桩基工程讲义

桩基工程讲义艾智勇同济大学地下建筑与工程系2005年6月1．桩的分类1．1概述桩是深入土层的柱型构件。桩与桩顶的承台组成深基础，简称桩基。桩的作用：将上部结构的荷载通过软弱地层或水传递给深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。桩基通过作用于桩尖（或称桩端）的地层阻力和桩周土层的摩擦力支撑轴向荷载、依靠桩侧土层的侧向阻力支撑水平荷载。1．2桩基发展简史两个方面：桩的材料和成桩工艺。木桩：汉朝已经用木桩修桥，到了宋朝桩基技术已经比较成熟，上海市的龙华塔是现存的北宋年代修建的桩基建筑物。钢桩：19世纪20年代开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头；20世纪初美国出现了各种形状的型钢，在美国密西西比河上的钢桥大量采用钢桩基础；到20世纪30年代欧洲也广泛采用。二次大战后，无缝钢管也作为桩材用于基础工程。上海宝钢工程中，使用直径90cm的长达60m的钢管桩基础。混凝土桩：20世纪初随钢筋混凝土预制构件的问世，开始出现预制钢筋混凝土桩。我国20世纪50年代开始生产预制钢筋混凝土桩，多为方桩。1949年美国昀早用离心机生产中空预应力钢筋混凝土管桩。我国铁路系统20世纪50年代末也生产了预应力钢筋混凝土桩。灌注桩：20世纪20～30年代发明了沉管灌注桩，上海20世纪30年代修建的一些高层建筑基础就曾采用沉管灌注桩。在20世纪60年代我国铁路和公路桥梁开始采用钻孔灌注砼桩和挖孔灌注桩。目前，桩基的成桩工艺还在不断的发展中。1.3桩的分类按桩的尺寸大小可分为：桩（pile），柱（cylinder），墩（pier）。铁路桥涵设计规范：1.5m直径以上的预制空心钢筋砼桩基称为管桩基础。但国外有文献中提到的大直径桩基直径已达到3.6m。因此国外区分较难，在分类中一般不考虑尺寸的影响。按成桩方式对土层的影响分类：一、挤土桩。也成排土桩。原始土层结构遭到破坏，主要有打入或压入的预制桩，封底的钢管桩沉管式就地灌注桩等。二、部分挤土桩，也称微挤土桩。成桩过程中，桩周围的土层受到轻微的扰动，土的原始结构和工程性质的变化不明显，主要有打入小截面的I型、H型钢桩、钢板桩、开口式钢管桩。三、非挤土桩，也称非排土桩。成桩过程中将与桩体积相同的土排出，桩周围的土较少受到扰动。但有应力松弛现象。主要有各种形式的挖孔、钻孔桩等按桩材分类：一、木桩。单根木桩的长度大约为十余米，不利于接长。二、混凝土桩预制砼桩，多为钢筋砼桩。工厂或工地现场预制，断面一般为400*400或500*500mm，单节长十余米。预制钢筋砼桩，多为圆形管桩，外径400～500两种，标准节长为8m或10m，法兰盘接头。就地灌注砼桩，可根据不同深度的钢筋笼，其直径根据设计需要确定。三、钢桩，型钢和钢管两大类。型钢有各种形式的板桩，主要用于临时支挡结构或码头工程。H型及I型钢桩则用于支撑桩。钢管桩由各种直径和壁厚的无缝钢管制成。四、组合桩。指一种桩用两种材料组成。如较早用的水下桩基，泥面以下用木桩而水中部分用砼桩，现在较少采用。按桩的功能分类：一、抗轴向压桩。在工业民用建筑物的桩主要承受上部结构传来的垂直荷载。1、摩擦桩。桩尖部分承受的荷载较小，一般不超过10％。如打在饱和软土地基和松软地基中的桩。2、端承桩。通过软弱土层桩尖嵌入岩基的桩，承载力主要有桩的端部提供，一般不考虑桩的侧摩阻力的作用。3、端承摩擦桩。桩的端阻力和侧摩阻力同时发挥作用，昀常用的桩。如穿过软弱土层嵌入坚实硬粘土或砂、砾持力层的桩。这类桩的端阻和侧阻所分担荷载的比例与桩径、桩长、软弱土层的厚度以及持力层的刚度有关。二、抗侧压的桩港口码头的板桩、基坑支护桩等都是主要承受作用在桩上的水平荷载，桩身要承受弯矩，其整体稳定则靠桩侧土的被动土压力、或水平支撑和拉锚平衡。三、抗拔桩主要抵抗作用在桩上的拉拔荷载，拉拔荷载依靠桩侧摩阻力承受。按成桩方法分类：一、打入桩：将预制桩用击打振动的方式打入地层至设计要求的标高。打入的机械有：自由落锤、蒸汽锤、压缩空气锤、振动锤等。二、就地灌注桩：1.沉管灌注桩将钢管（钢壳）打入地层到设计标高，然后灌注砼，灌注砼过程中可逐渐将钢管拔出，或将钢管留在土中。2.钻孔灌注桩使用机械形成桩孔，钻孔机械有冲击钻、旋转钻、长螺旋和短螺旋等，适用于不同的土层。在地下水位以上做灌注桩时，也可以使用人工挖掘法。为提高灌注桩的承载力，可将桩身逐步局部扩大，形成扩底桩。三、静压桩：利用无噪音的机械将预制桩压入到设计标高。四、螺旋桩：在木桩或砼桩的底部接一段螺旋的钻头，藉旋转机械将桩拧入土层至设计标高，现已少用。目前桩型正在发展中，如近年出现的压力灌浆微型桩，利用压浆提高桩的承载力等。桩型和成桩方式的选择：一、预制桩的类型、特点和使用条件预制桩的优点：1.桩的单位面积承载力高，打入土层时使松软土层挤密，从而使承载力提高。2.桩身质量较易保证和检查。3.易于在水上施工。4.桩身砼的密度大，抗腐蚀性强。5.施工工效高，施工工序简单。预制桩的缺点：1.单价较灌注桩高，预制桩需要配较多的钢筋以抵抗搬运、起吊和捶击时的应力。2.施工噪音大，污染环境，不宜在城市中使用。3.预制桩是挤土桩，群桩施工时将引起周围地面的隆起，对周围有影响。4.受到起吊设备能力的限制，单节预制桩的长度不能过长，一般为十余米，长桩时需接桩。桩的接头常形成桩身的薄弱环节。接桩后如不能保证全桩长的垂直度，则将降低桩的承载能力，甚至在打桩时造成断桩。在瑞典，打入预制桩的长度已超过100m，关键在于制造的施工工艺质量。5.不易穿透较厚的坚硬土层。6.打入后桩长超过要求时，截桩较困难。适用条件：1.不需考虑噪音污染和振动影响的环境。2.持力层上覆盖的为松软土层，没有坚硬的夹层。3.持力层顶面起伏变化不大，桩长易于控制，减少截桩。4.水下桩基工程。5.大面积打桩工程，打入桩的工序和设备简单，工效高。在桩数量多的情况下可取得较高的经济效益。二、灌注桩的类型、特点和适用条件优点：1.可适用于各种地层。2.桩长可随持力层起伏而改变，不需截桩、没有接头。80多米的桩也采用了。3.仅承受轴向压力时不用配置钢筋，节约钢材。4.采用大直径钻孔或挖孔灌注桩时单桩的总承载力大。5.一般情况下比预制桩经济。缺点：1.桩的质量不易控制和保证，容易在灌注砼过程中出现断桩、缩颈、露筋和泥夹层等现象。2.桩身直径比较大，孔底沉积物不易清除干净，因而单桩的承载力的变化较大。3.大直径灌注桩做压载试验的费用昂贵。4.一般情况下不宜用于水下桩基。钢桩的类型特点和适用条件一、钢板桩：板桩有接口槽，已将板桩可沿河岸或海岸组成一个整体的板桩墙，也可将一组钢板桩形成围堰，或作为基坑开挖的临时支挡措施。钢板桩成本较高，但可多次使用，仅用于水平荷载桩。二、型钢桩：可用于承受垂直荷载或水平荷载，贯入各类地层的能力强且对地层的扰动较少。H型和I型钢桩的截面积较小，不能提供较高的端承承载力。在细长比较大时易于在打入时出现弯曲现象。弯曲超过一定限度时就不能做为基础桩使用。三、钢管桩：贯入能力、抗弯曲的刚度、单桩承载力和节长焊接等方面都有明显的优越性。但钢管桩造价较高。日本生产的钢管桩的外经从500mm到1016mm，壁厚9～19mm。钢管桩打入土层时，其端部可敞开或封闭，端部开口时易于打入，但端部承载力较封闭式为小，必要时钢管桩内可充填砼。钢桩与砼桩比较，价格较高、抗腐蚀性能力差，需做表面防腐处理。桩型和成桩方式的选择：桩的类型和施工方法的选择应考虑多方面的因素，主要有：1.建筑物本身的要求。如：荷载的形式和量级、工期的要求等。2.工程地质和水文地质条件。3.场地的环境。对环境的保护要求等。4.设备材料和运输条件，施工技术力量，施工设备和材料的供应可能性等、5.经济分析。2．单桩竖向承载力的确定单桩竖向极限承载力：单桩竖向荷载下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的昀大荷载（桩基规范）。usupuQQQ一、按静载荷试验确定单桩静载荷试验是确定单桩竖向极限承载力的可靠依据。常见的Q~S曲线大体可划分为两类基本类型：陡降型：Q~S曲线出现明显陡降段，相应的沉降梯度剧增，破坏点明显。（突进型破坏）缓变型：当荷载超过某一临界值后，沉降梯度的变化趋缓或趋于常量。（渐进型破坏）陡降型Q~S曲线：极限荷载即为与破坏荷载相等的陡降起始点荷载。缓变形型Q~S曲线：极限承载力的取法较多。常用的有：（1）方法一：对应于曲线斜率转为常数或斜率减小的起始点荷载，如△S/△Q－Q曲线的第二拐点。（2）方法二：取S—lgt曲线尾部明显弯曲的前一级荷载为极限承载力。（3）取lgS—lgQ曲线上第二支线交会点荷载为极限承载力。注：桩基规范JGJ-94-94（P134），指明：一般应绘Q－S,S-lgt曲线以及其他辅助分析所需曲线。按变形确定Pu，具体见p135页。（a）荷载－沉降Q－S曲线（b）荷载－沉降梯度Q－SQ曲线由曲线b可见，对于缓变型的桩，荷载到达“极限承载力”后，再施加荷载，并不会导致桩的失稳和沉降的显著增加，即实际上并未达到极限承载力，因而该极限承载力实际上应称为“拟极限承载力”。按照以可靠性理论为基础的极限状态设计准则，桩基到达昀大承载能力或不适于继续承载的变形。因此，对于缓变型Q－S单桩，可按控制沉降量确定承载力。一般可按上部结构类型和对沉降的敏感度取得某一沉降值所对应的荷载为极限承载力。通常，该极限沉降值取40～60mm（或3％～6％）D。D为桩的直径。实际工程中常见的几种Q－S曲线：1．软弱土层中的摩擦桩（超长桩除外）。桩端一般为刺入式剪切破坏，桩端阻力分担的荷载比例小，Q－S曲线成陡降型，破坏特征点明显。如图Fig均匀中的摩擦桩2．桩端持力层为砂土、粉土的桩。由于端阻力所占比例大，发挥端阻力所需的位移大，Q－S曲线成缓变型，破坏特点不明显。此时一般以Su=40－60mm所对应的荷载为其极限承载力。Fig端承于砂层中的摩擦桩3．扩底桩。支撑于砾、砂、硬粘性土、粉土上的扩底桩。由于端阻破坏所需位移过大，端阻力所占比例较大，Q~S曲线成缓变型。极限承载力可取SU=（3％～6％）D控制。Fig扩底端承桩4．泥浆护壁作业，桩端有一定沉淤的钻孔桩。由于桩底沉淤强度低、压缩性高，桩端一般呈刺入剪切破坏，接近于纯摩擦装，Q－S曲线呈陡降型，破坏特征点明显。Fig孔底有沉淤的摩擦桩5．桩周土为加工软化型土（硬粘性土、粉土、高结构性黄土等）无硬持力层的桩。由于侧阻在较小位移发挥出来并出现软化现象，桩端承载力低，因而形成突变。陡降型Q－S曲线。与孔底有沉淤的Q－S曲线相似。Fig1－加工软化型；2－非软化（一般土），硬化型；3－加工硬化型6．嵌入坚硬基岩的短粗端承桩。桩身材料强度的破坏而导致桩的承载力破坏。Q－S曲线呈突变、陡降型。Fig嵌入坚硬基岩的短粗端承桩单桩的允许承载力：Qa=Qu/K=Qsu/Ks+Qpu/Kp由于侧阻和端阻呈异步发挥，工作荷载（相当于容许承载力）下，侧阻可能已发挥出大部分，而端阻只发挥了很小一部分。因此，侧阻力和端阻力的实际安全系数是不相等的。一般情况下有：KsKp但对于短粗的支承于坚硬基岩的桩，KsKp。对于前述的几种Q－S曲线，大致有如下的安全系数：1．粘性土中桩端无硬持力层的打入式摩擦桩：Ks＝1.4～1.6，Kp＝3～42．桩端持力层为砂土或粉土的打入桩：Ks＝1.4～1.6，Kp＝3.0～4.53．扩底端承桩：Ks＝1.1～1.3，Kp＝2.5～3.04．桩端无硬持力层、泥浆护壁或干作业钻孔桩：Ks＝1.5～1.8，Kp＝3～45．加工软化型土中的桩：Ks＝1.2～1.4，Kp＝3～46．短粗嵌岩灌注桩：Ks＝2.5～3.0，Kp＝1.5～1.8由此可见，分项安全系数Ks、Kp的值的大小与桩型，桩侧、桩端土的性质、桩的长径比，成桩工艺与质量等因素有关。二、静力法计算单桩承载力1．桩端阻力的计算计算端阻力的极限平衡理论公式Fig几种桩端土滑动面图形以刚塑性体理论为基础，假定不同的破坏滑动面，便可导得不同极限桩端阻力理论表达式，并可统一表示为如下形式：puq=ζc*C*Nc+*γ1*b*N+ζq*γ*h*