基础工程-桩基础-(史上最全面)

第四章桩基础本章教学目标：1了解桩基础的使用，熟悉桩基础的设计内容、设计原则、分类及成桩效应；2了解桩基础单桩传递机理，熟悉掌握桩基础竖向承载力的确定，熟悉群桩效应；3了解单桩沉降计算，熟悉群桩沉降计算及减小桩负摩阻力的措施。4掌握桩基础承台设计，熟悉桩基础设计步骤及施工图绘制。4.1概述深基础：埋深较大，以下部坚实土层或岩层作为持力层的基础。作用：把所承受的荷载相对集中地传到深部土层。适用：当浅层土质不满足承载力和变形要求，不适宜采取地基处理方法。深基类型：桩基础，地下连续墙，沉井。沉井基础4.1.1桩基础的使用1、桩：是设置于土中的竖直或倾斜的柱型基础构件。2、桩基：桩与连接桩顶和承接上部结构的承台组成的深基础，简称桩基。3、基桩：群桩中的单桩。4、承台：将各桩联成一整体，把上部结构传来的荷载转换、调整分配于各桩，由桩传到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。桩受竖直力由桩周土层桩侧摩阻力和桩媏力来承受；桩水平力由桩侧土层侧向阻力来支承。5、单桩基础：采用一根桩，以承受上部结构(柱)荷载的基础。6、群桩基础：由2根以上桩组成的基础。7、复合桩基：由桩和承台底地基共同承担荷载的桩基。桩基应用：以有百年历史，承载力高、稳定性好，沉降均匀的特点，在不良土上修建建筑，普遍应用的基础形式。8、下列情况易采用桩基础1）天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物；2）承载力基本满足要求、但沉降量过大，需利用桩基础减少沉降的建筑物；3）重型工业厂房和荷载很大的建筑物；4）软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑；5）作用有较大水平力和力矩的高耸结构物的基础或需以桩承受水平力或上拔力的其他情况；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；7）地基土有可能被水冲刷的桥梁基础；8）需穿越水体和软弱土层的港湾与海洋建筑物基础。4.1.3桩基设计原则桩基是由桩、土和承台共同组成的基础，设计时应考虑三者共同作用。各部作用起多大，取决于桩变形。桩基按极限状态设计法设计，应满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。建筑桩基分三个安全等级。桩基设计应进行下列计算和验算：1、所有桩基础都应进行承载能力计算,计算内容包括：1)、按使用功能，受力特征进行竖向(压.拔)和水平承载力计算,不宜超过承载力特征值。某些条件下群桩基础宜考虑桩.土、承台共同作用；2)、桩身及承台进行承载力计算桩身露出地面或桩侧为可液化土、极限承载小于50KPa（或不排水抗剪强度小于10KPa）土层中的细长桩尚应进行桩身压屈验算；对混凝土预制桩尚应按施工阶段,吊装.运输,锤击作用进行强度验算；3）、柱端平面以下存在的软下卧层时应验算软弱下卧车层承载力；4)、对位于坡地、岸边的桩基应进行桩基稳定性验算；5）、按现行抗震设计规范规定进行抗震验算。2、下列桩基应进行变形验算：1)、桩端持力层为软弱土的一,二级桩基以及桩端持力层为粘土,粉土或存在软弱下卧层一级建筑桩基,应验算沉降并考虑上部结构与基础共同作用.沉降不超过建筑沉降允许值；2）、受水平荷载较大或对水平变位要求严格的一级建筑桩基应验算水平位移。3、下列桩基应进行桩身和承台抗裂和裂缝宽度验算：根据使用条件要求混凝土不得出现裂缝的桩基应进行抗裂验算；使用上需限制裂缝宽度的桩基应进行裂缝宽度验算。4、建于软土上的一、二级建筑桩基施工过程和使用期间必须进行沉降观测直到稳定。4.1.4桩基设计内容桩基设计包括下列基本内容：1、桩的类型及几何尺寸的选择；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4.2.1桩基的分类1、按承台与地面相对位置分：低承台桩基：承台底面位于地面以下。用于工业与民用建筑高承台桩基：承台底面高出地面。用于桥梁、水利。2、按桩性状分1）摩擦型桩：是指桩顶竖向荷载由桩侧阻力与桩端阻力共同承受，但侧阻力分担荷载较多的桩。一般摩擦型桩的桩端持力层多为较坚实的粘性土、粉土和砂类土，且桩的长径比很大。例桩长径比很大，桩端土软弱，桩端有残留虚土，打桩时桩上抬。为摩擦桩。2）端承型桩：荷载由侧阻力和端阻力共同承担，端阻力大，持力层以中砂土、碎石土、风化岩。L/d10入岩深hr≤0.5d为端承桩。hr0.5d嵌岩桩3、根据施工方法的不同，可分为预制桩和灌注桩两大类。根据所用材料的不同，预制桩可分为混凝土预制桩、钢桩和木桩三类。预制桩混凝土预制桩截面方形或圆形，桩径300—500mm，预制地点：现场为25-30m工厂12m，大于12m现场连接，可焊接接桩、法兰连接桩、硫磺胶泥接桩。配筋受起吊、吊立、沉桩等应力控制，用钢量大，可采用预应力。钢桩H型钢桩和钢管桩预制桩起吊和吊立弯矩图法兰桩制作桩制作编钢筋龙方桩管桩预制桩的沉桩方式锤击法:桩锤击入，适用于松散碎石土,砂土可塑粘土,噪声大,应考虑周围环境影响。振动法:振动锤振入,用于可塑粘土、砂土,土抗剪强度降低.砂土中用钢桩较好静压法:静力压桩机压入土中无噪声、无冲击力、无震动,用于短桩灌注桩在桩位直接成孔，放入钢筋龙，浇灌混凝土。按使用阶段配筋，用钢较省.持力层顶高低不同时桩长可施工时控制，必须保证成孔质量。1）钻孔灌注桩:钻孔,土排出，清孔底残渣放钢筋龙，浇混凝土常用桩径600—650mm，桩长10—30m采用泥浆护壁大直径1500—3000m,下钢套管护壁.多种功能:钻进,冲击,磨岩扩大桩底功能，施工速度快可进入岩层.钻孔灌注桩2）沉管灌注桩锤击沉管打桩机和振动沉管打桩机将带有桩尖及活瓣桩尖钢管沉入土中成孔,浇灌混凝土，拔出钢管安放钢筋笼。桩径300—500(275,325)长20m施工速度快,宜出现缩颈,离析,可打入硬塑粘土,中粗砂层.沉管灌注桩3)挖孔桩人工控孔和机械挖孔,用于大直径0.8—3.5m挖深1m喷射混凝土护壁(小直)和下套管(大直径)长度30m.L8m0.8m直径，8L≤151.0m直径，15L≤201.2m直径，D/d不宜大于3优点:孔底清的干净,施工简单,孔内空间小，注意流砂情况,4）爆扩灌注桩就地成孔后,在孔底放炸药,浇一些混凝土,炸开扩大孔底。桩径200-350,扩底2-3倍，桩长4-6m4.按桩径大小分:大直径桩d≥800mm中直径桩250d800mm小直径桩d≤250mm5.按长径比L/d短桩L/d10，中长L/d10，长桩L/d40，超长桩L/d100。6、按桩成桩方式:1)挤土桩:打入时将桩位大量土排挤开,因土层震动,土结构遭破坏，土性质有变化。粘性土,由于重塑作用降低了抗剪强度,非密实无粘性土由于振动挤密使抗剪强度提高,2)部分挤土桩:土原状结构和工程性质变化不大,开口钢管H型钢3)非挤土桩.钻孔桩将桩体积相同土挖出,土没有排挤,应力松弛侧阻力减少。1)因荷载制宜”即上部结构传递给基础的荷载大小是控制单桩承载力要求的主要因素。2)因土层制宜”，即根据建筑物场地的工程地质条件、地下水位状况和桩端持力层深度等，通过比较各种不同方案桩结构的承载力和技术经济指标，选择桩的类型。3)因机械制宜”，即考虑本地区桩基施工单位现有的桩工机械设备；如确实需要从其他地区引进桩工机械时，则需要考虑其经济合理性。选桩原则4）因环境制宜”，即考虑设桩过程中对环境的影响，例如打入式预制桩和打入式灌注桩的场合，就要考虑振动、噪声以及油污对周围环境的影响；泥浆护壁钻孔桩和埋入式桩就要考虑泥水、泥土的处理，否则会造成对环境的不利影响。5）因造价制宜”，即采用的桩型，其造价应比较低廉。6）因工期制宜”，当工期紧迫而环境又允许，可采用打入式预制桩，因其施工速度快；再如施工条件合适，也可采用人工挖孔桩，因该桩型施工作业面可增多，施工进程也较快。在选择桩型和工艺时，应对建筑物的特征(建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、建筑物的安全等级等)、地形、工程地质条件(穿越土层、桩端持力层岩土特性)水文地质条件(地下水类别、地下水位标高)、施工机械设备、施工环境、施工经验、各种桩施工法的特征、制桩材料供应条件、造价以及工期等进行综合性研究分析后，并进行技术经济分析比较，最后选择经济合理、安全适的桩型和成桩工艺。4.2.2桩的成型方式效应1、挤土桩的成桩效应挤土作用，将使桩周土扰动重塑、侧向压应力增加，其桩端附近土也会受到挤密。土性质不同，挤土差别很大。粘性土与非粘性土、饱和和非饱和状态，松散与密密实状态，其挤土效应差别较大。一般来说松散的非粘性土挤密效果好，密实或饱和粘土挤密效果小。1）粘土中挤土桩成桩效应饱和土沉桩时，桩侧土受到挤压、重塑、扰动。扰动程度分三个区：重塑区Ⅰ，部分扰动区Ⅱ和非扰动区Ⅲ（Ⅰ区、Ⅱ区为塑性区，半径一般为2.5-5倍桩径，Ⅲ区为弹性区）。重塑区因受沉桩过程的竖向向挤压作用而充分扰动重塑。沉桩引起的超孔隙水压力在桩土界面附近最大，但当瞬时超孔隙水压力超过竖向或侧向有效应力时便会产生水力劈裂而散，因此成桩过程的超孔隙水压力一般稳定在土的有效自重压力范围内。由于沉桩引起的挤压应力、超孔隙水压力在桩土界面最大，因此在不断产生相对位移、粘聚力较小的桩土界面上将形成一水膜，降低了沉桩贯入阻力。在桩表面形成了排水通道，使靠近桩土界面的土层快速固结、并随静置和固结时间的延长强度快速增长，逐步形成一紧贴于桩表面的硬壳层。当桩受竖向荷载产生竖向位移时，其剪切面将发生在Ⅰ、Ⅱ区的交界面，因而桩侧阻力取决于Ⅱ区土的强度。由于Ⅱ区土强度也因固结、触变作用而最终超过天然状态，因此，粘土中的挤土效应将使桩侧阻力增加。虽然挤土塑性区半径与桩径成正比增大，但桩土界面的最大挤土压力仅与土强度、模量和泊松比有关。因此，挤土量达某一临界值后增强效应不再变化。2）砂土中挤土桩的成桩效应非密实砂土中的挤土桩，桩周土因侧向挤压使部分颗粒被压碎及土颗粒重新排列而趋于密实。在松散至中密的砂土中设置挤土桩，桩侧可达3-5.5倍桩径，桩端下可达2.5-4.5倍桩径。因此，非密实砂土中挤土桩的承载力增加是由打桩引起的相对密实增加所造成的。3）饱和粘性土中挤土摩擦型桩承载力的时间效应，增长幅度与桩径、桩长有关，桩径越大、桩越长，增长幅度越大。群桩增长时间长、增长幅度大，且群桩中桩愈多，时效引起的承载力增量愈大。2．非挤土桩的成桩效应在成孔过程中，随着孔壁侧向应力的解除，桩周土将出现侧向松弛变形而产生松弛效应，导致桩周土体强度削弱，桩侧阻力随着降低。桩侧阻力的降低幅度与土性、有无护壁、孔径大小等因素有关.4.3桩的竖向承载力4.3.1单桩轴向荷载的传递机理1、桩身轴力与截面位移1）桩竖向荷载的承担及传递过程bsQQQbusuuQQQ当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，荷载增量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性变形，位移增加速度显著增大，直至桩端阻力达极限，位移迅速增大至破坏。此时，桩达到其极限承载力。2）桩身轴力与截面位移单桩轴向荷载传递的基本微分方程桩身轴力桩身截面位移dzduEAzpppz22dzuNzzzzQ0dzNEAzzzppS012、影响荷载传递的因素1）桩端土与桩周土的刚度比Eb/EsEb/Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快，即传递到桩端荷载愈小。对于中长柱，当Eb/Es=1（即均匀土层）时，桩侧摩阻力接近于均匀分布、几乎承担了全部荷载，桩端阻力仅占荷载的5%左右，即属于摩擦桩；当Eb/Es增大到100时，桩身轴力上段随深度减小，下段近乎沿深度不变，即桩侧摩阻力上段可得到发挥，下段则因桩土相对位移很小而无法发挥出来，桩端阻力分担了60%以上荷载，即属于端承型桩；Eb/Es再继续增大，对桩端阻力分担荷载比的影响不大。2）桩土刚度比Ep/EsEp/Es愈大，传到桩端荷载愈大，但当Ep/Es超过1000后，对桩端阻力分担荷载比的影响不大。而对于Ep/Es≦10的中长桩，其桩端阻力分担荷载近于零。说明对于砂桩、碎石桩、灰土桩等低刚度桩组成的基础，应按