二级注册建筑考试讲义107

三、桩基础 1 概述深基础是埋深较大，以下部坚实土层或岩层作为持力层的基础，其作用是把所承受的荷载相对集中的传递到地基的土层。因此，当建筑场地的浅层土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，而又不适宜采取地基处理措施时，就要考虑采用深基础方案了。深基础主要有桩基础、地下连续墙和沉井等几种类型，其中桩基础是一种最为古老且应用最为广泛的基础形式。桩是设置于土中的竖直或倾斜的柱型基础构件，其横截面尺寸比长度小得多，它与连接桩顶和承接上部结构的承台组成深基础，简称桩基。承台将各桩联成一整体，把上部结构传来的荷载转换、调整分配于各桩，由穿过软弱土层或水的桩传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。桩所承受的轴向荷载是通过作用于桩周土层的桩侧摩阻力和桩端地层的桩端阻力来支承的；而水平荷载则依靠桩侧土层的侧向阻力来支承。一般说来，下列情况可考虑采用桩基础方案： （ 1 ）天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑物； （ 2 ）天然地基承载力基本满足要求，但沉降量过大，需利用桩基减少沉降的建筑物，如软土地基上的多层住宅建筑，或在使用上、生产上对沉降限制严格的建筑物； （ 3 ）重型工业厂房和荷载很大的建筑物，如仓库、料仓等； （ 4 ）软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物； （ 5 ）作用有较大水平力和力矩的高耸结构物（如烟囱、水塔等）的基础，或需以桩承受水平力或上拔力的其他情况； （ 6 ）需要减弱其振动影响的动力机器基础，或以桩基作为地震区建筑物的抗震措施； （ 7 ）地基土有可能被水流冲刷的桥梁基础； （ 8 ）需穿越水体和软弱地层的港湾与海洋构筑物基础，如栈桥、码头、海上采油平台及输油、输气管道支架等。桩基础可分为低承台桩基和高承台桩基两种。低承台桩基的承台底面位于地面以下，而高承台桩基的承台底面则高出地面以上。桩基是由桩、土和承台共同组成的基础，设计时应结合地区经验考虑桩、土、承台的共同作用。大多数桩基的首要问题是在于控制其沉降量。因此，桩基设计应按变形控制设计。桩基设计时，上部结构传至承台上的荷载效应组合与浅基础相同。桩基设计应满足下列基本条件： （ 1 ）桩承受的竖向荷载不宜超过单桩竖向承载力特征值； （ 2 ）基础的沉降不得超过建筑物的沉降允许值； （ 3 ）位于坡地岸边的桩基应进行桩基稳定性验算。此外，对于软土、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土和岩溶等地区的桩基，应按有关规范的规定考虑特殊性土对桩基的影响，并在桩基设计中采取有效措施。对于软土地基上的多层建筑，如果邻近地表的地层具有一定厚度的所谓“硬壳层” , 由于采用浅基础时的地基变形过大，因而需采用桩基来限制沉降量。在这种情况下，桩是作为减少沉降的措施而设置的，这种当天然地基承载力基本满足建筑物荷载要求而以减少沉降为目的设置的桩，特称为“减沉桩”。减沉桩的用柱数量是根据沉降控制条件（即允许沉降量）计算确定的。2 桩基础的类型 （ 1 ）端承型桩和摩擦型桩。按桩的性状和竖向受力情况，可分为端承型桩和摩擦型桩两大类（图 9 -5 ）。 l ）端承型桩。端承型桩是指桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受，但桩端阻力分担荷载较多的桩。当桩的长径比较小（一般 l / d10 ） ，桩身穿越软弱土层，桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中等风化、微风化及未风化硬质岩石顶面（即人岩深度 hr0.5d ） ，桩顶竖向荷载绝大部分由桩端阻力承受，而桩侧阻力很小可以忽略不计时，称为端承桩。当桩顶嵌入完整和较完整的中等风化、微风化及未风化硬质岩石一定深度以上（hr0.5d ）时，称为嵌岩桩。嵌岩桩的桩侧与桩端荷载分担比与孔底沉渣及进人基岩深度有关，桩的长径比不是制约荷载分担的惟一因素。 2 ）摩擦型桩。摩擦型桩是指桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受，但桩侧阻力分担荷载较多的桩。一般摩擦型桩的桩端持力层多为较坚实的勃性土、粉土和砂类土，且桩的长径比不是很大。当桩顶竖向荷载绝大部分由桩侧阻力承受，而桩端阻力很小可以忽略不计时，称为摩擦桩。例如： 桩的长径比很大，桩顶荷载只通过桩身压缩产生的桩侧阻力传递给桩周土，因而不管桩端下土层坚实与否，其分担的荷载都很小； 桩端下无较坚实的持力层； 桩底残留虚土或残渣较厚的灌注桩； 打入邻桩使先前设置的桩上抬，甚至桩端脱空等情况。（ 2 ）预制桩和灌注桩。根据施工方法的不同，可分为预制桩和灌注桩两大类。 l ）预制桩。根据所用材料的不同，预制桩可分为混凝土预制桩、钢桩和木桩三类。预制桩的沉桩方式主要有：锤击法、振动法和静压法等。 锤击法沉桩。锤击法沉桩是用桩锤（或辅以高压射水）将桩击人地基中的施工方法，适用于地基土为松散的碎石土（不含大卵石或漂石）、砂土、粉土以及可塑黏性土的情况。锤击法沉桩伴有噪声、振动和地层扰动等问题，在城市建设中应考虑其对环境的影响。 振动法沉桩。振动法沉桩是采用振动锤进行沉桩的施工方法，适用于可塑状的黏性土和砂土，对受振动时土的抗剪强度有较大降低的砂土地基和自重不大的钢桩，沉桩效果更好。 静压法沉桩。静压法沉桩是采用静力压桩机将预制桩压人地基中的施工方法。静压法沉桩具有无噪声、无振动、无冲击力、施工应力小、桩顶不易损坏和沉桩精度较高等特点。但较长桩分节压人时，接头较多会影响压桩的效率。 2 ）灌注桩。灌注桩是直接在所设计桩位处成孔，然后在孔内加放钢筋笼（也有省去钢筋的）再浇灌混凝土而成。灌注桩的横截面呈圆形，可以做成大直径和扩底桩，灌注桩可适用于各种类型的地基土。灌注桩可分为沉管灌注桩、钻（冲、磨）孔灌注桩、挖孔灌注桩和爆扩灌注桩几大类。同一类桩还可按施工机械和施工方法以及直径的不同予以细分。 3 单桩竖向承载力的确定单桩竖向承载力的确定，取决于两方面：其一，桩身的材料强度；其二，地层的支承力。设计时分别按这两方面确定后取其中的小值。如按桩的载荷试验确定，则已兼顾到这两方面。按材料强度计算低承台桩基的单桩承载力时，可把桩视作轴心受压杆件，而且不考虑纵向压屈的影响（取纵向弯曲系数为 1 ） ，这是由于桩周存在土的约束作用之故。对于通过很厚的软戮土层而支承在岩层上的端承型桩或承台底面以下存在可液化土层的桩以及高承台桩基，则应考虑压屈影响。单桩竖向极限承载力 Qu由桩侧总极限摩阻力Qsu和桩端总极限阻力Qbu组成，若忽略二者间的相互影响，可表示为：通常取安全系数 K=2 。前已提及，由于侧阻与端阻呈异步发挥，工作荷载（相当于容许承载力）下，侧阻可能已发挥出大部分，而端阻只发挥了很小一部分。因此，一般情况下 Ks Kp ，对于短粗的支承于基岩的桩， Ks Kp 。分项安全系数 Ks 、 Kp的大小同桩型、桩侧与桩端土的性质、桩的长径比、成桩工艺与质量等诸多种因素有关。虽然采用分项安全系数确定单桩容许承载力要比采用单一安全系数更符合桩的实际工作性状，但要付诸应用，还有待于积累更多的资料。因此，现行国家标准 建筑地基基础设计规范 GB 50007-2002 仍采用单一安全系数 K 来确定单桩竖向承载力。静载荷试验是评价单桩承载力诸法中可靠性较高的一种方法。 建筑地基基础设计规范 规定，单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定，对地基基础设计等级为丙级的建筑物，可采用静力触探及标贯试验方法确定。初步设计时，单桩竖向承载力特征值可按下式估算：式中qpa为桩端岩石承载力特征值，可按国家标准 GB50007 附录 H 用岩基载荷试验方法确定，或根据室内岩石饱和单轴抗压强度标准值按下式计算：上述折减系数值未考虑施工因素及建筑物使用后风化作用的继续，对于黏土质岩，在确保施工期及使用期不致遭水浸泡时，也可采用天然湿度的试样，不进行饱和处理。四、高层建筑的基础设计 1 高层建筑的基础设计要求高层建筑的基础设计，应考虑下列要求： （ 1 ）基底压力不超过地基承载力或桩基承载力；不产生过大变形，更不能产生塑性流动。 （ 2 ）基础的总沉降量和差异沉降应在许可范围内。 （ 3 ）基础底板，侧墙和沉降缝的构造，都应满足地下室防水的要求。 （ 4 ）在邻近已有建筑物时，进行基础施工时，应采取有效措施防止毗邻房屋产生的影响，防止施工中因土体扰动使已建房屋下沉、倾斜和裂缝。 （ 5 ）基础选型时要综合考虑安全可靠技术先进，经济合理，使用要求和施工条件等因素。 2 基础选型和埋置深度 （ 1 ）基础的选型主要考虑以下因素： l ）上部结构的层数高度和结构类型。主楼的层数多、荷载大，宜采用整体式基础或桩基；裙房部分则采用交叉梁式基础，或单独基础。2 ）地基土质条件。地基土质均匀、承载力高、沉降量小时，可采用天然地基，采用刚度较小的基础；反之，则要求采用刚性整体式基础，甚至采用桩基。3 ）抗震设计的要求，水平力作用的大小。抗震设计时，对基础的整体性、埋深、定性以及地基的液化等，都有更高的要求。 4 ）施工条件和场地环境。施工技术水平，机械设备也是选择基础形式时需要考虑的因素；地下水位的高低也对基础选型有直接的影响。一般说来，应优先采用有利于高层建筑整体稳定、刚度较大能抵抗差异沉降，底面积较大，有利于分散土压力的整体式基础，如：箱基和筏基。在层数较少的情况下或在裙房部分，可采用交叉梁式基础。单独基础和条件基础整体性差，刚度小，难以调整各部分差异沉降，除非基础直接支承在微风化或未风化岩层上，一般不宜在高层建筑中应用。在裙房中应用时，必须在单独柱基的两个方向上加拉梁。当地下室可以设置较多的钢筋混凝土墙体时，则宜按箱基进行设计比较有利；当地下室作为车库、商店需要有较大空间时，则只能按筏形基础设计。当采用桩基时，宜尽量采用大直径桩，使上部荷载直接由柱、墙传给桩顶，这样可使基础底板受力很小，因此板的厚度较小，可节省大量钢筋和水泥。 （ 2 ）基础的埋置深度： 1 ）保证高层建筑在风力和地震力作用下的稳定性，防止建筑物产生滑移和倾覆。 2 ）增加埋深可以提高地基承载力，减少建筑物的沉降。 3 ）设置多层地下室有利于建筑物抗震。 79 度时，天然地基时，基础埋置深度不宜小于建筑物高度的 1 / 15 ；桩基时，不宜小于 1 / 18 。桩基的埋深指承台底标高，桩长不计在内。 6 度还可适当减小。基础放在基岩上时，可不考虑埋深的要求，但要有可靠的锚固措施。例：1某建筑柱下桩基础独立承台如下图所示，桩与承台对称布置，在进行受弯承载力验算时，应计算几个截面? (A)1个； (B)2个；(C)3个；(D)4个【答案】C【说明】参见建筑地基基础设计规范(GB500072002)第8516条：多桩矩形承台计算截面取在柱边和承台高度变化处。需验算两个方向。2下列哪个建筑物的桩基应进行沉降验算? (A)40层的商店，桩基为沉管灌注桩(B)20层的写字楼，桩基为嵌岩灌注桩(C)吊车工作级别为A5级的单层工厂，桩基为扩底灌注桩(D)6层的住宅，桩基为端承型灌注桩【答案】A【说明】根据建筑地基基础设计规范GB500072002第301条：30层以上的高层建筑地基基础设计等级为甲级；第8510条：地基基础设计等级为甲级的建筑物桩基需要进行沉降验算，故A、B项应在考虑范围；吊车工作级别A5及A5以下的单层工业厂房桩基(桩端下为密实土层)，可不进行沉降验算；对地质条件不复杂、荷载均匀、对沉降无特殊要求的端承型桩基也可不进行沉降验算，B可不考虑。3对于桩基的承台，可以不用进行的验算为：(A)抗弯承载力验算；(B)变形验算(C)抗冲切验算；(D)抗剪切验算【答案】B【说明】参见建筑桩基技术规范(JGJ942008)56承台计算部分。第四节 软弱地基当天然地基不能满足建筑物对地基强度与稳定性和变形的要求时，常采取各种地基加固、补强等类技术措施，改善地基土的工程性状，以满足工程要求。这些措施统称为地基处理。工程上常需要处理的土类主要有如下几种：淤泥及淤泥质土、粉质黏土、细粉砂土、砂砾石类土、膨胀土、黄土、红黏土以及岩溶等。下面将与地基处理有关的几种土类特性简要阐述如下： 1 淤泥及淤泥质土简称为软土，大部分是饱和的，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于 1 ，抗剪强度低，压缩性高，渗透性小，具有结构性的土。当天然孔隙比， e1 . 5 时，称为淤泥； 1 . 5 e 1 时，称为淤泥质土。这类土比较软弱，天然地基的承载力较小，易出现地基局部破坏和滑动；在荷载作用下产生较大的沉降和不均匀沉降，以及较大的侧向变形，且沉降与变形持续的时间很长，甚至出现蠕变等。 2 粉细砂、粉土和粉质土相对而言，它比淤泥质土的强度要大，压缩性较小，可以承受一定的静荷载。但是，在机器振动、波浪和地震等动荷载作用下可能产生液化、震陷，振动速度的增大，使地基失去承载力。所以，这类土的地基处理问题主要是抗震动液化和隔震等。 3 砂土、砂砾石等这类土的强度和变形性能是随着其密度的大小变化而变化的，一般来说强度较高，压缩性不大，但透水性较大，所以这类土的地基处理问题主要是抗渗和防渗，防止流土和管涌等。4 其他类土黄土具有湿陷性，膨胀土具有胀缩性，红黏土具有特殊的结构性，以及岩溶易出现塌陷等，它们的地基处理方法应针对其特殊的性质进行处理。因此，地基处理主要目的与内容应包括： 提高地基土的抗剪强度，以满足设计对地基承载力和稳定性的要求； 改善地基的变形性质，防止建筑物产生过大的沉降和不均匀沉降以及侧向变形等； 改善地基的渗透性和渗透稳定，防止渗流过大和渗透破坏等； 提高地基土的抗振（震）性能，防止液化，隔振和减小振动波的振幅等； 消除黄土的湿陷性，膨胀土的胀缩性等。常用的地基处理方法主要的见表 9-11。表中所列的各种处理方法都有各自的作用原理、适用土类和应用条件。特别要注意，同样的一种地基处理技术，在不同土类中的作用原理和作用效果往往存在显著的差别，不可混淆。例如振冲法，在砂土中其主要作用是振动挤密；在饱和黏性土中则为振冲置换组成复合地基；两者的技术要求不同，设计方法也不同。如果把原理搞错了，就可能