基础工程第4讲桩基础概述

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1、出卷要求 1 至少四种题型 选择 填空 判断 问答 计算 选择四个 2 直接在题目上提供标准答案 3 选择 填空 判断2分一个 问答5分一个 计算题10 15分一个 计算题占60 4 按标准模板排版 5 第十六周交 作为平时成绩的40 6 每章都要有内容 考题分布合理 7 独立完成 网上下载的习题需修改 自己演算 提供答案 不得抄袭 第4章桩基础 软土层 桩Pile 指垂直或者稍倾斜布置于地基中 其断面相对其长度较小的杆状构件 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 4 1概述 天然地基浅基础 人工地基 桩基础 深基础主要有桩基础 地下连续墙和沉井等几种类型

2、其中桩基础是一种最为古老且应用最为广泛的基础形式 本章着重讨论桩基础的理论与实践 沉井caisson 4 1 1桩基础的使用 桩所承受的轴向荷载是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承的 桩基具有承载力高 稳定性好 沉降量小而均匀等特点 桩之作用 1 将荷载传至硬土层 图a 或分配到较大的深度范围 图b 以提高承载力 2 减小沉降 从而也减小沉降差 故地基强度够 而变形不合要求时亦用 3 抗拔 用于抗风 抗震 抗浮等 4 有一定抗水平荷载能力 特别是斜桩 5 抗液化 深层土不易液化 浅层土液化后 有桩支撑 有助于上部结构的稳定 一般说来 下列情况可考虑采用桩基础方案 1 天然

3、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 料仓等 4 软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物 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他情况 6 需要减弱其震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 新

4、加坡发展银行 四墩 每墩直径7 3m 将荷载传递到下部好土层 承载力高 新加坡发展银行 四墩7 3m 现场灌注护坡桩 造价低 港珠澳大桥海底隧道基础处理型式 基础处理型式 端承桩 端承桩 基岩 减沉桩 减沉桩 4 1 2桩基础的类型 根据承台与地面相对位置的高低 桩基础可分为低承台桩基和高承台桩基两种 低承台桩基的承台底面位于地面以下 而高程台桩基的承台底面则高出地面以上 如图所示 4 1 3桩基设计原则 桩基设计应满足下列基本条件 1 单桩承受的竖向荷载不宜超过单桩竖向承载力特征值 2 桩基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值 3 对位于坡地岸边的桩基应进行桩基稳定性验算 4 1 4桩基设计内

5、容 桩基设计包括下列基本内容 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 不同的分类标准 1 按承台与地面的相对位置分类 低承台桩 高承台桩 2 按承载性状分类 端承型桩 端承型桩是指桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受 但桩端阻力分担荷载较多的桩 其桩端一般进入中密以上的砂类 碎石类土层 或位于中等风化 微风化及新鲜基岩顶面 这类桩的侧摩擦阻力虽属次要 但不可忽略 侧阻和嵌岩阻力是嵌岩桩传递轴向荷载的主要途径 因此 嵌岩桩不宜划归端承桩这一类 摩擦型桩是

6、指桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受 但桩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多坚实的粘性土 粉土和砂类土 且桩的长径比不很大 摩擦型桩 摩擦桩 当桩顶竖向荷载绝大部分由桩侧阻力承受 而桩端阻力很小可以忽略不计时 称为摩擦桩 包括 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 打入邻桩使先前设置的桩上抬 甚至桩端脱空等情况 3 按桩的施工方法分类 1 预制桩在施工前预先制作成型 再用各种机械设备把它沉入地基至设计标高的桩 称为预制桩 预制桩可以是木

7、桩 钢桩或钢筋混凝土桩等 沉桩方法有气锤打入 振动沉桩 静压桩等 预制桩的沉桩方式主要有 锤击法 振动法和静压法等1 锤击法沉桩桩锤 或辅以高压射水 将桩击入地基中的施工方法 适用于地基为松散的碎石土 不含大卵石或漂石 砂土 粉土以及可塑粘性土的情况 2 振动法沉桩振动法沉桩是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 3 静压法沉桩静压法沉桩是采用静力压桩机将预制桩压入地基中的施工方法 静压法沉桩具有无噪声 无振动 无冲击力 施工应力小 桩顶不易损坏和沉桩精度较高等特点 振动沉桩预制桩1 13m 电动振动器 锤击沉桩 静力压桩 2 灌注桩灌注桩是直接在所设计桩位处成孔 然后在孔

8、内加放钢筋笼 也有省去钢筋的 再浇灌混凝土而成 灌注桩的横截面呈圆形 可以做成大直径和扩底桩 通过选择适当的成孔设备和施工方法 灌注桩可适用于各种类型的地基土 与混凝土预制桩比较 灌注桩一般只根据使用期间可能出现的内力配置钢筋 用钢量较省 2 灌注桩分类1 沉管灌注桩钢管沉入土层 2 钻 冲 磨 孔灌注桩 2 钻 冲 磨 孔灌注桩 3 挖孔桩4 爆扩灌注桩 广州市亚洲大酒店人工挖孔桩 UK英国 1 0 3 0m 0 6 0 9m 爆破扩底桩 钻扩桩 2 钢桩H型钢桩以及下端开口或闭口的钢管桩等 钢桩的穿透力强 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

9、耗钢量大 成本高 抗腐蚀性能较差 须做表面防腐蚀处理 4 按成桩方法和成桩过程的挤土效应分类 1 非挤土桩 成桩过程对桩周围的土无挤压作用的桩称为非挤土桩 主要有 钻 冲 孔桩 挖孔桩 2 部分挤土桩 少量挤土桩 成桩过程对周围土产生部分挤压作用的桩称为部分挤土桩 主要有 工型或H型钢桩 钢板桩 开口钢管桩 开口钢筋混凝土管桩 3 挤土桩 成桩过程中 桩孔中的土未取出 全部挤压到桩的四周 这类桩称为挤土桩 主要有 木桩 钢筋混凝土桩 闭口的钢管桩或钢筋混凝土管桩 沉管灌注桩 挤土作用会引起桩周土的天然结构 应力状态和性质产生变化 从而影响桩的承载力 挤土桩的成桩效应挤土桩成桩过程中产生的挤土作

10、用 将使桩周土扰动重塑 侧向压应力增加 且桩端附近土也会受到挤密 1 粘性土中挤土桩的成桩效应桩侧土受到挤压 扰动 重塑 产生超孔隙水压力及随后出现超孔隙水压力消散 产生再固结和触变恢复等方面 桩侧土按沉桩过程中受到的扰动程度可分为三个区 重塑区I 部分扰动区 和非扰动区 2 砂土中挤土桩的成桩效应桩周土受挤密的范围 桩侧可达3 5 5倍桩径 桩端下可达2 5 4 5倍桩径 对于桩群 桩周土的挤密效应更为显著 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度增加所造成的 3 饱和粘性土中挤土摩擦型桩承载力的时间效应饱和粘性土中挤土摩擦型桩的承载力随时间而变化的主要原因在于 沉桩引起

11、的超孔隙水压力在沉桩挤压应力下消散 导致桩周土再固结 其强度随时间逐渐恢复 甚至超过原始强度 沉桩过程中受挤压扰动的桩周土 因土的触变作用使被损失的强度随时间逐步恢复 研究表明 在土质相同的条件下 饱和粘性土中挤土摩擦型桩承载力随时间的增长幅度 无论是单桩还是群桩 均与桩径 桩长有关 桩径愈大 桩愈长 增幅愈大 且前期增长速率愈大 趋于稳定值所需的时间也愈长 与独立单桩相比 群桩由于沉桩所产生的挤土效应受桩群相互作用的影响而加强 土的扰动程度大 超孔隙水压力更大 因此 群桩中单桩的初始承载力及初期增长速率虽然都比独立单桩低 但其增长延续时间长 增长幅度大 且群桩中桩愈多 时效引起的承载力增量愈

12、大 非挤土桩的成桩效应非挤土桩在成孔过程中 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 桩侧阻力随之降低 桩侧阻力的降低幅度与土性 有无护壁 孔径大小等诸多因素有关 1 粘性土中非挤土桩的成桩效应孔壁周围粘性土软化所致 桩侧阻力受泥浆稠度 混凝土浇注等因素的影响而变化桩侧阻力或多或少会有所降低 2 砂土中非挤土桩的成桩效应成桩松弛效应对桩侧阻力的削弱有较大的影响 3 粘性土中非挤土摩擦型桩承载力的时间效应 成孔过程中受扰动的孔壁土 因土的触变作用使被损失的强度随时间逐步恢复 泥浆护壁成桩时附着于孔壁的泥浆随时间触变硬化 4 3桩的竖向承载力 4 3 1

13、单桩轴向荷载的传递机理1 桩身轴力和截面位移单桩轴向荷载的传递过程就是桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程 靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥 侧阻力先于端阻力发挥 2 影响荷载传递的因素 1 桩端土与桩周土的刚度比 2 桩土刚度比 3 桩端扩底直径与桩身直径之比 4 桩的长径比 3 桩侧摩擦阻力和桩端阻力 拱作用 当桩入土深达某一临界深度后 10 20d 侧阻就不随深度增加了 这个现象称为侧阻的深度效应 端阻的临界深度模型和原型桩试验研究都表明 与侧阻的深度效应类似 端阻也存在深度效应现象 当桩端入土深度小于某一临界值时 极限端阻随深度线形增加 而大于该深度后则保持恒值不变 临界深度随持力层密

14、度的提高 上覆荷载的减小而增大 一般对砂类土 临界深度约为 3 10 d 密度大取高值 粉土和粘性土为 2 6 d 有关资料表明 侧阻与端阻的临界深度之比约为0 3 1 0 对于侧阻和端阻的深度效应问题有待于进一步的研究 1 单桩竖向承载力特征值 单桩竖向极限承载力标准值 单桩在竖向荷载作用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最大荷载 4 3 2单桩竖向承载力的确定 4 3 2单桩竖向承载力的确定 Qu取决于 最小值 桩本身材料强度 土层的支承能力 1 按桩身材料强度计算混凝土桩 R cfcAp钢筋混凝土桩 R cfcAp f yAg R 单桩轴向承载力设计值f y 钢筋抗压强

15、度设计值 桩的稳定系数 一般取1 c 施工工艺系数 2 静载荷试验 获得单桩承载力最可靠的方法 挤土桩在设置后须隔一段时间才开始载荷试验 锚桩桁架法 2400吨 桩顶试验中 单桩竖向静载荷试验的方法 终止加载条件 建筑地基基础规范 GB50007附录Q 1 桩的荷载试验成果 荷载沉降曲线 Q kN 单桩竖向静载荷试验的方法 确定承载力步骤 建筑地基基础规范 GB50007附录Q 2 S logt曲线 沉降速率 法 特点 取s lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值作为Qu 单桩静载荷试验所得的荷载 沉降关系曲线分为陡降型 A 和缓变型 B 两类形态 1 呈 急进破坏 的陡降型 相应于破坏

16、时的特征点明显 据之可确定单桩极限承载力2 呈 渐进破坏 的缓变型按建筑物所能承受的最大沉降确定 3 按土的抗剪强度指标确定 1 单桩承载力的一般表达式 单桩竖向允许承载力 2 粘性土中单桩的承载力1 对于正常固结 弱超固结或灵敏粘性土中的桩 2 强超固结粘性土或非灵敏粘土中桩取固结不排水抗剪强度估算 排水条件下的长期承载力表达式为 3 无粘性土中单桩的承载力 4 规范公式 1 对直径d 800mm的灌注桩和预制桩 单桩竖向极限承载力标准值 桩侧第i层土的极限侧阻力标准值 极限侧阻力标准值 桩身周长 表5 3 5 1桩的极限侧阻力标准值qsik kPa 表5 3 5 2桩的极限端阻力标准值qpk 2 对大直径桩 d 800mm 桩身周长 5 其他现场试验方法Osterberg法动测桩法桩端深层平板载荷试验离心模型试验岩基载荷试验 不介绍 Osterberg法 Osterberg试桩法的主要设备是千斤顶 也可称为压力单元 千斤顶可以是一次性的 也可以是可回收的 可回收的千斤顶一般放置在空心预制桩的内部 放在离桩底不远的位置 一对精细加工的卡口事先浇筑在试验桩内部桩端的稍上部 试验时将千斤