基础工程-赵明华-第四章ppt课件.ppt

4.桩基础,1,内容提要,桩基础及其分类桩基础的施工单桩竖向抗压承载力计算水平荷载下基桩的内力及位移计算群桩基础受力分析桩基础设计简介,2,组成：基桩和连接于桩顶的承台。作用：将上部结构荷载通过承台传递给基桩，再由基桩传递到地基土体（持力层）。特点：历史悠久、承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀、便于机械化施工、适应性强。,低承台桩基示意图,4.1桩基础及其分类,4.1.1概述,3,单桩基础,群桩基础,承台,基桩,上部结构荷载,4.1.1概述,4,地基土质差或软硬不均，不能满足上部结构对变形的要求。地基软弱或土性特殊，自重湿陷性黄土、膨胀土等。荷载大，且伴有较大偏心、水平、动力或周期性荷载作用。水中基础施工困难，如桥梁、码头、钻采平台等。需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。,4.1.1概述,5,按承载性状：摩擦型桩、端承型桩按施工方法：预制桩、灌注桩按设置效应：非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩按桩径大小：小桩(250mm)、中等直径桩(250800mm)、大直径桩(800mm)按使用功能：受压桩、抗拔桩、横向受荷桩、锚桩按截面形状：圆桩、方桩、多边形桩、异形桩、DX桩等,4.1.2桩基的分类,基桩分类,6,按承载性状分类（荷载传递方式）,分类依据：根据桩侧与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比例的不同。,4.1.2桩基的分类,7,预制桩在工厂或施工现场制成的各种形式的桩，如锤击桩、振动桩、静压桩等。灌注桩在施工现场的桩位上用机械或人工成孔，然后在孔内灌注混凝土而成。如挖孔、钻孔、冲孔及爆扩成孔灌注桩等。,按施工方法分类,4.1.2桩基的分类,8,混凝土预制桩要求：截面边长300500mm，分节长度12m。预应力管桩外径300600mm，每节长513m；优点：承载力高，耐久性好，质量较易保证。缺点：自重大，打桩难，桩长难统一，工艺复杂。钢桩要求：直径2501200mm，批量生产。优点：穿透性强，承载能力高，应用方便。缺点：成本高，易锈蚀。木桩要求：桩径160260mm，桩长46m。优点：制作运输方便，打桩设备简单。缺点：承载力低，仅在一些加固工程与临时工程中采用。,预制桩的分类及特点,4.1.2桩基的分类,9,分类沉管灌注桩、钻孔灌注桩、挖孔桩。原理直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼灌注混凝土而成。特点能适应各种地层，无需接桩，施工时无振动、无挤土、噪音小，宜在建筑物密集地区使用。施工关键桩身的成型和混凝土质量,灌注桩的分类及特点,4.1.2桩基的分类,10,按桩的设置效应分类,非挤土桩成桩过程中对桩相邻土基本不产生挤土效应的桩,如钻（冲或挖）孔灌注桩及先钻孔后再打入的预制桩；部分挤土桩对桩周土体稍有排挤，但土的强度和变形性质变化不大。包括冲击成孔灌注桩、预钻孔打入式预制桩等。挤土桩设置过程中使土的结构严重扰动破坏，对土的强度和变形性质影响较大。实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等。,4.1.2桩基的分类,11,按承台位置：高承台桩基承台底面位于地面以上，且常处于水下，水平受力性能差，但施工方便。可避免水下施工及节省基础材料，多用于桥梁及港口工程。低承台桩基承台底面位于地面以下，其受力能好，具有较强的抵抗水平荷载的能力，施工不方便。,桩基,4.1.2桩基的分类,12,锤击振动下沉静压,预制桩的施工方法,4.2.1预制桩的施工,4.2桩基础的施工,13,打入第一节桩体,电焊接桩,打入末节桩体,锤击预制桩,14,沉桩深度控制,以最后贯入度（指沉至某标高时，每次锤击的沉入量）和桩尖设计标高两方面控制。要求最后两阵的平均贯入度为10-50mm/阵。锤击法：常以10次锤击为一阵。振动法：以1min为一阵。,4.2.1预制桩的施工,15,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筒。可避免流砂、坍孔及排渣等弊病。锤击沉管灌注桩振动沉管灌注桩内击式沉管灌注桩,4.2.2灌注桩的施工,16,沉管灌注桩,4.2.2灌注桩的施工,17,优点：设备简单、打桩进度快、成本低。缺点：在土层软、硬交界处或软弱土层处易发生缩颈、断桩现象。（缩颈桩的形成）克服办法：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；（沉管灌注桩复打）反插法灌满混凝土后，先振动再拔管，一般拔0.51.0m，再反插0.30.5m。分单打、复打、反插三种施工方法。,沉管灌注桩特点,4.2.2灌注桩的施工,18,钻（冲）孔灌注桩,原理用钻机(如螺旋钻、振动钻、冲抓锥钻等)钻土成孔(需泥浆护壁)，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土。施工方法有正循环、反循环施工法。优缺点优点：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：要求有专门的设备（钻机），清孔较难彻底。,4.2.2灌注桩的施工,19,钻孔灌注桩护筒埋设,护筒作用固定桩位，并作钻孔导向；保护孔口，防止孔内土层坍塌隔水，稳固孔壁。,4.2.2灌注桩的施工,20,泥浆制备与运输,要求：膨胀土或高塑性粘土现场加水搅拌，比重1.11.15，粘度1025s，含砂率小于6，胶体率大于95。作用：护壁、携渣、防渗、润滑钻头等。,4.2.2灌注桩的施工,21,钻进机械,图4.6冲击钻机示意图1滑轮；2主杆；3拉索；4斜撑；5卷扬机；6垫木；7钻头,旋转钻进冲击钻进冲抓钻进,4.2.2灌注桩的施工,22,图4.8反循环泥浆循环成孔工艺1钻头；2泥浆循环方向；3沉淀池；4泥浆池；5泥浆泵；6砂石泵；7水龙头；8钻杆；9钻机回转装置,钻进方法,图4.7正循环泥浆循环成孔工艺1钻头；2泥浆循环方向；3沉淀池；4泥浆池；5泥浆泵；6砂石泵；7水龙头；8钻杆；9钻机回转装置,4.2.2灌注桩的施工,23,清孔,目的,除去孔底沉渣，保证孔底砼质量及桩的承载力。,方法,抽浆清孔：用空气吸泥机吸出含铅渣的泥浆。换浆清孔：正、反循环钻孔完成后不停钻、不进尺。掏渣清孔：孔用掏渣筒掏清孔内粗粒铅渣。继续循环换浆清渣。,要求,孔底0.5m内1.25；含砂率8；粘度28s。,4.2.2灌注桩的施工,24,将导管居中插入，上接漏斗，设隔水栓；放开隔水栓使混凝土向孔底猛落，将水挤出，并使导管始终埋在混凝土内，此后连续灌注混凝土；不断提升导管，直至灌注完毕。,水下砼灌注直升导管法,施工步骤,图4.9灌注水下混凝土1-通混凝土储料槽；2-漏斗3-隔水栓；4-导管,4.2.2灌注桩的施工,25,混凝土搅拌必须均匀；防止卡管事故；必须连续作业，避免中断灌注，并防止混凝土上升顶起钢筋笼；随时记录孔内混凝土灌注标高和导管入孔长度，防止导管提升过猛，形成断桩；桩顶标高应比设计值愈加一定高度，以确保混凝土质量。一般取0.5m。,注意事项,4.2.2灌注桩的施工,26,基本要求：内径800mm，开挖直径1000mm，护壁厚100mm分节支护，每节高5001000mm桩长小于40m。优点：符合国情，经济，设备简单，噪音小，场区内各桩可同时施工，可直接观察地层情况，孔底易清除干净，且桩径大、适应性强。缺点：可能遇到流砂、塌孔、缺氧、有害气体、触电和地面掉重物等危险而造成伤亡事故。,原理：采用人工或机械挖掘成孔，逐段边开挖边支护，达所需深度后再进行扩孔，利用钻（冲）孔机具钻土成孔，然后清除孔底残渣，安装钢筋笼，浇灌混凝土。,4.2.3人工挖孔桩,27,28,人工挖孔桩,29,4.2.5桩基的质量检测,可能存在的质量问题预制桩：桩位偏差、桩身裂缝过大、断桩等灌注桩：缩颈、夹泥、断桩、沉渣过厚等。常用质量检测方法开挖检查：只限于对所暴露的桩身进行观察检查。抽芯检查：在灌注桩桩身内钻孔，取混凝土芯样进行观察，看它的连续性。反射波法：测砼的连续性，是否存在孔洞、断桩等。动测法：高应变测桩承载力，低应变只能测砼质量。,30,4.2.6桩基设计原则,GB50007-2002：基于正常使用极限状态的概率设计原则JGJ94-94：采用以概率理论为基础的极限状态设计法，并按极限状态设计表达式计算，考虑桩基的两种极限状态，即承载能力、正常使用。并根据桩基损坏所造成的后果的严重性分为3个等级。,31,桩基的竖向承载力（抗压和抗拔）、水平承载力计算桩端平面以下的软弱下卧层验算桩基抗震承载力计算承载及桩身结构计算（包括预制桩吊运和锤击过程中的强度验算、桩身屈曲稳定计算）,所有桩基均应进行承载能力极限状态计算,桩基尚应进行变形验算,桩端持力层为软弱土的一、二级建筑物（竖向沉降）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（竖向沉降）承受较大水平荷载或对水平变位要求严格的一级建筑桩基（水平变位）,4.2.6桩基设计原则,32,4.3单桩承载力,承载机理荷载桩压缩侧摩阻消耗荷载桩底阻力。土对桩的支撑力桩侧摩阻力和桩端阻力：何种为主，与桩身压缩量有关。,桩的荷载传递过程实质上就是桩侧摩阻力与桩端阻力逐步发挥的过程。,4.3.1桩的荷载传递过程,33,侧阻先于端阻发挥，发挥程度与桩土相对位移相关；侧阻充分发挥桩土相对位移值：粘性土：46mm；砂土：610mm；端阻充分发挥桩底极限位移值：砂类土:(0.080.1)d；粘性土：0.25d，硬粘土0.1d。桩侧阻与桩端阻存在深度效应。,4.3.1桩的荷载传递过程,图4.11桩身荷载传递(a)摩擦桩；(b)端承桩,34,桩侧摩阻力影响因素,土的性质：如抗剪强度(c,j)决定摩阻力的可能最大值桩土相对位移决定摩阻力的发挥程度时间因素：土的固结随t增加向下部转移决定摩阻力发挥的时间桩的刚度：影响桩周应力的分布。土中的应力状态：主要指侧向压力施工方法：a)挤土桩；b)非挤土桩。,4.3.1桩的荷载传递过程,35,图4.12压曲破坏,图4.13整体剪切破坏,图4.14刺入破坏,压曲破坏：沉降量很小，桩端阻为主，桩材控制承载力，穿越软弱土层的小直径桩和嵌岩桩属于此类；整体剪切：沉降量较大，桩端阻为主，桩端桩侧土控制承载力，打入式短桩、钻孔短桩属于此类；刺入破坏：沉降量大，桩侧阻为主，桩顶容许沉降控制承载力，一般情况下的钻孔灌注桩属于此类。,4.3.2单桩的破坏模式,36,定义：桩周土相对于桩身下沉时产生的摩阻力。,4.3.3桩侧负摩阻力,图4.15桩侧摩阻力示意图,37,桩侧大范围降低地下水，如大面积抽水，基坑降水等桩侧地面大面积堆载；桩身穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层；冻土区升温引起桩侧土沉陷。,产生负摩阻力的条件,图4.6住宅楼建于有新填土的斜坡上,4.3.3桩侧负摩阻力,38,中性点,定义：桩土相对位移为零处桩侧摩阻力为零处。在某深度处桩周土与桩截面沉降相等；或两者无相对位移发生；或其摩阻力为零。特点：在中性点处桩身轴力达到最大值。,4.3.3桩侧负摩阻力,39,中性点位置还与时间因素、环境因素、地质条件等有关，精确计算有困难，目前采用经验估算法：（0.51.0l0）l0桩周变形土层下限深度，即软弱压缩层厚度。,中性点位置的确定,中性点的位置取决于桩土间的相对位移：当桩侧压缩变形大，桩地下土层坚硬，抗下沉量小，下移；反之，中性点位置上移。,图4.17有负摩阻力时的荷载传递,4.3.3桩侧负摩阻力,40,涂层法；塑料薄膜隔离层法；桩土之间灌注斑脱土浆法；插入变径预制桩法钻孔桩；群桩：设内外围保护桩法,减小负摩阻力的措施,4.3.3桩侧负摩阻力,41,按桩材强度确定按静载试验确定按土的抗剪强度指标确定按静力触探法确定按经验公式确定建工：路桥：按动力试桩法确定,4.3.4单桩竖向抗压承载力确定,42,建工路桥,按桩材强度确定,fcd砼轴心抗压强度设计值；fsd纵向钢筋抗压强度设计值；A桩身截面积，当纵向筋的配筋率大于3%时，A应改为An=A-As；As全部纵向钢筋的截面积；,4.3.4单桩竖向抗压承载力确定,43,按经验公式确定（建工）,一般预制桩与中小直径灌注桩,大直径桩,嵌岩桩,800mm为界,4.3.4单桩竖向抗压承载力确定,44,打入桩,li承台底面或局部（最大）冲刷线以下各土层的厚度；i与li对应的桩侧各土层的单位面积极限摩阻力；A桩底面积；R桩底处土的极限承载力；i、振动下沉对桩侧摩阻力与桩端阻力的影响系数。,按经验公式确定（路桥）,4.3.4单桩竖向抗压承载力确定,45,钻孔灌注桩,u桩周长，(旋转钻增大35cm；冲击钻增大510cm；冲抓钻增大1020cm)；考虑基桩长径比的修正系数；m0清底系数；s0桩端处土的容许承载力；h桩底埋深，有冲刷时从一般冲刷线算起，取值应40m；A按设计直径计算。,按经验公式确定（路桥）,4.3.4单桩竖向抗压承载力确定,46,柱桩：,c1,c2视清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的系数；U桩身嵌入基岩部分的截面周长，对于钻孔桩和管柱按设计直径采用；Ra天然湿度岩石单轴极限抗压强度(试件高径比相等，直径710cm)。,按经验公式确定（路桥）,4.3.4单桩竖向抗压承载力确定,47,由竖向抗压静载试验确定,特点：是评价单桩承载力最为直观和可靠的方法。基本原则桩数：不宜小于总数1，不少于3根；时间：对于预制桩，桩设置后开始载荷试验所需的间歇时间：对于砂类土不得少于10天；粉土和粘性土不得少于15天，饱和软粘土不得少于25天。,4.3.4单桩竖向抗压承载力确定,48,试验装置及方法,试验装置：加荷系统：包括加力装置和反力装置、位移观测系统测试方法：分级（开始阶段1/51/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/101/15）慢速维持荷载法。,图4.18静载实验装置,49,直接堆载,锚桩反力梁法,锚桩d=1.8m,横梁：1.7m2.7m,反力装置,50,每级荷载大小分级（初始阶段：每级荷载为1/51/8倍预估破坏荷载，终了阶段1/101/15）。测读沉降时间在每级荷载施加后第一个小时内，按5、15、30、45、60min测读一次，以后每隔30min测读一次，直至沉降稳定为止。稳定标准每级荷载下桩顶沉降量小于0.1mm/h，并连续出现两次。,慢速维持荷载法,51,某级荷载下，桩顶沉降量为前一级荷载下沉降量的5倍；某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重量时。,终止条件,每级卸载为加载时的两倍。卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60min测读桩顶沉降量；卸载至零后测读桩顶残余沉降量，维持3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。,卸载观测,52,试验成果处理极限荷载确定,按沉降随荷载的变化特征确定对陡降型Q-s曲线，取曲线发生明显陡降的起始点所对应的荷载为Qu由沉降量确定Qu对缓变型Q-s曲线，可取s=4060mm对应的荷载值为Qu。大直径桩可取s=0.030.06d对应的荷载值(大桩取低值，小桩取高值)，细长桩(l/d80)可取s=6080mm对应的荷载。沉降速率法s-lgt法取破坏荷载的前一级荷载,图4.19单桩Q-s曲线,53,原理：在桩顶施加动荷载，使桩身产生加速度和土阻尼等效应，通过设置于桩顶的传感器量测此动力响应信号（如位移、速度或加速度），据此分析确定桩身完整性或承载力。高应变法：一般以重锤敲击桩顶，使桩贯入，桩土间产生相对位移，从而分析对桩的外来抗力，可同时测定桩身完整性与承载力。低应变法：施加的荷载远小于桩的使用荷载，不足以使桩产生相对位移，而只通过应力波的反射和传播，主要用以检测桩身砼质量。,按动力试桩法确定,4.3.4单桩竖向抗压承载力确定,54,作用机理：水平荷载(力和弯矩）作用下，桩身产生横向位移或挠曲变形，并挤压桩侧土体，同时桩侧土反作用于桩，产生侧向土抗力，桩土共同作用,破坏模式刚性桩(ah2.5)：桩身刚体转动破坏，承载力主要由桩的水平位移和倾斜控制柔性桩(ah2.5)：桩身发生扰曲变形，破坏时桩身某点弯矩超过截面抵抗矩或土体屈服失稳，承载力由桩身水平位移及最大弯矩值控制,4.4单桩水平承载力,55,b1桩身计算宽度（简化为平面受力）,EI桩身抗弯刚度时，对于钢筋砼桩，取EI0.85EcI0(建工)或0.80EcI0(路桥)，其中Ec为砼的弹模，I0为桩身截面惯性矩.,a为桩的水平变形系数，量纲为L-1h为桩的入土深度，,m地基土横向抗力系数的比例系数(MN/m4)，受桩材和刚度、土类及其性质、荷载作用方式、荷载水平、桩身水平位移等因素影响，对多层地基可取当量m值计算，取层厚2(d+1)m；如无试验资料，m值可参照规范表格,4.4单桩水平承载力,56,多采用线弹性地基反力法。假设x与桩的水平位移x成正比。关键在于确定土体抗力系数沿深度的分布，分为：(a)常数法；(b)k法；(c)m法；(d)c法,4.4单桩水平承载力,57,微分方程的建立,取一基桩微元体，由平衡条件可得挠曲微分方程：采用幂级数求解：,图4.24微元体受力示意图,相关系数可查表确定。,4.4单桩水平承载力,58,单桩水平静载荷试验,试验装置：加荷系统：千斤顶、试桩位移观测：百分表,图4.20单桩水平静载荷试验,4.4单桩水平承载力,59,每级荷载大小约为预估水平极限承载力的（1/10-1/15）。读数方法每级加荷后恒载4min测读桩顶水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，如此循环5次，再施加下一级荷载。终止加载条件桩身折断桩顶水平位移超过3040mm桩侧地表出现明显裂缝或隆起。,试验方法,单桩水平静载荷试验,60,水平极限承载力的确定,两特征点对应的荷载称为临界荷载Hcr和极限荷载Hu,图4.21单桩H0x0/H0曲线,图4.22单桩H0g曲线,61,4.5群桩基础,图4.25群桩效应,4.5.1群桩效应,62,端承型群桩桩的荷载传递桩底持力层刚硬，桩的贯入量小。群桩承载力各单桩承载力之和，不必考虑群桩效应。摩擦型群桩的荷载传递桩顶作用荷载通过侧阻传至桩周土体，并经扩散使桩底压力分布范围比桩身截面大很多。当桩距小于某距离时（一般为6d），桩底应力扩散面积交叉重叠，与原来单桩端应力叠加，使群桩桩底地基所受压力比单桩大，故群桩承载力小于各单桩承载力之和。,4.5.2群桩的荷载传递特性,63,承台下土对荷载的分担作用复合桩基:由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基。条件:桩及桩间土整体下沉，保证承台底不脱空。特性:承台底分担荷载的作用随桩群相对于地基土向下位移幅度的加大而增强，桩身弹性压缩产生桩土相对位移也使承台底反力增加。通常，台底分担荷载的比例可从百分之十几直至百分之三十。,4.5.2群桩的荷载传递特性,64,4.5.3群桩的竖向承载力设计值,JGJ94-94考虑土类别、桩距-桩径比、承台宽-桩长比等因素，通过引进侧阻群桩效应系数、端桩群桩效应系数、侧阻端阻综合群桩效应系数等，从而建立群桩竖向承载力与单桩侧阻、端阻之间的关系式：当由载荷试验确定基桩竖向极限承载力标准值时，侧阻和端阻已同时综合考虑，故基桩的竖向承载力设计值为：,65,要求和浅基础一样，桩基设计也应符合安全、合理和经济的要求。,4.6桩基础设计,基本原则,对桩和承台有足够的强度、刚度和耐久性；对地基（主要是桩端持力层）有足够的承载力和不产生过量的变形。,66,竖向承载力验算软弱下卧层承载力验算竖向抗拔承载力及负摩阻力验算水平承载力验算沉降验算,桩基础验算内容,4.6桩基础设计,67,设计步骤,收集有关资料；确定桩基持力层；选择桩材，确定桩型、外形尺寸和构造；定单桩承载力设计值；初拟桩的数量和平面布置；初拟承台的轮廓尺寸及承台底标高；验算作用于单桩上的竖向和横向荷载；验算承台尺寸及结构强度；必要时验算桩基整体承载力和沉降量，若桩端下有软弱下卧层，验算软弱下卧层地基承载力；单桩设计，绘制桩和承台的结构及施工详图。,4.6桩基础设计,68,4.6.1收集设计资料,包括建筑类型（上部结构型式、平面、使用上要求）、荷载及其性质、工程地质勘察资料、材料来源及施工技术设备、建筑场地条件（如交通、周边建筑物、管线设施）等情况，并尽量了解当地使用桩基的经验。详细勘察除满足现行勘察规范有关要求外，勘探间距和勘探深度还有要求。,69,4.6.2桩型、桩长和截面尺寸选择,桩型选择（在了解各种桩型优缺点基础上）桩长选择：主要取决于桩端持力层的选择。桩端进入持力层的深度据土类别而有所不同。截面尺寸：根据桩型与受荷大小等确定。承台埋深：从结构要求和方便施工的角度选择，平面尺寸根据桩数及构造要求定,70,4.6.3桩数及桩位布置,桩数初估桩数时，先不考虑群桩效应，根据单桩竖向承载力设计值R定桩数n。轴心受压时，可按下式估算：F作用在承台上的竖向压力