桩基工程勘察 设计和施工

桩基工程勘察、设计和施工及存在的问题,贺怀建中国科学院武汉岩土力学研究所,内容,一、桩基工程二、地基与基础三、岩土工程勘察四、桩基设计五、桩基施工,一、桩基工程,桩是指深入土层的柱型构件，称为基桩。由基桩与连接桩顶的承台组成桩基础，简称桩基。若桩身全部埋入土中，承台底面与土体接触，则称为低承台桩基；若桩身上部露出地面而承台底位于地面以上，则称为高承台桩基。,(一)概述,桩基础示意图,1持力层；2桩；3桩基承台；4上部建筑物；5软弱层,建筑桩基通常为低承台桩基。桩基的主要作用是将上部结构的荷载传递到深部较坚硬、压缩性小的土层或岩层。,按桩的功能不同分为竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩和复合受荷桩。其中竖向抗压桩又可按承载性状不同分为摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩及端承桩四种。按成桩有无挤土效应，分为挤土桩、部分挤土桩及非挤土桩三类。按成桩方法分为预制桩与灌注桩两种。其中预制桩由木桩、混凝土预制桩(RC桩)，发展到空心桩(PC桩)、预应力混凝土管桩、螺旋形混凝土桩、结节形混凝土桩、钢桩等。沉桩方法有锤击法、振动法、静压法及射水法等。,锤击法施工时，施工场地应按坡度不大于1%、地耐力不小于85kPa的要求进行平整、压实，地下应无障碍物。在基坑和围堰内沉桩，要配备足够的排水设备。桩锤安装时，应将桩锤运到桩架正前方2m以内，不得远距离斜吊。用桩机吊桩时，必须在桩上拴好溜绳，严禁人员处于桩机与桩之间。起吊2.5m以外的混凝土预制桩，应将桩锤落在下部，待桩吊近后，方可提升桩锤。严禁吊桩、吊锤、回转或行驶同时进行。,（二）桩基工程安全技术,卷扬机钢丝绳应经常处于油膜状态，防止硬性摩擦，钢丝绳的使用及报废标准应按有关规定执行。遇有大雨、雪、雾和六级以上大风等恶劣气候，应停止作业。当风速超过七级或有强台风警报时，应将桩机顺风停置，并增加缆风绳，必要时，应将桩架眠放到地面上。施工现场电器设备外壳必须保护接零，开关箱与用电设备实行一机一闸一保险。,钻孔法施工时，应检查有否发生卡杆现象，起吊钢丝是否牢固，卷扬机刹车是否完好，信号设备是否明显。钻孔桩的孔口必须加盖。成桩附近严禁堆放重物。施工过程应随时查看桩机施工附近地面有无开裂现象，防止机架和护筒等发生倾斜或下沉。每根桩的施工应连续进行，如因故停机，应及时提上钻具；保护孔壁，防止造成塌孔事故。,人工挖孔法施工时，井下应设通风设施，工人下井时应携带有害气体测定仪，电气设备要装安全漏电保护开关等。井下照明必须使用36V安全照明电压。对易塌孔土层采取可靠的护壁措施。经常检查桩孔护壁施工质量和变形情况。对运土吊筐经常检查其质量，并检查吊绳是否扎牢，以防掉土、掉石砸伤井下施工人员。对挖土施工作业的设备应经常检查，摇把质量、滑轮、吊绳等应定期检查，防止断落、脱落等可能发生的事故。,1)、2003年3月2日14时40分，由江苏省宜兴三建集团南昌分公司承建的南昌市地王广场工程，施工人员在人工挖孔桩桩孔内进行土方作业，因未按规定在桩孔内做护壁，挖至7m深时，导致桩孔上部土方坍塌，造成4人死亡。,（三）桩基施工事故案例,人工挖孔桩；基坑护坡部分用沙包；人工挖孔桩的护壁模板为钢模板，分为四块,监理下桩底检查,业主会同设计院验桩持力层,桩底持力层岩样,设计院与甲方、监理验桩，确定终孔,钢筋绑扎完毕，超声波安装完毕,砼浇筑,桩基检测开展超声波检测,浇筑完成后的桩,哈尔滨一工地2工人挖灌注桩被埋,不少工人围在出事桩口等待工友的消息.,广州市海珠城广场工地基坑挡土墙发生坍塌事故,分析,据介绍，该工程自2003年开工以来，直至2006年7月15日完工，时间长达两年九个月，不仅远远超过了基坑施工不长于一年的技术安全时限，还由于整改不力、一直拿不到施工许可证，被来自市建设科技委、市建设工程质量安全监督站、施工方广东省机施公司等多家单位多次警告，甲方却一直置若罔闻。直至今年7月7日，由于甲方隐瞒工程事实、多次表示已经整改，而且出于让接下来的主体工程能够尽快开工、有利于对基坑工程实施抢险的考虑，市建委才补颁施工许可证。,五大原因导致塌方,一，设计方案本身就有问题。早在上报施工设计方案时，市建设科技委就已经提出，基坑设计深度达16.2米，存在五大安全隐患，并提出方案要求调整，但甲方全拒不整改，反而开始无证施工；二，实际施工再深4米“雪上加霜”。在实际施工中，甲方竟又将施工深度再加深4.1米，造成原本就不牢固的基坑喷锚支护桩成为“悬空”桩，完全失去支撑能力；三，无视多次安全警告。据悉，在违章施工工程中，市建委曾发出两次停工通知书，要求工地停工整改，市建设工程质量安全监督站也提出整改要求超过五次，连施工企业广东机施都提出安全警告达五次以上，甲方却一味“督战”，视安全为儿戏；四，远超基坑施工安全年限。由于基坑施工的金属构件，如锚索、支护桩都暴露在潮湿的露天环境中，容易锈蚀，根据安全要求，基坑工程应该在一年内完成，而实际上该工程却用了两年零九个月，构件预应力进一步降低，甚至失效；五，整改不力。尽管后来设计有所变更，但对一些关键环节却已无法调整，成为塌方的直接原因。,1.地基：承受基础传来荷载的地层。2.基础：是将结构承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。3.基础埋置深度：一般指基础底面至室外地坪间的垂直距离。,二、地基与基础,下卧层,持力层（受力层）,地基与基础的关系,4.地基基础设计应满足的三项基本原则（1）保证地基的强度和稳定性要求（2）控制地基变形（3）保证地基基础的稳定性要求,强度问题实例,加拿大特朗斯康谷仓,事故：1913年9月装谷物，10月17日装了31822谷物时，1小时竖向沉降达30.5cm24小时倾斜2653西端下沉7.32m东端上抬1.52m上部钢混筒仓完好无损,概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。1911年动工，1913年完工，自重20000T。,加拿大特朗斯康谷仓,原因：地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算，地基实际承载力（193.8-276.6）kPa远小于谷仓破坏时发生的基底压力329.4kPa。因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。,处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。,香港宝城滑坡,1972年7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡7人。,原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。,香港1900年建市，1977年成立土力工程署港岛1972PoShan滑坡(20,000m3)(67死、20伤),PoShanRoad,ConduitRoad,NotewellRoad,Early1972滑坡前,阪神大地震中地基液化,神户码头：地震引起大面积砂土地基液化后产生很大的侧向变形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤,液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变成流动状态的一种现象,阪神大地震中地基液化,神户码头：沉箱式岸墙因砂土地基液化失稳滑入海中,变形问题实例,比萨斜塔,目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.51360：再复工，至1370年竣工，全塔共8层，高度为55m1272：复工，经6年，至7层，高48m，再停工1178：至4层中，高约29m，因倾斜停工1173：动工,原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度较低，变形较大。,1590:伽利略在此塔做落体实验,比萨斜塔,1838-1839：挖环形基坑卸载1933-1935：基坑防水处理基础环灌浆加固1990年1月:封闭1992年7月：加固塔身，用压重法和取土法进行地基处理目前:已向游人开放。,处理措施,虎丘塔,问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达2.31m，底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑物而封闭。,概况：位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年（公元961年）。全塔7层，高47.5m，塔的平面呈八角形。,原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，产生不均匀沉降。,处理：在塔四周建造一圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔基进行钻孔注浆和打设树根桩加固塔身，获得成功。,关西机场世界最大人工岛,1986年：开工1990年：人工岛完成1994年：机场运营面积：4370m1250m填筑量：180106m3平均厚度：33m,关西机场,设计时预测沉降：5.77.5m完成时实际沉降：8.1m，5cm/月(1990年)目前实际沉降：11.5m预测主固结完成：20年后比设计超填：3m,问题：沉降大且有不均匀沉降,渗透问题实例,Teton坝,概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事,损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因：渗透破坏水力劈裂,Teton坝,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,Teton坝,11：00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,Teton坝,11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。,11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton坝,11:57坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton坝,12：00过后坍塌口加宽,Teton坝,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,Teton坝,失事现场目前的状况,Teton坝,九江大堤决口,溃口原因：堤基管涌,1998年8月7日13:10发生管涌险情，20分钟后，在堤外迎水面找到2处进水口,又过20分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞，5m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成一宽约62m的溃口。,长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图,砂环,管涌口,粘性土,砂性土,渗水,杂填土,管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。,堤基管涌,砂性土堤基管涌破坏示意图,管涌破坏,当管涌发生时，渗流将导致向源侵蚀，使堤防基础下部出现渗流通道,当水头差足够大时，侵蚀将加速并掏挖堤防基础。形成通道后极易引起溃决,三、岩土工程勘察,（一）岩土工程勘察,岩土工程勘察规范GB-500021-94适用于除水利工程、公路工程、铁路工程、核电站工程以外的工程建设岩土工程勘察公路工程地质勘察规范JTJ064-98港口工程地质勘察规范JTJ240-97水利水电工程地质勘察规范GB50287-99铁路工程地质勘察规范,推荐规范,甲级乙级丙级,1目的2勘察类型3勘探方法4成果,查清地质构造，为工程设计提供依据,地基勘察内容,勘探目的：了解地基的工程地质和水文条件，为确定地基承载力和进行基础设计提供依据1资料平面图和地形图建筑物形式和荷载管线，地下室,2、勘察类型可行性研究勘察(选址勘察)初步勘察详细勘察施工勘察,2、勘察内容土层分布，水平位置和深度每层土物理力学性质e,cEs地下水位置及性质其他地质问题：古滑坡，古墓，洞穴，老河道古井,布点一般性勘察：针对持力层，平面(11.5)b(34)b2050m控制性勘察：压缩层，比一般性勘察深,勘探方法,物探地球物理勘探坑探明挖钻探钻孔触探重点现场测试原位试验重点室内试验,1地球物理勘探(物探),物探:根据如密度、导电性等物理性质的差别，勘测地层分布、地质构造和地下水位置方法:重力场,磁电场,声,弹性波,放射性勘探,地震勘探(规范,剪切波速)优点:简单迅速缺点:间接判断,较大范围.,2坑探,优点:直观,取原状样，兰旗营9m坑缺点:一般34m,地下水以下危险,最常用的办法,可达100m以下划分地层确定地下水取样可以结合原位试验,钻探,钻探,4触探动力触探和静力触探,触探法能划分土层，现场连续测定土性，地基承载力、桩侧壁阻力和桩端阻力，土抗液化能力(1)动力触探管状探头标准贯入试验SPT,63.5kg锤,76cm落距,贯入深度30cm的击数,N63.5锥状探头,标准贯入试验,圆锥动力触探,标准贯入试验,动力触探,SPT用测得的垂击数N，判定砂土的密实度或粘性土的密度，确定地基和单桩的承载力；还可评定砂土的抗液化能力。标准贯入试验适用于砂性土与粘性土。,动力触探管状探头标准贯入试验SPT锥状探头轻型10kg中型28kg重型63.5kg碎石,砾石地层特重型120kg,轻型动力触探10kg,穿心锤,锤垫,触探杆,尖锤头,锥状探头,1静力触探是可以迅速、连续的反映土质变化2划分土层,确定承载力、压缩性、不排水抗剪强度、砂土密实度等3静力触探适用于粘性土和砂类土,(2)静力触探,静力触探单桥探头端部Ps=Q/A比贯入阻力双桥探头端部和侧壁土的密实度压缩性强度桩和地基的承载力,(2)静力触探StaticConePenetration,带静力触探旁压仪,静力将金属探头压入土中，测定探头所受到的阻力,静力触探,5现场试验,十字板VaneShear饱和软粘土载荷板试验LoadingPlate深浅均可旁压仪Pressuremeter较深地基,十字板,Mmax=FL,F,F,现场载荷试验,载荷板试验,荷载板尺寸0.50.5m,0.710.71m,1.01.0m试验不少于3点荷载8-10级每级荷载稳定的标准承载力的特征值,现场载荷试验,地基破坏的判定(1)明显侧向挤出或发生裂纹(2)荷载增量很小,沉降急剧增加,(3)某级荷载增量下,24小时内沉降不能稳定(4)s/b0.06的荷载作为破坏荷载,载荷试验,承载力的特征值fak,比例界限pcr当puPe(胀）；膨胀变形量Se0.泵站地基按砂垫层计算，同时加密底层板钢筋；站身改为现浇混凝土，并增加封顶钢筋，下游翼墙原设计为扶壁式钢筋混凝土挡土墙，后改为重力式浆砌块石挡土墙，同时加宽地板尺寸以增加抗滑和抗倾稳定性，减小地基反力增加地基强度储备。泵站基础完成后，在基础前进行了静力触探试验，曲线表明原状土体的比贯入阻力为4.2MPa,而基础下比贯入阻力仅1.11.5MPa，影响深度2.0m左右，尤以1.01.5m范围内严重。泵站建成后进行了沉降观测，最大沉降量32.1mm，最小25.3mm,沉降差6.8mm;沉降量和最大容许沉降差均符合规范要求.,四、桩基设计,桩基础类型的选择桩径、桩长的拟定确定基桩的根数及其在平面的布置桩基础设计方案检验桩基础设计计算步骤与程序,(一)承台底面标高的考虑,承台底面的标高应根据桩的受力情况，桩的刚度和地形、地质、水流、施工等条件确定。承台低稳定性较好，但在水中施工难度较大，因此可用于季节性河流，冲刷小的河流或岸滩上墩台及旱地上其他结构物基础。当承台埋于冻胀土层中时，为了避免由于土的冻胀引起桩基础的损坏，承台底面应位于冻结线以下不少于0.25m。对于常年有流水、冲刷较深，或水位较高，施工排水困难，在受力条件允许时，应尽可能采用高桩承台。,桩基础类型的选择,承台如在水中、在有流冰的河道，承台底面应位于最低冰层底面以下不少于0.25m;在有其他漂流物或通航的河道，承台底面也应适当放低，以保证基桩不会直接受到撞击，否则应设置防撞装置。采用木桩时，由于木材在湿度经常变化的环境容易腐朽，承台内木桩顶应位于最低水位以下至少0.3m。当作用在桩基础上的水平力和弯矩较大，或桩侧土质较差，为减少桩身所受的内力可适当降低承台底面，为节省墩合身圬工数量，则可适当提高承台底面。,(二)柱桩桩基和摩擦桩桩基的考虑,柱桩与摩擦桩的选择主要根据地质和受力情况确定。柱桩桩基础承载力大，沉降量小，较为安全可靠，因此当基岩埋深较浅时应考虑采用柱桩桩基。若适宜的岩层埋置较深或受到施工条件的限制不宜采用柱桩时，则可采用摩擦桩。但在同一桩基础中不宜同时采用柱桩和摩擦桩，同时也不宜采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩，以避免桩基产生不均匀沉降或丧失稳定性。,当采用柱桩时，除桩底支承在基岩上(即柱承桩)外，如覆盖层较薄，或水平荷载较大时，还需将桩底端嵌入基岩中一定深度成为嵌岩桩，以增加桩基的稳定性和承载能力。为保证嵌岩桩在横向荷载作用下的稳定性，需嵌入基岩的深度与桩嵌固处的内力及桩周岩石强度有关，应分别考虑弯矩和轴向力要求，由要求较大的来控制设计深度。考虑弯矩时，可用下述近似方法确定。,作如左图所示的假设，即忽略嵌固处水平剪力影响，桩在岩层表面处弯矩MB作用下，绕嵌入深度h的1/2处转动；偏安全地不计桩底与岩石的摩阻力；不考虑桩底抵抗弯矩，MB由桩侧岩层产生的水平抗力平衡。并考虑到桩侧为圆性状曲面，其四周受力不均匀，假定最大应力为平均应力的1.27倍。,由以上假设，根据静力平衡条件(M=0)，便可列出下式：MH=1/2max/1.27dh/22h/3因此为了保证桩在岩层中嵌固牢靠，对桩周岩层产生的最大侧向压应力不应超过岩石的侧向容许抗力=1/KRc(K为安全系数，K=2)，所以得圆形截面柱桩嵌入岩层的最小深度计算公式如下：,上式中：h桩嵌入岩层的最小深度(m)d嵌岩桩嵌岩部分的设计直径(m)MH在岩层顶面处的桩身弯矩(kNm)，计算方法见本章第五节;岩石垂直极限抗压强度换算为水平极限抗压强度的折减系数=0.51.0，岩层侧面节理发达的取小值，节理不发达的取大值;Rc天然湿度的岩石单轴极限抗压强度(kPa)。由于式(3-114)中作了如上一些简化假设，且Rc值规定取法也偏安全，因此使用此式时，可结合具体情况考虑。考虑桩底轴向力计算嵌岩深度时，可按前面式(3-13)计算。为保证嵌固牢靠，在任何情况下均不计风化层，嵌入岩层最小深度不应小于0.5m。,(三)单排桩桩基础和多排桩桩基础的考虑,单排桩桩基与多排桩桩基的确定：主要根据受力情况，并与桩长、桩数的确定密切相关。多排桩稳定性好，抗弯刚度较大，能承受较大的水平荷载，水平位移小，但多排桩的设置将会增大承台的尺寸，增加施工困难，有时还影响航道;单排桩与此相反，能较好地与柱式墩台结构形式配用，可节省圬工，减小作用在桩基的竖向荷载。,因此，当桥跨不大、桥高较矮时，或单桩承载力较大，需用桩数不多时常采用单排排架式基础。公路桥梁自采用了具有较大刚度的钻孔灌注桩后，选用盖梁式承台双柱或多柱式单排墩台桩柱基础也较广泛，对较高的桥台，拱桥桥台，制动墩和单向水平推力墩基础则常需用多排桩。在桩基受有较大水平力作用时，无论是单排桩还是多排桩，若能选用斜桩或竖直桩配合斜桩的形式则将明显增加桩基抗水平力的能力和稳定性。,（四）其它,至于设计时将桩基按施工方式或按材料从打入桩、震动沉入桩、沉管灌注桩、钻(挖)孔灌注桩、管柱基础、钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢管桩等桩型的选择应根据地质情况、上部结构要求和施工技术设备条件等确定。所选定的桩型的施工工艺应适用于该地质条件，确保桩的质量，并具有技术合理性和经济优越性。,桩径、桩长的拟定,桩径与桩长的设计即基桩的外部尺寸的设计，它应综合考虑荷载的大小、土层性质及桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比、以及施工设备与技术条件等因素优选确定，力求做到既满足使用要求又造价经济，最有效地利用和发挥地基土和桩身材料的承载性能。设计时常先拟定尺寸，然后通过基桩计算和验算，视所拟定的尺寸是否经济合理，再作最后确定。,(一)桩径拟定当桩的类型选定后，桩的横截面(桩径)可根据各类桩的特点与常用尺寸(见本章第二节)，并考虑上述因素选择确定。(二)桩长拟定桩长确定的关键在于选择桩底持力层，因为桩底持力层对于桩的承载力和沉降有着重要影响，设计时可先根据地质条件选择适宜的桩底持力层初步确定桩长，并应考虑施工的可能性(如打桩设备能力或钻进的最大深度等)。一般总希望把桩底置于岩层或坚实的士层上，以得到较大的承载力和较小的沉降量。如在施工条,件容许的深度内没有坚实土层存在，应尽可能选择压缩性较低、强度较高的土层作为持力层，要避免把桩底坐落在软土层上或离软弱下卧层的距离太近，以免桩基础发生过大的沉降。对于摩擦桩，有时桩底持力层可能有多种选择，此时确定桩长与桩数两者相互牵连，遇此情况，可通过试算比较，选用较合理的桩长。摩擦桩的桩长不应拟定太短，一般不宜小于4m。因为桩长过短则达不到设置桩基把荷载传递到深层或减小基础下沉量的目的，且必然增加桩数很多、扩大了承台尺寸。也影响施工的进度。此外，为保证发挥摩擦桩桩底土层支承力，桩底端部应插入桩底持力层一定深度(插入深度与持力层土质、厚度及桩径等因素有关)一般不宜小于lm。,(一)桩的根数估算一个基础所需桩的根数可根据承台底面上的竖向荷载和单桩容许承载力按下式估算：n=N/P式中：n桩的根数；N作用在承台底面上的竖向荷载(kN)；P单桩容许承载力(kN)；考虑偏心荷载时各桩受力不均而适当增加桩数的经验系数，可取=1.11.2。,确定基桩的根数及其在平面的布置,估算的桩数是否合适，尚待验算各桩的受力状况后验证确定。桩数的确定理应还须考虑满足桩基础水平承载力要求的问题。若有水平静载试验资料，可用各单桩水平承载力之和作为桩基础的水平承载力(为偏安全考虑)来验核按式(上式)估算的桩数，但一般情况下，桩基水平承载力是由基桩的材料强度所控制，可对基桩的结构强度设计(如钢筋混凝土桩的配筋设计与截面强度验算)来满足，所以桩数仍以上式来估算。此外，桩数的确定与承台尺寸、桩长和桩的间距的确定相关连，确定时应综合考虑。,(二)桩的间距确定考虑桩与桩侧土的共同作用条件和施工的需要，对桩轴线中心距离(桩的间应有一定的要求。钻(挖)孔灌注桩的摩擦桩中心距不得小于2.5倍成孔直径，支承或嵌固在岩层的柱桩中心距不得小于2.0倍的成孔直径(矩形桩为边长)，桩的最大中心距一般也不超过5-6倍桩径。打入桩的中心距不应小于桩径(或边长)的从3.0倍，在软土地区尚宜适当增加。,如设有斜桩，桩的中心距在桩底处不应小于桩径的3.0倍，在承台底面不小于桩径的1.5倍;若用振动法沉入砂土内的桩，在桩底处的中心距不应小于桩径的4.0倍。管柱的中心距一般为管柱外径的2.03.0倍(摩擦桩)或2.0倍(柱桩)。为了避免承台边缘距桩身边近而发生破裂，并考虑桩顶位置允许的偏差，边桩外侧到承台边缘的距离，对于桩径小于或等于1.0m的桩不应小于0.5倍桩径，且不小于0.25m对于桩径大于1.0m的桩不应小于0.3倍桩径并不小于0.5m(盖梁不受此限)。,(三)桩的平面布置桩数确定后，可根据桩基受力情况选用单排桩桩基或多排桩桩基。多排桩的排列形式常采用：行列式(左图a)有利于施工。梅花式(左图b)在相同的承台底面积，可排列较多的基桩。桩基础中基桩的平面布置，除应满足上述的最小桩距等构造要求外，还应考虑基桩布置对桩基受力有利。,为使各桩受力均匀，充分发挥每根桩的承载能力，设计布置时应尽可能使桩群横截面的重心与荷载合力作用点重合或接近，通常桥墩桩基础中基桩采取对称布置，而桥台多排桩桩基础视受力情况在纵桥向采用非对称布置，当作用于桩基的弯矩较大时，宜尽量将桩布置在离承台形心较远处，采用外密内疏的布置方式，以增大基桩对承台形心或合力作用点的惯性矩，提高桩基的抗弯能力。此外，基桩布置还应考虑使承台受力较为有利，例如桩柱式墩台应尽量使墩柱轴线与基桩轴线重合，盖梁式承台的桩柱布置应使盖梁发生的正负弯矩接近或相等，以减小承台所承受的弯曲应力。,(一)单根基桩的检验,根据上述原则所拟定的桩基础设计方案应进行检验，即对桩基础的强度、变形和稳定性进行必要的验算，以验证所拟定的方案是否合理，需否修改，能否优选成为较佳的设计方案。为此，应计算基础及其组成部件(基桩与承台)在与验算项目相应的最不利荷载组合下所受到的作用力及相应产生的内力与位移(计算方法见本章第五节)，作下列各项验算：,桩基础设计方案检验,1单桩轴向承载力检验(1)按地基土的支承力确定和验算单桩轴向承载力。目前通常仍采用单一安全系数即容许应力法进行验算。首先根据地质资料确定单桩轴向容许承载力，对于一般性桥梁和结构物，或在各种工程的初步设计阶段可按经验(规范)公式计算;而对于大型、重要桥梁或复杂地基条件还应通静载试验或其他方法，并作详细分析比较，较准确合理地确定。随后，验算单桩容许承载力，应以最不利荷载组合计算出受轴向力最大的一根基桩进行验算(见本章第四节)。,(2)按桩身材料强度确定和检验单桩承载力。检验时，把桩作为一根压弯构件，按概率极限状态设计方法以承载能力极限状态验算桩身压屈稳定和截面强度，以正常使用极限状态验算桩身裂缝宽度（见本章第四节），2单桩横向承载检验当有水平静载试验资料时可以直接检验桩的水平容许承载是否满足地面处水平力作用，一般情况下桩身还作明有弯矩，或无水平静载试验资料时，均应验算桩身截面强度（见本章第四节）。对于预制桩还应验算桩起吊、运输时桩身强度(见本章第二节)。,3单桩水平位移检验现行规范未直接提及桩的水平位移验算，但规范规定需作墩台顶水平位移验算，在荷载作用下，墩台水平位移值的大小，除了与墩台本身材料受力变位外，取抉柱桩的水平位移及转角，因此墩台顶水平位移验算包含了对单桩水平位移检验。在荷载作用下，墩台顶水平位移不应超过规定的容许值即0.5L(cm)，其中L为桥孔跨径(以m计)。此外公桥基规可给出的地基土比例系数m值，是用于结构物在地面处水平位移最大值不超过6mm，水平位移较大时适当降低。因此，当采用规范给出的m值时，应计算地面处桩身的水平位移并对比规范要求，评定设计所取值是否合适。,4弹性桩单桩桩侧土的水平向土抗力强度检验正如前述此项需否检验目前尚无一致意见，考虑此项检验的目的在于保证桩侧土的稳定而不发生塑性破坏，予以安全储备，并确保桩侧土处于弹性状态，符合弹性地基梁法理论上的假设要求。检验时要求是桩侧土产生的最大土抗力不应超过其容许值。,(二)群桩基础承载力和沉降量的检验,当摩擦桩群桩基础的基桩中心距小于6倍桩径时，需检验群桩基础的承载力，包括桩底持力层承载力验算及软弱下卧层的强度验算;必要时还须验算桩基沉降量，包括总沉降量和相邻墩台的沉降差。,(三)承台强度检验,承台作为构件，一般应进行局部受压、抗冲剪、抗弯和抗剪强度验算(见本章第七节)。,桩基础设计计算步骤与程序,综合上述，桩基础设计是一个系统工程工作，包含着方案设计与施工图设计。为取得良好的技术与经济效果，有时(尤其对大桥或特大桥)应作几种方案比较或对已拟定方案修正使施工图设计成为方案设计的实施与保证。为阐明桩基础设计与计算的整个过程，现以下图来说明，也作为本章内容的扼要概括。,桩基础设计计算步骤与程序,桩的分类,1、按承载性质分摩擦型桩端承型桩,2、按桩的制作工艺分预制桩现浇桩3、按材料分4、按成桩方法分等,预制桩的施工方法,1、打入法采用打桩机,2、压入法采用压桩机,预制桩的构造,打入法施工过程,桩基打入时以及打桩结束后常会碰到的问题，原因是什么？该如何处理？,常见问题分析,打坏打歪打不下,桩顶、桩身打坏的原因和处理,1、打桩时，桩的顶部由于直接受到冲击而产生很高的局部应力-顶部的配筋应做特别的处理。,2、桩身的混凝土保护层太厚-主筋需摆正3、桩垫材料选用不合适或打坏-采用材质均匀、强度高、弹性好的桩垫4、桩的顶面与桩的轴线不垂直，局部受冲击-保证垂直度，及时纠正,5、过打现象。（由于桩尖通过硬层等原因，使桩下沉速度慢而施打时间长，锤击次数多或冲击能量过大）-分析土质，改善操作方法6、桩身的混凝土强度不高，或未达到养护期，影响了桩的强度。-加钢夹箍用螺栓拉紧焊牢,打歪的原因和处理,1、原因（1）桩顶不平、等桩的质量问题，（2）与操作有关，如：初入土时，桩身就歪斜，未及时纠正就施打。,2、处理方法1、保证打桩机的导架的垂直度2、桩尖要对准桩位，桩顶和桩帽要正确结合3、刚打时，要采用小落距，边打边检查，稳定后在按要求的落距打4、桩顶不平，产生桩尖偏心-保证桩的质量,打不下的原因和处理方法,1、桩顶或桩身已打坏，无法有效地传递荷载-拔出桩，与设计部门协商，再做处理。,2、土层中夹有较厚的砂层或其它硬土层，或者遇上钢渣、孤石等障碍物，仍进行盲目施打。-同设计勘探部门共同研究解决,3、由于土的固结作用，使桩身周围的土与桩牢固结合，钢筋混凝土桩变成了直径很大的土桩而承受荷载，很难继续将桩打下去-应在准备条件完善的前提下，保证连续施打4、一桩打下，邻桩上升。（由于桩身土体受到挤密和扰动，容易造成近地面的地表面隆起和水平移动-改变打桩的顺序，由中间向两边对称施打或中间向四周施打,打入法的特点和有效措施,1、特点土体挤压造成土体隆起和位移，对周围建筑物等存在危险，且噪音大2、措施开挖防震沟，搭隔离板桩等,五、桩基施工,桩基础是深基础应用最多的一种基础形式，它由若干个沉入土中的桩和连接桩顶的承台或承台梁组成。桩的作用是将上部建筑物的荷载传递到深处承载力较强的土层上，或将软弱土层挤密实以提高地基土的承载能力和密实度。,一、桩基工程施工,桩按受力情况分为端承桩和摩擦桩两种,桩按施工方法分为预制桩和灌注桩预制桩根据沉入土中的方法，可分打入桩、水冲沉桩、振动沉桩和静力压桩等；灌注桩是在桩位处成孔，然后放入钢筋骨架，再浇筑混凝土而成的桩。灌注桩按成孔方法不同，有钻孔灌注桩、挖孔灌注桩、冲孔灌注桩、套管成孔灌注桩及爆扩成孔灌注桩等。,（一）钢筋混疑土预制桩施工,钢筋混凝土预制桩：在预制构件厂或施工现场预制，用沉桩设备在设计位置上将其沉入土中，其特点：坚固耐久，不受地下水或潮湿环境影响，能承受较大荷载，施工机械化程度高，进度快，能适应不同土层施工。钢筋混凝土预制桩是我国目前广泛采用的一种桩型。,钢筋混凝土预制桩有方形实心断面桩和圆柱体空心断面桩。钢筋混凝土预制桩施工前，应根据施工图设计要求、桩的类型、成孔过程对土的挤压情况、地质探测和试桩等资料，制定施工方案。其主要内容包括：确定施工方法，选择打桩机械，确定打桩顺序，桩的预制、运输，以及沉桩过程中的技术和安全措施。,1.1施工准备,场地平整及周边障碍物处理定桩位及埋设水准点依据施工图设计要求，把桩基定位轴线桩的位置在施工现场准确地测定出来，并作出明显的标志。在打桩现场附近设置24个水准点，用以抄平场地和作为检查桩入土深度的依据。桩基轴线的定位点及水准点，应设置在不受打桩影响的地方。桩帽、垫衬和送桩设备机具准备,管桩及长度在10m以内的方桩在预制厂制作，较长的方桩在打桩现场制作。模板可以保证桩的几何尺寸准确，使桩面平整挺直；桩顶面模板应与桩的轴线垂直；桩尖四棱锥面呈正四棱锥体，且桩尖位于桩的轴线上；底模板、侧模板及重叠法生产时，桩面间均应涂刷好隔离层，不得粘结。,1.2桩的制作、运输、堆放,钢筋混凝土预制桩制作钢筋、模板施工,钢筋骨架的主筋连接宜采用对焊；主筋接头配置在同一截面内数量不超过50%；同一根钢筋两个接头的距离应大于30d0并不小于500mm。桩顶和桩尖直接受到冲击力易产生很高的局部应力，桩顶和桩尖钢筋配置(如图所示)应作特殊处理。钢筋骨架制作允许偏差应符合表1的规定。,表1预制桩钢筋骨架质量检验标准,混凝土制作宜用机械搅拌、机械振捣；浇筑混凝土过程中应严格保证钢筋位置正确，桩尖应对准纵轴线，纵向钢筋顶部保护层不宜过厚，钢筋网片的距离应正确，以防锤击时桩顶破坏及桩身混凝土剥落破坏。采用叠层法生产时，上层桩和邻桩浇筑，必须在下层和邻桩的混凝土强度达到设计强度的30%以后才能进行。浇筑完毕后，立即加强养护，防止由于混凝土收缩产生裂缝，养护时间不少于7d。钢筋混凝土预制桩的质量检验标准应符合表2的规定。,钢筋混凝土预制桩制作混凝土浇筑,表2钢筋混凝土预制桩的质量检验标准,钢筋混凝土预制桩应达到设计强度的70%才可起吊；达到100%设计强度才能运输和打桩。若提前吊运，必须采取措施并经过验算合格方可进行。桩在起吊搬运时，必须做到平稳，避免冲击和振动，吊点应同时受力，且吊点位置应符合设计规定。如无吊环，设计又未作规定时，绑扎点的数量及位置按桩长而定，应符合起吊弯矩最小的原则，可按图3所示的位置捆绑。,1.3打入法施工,打入法也称锤击法，是利用桩锤落到桩顶上的冲击力来克服土对桩的阻力，使桩沉到预定的深度或达到持力层的一种打桩施工方法。锤击沉桩是混凝土预制桩常用的沉桩方法，它施工速度快，机械化程度高，适用范围广，但施工时有冲撞噪声和对地表层有振动，在城区和夜间施工有所限制。,1.3.1打桩设备及选择,打桩设备包括桩锤、桩架和动力装置。,(1)桩锤桩锤可选用落锤、汽锤、柴油打桩锤和振动锤。落锤一般由铸铁制成。有穿心锤和龙门锤两种，重0.22t。它利用绳索或钢丝绳通过吊钩由卷扬机沿桩架导杆提升到一定高度，然后自由落下击打桩顶(如图4)。,汽锤是以高压蒸汽或压缩空气为动力的打桩机械，有单动汽锤和双动汽锤两种(如图5)。,柴油打桩锤利用燃油爆炸来推动活塞往返运动进行锤击打桩，柴油桩锤与桩架、动力设备配套组成柴油打桩机。振动锤是利用机械强迫振动，通过桩帽传到桩上使桩下沉。锤重选择应根据地质条件、工程结构、桩的类型、密集程度及施工条件等参考表3选用。,表3锤重选择表,(2)桩架履带式桩架(图6)以履带式起重机为主机，配备桩架工作装置而组成。操作灵活，移动方便，适用于各种预制桩和灌注桩的施工。,(3)动力装置打桩机械的动力装置是根据所选桩锤而定的。当采用空气锤时，应配备空气压缩机；当选用蒸汽锤时，则要配备蒸汽锅炉和绞盘。,1.3.2打桩顺序的确定,打桩顺序直接影响到桩基础的质量和施工速度，应根据桩的密集程度(桩距大小)、桩的规格、长短、桩的设计标高、工作面布置、工期要求等综合考虑，合理确定打桩顺序。根据桩的密集程度，打桩顺序一般分为逐段打设、自中部向四周打设和由中间向两侧打设三种，如图7所示。当桩的中心距不大于4倍桩的直径或边长时，应由中间向两侧对称施打(图7(c)，或由中间向四周施打(图7(b)。当桩的中心距大于4倍桩的边长或直径时，可采用上述两种打法，或逐排单向打设(图7(a)。,根据基础的设计标高和桩的规格，宜按先深后浅、先大后小、先长后短的顺序进行打桩。,1.3.3打桩,打桩机就位时，桩架应垂直平稳，导杆中心线与打桩方向一致。桩开始打入时，应控制锤的落距，采用短距轻击；待桩入土一定深度(12m)稳定以后，再以规定落距施打。桩的施打原则是重锤低击，这样桩锤对桩头的冲击小，回弹也小，桩头不易损坏，大部分能量都用于克服桩身与土的摩阻力和桩尖阻力上，桩能较快地沉入土中。桩入土深度是否已达到设计位置，是否停止锤击，其判断方法和控制原则与桩的类型有关。,打入预制桩第一节桩体,1.3.4打桩质量要求和测量记录,(1)打桩质量要求端承桩最后贯入度不大于设计规定贯入度数值时，桩端设计标高可作参考；摩擦桩端标高达到设计规定的标高范围时，贯入度可作参考。打(压)入桩(预制混凝土方桩、先张法预应力管桩、钢桩)的桩位偏差，必须符合表4的规定。桩的承载力检验,表4预制桩(钢桩)桩位的允许偏差,(2)混凝土预制桩施工记录打桩工程是隐蔽工程，施工中应做好每根桩的观测和记录，这是工程验收时检验质量的依据。各项观测数据应记入混凝土预制桩施工记录，见表5所示。,表5混凝土预制桩施工记录,1.3.5打桩施工常见问题的分析,在打桩施工过程中会遇见各种各样的问题，例如桩顶破碎，桩身断裂，桩身位移、扭转、倾斜，桩锤跳跃，桩身严重回弹等。发生这些问题的原因有钢筋混凝土预制桩制作质量、沉桩操作工艺和复杂土层等三个方面的原因。工程及施工验收规范规定，打桩过程中如遇到上述问题，都应立即暂停打桩，施工单位应与勘察、设计单位共同研究，查明原因，提出明确的处理意见，采取相应的技术措施后，方可继续施工。,(1)桩顶破碎打桩时，桩顶直接受到桩锤的冲击而产生很高的局部应力，如果桩顶钢筋网片配置不当、混凝土保护层过厚、桩顶平面与桩的中心轴线不垂直及桩顶不平整等制作质量问题都会引起桩顶破碎。在沉桩工艺方面，若桩垫材料选择不当、厚度不足，桩锤施打偏心或施打落距过大等也会引起桩顶破碎。(2)桩身被打断制作时，桩身有较大的弯曲凸肚，局部混凝土强度不足，在沉桩时桩尖遇到硬土层或孤石等障碍物，增大落距，反复过度冲击等都可能引起桩身断裂。,(3)桩身位移、扭转或倾斜桩尖四棱锥制作偏差大，桩尖与桩中心线不重合的制作原因，桩架倾斜，桩身与桩帽、桩锤不在同一垂线上的施工操作原因以及桩尖遇孤石等都会引起桩身位移、扭转或倾斜。(4)桩锤回跃，桩身回弹严重选择桩锤较轻，能引起较大的桩锤回跃；桩尖遇到坚硬的障碍物时，桩身则严重回弹。,1.3.6打桩过程中的注意事项,桩机就位后，桩架应垂直平稳，桩帽与桩顶应锁紧牢靠，连接成整体。打桩时，应密切观察桩身下沉贯入度的变化情况。在正常情况下，沉桩应连续施工，打入土的速度应均匀，应避免因间歇时间过长，土的固结作用而使桩难以下沉。打桩时振动大，对土体有挤压作用，可能影响周围建筑物、道路及地下管线的安全和正常使用，施工过程中要有专人巡视检查，及时发现和处理有关问题。严禁非施工人员进入打桩现场；对桩机的正常运行、桩架的稳定经常进行检查，严格按操作规程进行施工，确保安全。,1.3.7桩头的处理,在打完各种预制桩开挖基坑时，按设计要求的桩顶标高将桩头多余的部分截去。截桩头时不能破坏桩身，要保证桩身的主筋伸入承台，长度应符合设计要求。当桩顶标高在设计标高以下时，在桩位上挖成喇叭口，凿掉桩头混凝土，剥出主筋并焊接接长至设计要求长度，与承台钢筋绑扎在一起，用桩身同强度等级的混凝土与承台一起浇筑接长桩身。,1.4静力压桩,静力压桩是利用无噪声、无振动的静压力将桩压入土中，常用于土质均匀的软土地基的沉桩施工。静力压桩(图8)利用压桩架的自重和配重，通过卷扬机牵引，由钢丝绳、滑轮和压梁，将整个桩机的重力(8001500kN)反压在桩顶上，以克服桩身下沉时与土的摩擦力，迫使预制桩下沉。,静力压桩机,压桩施工一般采取分节压入、逐段接长的施工方法。接桩的方法目前有三种：焊接法(图9)、法兰螺栓连接法、硫磺浆锚法(图10)。,打入预制桩电焊接桩,（二）混疑土灌注桩施工,灌注桩：直接在桩位上用机械成孔或人工挖孔，在孔内安放钢筋、灌注混凝土而成型的桩。与预制桩相比，灌注桩具有不受地层变化限制，不需要接桩和截桩，节约钢材、振动小、噪声小等特点。灌注桩按成孔方法分为泥浆护壁成孔灌注桩、沉管灌注桩、干作业钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩等。,2.1干作业钻孔灌注桩,干作业钻孔灌注桩施工过程如图11所示。干作业成孔一般采用螺旋钻机钻孔。螺旋钻头外径分别为400mm、500mm、600mm，钻孔深度相应为12m、10m、8m。适用于成孔深度内没有地下水的一般粘土层、砂土及人工填土地基，不适于有地下水的土层和淤泥质土。钻机就位后，钻杆垂直对准桩位中心，开钻时先慢后快，减少钻杆的摇晃，及时纠正钻孔的偏斜或位移。,钻孔至规定要求深度后，进行孔底清土。清孔的目的是将孔内的浮土、虚土取出，减少桩的沉降。方法是钻机在原深处空转清土，然后停止旋转，提钻卸土。钢筋骨架的主筋、箍筋、直径、根数、间距及主筋保护层均应符合设计规定，绑扎牢固，防止变形。用导向钢筋送入孔内，同时防止泥土杂物掉进孔内。钢筋骨架就位后，应立即灌注混凝土，以防塌孔。灌注时，应分层浇筑、分层捣实，每层厚度5060cm。,2.2泥浆护壁成孔灌注桩,泥浆护壁成孔是利用泥浆保护稳定孔壁的机械钻孔方法。它通过循环泥浆将切削碎的泥石渣屑悬浮后排出孔外，适用于有地下水和无地下水的土层。成孔机械有潜水钻机、冲击钻机、冲抓锥等。泥浆护壁成孔灌注桩的施工工艺流程：测定桩位、埋设护筒、桩机就位、制备泥浆、机械(潜水钻机、冲击钻机等)成孔、泥浆循环出渣、清孔、安放钢筋骨架、浇筑水下混凝土。,2.2.1埋设护筒和制备泥浆,钻孔前，在现场放线定位，按桩位挖去桩孔表层土，并埋设护筒。护筒高2m左右，上部设12个溢浆孔，是用厚48mm钢板制成的圆筒，其内径应大于钻头直径200mm。护筒的作用是固定桩孔位置，保护孔口，防止地面水流入，增加孔内水压力，防止塌孔，成孔时引导钻头的方向。,钻孔灌注桩-护筒埋设,在钻孔过程中，向孔中注入相对密度为1.11.5的泥浆，使桩孔内孔壁土层中的孔隙渗填密实，避免孔内漏水，保持护筒内水压稳定；泥浆相对密度大，加大了孔内的水压力，可以稳固孔壁，防止塌孔；通过循环泥浆可将切削的泥石渣悬浮后排出，起到携砂、排土的作用。,2.2.2成孔,(1)潜水钻机成孔潜水钻机成孔示意图如图2.12所示。潜水钻机是一种旋转式钻孔机，其防水电机变速机构和钻头密封在一起，由桩架及钻杆定位后可潜入水、泥浆中钻孔。注入泥浆后通过正循环或反循环排渣法将孔内切削土粒、石渣排至孔外。,潜水钻机成孔排渣有正循环排渣和泵举反循环排渣两种方式，如图13所示。,正循环排渣法:在钻孔过程中，旋转的钻头将碎泥渣切削成浆状后，利用泥浆泵压送高压泥浆，经钻机中心管、分叉管送入到钻头底部强力喷出，与切削成浆状的碎泥渣混合，携带泥土沿孔壁向上运动，从护筒的溢流孔排出。泵举反循环排渣法:砂石泵随主机一起潜入孔内，直接将切削碎泥渣随泥浆抽排出孔外。,(2)冲击钻成孔冲击钻机通过机架、卷扬机把带刃的重钻头(冲击锤)提高到一定高度，靠自由下落的冲击力切削破碎岩层或冲击土层成孔(图14)。,冲击钻头形式有十字形、工字形、人字形等，一般常用十字形冲击钻头(图15)。冲孔前应埋设钢护筒，并准备好护壁材料。,冲击钻机就位后，校正冲锤中心对准护筒中心，在冲程0.40.8m范围内应低提密冲，并及时加入石块与泥浆护壁，直至护筒下沉34m以后，冲程可以提高到1.52.0m，转入正常冲击，随时测定并控制泥浆相对密度。施工中，应经常检查钢丝绳损坏情况，卡机松紧程度和转向装置是否灵活，以免掉钻。,(3)冲抓锥成孔冲抓锥(图16)锥头上有一重铁块和活动抓片，通过机架和卷扬机将冲抓锥提升到一定高度，下落时松开卷筒刹车，抓片张开，锥头便自由下落冲入土中，然后开动卷扬机提升锥头，这时抓片闭合抓土。冲抓锥整体提升至地面上卸去土渣，依次循环成孔。冲抓锥成孔施工过程、护筒安装要求、泥浆护壁循环等与冲击成孔施工相同。适用于松软土层(砂土、粘土)中冲孔，但遇到坚硬土层时宜换用冲击钻施工。,2.2.3清孔,验孔是用探测器检查桩位、直径、深度和孔道情况；清孔即清除孔底沉渣、淤泥浮土，以减少桩基的沉降量，提高承载能力。泥浆护壁成孔清孔时，对于土质较好不易坍塌的桩孔，可用空气吸泥机清孔，气压为0.5MPa，使管内形成强大高压气流向上涌，同时不断地补足清水，被搅动的泥渣随气流上涌从喷口排出，直至喷出清水为止。对于稳定性较差的孔壁应采用泥浆循环法清孔或抽筒排渣，清孔后的泥浆相对密度应控制在1.151.25。,2.2.4烧筑水下混疑土,泥浆护壁成孔灌注混凝土的浇筑是在水中或泥浆中进行的，故称为浇筑水下混凝土。水下混凝土宜比