yA桩基础.ppt
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1、第四章 桩基础,4.1 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,一、桩基础的特点,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,桩的工程作用:,(1) 桩侧与土体接触,将荷载传递给桩周土体,或荷载传 给深层的岩(砂、硬粘土)层; (2) 对液化地基,桩穿越液化层,增加结构抗震能力; (3) 桩侧竖向刚度大,桩穿越高压缩土层,沉降要求高的 结构满足安全和使用要求; (4) 桩具有很
2、大的侧向刚度和抗拔力,抵抗台风、地震等 巨大水平力; (5) 改变地基基础的动力特性,提高地基基础自振频率, 减少振幅,保证结构及设备正常运行。,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,预制桩: 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。,灌注桩: 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。,高承台 低承台,竖直桩 斜桩,4.1 概述,适用性
3、:, 天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物; 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;, 重型工业厂房和荷载很大的建筑物,如仓库、料仓等; 软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物;, 地基土有可能被水流冲刷的桥梁基础; 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。, 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; 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;
4、,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,桩基设计内容, 桩的类型和几何尺寸的选择; 单桩竖向(和水平向)承载力的确定; 确定桩的数量、间距和平面布置; 桩基承载力和沉降验算; 桩身结构设计; 承台设计; 绘制桩基施工图。,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,4.2 桩的类型,1、端承型桩和摩擦型桩,端承型桩是指桩顶竖向荷载主要由桩端
5、阻力承受的桩。端承型桩包括端承桩和摩擦端承桩两类。当桩侧阻力很小可以忽略不计时,称为端承桩。,摩擦型桩是指桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受的桩。摩擦型桩包括摩擦桩和端承摩擦桩。当桩端阻力很小可以忽略不计时,称为摩擦桩。,桩侧阻力,桩端阻力,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ld10),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hr0.5d)。,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
6、(hr 0.5d)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: 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; 桩端下无较坚实的持力层; 桩底残留虚土或残渣较厚的灌注桩; 打入邻桩使先设置的桩上抬、甚至桩端脱空等情况。,2、 预制桩和灌注桩,(1)预制桩,木桩,混凝土预制桩,钢桩。,常用松木,长46m,桩径160260mm,多用于软弱地基上的民宅和小型建筑物。应打入地下水
7、位以下0.5m。要确保桩端进入硬持力层。,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300500mm。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2530m
8、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300600mm,分节长度为713m,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。,锤击法沉桩施工工艺 沉桩前的准备工作: 认真处理高空、地上和地下障碍物。 对现场周围(50m以内)的建筑物作全面检查。对
9、危房进行必要的处理。 对建筑物基线以外46m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%。 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。 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。 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,
10、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: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;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。,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30
11、01000mm 相比管桩,承载力更高,成本低,抗震性好,更易成桩。,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200200360410mm翼缘和腹板的厚度为926mm。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4003000mm,壁厚为650mm,国内工程中常用的大致为4001200mm,壁厚为920mm。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
12、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15001600mm,壁厚2023mm,l=7189.35m。,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。,(2)灌注桩(4类) 灌注桩是直接在所设计桩位处成孔,然后在孔内加放钢筋笼(也有省去钢筋的)再浇灌混凝土而成。,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:,1)沉管灌注桩 沉桩方式: 锤击、振动、振
13、动冲击。,桩径:300500mm。 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6002500mm, 桩长70m。,特点:,桩端能进入微风化硬质岩石。 成本高;现场不够环保(泥浆护壁时)。,桩径大; 能克服流砂、消除孤石等 障碍物;,3)挖孔桩,桩径0.82m(广州新电视塔用 了24根,桩径1m-2m), 桩长宜小于30m。,挖孔桩的优点: 可直接观察地层情况,孔底易清除干净,设备简单,噪声小,场区各桩可同时施工,桩径大,适应性强,桩端可以入岩,又较经
14、济; 缺点: 桩孔内空间狭小、劳动条件差,可能遇到流砂、塌孔、有害气体、缺氧、触电和上面掉下重物等危险而造成伤亡事故,在松砂层(尤其是地下水位下的松砂层)、极软弱土层、地下水涌水量多且难以抽水的地层中难以施工或无法施工。,4)爆扩灌注桩(自学),我国常用灌注桩的适用范围见表4-1。,3、 按挤土效应分类,(1)挤土桩实心的预制桩,下端封闭的管桩,木桩, 沉管灌注桩,挤土桩在锤击、振动贯入或压入过程中,都将桩位处的土大量排挤开因而使桩周土层受到严重扰动,土的原状结构遭到破坏,土的工程性质有很大变化。粘性土由于重塑作用而降低了抗剪强度,孔隙水压力升高(土体固结后强度会更高);而非密实的无粘性土则由
15、于振动挤密而使抗剪强度提高。,在饱和粘性土中挤土桩若设置过密,会使土体产生横向位移和竖向隆起,致使先打入的桩被推移或被抬起,或对邻近的结构物造成重大影响。“植桩”法施工,钻孔植桩法: 放样定桩位钻机就位钻孔测量孔深、孔径及孔底虚土沉渣泥浆护壁植入预制桩,桩尖达设计标高拔送桩管、回填送桩内孔虚土。 此新工艺将排挤土桩改善为低排挤土桩,减少超空隙水压力上升和土体隆起及位移,从而排除了沉桩时对邻近建筑物、马路、构筑物等不良影响,解决了穿越硬夹土层等的特定条件下的施工难度。,(2)非挤土桩钻、冲、挖孔桩,设桩时桩周土不但没有受到排挤,相反可能因桩周土向桩孔内移动而产生应力松弛现象。因此,非挤土桩的桩侧
16、摩阻力常有所减小。,(3)部分挤土桩开口的管桩、钢管桩、H型钢桩,4.3.1 单桩轴向荷载的传递机理,承载机理:,桩顶轴力Q桩侧总阻力Qs+ 桩端总阻力Qp,4.3 桩的竖向承载力,桩侧阻对应的u数值: 粘性土46mm; 砂类土610mm,桩端阻对应的u数值: 粘性土d/10d/4(d为桩径); 砂类土d/12d/10。,影响荷载传递的主要因素之一:桩的长径比l/d 短桩: l/d 100,长径比很大的桩都属于摩擦桩。,为什么?,1)桩端土与桩周土的刚度比; 对于中长桩,桩端土与桩周土的刚度比分别为多少时,为摩擦桩和端承型桩? 2)桩土刚度比; 桩土刚度比愈大,传递到桩端的荷载愈大吗? 3)桩
17、端扩底直径与桩身直径之比; 4)桩的长径比。,影响荷载传递的因素:,其刚度比愈小,桩身轴力沿深度衰减 愈快还是愈慢?传递到桩端的荷载愈小还是愈大?,4.3.2 单桩竖向承载力的确定,取决于两方面: 桩身的材料强度; 地层的支承力。 设计时分别按这两方面确定后取其中的小值。如按桩的载荷试验确定,则已兼顾到这两方面。,按材料强度计算低承台桩基的单桩承载力时,可把桩视作轴心受压杆件,而且不考虑纵向压屈的影响(取纵向弯曲系数为1),这是由于桩周存在土的约束作用之故。对于通过很厚的软粘土层而支承在岩层上的端承型桩或承台底面以下存在可液化土层的桩以及高承台桩基,则应考虑压屈影响。,方法1. 静载荷试验(实
18、图) 静载荷试验是评价单桩承载力诸法中可靠性较高的一种方法。,缺点: 时间长;费用高。 广东最大可加载3000t。,挤土桩在设置后须隔一段时间才开始载荷试验。这是由于打桩时土中产生的孔隙水压力有待消散,且土体因打桩扰动而降低的强度也有待随时间而部分恢复。所需的间歇时间:预制桩在砂类土中不得少于7天;粉土和粘性土不得少于15天;饱和软粘土不得少于25天。灌注桩应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行。,加荷分级不应少于8级,每级加载量宜为预估极限荷载的1/81/10。,符合下列条件之一时可终止加载: 1.当荷载沉降(Qs)曲线上有可判定极限承载力的陡降段,且桩顶总沉降量超过40mm;,2. sn+1
19、/ sn2,且经24h尚未达到稳定;,3. 25m以上的非嵌岩桩, Qs曲线呈缓变型时,桩顶总沉 降量大于6080mm;,4.在特殊情况下,可根据具体要求加载至桩顶总沉降量大 于100mm。,单桩竖向极限承载力Qu应按下列方法确定:,1. 作荷载沉降(Qs)曲线和其他辅助分析所需的曲线。,2. 当陡降段明显时,取 相应于陡降段起点的 荷载值。,3. 当出现终止加载条件第 二款的情况,取前一级 荷载值。,4. Qs曲线呈缓变型时,取桩顶总沉降量s=40mm所对应的 荷载值,当桩长大于40m时,宜考虑桩身的弹性压缩。,在同一条件下,进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的1,且不应少于3 根。,计算参
20、加统计的极限承载力的平均值,当满足其极差不超过平均值的30%时,可取其什么值为单桩竖向极限承载力Qu? 当极差超过平均值的30%时,宜增加试桩数并分析离差过大的原因,结合工程具体情况确定极限承载力Qu。 对桩数为3根及3根以下的柱下桩台,则取哪个值为单桩竖向极限承载力Qu?,单桩竖向承载力特征值 Ra=Qu/2,方法2. 按土的抗剪强度指标确定(少用),方法3. 规范经验公式,式中 Ra单桩竖向承载力特征值; qpa、qsia桩端端阻力、桩侧阻力特征值,由当地静载 荷试验结果统计分析算得(查表);,Ap桩底横截面面积; up桩身周边长度; li第i层岩土的厚度。,当桩端嵌入完整或较完整的硬质岩
21、中时,单桩竖向承载力特征值可按下式估算: Ra=qpaAp (4-23) 式中qpa为桩端岩石承载力特征值,可按建筑地基基础设计规范附录H用岩基载荷试验方法确定,或根据室内岩石饱和单轴抗压强度标准值按下式计算: qpa=r frk (4-24) 式中 frk岩石饱和单轴抗压强度标准值,可按建筑 地基基础设计规范附录J确定; r折减系数。,例题,某承台下设置了3根直径为480mm的灌注桩,桩长10.5m,桩侧土层自上而下依次为:淤泥,厚6m,qsia=7kPa;粉土,厚2.5m,qsia=28kPa;粘土,很厚(桩端进入该层2m),qsia=35kPa,qpa=1800kPa。试计算单桩竖向承载
22、力特征值。,解:,4.3.3 竖向荷载下的群桩效应,群桩基础:由2根以上桩组成的桩基。,竖向荷载作用下,由于承台、桩、土相互作用,群桩基础中的一根桩单独受荷时的承载力和沉降性状,往往与相同地质条件和设置方法的同样独立单桩有显著差别,这种现象称为群桩效应。,群桩效应系数:,1=11,1. 端承型群桩基础,端承型群桩基础中各根单桩的工作性状接近于独立单桩,故1。,2摩擦型群桩基础,应力重叠,沉降增加,单桩承载力下降,1。,当桩距小于3d(d为桩径)时,桩端处应力重叠现象严重;当桩距大于6d时,应力重叠现象较小。,对打入较疏松的砂类土和粉土中的挤土群桩,其桩间土和桩端土被明显挤密,所以群桩效应系数常
23、大于1。,1)承台底面脱地的情况(非复合桩基),2)承台底面贴地的影响,由摩擦型桩组成的群桩基础,当其承受竖向荷载而沉降时,承台底面一般与地基土紧密接触,因此承台底面必产生土反力,从而分担了一部分荷载,使桩基承载力随之提高。考虑到一些因素可能会导致承台底面与基土脱开(例如挤土桩施工时产生的孔隙水压力会在承台修筑后继续消散而引起地基土固结下沉),为了保证安全可靠,设计时一般不考虑承台贴地时承台底反力对桩基承载力的贡献。,结论,设计群桩基础时,一般可不考虑群桩效应对单桩竖向承载力的影响,即取群桩效应系数1,但对摩擦型桩基、设计等级为甲级以及部分乙级的建筑物桩基,必须进行沉降验算,以确保桩基沉降不超
24、过允许值。,采用某种方法设置于土中的预制桩,或在地下隐蔽条件下成型的灌注桩,均应进行施工监督、现场记录和质量检测,以保证质量,减少隐患。特别是大直径桩采用一柱一桩的工程,桩基的质量检测就更为重要。 目前已有多种桩身结构完整性的检测技术,下列几种较为常用: 1)开挖检查。这种方法只能对所暴露的桩身进行观察检查。,桩的质量检验(p179),2)抽芯法。 在灌注桩桩身内钻孔(直径100150mm),了解混凝土有无离析、空洞、桩底沉渣和入泥等情况,取混凝土芯样进行观察和单轴抗压试验。有条件时可采用钻孔电视直接观察孔壁孔底质量。,3)声波检测法。 利用超声波在不同强度(或不同弹性模量)的混凝土中传播速度
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