项目五、桩基础设计与施工

1、1曾澄波曾澄波桩基础设计与施工教学过程桩基础设计与施工教学过程 过程12345组织教学组织教学复习提问复习提问讲授新课讲授新课巩固新课巩固新课布置作业布置作业 一、一、组织教学组织教学点名点名填写出勤表填写出勤表说明上课注意事项说明上课注意事项 二、复习提问二、复习提问 提问砖基础构造及施工砖基础构造及施工工艺？工艺？灰土基础构造？灰土基础构造？钢筋混泥土基础构钢筋混泥土基础构造及施工？造及施工？毛石基础构造？5 一、桩基础的类型一、桩基础的类型二、桩的受力机理二、桩的受力机理三、桩基础的设计三、桩基础的设计四、桩基础的施工四、桩基础的施工三、讲授新课6 一、桩基础的类型一、桩基础的类型1、按

2、、按承载性状承载性状分：分： 摩擦桩摩擦桩端承桩端承桩 桩顶的极限荷载主要靠桩身与桩顶的极限荷载主要靠桩身与周围土层之间的摩擦力来支承，并周围土层之间的摩擦力来支承，并考虑桩端阻力。考虑桩端阻力。 桩顶极限荷载主要靠桩尖处桩顶极限荷载主要靠桩尖处坚硬岩土层提供的反力来支承，坚硬岩土层提供的反力来支承，并考虑桩侧阻力。并考虑桩侧阻力。PsPsP72、按、按使用功能使用功能分：分： 竖向抗压桩竖向抗压桩竖向抗拔桩竖向抗拔桩水平受荷桩水平受荷桩复合受荷桩复合受荷桩 主要承受竖向下压荷载（简称主要承受竖向下压荷载（简称竖向荷载竖向荷载）的桩）的桩，应进行，应进行竖向承载力竖向承载力计算，必要时还需计算

3、计算，必要时还需计算桩基桩基沉降沉降，验算，验算软弱下卧层软弱下卧层的承载力以及的承载力以及负摩阻力负摩阻力产产生的下拉荷载。生的下拉荷载。 主要承受竖向上拔荷载的桩，应进行主要承受竖向上拔荷载的桩，应进行桩身强度桩身强度和和抗裂计算抗裂计算以及以及抗拔承载力抗拔承载力验算。验算。 主要承受水平荷载的桩，应进行主要承受水平荷载的桩，应进行桩身强度桩身强度和和抗抗裂验算裂验算以及以及水平承载力水平承载力和和位移验算位移验算。 承受竖向、水平荷载均较大的桩，应按承受竖向、水平荷载均较大的桩，应按竖向抗竖向抗压（或抗拔）桩压（或抗拔）桩及及水平受荷桩水平受荷桩的要求进行验算。的要求进行验算。83 3

4、、按成桩方式分、按成桩方式分 非挤土桩非挤土桩 分为干作业法钻（挖）孔灌注桩、泥浆护壁分为干作业法钻（挖）孔灌注桩、泥浆护壁法钻孔灌注桩、套管护壁法钻孔灌注桩；法钻孔灌注桩、套管护壁法钻孔灌注桩； 部分挤土桩部分挤土桩 分为冲孔灌注桩、挤扩孔灌注桩、预钻孔沉分为冲孔灌注桩、挤扩孔灌注桩、预钻孔沉桩、敞口预应力混凝土管桩等；桩、敞口预应力混凝土管桩等； 挤土桩挤土桩 分为沉桩（锤击、静压、振动沉入的预制桩分为沉桩（锤击、静压、振动沉入的预制桩及闭口预应力混凝土管桩等）。及闭口预应力混凝土管桩等）。 9 4 4、按承台位置分、按承台位置分 低桩承台低桩承台 高桩承台高桩承台承台承台桩桩上部结构上部

5、结构承台承台桩桩上部结构上部结构10二、桩的受力机理二、桩的受力机理 1 1、单桩轴向荷载的受力特点单桩轴向荷载的受力特点 孤立的一根桩称为孤立的一根桩称为单桩单桩，群桩中性能不受邻，群桩中性能不受邻桩影响的一根桩可视为单桩。桩影响的一根桩可视为单桩。 在轴向荷载作用下，桩身将发生在轴向荷载作用下，桩身将发生压缩变形压缩变形；同时桩顶部分荷载通过桩身传递到桩底，致使桩同时桩顶部分荷载通过桩身传递到桩底，致使桩底土层发生底土层发生压缩变形压缩变形，这两部分压缩变形之和构，这两部分压缩变形之和构成成桩顶轴向位移桩顶轴向位移。 由于由于桩与桩周土体的紧密接触，当桩相对于桩与桩周土体的紧密接触，当桩相

6、对于土向下位移时，桩侧表面受到土向上的土向下位移时，桩侧表面受到土向上的摩阻力摩阻力。 11 在桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，在桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断地克服这种摩阻力，故桩身截面必须不断地克服这种摩阻力，故桩身截面的轴向力随深度逐渐减小，传至桩底截面的轴向力随深度逐渐减小，传至桩底截面的轴向力为桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力，的轴向力为桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力，并与桩底支承反力（即并与桩底支承反力（即桩端阻力桩端阻力）大小相）大小相等、方向相反。等、方向相反。 桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体，即土对桩的支承力由递给土体，即土对桩的支承

7、力由桩侧阻力桩侧阻力和和桩端阻力桩端阻力两部分组成。两部分组成。12单桩在轴向荷载作用下，桩身的单桩在轴向荷载作用下，桩身的截面位移截面位移、桩侧的摩阻力桩侧的摩阻力分布以及分布以及轴力轴力分布见下图。分布见下图。Lzdz011SN0=PN1PPOOPONZa)b)c)PPZNZd) a) 竖向受压的单桩；b)截面位移曲线；c)摩阻力分布曲线；d)轴力分布曲线13 桩侧摩阻力是桩截面对桩周土的相对桩侧摩阻力是桩截面对桩周土的相对位移的函数位移的函数 qs= f(s)，可用下图中的曲线，可用下图中的曲线OCD表示，且常简化为折线表示，且常简化为折线OAB。AB段段表示一旦桩土界面相对滑移超过某一

8、极限表示一旦桩土界面相对滑移超过某一极限值，侧摩阻力将保持极限值不变。值，侧摩阻力将保持极限值不变。14桩截面位移桩截面位移桩侧摩阻力桩侧摩阻力OCDAB15 桩侧摩阻力达到极限值所需的桩土滑桩侧摩阻力达到极限值所需的桩土滑移极限值则与土的类别有关、而与桩径大移极限值则与土的类别有关、而与桩径大小无关，根据试验资料约为小无关，根据试验资料约为46mm（对（对粘粘性土性土）或）或610mm（对（对砂类土砂类土）。）。 桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质、成桩方法等许多因素有关。别和性质、成桩方法等许多因素有关。16 单桩受荷过程中桩端阻力的发挥不仅滞后单

9、桩受荷过程中桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥所需的桩底位移于桩侧阻力，而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移值比桩侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移值大的多。根据小型桩试验所得的桩底极限位值大的多。根据小型桩试验所得的桩底极限位移值，对砂类土约为移值，对砂类土约为d/12d/10，对粘性土约为，对粘性土约为d/10d/4（d为桩径）。为桩径）。当桩端持力层为砂土时，按照粉砂当桩端持力层为砂土时，按照粉砂1000kPa1000kPa、细砂、细砂1150kPa1150kPa，中砂、粗砂、砾砂，中砂、粗砂、砾砂1450kPa1450kPa三大类规定了三大

10、类规定了q qr r上限。当桩端持力层为碎石土时，取上限。当桩端持力层为碎石土时，取2750kPa2750kPa为为 q qr r 的的上限。上限。172 2、单桩在竖向受压荷载作用下的破坏模式、单桩在竖向受压荷载作用下的破坏模式 （1 1）屈曲破坏：桩的）屈曲破坏：桩的承载力取决于桩身的材承载力取决于桩身的材料强度；料强度；（2 2）整体剪切破坏：）整体剪切破坏：桩的承载力取决于桩底桩的承载力取决于桩底土的支承力；土的支承力；（3 3）刺入破坏：主要）刺入破坏：主要由桩侧摩阻力承担。由桩侧摩阻力承担。sssc)b)a)POZOOPSZZSSPPPPOOO183 3、单桩竖向容许承载力的确定、

11、单桩竖向容许承载力的确定定义：指单桩在竖向荷载作用下，地基土和定义：指单桩在竖向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载。载。19（一）、原型试验法（一）、原型试验法 原型静载荷试验是传统的也是最可靠的原型静载荷试验是传统的也是最可靠的确定承载力的方法。它不仅可确定桩的极限确定承载力的方法。它不仅可确定桩的极限承载力，而且通过埋设各类测试元件可获得承载力，而且通过埋设各类测试元件可获得桩身轴力、桩侧阻力、桩端阻力、荷载桩身轴力、桩侧阻力、桩端阻力、荷载沉沉降关系等诸多资

12、料。降关系等诸多资料。20锚桩横梁方式 千斤顶 基 准 梁 试桩 锚桩试验装置示意图 次梁 拉杆 锚桩主筋 锚桩 试桩 次梁 基准梁 基准桩 主梁 锚桩主梁 21压重平台方式次梁 主梁 支 承 墩 支 承 墩 千斤顶 千斤顶 堆载试验装置示意图 22 由于土体因打桩扰动而降低的强度有待由于土体因打桩扰动而降低的强度有待随时间而恢复，在桩身强度达到设计要求随时间而恢复，在桩身强度达到设计要求的前提下，桩设置后开始载荷试验所需的的前提下，桩设置后开始载荷试验所需的间歇时间：对于间歇时间：对于砂类土砂类土不得少于不得少于10天天；粉粉土和粘性土土和粘性土不得少于不得少于15天天，饱和软粘土饱和软粘土

13、不不得少于得少于25天天。 23 在同一条件下，进行静载荷试验的桩在同一条件下，进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的数不宜少于总桩数的1%，工程桩总桩数在，工程桩总桩数在50根以内时根以内时不应少于不应少于2根根，其他情况不应，其他情况不应少于少于3根根。 24 单桩静载荷试验所得的荷载单桩静载荷试验所得的荷载沉降沉降（Qs）关系曲线可大体分为）关系曲线可大体分为陡降型陡降型（A）和和缓变型缓变型（B）两类形态。）两类形态。uABuu/单桩荷载沉降曲线图5-3QsOQsQA-陡降型； B缓变型陡降型陡降型缓变型缓变型25 对桩底持力层不坚实、桩径不大、破对桩底持力层不坚实、桩径不大、破坏时桩端

14、刺入持力层的桩，其曲线多呈坏时桩端刺入持力层的桩，其曲线多呈“急进破坏急进破坏”的陡降型，相应于破坏时的的陡降型，相应于破坏时的特征点明显，可确定单桩极限承载力。特征点明显，可确定单桩极限承载力。 对桩底为非密实砂类土或粉土、清孔对桩底为非密实砂类土或粉土、清孔不净残留虚土、桩底面积大、桩底塑性区不净残留虚土、桩底面积大、桩底塑性区26随荷载增长逐渐扩展的桩，则呈随荷载增长逐渐扩展的桩，则呈“渐进破渐进破坏坏”的缓变型，其曲线不具有表示变形性的缓变型，其曲线不具有表示变形性质突变的明显特征点，因而较难确定极限质突变的明显特征点，因而较难确定极限承载力。为了发挥这类桩的潜力，其极限承载力。为了发

15、挥这类桩的潜力，其极限承载力宜按建筑物所能承受的最大沉降确承载力宜按建筑物所能承受的最大沉降确定。定。27（二）、按设计规范公式确定单桩竖（二）、按设计规范公式确定单桩竖向容许承载力向容许承载力单桩竖向容许承载力单桩竖向容许承载力P P= =（极限桩侧阻（极限桩侧阻力力P Psusu+ +极限桩端阻力极限桩端阻力PbPbu u ）/ /安全系数安全系数 28（1）摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值计算摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值计算 例题：钻（挖）孔灌注桩的承载力容许值计算算例例题：钻（挖）孔灌注桩的承载力容许值计算算例 资料：某桥梁工程采用钻孔灌注桩基础，直径1m，长度40m，承台高度2.5m

16、，无冲刷情况，地面开挖深度2.7m，承台底面标高为-3.700m，天然地面标高为-1.000m，桩底标高-42.900m，地下水位标高为-8.500m。工程地质情况如下：软塑粘性土，层厚10.3m，重度为17.3kN/m3；中密粉砂，层厚26.85m，重度为19.3kN/m3；密实碎石，层厚22m，重度为18.6kN/m3。桩端沉渣厚度0.3m。29采用规范中的计算公式 ： * *桩身自重标准值与置换土重标准值（当桩重计入浮力时，桩身自重标准值与置换土重标准值（当桩重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑。置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑。当桩端持力层为砂土时，按照粉砂当桩端

17、持力层为砂土时，按照粉砂1000kPa1000kPa、细砂、细砂1150kPa1150kPa，中砂、粗砂、砾砂中砂、粗砂、砾砂1450kPa1450kPa三大类规定了三大类规定了q qr r上限。上限。当桩端持力层为碎石土时，取当桩端持力层为碎石土时，取2750kPa2750kPa为为 q qr r 的上限。的上限。naik ipri 112Ruq lA qr0a0223qmfkh30 上述公式中参数取值如下： 取承台底面下各土层的厚度，粘土层7.6m，粉砂层26.85m，碎石层4.75m。 宜采用单桩摩阻力试验确定，由于无实验条件，利用土质情况查规范取粘性土 40kPa，粉砂 45kPa，碎

18、石45kPa。 m0 为清底系数，根据t/d0.3，按规范查得为0.7。ilikqikqikqikq31 根据桩端土为碎石（透水性土），l/d=40,查规范中表 =0.85。 h按实际开挖后的地面线起算，按39.2m计算。 K2 根据桩端持力层为密实碎石按规范取K2 =10.0。 2为桩端以上各土层的加权平均重度（kN/m3），由于持力层为透水层，水中部分土层取浮重度计算。32 为桩端土的承载力基本容许值，按规范中表确定为900kPa。 结合上述参数可以求解钻孔灌注桩单桩承载力如下： 取 a0f32/76.102 .39/ )6 . 875. 43 . 985.263 .176 . 7(MkN

19、0afkPakPaqr27501 .2853) 32 .39(76.100 .1090085. 07 . 0kPaqr2750kNRa6 .486827500 . 14/)4575. 485.26456 . 740(0 . 15 . 033（2 2）支承在基岩上或嵌入基岩内桩的受压承载力容许值计算 例题：某大桥Sz2号采用钻孔灌注桩试桩，桩径为1m，桩长60.5m，桩身混凝土强度等级C40，地质情况为：淤泥质土，埋深0-39.7m；粉质粘土，埋深-39.7-50.6m；全、强风化基岩，中风化凝灰岩。桩嵌岩持力层为中风化凝灰岩，岩层较完整，深度1.5m，岩石饱和单轴抗压强度标准值10MPa。 3

20、4 规范采用的计算公式 上述公式中参数取值如下： 为清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，查规范取 。 为根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的桩侧阻力发挥系数，查规范取。 mna1prk2iirkisiiki=1i=112Rc A fuc h ful q1c0.75 0.60.452ic0375. 005. 075. 035 为桩嵌入各岩层部分的厚度（m），取1.5m，不包括强风化层和全风化层。 为岩石饱和单轴抗压强度标准值取10MPa，粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，当小于2MPa时按摩擦桩计算。 为覆盖层土的侧阻力发挥系数，由于2MPa 10MPa 4d。根据

21、前述确定单桩承根据前述确定单桩承载力特征值载力特征值1单桩的静载荷试验单桩的静载荷试验2 其他现场试验其他现场试验3原位测试原位测试4 经验方法经验方法初估桩数初估桩数nFk 竖向荷载效应的标竖向荷载效应的标准组合准组合Gk 设计地面下承台底设计地面下承台底面以上结构和土的自面以上结构和土的自重，容重用重，容重用20kN/m3桩距桩距 摩擦桩一般摩擦桩一般2.5d扩底灌注桩扩底灌注桩扩底直径扩底直径的的1.5倍倍群桩承载力合力作用群桩承载力合力作用点与长期荷载的重心点与长期荷载的重心重合重合akkRGFn承载力验算采用正常承载力验算采用正常使用极限状态下荷载使用极限状态下荷载效应的基本组合效应

22、的基本组合沉降验算采用正常使沉降验算采用正常使用极限状态下荷载效用极限状态下荷载效应的准永久组合应的准永久组合承台和桩身强度验算承台和桩身强度验算时采用承载能力极限时采用承载能力极限状态下荷载效应的状态下荷载效应的基基本组合本组合承台尺寸、厚度承台尺寸、厚度承台的抗冲切、抗弯、承台的抗冲切、抗弯、抗剪验算抗剪验算钢筋混凝土桩的配筋钢筋混凝土桩的配筋等设计等设计57 四、桩基础的施工四、桩基础的施工 施工主要工序： （1）准备工作 场地准备 旱地 ： 浅水： 深水：平整 、夯实场地围囹法筑岛场地准备埋设护筒制备泥浆钻孔清孔钢筋笼入孔 灌注水下混凝土等。58（2）埋设护筒护筒的作用护筒的埋置深度固

23、定桩位、导向头 、隔离地面水 、保护孔口 、提高水位。 黏土、粉土 砂土土岛护筒顶护筒厚度钢48mm钢筋混凝土： 810cm地下1.0m地下2.0m河床底面以下1.0m高出施工水位2.0m,地面以上0.5m。59（3）泥浆制备护壁机理其他作用土质孔壁土体液态支撑；形成泥皮稳定孔壁。 悬浮钻渣、润滑钻具 、正循环排渣。膨润土，水的PH值78之间，不含杂质。60钻孔方法地层情况泥浆性能指标相对密度粘度(Pas)含砂率()胶体率()失水率(ml30min)泥皮厚(mm/30min)静切力(Pa)酸碱度(pH)正循环一般地层易坍地层1.051.201.201.451622192884849696251

24、5221.02.2535810810反循环一般地层易坍地层卵石土1.021.061.061.101.101.1516201828203544495959520202033312.512.512.5810810810推钻冲抓一般地层1.101.201824495312.5811冲击易坍地层1.201.40223049533581161泥浆池62冲击法冲抓法旋转法钻孔 钻 孔63冲击钻孔适用于含有漂卵石、大块石的土层及岩层，也能用于其他土层。成孔深度一般不宜超过50m。64 冲抓钻机钻孔冲抓钻机钻孔 冲抓成孔适用于粘性土、砂性土及夹有碎卵石的砂砾上层。成孔深度宜小于30m。65 旋转钻机钻孔正循环

25、钻进施工：正循环钻进施工：适用适用于淤泥、粘性土、砂土以及砾卵石粒径小于10cm含量少于20%的碎石土.反循环钻机施工：反循环钻机施工：适用于粘性土、砂土以及砾卵石粒径小于钻杆内径2/3,含量少于20%的碎石土,软岩.其钻进与排渣效率较高,但接长钻杆时装卸麻烦,钻渣容易堵塞管路.6667反循环钻结构示意图68常见事故：坍孔、钻孔漏浆、孔身 倾斜、埋钻、糊钻、扩孔、缩孔。 钻孔事故69 清孔目的方法减薄沉淀，提高孔底承载力。沉渣厚度：柱5cm；摩擦柱30cm。抽渣法、吸泥法、换浆法。及时清孔防泥浆沉淀；补充清水和新泥浆，保持水位。柱桩灌注前，应射水冲孔35min，水压0.05MPa。 清孔施工要

26、点70项 目允 许 偏 差孔的中心位置(mm)群桩：100；单排桩：50孔径(mm)不小于设计桩径倾斜度钻孔：小于1%；挖孔：小于0.5%孔深摩擦桩：不小于设计规定支承桩：比设计深度超深不小于50mm沉淀厚度(mm)摩擦桩：符合设计要求，当设计无要求时，对于直径1.5m的桩，300mm；对桩径1.5m或桩长40m或土质较差的桩，500mm。支承桩：直径1.5m的桩，t50mm；对桩径1.5m的桩，t100mm。清孔后泥浆指标相对密度：1.031.10；粘度：1720Pas；含砂率：98%钻、挖孔成孔质量标准71(5)钢筋骨架及导管钢筋骨架及导管1 1、钢筋骨架、钢筋骨架: : 由主筋、加强筋、螺旋箍筋、定位筋四部分组成,其构造应满足设计要求。2 2、导管、导管: : 一般选用刚性导管，刚性导管用钢管制成,内径一般为2535cm,每节长约45m,用端头法兰盘螺栓连接,接头间夹有橡胶垫防止密水。 导管使用前应进行必要的水密、承压和接头抗拉等试验。7273 钢筋笼入孔74超声波检测管753 3、漏斗、溜槽、储料斗：、漏斗、溜槽、储料斗： （1 1）漏斗：）漏斗： （2 2）