基础工程电子教案：桩基础

基础工程 电子教案 桩基础 图1桩基础的应用 1类型及适用条件 图2单桩 群桩基础 基桩 1类型及适用条件 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桩基础 再由桩传递到地基土 持力层 特点 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 1 1组成 作用与特点 图3低承台桩基示意图 按承载性状分 荷载传递方式 摩擦桩与端承桩按施工方法分 预制桩 混凝土预制桩 钢桩 木桩 灌注桩 沉管灌注桩 钻孔灌注桩 挖孔灌注桩 按桩的设置效应分 挤土桩 部分挤土桩 部分挤土桩 1 2桩基的分类 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 传力方式桩侧及桩端土层不同沉降量大小 一般摩擦型桩沉降较大 而端承型桩沉降较小 群桩效应 一般摩擦型桩群桩效应大 端承型桩群桩效应小 摩擦型桩和端承型桩的区别 分为预制桩和灌注桩两类 预制桩 在工厂或施工现场制成的各种形式的桩 用沉桩设备通过锤击 振动 静压或旋入将桩打入 压入或振入土中 或有的用高压水冲沉入土中 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 根据成孔方法的不同分为挖孔 钻孔 冲孔灌注桩 沉管灌注桩和爆扩桩等 按施工方法分类 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 刚桩要求 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 分类沉管灌注桩 钻孔灌注桩 挖孔桩 原理是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 施工的关键问题桩身的成型和混凝土质量 灌注桩的分类 按桩的设置效应分类 非挤土桩这类在成桩过程中基本对桩相邻土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作用 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 其他分类方法 按桩径分 小桩 中等直径桩 大直径桩按功能分 受压桩 横向受荷桩 锚桩 抗拔桩 护坡桩按桩身截面形状分 圆桩 方桩 多边形桩 异形桩按承台位置 高承台桩基 低承台桩基 2桩基础的施工 2 1预制桩的施工 图4吊点位置及桩身弯距图a 两吊点 b 单吊点 锤击振动下沉静压 预制桩的施工方法 2 1预制桩的施工 打入第一节桩体 电焊接桩 打入末节桩体 插 Flash动画 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 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 2 2灌注桩的施工 沉管灌注桩 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 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 反插法 灌满混凝土后 先振动再拔管 一般拔0 5 1 0m 再反插0 3 0 5m 分单打 复打 反插三种施工方法 沉管灌注桩特点 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 钻孔灌注桩 护筒埋设 护筒的作用1 固定桩位 并作钻孔导向 2 保护孔口 防止孔内土层坍塌3 隔水 稳固孔壁 泥浆制备与运输 基本要求 膨胀土或高塑性粘土现场加水搅拌 比重1 1 1 15 粘度为10 25s 含砂率小于6 胶体率大于95 主要作用 a 产生悬浮液压力 防止坍孔 b 在孔壁形成一层胶泥 护壁 并切断孔内外水位 稳定孔内水位 c 具有浮渣作用 钻进机械 图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 图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71 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 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 反循环在钻孔完成后不停钻 不进尺 掏渣清 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 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 水下混凝土灌注 直升导管法 施工步骤 图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 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 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 优缺点优点 符合国情 经济 设备简单 噪音小 场区内各桩可同时施工 可直接凭肉眼观察地层情况 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 人工挖孔桩 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 质量检测开挖检查 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 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 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 3单桩承载力 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 桩侧摩阻力和桩底阻力 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 3 1桩的荷载传递过程 桩侧阻力先于桩端阻力发挥 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 3 1桩的荷载传递过程 图11a 摩擦桩 b 端承桩 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 图12压曲破坏 图13整体剪切破坏 图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 3 2单桩的破坏模式 定义 当桩周土相对于桩身下沉时产生的摩阻力为负摩阻力 3 3桩侧负摩阻力 图15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 6住宅楼建于有新填土的斜坡上 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 在中性点处桩身轴力达到最大值 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 5 1 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17单桩在产生负摩阻力时的荷载传递 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 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国标 路桥 按动力试桩法确定 3 4单桩承载力确定 工民建专业路桥专业 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 A s A s 全部纵向钢筋的截面积 按经验公式确定 一般预制桩与中小直径灌注桩 大直径桩 嵌岩桩 800mm为界 工民建专业 路桥专业 摩擦桩 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 钻孔灌注桩 u 桩周长 旋转钻增大3 5cm 冲击钻增大5 10cm 冲抓钻增大10 20cm 考虑基桩长径比的修正系数 清底系数 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 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7 10cm 路桥专业 按经验公式确定 由竖向抗压静载试验确定 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 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 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 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18静载实验装置 直接堆载 锚桩反力梁法 每级荷载大小分级 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2 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 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 试验成果处理 极限荷载确定 1 根据沉降随荷载的变化特征确定对于陡降型Q s曲线 可取曲线发生明显陡降的起始点所对应的荷载为Qu2 根据沉降量确定Qu对于缓变型Q s曲线 可取s 40 60mm对应的荷载值为Qu 对于大直径桩可取s 0 03 0 06d 所对应的荷载值 大桩径取低值 小桩径取高值 对于细长桩 l d 80 可取s 60 80mm对应的荷载 3 沉降速率法 S Lgt法4 取破坏荷载的前一级荷载 图19单桩Q s曲线 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 速度或加速度信号 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 测定桩的承载力 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 检测砼质量 按动力试桩法确定 水平承载力 基本概念刚性短桩 h 2 5 桩侧土体水平抗力不够 土体屈服 破坏 弹性桩 h 2 5 地表土体屈服 桩材强度不够 屈服 而破坏 计算公式位移 弯矩 单桩水平静载荷试验 试验装置 加荷系统 千斤顶 试桩 位移观测系统 百分表 单桩水平承载力确定 图 0单桩水平静载荷实验装置 每级荷载大小约为预估水平极限承载力的 1 10 1 15 读数方法每级荷载施加后 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30 40mm桩侧地表出现明显裂缝或隆起 水平静载荷试验方法 水平极限承载力的确定 两个特征点对应的桩顶水平荷载称为临界荷载Hcr和极限荷载Hu 图21单桩H0 x0 H0曲线 图22单桩H0 g曲线 4基桩的内力及位移计算 我国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 关键在于如何假定土体的抗力系数沿深度的变化规律 可分为 a 常数法 b k法 c m法 d c法 图23地基水平抗力稀疏的分布图示 简化为平面受力 计算宽度 计算桩身抗弯刚度EI时 对于钢筋混凝土桩 可取EI 0 67EcIo 其中Ec为混凝土的弹性模量 Io为桩身换算截面惯性矩 如无试验资料时 地基水平抗力系数的比例系数m值可参考表12选取 微分方程的建立 在基桩中取一微元体 通过平衡方程 可得到挠曲微分方程 采用幂级数求解 图24微元体受力示意图 相关系数查表可得 5群桩基础的竖向分析及其验算 图25群桩效应 5 1群桩效应 端承桩型的荷载传递桩底持力层刚硬 桩的贯入量小 群桩的承载力 单桩承载力之和 不必考虑群桩效应 摩擦桩型的荷载传递桩顶上的作用荷载通过桩侧阻传递到桩周土体 桩周摩阻力扩散使桩底处的压力分布范围比桩身截面大很多 当桩距小于某距离时 一般认为6d 桩底处应力扩散面积交叉重叠 与原来单桩端应力叠加 使群桩桩底地基受到的压力比单桩时要大 于是群桩承载力小于单桩承载力之和 5 2群桩的荷载传递特性 群桩基础计算 群桩的工作特点应力迭加群桩效应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 群桩的竖向承载力设计值 桩基规 经统计分析 考虑了土类别 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 当根据静载荷试验确定基桩竖向极限承载力标准值时 桩侧摩阻力和桩端阻力已同时综合考虑 故基桩的竖向承载力设计值为 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 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 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 设计内容和步骤 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 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 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 截面尺寸承台埋深 从结构要求和方便施工的角度来选择 平面尺寸根据桩数及构造要求定 6 3桩数及桩位布置 1 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 式中F 作用在承台上的竖向压力设计值 G 承台及其上方填土的重力 偏心受压时 分为两种情况 若桩的布置使群桩横截面的重心与荷载合力作用点重合 桩数仍可按上式确定 不能满足 则应增加10 20 桩数 2 桩的中心距一般桩的最小