桥梁基础工程之桩基础施工讲解大学课件

第3章桩基础3.1概述优点：承载力高，沉降小，稳定性好。不需大范围的开挖，减少了支护、降水工作。3.1.1桩基础及其应用缺点：施工较为复杂，造价较高。组成：桩群和承台。适用范围：（1）荷载大，软弱土层厚时。（2）河床冲刷较大时。（3）对地基沉降及不均匀沉降控制有较高要求时。（4）水平荷载较大时。（5）河水位较高时。（6）地震区需抗砂土液化时。3.1.2桩和桩基的分类钢管桩H型钢桩木桩基础1.桩的分类材料钢桩基础材料类型木桩混凝土桩钢筋混凝土桩钢桩（已少用）（较少）（主力）（价高）1.桩的分类优点：桩身质量容易保证；水上施工方便；施工工效高。缺点：单价较灌注桩高；锤击、振动法下沉时噪音大；属挤土桩，易导致地面的隆起；桩接头是薄弱环节；不易穿透坚硬地层。优点：适用于各种地层；可采用大直径，以获得高承载力；与预制桩相比，钢筋用量较少，更为经济。（1）预制桩缺点：桩身质量不易保证；孔底沉积物不易清净（挖孔桩除外），影响承载力；一般不宜用于水下施工。（2）灌注桩施工方法：打入、振入、压入等。施工方法（钢筋混凝土桩）施工方法：钻孔、冲孔、沉管成孔、人工挖孔等。（3）管柱基础施工方法：先下沉预制钢筋混凝土管，内部钻挖后，再填钢筋混凝土。特点：承载力高，适合于深水施工。打入桩（房建）钻孔桩冲孔桩直桩和斜桩斜桩：可抵抗较大的水平荷载。桩的设置效应挤土桩非挤土桩部分挤土桩根据对周围土的扰动程度实心预制桩、下端封闭的管桩等冲孔灌注桩、钢桩等钻（挖）孔灌注桩等扰动后的土影响桩的承载力及沉降。直桩斜桩按（轴向）承载性状的分类（1）桩的轴向受力特征轴向荷载=侧阻力+端阻力极限荷载=极限侧阻力+极限端阻力主要取决于桩侧与桩底以下土（岩）层的性质的刚度、强度以及桩所受荷载的大小。（2）桩侧、桩端阻力的分担比例（3）《铁路桥基规范》(规范中没有?)摩擦桩：在承载力极限状态下，轴向荷载由侧阻和端阻承担。轴向荷载几乎完全由侧阻承担时，称为纯摩擦桩。柱桩：在承载力极限状态下，轴向荷载几乎全由桩端阻力承担。

端承型桩：在承载力极限状态下，轴向荷载主要由桩端阻力承担。全部由端阻承担时，称为端承桩；桩侧承担少部分时，为摩擦端承桩。

摩擦型桩：在承载力极限状态下，轴向荷载主要由桩侧阻力承担。全部由侧阻承担时，称为摩擦桩；桩底承担少部分时，为端承摩擦桩。（5）《建筑桩基技术规范》（4）《公路桥基规范》

端承桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩端阻力承担。

摩擦桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩侧阻力承担。

端承型桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩端阻力承担。

摩擦型桩：（在承载力极限状态下），轴向荷载主要由桩侧阻力承担。（6）《建筑地基基础规范》低承台桩基：：承台底面低于于地面或局部部冲刷线的桩桩基础。低承台高承台桩基：：承台底面高于于地面或局部部冲刷线的桩桩基础。高承台2.桩基础的分类类3.2桩基设计计算算的主要内容容1.设计内容桩的类型（施施工方法）承台底面的标标高桩截面形状及及尺寸、桩长长桩的根数及平平面布置方式式桩的材料类型型桩及承台的配配筋2.验算内容单桩轴向承载载力（岩土阻阻力）桩基础的承载载力桩基础的沉降降墩台顶的水平平位移桩身材料强度度承台强度3.3单桩轴向容许许承载力3.3.1轴向荷载传递递的方式和特特点通过建立微单单元平衡方程程（竖向）1.轴向荷载和侧侧摩阻力得到侧摩阻力与轴轴力的关系侧摩阻力的直直接量测很困困难，应用上上式，可通过过量测轴力得得到摩阻力的的分布形式。。轴力摩阻力2.桩身沉降确定定桩顶沉降桩身沉降桩身压缩量振弦式应变计计3.荷载传递的一一般规律（1）加载过程中中，侧阻发挥挥先于端阻，，并先于端阻阻达到极限。。（2）与桩土间的的相对位移有有关。通常，，端阻达到极极限状态所需需的位移高于于侧阻所需位位移。（3）与桩的长径比及桩端土（岩岩）与桩侧土土的相对刚度等有关。长径径比越大，端端阻力越小。。端/侧相对刚度越越大，端阻力力越大。侧阻-荷载关系端阻-荷载关系深度4.桩侧负摩阻力力条件：桩周土的下沉沉量大于桩的的下沉量。危害：降低桩的承载载力，增大位位移。负摩擦力：与轴向压力方方向相同的侧侧摩阻力。摩阻力沉降轴力中性点持力层土类黏性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩ln/l00.5～0.60.7～0.80.91.0中性点的位置置（1）大范围降水水。产生负摩阻力力的原因（2）桩侧地面大大范围堆载。。（3）欠固结土或或新填土。（4）湿陷性黄土土湿陷。（5）冻土融陷。。（软土或中等等强度粘性土土）（砂土）总的负摩擦力力减小负摩擦力力的措施（1）改善土层性性质，降低其其沉降。（2）桩－土隔离离。（1）（2）负摩阻力的确确定（经验公公式）桩周土摩擦力力系数标准贯入数侧压力系数桩的周长3.3.2单桩的破坏模模式压屈破坏整体剪切破坏坏刺入破坏小直径柱桩、、嵌岩桩、超长桩打入式短桩、、钻孔短桩钻孔灌注桩柱桩摩擦桩静（动）载试验理论公式经验公式3.3.3单桩竖向承载载力确定单桩承载力轴向横向受压（抗压））受拉（抗拔））单桩抗压承载载力材料强度岩土的支承力力1.按静载试验确确定抗压承载载力试验装备反力系统：锚桩（或堆重重）、主梁等加载：千斤顶、油压表沉降量测：百分表、基准梁等试验方法慢速维持荷载载法（1）试验装置及方方法单桩静载试验验（堆载）千斤顶主梁次梁支墩试桩锚桩锚索单桩静载试验验（锚桩）千斤顶试桩（帽）基准梁百分表陡变型：曲线明显发生生下降的起始始点。缓变型：取s=40或0.05D(大直径桩，桩桩端直径）所所对应的荷载载。P-s曲线法确定极限荷荷载陡变型缓变型（2）确定单桩承承载力《铁路基桩检测测技术规程》（TB10218-2008）方法P-s曲线s-logt曲线（1）所有试桩的的极差不超过过平均值的30％时，取平均均值为单桩竖竖向抗压极限限承载力。。（2）极差超过平平均值的30％，应分析极极差过大的原原因，结合工工程具体情况况综合确定，，必要时增加加试桩数量；；（3）对桩数为3根或3根以下的柱下下承台，或工工程桩抽检数数量少于3根时，应取低低值。极限承载力容许承载力极限承载力平平均值安全系数2.按经验法确定定抗压承载力力《铁路桥基》打入、振动下下沉、桩尖爆爆扩桩钻（挖）孔灌灌注桩（1）摩擦桩振动沉桩对端端阻的影响系系数桩端极限承载载力爆扩桩端阻修修正系数极限侧阻力振动沉桩对侧侧阻的影响系系数安全系数安全系数桩身周长承台底面或局部冲刷线以以下各土层厚度桩底支撑力折折减系数桩底面积桩底土容许承承载力，按桩底埋深修正极限侧阻力（2）柱桩桩底面积单轴抗压强度度修正系数支承于岩石上上的打入、震震动下沉桩（（包括管柱））支承于岩石层层上与嵌人岩岩石层内的钻钻(挖)孔灌注桩及管管桩桩或管柱的周周长岩石及清底情情况系数嵌岩深度岩石及清底情情况系数2.抗拔承载力的的确定（1）单桩抗拔试试验承受较大的水水平荷载的桩桩基、抗浮桩、锚桩等。桩承受竖向拉拉拔荷载的能能力。主要针对：（2）《桥规》公式轴向受拉容许许承载力符号意义同前前3.3.4单桩轴向容许许承载力检算算摩擦桩轴向压力桩的自重被置换的土重重承载力计算值值柱桩受拉桩主+附（特）时主力时主力+附加力作用时时，[P]可提高20%;主力+特殊荷载（除除地震力外））时柱桩可提提高40%，摩擦桩20%~40%。3.3.5按桩身强度确确定抗压容许许承载力通常，摩擦桩桩的承载力主主要取决于土土（岩）的阻阻力，柱桩则则主要取决于于桩身的强度度。（1）按轴心受压构构件计算普通箍筋螺旋式或焊接接环式间接钢钢筋结构重要性系系数轴向力组合设设计值轴压杆件稳定定系数混凝土抗压强强度桩的截面积钢筋抗压强度度纵筋截面积（2）按偏心受压构构件计算（见“结构设设计原理”课课程）3.4单桩横向承载载力工作特点（1）竖直单桩的的水平承载力力远小于竖向向承载力。（2）单桩水平平承载力的大大小主要取决决于桩身的强强度、刚度、、桩周土的性性质、桩的入入土深度及桩桩顶约束条件件等。3.4.1工作特点及破破坏模式2种破坏模式（1）桩侧土体失失稳破坏。桩的相对刚度度（与周围土土相比）较大大时（2）桩身材料破破坏。桩的相对刚度度较小时要求（1）桩侧土体不不破坏，桩身身不断裂。（2）桩顶水平位位移及转角不不超过容许值值。3.4.2单桩水平静载载试验1.试验装置2.试验加载方法法3.终止加载条件件单向多循环加加卸载法慢速连续加载载法（长期承受水水平荷载时））（与桥梁桩基基水平荷载作作用特点相符符）或：（1）桩身折断；；（2）水平位移达达到30~40mm或设计容许值值。4.水平承载力的的确定临界荷载Hcr：桩身开裂、、受拉区混凝凝土退出工作作时的桩顶水水平力。极限荷载Hu：桩身应力达达到极限强度度时的桩顶水水平力。水平承载力特特征值桩身强度控制制时，取临界界荷载。位移控制时，，取设计要求求位移对应的的荷载。长期水平荷载载作用且控制制开裂时，取取0.8倍临界荷载。。临界荷载极限荷载H0tx0H0x0/H0H0σg单桩水平荷载载试验试桩（帽）千斤顶反力梁反力桩3.5横向荷载作用用下单桩内力力和位移计算算作用土的横向地基基系数计算宽度是计算桩基础础的水平位移移、内力、桩桩侧土体横向向抗力的基础础。3.5.1桩侧土的横向向抗力横向抗力：基础在外力作作用下发生侧侧移挤压土体体时，侧面土土体对基础的的抗力。（1）概念（2）计算公式假设：横向抗力的大大小与桩的水水平位移成正正比。kN/m3横向位移深度或（3）计算宽度b0桩侧横向抗力力的分布宽度度大于实际宽宽度b，为b0。单桩（包括其其他形式的基基础）时根据基础截面面（侧面）形形状查表确定定。多排桩时考虑桩之间的的相互影响，，通过系数k确定。两桩之间的净净间距与桩数有关的的系数计算深度计算深度h0桩（其他形式式的基础）局局部冲刷线以以下的计算深深度。且不大于入土土全长h。（4）横向地基系数数常数法k法m法c法（5）比例系数m“m法”我国铁路、公公路、建筑规规范中采用的的方法。多层土时的m（对所围面积积的加权平均均）计算深度hm：刚性桩，hm=h；弹性桩，hm=2（d+1）多层土时m的计算图式1.单桩的挠曲方方程（m法）方程3.5.2横向荷载作用用下单桩的内内力及位移计计算（转角：逆时针方向为正）刚性桩弹性桩桩的抗弯刚度度，通常取为为0.8EhI，Eh为混凝土的抗抗压弹性模量量（单位：m-1）横向变形系数数解答l所反映映的是是桩-土之间间的相相对刚刚度水平位位移转角角弯矩矩剪力力横向抗抗力y的函数数桩顶水水平位位移、、转角角、弯弯矩、、横向向荷载载2.桩顶横横向位位移X0和转角角0的确定定根据桩桩底边边界条条件确确定。。（1）桩底底支承承于土土层或或岩面面时竖向地地基系系数桩底截截面的的惯性性矩弯矩正正向与与转角角正向向相反反桩底截截面桩底边边界条条件1：桩底边边界条条件2：将y=l代入y、My、Qy的计算算公式式，并并应用用上述述边界界条件件，可可得到到MMMQMMQMMQaEIMEIaQddddj000200-=+=-柔度系系数柔度系系数AB：桩顶顶B方向作作用单单位荷荷载时时，在在A方向产产生的的位移移。弯矩：：顺时针针方向为为正。。转角：：逆时针针方向为为正。。柔度系系数计计算公公式桩底端端支承承于一一般土土层且且l≥2.5时桩底端端支承承于岩岩面且且l≥3.5时可近似似地取取Kh=02）下标标l表示A、B、C、D取y=l时的值值。1）式中中A、B、C、D是αy的函数数。3）说明明：（2）桩下下端嵌嵌固于于岩层层内时时（3）当l≥4.0时，桩桩底约约束（（边界界条件件）对对桩受受力变变形的的影响响可以以忽略略。（4）桩身身内力力及位位移的的简捷捷算法法MMyBMAaQM00+=将X0、0的表达达式直直接代代入桩桩的变变形及及内力力计算算公式式，可可得到到式中的的A、B是αy、αl、Kh的函数数，当当查表表计算算时，，为便便于制制表，，需忽忽略Kh的影响响，为为此应应满足足：1）桩底底端支支承于于一般般土层层时，，l≥2.5；2）桩底底端支支承于于岩面面时，，l≥3.5。（桩侧侧土横横向抗抗力））3.5.3高承台台桩的的变形形及内内力计计算桩顶荷荷载桩顶的的位移移及转转角地上段段按悬悬臂梁梁计算算，由由外荷荷载产产生的的桩顶顶位移移和转转角地面处处荷载载将X0、0的表达达式代入及可得桩顶柔柔度系系数3.5.4刚性桩桩的简简化计计算方方法（下章章介绍绍）3.6多排桩桩桩基基的平平面分分析3.6.1单桩刚刚度系系数桩顶位位移(B)轴向位位移横向位位移截面转转角桩顶作作用力力(A)轴力N剪力Q弯矩M单桩刚刚度系系数ρAB：桩顶（（地面面处））B方向且仅在在该方方向产生单单位位位移时时，在在该处处A方向引引起的的力。。ρAB转角和和弯矩矩逆时针针旋转转为正。。1.单桩刚刚度系系数1计算桩顶沉沉降＝＝桩身身压缩缩量（（弹性性）＋＋桩底底土层层压缩缩量柱桩桩：侧摩阻阻力f(z)为0。摩擦型型钻、、挖孔孔灌注注桩：：f(z)均匀分分布且且端阻阻为0。摩擦型型预制制桩：：f(z)正三角角形分分布且端阻阻为0。桩身压压缩量量计算算计算时时假设设：侧摩阻阻力积分后后，得得柱桩桩：1.0摩擦型型钻、、挖孔孔灌注注桩：：0.5摩擦型型预制制桩：：2/31：承台沿沿桩的轴线方方向产产生单单位位位移时时所引引起的顶面处处的轴轴力。桩底土土层压压缩量量桩的沉沉降刚度系系数1竖向地地基系系数（取l10m）取l10m2.刚度系系数2、3、42：承台沿沿桩的横向产生单单位位位移（且无转转角）时在顶面处处引起的剪力。3承台沿沿桩的横向产生单单位位位移（且无转转角）时在顶面处处引起的弯矩。承台产产生单单位转角（且无横横向位位移）时在顶面处处引起的剪力。4：承台产产生单单位转角（且无横横向位位移）时在顶面处处引起的弯矩。转角及及弯矩矩的方方向规规定以逆时针针方向向为正。。因为为当桩桩顶发发生单单位位位移时时，所所引起起的弯弯矩（（3）是逆逆时针针的，，同样样，桩桩顶逆逆时针针方向向产生生单位位转角角时，，引起起正向向的横横向力力（3）。即逆时时针规规定可可保证证3始终为为正。。定义义计算公公式由解得根据定定义，，刚度度系数数为最终，，刚度度系数数可表表达为为其中3.6.2高承台台桩基基的平平面分分析（1）桩基础础具有有一个个竖向向方向向的结结构对对称平平面。。作为平平面问问题计计算的的条件件（2）外荷荷载可可简化化为作作用在在该平平面内内的力力。承台位位移及及桩顶顶位移移承台台水平平a竖向向b转角角桩顶顶轴向转角横向（顺时时针为为正））（i逆时针针为正正）1.桩为竖竖直桩桩时yx1122333344xi1xib=1a=1=1yxyx（由于于对称称性））承台的的刚度度系数数每一排排的桩桩数承台平平衡方方程（（位移移法)承台的的位移移桩顶的的作用用力（逆时时针为为正））方程求求解后后得到到3.6.4低承台台桩基基承台的的平衡衡方程程承台侧侧面土土体产产生的的水平平抗力力承台侧侧面土土体产产生的的抵抗抗弯矩矩只考虑虑承台台侧面面土的的抗力力，不不考虑虑承台台底面面土的的作用用。求解方方程承台的的计算算宽度度桩侧土土抗力力的计计算承台侧侧土的的水平平地基基系数数水平力力弯矩矩承台台y处的水水平位位移3.6.5低承台台桩基桩桩顶作作用力力的简简化计计算方方法1.假设时，假假设：（1）水平平荷载载由承承台侧侧土承承担；；（2）忽略略水平位移移和转转角的的影响响。此此时有有当水平平荷载载较小小，埋埋深较较大，，即gjBHh)245tan(-°³本式主主要在在基桩桩竖向向承载载力验验算时时使用用。群桩基基础中中的一一根桩桩3.7.1群桩的的工作作特点点3.7群桩基基础的的承载载力和和沉降降检算算结论论1.柱桩基础础（1）群桩基基础承承载力力为各各单桩桩承载载力之之和。。（2）群桩基基础的的沉降降与各各单桩桩沉降降量相相等。。桩底压压应力力不叠叠加。。特点点（1）桩底底压应应力的的叠加加效应应2.摩擦桩桩群桩桩基础础桩间距距较大大（sa>6d）时，应应力不叠叠加；较较小（sa>6d）时叠加加。（2）群桩影影响桩间间土性质质间距较大大时单桩间距较小小时3.7.2群桩基础础竖向承承载力验验算将群桩基基础视为为实体基基础进行行验算。。作用在桩桩基底面面的竖向向力对承台底底面桩基基重心的的弯矩桩底处的的地基承承载力（（按浅基基计算））实体基础础底面的的面积、、截面模模量《铁路桥规规》计算公式式的计算公式（所穿土土层厚度度的加权权平均值值）有软弱下下卧层时时软弱下卧卧层的验验算方法法同浅基基础。3.7.3群桩基础础沉降验验算承载力验验算沉降验算算（1）采用恒载载。（2）按作为实实体基础础按浅埋埋基础的的方法计计算。3.8板式承台台的设计计承台类型型板式承台台（常用用）沉井式承承台要求强度刚度沉井式承承台构造要求求（1）承台厚厚度不小小于1.5m。（2）承台上上、下面面布置钢钢筋。板内钢筋筋布置桩-板联结方方式预制桩管柱桩（3）桩进入入承台足足够深度度。（4）外排桩桩与承台台边缘的的净距满满足要求求。桩的平面面布置方方式及桩桩间距要要求布桩方式式行列式梅花式桥梁承台台3.2桩基础设设计计算算设计资料的综合分析研究确定桩基础持力层的几种方案验算群桩基础承载力和必要时验算群桩基础沉降验算单桩承载力桩顶作用力计算，地面处位移x0验算，桩身内力计算确定桩数和平面布置计算和确定参数确定桩基础形式及承台尺寸、标高和计算承台底面作用力确定单桩容许承载力桩身强度设计（配筋）确定基桩类型的几种方案和桩的尺寸、构造及施工工艺几种方案的技术经济比较，能否作出最优选择验算承台强度必要的调整，绘制施工图验算桩身强度、稳定性、裂缝宽度、及桩顶或墩台顶水平位移ftftftftftft3.2.1设计流程程3.2.2方案设计计1.桩的类型型选择材料钢桩混凝土桩桩施工方法法预制现场灌注注承载特性性摩擦桩柱桩岩层埋深深土层情况况施工技术术单桩承载载力原则同一基础础中，桩桩型及承承载特性性相同，，桩径相相等，桩桩长之差差尽可能能小。2.板式承台台底面标标高的确确定（1）低承台台桩基的的承载力力通常高高于高承承台桩基基。（2）在水中中，高承承台桩基基的施工工较低承承台桩基基方便。。（3）承台底底面标高高的确定定应考虑虑冲刷、、水位、、通航、、流冰等等因素的的影响。。（4）水位较较高、冲冲刷较深深时可采采用高承承台，甚甚至底面面置于施施工水位位之上（（无航船船、流冰冰影响时时）。（5）陆地、、季节性性河流、、冲刷深深度较小小时，可可采用低低承台。。（冻土土中应考考虑冻胀胀影响。。）3.桩径及桩桩长的拟拟定土（岩））层情况况施工技术术及水平平对单桩承承载力的的要求求4.桩数及其其平面布布置（1）根数竖向荷载载单桩承载载力经验系数数（2）桩间距距（桩的的中心距距）1）桩间过过大时，，承台所所需的尺尺寸过大大，造价价提高。。2）桩间过过小时，，桩-桩相互影影响影响响，承载载力不能能充分发发挥。施施工困难难。3）合理的的桩间距距取决于于桩径、、施工方方法、承承载特性性等因素素。（3）平面布布置方式式布桩方式式行列式：：施工方方便。梅花式：：布置方方式紧凑凑。行列式梅花式此外，还还应使群群桩的重重心尽可可能与合合力作用用点接近近。3.2.3设计荷载载的确定定主力组合合主力+附加力主力+特殊荷载载荷载组合合（仅考虑虑分别与与一个方方向即顺顺桥或横横桥的附附加力的的组合））3.2.4桩基础的的承载力力及沉降降验算3.2.5基桩的位位移、内内力计算算及设计计（1）计算外外荷载作作用下，，各基桩桩顶部的的位移及及内力。。（2）计算基基桩各截截面的位位移及内内力。（3）根据内内力计算算结果配配筋（钢钢筋混凝凝土桩））。3.2.6承台设计计确定承台台尺寸并并配筋。。3.9桩基础施施工3.9.1施工前的的调查和和准备1.施工前的的调查地质勘察察施工场地地情况桩基设计计情况2.编制施工工组织设设计施工方法法施工机械械设备设备和材材料供应应计划沉桩方法法各种技术术措施施工平面面图作业计划划及劳动动力组织织3.9.2预制桩的的施工1.主要工序序和沉桩桩