《桩基础一二节》PPT课件.ppt

第三章 桩基础,1）、上覆软土层厚，地基处理不能满足设计要求或耗费巨大； 2）、用于控制沉降。 桩基础历史悠久，古代使用木桩； 近代大规模桥梁、铁路和公路的建设，推动了桩基础理论和施工方法的发展。,桩基础特点：承载力高；稳定性好；沉降稳定快和沉降变形小；抗震能力强；能适应各种复杂地质条件。 桩基础除主要用来承受竖向抗压荷载，还用于承受水平荷载和竖向抗拔荷载。,一、桩基的分类,桩基础的组成：桩基础由桩和承台两部分组成。,（1）、按基桩数量可分为： 单桩基础：采用单根桩的形式以承受和传递上部结构荷载的独立桩基础称单桩基础。 群桩基础：由2根或以上的多根桩组成桩群，由承台将桩群在上部联结成一个整体，建筑物的荷载通过承台分配给各根桩，桩群再把荷载传给地基，称群桩基础。群桩基础中的单桩称基桩。（大多数情况如此）,（2）、根据承台与地面的相对位置，一般可分为低承台桩基和高承台桩基。 当承台底面位于土中时，称低承台桩基；在一般房屋建筑和水工建筑物中最常用。 当承台底面高出土面以上时，称高承台桩基；常用于桥梁工程、港口码头及海洋工程中。,二、桩的分类,（1）、按承载性状分类 浅基础是把上部荷载通过基底扩散到地基中去；而桩基除通过桩端阻力扩散外，还在竖向以桩侧摩阻力的方式对上部荷载进行扩散。 由于桩的尺寸、施工方法、桩侧和桩端地基土的物理力学性质等因素的不同，桩侧和桩端所分担荷载的比例是不同的。根据分担荷载的比例而把桩分为摩擦型桩和端承型桩。,、摩擦型桩,摩擦型桩：在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承担的桩基。根据桩侧阻力分担荷载的比例，摩擦型桩又分为摩擦桩和端承摩擦桩。 摩擦桩：桩顶极限荷载绝大部分由桩侧阻力承担，桩端阻力可忽略不计。具体有： 桩的长径比很大；桩端下无较坚实的持力层；桩底残留虚土或沉渣的灌注桩；桩端出现脱空的打入桩等。 端承摩擦桩：桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但桩侧阻力分担荷载较大。具体有： 桩的长径比不很大，桩端持力层为较坚实的粘性土、粉土和砂类土时。这类桩所占比例很大。,、端承型桩,端承型桩：在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承担的桩基。可分为端承桩和摩擦端承桩。 端承桩：桩顶极限荷载绝大部分由桩端阻力承担，桩侧阻力可忽略不计。具体有： 桩的长径比较小，桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中、微风化及新鲜基岩层中的桩。,摩擦端承桩：桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，桩端阻力分担荷载较大，桩侧阻力属次要，但不可忽略。具体有： 桩端进入中密以上的砂层、碎石类土层中或位于中、微风化及新鲜基岩顶面时。 嵌岩桩：桩端嵌入岩层一定深度（要求桩的周边嵌入微风化或中等风化岩体的深度不小于0.5 m）的桩基。,二、桩的分类 （2）,（2）根据施工方法，桩可分为预制桩和灌注桩。 预制桩可以在施工现场预制，也可以在工厂制作，然后运至施工现场。常用预制桩有：木桩、钢桩、混凝土预制桩（含预应力混凝土桩）等。施工方法有：锤击、震动、静压或旋入等。,灌注桩：直接在所设计桩位处成孔，然后在孔内下放钢筋笼（也有直接插筋或省去钢筋的），再浇灌混凝土而成的桩。横截面呈圆形，也可做成大直径和扩底桩。保证灌注桩承载力的关键在于桩身的成型及混凝土质量。 常用灌注桩有：沉管灌注桩、钻（冲）孔灌注桩、挖孔桩等。,混凝土预制桩构造,横截面：方桩、圆桩。 普通实心方桩：截面边长为300-500mm，桩长25-30m以内，工厂预制分节长为12m，沉桩时现场连接。接头常用钢板、角钢焊接，并涂沥青防腐。也可采用钢板垂直插头加水平销连接。 预应力混凝土桩：常见的为预应力混凝土管桩。采用先张法预应力工艺和离心成型法制作。经高压蒸汽养护生产的为PHC管桩，桩身混凝土强度等级大于C80；未经高压蒸汽养护生产的为PC管桩（强度为C60 - C80）。,混凝土预制桩构造,混凝土预制桩的特点： 优点：预制桩截面形状、尺寸和桩长可在一定范围内选择，承载能力高、耐久性好、质量较易保证、施工速度快。 缺点：自重大，配筋较灌注桩多，需大能量的打桩设备，施工中往往需要接长或截短，工艺比较复杂。,液压式静力压桩机 1操纵室；2电气控制台；3液压系统；4导向架；5配重；6夹持装置； 7吊桩把杆；8支腿平台；9横向行走与回转装置；10纵向行走装置；11桩,钢桩：常用钢桩有下端开口或闭口的钢管桩和H型钢桩等。一般钢管桩的直径为250-1200mm。 优点：穿透能力强，自重小，锤击沉桩效果好，承载能力高，起吊、运输、沉桩、接桩都很方便。 缺点：耗钢量大，成本高，易锈蚀，只在少数重点工程中使用。 木桩：常用松木、杉木或橡木做成，一般桩径为160-260mm，桩长4-6 m，桩顶锯平并加铁箍，桩尖削成棱锥形。 木桩特点：制作和运输方便、打桩设备简单，目前只在某些加固工程或能就地取材的临时工程中采用。,沉管灌注桩,利用锤击或振动等方法沉管成孔，然后浇灌混凝土，拔出套管。一般可分为单打、复打（浇灌混凝土并拔管后，立即在原位再次沉管及浇灌混凝土）和反插法（灌满混凝土后，先振动再拔管，一般拔0.5-1.0m，再反插0.3-0.5 m）三种。,锤击沉管灌注桩：常用桩径为300-500 mm，桩长常在20m以内，可打至硬塑粘土层或中、粗砂层。其优点是设备简单、打桩进度快、成本低。但易发生缩颈（桩身截面局部缩小）现象。 振动沉管灌注桩：钢管底端带有活瓣桩尖，或套上预制混凝土桩头。桩横截面尺寸一般为400-500mm。在粘性土中，其沉管穿透能力比锤击沉管灌注桩稍差，承载力也比锤击沉管灌注桩要低。,内击式沉管灌注桩（亦称弗朗基桩）：优点是混凝土密实且与土层紧密接触，同时桩头扩大，承载力较高，效果较好，但穿越厚砂层能力较低，打入深度难以掌握。 施工：先在竖起的钢套筒内放进约1m高的混凝土或碎石，用吊锤在套筒内锤打，形成“塞头”。以后锤打时，塞头带动套筒下沉。至设计标高后，吊住套筒，浇灌混凝土并继续锤击，使塞头脱出筒口，形成扩大的桩端，其直径可达桩身直径的2-3倍，当桩端不再扩大而使套筒上升时，开始浇注桩身混凝土（若需配筋时先吊放钢筋笼），同时边拔套筒边锤击，直至达到所需高度为止。,钻（冲）孔灌注桩,钻（冲）孔灌注桩：用钻机钻土成孔，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土。有的钻机成孔后，可撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切土扩大桩孔，浇灌混凝土后在底端形成扩大桩端。 常用钻孔设备有：螺旋钻机、冲击钻机、冲抓钻机等。 目前国内钻（冲）孔灌注桩多用泥浆护壁，泥浆应选用膨胀土或高塑性粘土在现场加水搅拌制成。常用桩径为800mm、1000mm、1200mm等。 优点：入土深，能进入岩层，刚度大，承载力高，桩身变形小，并可方便地进行水下施工。 缺点：桩身质量取决于成孔和水下灌注混凝土的质量，质量不易保证。,补充：钻孔灌注桩的施工,（一）准备工作（准备场地埋置护筒制备泥浆安装钻机或钻架） 护筒的作用：固定桩位，钻孔导向；保护孔口，防止坍塌；隔离孔内外表层水。 泥浆的作用：防止坍孔；护壁；浮渣 （二）钻孔（旋转钻成孔；冲击钻成孔；冲抓钻成孔） 其中旋转钻成孔分为正循环（钻孔浮渣）和反循环（钻杆浮渣）。 （三）清孔及吊装钢筋笼（抽浆清孔、掏浆清孔、换浆清孔） （四）灌注水下混凝土（常用直升导管法）,挖孔桩：采用人工或机械挖掘成孔，逐段边开挖边支护，达所需深度后再扩孔、安装钢筋笼及浇灌混凝土而成。 内径一般应大于800mm，开挖直径大于1000mm，护壁厚大于100mm，分节支护，每节高500-1000mm，可用混凝土预制块或砖砌筑，桩身长度宜限制在40m以内。 优点：可直接观察地层情况，孔底易清除干净，设备简单，噪音小，场区内各桩可同时施工，且桩径大、适应性强，比较经济。 缺点：挖孔存在塌方、缺氧、有害气体、触电等危险，易造成安全事故，此外难以控制流砂现象。,爆扩桩：对各类灌注桩，都可以在孔底预先放置适量的炸药，在灌注混凝土后引爆，使桩底扩大呈球形，以增加桩底支承面积而提高桩的承载力，这种爆炸扩底的桩称爆扩桩。 随着桩的设置方法（打入或钻孔成桩等）不同，桩周土所受的排挤作用也很不同。排挤作用将使土的天然结构、应力状态和性质发生很大变化，从而影响桩的承载力和变形性质。这些影响统称为桩的挤土效应。 桩按挤土效应可分为下列三类：非挤土桩 、部分挤土桩 、挤土桩 。,、非挤土桩：钻（冲或挖）孔灌注桩、机挖井形灌注桩及机动洛阳铲成孔灌注桩等。设置过程中清除孔中土体，桩周土不受排挤作用，并可能向桩孔内移动，使土的抗剪强度降低，桩侧摩阻力有所减小。 、部分挤土桩：冲击成孔灌注桩、预钻孔打入式预制桩、H型钢桩、开口钢管桩和开口预应力混凝土管桩等。在桩的设置过程中对桩周土体稍有排挤作用，但土的强度和变形性质变化不大，一般可用原状土测得的强度指标来估算桩的承载力和沉降量。 、挤土桩：实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等。在贯入过程中都要将桩位处的土体大量排挤开，使土的结构严重扰动破坏，对土的强度及变形性质影响较大。,按桩身材料的不同可把桩分为： 混凝土桩、钢桩、木桩及组合材料桩等。 按桩径大小分为： 小桩（d250mm） 普通桩（250mmd800mm） 大直径桩（d800mm）,补充：各种桩的比较,（1）振动噪声：预制桩、沉管灌注桩在用锤击或振动法下沉时，施工噪音大，污染环境；预制桩用静压法施工可消除噪音污染；钻孔桩在施工过程中产生的振动、噪音较小。 （2）挤土效应：预制钢筋混凝土桩、沉管灌注桩均属于挤土桩，会造成各种危害；钻孔灌注桩、挖孔灌注桩为非挤土桩，对邻近建筑物及地下管线危害很小。 （3）沉桩能力：除钢桩、嵌岩桩外，受沉桩能力的限制，预制混凝土桩、沉管灌注桩其桩径、桩长不可太大，单桩极限承载力一般不超过6000kN；钻孔灌注桩直径可大至12 m，桩长可达100m，可适用于各种地层；挖孔灌注桩直径更可扩大至23 m，因此单桩的总承载能力大。,（4）施工应力：预制桩的配筋往往由搬运起吊和锤击时的施工工况控制，因此，桩身需用高标号混凝土、高含筋率，主筋要求通长配置，用钢量大；灌注桩省去了预制桩的制作、运输、吊装和打入等工序，桩不承受这些过程中的弯折和锤击应力，混凝土标号较低，配筋也少。 （5）质量稳定性：预制桩预制质量易保证，但接头往往是薄弱环节；钻（冲）孔灌注桩桩身的混凝土质量不易控制和保证，易出现断桩、缩颈、露筋和夹泥等现象，钻进时用泥浆护壁会影响桩的承载能力；挖孔桩一般为无水作业，因而施工质量比钻孔桩更有保证。,三、桩基检测,桩基础属于地下隐蔽工程，尤其是灌注桩，很易出现缩颈、夹泥、断桩或沉渣过厚等质量缺陷，影响桩身结构完整性和单桩承载力，因此必须进行施工监督、现场记录和质量检测，以保证质量，减少隐患。 桩基检测的目的主要有两个：一是为桩基的设计提供合理的依据；二是检验工程桩的施工质量。其中第一个是在设计阶段进行；第二个是在施工阶段桩基施工过程中以及施工完毕后。 桩基检测的内容有：平面位置与构造检测；完整性检测；承载力检测。,（一）、桩的平面位置与构造检测,时间：在施工过程中进行。 内容：主要有桩位偏差、孔径及尺寸检查、桩的倾斜度检查、孔深及孔底质量检查等等。 实施：通常由监理抽检或施工单位自检。 方法：通常采用简单方法进行,（二）、桩的完整性检测（质量检验）,时间：在桩基施工完成后进行。 内容：检测桩的各种缺陷，如桩是否有夹层、断桩、孔洞、峰窝、离析等内部缺陷。 实施：通常由业主委托第三方检测部门进行。 方法：常用的方法有开挖检查 、钻孔取芯法、超声波透射法、低应变动测法。,1、开挖检查 只限于对所暴露的桩身进行观察检查。 2、钻孔取芯法 在灌注桩桩身内钻孔（直径100-150 mm），取混凝土芯样进行观察和单轴抗压试验，了解混凝土有无离析、空洞、桩底沉渣和夹泥等缺陷。 通过钻孔取芯可检测：桩长、桩身强度、桩底沉渣厚度和持力层岩土性状；判断桩身完整性类别。,3、超声波透射法 预先在桩中埋入3-4根金属管，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的变化来检测桩身质量。试验时在其中一根管内放入发射器，而在其他管中放入接收器，通过测读并记录不同深度处声波的传递时间来分析判断桩身质量。 超声波透射法可检测桩身缺陷程度及位置，判定桩身完整性类别。 超声波透射法检测结果较为可靠，但需预埋声测管，费用较高。,4、低应变动测法 低应变动测法包括锤击激振、机械阻抗、水电效应、共振等小应变动测等。基本原理：通过现场动力试验，在桩身顶部进行竖向激振，通过测定分析桩身波速或振动特性，判断桩身完整性及估计混凝土强度等级。 对于等截面、质地较均匀的预制桩测试效果较可靠；而对于灌注桩的动测检验，目前已有相当多的实践经验，具有一定的可靠性。 桩身质量的检验，对灌注桩，抽检数量不应少于总数的30%，且不应少于20根；其它桩基工程的抽检数量不应少于总数的20%。且不得少于10根。每个柱子承台下不得少于1根。,（三）、桩的承载力检测,时间：桩基设计阶段或在桩基施工完成后进行。 内容：测定桩的竖向承载力。 实施：通常由设计单位进行或业主委托第三方检测部门进行。 方法：常用的方法有静载试验、高应变动测法 。,1、静荷载试验 测定桩的竖向承载力的传统方法。原理是：通过一定设备对桩顶施加荷载，得到桩的荷载沉降（ ）曲线，通过分析得到桩的极限承载力和承载力设计值。 特点：其受力条件比较接近实际，直观而且易于为人们所接受，但其设备笨重，试验费用高，试验过程长，难于普遍实施；此外，静载试验易损坏桩身，试验时不能达到极限荷载，往往只能进行估计。 检测要求：对于一级桩基，必须进行静荷载试验，检验桩数不应少于总数的1%，且不应少于3根，当总桩数少于50根时，不应少于2根。,2、高应变动测法 测定桩的竖向承载力的一种新方法。原理：用重锤冲击桩顶，使桩周土产生塑性变形，实测力和速度的时程曲线，通过波动理论分析得到桩的承载力。 特点：无需静载试验中的锚桩或堆载物，时间短、费用低、效率高，但仍需不断积累经验，尤其是重视与静载试验的对比试验。 检测要求：当检测条件受到限制时，可采用高应变动力检测，检测桩数不少于总桩数的2%，且不少于5根。,四、桩基设计原则,建筑桩基技术规范规定，建筑桩基采用极限状态设计表达式计算，且桩基的极限状态分为两类： (1)、承载能力极限状态：对应于桩基达到最大承载能力导致整体失稳或发生不适于继续承载的变形； (2)、正常使用极限状态：对应于桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。,根据建筑物因桩基损坏所造成的后果的严重性（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等），将建筑桩基分为三个安全等级。,（1）、所有桩基均应进行承载能力极限状态计算。内容包括： 、桩基的竖向（抗压或抗拔）承载力和水平承载力计算，某些条件下尚应考虑桩、土、承台相互作用产生的承载力群桩效应； 、桩端平面以下软弱下卧层承载力验算； 、位于坡地、岸边的桩基整体稳定性验算； 、桩基抗震承载力验算； 、承台及桩身承载力计算（包括对混凝土预制桩吊运和锤击时的强度验算及软土或可液化土中细长桩的桩身压屈验算等）。,（2）、以下桩基尚应进行变形验算： 、桩端持力层为软弱土的一、二级建筑桩基以及桩端持力层为粘性土、粉土或存在软弱下卧层的一级建筑桩基应验算沉降，并宜考虑上部结构与桩基的相互作用； 、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变位。 （3）、对不允许出现裂缝或需限制裂缝宽度的混凝土桩身和承台还应进行抗裂或裂缝宽度验算。,桩基承载能力极限状态计算应采用荷载效应的基本组合和地震作用效应组合。 沉降验算应采用荷载效应的准永久组合（原长期效应组合）。 水平变位、抗裂和裂缝宽度验算，应根据使用要求和裂缝控制等级分别采用荷载效应的标准组合（原短期效应组合）。,第二节 竖向荷载下单桩的工作性能,单桩工作性能的研究是单桩承载力分析理论的基础。通过桩土相互作用分析，了解桩土间的传力途径和单桩承载力的构成及其发展过程，以及单桩的破坏机理等，对正确评价单桩轴向承载力设计值具有一定的指导意义。 本节主要内容有： 一、桩的荷载传递 二、桩的荷载传递的一般规律 三、单桩的破坏模式 四、桩侧负摩阻力,施加竖向荷载（逐渐增大）桩身自上而下逐渐受到压缩，产生相对于土的向下位移，产生桩侧阻力桩侧阻力下移桩侧阻力到达桩底桩端阻力产生桩端阻力和桩侧阻力进一步增大桩身摩阻力达到极限荷载增量全部由桩端阻力承担桩端阻力达到极限（桩达到其极限承载力） 可见，一般情况下桩的荷载传递过程是： 桩身位移和桩身荷载（轴力）随深度递减，侧摩阻力自上而下逐步发挥 先桩侧阻力后桩端阻力,桩的荷载传递,竖向荷载下桩土体系荷载传递过程可简单描述为：桩身位移 和桩身荷载 随深度递减，侧摩阻力 自上而下逐步发挥。 、 和 三者之间的关系可通过数学表达式加以描述。 设桩的长度为 ，横截面积为 ，周长为 。现从桩身任意深度z处取dz微分段，根据微分段的竖向力平衡条件（忽略桩身自重），可得桩的荷载传递基本微分方程,图1 单桩荷载传递分析,二、桩的荷载传递的一般规律,(1)、侧阻端阻的发挥程度与桩土之间的相对位移有关，桩侧阻力的发挥先于桩端阻力。 一般粘性土为4-6mm，砂土约为6-10mm。 (2)、桩端阻力发挥滞后于桩侧阻力，充分发挥所需桩端位移值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截面位移值大得多,具体值因桩类型不同而有较大差别。 小直径桩砂类土约为（0.080.1） ，一般粘性土为0.25 ;硬粘土为0.1 。,，硬粘土为0.1,（3）、桩侧阻力和桩端阻力都存在深度效应。当桩端入土深 时，桩的极限端阻力随深度而增加，但当 后，极限端阻力基本保持不变， 称为端阻临界深度；桩侧摩阻力一般随桩的入土深度增加而线性增大，但当桩入土深度超过一定值后，侧阻力不再随深度增加而增大，该一定深度 称侧阻临界深度。 （4）、桩侧、桩端的分配比例与长径比、桩端与桩侧土的相对刚度等有关。,三、单桩的破坏模式,轴向荷载作用下，单桩破坏模式主要取决于桩周土抗剪强度、桩端支承情况、桩的尺寸以及桩的类型等。,1、压屈破坏,桩底支承在坚硬的土层或岩层上，桩周土层极为软弱，桩身无约束或侧向抵抗力，桩在轴向荷载作用下，如同一细长压杆出现纵向压屈破坏，荷载沉降（ ）关系曲线为“急剧破坏”的陡降型。 桩的承载力取决于桩身材料强度。 穿越深厚淤泥质土层中的小直径端承桩或嵌岩桩、细长的木桩等多属于此种破坏。,2、整体剪切破坏,具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层，达到抗剪强度较高的土层，且桩的长度不大时，桩在轴向荷载作用下，由于桩底上部土层不能阻止滑动土楔的形成，桩底土体形成滑动面而出现整体剪切破坏，主要荷载由桩端阻力承受。荷载沉降（ ）关系曲线也为陡降型。 桩的承载力主要取决于桩端土的支承力。 一般打入式短桩、钻扩短桩等的破坏均属于此种破坏。,3、刺入破坏,桩的入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时，将出现刺入破坏，荷载主要由桩侧阻力承担，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。具体有：1）、桩周土质较软弱时，荷载沉降（ ）曲线为“渐进破坏”的缓变型，桩的承载力主要由上部结构所能承受的极限沉降确定； 2）、桩周土的抗剪强度较高时