第4章桩基础.

4.桩基础内容提要概述竖向荷载下的工作性能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：若干基桩+桩间土+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。4.1概述4.1.1桩基组成及适用条件单桩基础群桩基础承台基桩上部结构荷载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，且有较大偏心、水平荷载作用。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。适用条件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桩基础及其分类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分担荷载的比例。在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承担在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承担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混凝土预制桩•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•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•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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按桩的设置效应分类非挤土桩设置过程中清除孔中土体，对桩相邻土基本不产生挤土效应的桩。钻孔灌注桩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。冲击成孔灌注桩、预钻孔打入式预制桩。挤土桩设置过程中将使桩位处的土体大量排挤开，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。预制桩桩的设置效应：桩周土所受的排挤作用将使土的天然结构、应力状态和性质发生很大变化。高承台桩基：承台底面位于地面以上。低承台桩基：承台底面位于地面以下。土层低承台桩基高承台桩基桩上部结构承台按承台位置分类4.1.3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和单轴抗压实验，了解混凝土有无离析、空洞、桩底沉渣和夹泥等缺陷。声波透射法：测砼的连续性，是否存在孔洞、断桩等。动测法：小应变动测，大应变动测。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；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）；坡地、岸边桩基应进行整体稳定性验算；抗震设防区的桩基，应进行抗震承载力计算。所有桩基均应进行承载能力极限状态计算4.1.4桩基设计原则变形验算设计等级为甲级的非嵌岩桩和非深厚坚硬持力层的建筑桩基；设计等级为乙级的体型复杂、荷载分布不均或桩端平面以下存在软弱土层的建筑桩基；软土地基上多层建筑减沉复合疏桩基础；承受较大水平荷载或对水平变位要求严格建筑桩基应计算水平位移。抗裂验算：对不允许出现裂缝或需限制裂缝宽度的混凝土桩身和承台。4.2竖向荷载下单桩的工作性能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。4.2.1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QQ图4.11桩身荷载传递(a)摩擦桩；(b)端承桩4.2.2桩的荷载传递的一般规律a）沉桩（预制桩）b）钻孔灌注桩桩侧摩阻力沿深度分布的情况：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。ZQosQs压曲o压屈破坏：桩支承在坚硬的持力层上，桩周土软弱，Q-S曲线为陡降型，桩身材料控制承载力，穿越软弱土层的小直径桩和嵌岩桩属于此类。4.2.3单桩的破坏模式取决于桩周土的抗剪强度、桩端支承情况、桩的尺寸和类型等。sZQoQso整体剪切：当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层，达到抗剪强度较高的土层，且桩的长度不大时。桩在轴向荷载作用下，由于桩底上部土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体形成滑动面而出现整体剪切破坏。承载力以桩端阻为主，Q-S曲线为陡降型，桩的承载力主要取决于桩端土的支承力。打入式短桩、钻孔短桩属于此类。刺入破坏：桩入土深度较大而桩周土强度均匀，荷载主要由桩侧阻力承受，桩的沉降量较大。承载力以桩侧阻力为主，当桩周土质较软弱时，主要由上部结构所能承受的极限沉降确定；当桩周土抗剪强度较高时，主要取决于桩周土的强度。一般情况下钻孔灌注桩属于此类。定义：桩周土由于自重固结、湿陷、地面荷载等产生大于基桩的沉降时，在桩表面的全部或一部分面积上将出现向下作用的摩阻力。4.2.4桩侧负摩阻力正摩阻负摩阻负摩阻力的危害：负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若有负摩阻力发生，则；桩的外荷载增大桩的承载力相对降低桩基沉降加大桩侧大范围降低地下水（有效应力增大）；桩侧地面大面积堆载（附加应力）；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；（土层沉降）冻土区（升温引起桩侧土沉陷)。产生负摩阻力的原因中性点中性点：桩土相对位移为零的点,桩侧摩阻力为零，桩身轴力最大。中性点位置取决于桩－土间的相对位移。与时间因素、环境因素、地质条件等有关。理论上中性点深度应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定。目前采用经验估算法：ln=0.5～1.0l0，l0—桩周变形土层下限深度，即软弱压缩层厚度。尽量在填土沉降稳定后成桩，保证填土的密实度；成桩前采用预压措施，减少堆载引起的桩侧土沉降；对湿陷性黄土地基，先进行强夯、素土或灰土挤密法处理，消除或减轻湿陷性。预制混凝土桩：涂层法（桩身表面涂沥青等）；预制钢桩：塑料薄膜隔离层法；灌注桩：桩土之间灌注斑脱土浆法；减小负摩阻力的措施单桩承载力：指单桩在外荷（桩顶或沿桩身）作用下，不丧失稳定性，不产生过大变形时的承载能力。单桩竖向极限承载力：单桩在竖向荷载作用下达到破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。4.3单桩竖向承载力确定按桩材强度确定按静载试验确定按土的抗剪强度指标确定按静力触探法确定按经验公式确定按动力试桩法确定一、按桩材强度确定)('gypccAfAfRjfc—砼轴心抗压强度设计值；f‘y—纵向钢筋抗压强度设计值；Ap—桩身截面积（配筋率大于3%时，A改为An=A-A’s）Ag—全部纵向钢筋的截面积；二、由竖向抗压静载试验确定优缺点：直观、可靠，但费时费力。基本原则•桩数：不宜小于总数1％，不少于3根；•对象：地基条件复杂，桩施工质量可靠性低及本地区采用的新桩型或新工艺等情况下的桩基。•试验时间：灌注桩待桩身混凝土达设计强度；预制桩设置后开始载荷试验所需的间歇时间：对于砂类土不得少于10天；粉土和粘性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。•试验装置：①加荷系统：包括加力装置和反力装置②位移观测系统•测试方法：慢速维持荷载法。加压(a)试验桩沉降观测点千斤顶锚桩（四根）主梁次梁试验桩(b)支墩千斤顶加压沉降观测点重物直接堆载锚桩反力梁法锚桩d=1.8m横梁：1.7m×2.7m反力装置•每级荷载大小每级荷载约为1/10倍最大加载量或预估单桩极限承载力。•测读沉降时间在每级荷载施加后第一个小时内，按5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。•稳定标准每级荷载下桩顶沉降量小于0.1mm/h，并连续出现两次。加载方法：慢速维持荷载法•某级荷载下，桩顶沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍；•某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；•已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重量时。终止条件试验成果处理—极限荷载确定•按沉降随荷载的变化特征确定陡降型Q-s曲线，取曲线发生明显陡降的起始点所对应的荷载为Qu•由沉降量确定Qu缓变型曲线，一般可取s=40~60mm对应的荷载值为Qu;大直径桩可取s=0.05D对应的荷载值;细长桩(l/d80)取s=60～80mm对应的荷载。Qu=1500kN桩顶下沉量s(mm204844402836322412Qu=780kN081612420桩顶荷载Q(10kN)406080100120140160单桩Q-s曲线2、S-logt曲线(沉降速率)法取s-logt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值作为Qu。静力触探是将圆锥形的金属探头，以静力方式按一定的速率均匀压入土中。借助探头的传感器，测出探头侧阻fs及端阻qc。探头由浅入深测出各种土层的参数后，即可计算出单桩承载力，根据探头构造的不同，又可分为单桥探头和双桥探头两种。三、按静力触探法确定•fsi—第i层土的探头平均侧阻力(kPa)；•qc—桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上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，对于黏性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2；ppkisikppkskukAqlquQQQ四、按经验公式确定一般预制桩与中小直径灌注桩建工qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验时，可按规范5.3.5-1取值；qpk——极限端阻力标准值，如无当地经验时，可按规范表5.3.5-2取值。ppkpsisiksippkskukAqlquQQQ大直径桩prcpisiksipukAflquQ嵌岩桩钻孔灌注桩u—桩周长；λ—考虑基桩长径比的修正系数；m0—清底系数；[s0]—桩端处土的容许承载力；h—桩底埋深，从一般冲刷线算起，取值应≤40m；A—按设计直径计算。)3(212200hKAmluPiis桥梁支承在基岩上或钻入基岩内的钻孔桩、沉桩原理：在桩顶施加动荷载，使桩身产生加速度和土阻尼等效应，通过设置于桩顶的传感器量测此动力响应信号（如位移、速度或加速度），据此分析确定桩身完整性或承载力。高应变法：一般以重锤敲击桩顶，使桩贯入，桩土间产生相对位移，从而分析对桩的外来抗力，可同时测定桩身完整性与承载力。低应变法：施加的荷载远小于桩的使用荷载，不足以使桩产生相对位移，而只通过应力波的反射和传播，主要用以检测桩身砼质量。五、按动力试桩法确定六、桩的抗