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如何在勘察报告中进行桩基承载力计算和内力分析总第122期 2006年第6期 西部探矿工程 WEST一(:HINAEXPL0RAT10NENGINEERING 文章编号:1()()457l6(2006)O6一()()4lO4中图分类号:TU473.12文献标识码:B 如何在勘察报告中进行桩基承载力计算和内力分析 张福林,何珊儒,田新 (广东省惠州地质工程勘察院,广东惠州516000) 摘要:在对CSPC-NPP项目场地采用的各种桩基类型的分析计算过程中,总结分析了桩基础各种承载力的计算方 法,单桩最终沉降量的计算方法和桩身内力分析方法,所采用的计算公式简单易学,容易手工操作计算. 关键词:CSPC-NPP桩基础;承载力;沉降计算;内力分析 中海壳牌南海石化项目(CSPC-NPP)场地位于广东省惠州 市大亚湾经济开发区,是迄今为止最大的中外合资项目,其场址 位于广东省惠州市大亚湾经济开发区,项目占地总面积约 4.5km0;由于该场地建成后为大型石化企业,场地上将建造大量 不同用途的建筑群,且多为高重建(构)筑物,大部分建(构)筑物 采用桩基础,设计采用了许多不同规格和施工类型的桩基础,业 主要求我们在勘察报告中必须提供各种类型和规格的桩基础初 步设计参数和承载力值,必须提供计算原理和过程,这在国内尚 属首次,由于许多岩土设计软件对初步设计计算的软件不十分 完善,给桩基础的分析计算带来许多不便,我们在充分理解业主, 设计意图和国内外规程/规范的基础上,对场地内采用的不同桩 型进行了各种承载力,最终沉降量,桩身内力的估算,满足了业主 的要求,顺利地提交了基础研究报告,获得了业主的好评. 1场地内建(构)筑物拟采用的桩型和桩身强度 根据业主和设计要求,本场地内根据建(构)筑物的不同用途 和荷载特征,采用了冲(钻)孔水下混凝土灌注桩,预制方桩,H一 钢桩等多种桩型,而不同的桩型和施工方法成孔成桩的桩基础 其承载力的分析计算是不同的;本场地设计的桩型和桩身必须 满足的强度如下: (1)250mm混凝土预制方桩,桩身结构强度825kN; (2)350mm混凝土预制方桩,桩身结构强度1617kN; (3)400mm预制混凝土管桩,管壁厚80mm,桩身结构强度 1440kN (4)500mm预制混凝土管桩,管壁厚90mm,桩身结构强度 1693kN (5)305mm305mm,桩质量110kg/m的H一钢桩,桩身结 构强度1758kN;? (6)356mmX368mm,桩质量174kg/m的H一钢桩,桩身结 构强度2774kN; (7)600mm?昆凝土灌注桩,桩身结构强度2613kN; (8)900mm昆凝土灌注桩,桩身结构强度5878N; (9)1200mm混凝土灌注桩,桩身结构强度10450N. 2单桩竖向承载力的计算 2.1冲(钻)孔桩 根据有关规范规定,初步设计时,冲(钻)孔成孔成桩的桩基 础单桩竖向承载力采用如下计算公式; 摩擦桩:RkqbAp+U(q.li) 端承桩:RkqbA. 之间互相搭接,形成一道止水帷幕.要求桩长入基坑底2.0m以 上,防止水从基坑底部涌出.成孔采用XU一100型钻机,成好孔 后,用Bw一15O型压浆泵压入水灰比0.5的水泥浆,其中紧挨地 下连续墙的2个钻孔采用封孔压浆的方式注浆,其余孔采用敞口 式注浆;桩施工采用跳打法施工.同时为检测止水效果,待帷幕 形成后,在帷幕内施工一个76mm的水位观测孔.先抽水降低 其水位,观测其水位恢复的很慢,反映止水帷幕的效果良好. (3)坑内化学注浆的处理:按从上到下的顺序,分批分层移走 砂袋,拿走一层砂袋,即处理一层.首先在裂缝处凿一道15cm深 的”,形槽,清洗干净,然后用速效堵漏剂和水泥按1t1比例搅拌 均匀,填进凿好的沟槽内,并间隔10crn埋好注浆嘴形成”水漏”. 按照上述方法处理至基坑底部后,即开始从下到上的顺序进行注 浆(氢凝),该浆液有可灌性好,遇水膨化固结的特性,将前期预埋 的”水漏”按”从点到线”的形式逐个封堵,从而达到止水效果. 4效果及评价 采用双液注浆,坑外施工止水帷幕,坑内化学注浆的综合处 理方法,该工程施工仅7d就全部完成,当基坑内侧施工时,地下 连续墙墙顶位移已经稳定,堵漏效果良好.所以当基坑开挖后渗 漏水较大,采用一种堵漏处理方法难以达到要求时,就需要考虑 采用多种堵漏方法,从而达到较好的效果.地下连续墙接头缝渗 漏水采用双液注浆,坑外施工止水帷幕,坑内化学注浆的综合处 理方法,具有施工工艺,机具简单,材料易备,操作简便,施工速度 快,投资少的优点,值得推广. 参考文献: 1札鲁鸿,张崇瑞,何修仁,熊厚会.地下建筑注浆工程简叫手册M. 科学fJ版社. 2nf.书麟,韩杰,叶舰宝,地肚处理与托换技术M.巾建筑工业出 版杜, 3陈仲颐,叶书麟.基础【程学M.中国建筑_【_业H版礼. 42 西部探矿j二程Jun.2006 No.6 式中:Rk桩竖向承载力,kN; qb一一桩端土端阻力,kPa 桩侧土摩阻力,kPa; u桩周长,m; A.一桩截面积,ill; 1.一桩侧土层厚度,rn. 2.2嵌岩灌注桩 嵌岩灌注桩(桩端置于中风化以上岩体中)单桩竖向承载力 初步设计时采用如下公式计算: Rfr(C1A+Uph) 式中:R桩竖向承载力,kN; f岩石天然单轴极限抗压强度,kPa; . A.桩截面积,nl; Hp”一桩周长,m; h_J一桩嵌岩深度,m; C,c2一一桩底岩体完整系数及清底系数(按表1取值). 表1Cl.C2系数表 说明:(1)对于钻(冲)孔桩上袁相应析减2o%(C1”-0.2);(2)对于嵌入岩 体深度h<0.5m,c2一O. 2.3预预制桩 预制桩(含方桩,预应力管桩)初步设计时,单桩竖向承载力 采用下式计算: Rk一100NApa+UpL 式中:Rk一一预制桩的轴向承载力,kN; N桩端土标准贯入锤击数(强风化岩取SPTN>50,当N >6O,取60); A.桩截面积,m.; U一一桩周长,m; Li桩周岩土层厚度,m; 桩侧摩阻力,kPa,强风化以上岩石取150kPa 一 桩截面修正系数(桩径500nml,n一1.0,桩径 500mm,a=0.9,方桩换算成圆形桩,D一1.13b,b为桩宽度). 2.4单桩竖向抗拔力 初步设计时,单桩竖向抗拔承载力采用如下公式计算: RTwp+(UpqL.)/F 式中:R一桩容许抗拔承载力,kN; W.一桩身自重,kN; F安全系数. 2.5单桩水平承载力 初步设计时,单桩的水平承载力估算由下式确定: Rx0 V 式中;单桩的水平承载力,kN; El桩柔性的刚度,E10.85E乙(E为混凝土弹性模量, L】为桩的截面惯性矩; 一一 桩顶允许水平变位,ITlm. v桩顶变由系数,由查规范表5.4.2确定; n一桩的水平变位系数,I/m,由下式确定: /n1 “一lV百 式中:m_-桩周土的水平比例系数,MN/m4; b.桩的计算宽度方桩,blm,b0一1.5b+O.5;圆桩,b. 一0.9(1.5d+0.5) 2.6桩身结构强度计算和安全系数的取值 (1)初步设计时,单桩桩身结构强度按如下条件确定: 预制混凝土方桩,按混凝土抗压强度f一40MPa,桩身结 构强度一O.33fA.; 预制混凝土管桩,按混凝土抗压强度f.一60MPa,并施加 fpe一7MPa的预应力,桩身强度一(o.33一0.27fpc)Ap; H一钢桩,屈服强度fy一250MPa,桩身强度一O.50f; 钻(冲)孔灌注桩,按混凝土抗压强度f一28MPa,桩身强 度一0.33fAp. (2)桩身承载力的安全系数取值: 对于竖向荷载,极限端阻力安全系数Fs:3.0,极限侧阻 力安全系数Fs一2.0; 竖向抗拔力,侧阻力安全系数Fs一2.0; 对于水平承载力,计算采用桩顶自由和桩顶嵌固两种形式,桩 顶允许位移分别为12.5rnm和25ram,安全系数取Fs一1.5. 2.7桩基础初步设计时场地设计 场地计:算时作了如下假设: (1)场地有统一的地下水自由潜水面; (2)场地表层不良软弱,松散土层均被挖除,并用级配良好砂 回填至设计标高; (3)承受水平承载力的混凝土预制桩,桩端均嵌入强风化岩 层(或标贯击数大于3O击的土层)1.00m以上; (4)钢桩及钻孔灌注桩嵌入中风化以上岩体至少0.50m; (5)所有计算均是基于单桩承载力计算; (6)桩下拉荷载或负摩阻力的给定为场地内建筑物桩基础可 能承受的最大下拉荷载; (7)场地内的填土按将产生负摩阻力考虑; (8)水平承载力分析时桩顶轴向荷载按下拉荷载,负摩阻力 及桩项轴力之和考虑; (9)水平承载力分析时,桩的弹性模量:H一钢桩E一 200000MPa,混凝土灌注桩:E一30000MPa,预制桩E= 36500MPa; (1O)H一钢桩的水平承载力分析时,取单桩竖向荷载为低值. 2.8场地岩土层分布和参数的取值 场地的岩土参数均取不排水不固结三轴压缩试验(UU) 强度,岩土层的侧阻力取2倍内聚力值,砂类土侧阻力值取 上覆自重应力乘以岩_十层摩擦系数值,场地内各岩土层参数 取值见表2. 2006生 第6期张福林,何珊儒,田新:如何在勘察报告中进行桩基承载力计算和内力分析 43 表2岩土层参数一览表 素填土密文级配良好的砂 软塑状粘土 松散状级不鼹砂 r叮塑状粉质枯土 2中密状粉土 坚硬状含卵石粉质牯土 5密实状圆砾 s软一1J塑状粉质牯土 可塑状残积粉质粘土 2坚硬状残积粉质粘土 强风化岩 z中风化岩 3微风化岩 o32 lO0 o30 25o o32 looo O35 50o 50o l50o 容允端力:3000kPa 容许粘结力:300kPa 容允端阻力:5000kPa 容许粘结力:500kPa 容允端阻力:75O0kPa 容许牯结力;750kPa 2.9初步设计时单桩竖向承载力计算 根据以上承载力计算公式和表2提供的岩土参数,初步设计 时单桩的各种承载力计算结果如表3所示. 衰3单桩初步设计承载力计算成果表 注:(1)表明桩进入强风化岩以上l_oorn;(2)桩身强度可满足上面陈述要求;(3)桩 顶大变位桩嵌固于中风化岩体中;(4)桩顶小变位桩嵌固于强风化岩体中 3单桩的最终沉降量计算 国家标准建筑地基基础设计规(GPA0072002)(以下简 称”地基规范”)之附录R有关桩基的沉降计算与行业标准建筑 桩基技术规范(JGJ9494)(以下得称”桩基规范”)有明显的不 同;”桩基规范”仅介绍了群桩基础的沉降,采用假想实体基础用 等效分层总和法进行计算,并加入了桩基的等效沉降系数,计算 复杂,繁锁,易于出错;而”地基规范”附录R介绍了三种计算桩 基最终沉降量的计算方法,其中第一,第二种与”地基规范”规定 的一般基础的计算沉降方法相同,不考虑桩材(基础)的材料性 能,与实测沉降量差异较大,而”地基规范”附录R之R.O4介绍 的采用明德林应力解进行单桩沉降计算,虽考虑了桩材性能,准 确性吐三较高,但计算复杂,繁锁,不易理解,工程实际应用不多,本 文作背参考了大量文献,采用与规范不同的单桩最终沉降量计算 方法,取得了明显效果. 3.1半刚性地基单桩的最终沉降量计算 对于刚度较高的半刚性地基(强风化以上岩质地基,标准贯入击 数大于3O击以上坚硬土地基),不存在软弱夹层的地基土,根据均质 弹性半空间理论,可采用以下公式计算单桩的最终沉降量: . B(1一v2)I一一 式中:Po-一桩底地基土的平均压力; I一桩径或等效桩径(B一1.13b,b为桩的宽度或边长); v一地基土的泊松比,一般地基土的泊松比多在v-.0.2, 故(1一)1.0; I一一影响系数,由表1确定; 一一 地基土模量,MPa. 3.2多层软弱松散地基单桩的最终沉降量计算 桩底土为强风化以下岩石或标准贯入击数小于3O的粘性土,砂 类土或存在夹层等的地基土单桩最终沉降量采用下式计算: sMI 式中:单桩的最终沉降量,nm1; P桩顶集中力,kN; 一一 桩的弹性模量,MPa; A.桩底面积,m; MR一相对于桩的刚度的析减系数,MR一RA,E为桩底 土的弹性模量,多层地基土采用厚度加权平均值,实心桩采用RA 一 1.0,管桩采用R一0.9. 4桩身内力计算 4.1有效桩长及桩身性质 对于承受水平承载力的桩基,必须进行桩身内力计算,以便 于进行桩身配筋,建筑桩基水平变位多采用”m”法计算,即地基 土的水平抗力随着深度的增加而增加,桩顶自由,嵌入强风化或 坚硬土以上的嵌入长度超过有效桩长,桩顶作用水平荷载H. (kN)和弯矩M.(kNm)桩身内各点的变位和内力可按照如下步 骤进行计算. 进行桩的水平承载力分析时必须首先确定计算长度及桩身 性质,根据桩的水平变位系数和桩的入土长度.由aL(L为桩嵌 入深度)值确定桩的有效桩长和桩身性质的判定. aL4时为弹性长桩; aL2.5时为刚性桩; 2.5<”L<4时为中长桩. 4.2桩身内力的计算 采用如下各式进行桩身内力分析,并绘制桩身水平变位图, 桩身转角变位图,桩身弯矩图,桩身剪力分布图,桩身水平土压力 分布图,并验证桩身所能承受的水平土侧压力是否满足要求,从 而进行桩身配筋和调整桩身规格,以达到最优设计的目的. (1)桩身变位: y一yoAI+Ic十I)1 O5O5O0OO55555 “ 总第122期 2006年第6期 西部探旷工程 WESTCHlNAEXPIORAFI()NENGINEERING 文章编号:l.O45716(2006)O6一OO”-02中图分类号:U443.15文献标识码:B 浅谈石灰岩地区桩基础的施工 董晓斌 (广州市建筑科学研究院新技术开发中心,广东广州510440) 摘要:介绍石灰岩地区桩基础施工时应遵循的基本原则,以及在施工中经常碰到孔斜,溶洞等情况后的处理方法. 关键词:石灰岩;端承桩基础施工.孑L斜;溶洞;处理方法 在岩溶发育的地区施工,若对岩溶情况了解不清,基础方案 的选择处理不当,将会造成建筑物正在施工或竣工后不久即倒 塌,给人民的生命财产带来了严重的损失.近几年来,在此类地 区多采用端承桩作为各类建筑物的桩基础,但由于岩溶工程地 质条件复杂,稍有不当,就有可能发生事故.仅就岩溶地区的施 工经验,谈一些体会和看法. 1石灰岩地区端承桩基础的施工 1.1石灰岩地区的工程地质条件 石灰岩地区的工程地质条件相当复杂,以目前的工程勘察 手段是难以查清楚的因此,在石灰岩地区施工桩基础,其难度 是相当大的,弄得不好会留下很大的潜在危险. 石灰岩地区工程地质条件的复杂性,主要表现在一是基岩 岩面起伏大,高差悬殊,形态变异大;二是隐伏型岩溶发育丰富, 常有溶洞发育,且溶洞的大小,形态各异,规律难找寻. 1.2石灰岩地区端承桩基础的施工 1.2.1施工方法及施工中常遇到的情况 石灰岩地区端承桩基础的施工,最好是采用冲,钻结合,以冲 为主的施工方法.在施工中常会碰到以下情况: (1)由于岩面起伏大,高差悬殊,倾角陡,易产生斜孔; (2)溶洞发育位置,深度不详,桩易座落在溶洞之上,因而难 于保证桩的荷载能力; (3)溶洞贯通性好,且多充填物,易产生大量漏浆,造成坍孔, 甚至出现地面塌陷,危及安全. I.2.2施工中应遵循的原则 (2)桩身转角: (P:一qy.A.+铷+H L o l D2 (3)桩身弯矩: EI(yoA3一等+c.+【)3) (4)桩身剪力: QasEl(yc等B+c4+Hoi) (5)桩身侧土的水平土压力: = MZ(y o A一等BI+c+【)1) A,B,C,D是无量纲系数,根