桩基础(学习很实用).doc

图 3 1 1 桩基础 1 承台 2 基桩 3 松软土层 4 持力层 5 墩身 第三章第三章 桩基础桩基础 第一节第一节 概述概述 一 桩基础的特点一 桩基础的特点 桩基础是桥梁基础中常用的形式 当地基土层较软弱 且较厚时 常采用桩基础 以 满足地基强度 稳定性和控制地基沉降的要求 1 1 组成组成 桩基础可以是单根桩 如一柱一桩的情况 也可以是单排桩或多排桩 对于双 多 柱式桥墩单排桩基础 当桩外露在地面上较高时 桩间以横系梁相联 以加强各桩的横向 联系 多数情况下桩基础是由多根桩组成 的群桩基础 基桩可全部或部分埋入地基 土中 群桩基础中所有桩的顶部由承台联 成一整体 在承台上再修筑墩身或台身及 上部结构 如图 3 1 1 所示 2 2 作用 作用 桩基础的作用是将墩台传来的外力 由桩群经过地基上部软弱土层传到较深 的地层中去 桩基础是由承台和基桩组 成 承台的作用是将外力传递给各桩并将 各桩联成一整体共同承受外荷载 基桩的 作用在于穿过软弱的压缩性土层或水 使 桩底坐落在更密实的地基持力层上 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及持 力层中 如图 3 1 1b 所示 3 3 特点 特点 桩基础如设计正确 施工得当 它具有承载力高 稳定性好 沉降量小而均匀 在深 基础中具有耗用材料少 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工作条件 二 桩基础的适用条件二 桩基础的适用条件 在下列情况下可采用桩基础 1 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 2 河床冲刷较大 河道不稳定或冲刷深度不易计算正确 位于基础或结构物下面的土 层有可能被侵蚀 冲刷 如采用浅基础不能保证基础安全时 3 当地基计算沉降过大或建筑物对不均匀沉降敏感时 采用桩基础穿过松软 高压缩 土层 将荷载传到较坚实 低压缩性 土层 以减少建筑物沉降并使沉降较均匀 4 当建筑物承受较大的水平荷载 需要减少建筑物的水平位移和倾斜时 5 当施工水位或地下水位较高 采用其它深基础施工不便或经济上不合理时 6 地震区 在可液化地基中 采用桩基础可增加建筑物抗震能力 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建筑物的危害 以上情况也可以采用其他型式的深基础 但桩基础由于耗材少 施工快速简便 往往 是优先考虑的深基础方案 第二节第二节 桩与桩基础的分类桩与桩基础的分类 为满足建筑物的要求 适应地基特点 随着科学技术的发展 在工程实践中已形成了 各种类型的桩基础 它们在本身构造上和桩土相互作用性能上具有各自的特点 学习桩和 桩基础的分类 目的是掌握其特点 了解桩和桩基础的基本特征 以便设计和施工时更好 地发挥桩基础的特长 下面按承台位置 沉入土中的施工方法 桩的设置效应 桩土相互作用特点及桩身材 料等分类介绍 一 按承载性状分类一 按承载性状分类 桩在竖向荷载作用下 桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受 而桩侧阻力 桩端 阻力的大小及分担荷载比例 主要由桩侧和桩端地基土的物理力学性质 桩的尺寸和施工 工艺所决定 1 1 摩擦桩摩擦桩 桩顶荷载主要由桩侧阻力承受 并考虑桩端阻力 2 2 端承桩端承桩 桩顶荷载主要由桩端阻力承受 并考虑桩侧阻力 二 按成桩方法分类二 按成桩方法分类 大量工程实践表明 成桩挤土效应对桩的承载力 成桩质量控制和环境等有很大影响 因此 根据成桩方法和成桩过程的挤土效应 将桩分为非挤土桩 部分挤土桩和挤土桩三 类 在饱和软土中设置挤土桩 如设计和施工不当 就会产生明显的挤土效应 导致未初 凝的灌注桩桩身缩小乃至断桩 桩上涌和移位 地面隆起等 从而降低桩的承载力 有时 还会损坏邻近建筑物 桩基施工后 还可能因饱和软土中孔隙水压力消散 土层产生再固 结沉降 使桩产生负摩阻力 降低桩基承载力 增大桩基沉降 挤土桩只有设计和施工得 当 才可收到良好的技术经济效果 在非饱和松散土中采用挤土桩 其承载力明显高于非挤土桩 因此 正确地选择成桩 方法和工艺 是桩基设计中的重要环节 1 1 非挤土桩非挤土桩 分为干作业法钻 挖 孔灌注桩 泥浆护壁法钻孔灌注桩 套管护壁法钻孔灌注桩 2 2 部分挤土桩部分挤土桩 分为冲孔灌注桩 挤扩孔灌注桩 预钻孔沉桩 敞口预应力混凝土管桩等 3 3 挤土桩挤土桩 分为沉桩 锤击 静压 振动沉入的预制桩 及闭口预应力混凝土管桩等 三 桩基础按承台位置分类三 桩基础按承台位置分类 桩基础按承台位置可分为高桩承台基础和低桩承台基础 简称高桩承台和低桩承台 如图 3 2 1 所示 高桩承台的承台底面位于地面 或冲刷线 以上 低桩承台的承台底面位于地面 或 冲刷线 以下 高桩承台的结构特点是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 而低桩承台则基桩全部沉入土中 桩的自由长度为零 高桩承台由于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 避免或减 少水下作业 施工较为方便 然而 在水平力的作用 由于承台及基桩露出地面的一段自 图 3 2 1 高桩承台基础和低桩承台基础 a 低桩承台 b 高桩承台 由长度周围无土来共同承受水平外力 基桩的受力 情况较为不利 桩身内力和位移都比同样水平外力 作用下的低桩承台要大 其稳定性也比低桩承台差 四 按施工方法分类四 按施工方法分类 基桩的施工方法不同 不仅在于采用的机具设 备和工艺过程的不同 而且将影响桩与桩周土接触 边界处的状态 也影响桩土间的共同作用性能 桩 的施工方法种类较多 但基本形式为沉桩 预制桩 和钻 挖 孔灌注桩 1 1 沉桩 预制桩 沉桩 预制桩 沉桩包括锤击 静压 振动下沉和射水下沉的桩 可用于粘性土 砂土以及碎石类土 等 沉桩的施工方法均为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 或管桩及钢桩 以不同的沉桩方式 设备 沉入地基内达到所需要的深度 沉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 可大量工厂化生产 加速施工进度 沉桩可以采用斜桩来抵抗较大的水平力 在某些情况下要比采用竖直的钻孔桩有利 如 桩数量较多 而现场又有打桩设备和搬移桩架等有利条件 可以考虑采用沉桩 在有 严重流砂的河床内 若采用钻孔桩施工比较困难 也可以采用沉桩 1 1 沉桩的类型 沉桩的类型 打入桩 锤击桩 打入桩 锤击桩 打入桩是通过锤击 或以高压射水辅助 将各种预先制好的桩 主要是钢筋混凝土实 心桩或管桩 也有木桩或钢桩 打入地基内达到所需要的深度 这种施工方法适应于桩径 较小 一般直径在 0 60m 以下 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 振动下沉桩振动下沉桩 振动法沉桩是将大功率的振动打桩机安装在桩顶 预制的钢筋混凝土桩或钢管桩 利用振动力以减少土对桩的阻力 使桩沉入土中 它对于较大桩径 土的抗剪强度受振动 时有较大降低的砂土等地基效果更为明显 静力压桩静力压桩 在软塑粘性土中也可以用重力将桩压入土中称为静力压桩 这种压桩施工方法免除了 锤击的振动影响 是在软土地区 特别是在不允许有强烈振动的条件下桩基础的一种有效 施工方法 碎 卵石类土地基当用锤击法或振动法有困难时 可用射水法配合进行 2 2 沉桩的特点 沉桩的特点 不易穿透较厚的砂土等硬夹层 除非采用预钻孔 射水等辅助沉桩措施 只能进入砂 砾 硬粘土 强风化岩层等坚实持力层不大的深度 沉桩方法一般采用锤击 由此产生的振动 噪声污染必须加以考虑 沉桩过程产生挤土效应 特别是在饱和软粘土地区沉桩可能导致周围建筑物 道路 管 线等的损失 一般说来预制桩的施工质量较稳定 预制桩打入松散的粉土 砂砾层中 由于桩周和桩端土受到挤密 使桩侧表面法向应力 提高 桩侧摩阻力和桩端阻力也相应提高 由于桩的贯入能力受多种因素制约 因而常常出现因桩打不到设计标高而截桩 造成浪 费 预制桩由于承受运输 起吊 打击应力 需要配置较多钢筋 混凝土标号也要相应提高 因此其造价往往高于灌注桩 2 2 钻 挖 孔灌注桩 钻 挖 孔灌注桩 灌注桩是在现场地基中钻挖桩孔 然后在孔内放入钢筋骨架 再灌注桩身混凝土而成 的桩 灌注桩在成孔过程中需采取相应的措施和方法来保证孔壁稳定和提高桩体质量 针 对不同类型的地基土可选择适当的钻具设备和施工方法 钻 挖 孔桩适用于各类土层 包括碎石类土层和岩石层 但应注意钻孔桩用于淤泥 及可能发生流砂的土层时 宜先做试桩 挖孔桩宜用于无地下水或地下水量不多的地层 1 1 钻 挖孔灌注桩 钻 挖孔灌注桩 钻孔灌注桩定义钻孔灌注桩定义 钻孔灌注桩系指用钻 冲 孔机具在土中钻进 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 提高孔内泥浆水位 灌注水下混凝土等相应的施工工艺和方法 特点及适用条件特点及适用条件 钻孔灌注桩的特点是施工设备简单 操作方便 适应于各种砂性土 粘性土 也适应 于碎 卵石类土层和岩层 但对淤泥及可能发生流沙或承压水的地基 施工较困难 施工 前应做试桩以取得经验 我国已施工的钻孔灌注桩的最大入土深度已达百余米 挖孔灌注桩定义挖孔灌注桩定义 依靠人工 用部分机械配合 在地基中挖出桩孔 然后与钻孔桩一样灌注混凝土而成 的桩称为挖孔灌注桩 挖孔灌注桩特点及适用条件挖孔灌注桩特点及适用条件 挖孔灌注桩适用于无水或少水的较密实的各类土层中 或缺乏钻孔设备 或不用钻机 以节省造价 桩的直径 或边长 不宜小于 m 孔深一般不宜超过 m 对可能发生 流沙或含较厚的软粘土层地基施工较困难 需要加强孔壁支撑 在地形狭窄 山坡陡峻处 可以代替钻孔桩或较深的刚性扩大基础 2 2 挖孔桩的优点 挖孔桩的优点 施工工艺和设备比较简单施工工艺和设备比较简单 只有护筒 套筒或简单模板 简单起吊设备如绞车 必要时设潜水泵等备用 自上而 下 人工或机械开挖 质量好质量好 不卡钻 不断桩 不塌孔 绝大多数情况下无须浇注水下混凝土 桩底无沉淀浮泥 能直接检验孔壁和孔底土质 所以能保证桩的质量 易于扩大桩尖 提高桩的承载力 速度快速度快 由于护筒内挖土方量甚小 进尺比钻孔为快 而且无须重大设备如钻机等 容易多 孔平行施工 加快全桥进度 成本低成本低 比钻孔桩可降低 30 40 3 3 沉管灌注桩 沉管灌注桩 定义定义 沉管灌注桩系指采用锤击或振动的方法把带有钢筋混凝土桩尖或带有活瓣式桩尖 沉 桩时桩尖闭合 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 混凝土并拔出套管成桩 特点及适用条件特点及适用条件 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 20m 以内 它适用于粘性土 砂性土地基 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 4 4 各类灌注桩有如下共同优点 各类灌注桩有如下共同优点 施工过程无大的噪声和振动 沉管灌注桩除外 可根据土层分布情况任意变化桩长 根据同一建筑物的荷载分布与土层情况可采用不同 桩径 对于承受侧向荷载的桩 可设计成有利于提高横向承载力的异形桩 还可设计成变 截面桩 即在受弯矩较大的上部采用较大的断面 可穿过各种软 硬夹层 将桩端置于坚实土层和嵌入基岩 还可扩大桩底以充分发挥桩 身强度和持力层的承载力 桩身钢筋可根据荷载与性质及荷载沿深度的传递特征 以及土层的变化配置 无需象预 制桩那样配置起吊 运输 打击应力筋 其配筋率远低于预制桩 造价约为预制桩的 40 70 五 按桩身材料分五 按桩身材料分 1 1 钢桩 钢桩 钢桩强度高 运输方便 施工质量稳定 能承受强大的冲击力和获得较高的承载力 沉桩时贯入能力强 速度较快 且排挤土量小 对邻近建筑影响小 可根据荷载特征制作成各种有利于提高承载力的断面 即其设计的灵活性大 壁厚 桩径的选择范围大 便于割接 桩长容易调节 还可根据弯矩沿桩身的变化情况局部加强其断面刚度和强度 主要缺点是用钢量大 成本昂贵 在大气和水土中钢材具有腐蚀性 2 2 钢筋混凝土桩 钢筋混凝土桩 钢筋混凝土桩的配筋率较低 一般为 0 3 1 0 而混凝土取材方便 价格便宜 耐 久性好 钢筋混凝土桩既可预制又可现浇 灌注桩 还可采用预制与现浇组合 适用于各 种地层 成桩直径和长度可变范围大 因此 桩基工程的绝大部分是钢筋混凝土桩 桩基工程的主要研究对象和主要发展方 向也是钢筋混凝土桩 第三节第三节 桩与桩基础的构造桩与桩基础的构造 不同材料 不同类型的桩基础具有不同的构造特点 为了保证桩的质量和桩基础的正 常工作能力 在设计桩基础时应满足其构造的基本要求 现仅以目前国内桥梁工程中最常 用的桩与桩基础的构造特点及要求简述如下 一 各种基桩的构造一 各种基桩的构造 桩的构造指的是桩的几何形状 几何尺寸大小 采用什么材料 对材料的强度等级要 求及含筋率高低等 1 1 混凝土桩 混凝土桩 1 桩身混凝土强度等级 钻 挖 孔桩 沉桩不应低于 c25 管桩填芯混凝土不应低于 c15 2 钢筋混凝土沉桩的桩身 应按运输 沉入和使用各阶段内力要求通长配筋 桩的两端和 接桩区箍筋或螺旋筋的间距须加密 其值可取 40 50mm 3 钻 挖 孔桩应按桩身内力大小分段配筋 当内力计算表明不需配筋时 应在桩顶 3 0 5 om 内设构造钢筋 桩内主筋直径主筋直径不应小于 16mm 每桩的主筋数量不应少于 8 根 其净距不应小于 80mm 且不应大于 350mm 如配筋较多 可采用束筋束筋 组成束筋的单根钢筋直径不应大于 36mm 组成束筋的单 根钢筋根数 当其直径不大于 28mm 时不应多于 3 根 当其直径大于 28mm 时应为 2 根 束 筋成束后等代直径为 式中 n 为单束钢筋根数 d 为单根钢筋直径 dnde 钢筋保护层净距保护层净距不应小于 60mm 闭合式箍筋或螺旋筋箍筋或螺旋筋直径不应小于主筋直径的 1 4 且不应小于 8mm 其中距不应 大于主筋直径的 15 倍且不应大于 300mm 钢筋笼骨架上每隔 2 0 2 5m 设置直径 16 32mm 的加劲箍加劲箍一道 钢筋笼四周应设置突出的定位钢筋 定位混凝土块 或采用其他定位措施定位措施 钢筋笼底部的主筋宜稍向内弯曲 作为导向 4 钢筋混凝土预制桩的分节长度应根据施工条件决定 并应尽量减少接头数量 接头强度 不应低于桩身强度 接头法兰盘不应突出于桩身之外 在沉桩时和使用过程中接头不应松 动和开裂 5 桩端嵌入非饱和状态强风化岩的预应力混凝土敞口管桩 应采取有效的预防渗水软 化桩端持力层的措施 6 河床岩层有冲刷时 钻孔桩有效深度应考虑岩层最低冲刷标高 2 2 钢桩 钢桩 1 钢桩可采用管型或 h 型 其材质应符合现行国家有关规范 标准规定 2 钢桩焊接接头应采用等强度连接 使用的焊条 焊丝和焊剂应符合现行国家有关 规范 标准规定 3 钢桩的端部形式 应根据桩所穿越的土层 桩端持力层性质 桩的尺寸 挤土效应 等因素综合考虑确定 钢管桩可采用下列桩端形式 敞口带加强箍 带内隔板 不带内隔板 敞口不带加强箍 带内隔板 不带内隔板 闭口平底 锥底 h 型钢可采用下列桩端形式 带端板 不带端板 锥底 平底 带扩大翼 不带扩大翼 4 钢桩的防腐处理应符合下列规定 海水环境中 钢桩的单面年平均腐蚀速度可按表 3 3 1 取值 有条件时也可根据现 场实测确定 其他条件下 在平均低水位以上 年平均腐蚀速度可取 0 06mm 年 平均低 水位以下 年平均腐蚀速度可取 0 03mm 年 表 3 3 1 海水环境中钢桩单面年平均腐蚀速度 注 1 表中年平均腐蚀速度适用于 ph 4 10 的环境条件 对有严重污染的环境 应适当增大 2 对水质含盐量层次分明的河口或年平均气温高 波浪大和流速大的环境 其对应部位的年平均腐蚀 速度应适当增大 钢桩防腐处理可采用外表面涂防腐层 增加腐蚀余量和阴极保护等方法 当钢管桩 内壁同外界隔绝时 可不考虑内壁防腐 二 承台和横系梁的构造二 承台和横系梁的构造 1 1 承台的厚度宜为桩直径的 1 0 2 0 倍且不小于 1 5m 混凝土强度等级不应低于 c25 2 2 当桩中心距不大于 3 倍桩直径时 承台受力钢筋应均匀布置于全宽度内 当桩中心距大 于 3 倍桩直径时 受力钢筋应均匀布置于距桩中心 1 5 倍桩直径范围内 在此范围以外应 布置配筋率不小于 0 1 的构造钢筋 钢筋净距应考虑浇筑混凝土时 振捣器可以顺利插 入 各主筋间横向净距和层与层之间的竖向净距 当钢筋为三层及以下时 不应小于 30mm 并不小于钢筋直径 当钢筋为三层以上时 不应小于 40mm 并不小于钢筋直径的 1 25 倍 对于束筋 此处直径采用等代直径 普通钢筋最小混凝土保护层厚度 钢筋外缘 至混凝土表面的距离 不应小于钢筋公称直径 基础 桩基承台当基坑底面有垫层或侧面 有模板 受力主筋 时 环境条件为 时 最小保护层厚度取 40mm 环境条件为 时 最 小保护层厚度取 50mm 环境条件为 时 最小保护层厚度取 60mm 当基坑底面无垫层 或侧面无模板 受力主筋 时 环境条件为 时 最小保护层厚度取 60mm 环境条件为 时 最小保护层厚度取 75mm 环境条件为 时 最小保护层厚度取 85mm 3 3 如承台仅有一个方向的受力钢筋时 在垂直于该各层受力钢筋方向 应设直径不小于 12mm 间距不大于 250mm 的构造钢筋 4 4 承台的顶面和侧面应设置表层钢筋网 每个面在两个方向的截面面积均不宜小于 400mm2 m 钢筋间距不应大于 400mm 在桩身顶端的承台平面内应设一层钢筋网 在每米内 按每一方向 设钢筋网 1 200 1 500mm2 钢筋直径采用 12 16mm 当基桩桩顶主筋伸入 承台连接时 上述钢筋不得截断 当桩顶直接埋入承台连接时 应在每根桩的顶面上设 1 2 层钢筋网 5 5 承台竖向连系钢筋 其直径不应小于 16mm 6 6 承台的桩中距等于或大于桩直径的三倍时 宜在两桩之间 距桩中心各一倍桩直径的中 间区段内设置吊筋 如图 3 3 1 所示 其直径不应小于 12mm 间距不应大于 200mm 7 7 当用横系梁加强桩之间的整体性时 横系梁的高度可取为 0 8 1 0 倍桩的直径 宽度 可取为 0 6 1 0 倍桩的直径 混凝土的强度等级不应低于 c25 纵向钢筋不应少于横系梁 截面面积的 0 15 箍筋直径不应小于 8mm 其间距不应大于 400mm 图 3 3 1 承台吊筋布置 1 墩台身 2 承台 3 桩 4 吊筋 5 主筋 d 桩直径 三 桩与承台 横系梁的连接三 桩与承台 横系梁的连接 桩与承台 横系梁的连接应符合下列要求 1 桩顶直接埋入承台连接 当桩径 或边长 小于 0 6m 时 埋入长度不应小于 2 倍桩径 或边长 当桩径 或边长 为 0 6 1 2m 时 埋入长度不应小于 1 2m 当桩径 或边长 大 于 1 2m 时 埋入长度不应小于桩径 或边长 2 桩顶主筋伸入承台连接 桩身嵌入承台内的深度可采用 100mm 伸入承台内的桩顶 主筋可做成喇叭形 与竖直线夹角大约为 150 伸入承台内的主筋长度 光圆钢筋不应小 于 30 倍钢筋直径 设弯钩 带肋钢筋不应小于 35 倍钢筋直径 不设弯钩 3 对于大直径灌注桩 当采用一柱一桩时 可设置横系梁或将桩与柱直接连接 4 管桩与承台连接时 伸入承台内的纵向钢筋如采用插筋 插筋数量不应少于 4 根 直径不应小于 16mm 锚入承台长度不宜少于 35 倍钢筋直径 插入管桩顶填芯混凝土长度 不宜小于 1 0m 5 横系梁的主钢筋应伸入桩内 其长度不小于 35 倍主筋直径 第四节第四节 单桩承载力单桩承载力 一般情况下 桩受到轴向力 横轴向力及弯矩作用 因此须分别研究和确定单桩的轴 向承载力和横轴向承载力 一 单桩轴向荷载传递机理和特点一 单桩轴向荷载传递机理和特点 一 荷载传递过程与土对桩的支承力 一 荷载传递过程与土对桩的支承力 图 3 4 1 桩的承载力组成 桩在轴向压力荷载作用下 桩顶将发生轴向位移 沉降 它为桩身弹性压缩和桩底以 下土层压缩之和 置于土中的桩与其侧面土是紧密接触的 当桩相对于土向下位移时就产 生土对桩向上作用的桩侧摩阻力 桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中 必须不断地克服这 种摩阻力 桩身轴向力就随深度逐渐减小 传至桩底的轴向力也即桩底支承反力 它等于 桩顶荷裁减去全部桩侧摩阻力 桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩底阻力传递给土体 因此 可以认为土对桩的支承力是由桩侧摩阻力和桩底阻力两部分组成 桩的极限荷 载 或称极限承载力 就等于桩侧极限摩阻力和桩底极限阻力之和 桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的相对位移情况有关 并各自达到极限值 时所需要的位移量是不相同的 试验表明 桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就 能得到充分的发挥 具体数量目前认识尚不能有一致的意见 但 般认为粘性土为 4 6mm 砂性土为 6 10mm 与桩的直径 长度及土的种类关系不大 桩底阻力的充分发 挥需要的相对位移则与桩端土的性质和沉桩方法有关 对于岩层及坚硬土层 只要很小的 变形桩端阻力医能充分发挥 且承载力中桩端阻力占绝大部分 这就是端承桩 而当桩端 土与桩侧土性质差不多时 桩端阻力发挥所要求的相对位移值就要大得多 例如对于打入 桩 桩端阻力达到极限值所需的相对位移约为桩径的 10 对于钻孔桩则可达桩径的 20 30 这种情况桩的工作总是桩侧阻力先发挥出来 然后桩端承载力才逐渐发挥作用 这 就是一般的摩擦桩 可见对一般的摩擦桩来说 在不同的荷载阶段 桩侧摩阻力和桩端阻 力的分担比例是变化的 如图 3 4 1 而因此在确定桩的承载力时 应考虑这一特点 端承 桩由于桩底位移很小 桩侧摩阻力不易得到充分发挥 对于一般端承桩 桩底阻力占桩支 承力的绝大部分 桩侧摩阻力很小常忽略不计 但对较长端承桩且覆盖层较厚时 由于桩 身的弹性压缩较大 也足以使桩侧摩阻力得以发挥 对于这类端承桩建议可予以计算桩侧 摩阻力 置于一般土层上的摩擦桩 桩底土层支承反力发挥到极限值 则需要比发生桩侧 极限摩阻力大得多的位移值 这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来 然后桩底阻力才逐渐 发挥 直至达到极限值 对于桩长很大的摩擦桩 也因桩身压缩变形大 桩底反力尚未达 到极限值 桩顶位移已超过使用要求所容许的范围 且传递到桩底的荷载也很微小 此时 确定桩的承载力时桩底极限阻力不宜取值过大 二 桩侧摩阻力的影响因素及其分布 二 桩侧摩阻力的影响因素及其分布 1 1 影响因素影响因素 1 1 桩土间的相对位移 2 土的性质 3 桩的刚度 4 时间因素 5 土中应力状态 6 桩的施工方法 桩侧摩阻力除与桩土间的相对位移有关 还与土的性质 桩的刚度 时间因素和土中 应力状态以及桩的施工方法等因素有关 桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切桩侧土的剪切问题 桩侧土极限摩阻力值与桩侧土的剪切强度有桩侧土极限摩阻力值与桩侧土的剪切强度有 关 随着土的抗剪强度的增大而增加关 随着土的抗剪强度的增大而增加 而土的抗剪强度又取决于其类别 性质 状态和剪 切面上的法向应力 不同类别 性质 状态和深度处的桩侧土将具有不同的桩侧摩阻力 从位移角度分析 桩的刚度对桩侧摩阻力也有影响 桩的刚度较小时 桩顶截面的位 移较大而桩底较小 桩顶处桩侧摩阻力常较大 当桩刚度较大时 桩身各截面位移较接近 由于桩下部侧面土的初始法向应力较大 土的抗剪强度也较大 以致桩下部桩侧摩阻力大 于桩上部 由于桩底地基土的压缩是逐渐完成的 因此桩侧摩阻力所承担荷载将随时间由桩身上 部 向桩下部转移 在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质 状态在一定范围内会有变化 影响桩侧摩阻力 并且往往也有时间效应 对于挤土的打入桩 沉桩将使桩周土向四周排开 挤压 因而土对桩身的摩阻力增大 若为钻 挖 孔灌注桩 由于先形成桩孔 周围土体向孔内膨胀 松动 因此桩身的摩阻 力减小 影响桩侧摩阻力的诸因素中 土的类别 性状是主要因素 在分析基桩承载力等问题 时 各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响 应分别情况予以注意 例如 在塑性状态粘 性土中打桩 在桩侧造成对土的扰动 再加上打桩的挤压影响会在打桩过程中使桩周围土 内孔隙水压力上升 土的抗剪强度降低 桩侧摩阻力变小 待打桩完成经过一段时间后 超孔隙水压力逐渐消散 再加上粘土的触变性质 使桩周围一定范围内的抗剪强度不但能 得到恢复 而且往往还可能超过其原来强度 桩侧摩阻力得到提高 在砂性土中打桩 时 桩侧摩阻力的变化与砂土的初始密度有关 如密实砂性土有剪胀性会使摩阻力出现峰 值后有所下降 2 2 桩侧摩阻力分布规律桩侧摩阻力分布规律 桩侧摩阻力的大小及其分布决定着桩身轴向力随深度的变化及数值 因此掌握 了解 桩侧摩阻力的分布规律 对研究和分析桩的工作状态有重要作用 由于影响桩侧摩阻力的 因素即桩土间的相对位移 土中的侧向应力及土质分布及性状均随深度变化 因此要精确 地用物理力学方程描述桩侧摩阻力沿深度的分布规律较复杂 只能用试验研究方法 即桩 在承受竖向荷载过程中 量测桩身内力或应变 计算各截面轴力 求得侧阻力分布或端阻 力值 图 3 4 2 桩侧摩阻力分布曲线 如图 3 4 2 所示两例来说明桩侧摩阻力的分布变化 其中图 a 为上海某工程钢管打入 桩实测资料 b 图为我国某工程钻孔灌注桩实测资料 图中曲线上的数字为相应桩顶荷载 在粘性土中的打入桩的桩侧摩阻力沿深度分布的形状近乎抛物线 在桩顶处的摩阻力等于 零 桩身中段处的摩阻力比桩的下段大 而钻孔灌注桩的施工方法与打入桩不同 其桩侧 摩阻力将具有某些不同于打入桩的特点 从图中可见 从地面起的桩侧摩阻力呈线性增加 其深度仅为桩径的 5 10 倍 而沿桩长的摩阻力分布则比较均匀 为简化起见 现常近似 假设打入桩侧摩阻力在地面处为零 沿桩入土深度成线性分布 而对钻孔灌注桩则近似假 设桩侧摩阻力沿桩身均匀分布 3 3 工程简化计算方法工程简化计算方法 1 对于摩擦桩 或摩擦支撑管桩 打入或振动下沉时 桩侧摩阻力随深度成三角形分 布 2 钻 挖 孔桩桩侧摩阻力在整个入土深度内近似沿桩身均匀分布 3 端承桩不考虑桩侧土的摩阻力作用 三 桩底阻力的影响因素及其深度效应 三 桩底阻力的影响因素及其深度效应 桩底阻力与土的性质 持力层上覆荷载 覆盖土层厚度 桩径 桩底作用力 时间及 桩底端进持力层深度等因素有关 其主要影响因素仍为桩底地基土的性质 桩底地基土的 受压刚度和抗剪强度大则桩底阻力也大 桩底极限阻力取决于持力层土的抗剪强度和上覆 荷载及桩径大小的影响 由于桩底地基土层受压固结作用是逐渐完成的 桩底阻力将随土 层固结度提高会随着时间而增长 模型和现场的试验研究表明 桩的承载力 主要是桩底阻力 随着桩的入土深度 特别 是进入持力层的深度而变化 这种特性称为深度效应 桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时 桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加 达到一定深度后 桩底阻力的极限值保持稳值 这 深度称为临界深度 它与持力层的 c h 上覆荷载和持力层土的密度有关 上覆荷载越小 持力层土密度越大 则越大 当持力 c h 层下为软弱土层也存在一个临界厚度 当桩底下卧软弱层顶面的距离时 桩底阻 c t c tt 力将随着 的减小而下降 持力层土密度越高 桩径越大 则越大 t c t 由此可见 对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时 要根据夹层厚度 综合考虑基 桩进入持力层的深度和桩底下硬层的厚度 必须指出 群桩的深度效应概念与上述单桩不同 在均匀砂或有覆盖层的砂层中 群 桩的承载力始终随着桩进入持力层的深度而增大 不存在临界深度 当有下卧软弱土层时 软弱土层对群桩承载力的影响比对单桩的影响大 四 单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式 四 单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式 单桩在轴向受压荷载作用下 单桩的破坏是由地基土强度破坏或桩身材料强度破坏所 引起 而以地基土强度破坏居多 以下介绍工程实践中常见的几种典型破坏模式 1 当桩底支承在很坚硬的地层 桩侧土为软土层其抗剪强度很低时 如图 3 4 3a 所示 桩在轴向受压荷载作用下 如同一受压杆件呈现纵向挠曲破坏 在荷载 沉降 p s 曲线 上呈现出明确的破坏荷载 桩的承载力取决于桩身的材料强度 2 当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时 如图 3 4 3b 所示 桩在轴向受压荷载作用下 由于桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的 形成 桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏 在 p s 曲线上可见明确的破坏荷载 桩的承载力主要取决于桩底土的支承力 桩侧摩阻力也起一部分作用 3 当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时 如图 3 4 3c 所示 桩在轴向受压荷载作用下 将出现刺入式破坏 根据荷载大小和土质不同 其 p s 曲线可 能没有明显的转折点或有明显的转折点 表示破坏荷载 桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底 反力共同承担 一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏 且基桩承载力往往由桩顶所允许的 沉降量控制 因此 桩的轴向受压承载力 取决于桩周土的强度或桩本身的材料强度 一般情况下 桩的轴向承载力都是由土的支承能力控制的 对于端承桩和穿过土层土质较差的长摩擦桩 则两种因素均有可能是决定因素 图 3 4 3 土的强度对桩破坏模式影响 二 单桩轴向容许承载力按土的支承力确定二 单桩轴向容许承载力按土的支承力确定 在工程设计中 单桩轴向容许承载力 系指单桩在轴向荷载作用下 地基土和桩本身 的强度和稳定性均能得到保证 变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载 计算时 可以按以下规定进行 承台底面以上的荷载假定全部由桩承受 桥台土压力可自填土前的原地面起算 一般情况下 桩基不需进行抗倾覆和抗滑动的验算 但在特殊情况下 应验算桩基向 前移动或被剪断的可能性 单桩轴向容许承载力的确定方法较多 考虑到地基土具有多变性 复杂性和地域性等 特点 往往需选用几种方法作综合考虑和分析 以合理确定单桩轴向容许承载力 一 深层平板载荷试验确定承载力基本容许值 一 深层平板载荷试验确定承载力基本容许值 0a f 深层平板载荷试验可用于确定深部地基及大直径桩桩端在承压板压力主要影响范围内 土层的承载力 在桩顶逐级逐级施加轴向荷载 直至桩达到破坏状态为止 并在试验过程中测 量每级荷载下不同时间的桩顶沉降 根据沉降与荷载及时间的关系 分析确定单桩轴向承 载力基本容许值 对于具有下列情况的大桥 特大桥 应通过静载荷试验确定单桩承载力 a 桩的入土深度远超过常用桩 b 地质情况复杂 难以确定桩的承载力 c 有其他特殊要求的桥梁用桩 试桩可在已打好的工程桩中选定 也可专门设置与工程桩相同的试验桩 考虑到试验 场地的差异及试验的离散性 同一土层参加统计的试验点不应少于三点 试桩的施工方法 以及试桩的材料和尺寸 入土深度均应与设计桩相同 1 1 承压板面积承压板面积 深层平板载荷试验的承压板采用直径为 0 8m 的刚性板 紧靠承压板周围外侧的土层高 度不应小于 0 8m 2 2 测试方法测试方法 1 加荷等级可按预估极限承载力的 1 10 1 15 分级施加 2 每级加荷后 第一个小时内按间隔 lomin lomin lomin 15min 15min 以后为每 隔半小时测读一次沉降 当在连续两小时内 每小时的沉降量小于 0 1mm 时 则认为已趋 稳定 可加下一级荷载 3 当出现下列情况之一时 可终止加载 沉降急骤增大 荷载一沉降 p s 曲线上有可判定极限承载力的陡降段 且沉降s 量超过 0 04d d 为承压板直径 在某级荷载下 24h 内沉降速率不能达到稳定 本级沉降量大于前一级沉降量的 5 倍 当持力层土层坚硬 沉降量很小时 最大加载量不小于设计要求的 2 倍 3 3 承载力基本容许值的确定应符合下列规定承载力基本容许值的确定应符合下列规定 1 当 p s 曲线上有比例界限时 取该比例界限所对应的荷载值 2 满足终止加载前三款终止加载条件之一时 其对应的前一级荷载定为极限荷载 当 该值小于对应比例界限的荷载值的 2 倍时 取极限荷载值的一半 3 不能按上述两款要求确定时 可取 s d 0 01 0 015 所对应的荷载值 但其值应 不大于最大加载量的一半 同一土层参加统计的试验点不应少于三点 当试验实测值的极差不超过平均值的 30 时 取此平均值作为该土层的地基承载力基本容许值 0a f 采用试验法确定单桩承载力基本容许值直观可靠 但费时 费力 通常只在大型 重 要工程或地质较复杂的桩基工程中进行试验 配合其他测试设备 它还能较直接了解桩的 荷载传递特征 提供有关资料 因此也是桩基础研究分析常用的试验方法 二 按设计规范经验公式确定 二 按设计规范经验公式确定 1 摩擦桩 摩擦桩 摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值 可按下列公式计算 a r 1 钻 钻 挖挖 孔灌注桩的承载力容许值孔灌注桩的承载力容许值 3 4 1 rp n i iika qalqur 1 2 1 3 2200 hkfmq ar 式中 单桩轴向受压承载力容许值 kn 桩身自重与置换土重 当自重计入浮力时 a r 置换土重也计入浮力 的差值作为荷载考虑 u 桩身周长 m 桩端截面面积 m2 对于扩底桩 取扩底截面面积 p a n 土的层数 承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度 m 扩孔部分不计 i l 与对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值 kpa 宜采用单桩摩阻力试验确定 ik q i l 当无试验条件时按表 3 4 1 选用 桩端处土的承载力容许值 kpa 当持力层为砂土 碎石土时 若计算值超过下 r q 列值 宜按下列值采用 粉砂 1 000 kpa 细砂 1 150 kpa 中砂 粗砂 砾砂 1 450 kpa 碎石土 2 750 kpa 桩端处土的承载力基本容许值 kpa 按规范经验表格确定 0a f h 桩端的埋置深度 m 对于有冲刷的桩基 埋深由一般冲刷线起算 对无冲 刷的桩基 埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算 h 的计算值不 大于 40m 当大于 40m 时 按 40m 计算 容许承载力随深度的修正系数 根据桩端处持力层土类按规范规定选用 2 k 桩端以上各土层的加权平均重度 kn m3 若持力层在水位以下且不透水 2 时 不论桩端以上土层的透水性如何 一律取饱和重度 当持力层透水时 则水中部分土层取浮重度 修正系数 按表 3 4 2 选用 清底系数 按表 3 4 3 选用 0 m 表 3 4 1 钻孔桩桩侧土的摩阻力标准值 ik q 注 挖孔桩的摩阻力标准值可参照本表采用 表 3 4 2 修正系数值 表 3 4 3 清底系数值 0 m dt 0 3 0 1 0 m 0 7 1 0 注 1 t d 为桩端沉渣厚度和桩的直径 2 时 时 且 md5 1 mmt300 md5 1 mmt500 3 0 1 0 dt 2 沉桩的承载力容许值 沉桩的承载力容许值 3 4 2 2 1 1 n i rkprikiia qaqlur 式中 单桩轴向受压承载力容许值 kn 桩身自重与置换土重 当自重计入浮 a r 力时 置换土重也计入浮力 的差值作为荷载考虑 桩身周长 m u 土的层数 n 承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度 m i l 与对应的各土层与桩侧摩阻力标准值 kpa 宜采用单桩摩阻力试 ik q i l 验确定或通过静力触探试验测定 当无试验条件时按表 3 4 4 选用 桩端处土的承载力标准值 kpa 宜采用单桩试验确定或通过静力触 rk q 探试验测定 当无试验条件时按表 3 4 5 选用 分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数 按 i r 表 3 4 6 采用 对于锤击 静压沉桩其值均取为 1 00 表 3 4 4 沉桩桩侧土的摩阻力标准值 ik q 注 表中土的液性指数 系按 76g 平衡锥测定的数值 l i 表 3 4 5 沉桩桩端处土的承载力标准值 rk q 注 表中为桩端进入持力层的深度 不包括桩靴 为桩的直径或边长 c hd 表 3 4 6 系数 值 i r 2 嵌岩桩嵌岩桩 支承在基岩上或嵌入基岩内的钻 挖 孔桩 沉桩的单桩轴向受压承载力容许值 可按下式计算 a r 3 4 3 n i ikis m i rkiiirkpa qlufhcufacr 11 21 2 1 式中 一单桩轴向受压承载力容许值 kn 桩身自重与置换土重 当自重计入浮力 a r 时 置换土重也计入浮力 的差值作为荷载考虑 根据清孔情况 岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数 按表 3 4 7 采 1 c 用 桩端截面面积 m2 对于扩底桩 取扩底截面面积 p a 桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值 kpa 粘土质岩取天然湿度单轴抗压 rk f 强度标准值 当小于 2mpa 时按摩擦桩计算 为第 层的值 rk f rki fi rk f 一根据清孔情况 岩石破碎程度等因素而定的第 层岩层的侧阻发挥系数 i c2i 按表 3 4 7 采用 各土层或各岩层部分的桩身周长 m u 桩嵌入各岩层部分的厚度 m 不包括强风化层和全风化层 i h 一岩层的层数 不包括强风化层和全风化层 m 覆盖层土的侧阻力发挥系数 根据桩端确定 当时 s rk fmpafmpa rk 152 当时 当时 8 0 s mpafmpa rk 3015 5 0 s mpafrk30 2 0 s 各土层的厚度 m i l 桩侧第 层土的侧阻力标准值 kpa 宜采用单桩摩阻力试验值 当无试验条件 ik qi 时 对于钻 挖 孔桩查表 3 4 1 选用 对于沉桩查表 3 4 4 选用 土层的层数 强风化和全风化岩层按土层考虑 n 表 3 4 7 系数 值 1 c 2 c 注 1 当入岩深度小于或等于 0 5m 时 乘以 0 75 的折减系数 1 c0 2 c 2 对于钻孔桩 系数 值应降低 20 采用 1 c 2 c 桩端沉渣厚度 t 应满足以下要求 时 时 md5 1 mmt50 md5 1 mmt100 3 对于中风化层作为持力层的情况 应分别乘以 0 75 的折减系数 1 c 2 c 3 桩端后压浆灌注桩桩端后压浆灌注桩 桩端后压浆灌注桩单桩轴向受压承载力容许值 应通过静载试验确定 在符合规范规 定的压浆技术的条件下 后压浆单桩轴向受压承载力容许值可按下式计算 3 4 4 rppiik n i sia qalqur 1 2 1 式中 桩端后压浆灌注桩的单桩轴向受压承载力容许值 kn 桩身自重与置换土重 a r 当自重计入浮力时 置换土重也计入浮力 的差值作为荷载考虑 第 层土的侧阻力增强系数 可按表 3 4 8 取值 当在饱和土层中压浆时 is i 仅对桩端以上 8 0 12 0m 范围的桩侧阻力进行增强修正 当在非饱和上层 中压浆时 仅对桩端以上 4 0 5 0 m 的桩侧阻力进行增强修正 对于非增 强影响范围 1 si 一端阻力增强系数 可按表 3 4 8 取值 p 其他符号同式 3 4 1 表 3 4 8 桩端后压浆侧阻力增强系数 端阻力增强系数 s p 4 4 单桩轴向受压承载力的抗力系数单桩轴向受压承载力的抗力系数 按经验公式法规定计算的单桩轴向受压承载力容许值 应根据桩的受荷阶段及受 a r 荷情况乘以表 3 4 9 规定的抗力系数 表 3 4 9 单桩轴向受压承载力的抗力系数 受荷阶段作用效应组合抗力系数 永久作用与可变作用组合 1 25 短期效应组合 结构自重 预加力 土重 土侧压力和汽车 人群组 合 1 00 使用阶段 作用效应偶然组合 不含地震作用 1 25 施工阶段施工荷载效应组合 1 25 5 5 单桩轴向受拉承载力容许值单桩轴向受拉承载力容许值 摩擦桩应根据桩承受作用的情况决定是否允许出现拉力 当桩的轴向力由结构自重 预加力 土重 土侧压力 汽车荷载和人群荷载短期效应组合所引起时 桩不允许受拉 当桩的轴向力由上述荷载并与其他作用组成的短期效应组合或荷载效应的偶然组合 地震作 用除外 所引起时 则桩允许受拉 摩擦桩单桩轴向受拉承载力容许值按下列公式计算 3 4 5 n i ikiit qlur 1 3 0 式中 单桩轴向受拉承载力容许值 kn t r u 桩身周长 m 对于等直径桩 对于扩底桩 自桩端起算的长度 du 时 取 其余长度均取 其中 d 为桩的扩底直径 d 为桩身直 dli5 du du 径 振动沉桩对各土层桩侧摩阻力的影响系数 按规范相关规定采用 对于锤 i 击 静压沉桩和钻孔桩 1 i 计算作用于承台底面由外荷载引起的轴向力时 应扣除桩身自重值 三 静力触探法 三 静力触探法 静力触探法是借触探仪的探头贯入土中时的贯入阻力与受压单桩在土中的工作状况相 似的特点 将探头压入土中测得探头的贯入阻力 并与试桩结果进行比较 建立经验公式 测试时 可采用单桥或双桥探头 根据双桥探头资料 我国 公桥基规 确定沉桩沉桩的单桩容许承载力公式为 3 4 2 2 1 1 n i rkprikiia qaqlur 式中 单桩轴向受压承载力容许值 kn 桩身自重与置换土重 当自重计入 a r 浮力时 置换土重也计入浮力 的差值作为荷载考虑 桩身周长 m u 土的层数 n 承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度 m i l 与对应的各土层与桩侧摩阻力标准值 kpa 按式 3 4 6a 计 ik q i l 算 桩端处土的承载力标准值 kpa 按式 3 4 6b 计算 rk q 分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数 i r 按表 3 4 6 采用 对于锤击 静压沉桩其值均取为 1 00 3 4 6a iiik qq 3 4 6b rrrk qq 式中 桩侧第i层土由静力触探测得的局部侧摩阻力的平均 kpa 当 i q i q 小于 5kpa 时取 5kpa 桩端 不包括桩靴 标高以上和以下 4d d 为桩径或边长 范围内 r q 静力触探端阻的平均值 kpa 若桩端标高以上 4d 范围内端阻的平 均值大于桩端标高以下 4d 范围内的端阻平均值 则取桩端以下 4d 范围内的端阻平均值 分别为侧摩阻和端阻的综合修正系数 其值按下面判别标准选用相 i r 应的计算公式 当土层的大于 2000kpa 且时 r q014 0 ri qq 45 0 067 5 ii q 25 0 975 3 rr q 如不满足上述和条件时 r q ri qq 55 0 045 10 ii q 35 0 064 12 rr q 上列综合修正系数计算公式不适合城市杂填土条件下的短桩 综合修正系数用于 黄 土地区时 应做试桩校核 静力触探方法简捷 又为原位测试 用它预估桩的承载力有一定的实用价值 四 动测试桩法 四 动测试桩法 动测法是指给桩顶施加一动荷载 用冲击 振动等方式施加 量测桩土系统的响应信 号 然后分析计算桩的性能和承载力 可分为高应变动测法与低应变动测法两种 低应变 动测法由于施加于桩顶的荷载远小于桩的使用荷载 不足使桩土间发生相