桩基基础知识

建筑桩基基础知识贵州省建筑科学研究检测中心地基基础研究所二零一零年NHRI主要内容概述及桩基础基本概念桩基础类型及选型桩基础荷载传递规律桩基础单桩破坏模式桩基础设计等级划分桩基础设计原则桩基础极限状态桩基础耐久性桩基础极限标准值及特征值的确定08桩基规范新增部分内容NHRI概述及桩基础基本概念桩本义:桩子,打入地中以固基础的木橛。现今可以这样理解：桩是埋入岩土中用来传递荷载，稳定建筑物、构筑物，减小建筑物、构筑物沉降，有一定强度、刚度的细长杆件。桩属于桩基础的组成部分。承台：指的是为承受、分布由桩身传递的荷载，在基桩顶部设置的联结各桩顶的钢筋混凝土平台。桩基础：由设置于岩土中的桩与桩顶连接的承台共同组成的基础或由柱与桩直接连接的单桩基础。NHRI桩基础NHRI概述及桩基础基本概念基桩：桩基础中的单桩称为基桩。复合桩基：由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础。NHRI概述及桩基础基本概念桩基础的历史1.桩基础历史悠久，桩的雏形在12000年前出现在智利。2.7000年前我国就出现有木桩。3.混凝土桩19世纪在俄国出现。NHRI概述及桩基础基本概念桩基础组成：一般由桩与承台组成，对于大直径灌注桩，当采用一柱一桩时，可设置承台或将桩与柱直接相连。NHRI概述及桩基础基本概念桩基础的作用：是将承台以上结构物传来的外力通过承台，由桩传到较深的地基持力层中去，承台将各桩联成一整体共同承受荷载。桩基础的应用桩基础可作为建筑物的基础型式，而且还可应用于软弱地基的加固和地下支档结构物。NHRI桩基础独特的功能1.传递荷载：通过桩的侧面和土的接触，将荷载传递给桩周土体；或者将荷载传给深层的岩层、砂层或坚硬的粘土层；从而获得很大的承载能力以支承重型建筑物；2.穿越避开液化土层对于液化的地基，为了在地震时仍保持建筑物的安全，通过桩穿过液化土层，将荷载传给稳定的不液化土层；NHRI桩基础独特的功能3.减小沉降桩基具有很大的竖向刚度，因而采用桩基础的建筑物，沉降比较小，而且比较均匀，可以满足对沉降要求特别高的上部结构的安全需要和使用要求;4.抗水平、抗拔桩具有很大的侧向刚度和抗拔能力，能抵抗台风和地震引起的巨大水平力、上拔力和倾覆力矩，保持高耸结构物和高层建筑的安全；NHRI桩基础独特的功能5.改变地基基础的动力特性提高地基基础的自振频率，减小振幅，保证机械设备的正常运转。NHRI桩基础的类型及选型按承载性状分类：分为两个大类，四个亚类。NHRI桩基础的类型及选型按承载性状分类：分为两个大类，四个亚类。1.摩擦桩：指的是在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载由桩侧阻力承受，桩端阻力小到忽略不计。2.端承摩擦桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受。3.端承桩：指的是在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载由桩端阻力承受，桩侧阻力小到忽略不计。4.摩擦端承桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受。NHRI桩基础的类型及选型按承载性状分类：分为两个大类，四个亚类。按承载性状分类的理解1.按承载力性状划分为定性划分，非定量划分。2.桩的承载力性状主要取决于桩端持力层的性质1）桩端持力层性质好（如密实的砂卵石层、基岩等）是端承型桩的必要条件。2）随长径比的减小，端阻力逐渐增大，成为端承型桩。3）随桩侧土强度的降低，端阻力逐渐增大，成为端承型桩。NHRI桩基础的类型及选型按成桩工艺对桩周土的影响划分：分为三类。1.非挤土桩:包括干作业钻（挖）孔灌注桩、泥浆护壁法钻（挖）孔灌注桩等2.挤土桩:包括沉管灌注桩、打入（静压）预制桩等。3.部分挤土桩：长螺旋压灌灌注桩、冲孔灌注桩等。按成桩挤土效应分类，经大量工程实践证明是必要的，也是借鉴国外相关标准的规定。成桩过程中有无挤土效应，涉及桩选型、布桩和成桩过程的质量控制。NHRI桩基础的类型及选型挤土效应的正负面作用。1.在饱和粘性土中是负面的，会引发灌注桩断桩、缩经等质量事故。2.对于挤土预制混凝土桩和钢桩会导致桩体上浮，降低承载力，增大沉降。3.挤土效应还会造成周边房屋、市政设施受损。4.在松散土和非饱和填土中则是正面的，会起到加密、提高承载力的作用。NHRI桩基础的类型及选型非挤土桩的优点：适用面广。对于非挤土桩，由于其既不存在挤土负面效应，又具有穿越各种硬夹层、嵌岩和进入各种硬持力层的能力，桩的几何尺寸和单桩的承载力可调空间大。因此钻挖孔灌注桩使用范围大，尤以高层建筑更适合。NHRI桩基础的类型及选型按桩径（设计直径d）大小分类。1.小直径桩：d≤250mm；2.中等直径桩：250mm＜d＜800mm;3.大直径桩：d≥800mm;尺寸效应：桩径大小影响桩的承载力性状，大直径钻（挖）孔桩成孔过程中，孔壁的松弛变形导致侧阻力降低的随桩径增大而增大，桩端阻力随直径增大而减小。尺寸效应与土的性质、桩身直径d、桩端直径D有关。NHRI桩基础的类型及选型按桩身制作方法分为预制桩与灌注桩。1.预制桩：预制桩，是在工厂或施工现场制成的各种材料、各种形式的桩（如木桩、混凝土方桩、预应力混凝土管桩、钢桩等），用沉桩设备将桩打入、压入或振入土中。2.灌注桩：直接在所设计的桩位上开孔，其截面大部分为圆形，然后在孔内加放钢筋笼骨架，灌注混凝土而成。NHRI桩基础的类型及选型预制桩制作成品预制桩人工挖孔灌注桩成孔等待下放的钢筋笼NHRI桩基础的类型及选型NHRI桩基础的类型及选型预制混凝土桩的主要优点有：1.承载力高（单方混凝土），对于松散土层，由于挤土效应可使承载力提高；2.桩身质量易于保证和控制，制作方便，并能根据需要制成不同尺寸、不同形状的截面和长度，且不受地下水位的影响。3.桩身混凝土密度大，抗腐蚀性能强；4.成桩速度快，不存在泥浆排放问题，特别适于大面积施工。NHRI桩基础的类型及选型预制混凝土桩的主要缺点有：1.单价较灌注桩高，用钢量较高；2.采用锤击沉桩时，噪声大，对周围土层的扰动大，由于挤土效应会引起地面隆起、产生位移或挤断、邻桩上浮等问题。3.受起吊设备能力及运输限制，单节长度不大，因而设计要去使用长桩时，接桩时间长、用钢量大。4.不易穿透较厚的坚硬地层或达设计标高，此时往往需通过射水或预钻孔等助沉措施沉桩。NHRI桩基础的类型及选型灌注桩与预制桩相比，主要优点有：1.可适用于各种地层，桩长、桩径可灵活调整；2.含钢量一般较低，比预制桩经济。灌注桩与预制桩相比，主要缺点有：1.成桩质量不易控制与保证，容易形成断桩、缩经、沉渣、混凝土灌注出现蜂窝或夹泥等质量问题。2.对于泥浆护壁灌注桩，存在泥浆排放造成的环境污染问题。NHRI桩基础的类型及选型钢桩的主要优点有：1.材料强度高，能承受强大的冲击力。穿透硬土层能力强，能有效大打入坚硬的地层、获得较高的承载力，有利于建筑物的沉降控制；2.能根据持力层深度起伏变化，灵活调整桩长。3.重量轻，装卸运输方便。4.能承受较大的水平力，遇上部结构连接简单。钢桩主要缺点有：1.造价相对较高。2.抗腐蚀性能较差。NHRI桩基础的类型及选型其余分类：1.断面几何特征：常用的有方形、圆形；为增加桩身的比表面积(桩侧表面积与体积之比)，在一定条件下可采用圆环、三角、十字、H等形式。2.桩的使用功能。桩按使用功能分为竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩和复合受荷桩。3.按成桩方法划分：根据成桩方法可分为打入桩、灌注桩和静压桩。4.按桩身材料划分：按桩身材料分混凝土桩、钢桩和组合桩。NHRI桩基础的类型及选型桩选型应考虑的主要因素1.建筑结构类型2.桩的使用功能3.地质条件4.施工条件5.综合经济因素NHRI08桩基规范强调的桩的选型误区：凡嵌岩桩必为端承桩：会不必要的增加桩的嵌岩深度，施工周期长，增加造价。挤土灌注桩也可用于高层建筑：质量难于控制，应用不当的普遍性及其严重后果，在软土地区仅适用于多层住宅单排桩条基。预制桩的质量稳定性高于灌注桩：预制桩的稳定性高于沉管灌注桩，其余不然。NHRI08桩基规范强调的桩的选型误区：人工挖孔桩质量可靠：高水位降水、流动性淤泥侧移。凡扩底可提高承载力：较硬持力层不必要，在软弱下卧层的薄硬土层上，有安全隐患。NHRI桩荷载传递规律桩的荷载传递特征与地基土的天然应力状态、土层性质和分布，与桩基施工引起的土的结构、相对密实度和应力状态的变化，与土体应力应变的时间关系，与外加荷载的性质，以及桩的材料、几何尺寸、施工质量等有关。传递规律概括如下：1.承受竖向压力的桩，桩上部的摩阻力首先发挥，随时间或荷载的增加，摩阻力逐渐向下转移，桩端阻力也逐渐发挥。NHRI桩荷载传递规律不同荷载下轴力沿深度的变化NHRI桩荷载传递规律传递规律概括如下：2.发挥极限侧摩阻力所需的位移su对于粘性土一般约为5～10mm,对于砂类土一般约为10～20mm，但并非定值。3.充分发挥桩端阻力需要较大的桩端位移，并与持力层性质、上覆荷载大小及桩径有关。4.在粘性土中的桩，其桩侧摩阻力的分布随时间由桩身上部承担逐渐向下部转移，桩端阻力也随时间逐渐增大。NHRI单桩破坏模式单桩破坏模式大致有以下4种：1.桩身材料破坏；2.桩端土整体剪切破坏。3.刺入剪切破坏4.桩侧纯剪切破坏NHRI单桩破坏模式NHRI单桩破坏模式NHRI单桩破坏模式NHRI桩基设计等级的划分桩基设计等级划分的目的与方法目的：桩基设计前应先进行等级划分，根据等级划分确定计算的内容、勘察的要求、检测的规定等。等级划分应考虑的因素：建筑物规模、体型与功能特征、场地地质与环境复杂程度，以及由于桩基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度NHRI桩基设计等级的划分桩基设计等级的划分建筑桩基设计等级划分为甲乙丙三级，具体划分见下表：设计等级建筑类型甲级（1）重要的建筑物（2）30层以上或高度超过100m的高层建筑（3）体型复杂且层数相差超过10层的高低层（含纯地下室）连体建筑（4）20层以上框架－核心筒结构及其他对差异沉降有特殊要求的建筑（5）场地和地基条件复杂的七层以上的一般建筑及坡地、岸边建筑（6）对相邻既有工程影响较大的建筑乙级除甲级、丙级以外的建筑丙级场地和地基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下的建筑NHRI桩基设计等级的划分甲类建筑有三种情况：1.（1）和（2）都是重要的或高层建筑，选择承载力高、布桩比较灵活、性能比较稳定的桩型，严格控制桩基的整体稳定与倾斜；2.（3）和（4）主要控制差异沉降，布桩有利于调整不均匀沉降；3.（5）和（6）主要考虑控制因场地因素带来的桩基不稳定性。NHRI桩基设计等级的划分桩基设计等级在设计中的具体应用桩基规范中和桩基设计等级有关有以下几条，主要涉及计算和检测。1.桩基变形计算：规范3.1.4条2.勘察要求：规范3.2.2条2小条3.湿陷性黄土地区：规范3.4.2条4.单桩竖向极限承载力：NHRI桩基设计等级的划分桩基设计等级在设计中的具体应用5.抗拔桩：6.单桩水平承载力特征值：规范5.7.1条。NHRI桩基设计原则布桩原则1.考虑力系的最优平衡状态2.上部荷载在桩基础传力路径最短，已达到尽可能减小承台内力的目的；3.按变刚度调平设计，以减小差异沉降；4.主群楼连体时，弱化裙楼布桩；桩间距的确定1.最小桩间距的规定新修订的桩基规范主要调整了挤土桩的最小中心距，根据近年实践经验，最小桩间距较原来增大。NHRI桩基设计原则2.合理桩间距考虑的因素：1）最小桩间距适应成桩工艺的特点。2）考虑桩距与群桩效应的关系。NHRI桩基设计原则桩端持力层的选择1.应选择较硬土层为桩端持力层2.应确保桩端进入持力层的深度，有效发挥其承载力。桩端全断面进入持力层的深度对于粘性土、粉土不宜小于2d，砂土不宜小于1.5d，碎石类土，不宜小于1d，当存在软弱下卧层时，桩端以下硬持力层厚度不宜小于3d。NHRI桩基设计原则嵌岩桩的特点1.嵌岩桩的长度越来越长，长径比越来越大，嵌岩桩的性状离端承桩也越来越远；2.嵌入基岩部分的桩与基岩的相互作用比较复杂，嵌岩段的侧阻力与底部的端阻力