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2.桩的分类
◆预制桩与灌注桩
(1)预制桩
预制桩按所用材料的不同,可分为混凝土预制桩、钢桩和木桩。
混凝土预制桩桩身质量较好,桩端可达坚硬粘性土层或强风化岩层,承载能力高,施工工期较短。
缺点是用钢量较大,造价较高。
(2)灌注桩
混凝土灌注桩用钢量较省,桩长可根据需要取定,桩身可以做成大直径,也可扩大底部。
与预制桩相比,灌注桩的质量较不易保证。
沉管灌注桩直径多采用300~500mm,桩长常在20m以内,桩尖可打至硬塑粘土层或中粗砂层。
这种桩施工设备简单、施工进度快、成本低,但易产生缩颈、断桩、局部夹土、混凝土离析和强度不足等质量问题,故目前已较少采用。
钻孔灌注桩直径较大,能在各种土层条件下施工,桩端一般进入岩层,承载力较高。
人工挖孔桩的直径不宜小于1m。
其优点是:
可直接观察地层情况,孔底可清除干净,设备简单,噪音小,适应性强,较经济。
缺点是在流砂层及软土层中难于成孔,甚至无法成孔,易因塌孔、缺氧、触电等造成伤亡事故。
◆端承型桩和摩擦型桩
(1)端承型桩
桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受的桩称为端承型桩。
其桩端一般进入中密以上的砂类、碎石类土层,或位于中风化、微风化和未风化岩层。
端承型桩可分为端承桩和摩擦端承桩两类。
桩侧阻力很小可以忽略不计时,称为端承桩。
端承桩的长径比较小(一般l/d≤10),桩身穿越软弱土层,桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或中风化、微风化及未风化岩层中。
桩端嵌入完整和较完整的中风化、微风化、未风化硬质岩体,且嵌入深度不小于0.5m的桩,称为嵌岩桩。
嵌岩桩一般按端承桩设计。
(2)摩擦型桩
桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受的桩称为摩擦型桩。
摩擦型桩的桩端持力层多为较坚实的粘性土、粉土和砂类土。
摩擦型桩可分为摩擦桩和端承摩擦桩两类。
桩端阻力很小可以忽略不计时,称为摩擦桩。
例如:
①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,因而桩端下土层无论坚实与否,其分担的荷载都很小;
②桩端下无较坚实的持力层;
③桩底残留虚土或残渣较厚的灌注桩;
④打入邻桩使先设置的桩上抬、甚至桩端脱空等情况。
◆挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩
(1)挤土桩
实心的预制桩、下端封闭的管桩、木桩以及沉管灌注桩等打入桩,在锤击、振动贯入或压入过程中,都将桩位处的土大量排挤开,因而使桩周土层受到严重扰动,土的原状结构遭到破坏,土的工程性质有很大变化。
粘性土由于重塑作用,开始时抗剪强度有所下降,随后随着超孔隙水压力的消散,桩周土开始固结,抗剪强度随之提高,最终超过其天然强度;
而非密实的无粘性土则由于振动挤密而使抗剪强度提高。
(2)部分挤土桩
开口的钢管桩、H型钢桩和开口的预应力混凝土管桩,在成桩过程中,都对桩周土体稍有挤土作用,但土的原状结构和工程性质变化不大。
因此,由原状土测得的物理力学性质指标一般可用于估算部分挤土桩的承载力和沉降。
(3)非挤土桩
先钻孔后再打入的预制桩和钻(冲或挖)孔桩,在成桩过程中,都将与桩体积相同的土体挖出,故设桩时桩周土不但没有受到排挤,相反可能因桩周土向桩孔内移动而产生应力松弛现象。
因此,非挤土桩的桩侧、桩端阻力常有所减小。
3.单桩轴向荷载的传递
◆单桩轴向荷载的传递
逐级增加单桩桩顶荷载时,桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移,从而使桩侧表面受到土的向上摩阻力。
随着荷载增加,桩身压缩和位移随之增大,遂使桩侧摩阻力从桩身上段向下渐次发挥;
桩底持力层也因受压引起桩端反力,导致桩端下沉、桩身随之整体下移,这又加大了桩身各截面的位移,引发桩侧上下各处摩阻力的进一步发挥。
当沿桩身全长的摩阻力都到达极限值之后,桩顶荷载增量就全归桩端阻力承担,直到桩底持力层破坏、无力支承更大的桩顶荷载为止。
此时,桩顶所承受的荷载就是桩的极限承载力。
由此可见,单桩轴向荷载的传递过程就是桩侧阻力与桩端阻力的发挥过程。
桩顶荷载通过发挥出来的侧阻力传递到桩周土层中去,从而使桩身轴力与桩身压缩变形随深度递减(图11-1)。
一般说来,靠近桩身上部的土层侧阻力先于下部土层发挥,侧阻力先于端阻力发挥。
桩侧摩阻力达到极限值τu所需的桩-土相对位移极限值δu基本上只与土的类别有关、而与桩径大小无关,根据试验资料约为4~6mm(对粘性土)或6~10mm(对砂类土)。
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值比桩侧摩阻力到达极限所需的桩身截面位移值大得多,根据小型桩试验所得的桩底极限位移δu值,对砂类土约为
d/12~d/10,对粘性土约为d/10~d/4(d为桩径)。
图11-1单桩轴向荷载传递
(a)微桩段的作用力;
(b)轴向受压的单桩;
(c)截面位移曲线
(d)摩阻力分布曲线;
(e)轴力分布曲线
从图11-1中可以看出:
①桩顶位移s大于桩端位移δl,其关系为:
s=δl+桩身压缩量;
②桩身上段桩土相对位移较大,桩侧摩阻力得以发挥,此时摩阻力的大小与桩侧土的竖向有效应力成正比,故摩阻力随深度而增大;
桩身下段桩土相对位移随深度增大而减小,摩阻力无法发挥出来,故摩阻力逐渐减小;
③桩顶轴力N0最大(N0=Q),桩端轴力Nl(即桩端阻力)最小,Q=Nl+∑uτili。
对端承桩,Nl≈Q。
◆桩侧负摩阻力
在桩顶竖向荷载作用下,当桩相对于桩侧土体向下位移时,土对桩产生的向上作用的摩阻力,称为正摩阻力。
但是,当桩侧土体因某种原因而下沉,且其下沉量大于桩的沉降(即桩侧土体相对于桩向下位移)时,土对桩产生的向下作用的摩阻力,称为负摩阻力(图11-2a)。
产生负摩阻力的情况有多种,例如:
位于桩周欠固结的软粘土或新填土在重力作用下产生固结;
大面积堆载使桩周土层压密;
在正常周结或弱超固结的软粘土地区,由于地下水位全面降低(例如长期抽取地下水),致使有效应力增加,因而引起大面积沉降;
自重湿陷性黄土浸水后产生湿陷;
地面因打桩时孔隙水压力剧增而隆起、其后孔压消散而固结下沉等。
图11-2单桩在产生负摩阻力时的荷载传递
(a)单桩;
(b)位移曲线;
(c)桩侧摩阻力分布曲线;
(d)桩身轴力分布曲线
1-土层竖向位移曲线;
2-桩的截面位移曲线;
图11-2表示单桩在产生负摩阻力时的荷载传递情况。
图中O1点为桩土之间没有产生相对位移的截面位置,称为中性点。
在O1点之上,土层相对于桩身向下位移,桩侧出现负摩阻力;
在O1点之下,土层相对向上位移,桩侧产生正摩阻力。
在中性点处桩身轴力达到最大值(Q+Fn)。
由于桩侧负摩阻力是由桩周土层的固结沉降引起的,因此负摩阻力的产生和发展要经历一定的时间过程,这一时间过程的长短取决于桩自身沉降完成的时间和桩周土层固结完成的时间。
由于土层竖向位移和桩身截面位移都是时间的函数,因此中性点的位置、摩阻力以及桩身轴力都将随时间而有所变化。
如果在桩顶荷载作用下的桩自身沉降已经完成,以后才发生桩周土层的固结,那么土层固结的程度和速率是影响负摩阻力的大小和分布的主要因素。
固结程度高,地面沉降大,则中性点往下移;
固结速率大,则负摩擦力增长快。
不过负摩阻力的增长要经过一定时间才能达到极限值。
在这个过程中,桩身在负摩阻力作用下产生压缩。
随着负摩阻力的产生和增大,桩端处的轴力增加,桩端沉降也增大了。
这就必然带来桩土相对位移的减小和负摩阻力的降低,而逐渐达到稳定状态。
桩侧负摩阻力的产生,使桩的竖向承载力减小,而桩身轴力加大,因此,负摩阻力的存在对桩基础是极为不利的。
对可能出现负摩阻力的桩基,宜按下列原则设计:
①对于填土建筑场地,先填土并保证填土的密实度,待填土地面沉降基本稳定后再成桩;
②对于地面大面积堆载的建筑物,采取预压等处理措施,减少堆载引起的地面沉降;
③对位于中性点以上的桩身进行处理,以减少负摩阻力;
④对于自重湿陷性黄土地基,采取强夯、挤密土桩等先行处理,消除上部或全部土层的自重湿陷性;
⑤采用其他有效而合理的措施。
4.单桩竖向承载力的确定
◆单桩竖向承载力的确定,取决于二方面:
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。
◆静载荷试验
挤土桩在设置后须隔一段时间才开始载荷试验。
这是由于打桩时土中产生的孔隙水压力有待消散,且土体因打桩扰动而降低的强度也有待随时间而部分恢复。
为了使试验能反映真实的承载力值,所需的间歇时间是:
预制桩在砂土中不得少于7d;
粘性土不得少于15d;
饱和软粘土不得少于25d。
灌注桩应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行。
在同一条件下,进行静载荷试验的桩数不宜少于总桩数的1%,且不应少于3根。
单桩竖向静载荷试验的极限承载力必须进行统计,计算参加统计的极限承载力的平均值,当满足其极差不超过平均值的30%时,可取其平均值为单桩竖向极限承载力Qu;
当极差超过平均值的30%时,宜增加试桩数并分析离差过大的原因,结合工程具体情况确定极限承载力Qu。
对桩数为3根及3根以下的柱下桩台,则取最小值为单桩竖向极限承载力Qu。
将单桩竖向极限承载力Qu除以安全系数2,作为单桩竖向承载力特征值Ra。
◆静力触探及标准贯入试验
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准贯入试验参数确定单桩竖向承载力特征值Ra。
◆按规范经验公式确定单桩竖向承载力特征值
初步设计时,单桩竖向承载力特征值Ra可按下式估算:
(11-1)
式中qpa、qsia——桩端阻力、桩侧阻力特征值,由当地静载荷试验结果统计分析算得;
Ap——桩底横截面面积;
up——桩身周边长度;
li——第i层岩土的厚度。
对桩端嵌入完整或较完整的硬质岩中的端承桩,单桩竖向承载力特征值可按下式估算:
(11-2)
式中qpa为桩端岩石承载力特征值。
5.竖向荷载下的群桩效应
◆群桩效应
由2根以上桩组成的桩基称为群桩基础。
在竖向荷载作用下,由于承台、桩、土相互作用,群桩基础中的一根桩受荷时的承载力和沉降性状,往往与相同地质条件和设置方法的同样独立单桩有显著差别,这种现象称为群桩效应。
因此,群桩基础的承载力(Qg)常不等于其中各根单桩的承载力之和(∑Qi)。
通常用群桩效应系数(η=Qg/∑Qi)来衡量群桩基础中各根单桩的平均承载力比独立单桩降低(η<
1)或提高(η>
1)的幅度。
◆端承型群桩基础的群桩效应
端承型群桩基础中各根单桩的工作性状接近于独立单桩,群桩基础承载力等于各根单桩承载力之和,群桩效应系数η=1。
◆摩擦型群桩基础的群桩效应
当摩擦型桩的桩距过小时,各桩的桩端压力分布面积会互相交错重叠而使附加应力σz增大,从而使群桩沉降量增加。
因此,在单桩与群桩沉降量相同的条件下,群桩中每根桩的平均承载力常小于单桩承载力,即群桩效应系数η<
1。
一些试验资料表明,当桩距小于3d(d为桩径)时,桩端处应力重叠现象严重;
当桩距大于6d时,应力重叠现象较小。
对打入较疏松的砂类土和粉土中的挤土群桩,其桩间土和桩端土被明显挤密,所以群桩效应系数η常大于1。
◆承台底面贴地的影响
由摩擦型桩组成的群桩基础,当其承受竖向荷载而沉降时,承台底面一般与地基土紧密接触,因此承台底面必产生土反力,从而分担了一部分荷载,使桩基承载力随之提高。
考虑到一些因素可能会导致承台底面与基土脱开(例如挤土桩施工时产生的孔隙水压力会在承台修筑后继续消散而引起地基土固结下沉),为了保证安全可靠,设计时一般不考虑承台贴地时承台底反力对桩基承载力的贡献。
◆设计群桩基础时,一般可不考虑群桩效应对单桩竖向承载力的影响,即取群桩效应系数η=1,但对摩擦型桩基、设计等级为甲级以及部分乙级的建筑物桩基(见本章概述“桩基设计原则”),必须进行沉降验算,以确保桩基沉降不超过允许值。
6.桩基承载力和沉降验算
◆桩顶竖向力计算
(1)矩形承台
以承受竖向力为主的矩形承台群桩基础中的单桩桩顶竖向力可按下列公式计算:
轴心竖向力作用下
(11-3)
偏心竖向力作用下
(11-4)
(11-5)
水平力作用下
(11-6)
式中Qk——相应于荷载效应标准组合轴心竖向力作用下任一单桩的竖向力标准值;
Qik——相应于荷载效应标准组合偏心竖向力作用下第i根桩的竖向力标准值;
Qkmax——相应于荷载效应标准组合偏心竖向力作用下单桩的最大竖向力标准值;
Fk——相应于荷载效应标准组合时,作用于桩基承台顶面的竖向力标准值;
Gk——桩基承台自重及承台上土自重标准值;
n——桩基中的桩数;
Mxk、Myk——相应于荷载效应标准组合作用于承台底面的外力对通过桩群形心的x、y轴的力矩标准值;
xi、yi——桩i至通过桩群形心的y、x轴线的距离,
,
;
Hk——相应于荷载效应标准组合时,作用于承台底面的水平力标准值;
Hik——相应于荷载效应标准组合时,作用于任一单桩的水平力标准值。
(2)三桩承台
对图11-3所示的等腰三桩承台,单桩桩顶竖向力可按下列公式计算:
1号桩桩顶竖向力Q1k:
(11-7)
2号桩桩顶竖向力Q2k:
(11-8)
式中s1、s2――分别为长向桩距和短向柱距。
◆单桩承载力验算
承受轴心竖向力作用的桩基,桩顶竖向力
Qk应符合下式的要求:
Qk≤Ra(11-9)图11-3三桩承台桩顶竖向力计算
承受偏心竖向力作用的桩基,除应满足式
(11-9)的要求外,桩顶最大竖向力Qkmax尚应满足下式的要求:
Qkmax≤1.2Ra(11-10)
承受水平力作用的桩基,作用于单桩的水平力Hik应符合下式的要求:
Hik≤RHa(11-11)
上述三式中,Ra和RHa分别为单桩竖向承载力特征值和水平承载力特征值。
◆桩基软弱下卧层承载力验算
当桩基的持力层下存在软弱下卧层,尤其是当桩基的平面尺寸较大、桩基持力层的厚度相对地较薄时,应考虑桩端平面下受力层范围内的软弱下卧层发生强度破坏的可能性。
对于桩距s≤6d的非端承群桩基础,桩基下方有限厚度持力层的冲剪破坏,一般可按整体冲剪破坏考虑。
此时,桩基软弱下卧层承载力验算常将桩与桩间土的整体视作实体深基础,实体深基础的底面位于桩端平面处,其验算方法按浅基础的软弱下卧层验算方法进行。
◆桩基沉降验算
计算桩基础沉降时,可不考虑桩间土的压缩变形对沉降的影响,采用单向压缩分层总和法按下式计算桩基础的最终沉降量。
地基内的应力分布宜采用各向同性均质线性变形体理论,可按实体深基础(桩距不大于6d)或其他方法(包括明德林应力公式方法)计算。
7.桩基础设计
◆桩的类型、截面和桩长选择
应根据结构类型及层数、荷载情况、地层条件和施工能力等,合理地选择桩的类别(预制桩或灌注桩)、桩的截面尺寸和长度、桩端持力层,并确定桩的承载性状(端承型或摩擦型)。
桩的设计长度,主要取决于桩端持力层的选择。
通常,坚实土(岩)层最适宜作为桩端持力层。
对于10层以下的房屋,如在桩端可达的深度内无坚实土层时,也可选择中等强度的土层作为桩端持力层。
桩端进入坚实土层的深度,应根据地质条件、荷载及施工工艺确定,一般不宜小于1~3倍桩径。
桩端以下坚实土层的厚度不宜小于4倍桩径。
嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度,不宜小于0.5m。
◆桩的根数和布置
一般可先按n>
Fk/Ra估算桩数(偏心受压时桩数再增加10%~20%),然后进行桩的平面布置,确定承台平面尺寸,最后按式(11-9)~(11-11)验算所选桩数是否合适。
桩的间距(中心距)一般采用3~4倍桩径。
间距太大会增加承台的体积和用料,太小则将使桩基(摩擦型桩)的沉降量增加,且给施工造成困难。
规范规定:
摩擦型桩的间距不宜小于桩径的3倍;
扩底灌注桩的间距不宜小于扩底直径的1.5倍,当扩底直径大于2m时,桩端净距不宜小于1m。
对于大面积桩群,尤其是挤土桩,桩的最小中心距宜适当加大。
桩的平面布置可采用对称式、梅花式、行列式和环状排列。
为使桩基在其承受较大弯矩的方向上有较大的抵抗矩,也可采用不等距排列,此时,对柱下单独桩基和整片式的桩基,宜采用外密内疏的布置方式。
为了使桩基中各桩受力比较均匀,群桩横截面的重心应与竖向永久荷载合力的作用点重合或接近。
◆桩身结构设计
桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求。
计算中应按桩的类型和成桩工艺的不同将混凝土的轴心抗压强度设计值乘以工作条件系数Ψc,桩身强度应符合下式要求:
桩轴心受压时
(11-12)
式中fc――混凝土轴心抗压强度设计值;
Q――相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值;
Ap――桩身横截面面积;
Ψc――工作条件系数,预制桩取0.75,灌注桩取0.6~0.7(水下灌注桩或长桩时用低值)。
预制桩的混凝土强度等级不应低于C30;
灌注桩不应低于C20;
预应力桩不应低于C40。
桩的主筋应经计算确定。
打入式预制桩的最小配筋率不宜小于0.8%;
静压预制桩的最小配筋率不宜小于0.6%;
灌注桩最小配筋率不宜小于0.2%~0.65%(小直径桩取大值)。
灌注桩的配筋长度应符合下列规定:
1)受水平荷载和弯矩较大的桩,配筋长度应通过计算确定。
2)桩基承台下存在淤泥、淤泥质土或液化土层时,配筋长度应穿过这些土层。
3)坡地岸边的桩、8度及8度以上地震区的桩、抗拔桩、嵌岩端承桩应通长配筋。
4)桩径大于600mm的钻孔灌注桩,构造钢筋的长度不宜小于桩长的2/3。
◆承台设计
(1)构造要求
承台的最小宽度不应小于500mm,边桩中心至承台边缘的距离不宜小于桩的直径或边长,且桩的外边缘至承台边缘的距离不小于150mm。
对于墙下条形承台,桩的外边缘至承台边缘的距离不小于75mm。
条形承台和柱下独立桩基承台的最小厚度为300mm。
承台混凝土强度等级不应低于C20,承台底面钢筋的混凝土保护层厚度不应小于70mm,当有混凝土垫层时,不应小于40mm。
承台的配筋,对于矩形承台,钢筋应按双向均匀通长布置,钢筋直径不宜小于10mm,间距不宜大于200mm;
对于三桩承台,钢筋应按三向板带均匀布置,且最里面的三根钢筋围成的三角形应在柱截面范围内。
桩顶嵌入承台内的长度不宜小于50mm。
混凝土桩的桩顶主筋应伸入承台内,其锚固长度不宜小于钢筋直径(HPB235级钢筋)的30倍和钢筋直径(HRB335级钢筋和HRB400级钢筋)的35倍。
承台之间的连接,对于单桩承台,宜在两个互相垂直的方向上设置联系梁;
对于两桩承台,宜在其短向设置联系梁;
有抗震要求的柱下独立承台,宜在两个主轴方向设置联系梁。
联系梁顶面宜与承台位于同一标高。
(2)承台受弯计算
1)柱下多桩矩形承台
柱下多桩矩形承台弯矩的计算截面应取在柱边和承台高度变化处(图11-4),并按下式计算:
Mx=∑Niyi(11-13)
My=∑Nixi(11-14)
式中Mx、My——分别为垂直于y轴和x轴方向计
算截面处的弯矩设计值;
xi、yi——垂直于y轴和x轴方向自桩轴线
到相应计算截面的距离;
Ni——扣除承台和其上填土自重后相应于
荷载效应基本组合时的第i桩竖向
力设计值。
2)柱下等边三桩承台(图11-5)
由承台形心至承台边缘距离范围内板带的弯矩图11-3承台弯矩计算示意
设计值M按下式计算:
(11-15)
式中Nmax——扣除承台和其上填土自重后的三桩中相应于荷载效应基本组合时的最大单桩竖向力设计值;
s——桩距;
c——方柱边长,圆柱时c=0.866d(d为圆柱直径)。
3)柱下等腰三桩承台(图11-6)
承台弯矩按下式计算:
(11-16)
(11-17)
式中M1、M2——分别为由承台形心到承台两腰和底边的距离范围内板带的弯矩设计值;
s——长向桩距;
α——短向桩距与长向桩距之比,当α小于0.5时,应按变截面的二桩承台设计;
c1、c2——分别为垂直于、平行于承台底边的柱截面边长。
图11-5柱下等边三桩承台 图11-6柱下等腰三桩承台
(3)承台受冲切计算
1)柱对承台的冲切(图11-7)
计算公式为:
(11-18)
(11-19)
(11-20)
(11-21)
式中Fl——扣除承台及其上填土自重,作用在冲切破坏锥体上相应于荷载效应基本组合的冲切力设计值,冲切破坏锥体应采用自柱边或承台变阶处至相应桩顶边缘连线构成的锥体,锥体与承台底面的夹角不小于45°
βhp——受冲切承载力截面高度影响系数,当h不大于800mm时,βhp取1.0,当h大于等于2000mm时,βhp取0.9,其间按线性内插法取用;
ft——承台混凝土轴心抗拉强度设计值;
h0——冲切破坏锥体的有效高度;
β0x、β0y——冲切系数;
λ0x、λ0y——冲跨比,λ0x=a0x/h0、λ0y=a0y/h0,a0x、a0y为柱边或变阶处至桩边 的水平距离;
当a0x(a0y)<
0.2h0时,a0x(a0y)=0.2h0;
当a0x(a0y)>
h0时,a0x(a0y)=h0;
F——柱根部轴力设计值;
∑Ni——冲切破坏锥体范围内各桩的净反力设计值之和。
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