基础工程 第三章.ppt

1 第8章桩基础 第1节概述第2节桩的分类第3节单桩轴向荷载的传递第4节单桩竖向承载力的确定第5节桩基础设计 2 第1节概述 如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求 而又不宜采取地基处理措施时 就需要考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深基础方案 桩基础是应用最为广泛的一类深基础 3 桩基础 是由基桩和连接于桩顶的承台共同组成 承台把桩联结起来并承受上部结构的荷载 然后通过桩传递到地基中去 桩是垂直或微斜埋置于土中的受力杆件 它的横截面尺寸比长度小得多 其作用是将上部结构的荷载传递给土层或岩层 4 桩基础设计也应注意满足地基承载力和变形这两项基本要求 按行业标准 建筑桩基技术规范 JGJ94 94 建筑桩基设计与建筑结构设计一样 应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 桩基的极限状态分为下列两类 5 1 承载能力极限状态对应于桩基受荷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变形达到为保证建筑物正常使用所规定的限值或桩基达到耐久性要求的某项限值 6 第2节桩的分类 一 按桩的使用功能分类1 竖向抗压桩主要承受竖向下压荷载 简称竖向荷载 的桩 应进行竖向承载力计算 必要时还需计算桩基沉降 验算软弱下卧层的承载力以及负摩阻力产生的下拉荷载 7 2 竖向抗拔桩主要承受竖向上拔荷载的桩 应进行桩身强度和抗裂计算以及抗拔承载力验算 3 水平受荷桩主要承受水平荷载的桩 应进行桩身强度和抗裂验算以及水平承载力和位移验算 8 4 复合受荷桩承受竖向 水平荷载均较大的桩 应按竖向抗压 或抗拔 桩及水平受荷桩的要求进行验算 9 二 按桩承载性能分类1 摩擦桩当软土层很厚 桩端达不到坚硬土层或岩层上时 则桩顶的极限荷载主要靠桩身与周围土层之间的摩擦力来支承 桩尖处土层反力很小 可忽略不计 10 2 端承桩桩穿过软弱土层 桩端支承在坚硬土层或岩层上时 则桩顶极限荷载主要靠桩尖处坚硬岩土层提供的反力来支承 桩侧摩擦力很小 可以忽略不计 3 摩擦端承桩桩顶的极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担 但主要由桩端阻力承受 11 4 端承摩擦桩桩顶的极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担 但主要由桩侧阻力承受 三 按桩身材料分类可分为木桩 混凝土桩 钢桩 组合桩等 12 四 按设置效应分类1 非挤土桩包括干作业挖孔桩 泥浆护壁钻 冲 孔桩 套管护壁灌注桩等 这类在成桩过程中基本对桩相邻土不产生挤土效应的桩 称为非挤土桩 其设备噪音较挤土桩小 而废泥浆 弃土运输等可能会对周围环境造成影响 13 2 部分挤土桩当挤土桩无法施工时 可采用预钻小孔后打较大尺寸预制或灌注桩的施工方法 也可打入敞口桩 3 挤土桩挤土桩除施工噪音较大外 不存在泥浆及弃土污染问题 当施工质量好 方法得当时 其单方混凝土材料所提供的承载力较非挤土桩及部分挤土桩高 14 五 按桩径大小分类1 小桩桩径d 250mm 由于桩径小 施工机械 施工场地及施工方法一般较为简单 小桩多用于基础加固 树根桩或锚杆静压桩 及复合桩基础 2 中等直径桩250mm d 800mm 这类桩长期以来在工业与民用建筑物中大量使用 成桩方法和工艺繁多 15 3 大直径桩桩径d 800mm 近年来的发展较快 应用范围逐渐增大 因为桩径大且桩端还可以扩大 因此 单桩承载力较高 此类桩除大直径钢管桩外 多数为钻 冲 挖孔灌注桩 通常用于高层或重型建 构 筑物的基础 并可实现柱下单桩的结构型式 正因为如此 也决定了大直径桩施工质量的重要性 16 第3节单桩轴向荷载的传递 孤立的一根桩称为单桩 群桩中性能不受邻桩影响的一根桩可视为单桩 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具有一定的指导意义 17 一 单桩轴向荷载的传递1 桩身轴力和截面位移在轴向荷载作用下 桩身将发生压缩变形 同时桩顶部分荷载通过桩身传递到桩底 致使桩底土层发生压缩变形 这两部分压缩变形之和构成桩顶轴向位移 由于桩与桩周土体的紧密接触 当桩相对于土向下位移时 桩侧表面受到土向上的摩阻力 18 在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 故桩身截面的轴向力随深度逐渐减小 传至桩底截面的轴向力为桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力 并与桩底支承反力 即桩端阻力 大小相等 方向相反 桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体 即土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成 19 由桩底土层的压缩变形导致的桩端位移加大了由于桩身的压缩变形引起的桩身各截面的位移 并促使桩侧摩阻力进一步发挥 一般来说 靠近桩身上部土层的摩阻力先于下部土层发挥出来 桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来 单桩在轴向荷载作用下 桩身的截面位移 桩侧的摩阻力分布以及轴力分布见下图 20 21 二 桩侧摩阻力和桩端阻力桩侧摩阻力是桩截面对桩周土的相对位移的函数 qs f s 可用下图中的曲线OCD表示 且常简化为折线OAB AB段表示一旦桩土界面相对滑移超过某一极限值 侧摩阻力将保持极限值不变 22 桩截面位移 桩侧摩阻力 O C D A B 23 极限摩阻力可用类似于土的抗剪强度的库伦表达式 式中ca和 a为桩侧表面与土之间的附着力和摩擦角 x为深度z处作用于桩侧表面的法向压力 它与桩侧土的竖向有效应力成正比例 即 24 式中Ks为桩侧土的侧压力系数 对挤土桩 K0 Ks Kp 对非挤土桩 因桩孔中土被清除 而使Ka Ks K0 此处 Ka K0和Kp分别为主动 静止和被动土压力系数 采用上述公式计算深度z处的单位侧阻时 如取 25 则侧阻将随深度线性增大 然而砂土中的模型桩试验表明 当桩入土深度达到某一临界值后 侧阻就不随深度增加了 这个现象称为侧阻的深度效应 综上所述 桩侧极限摩阻力与所在的深度 土的类别和性质 成桩方法等许多因素有关 26 但是 桩侧摩阻力达到极限值所需的桩土滑移极限值则与土的类别有关 而与桩径大小无关 根据试验资料约为4 6mm 对粘性土 或6 10mm 对砂类土 27 单桩受荷过程中桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力 而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移值大的多 根据小型桩试验所得的桩底极限位移值 对砂类土约为d 12 d 10 对粘性土约为d 10 d 4 d为桩径 因此 对工作状态下的单桩 其桩端阻力的安全储备一般大于桩侧摩阻力的安全储备 28 单桩静载荷试验所得的荷载 沉降 Q s 关系曲线可大体分为陡降型 A 和缓变型 B 两类形态 29 单桩的荷载 沉降曲线 30 对桩底持力层不坚实 桩径不大 破坏时桩端刺入持力层的桩 其曲线多呈 急进破坏 的陡降型 相应于破坏时的特征点明显 据之可确定单桩极限承载力 对桩底为非密实砂类土或粉土 清孔不净残留虚土 桩底面积大 桩底塑性区 31 随荷载增长逐渐扩展的桩 则呈 渐进破坏 的缓变型 其曲线不具有表示变形性质突变的明显特征点 因而较难确定极限承载力 为了发挥这类桩的潜力 其极限承载力宜按建筑物所能承受的最大沉降确定 换句话说 这类桩的承载力极限状态是受 不适于继续承载的变形 制约的 32 第4节单桩竖向承载力的确定 单桩极限承载力Qu由总极限侧阻力Qsu和总极限端阻力Qpu组成 若忽略二者间的相互影响 可表示为 33 式中li Ui 桩周第i层土厚度和相应的桩身周长 Ap 桩底面积 qsui qpu 第i层土的极限侧阻力和持力层极限端阻力 Qu qsui qpu的确定通常采用下列几种方法 34 一 原型试验法原型静载荷试验是传统的也是最可靠的确定承载力的方法 它不仅可确定桩的极限承载力 而且通过埋设各类测试元件可获得桩身轴力 桩侧阻力 桩端阻力 荷载 沉降关系等诸多资料 35 由于土体因打桩扰动而降低的强度有待随时间而恢复 在桩身强度达到设计要求的前提下 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 36 在同一条件下 进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的1 工程桩总桩数在50根以内时不应少于2根 其他情况不应少于3根 关于单桩竖向静载 抗压 试验的方法 终止加载条件以及单桩竖向承载力标准值的确定详见 建筑桩基技术规范 JGJ94 94 37 二 静力学计算法根据桩侧阻力 桩端阻力的破坏机理 按静力学原理 分别对桩侧阻力和桩端阻力进行计算 由于计算模式 强度参数实际的某些差异 计算结果的可靠性受到限制 往往只用于一般工程或重要工程的初步设计阶段 或与其他方法综合比较来确定承载力 38 三 原位测试法对地基土进行原位测试 利用桩的静载荷试验与原位测试参数间的关系 确定桩的侧阻力和端阻力 常用的原位测试法有静力触探法 CPT 标准贯入试验法 SPT 旁压试验法 PMT 39 第5节桩基础设计 和浅基础一样 桩基的设计也应符合安全 合理和经济的要求 对桩和承台来说 应有足够的强度 刚度和耐久性 对地基来说 要有足够的承载力和不产生过量的变形 40 一 基本设计资料设计桩基之前必须具备各种资料 建筑物类型及其规模 岩土工程勘察报告 施工机具和技术条件 环境条件及当地桩基工程经验 勘察报告应符合勘察规范的一般规定和桩基工程的专门勘察要求 41 二 桩型 截面和桩长的选择桩基设计的第一步就是根据结构类型及层数 荷载情况 地层条件和施工能力 选择桩型 预制桩或灌注桩 桩的截面尺寸和长度 确定桩长的关键 在于选择桩端持力层 坚实土 岩 层 可用触探试验或其它指标作为坚实土层的鉴别标准 最适宜作为桩端持力层 42 对于10层以下的房屋 如在桩端可达的深度内无坚实土层时 也可选择中等强度的土层作为持力层 对于桩端进入坚实土层的深度和桩端下坚实土层的厚度 应该有所要求 一般可以这样考虑 1 对粘性土 粉土进入的深度不宜小于2倍桩径 砂类土不宜小于1 5倍桩径 43 2 对碎石类土不宜小于1倍桩径 3 桩端以下坚实土层的厚度 一般不宜小于4倍桩径 穿越软弱土层而支撑在倾斜岩层面上的桩 当风化层厚度小于2倍桩径时 桩端应进入新鲜或微风化基岩 端承桩嵌入微风化或中等风化岩体的深度不宜小于0 5m 以确保桩端与岩体接触 44 嵌岩桩或端承桩桩底下3倍桩径范围内应无软弱夹层 断裂带 洞穴 和空隙的分布 在确定桩长之后 施工时桩的设置深度必须满足设计要求 如果土层比较均匀 坚实土层层面比较平坦 那么桩的实际长度常与设计桩长比较接近 当场地土层复杂 或者桩端持力层层面起伏不平时 桩的实际长度常与设计桩长不一致 45 打入桩的入土深度应按所设计的桩端标高和最后贯入度两方面控制 最后贯入度是指打桩结束以前每次锤击的沉入量 通常以最后每阵 10击 的平均贯入量表示 一般要求最后二 三阵的平均贯入量为10 30mm 阵 锤重 桩长者取大值 质量为7t以上的单动蒸汽锤 柴油锤可增至30 50mm 阵 振动沉桩者 可用1min作为一阵 46 在确定桩的类型和几何尺寸后 应初步确定承台底面标高 一般情况下 主要从结构要求和方便施工的角度来选择承台深度 季节性冻土上的承台埋深 应根据地基土的冻胀性考虑 并应考虑是否需要采取相应的防冻害措施 膨胀土的承台 其埋深选择与此类似 47 三 桩的根数和布置1 桩的根数初步估计桩数时 先不考虑群桩效应 在确定了单桩承载力设计值R后 可对桩数进行估算 当桩基为轴心受压时 桩数n应满足下式要求 48 式中F 作用在承台上的轴向压力设计值 G 承台及其上方填土的重力 偏心受压时 对于偏心距固定的桩基 如果桩的布置使得群桩横截面的重心与荷载合力作用点重合 则仍可按上式估算桩数 否则 桩的根数应按上式确定的增加10 20 49 对桩数超过3根的非端承群桩基础 在求得基桩承载力设计值后应重新估算桩数 如有必要 还要通过桩基软弱下卧层承载力和桩基沉降验算才能最终确定 50 应当指出 在层厚较大的高灵敏度流塑粘性土 如我国东南沿海的淤泥 淤泥质土 中 不宜采用间距小而桩数多的打入式桩基 否则 对这类土的结构破坏严重 致使土体强度明显降低 如果加上相邻各桩的相互影响 这类桩基的沉降和不均匀沉降都将显著增加 这时宜采用承载力高而桩数较少的桩基 51 2 桩的间距桩的间距 中心距 一般采用3 4倍桩径 间距太大会增加