ch4(1-4)桩基础.ppt

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 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桩基础概述 4 1 1基本概念 单桩基础 群桩基础 承台 基桩 上部结构荷载 4 1 1基本概念 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桩基础应用 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 250 800mm 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 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 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 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 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 混凝土预制桩要求 截面边长300 500mm 分节长度 12m 预应力管桩外径300 600mm 每节长5 13m 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250 1200mm 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160 260mm 桩长4 6m 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 4 1 2桩基的分类 预制管桩 挖土机挖承台坑 打入第一节桩体 电焊接桩 打入末节桩体 锤击预制桩 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 沉管灌注桩 灌注桩的施工 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 灌注桩的施工 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 灌注桩的施工 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 1 1 15 粘度10 25s 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 灌注桩的施工 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 灌注桩的施工 基本要求 内径 800mm 开挖直径 1000mm 护壁厚 100mm分节支护 每节高500 1000mm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 人工挖孔桩 人工挖孔桩 4 1 3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 4 1 4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 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 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 1 4桩基设计原则 Q Qs Qp 式中 Qs Asqs LpupqsQp Apqp 作用在桩顶的竖向压力 桩侧总摩阻力 桩端总端阻力 讨论 Qs Qp发挥作用的先后 大小 4 2竖向荷载下单桩的工作性能 4 2 1桩的荷载传递过程 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 4 6mm 砂土 6 10mm 端阻充分发挥桩底极限位移值 砂类土 0 08 0 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 图4 11桩身荷载传递 a 摩擦桩 b 端承桩 4 2 2桩的荷载传递规律 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 2 2桩的荷载传递规律 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 2 3单桩的破坏模式 定义 桩周土相对于桩身下沉时产生的摩阻力 4 2 4桩侧负摩阻力 图4 15桩侧摩阻力示意图 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 2 4桩侧负摩阻力 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 4 3单桩竖向抗压承载力确定 单桩承载力决定条件 在荷载作用下 桩在地基土中不丧失稳定性 在荷载作用下 桩顶不产生过大的位移 地基承载力是主控因素 在荷载作用下 桩身材料不发生破坏 端承桩控制因素 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按动力试桩法确定 4 3单桩竖向抗压承载力确定 4 3 1按桩材强度确定 4 3单桩竖向抗压承载力确定 按 混凝土结构设计规范 各参数意义见式 4 11 P109 4 3 2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单桩竖向抗压承载力确定 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 5 1 8倍预估破坏荷载 终了阶段1 10 1 15 慢速维持荷载法 图4 18静载实验装置 4 3 2由竖向抗压静载试验确定 直接堆载 锚桩反力梁法 锚桩d 1 8m 横梁 1 7m 2 7m 反力装置 4 3 2由竖向抗压静载试验确定 每级荷载大小分级 初始阶段 每级荷载为1 5 1 8倍预估破坏荷载 终了阶段1 10 1 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 4 3 2由竖向抗压静载试验确定 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 4 3 2由竖向抗压静载试验确定 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 40 60mm对应的荷载值为Qu 大直径桩可取s 0 03 0 06d对应的荷载值 大桩取低值 小桩取高值 细长桩 l d 80 可取s 60 80mm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 4 3 2由竖向抗压静载试验确定 一般预制桩与中小直径灌注桩 大直径桩 800mm为界 4 3 5按经验公式确定单桩承载力 式中参数取值见表4 6 4 7 P114 116 4 3 8单桩竖向承载力特征值 1 单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定 试桩数 1 总数 且 3根 2 地基基础设计为丙级的建筑物 单桩承载力特征值可由静力触探和标准贯入试验参数确定 3 初步设计时 可按公式估算 地基 规范单桩承载力特征值Ra相关规定 桩基 规范 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 ah 2 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 ah 2 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 b1 桩身计算宽度 简化为平面受力 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 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 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 单桩