(kN/m3)；h——承压水头高于透水层顶面的高度(m)；rw——为使基坑底不因渗流而丧失稳定性，一般要求rw≥1.2，如果验算的rw＜1.2，应采取必要的措施，如降水等。2020/2/7(三)当基坑底以上粘性土中夹有砂或粉土，且地下水位较高，基坑开挖揭露这些夹层时；或者当基坑底部为砂土或粉土、随着基坑开挖加深，水力坡度加大，当动水压力超过砂土或粉土颗粒自重使土颗粒悬浮时，砂或粉土与水一Icr=(s-1)(1-n)Icr——临界水力坡度；s——土的颗粒密度；n——土的孔隙度，以小数计。2020/2/7(四)在房屋建筑与构筑物的基坑开挖中，在没有采用支护结构之前，基坑边坡(一般为粘性土)整体稳定性一般采用极限平衡理论中的条分法(多采用瑞典条分法)进行估算，从而可确定最危险的滑动面。对于采用支护结构的基坑，稳定性验算仍采用条分法，验算时应将支护结构所产生的抗滑力矩计入总的抗滑力矩之中。2020/2/7当基坑开挖至地下水位以下时，为了防止因地下水作用而引起的渗流、流砂、管涌、坑底隆起、边坡滑塌以及坑外地层过度变形等，保证施工过程中处于疏干和稳态的工作条件下进行开挖，必须做好对地下水的控制工作。基坑工程控制地下水的方法有降低地下水位与隔离地下水两类。对于弱透水地层中的浅基坑，当基坑环境简单、含水层较薄、降水深度较小时，可考虑采用集水明排的方法进行降水；在其他情况下宜采用降水井降水、隔水措施或隔水、降水综合措施。2020/2/7(1)(2)地下水的类型、地下水位标高与动态规律以及各含水层之(3)各含水层的补给、径流条件、基坑与附近大型地表水源的(4)(5)基坑开挖深度、尺寸，基坑周围建筑与地下管线基础情况(6)基坑工程施工季节内的气象资料及基坑维持时间。