桩基础

第四章桩基础Pilefoundation4.1概述4.2桩的类型4.3桩的竖向承载力4.4桩基础沉降的计算4.5桩的负摩擦问题4.7桩的平面布置原则4.8桩承台的设计4.9桩基础设计的一般步骤学习目的和要求通过本章的学习，了解桩的分类与选型、单桩竖向载荷传递的特点，掌握竖向荷载作用下单桩承载力的确定方法，了解桩的负摩阻力概念；熟悉桩基础设计与计算的各项内容和方法，初步了解桩基础设计与施工技术。桩基础施工设备HDR200型旋挖钻机扩底钻头扩孔钻头大型钻机岩石扩底钻头冲击反循环专用钻头回转钻机钻头桩基础，其最大桥墩高达178米，创下连续钢构箱梁桥墩高度的世界之最钻孔灌注桩基础柱式墩身。该图为钢筋笼吊装现场。上构为30米预应力砼T梁，下构为双柱式墩，挖孔及钻孔桩基础，采用肋板式桥台开挖后的三板闸桩基础塔心桩天津大港油田油库桩基础倒塌大楼底部折断的管桩基础上海倒塌的楼使用的是高强预应力管桩基础桩的施工工艺分类表主要针对钢筋混凝土桩，机具设备、制桩工艺桩是竖直或微倾斜的基础构件，横截面尺寸远小于长度方向。荷载传递：桩侧摩擦阻力+桩端阻力OR通过桩身将横向荷载传递给土体4.1概述设置于土中的竖直或倾斜的柱型构件，在竖向荷载作用下，通过桩土之间的摩擦力（桩侧摩阻力）和桩端土的承载力（桩端阻力）来承受和传递上部结构的荷载。桩的定义桩基础由设置于岩土中的桩和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。承台将几个桩结合起来传递荷载桩的功能：通过杆件的侧壁摩阻力和端阻力将上部结构的荷载传递到深处的地基上。轴向荷载通过作用于桩周土层的桩侧摩阻力和桩端地层的桩端阻力来支撑；水平荷载依靠桩侧土层的侧向阻力来支撑。软土层1.承载力高2.沉降量小3.能承受一定的水平荷载和上拨力，稳定性好4.可以提高地基基础的刚度、改变其自振频率5.可提高建筑物的抗震能力6.便于实现基础工程机械化和工业化桩基础的优点桩基础的突出优点：承载力高、变形量小、抗液化、抗拉拔能力强。缺点：比浅基础造价高，施工环境影响,预制桩施工噪音,钻孔灌注桩的泥浆有地下室时,有一定干扰,深基坑中做桩桩的工程作用承载可达上万吨，直径可达8m多上海展览馆箱基沉降1.6m，临近建筑21层，桩基，沉降9cm适用性：①天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物；②天然地基承载力基本满足要求、但沉降量过大，需利用桩基减少沉降的建筑物，如软土地基上的多层住宅建筑，或在使用上、生产上对沉降限制严格的建筑物；③重型工业厂房和荷载很大的建筑物，如仓库等；④软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物；⑦地基土有可能被水流冲刷的桥梁基础；⑧需穿越水体和软弱土层的港湾与海洋构筑物基础，如栈桥、码头、海上采油平台及输油、输气管道支架等。⑤作用有较大水平力和力矩的高耸结构物（如烟囱、水塔等）的基础，或需以桩承受水平力或上拔力的其它情况；⑥需要减弱其振动影响的动力机器基础，或以桩基作为地震区建筑物的抗震措施；按承台与地面的相对位置分类高承台桩基:承台在地面以上,桥桩,码头,栈桥。水平受力性能较差，施工方便。低承台桩基：承台在地面以下,承台本身承担部分荷载。水平受力较好，但施工不方便。桩基设计原则：荷载效应组合与浅基础相同。桩基设计应满足下列基本条件：单桩承受的竖向荷载不应超过单桩竖向承载力特征值；桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值；对位于坡地岸边的桩基应进行桩基稳定性验算。特殊土地基上的桩基：软土、湿陷性黄土、岩溶……桩基础设计应按变形控制设计。减沉桩：天然地基承载力基本满足建筑物荷载的要求，以减少沉降为目地设置的桩，用桩数量根据沉降条件控制。所有桩基均应进行承载能力计算桩基竖向承载力（抗压、抗拔及负摩阻）、水平承载力计算桩端平面以下软弱下卧层验算桩基抗震承载力计算桩身结构设计（预制桩吊装和沉桩强度验算、桩身压屈验算、钢管桩局部压屈验算、岸坡桩稳定性验算等）桩基尚应进行变形验算桩端平面以下存在软弱土层、体型复杂且荷载分布显著不均的桩基（竖向沉降）重要的非嵌岩或非深厚坚硬持力层桩基（竖向沉降）承受较大水平荷载或水平位移严格限制的桩基（水平位移）桩基设计内容①桩的类型和几何尺寸的选择；②单桩竖向（和水平向）承载力的确定；③确定桩的数量、间距和平面布置；④桩基承载力和沉降验算；⑤桩身结构设计；⑥承台设计；⑦绘制桩基施工图。4.2桩的类型按材料木桩、混凝土、钢筋混凝土、钢管(型钢)桩、复合桩钢筋混凝土：普通混凝土、预应力混凝土(离心预制)、高强混凝土按形状•按纵断面：楔形桩、树根桩、螺旋桩、多节(分叉)桩、扩底桩、支盘桩、微型桩•按横断面：圆形，八边形，十字桩、X形桩桩身形状的选择主要考虑施工的方便，还要考虑怎样减少截面积但又保证承载力足够桩端Dd横断面按尺寸•按断面(直径）的大小：大直径:d80cm;小直径d40（25）cm•按长度(长径比)l60m（3)长桩l10m短桩水平变形系数50EImbl2.5为刚性短桩2.5l2.5为弹性中长桩l4.0为弹性长桩1.根据桩的性状和竖向受力情况划分2.根据施工方法划分3.根据挤土效应划分1、端承型桩和摩擦型桩桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受的桩。桩侧阻力，桩端阻力端承桩：摩擦端承桩：端承型桩桩侧阻力很小可以忽略不计时桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受的桩。摩擦桩端承摩擦桩摩擦型桩桩端阻力很小可以忽略不计时端承型桩：其桩端一般进入中密以上的砂类、碎石类土层，或位于中风化、微风化及新鲜基岩顶面。这类桩的侧摩阻力虽属次要，但不可忽略。端承桩：桩的长径比较小（一般l／d≤10），桩身穿越软弱土层，桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中风化、微风化及未风化硬质岩石顶面（即入岩深度hr≤0.5d）。嵌岩桩：当桩端嵌入完整和较完整的中风化、微风化及未风化硬质岩石一定深度以上（hr0.5d)时,称为嵌岩桩。工程实践中，嵌岩桩一般按端承桩设计。但这并不意味着嵌岩桩不存在侧阻和嵌岩阻力。摩擦型桩：桩端持力层多为较坚实的粘性土、粉土和砂类土，且桩的长径比不很大。摩擦桩：具备下列条件之一时：①桩的长径比很大，桩顶荷载只通过桩身压缩产生的桩侧阻力传递给桩周土，因而桩端下土层无论坚实与否，其分担的荷载都很小；②桩端下无较坚实的持力层；③桩底残留虚土或残渣较厚的灌注桩；④打入邻桩使先设置的桩上抬、甚至桩端脱空等情况。(1)预制桩Prefabricatedpile根据材料不同分为：木桩，混凝土预制桩，钢桩。常用松木，长4~6m，桩径160~260mm，多用于软弱地基上的民宅和小型建筑物。应打入地下水位以下0.5m。要确保桩端进入硬持力层。2、预制桩和灌注桩在地面上预先制作好钢筋混凝土桩身，然后通过锤击、静压或振动等方法将预制桩沉入地基内到达的深度，形成桩基础。桩径较小0.6m以下；地基土为砂性土、粉土、细砂及松散的不含大卵石的土。工程实例－－广州海珠区新窖镇瑞宝村某民宅剖面图平面图北转下页硬土软土1995年10月6日下午4:20楼房先是缓慢向南倾斜，后突然倾覆倒塌。3名装修工人死亡，室内多人受伤。鉴定结果：违章作业；梁柱钢筋锚固长度严重不足；基础设计错误。判决结果：屋主、转包人、承建人赔偿40万元；承建人被处以有期徒刑一年零六个月。混凝土预制桩普通混凝土预制桩、预应力混凝土管桩（PC）、预应力高强混凝土管桩（PHC）、预应力砼空心方桩。普通混凝土预制桩截面边长一般为300～500mm。可以在工厂生产，也可在现场预制。现场预制桩的长度一般在25～30m以内，工厂预制桩的分节长度一般不超过12m，沉桩时在现场连接到所需长度。预应力混凝土管桩采用先张法预应力工艺和离心成型法制作。经高压蒸气养护生产的为预应力高强混凝土管桩（代号为PHC桩），其桩身离心混凝土强度等级不低于C80；未经高压蒸气养护生产的为预应力混凝土管桩（代号为PC桩），其桩身离心混凝土强度等级C60～C80。常用的PHC、PC管桩的外径为300～600mm，分节长度为7～13m，沉桩时桩节处通过焊接端头板接长。桩的下端设置十字型桩尖、圆锥型桩尖或开口型桩尖。预应力混凝土管桩预应力混凝土管桩钢桩H型钢桩，下端开口或闭口的钢管桩H型钢桩的横截面大都呈正方形，截面尺寸200×200～360×410mm翼缘和腹板的厚度为9～26mm。H型钢桩贯入各种土层的能力强，对桩周土的扰动亦较小。由于H型钢桩的横截面面积较小，因此能提供的端部承载力并不高。钢管桩的直径一般为400～3000mm，壁厚为6～50mm，国内工程中常用的大致为400～1200mm，壁厚为9～20mm。端部开口的钢管桩易于打入（沉桩困难时，可在管内取土以助沉），但端部承载力较闭口的钢管桩小。钢桩的穿透能力强，自重轻、锤击沉桩的效果好，承载能力高，无论起吊、运输或是沉桩、接桩都很方便。但钢桩的耗钢量大，成本高，抗腐蚀性能较差，须做表面防腐蚀处理，目前我国只在少数重要工程中使用。工程实例－－杭州湾跨海大桥全长36km，打设钢管桩5475根，桩径1500~1600mm，壁厚20~23mm，l=71~89.35m。砼预制桩主要优缺点：桩身质量好，施工工期短。桩径较小，穿透能力有限，配筋量较大。钢桩尖锤击法沉桩1.锤击法2.振动法3.静压法用桩锤（或辅以高压射水）将桩击入地基中的施工方法。适用于：地基土为松散碎石土、砂土、粉土以及可塑粘性土。采用振动锤进行沉桩的施工方法。适用于：可塑状的粘性土和砂土，对于受振动时抗剪强度有较大降低的砂土地基和自重不大的钢桩效果更好。采用静力压桩机将预制桩压入地基中的施工方法。特点：无噪音、无振动、无冲击力、施工应力小，桩顶不易损坏、沉桩精度高，但接头较多会影响压桩效果。预制桩沉桩方式锤击法沉桩施工工艺沉桩前的准备工作：(1)认真处理高空、地上和地下障碍物。(2)对现场周围(50m以内)的建筑物作全面检查。对危房进行必要的处理。(3)对建筑物基线以外4～6m以内的整个区域及打桩机行驶路线范围内的场地进行平整、夯实。在桩架移动路线上，地面坡度不得大于1%。(4)修好运输道路，做到平坦坚实。打桩区域及道路近旁应排水畅通。(5)在打桩现场或附近需设置水准点，数量为两个，用以抄平场地和检查桩的入土深度。根据建筑物的轴线控制桩定出桩基每个桩位，作出标志，并在打桩前，应对桩的轴线和桩位进行复验。(6)打桩机进场后，应按施工顺序铺设轨垫，安装桩机和设备，接通电源、水源，并进行试机。然后移机至起点桩就位，桩架应垂直平稳。沉桩施工要点：(1)桩帽与桩接触的表面应平整，与桩身应在同一直线上。(2)当桩吊起就位后，要缓缓放下，插入土中，进行桩位和垂直度校正后，并在桩身侧面或桩架上设置标尺，做好记录，才能开始施打，开始时应起锤轻压或轻击数锤，待锤以及桩身等垂直度一致后，即可转入正常施打。(3)沉桩时如桩顶不平，可用麻袋或厚纸板等垫平。(4)打桩顺序；(5)桩停止锤击的控制原则：①桩端位于一般土层时，以控制桩端设计标高为主，贯入度可作参考；②桩端过到坚硬、硬塑的粘性土、粉土、中密以上砂土、碎石类土以及风化岩时，以贯入度控制为主，桩端标高作参考。静压法沉桩焊接接桩建设部行业标准《预应力砼空心方桩》JG197-2006预应力砼空心方桩KFZ，C60预应力高强砼空心方桩HKFZ，C80薄壁预应力砼空心方桩TKFZ，C60边长300~1000mm相比管桩，承载力更高，成本低，抗震性好，更易成桩。适用于各种地基土，桩端可进入中、微风化岩层；桩径可较大，配筋量小；桩长可按要求确定；桩身质量相对较差。特点：（2）灌注桩Castinplace（4类）在施工现场的桩位上，通过机械钻凿或人工挖掘等方法形成桩孔，然后孔内放入钢筋笼，灌注混凝土，形成钢筋混凝土灌注桩。桩长桩径变化大，应用广。1)沉管灌注桩沉桩方式：锤击、振动、振动冲击。桩径：300~500mm。桩长：20m以内。施工设备简单，沉桩进度快，成本最低，但很易产生缩颈（桩身截面局部缩小）、断桩、局部夹土、混凝土离析和强度不足等质量问题。特点：2）钻（冲、磨）孔灌注桩国内：桩径600~2500