土力学与地基基础7.doc

第八节 深基础重点内容:单桩承载力的确定和桩基础设计。一、深基础类型在高大重型的土木建筑工程中,如果浅层的土不能满足建筑物对地基承载力和变形的 要求,为了将很大的集中荷载传递到较深的稳固坚硬土层或岩层上,或因工艺使用要求设 置地下构筑物、较深基坑开挖时作为边坡围护时,可以选择深基础来满足上述需求。 深基础主要有桩基础、沉井基础和地下连续墙等几种类型。大直径墩基础和沉箱基础也是深基础的一种类型,目前已较少采用。深基础与浅基础的区别主要在于施工方法的不同。浅基础只需一般的施工机械、用敞坑开挖即可砌筑;而深基础的施工则需要专门的施工机械和特殊的施工方法,比浅基础的施工要复杂得多,要求也高。而在设计计算方面也有不同之处,例如深基础尚需考虑侧壁的摩阻力,还应验算在各种不同的施工阶段的受力条件等情况。二、桩和桩基础的分类桩基础的作用是将上部结构较大的荷载通过桩穿过软弱土层传递到较深的坚硬土层上,以解决浅基础的地基承载力不足和变形较大的地基问题。桩基础具有承载力高、沉降量小而均匀、沉降速率缓慢等特点。从软土地区工程建设的实践经验来看,当遇到下列情况时,可以考虑选择桩基础的方案:(1)高层重型建筑物。如高层大楼、重型仓库等建筑物作用在地基上的荷载较大,且地基软弱,不能满足地基承载力和变形的要求;或重要的和有纪念性的大型建筑,不容许 地基有过大的沉降和不均匀沉降;(2)工业厂房设有大吨位A6, A7工作级别吊车时;(3)建筑物的地面荷载过大时; (4)高耸建筑物或结构物,不允许出现较大的倾斜,如烟囱、电视塔采用桩基可增加抗水平力和上拔力; (5)大型、精密的机械设备基础,如锻锤、汽轮机等设备由于动力作用,对基础的振动频率和振幅要有一定的限制。(一)按承台位置的高低分1.高桩承台基础一一一承台底面高于地面。 2.低桩承台基础一-承台底面低于地面。(二)按桩的传力方式分1.端承桩上部荷载通过桩身传递到桩端坚硬土层或岩层上。 2.摩擦桩一一一主要是通过桩侧土的摩擦作用,将上部荷载传递扩散于桩周土中,桩端土也起一定的支承作用。(二)按桩材料分1.钢筋混凝土桩:可以预制,如有方型桩,也有预应力高强度管桩;也可以钻孔就地灌注。2.钢桩一一常用的有直径为2501200mm的钢管桩和宽翼工字形钢桩。3.木桩。(四)按桩的挤土效应分1.大量排土桩一一如预制实心方桩,桩端封闭的钢管桩等。2.小量排土桩一一桩端未封闭的钢管桩、预应力管桩。3.不排土桩一一钻、冲、挖成孔,而后就地灌注混凝土桩。成桩过程中,对周围土 没有排土挤压作用。(五)按施工方法分1.预制桩一一一在工厂或施工现场制作,而后用锤击打人、振动沉入、静力压入、水冲送入或旋入等方式沉桩。2.灌注桩一一直接在设计桩位地基上用钻、冲、挖成孔,然后在孔内灌注混凝土。 三、单桩承载力特征值单桩竖向承载力与桩身的材料强度或者与土的支承能力有关。土对桩的支承能力主要反映在桩侧土的摩擦阻力和桩端土的支承力两部分: R =Rf+ Rs (12-8-1 )式中R一一单桩竖向承载力;Rf一一一桩侧土的总摩阻力;Rs一一桩端土的总阻力。(一)规范的经验公式建筑物初步设计时可按下式估算摩擦桩的单桩竖向承载力特征值:RaqpaAp十upqsiali ( 12-8-2)式中Ra一一单桩竖向承载力特征值; qpa、qsia一一桩端端阻力、桩侧阻力特征值,由当地静载荷试验结果统计分析算得; Ap一桩底端横截面面积;up一一桩身周边长度;li一一第i层岩土的厚度。(二)桩的静载荷试验单桩的竖向承载力特征值,应通过现场静载荷试验确定,在同一条件下的试桩数量,不宜少于总桩数的1%,并不应少于3根。试桩时,应测定每根试桩的荷载与沉降关系、每级荷载时的沉降与时间关系,并绘制荷载一沉降(Q一s)曲线和沉降一时间(对数值, s-lgt)曲线。极限承载力的确定:如果Q-s曲线的末段有明显陡降段时,取曲线陡降段起点(称第二拐点)的荷载值;按沉降速率法取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值;当桩顶总沉降量达到40mm后,继续增加二级或二级以上荷载仍无陡降段时,在 Q一s曲线上取桩顶总沉降量5为40mm时的相应荷载值。单桩竖向承载力特征值Ra:将单桩竖向极限承载力Ru除以安全系数为2:RaRu/K=Ru/2 (12-8-3 )(三)原位测试确定单桩承载力特征值。当地基基础设计为丙级的建筑物可采用静力触探及标贯试验参数确定单桩承载力的特 征值。四、群桩中单桩桩顶竖向应力确定1.轴心竖向力作用下 (12-8-4 )偏心竖向力作用下Qik= (12-8-5 )2.水平力作用下 (12-8-6 )式中Fk一一相应于荷载效应标准组合时,作用于桩基承台顶面的竖向力; (12-8-15)式中l为桩长(m) ;I p、Is1 , Is2一一应力影响系数,可用对明德林应力公式进行积分的方式推导得出。 (略) 将公式(12-8-12 )、(12-8-13)、(12-8-15 )代入公式(12-8-11 )得到单压缩分层总和 法沉降计算公式:S (12-8-16)式中竖向荷载准永久组合作用下附加荷载的桩端阻力比和桩基沉降计算经验系数比应根据当地工程实测资料统计确定。六、桩和桩基的构造要求1.摩擦型桩的中心距不宜小于桩身直径的3倍;扩底灌注桩的中心距不宜小于扩底直径的1.5倍,当扩底直径大于2m时,桩端净距不宜小于1m,扩底直径不宜大于桩身直径的3倍。在确定桩距时尚应考虑施工中挤土等效应却邻桩的影响。 2.桩底进入持力层的深度,根据地质条件、荷载及施工工艺确定,宜为桩身直径的 13倍。在确定桩底进入持力层深度时,尚应考虑特殊土、岩溶以及震陷液化等影响。嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最少深度,不宜小于0.5m。3.布置桩位时,宜使桩基承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合。 4.预制桩的混凝土强度等级不应低于C30;灌注桩不应低于C20;预应力桩不应低于 C40。5.桩的主筋应经计算确定。打入式预制桩的最小配筋率不宜小于0.8% ;静压预制桩的最小配筋率不宜小于0.6% ;灌注桩最小配筋率不宜小于0.2% 0.65% (小直径桩取大值)。七、桩基础设计(一)桩基础的设计步骤1.选择桩的类型、长度和截面尺寸;2.确定单桩承载力;3.确定桩的数量和布置;4.桩基中各桩受力验算;5.桩基础的地基承载力和变形验算;6.桩的材料、强度计算,构造要求;7.承台计算。(二)桩基础设计例题1.已知作用到基础顶面处的柱荷载:轴向力Fk = 2850kN,力矩M395.0kNom,剪力H=42kN。基础顶面距离设计地 面0.4m,承台底面埋深d =2.0m。建设场地表层为松散杂填土;以下为灰色动土,厚8.5m;再下为灰黄色粉质教土,未钻穿。土的物理力学性质指标如下表,地下水位在地面以下2.0m。第九节 地基处理重点内容:地基处理方法的作用原理及适用条件。一、地基处理原理当天然地基的强度不足或土的压缩性较大,不能满足建筑物对地基的要求时,就需要 针对不同的情况,对地基进行处理或加固。工程建设中,还常遇到一些特殊的情况需要对地基进行处理,例如地基的事故处理,或因建筑物的加层和扩建而增加了作用在地基上的荷载;在深基坑开挖时,对透水性大的土层处理加固作成不透水的阻水帷幕;防止松砂土地基在地震时的振动液化;消除或部分消除湿陷性黄土的湿陷性或膨胀土的胀缩性等等。对于像由淤泥及淤泥质土、冲填土和杂填土等组成的软弱地基,由于其强度低、压缩 性高、透水性差或均匀性差等特点,在这类地基上往往不能满足建筑物对地基强度和变形的要求,因而常需进行地基处理和加固。地基处理的目的是:改善软弱士的物理力学性能,提高地基土的抗剪强度;降低软弱土的压缩性,减少基础的沉降和不均匀沉降;另外,还可以改善土的透水性,起着防渗、截水作用;改善土的动力特性,防止液化作用。按地基处理的原理,主要有:排水固结法;振密、挤密法;置换及拌入法;灌浆法; 加筋法;以及冷热处理法等。按地基处理的作用机理,大致分为: (1)土质改良; (2)土的置换; (3)土的补强等 三类。土质改良是指用机械(力学)、化学、电、热等手段增加地基土的密度,或使地基 土固结,这一方法是尽可能的利用原有地基。土的置换是将软土层换填为良质土如砂垫层 等。土的补强是采用薄膜、绳网、板桩等约束住地基土,或者在土中放入抗拉强度高的补 强材料形成复合地基以加强和改善地基土的剪切特性。地基处理的方法,根据其作用和原理大致分为六类,如表129-1所示。表中所列各种方法是根据软弱土的特点和所需处理目的而发展起来的,各种方法的具体选用,应从地基条件、处理的指标及范围、工程费用、工程进度及材料来源、当地环境等多方面进行考虑和研究,切忌只要一种方法在某地应用成功,便一概予以肯定,也不考虑其他种种条件便加以采用。地基处理方法分类 表12-9-1序号分类处理方法原理及作用适用范围1碾压及夯实重锤夯实,机械碾压,振动压实,强夯(动力固结)利用压实原理,通过机械碾压穷击,把表层地基土压实;强穷则利用强大的夯击能, 在地基中产生强烈的冲击波和动应力,迫使土动力固结密实适用于碎石士、砂土、粉土、低饱和度的黏性土,杂填土等，对饱和黏性土应慎重采用2换土垫层砂石垫层,素土垫层,灰土垫层,矿碴垫层以砂石、素土、灰土和矿渣等强度较高的材料,置换地基表层软弱土,提高持力层的承载力,扩散应力,减小沉降量适用于处理暗沟、暗塘等软弱土的浅层处理3排水团结天然地基预压,砂井顶屈,塑料排水带预压,真空预压,降水预压在地基中增设竖向排水体,加速地基的固结和强度增长,提高地基的稳定性;加速沉降发展,使基础沉降提前完成适用于处理饱和软弱土层,对于渗透性极低 的泥炭土,必须慎重对待4振密挤密振冲挤密,灰土挤密桩,砂桩,石灰桩,爆破挤密采用一定的技术措施,通过振动或挤密使土体的孔隙减少,强度提高;必要时,在振动挤密过程中,回填砂、砾石、灰土、素土等,与地基土组成复合地基,从而提高地基的承载力,减少沉降量适用于处理松砂、粉土、杂填土及湿陷性黄土5置换及拌入振冲置换，深层搅拌,高压喷射注浆, 石灰桩等采用专门的技术措施,以砂、碎石等置换软弱土地基中的部分软弱土,或在部分软弱土地基中掺入水泥、石灰或砂浆等形成加固体,与未处理部分土组成复合地基,从而提高地基承载力,减少沉降量黏性土、冲填土、粉砂、细砂等。振冲置换,法对于不排水剪强度Cu 20kPa时慎用6加筋土工聚合物加筋, 锚固,树根桩, 加筋土在地基或土体中埋设强度较大的土工聚合物、钢片等加筋材料,使地基或士体能承受抗拉力,防止断裂,保持整体性,提高刚度,改变地基土体的应力场和应变场,从而提高地基的承载力,改善变形特性软弱土地基、填土及陡坡填土、砂土二、地基处理方法(一)碾压法及穷实法软弱土在适当的含水量时,经过碾压或奔击后,可以降低土的压缩性,提高承载能力。目前通常采用的机械碾压、振动压实和重锤穷实等方法,它除了应用于整平基坑或对填土分层穷实外,还应用于处理杂填土和地基表层的松散土。当前出现的强穷法,其夯击技术突破了原来的压实原理,已在工程实践中取得较好的效果。1.机械碾压法采用压路机、推土机、羊足碾或其他压实机械来压实松软土,常用于大面积填土的压 实和杂填土地基的处理。处理杂填土地基时,应首先将建筑物范围内一定深度的杂填土挖除,然后先在基坑底部碾压,再将原土分层回填碾压,还可在原土中掺入部分砂或碎石等粗细骨料。黏性土的 碾压,一般用8 l0t的平碾或12t的羊足碾,每层铺土厚度约为2030cm,碾压812遍。碾压的效果主要取决于压实能量和被压实土的含水量。压实能量愈大,最佳含水量也 随之增大,压实影响深度也增大。2.振动压实法振动压实法可用于处理砂土地基和黏性土含水量较少、透水性较好的松散杂填土地 基。用该法处理由炉灰、炉碴、碎砖等组成的杂填土地基,效果良好。 振动机械由电动机带动两个偏心块而产生很大的垂直振动力(510t)。其振动压实 效果与填土的成分、振动的时间等因素有关,一般振动时间较长,效果越好,但振动超过 一定时间后,就不能起到进一步的压实效果。因此在施工前应进行试振,测出振动稳定下 沉量与时间的关系。例如,对于主要由炉碴、碎砖瓦组成的建筑垃圾,其振动时间约在1 分钟以上;对于含炉灰等细颗粒填土,振动时间约为35分钟,有效振实深度约为 1.21.5m。3.重锤夯实夯锤一般采用截头圆锥体,底直径1 1.5m,重量为1.53t,落距2.54.5m。经夯击以后,地基表面形成一层比较密实的硬壳层,从而提高地基表层土的强度。稍湿的一般黏性土、砂土、湿陷性黄土和杂填土等软弱地基。对于湿陷性黄土可减少表层土的湿陷 性;对于杂填土则可减少其不均匀性。4.强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土以及黏性土、湿陷性黄土、杂填土、素填 土等地基。夯锤重在1025t (最重达200t) ,落距820m (最高达40m)。在夯击过程中,由于巨大的夯击能和冲击波,土体中因含有许多可压缩的微气泡而立 即产生几十厘米的沉降;土体局部产生液化后,结构破坏,强度下降到最小值;随后在夯击点周围出现径向裂缝,成为加速孔隙水压力消散的主要通道;黏性土具有的触变性,使 降低了的强度得到恢复和增强。对饱和黏性土和粉士采用强夯法应慎重,通过现场试验确定其适用性。 强夯法设计包括有效加固深度的选择、单位夯击能、夯击遍数、夯点的夯击次数等, 通过现场试夯予以调整。(二)换垫法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处 理。垫层材料可以是砂石、素土、灰土以及工业废渣等。砂垫层是较为常用的换土垫层。砂垫层具有提高地基承载力、减少基础沉降量、加速 软弱土层的排水固结以及防止冻胀、消除膨胀土地基的胀缩等作用。 1.砂垫层的设计厚度:用一定厚度的砂垫层置换软弱土层后,上部荷载通过砂垫层按一定扩散角传递 在下卧土层顶面上的全部压力(包括自重压力和附加压力)不应超过下卧土层的地基承载力。砂垫层的厚度一般不宜大于3m,太厚施工较困难,太薄0.5m)时其作用不 显著。宽度:砂垫层的宽度,一方面要满足应力扩散的要求;另一方面应防止侧面土的挤出。扩散角=20030。承载力:垫层的承载力宜通过现场试验确定。由中、粗、砾砂组成的垫层,其承载力 特征值可达150200kPa。2.砂垫层的施工垫层材料必须具有良好的压实性。宜采用中砂、粗砂、砾砂、碎(卵)石、石屑或其 他性能稳定的工业废粒料。在地下水位以下施工时,应采取排水或降低地下水位的措施,使基坑保持元积水 状态。砂垫层施工的关键是将砂石材料振压加密到设计要求的密实度。施工方法有振动法、 水撼法、夯实法、碾压法等多种,可根据砂石材料、地质条件、施工设备等条件选用。表 12-9-2为砂和砂石垫层的施工方法供参考。砂和砂石垫层施工方法、每层铺筑厚度、最佳含水量表12-9-2项次捣实方法每层铺筑厚度（cm）施工时间最佳含水量( %)施工说明备注1平振法20251520用平振式振捣器往复振捣不宜使用细砂或含泥量较大的砂2插振法振捣器插入深度饱和1.用插入式振捣器；2.插入间距可根据机械振幅大小决定 ；3.不应插至下卧黏土层 ；4.插入振捣完毕后,所留的孔洞,应用砂填实不宜使用细砂或含泥量较大的砂3水撼法25饱和1注水高度应超过每次铺筑面层；2.用钢叉摇撼捣实,插入点问距为10cm；3.钢叉分四齿,齿的间距8cm,长30cm, 木炳长90cm温陷性黄土、膨胀土地区不得使用4夯实法15208 121.用木夯或机械夯；2.木夯重40吨,落距40-50cm；3.一夯压半开全面夯实5碾压法25358-126-10t压路机往复碾压1.适用于大面积砂垫层；2.不宜用于地下水位以下的砂垫层3.砂垫层的质量检验每铺垫一层砂垫层,都应检验其施工质量,合格后方可铺筑上一层垫层。 质量检验可用环刀取样法和贯入测定法。环刀取样法:在捣实后的垫层中用容积不小于200cm3的环刀取样,测定其干重度, 以不小于该砂料在中密状态时的干容重数值为合格。贯入测定法:用贯入仪、钢筋或钢叉等以贯入度大小检查砂垫层质量时,预先进行干 重度测定和贯入度对比试验,检查测定的贯入度如小于试验所确定的贯入度为合格。 (三)排水固结法饱和软土在荷载作用下,随着孔隙水缓慢排出,土层逐渐固结,其抗剪强度得到相应 提高。为了加速饱和软土地基的固结,缩短预压时间,提高预压效果,从设法改善厚层软 土的排水条件出发,例如在软土层中按一定间距设置井孔,并灌入透水性良好的砂作为排 水孔,即形成所谓砂井,然后进行堆载预压,称为砂井堆载预压,则排水效果尤为显著。 其他方法还有降水预压、真空预压等。排水材料也有采用纸板排水或塑料芯板加元纺纤维