桩基础很基础、很经典

4.桩基础内容提要桩基础及其分类桩基础的施工单桩竖向抗压承载力计算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4.桩基础组成：基桩和连接于桩顶的承台。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。低承台桩基示意图4-1桩基础概述4-1-1基本概念4.桩基础单桩基础群桩基础承台基桩上部结构荷载4-1-1基本概念4.桩基础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，且伴有较大偏心、水平、动力或周期性荷载作用。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。4-1-1桩基础应用4.桩基础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桩基的分类基桩分类4.桩基础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的发挥程度和分担荷载比例的不同。4-1-2桩基的分类4.桩基础按承台位置：高承台桩基——承台底面位于地面以上，且常处于水下，水平受力性能差，但施工方便。可避免水下施工及节省基础材料，多用于桥梁及港口工程。低承台桩基——承台底面位于地面以下，其受力能好，具有较强的抵抗水平荷载的能力，施工不方便。土层低承台桩基高承台桩基桩上部结构承台桩基4-1-2桩基的分类4.桩基础按桩的设置效应分类非挤土桩成桩过程中对桩相邻土基本不产生挤土效应的桩,如钻（冲或挖）孔灌注桩及先钻孔后再打入的预制桩；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。包括冲击成孔灌注桩、预钻孔打入式预制桩等。挤土桩设置过程中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。实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等。4-1-2桩基的分类4.桩基础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4-1-2桩基的分类4.桩基础混凝土预制桩•要求：截面边长300500mm，分节长度≤12m。预应力管桩外径300600mm，每节长513m；•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•要求：直径2501200mm，批量生产。•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•要求：桩径160260mm，桩长46m。•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4-1-2桩基的分类4.桩基础4-1-2桩基的分类预制管桩挖土机挖承台坑4.桩基础打入第一节桩体电焊接桩打入末节桩体锤击预制桩4.桩基础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4-1-2桩基的分类4.桩基础沉管灌注桩(e)(f)(d)(c)(b)(a)图4.5沉管灌注桩的施工程序示意（a）打桩机就位；（b）沉管；（c）浇灌混凝土；（d）边拔管，边振动；（e）安放钢筋笼，继续浇灌混凝土；（f）成型灌注桩的施工4.桩基础钻（冲）孔灌注桩原理用钻机(如螺旋钻、振动钻、冲抓锥钻等)钻土成孔(需泥浆护壁)，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土。施工方法有正循环、反循环施工法。优缺点•优点：入土深，能进入岩层，刚度大，承载力高，桩身变形小，并可方便地进行水下施工。•缺点：要求有专门的设备（钻机），清孔较难彻底。灌注桩的施工4.桩基础钻孔灌注桩—护筒埋设护筒作用固定桩位，并作钻孔导向；保护孔口，防止孔内土层坍塌隔水，稳固孔壁。灌注桩的施工4.桩基础泥浆制备与运输要求：膨胀土或高塑性粘土现场加水搅拌，比重1.1~1.15，粘度10~25s，含砂率小于6％，胶体率大于95％。作用：护壁、携渣、防渗、润滑钻头等。灌注桩的施工4.桩基础钻进机械图4.6冲击钻机示意图1—滑轮；2—主杆；3—拉索；4—斜撑；5—卷扬机；6—垫木；7—钻头旋转钻进冲击钻进冲抓钻进灌注桩的施工4.桩基础基本要求：内径≥800mm，开挖直径≥1000mm，护壁厚≥100mm分节支护，每节高500~1000mm桩长小于40m。优点：符合国情，经济，设备简单，噪音小，场区内各桩可同时施工，可直接观察地层情况，孔底易清除干净，且桩径大、适应性强。缺点：可能遇到流砂、塌孔、缺氧、有害气体、触电和地面掉重物等危险而造成伤亡事故。原理：采用人工或机械挖掘成孔，逐段边开挖边支护，达所需深度后再进行扩孔，利用钻（冲）孔机具钻土成孔，然后清除孔底残渣，安装钢筋笼，浇灌混凝土。人工挖孔桩4.桩基础柱插筋插筋箍筋φ8@200加劲筋φ16@2000扶壁200_主筋22φ2220002600600600140016001230021000图4.10人工挖孔桩示例4.桩基础人工挖孔桩4.桩基础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，看它的连续性。反射波法：测砼的连续性，是否存在孔洞、断桩等。动测法：高应变测桩承载力，低应变只能测砼质量。4.桩基础4-1-4桩基设计原则GB50007-2002：基于正常使用极限状态的概率设计原则桩基规范：考虑桩基的两种极限状态，即承载能力、正常使用。并根据桩基损坏所造成的后果的严重性分为3个等级。4.桩基础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桩基抗震承载力计算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）所有桩基均应进行承载能力极限状态计算桩基尚应进行变形验算桩端持力层为软弱土的一、二级建筑物（竖向沉降）桩端持力层为粘性土、粉土或存在软弱下卧层的一级建筑桩基（竖向沉降）承受较大水平荷载或对水平变位要求严格的一级建筑桩基（水平变位）4-1-4桩基设计原则4.桩基础QqsqpQ=Qs+Qp式中，Qs=Asqs=LpupqsQp=Apqp作用在桩顶的竖向压力：桩侧总摩阻力桩端总端阻力讨论：Qs+Qp发挥作用的先后？大小？4-2竖向荷载下单桩的工作性能4-2-1桩的荷载传递过程4.桩基础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桩的荷载传递规律4.桩基础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。4-2-2桩的荷载传递规律(a)中密土层(b)岩层软弱土层QQ4.桩基础sZQoQsoZQosQs压曲oQsZsooQ图4.12压曲破坏图4.13整体剪切破坏图4.14刺入破坏压曲破坏：沉降量很小，桩端阻为主，桩材控制承载力，穿越软弱土层的小直径桩和嵌岩桩属于此类；整体剪切：沉降量较大，桩端阻为主，桩端桩侧土控制承载力，打入式短桩、钻孔短桩属于此类；刺入破坏：沉降量大，桩侧阻为主，桩顶容许沉降控制承载力，一般情况下的钻孔灌注桩属于此类。4-2-3单桩的破坏模式4.桩基础定义：桩周土相对于桩身下沉时产生的摩阻力。4-2-4桩侧负摩阻力正摩擦负摩擦图4.15桩侧摩阻力示意图4.桩基础桩侧大范围降低地下水，如大面积抽水，基坑降水等桩侧地面大面积堆载；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；冻土区升温引起桩侧土沉陷。产生负摩阻力的条件填土图4.１6住宅楼建于有新填土的斜坡上4-2-4桩侧负摩阻力4.桩基础中性点定义：桩土相对位移为零处桩侧摩阻力为零处。•在某深度处桩周土与桩截面沉降相等；•或两者无相对位移发生；•或其摩阻力为零。特点：在中性点处桩身轴力达到最大值。4.3.3桩侧负摩阻力桩侧土下沉曲线桩下沉曲线ⅠⅡ桩底下沉摩阻力分布曲线4.桩基础4-3单桩竖向抗压承载力确定单桩承载力决定条件在荷载作用下，桩在地基土中不丧失稳定性在荷载作用下，桩顶不产生过大的位移地基承载力是主控因素在荷载作用下，桩身材料不发生破坏端承桩控制因素4.桩基础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4-3单桩竖向抗压承载力确定4.桩基础4-3-1按桩材强度确定4-3单桩竖向抗压承载力确定按《混凝土结构设计规范》,)′9.0+(≤gypcCAfAfNj各参数意义见式（4-11）P1094.桩基础4-3-2由竖向抗压静载试验确定特点：是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法。基本原则•桩数：不宜小于总数1％，不少于3根；•时间：对于预制桩，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。4-3单桩竖向抗压承载力确定4.桩基础试验装置及方法•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：分级（开始阶段1/5－1/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/10—1/15）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图4.18静载实验装置4-3-2由竖向抗压静载试验确定4.桩基础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4-3-2由竖向抗压静载试验确定4.桩基础•每级荷载大小分级（初始阶段：每级荷载为1/5－1/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/10－1/15）。•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。慢速维持荷载法4-3-2由竖向抗压静载试验确定4.桩基础•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•每级卸载为加载时的两倍。•卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60min测读桩顶沉降量；卸载至零后测读桩顶残余沉降量，维持3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。卸载观测4-3-2由竖向抗压静载试验确定4.桩基础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对陡降型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对缓变型Q-s曲线，可取s=40~60mm对应的荷载值