【第7次课】 教学目的:通过本次课教学使学生掌握桩基础的组成、特点和.doc
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1、【第7次课】教学目的:通过本次课教学使学生掌握桩基础的组成、特点和适用条件,桩基础的类型和构造。教学重点:桩基础的类型。教学难点:柱桩与摩擦桩的概念。板书 讲解第三章 桩基础第一节 概述 当地基浅层土质不良,采用浅基础无法满足结构物对地基强度、变形和稳定性方面的要求时,往往需要采用深基础。 桩基础是一种历史悠久而应用广泛的深基础型式。近代随着工业技术和工程建设的发展,桩的类型和成桩工艺、桩的设计理论和设计方法、桩的承载力与桩体结构的检测技术等诸方面均有迅速的发展,以使桩与桩基础的应用更为广泛,更具有生命力。它不仅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。一、桩基础的
2、组成与特点桩基础组成: 桩 桩在平面排列上可成为一排或几排桩身可全部或部分埋入地基土中,当桩身外露在地面上较高时,在桩之间应加设横系梁,以加强各桩的横向连系。承台 承台将所有桩的顶部由联成一整体并传递荷载。在承台上再修筑桥墩、桥台及上部结构,如图3-1所示。 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。桩是基础中的柱形构件,其作用在于穿过软弱的压缩性土层或水,把桩基坐落在更硬或更密实或压缩性较小的地基持力层上。各桩所承受的荷载由桩通过桩侧土的摩阻力及桩端土的抵抗力将荷载传递到桩周土层中去,如图3-1b)所示。 桩基础优点
3、: 它具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀,在深基础板书 讲解中具有耗用材料少、施工简便等特点。 在深水河道中,可避免(或减少)水下工程,简化施工设备和技术要求,加快施工速度并改善劳动条件。伴随着工业化水平不断提高,桩与桩基础不仅便于工厂化生产和机械化施工,而且能适应于不同的水文地质条件和承受不同荷载性质的上部结构。二、桩基础的适用条件 第一、 荷载较大,地基上部土层软弱,适宜的地基持力层位置较深,采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时; 第二、 河床冲刷较大,河道不稳定或冲刷深度不易计算正确,如采用浅基础施工困难或不能保证基础安全时; 第三、 当地基计算沉降过人或结构物对不均匀沉降敏
4、感时,采用桩基础穿过松软(高压缩性)土层,将荷载传到较坚实(低压缩性)土层,减少结构物沉降并使沉降较均匀; 第四、 当施工水位或地下水位较高时,采用桩基础可减小施工困难和避免水下施工 第五、 地震区,在可液化地基中,采用桩基础可增加结构物的抗震能力,桩基础穿越可液化土层并伸入下部密实稳定土层,可消除或减轻地震对结构物的危害。 当上层软弱土层很厚,桩底不能达到坚实土层时,就需要用较多、较长的桩来传递荷载,且这时的桩基础沉降量较大,板书 讲解稳定性也稍差;当覆盖层很薄时,桩的稳定性也会有问题,就不一定是最佳的基础形式,应经过多方面的比较才能确定优选的方案。 因此,在考虑桩基础适用时,必须根据上部结
5、构特征与使用要求,认真分析研究建桥地点的工程地质与水文地质资料,考虑不同桩基类型特点和施工环境条件,经多方面比较,精心设计,慎重选择方案。第二节 桩和桩基础的类型及构造一、根据桩的受力条件分类1柱桩与摩擦桩 柱桩: 桩穿过较松弱土层,桩底支承在岩层或硬土层(如密实的大块卵石层)等实际非压缩性土层时,基本上依靠桩底土层抵抗力支承垂直荷载,这种桩称为-(支承桩)如图3-2a)所示。按我国习惯,柱桩是专指桩底直接支承在基岩上的桩,此时因桩的沉降甚微,认为桩侧摩阻力可忽略不计,全部垂直荷载由桩底岩层抵抗力承受。但对于较长的支承桩,因受荷后桩身弹性压缩较大,将在桩侧产生摩阻力,故设计时尚应考虑。 摩擦桩
6、: 桩穿过并支承在各种压缩性土层中,主要依靠桩侧土的摩阻力支承垂直荷载,这种桩称为-,如图3-2b)所示。一般情况下,摩擦桩除桩侧土的摩阻力支承垂直荷载外,桩底土层抵抗力也支承部分垂直荷载。 柱桩承载力较大,基础沉降小,较安全可靠,但若岩层埋置很深,沉桩困难,就需要采用摩擦桩。柱桩和摩擦桩由于它们在地基土中的工作条件不同,它们与土共同作用特点也就不一样,因此在设计计算时所采用的方法和有关参数也不一样,这将在本章第四、五节中阐述。2竖直桩与斜桩 (按桩轴方向分)竖直桩 水平外力和外力矩不大、桩的自由长度(即地面以上的桩身长度)不长、桩身较粗时,多采用竖直桩桩基单向斜桩多向斜桩 斜桩的特点是能承受
7、较大的水平荷载,但需要有相应的施工设备和工艺。板书 讲解3桩墩 桩墩: 通过在地基中成孔后灌注混凝土形成的大口径断面柱形深基础,即以单个桩墩代替群桩及承台。端承桩墩 桩墩基础底端可支于基岩之上。摩擦桩墩 桩墩基础底端可嵌入基岩或较坚硬土层之。几何特征:直柱形扩底桩墩 (在桩墩底土较坚硬的情况下,为使桩墩底承受较大的荷载,也可将桩墩底端尺寸扩大而做成)桩墩断面形状 常为圆形,其直径不小于0.8m。桩墩结构 一般为钢筋混凝土结构钢套筒或钢核桩墩 当桩墩受力很大时也可用钢套筒或钢核桩墩(图3-4)受力分析: 与基桩相类似,但由于桩墩断面尺寸较大而具有较高的竖向承载力和可承受较大的水平荷载。对于扩底桩
8、墩还具有抵抗较大上拔力的能力。优点: 在于墩身面积小、美观、施工方便、经济,但它受力大、纵向稳定性较差、对地基要求也高, 适用: 对于上部结构传递的荷载较大,且要求基础墩身面积较小时的情况,可考虑桩墩深基础方案。所以在选定方案时,尤其受较大船撞力的河流中应用此类型桥墩更应注意。板书 讲解二、按施工方法分类(一)沉桩(预制桩) 施工方法: 将各种预先制好的桩(主要是钢筋混凝土或预应力混凝土实心桩或管桩,也有钢桩或木桩)以不同的沉桩方式(设备)沉入地基内达到所需要的深度。预制桩是按设计要求在地面良好条件下制作(长桩可在桩端设置钢板、法兰盘等接桩构造分节制作),桩体质量高,可大量工厂比生产,加速施工
9、进度。适用: 一般土地基,但较难沉入坚实地层。沉桩有明显的排挤主体作用,应考虑对邻近结构(包括邻近基桩)的影响。在运输、吊装和沉桩过程中应注意避免损坏桩身。1打入桩(锤击桩)施工方法: 是通过锤击(或以高压射水辅助)将预制桩沉入地基。适用: 桩径较小(一般直径在0.6m以下,但国内最大管桩直径已达lm),地基土质为可塑状粘性土、砂性土、粉土、细砂以及松散的不含大卵石或漂石的碎卵石类土的情况。问题: 有较大的振动和噪声,在城市建筑密集地区施工,须考虑对环境的影响。2振动下沉桩 施工方法: 将大功率的振动打桩机安装在桩顶,一方面利用振动以减小土对桩的阻力,另方面用向下的振动力使桩沉入土中。适用:
10、于可塑状的粘性土和砂土,用于上的抗剪强度受振动时有较板书 讲解大降低的砂土等地基和自重不大的钢桩,其效果更为明显。沉桩困难时可采用射水辅助振动沉桩。3静力压桩 施工方法: 借助桩架自重及桩架上的压重,通过液压或滑轮组提供的静反力(图3-5)将预制桩压入土中的桩。适用: 较均质的可塑状粘性土地基,对于砂土及其他较坚硬土层,由于压桩阻力大而不宜采用。优缺点: 静力压桩在施工过程中无振动、无噪声,并能避免锤击时桩顶及桩身的损伤,但较长桩分布压入时受压桩架高度的限制,使接头变多会影响压桩的效率。(二)灌注桩概念: 灌注桩是在现场地基中钻挖桩孔,然后浇筑钢筋混凝土或混凝土而成的桩。灌注桩可选择适当的钻具
11、设备和施工方法而适用于各种类型的地基土,并可做成较大直径以提高桩的承载力,可避免预制桩打桩时对周围土体的挤压影响和振动及噪声对周围环境的影响。但在成孔成桩过程中应采取相应的措施和方法保证孔壁的稳定和提高桩体的质量。1钻、挖孔灌注桩钻孔灌注桩:施工方法: 用钻(冲)孔机具在上中钻进,边破碎土体边出土渣而成孔,然后在孔内放入钢筋骨架,灌注混凝土而形成的桩。为了顺利成孔、成桩,需采用包括制备有一定要求的泥浆护壁、提高孔内泥浆水的水位、灌注水下混凝土等相应的施工工艺和方法。优点: 钻孔灌注桩的施工设备简单,操作尚方便,缺点: 由于泥浆的排放处理,在城市中的应用有时会受到一定的限制。适用: 各种粘性土、
12、砂性土,也适用于碎、卵石类土和岩层。对于易坍孔土质及可能发生流沙或有承压水的地基,施工难度较大,施工前应做试桩以取得经验。国内钻孔灌注桩的应用日益广泛,我国施工的钻孔灌注桩最大深度已达百余米。 挖孔灌注桩施工方法: 依靠人工(用部分机械配合)或机械在地基中挖出桩孔,然后浇筑板书 讲解钢筋混凝土或混凝土所形成桩。特点: 是不受设备限制,施工简单。挖孔桩桩径较大,一般大于1.4m;为确保施工安全,挖孔深度不宜太深。能直接检验孔壁和孔底土质以保证桩的质量。为增大桩底支承力,可用开挖办法扩大桩底。适用: 无水或渗水量小的地层,对可能发生流沙或含较厚的软粘土层地基,这种施工方法较为困难(需要加强孔壁支撑
13、)。2沉管灌注桩施工方法: 沉管灌注桩系指采用锤击或振动的方法把带有钢筋混凝士的桩尖或带有活瓣式桩尖(沉管时桩尖闭合,拔管时活瓣张开)的钢套管沉入土层中成孔,然后在套管内放置钢筋笼,并边灌注混凝土边拔套管而形成的灌注桩,也可将钢套管打入土中挤土成孔后向套管中灌注混凝士并拨出套管成桩。特点: 由于采用了套管,可以避免钻孔灌注桩施工中可能产生的流砂、坍孔的危害和由泥浆护壁所带来的排渣等弊病。但桩的直径较小,常用的尺寸在0.6m以下,桩长常在2Om以内。在软粘土中,由于沉管的挤压作用对邻桩有挤压影响,且挤压时产生的孔隙水压力易使拔管时出现混凝土桩缩颈现象。适用: 粘性土、砂性土、砂土地基。3爆扩桩
14、爆扩桩系指就地成孔后,用炸药爆炸扩大孔底,浇灌混凝土而成的桩,其施工程序如图3-6所示。这种桩扩大桩底与地基土的接触面积,提高桩的承载能力。爆扩桩宜用于持力层较浅,以在粘土中成型并支承在坚硬密实土层上为最理想的采用条件。(三)管柱施工方法: 它是将预制的大直径(直径15m左右)钢筋混凝土或预应力混凝土或钢管柱(实质上是一种巨型分节装配的管桩,每节长度根据施工条件决定,一般采用4m、8m和l0m,接头用法兰盘和螺栓联接),用大型的振动桩锤沿导向结构振动下沉到基岩(一般以高压射水和吸泥机配合帮助下沉),然后在管内钻岩成孔,下放钢筋笼骨架,灌注混凝土,将管柱嵌固于岩层,如图3-7所示。板书 讲解特点
15、和适用: 大跨径桥梁的深水基础,或在右面起伏不平的河床上的基础,管柱基础可以在深水及各种覆盖层条件下进行,没有水下作业和不受季节限制,但施工需要有振动沉桩锤、凿岩机、起重设备等大型机具,动力要求也高,所以在一般公路桥梁中较少采用。 三、高桩承台和低桩承台(按承台位置分)高桩承台基础(简称高桩承台)高桩承台的承台底面位于地面(或冲刷线)以上。基桩部分桩身沉入土中,部分桩身外露在地面以上(称为桩的自由长度)承台位置较高或设在施工水位以上,可减少墩台的圬工数量,可避免或减少水下作业,施工较为方便,且经济。然而,高桩承台基础刚度较小,在水平力作用下,由于承台及基桩露出地面的一段自由长度周围无上来共同承
16、受水平外力,基桩的受力情况较为不利,桩身内力和位移都将大于在同样水平外力作用下的低桩承台,在稳定性万面低桩乐台也较高桩承台好。近年来由于大直径钻孔灌注桩的采用,桩的刚度、强度都较大,因而高桩承台在桥梁基础工程中已得到广泛采用。板书 讲解低桩承台基础 (简称低桩承台) 低桩承台的承台底面位于地面(或冲刷线)以下。低桩承台则基桩全部沉入土中(桩的自由长度为零)。 四、不同桩身材料的桩及其构造(一) 就地灌注钢筋混凝土桩的构造桩型: 钻、挖孔灌注桩、沉管灌注桩。混凝土: 标号不低于20号,对仅承受竖直力的基桩可用15号(但水下灌注的混凝土仍不应低于20号)。 设计直径: 钻孔灌注桩一般为0.801.
17、5Om,挖孔灌注桩不宜小于1.2Om,沉管灌注桩一般为0.300.60m。桩内钢筋: 应按照内力和抗裂性的要求布设。长摩擦桩应该根据桩身弯矩分布情况分段配筋。短摩擦桩和柱桩也可按桩身最大弯矩通长均匀配筋。当按内力计算桩身不需要配筋时也应在桩顶35m内设置构造钢筋。孔内钢筋不设弯钩,以利水下混凝土的灌注。为了保证钢筋骨架有一定的刚性,便于吊装及保证主筋受力后的纵向稳定,主筋不宜过细过少(直径不宜小于14mm,每根桩不宜少于8根)。箍筋应适当加强,箍筋直径一般不小于8mm,中距为200400mm。对于直径较大的桩或较长的钢筋骨架,可在钢筋骨架上每隔2.02.5m设置一道加强箍筋(直板书 讲解径为1
18、4l8mm),如图3-9所示。钢筋保护层厚度一般不应小于50mm。 钻、挖孔桩的柱桩根据桩底受力情况如需嵌入岩层时,嵌入深度可根据受力情况计算确定,并不得小于0.5m。大直径的空心钢筋混凝土就地灌注桩, 是进一步发挥材料的潜力,节约水泥的措施。就地灌注桩常用的含筋率为0.2%0.6%,较一般预制钢筋混凝土实心桩、管桩和管柱均低。(二)钢筋混凝土预制桩1普通钢筋混凝土桩桩的截面: 方形,生产、制作、运输和堆放方便。截面边长一般为0.30.5m。桩的长度: 取决于沉桩设备,一般在2530m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。桩身混凝土: 不低于25号,桩身配筋:
19、 应按起吊、运输、沉桩和使用各阶段的内力要求通长配筋。主筋直径一般为1925mm,根数一般为8根,最小含筋率不小于0.8%。箍筋直径为68mm,其间距为l00200mm,而桩的两端处应加密,间距一般为50mm。由于桩尖穿过土层时直接受到正面阻力,应在桩尖处把所有的主筋弯在一起并焊在一根蕊棒上。桩头直接受到锤击,故在桩顶需放方格网片三层以加增桩头强度。钢筋保护层厚度不小于35mm。桩内需预埋直径为2025mm的钢筋吊环,吊点位置通过计算确定。如图3-10所示。接头: 长桩分节制作在现场接桩时,桩的接头的可靠性是很重要的,必须保证接头有足够的强度。钢筋混凝土桩的接头一般采用焊接钢板接头,图3-11
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