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第二层土:
淤泥质土,层厚3.3m,流塑,承载力特征值fak=65kPa
第三层土:
粉砂,层厚6.6m,稍密,承载力特征值fak=110kPa
第四层土:
粉质黏土,层厚4.2m,湿,可塑,承载力特征值fak=165kPa
第五层土:
粉砂层,钻孔未穿孔,中密-密实,承载力特征值fak=280kPa
2.3岩土设计参数
表2-1地基岩土物理参数
土层
编号
土的
名称
含水率W(%)
液性指数
标注灌入锤击数N(次)
压缩模量(MPa)
孔隙比e
1
素填土
——
5
2
淤泥质土
62.4
1.08
3.8
1.04
3
粉砂
27.6
14
7.5
0.81
4
粉质粘土
31.2
0.74
9.2
0.79
粉砂层
31
16.8
0.58
表2-2桩的极限侧阻力标准值qsk和极限端阻力标准值qpk单位:
kPa
土层编号
桩的侧阻力qsk
桩的端阻力qpk
22
28
45
60
900
75
2400
2.4水文地质条件
拟建场区地下水对混凝土结构无腐蚀性
地下水位深度:
位于地表下3.5m
2.5场地条件
建筑物所处场地抗震设防烈度为7度,场地内无可液化砂土、粉土
2.6上部结构资料
拟建建筑物为六层钢筋混凝土框架结构,长30m,宽9.6m。
室外地坪标高同自然地面,室内外差450mm。
柱截面尺寸为400mm×
400mm,横向承重,柱网布置如图2-1
图2-1网布置图
2.7上部结构荷载
上部荷载(柱底荷载效应标准组合值和柱底荷载效应基本组合值)如表2-3、2-4
表2-3柱底荷载效应标准组合值
题
号
FK(kN)
MK(kN×
m)
VK(kN)
A轴
B轴
C轴
2040
2280
2460
242
223
221
145
158
148
表2-4柱底荷载效应基本组合值
F(kN)
M(N*m)
V(kN)
2650
3650
3120
253
228
244
193
175
188
2.8材料
混凝土材料强度等级为C25-C30,钢筋采用HPB235、HRB335级。
第三章灌注桩设计
3.1灌注桩基设计设计方案
室外地坪标高为-0.45m,自然地坪标高同室外地坪标高。
由《建筑桩基设计规范》“场地和地基条件简单、荷载分布均匀的7层或7层以下的一般建筑”之设计等级为丙级可知该建筑桩基应按丙级设计,不再进行沉降计算,拟采用直径为450mm的混凝土沉管灌注桩。
选用第五层土粉砂层为持力层,由《建筑桩基设计规范》可知,桩尖深入持力层的长度不宜小于1.5(1.5d=0.675m),这里取0.75m,设计桩长15.2m,承台高0.95m,承台底面埋置深度-1.6m,桩顶伸入承台50mm,桩顶标高-1.55m,桩底标高为-16.75m,桩长为15.2m。
3.2单桩承载力计算
查《建筑桩基设计规范》得表3-1:
表3-1土侧(端)阻标准值及其深度
侧(端)阻标准值qsk(kN×
m)
入土深度
l(m)
0.35
3.3
42
6.6
68
4.2
64\900
0.75
3.2.1单桩竖向极限承载力标准值计算
单桩竖向极限承载力标准值计算:
(3-1)
(3-2)
(3-3)
3.2.2基桩竖向荷载承载力设计值计算
承台底部地基土较为松软的填土,压缩性大,因此不需考虑承台土效应,即
,则
(3-4)
根据上部荷载初步估计桩数为:
(3-5)
初步设计桩数为4根。
3.3桩基验算
根据《建筑桩基设计规范》,当按单桩承载力特征值进行计算时,荷载应取效应的标准组合值
由于装机所处场地的抗震设防烈度为7度,且场地内无可液化砂土、粉土问题,因此可不进行地震效应的竖向承载力验算。
根据初步设计桩数采用正方形承台,由《建筑桩基设计规范》桩间距为设计为3d,桩中心距承台边缘为d,则承台初步设计为2250mm×
2250mm,如图3-1
图3-1承台平面布置
3.3.1承台初步验算
承台初步设计为2250mm×
承台及其上填土的总重为
(3-6)
计算时取荷载标准组合,则
(3-7)
故而如此设计不合理
3.3.2承台最终验算
增加桩数至5根,继续构造承台,此时设计为2800mm×
2800mm
(3-8)
(3-9)
(3-10)
(3-11)
满足设计要求,故此次设计是合理的。
3.4承台设计
根据以上桩基设计及构造要求,承台尺寸为2.8m×
2.8m如图3-2,初步设计承台厚0.95m,承台混凝土选用C25,ft=1.27N/mm2,fc=11.9N/mm2;
承台钢筋选用HRB335级,fy=300N/mm2。
图3-2承台平面布置
3.4.1承台内力计算
承台内力计算荷载采用荷载效应基本组合值,则基桩净反设计值为:
(3-12)
(3-13)
(3-14)
3.4.2承台厚度及受冲切承载力验算
承台保护层厚度60mm,则h0=950-60=890mm
由于基桩为圆形桩。
计算时应将截面换算成方桩,则换算方桩截面边宽为:
1、柱对承台冲切
由《建筑桩基设计规范》承台受桩冲切的承载力应满足:
(3-15)
柱边至最近桩边水平距离:
冲垮比:
(3-16)
冲切系数:
(3-17)
承台受冲切承载力截面高度影响系数:
则有
(3-18)
(3-19)
故厚度为0.95的承台能够满足柱对承台的冲切要求
2、角桩冲切的验算
承台受角桩冲切的承载力应满足:
(3-20)
角桩内侧边缘至承台外边缘距离:
c1=c2=630mm
柱边与桩内边缘连线水平距离:
角桩冲垮比:
(3-21)
(在0.25-1.0之间)
角桩冲切系数:
(3-22)
(3-23)
故厚度为0.95m的承台能够满足角桩对承台的冲切要求
3.5承台受剪承载力计算
承台剪切破坏发生在柱边与桩边连线所形成的斜截面处
(3-24)
受剪面承载力截面高度影响系数:
(3-25)
计算截面剪跨比:
(3-26)
(在0.25-3.0之间)
剪切系数:
(3-27)
(3-28)
(3-29)
故满足抗剪切要求
3.6承台受弯承载力计算
取基桩净反力最大值:
(3-30)
由《建筑桩基设计规范》“承台纵向受力钢筋的直径不应小于12mm,间距不应大于200mm,柱下独立桩基承台的最小配筋率不应小于0.15%”
承台纵横方向选用直径为18mm的HRB钢筋间距为140mm,则钢筋根数为n=2800/140+1=21,实际钢筋As=21
254.5=5344.5mm2
最小配筋率:
(3-31)
故配筋满足要求
3.7承台构造设计
混凝土桩桩顶伸入承台长度50mm,两承台间设置连系梁,梁顶面标高-0.65m,与承台顶齐平,梁宽250mm,梁高400mm。
承台底做100mm厚C10素混凝土垫层,垫层挑出承台边缘100mm。
3.8桩身结构设计
沉管灌注桩选用C25混凝土,钢筋选用HPB235级
3.8.1桩身轴向承载力验算
根据《建筑桩基技术规范》,桩顶轴向压力应符合下列规定:
计算桩身轴心抗压强度时,一般不考虑压屈影响,故取稳定系:
基桩施工工艺系数:
C25混凝土:
fc=11.9N/mm2
(3-32)
Aps=3.14×
0.452/4=0.159m2
(3-33)
故桩身轴向承载力满足要求
3.8.2桩身水平承载力验算
由设计资料得柱底传至承台顶面的水平荷载标准值为Vk=149kN
则每根基桩承受水平荷载为
桩身按构造要求配筋,由于受水平荷载影响,则桩身配8Φ12纵向钢筋,As=904mm2
桩身配筋率为:
(3-34)
满足0.2%-0.65%之间的要求
由于0.57%<
0.65%,则单桩水平承载力特征值计算公式:
桩身为圆形截面,故
根据灌注桩桩周主要土层的类别,取桩侧土水平抗力系数的比例系数m=25MN/m4
圆形桩桩身的计算宽度为:
(3-35)
对于C25级混凝土:
(3-36)
对于HPB235级钢筋:
(3-37)
扣除保护层后的桩直径为
(3-38)
(3-39)
(3-40)
桩顶最大弯矩系数vM取值:
由于桩的入土深度h=15.2m,桩与承台为固接,αh=0.879
15.2=13.3608m>
4m故而αh=4
则vM=0.926
(3-41)
Nk取荷载效应标准组合下桩顶的最小竖向力(用该值计算所得单桩水平承载力特征值最小),则Nk=391.3kN
(3-42)
故桩身水平承载力满足要求
3.8.3配筋长度计算
由于侧阻力起主要作用,基桩为端承摩擦型桩,配筋长度应不小于桩长的2/3(即2/3×
15.2=10.1m),同时不宜小于4.0/α=4.55m,则配筋长度取10.1m
钢筋锚入承台35倍主筋直径,即35×
12=420mm
3.8.4箍筋配置
采用Φ6@200螺旋式箍筋,由于钢筋笼长度超过4m,需要每隔2m设一道Φ12焊接加劲箍筋
3.9估算A、C轴线柱下桩数
3.9.1桩数估算
设计A、C轴线下桩基础的方法与B轴线下相同,单桩极限承载力标准值为1147.6kN,基桩竖向承载力特征值为573.8kN
根据A轴荷载初步估计A轴柱下桩数,即
n=FK/R=
=3.56(3-43)
则A轴下设计桩数为4根
根据C轴荷载初步估计C轴柱下桩数,即
(3-44)
则C轴下设计桩数为5根
3.9.2承台平面尺寸确定
1、对于A轴线承台平面尺寸
根据初步设计桩数采用正方形承台,由《建筑桩基设计规范》桩间距为设计为3d,桩中心距承台边缘为d,则承台初步设计为2250mm×
2250mm,如图3-3
图3-3承台平面布置
2、对于C轴线承台平面尺寸
根据以上桩基设计及构造要求,承台尺寸为2.8m×
2.8m,同B轴线设计,如图3-4
图3-4承台平面布置
3.10桩平面布置图
图3-5桩基平面布置图
第四章灌注桩施工
4.1灌注桩基础施工准备
4.1.1准备场地、测量放线
施工前应进行场地平整,清除杂物,钻机位置处平整夯实,准备场地,同时对施工用水、泥浆池位置,动力供应,砂石料场,拌和机位置,钢筋加工场地,施工便道,做统一的安排。
测量放线,根据设计图纸用经纬仪(或全站仪)现场进行桩位精确放样,在桩中心位置钉以木桩,并设护桩,放线后由主管技术人员进行复核,施工中护桩要妥善看管,不得移位和丢失。
4.1.2埋设护筒
护筒因考虑多次周转,采用3-10mm钢扳制成,护筒内径,使用旋转钻机时比桩径大10-20cm,使用冲击钻时比桩径大20-30cm,埋置护筒要考虑桩位的地质和水文情况,为保持水头护筒要高出施工水位(或地下水位)1.5m,无水地层护筒宜高出地面0.3-0.5m,为避免护筒底悬空,造成蹋孔,漏水,漏浆,护筒底应坐在天然的结实的土层上(或夯实的粘土层上),护筒四周应回填粘土并夯实,护筒平面位置的偏差应不超5cm。
护筒埋置深度:
在无水地区一般为1-2倍的护筒直径。
在有水地区一般为入土深度与水深的0.8-1.1倍(无冲刷之前)。
4.1.3选择钻孔机械
正循环钻机:
粘性土、砂类土:
砾、卵石粒径小于2cm,钻孔直径80-250cm,孔深30-100m。
反循环钻机:
粘性土、砂类上、卵石粒径小于钻杆内径2/3,钻孔直径80-250cm,孔深泵吸<40m,气举100m。
正循环潜水钻机:
淤泥、粘性上、砂类土、砾卵石粒径小于10cm,钻孔直径60-150cm,孔深50m。
全套管冲扳抓和冲击钻机:
适用于各类土层,孔径80-150cm,孔深30-40m。
在钻孔过程中,钻机(架)必须保持平稳,不能发生位移和沉陷。
因此钻机安装就位时,底座应用枕木垫实塞紧,顶端用风绳固定平稳。
4.1.4制备泥浆
制备泥浆应选用塑性指数IP>10的粘性土或膨润土,对不同上层泥浆比重可按下列数据选用:
粘性土和亚粘土可以就地造浆,泥浆比重1.1-1.2间。
粉土和砂土应制备泥浆,泥浆比重1.5-1.25:
砂卵石和流砂层应制备泥浆,泥浆比重1.3-1.5。
4.2钻孔灌注桩施工
1、将钻机调平对准钻孔,把钻头吊起徐徐放人护筒内,对正桩位,启动泥浆泵和转盘,等泥浆输到孔内一定数量后,方可开始钻孔。
具有导向装置的钻机开钻时,应慢速推进,待导向部位全部钻进土层后,方可全速钻进。
正循环钻机开孔时,应先启动泥浆泵和转盘,待泥浆进入孔内一定数量后,方可开始钻进。
用泵吸式反循环钻进时,钻头应距孔底20-30cm,防止堵塞吸渣口,在接长钻杆时,应注意接头紧密,防止漏气、漏水和钻杆松脱。
用气举式反循环钻开孔时,钻杆必须在钻孔内埋入水中约6m,才能扬水排渣。
反循环钻进时,必须注意连续补充泥浆,维持护筒内应有的水头,避免坍塌。
2、钻孔应连续进行,不得间断,视土质及钻进部位调整钻进速度。
开始钻进及护筒刃脚部位或砂层、卵砾石层中时,应低档慢速钻进。
钻进过程中,要确保泥浆水头高度高出孔外水位0.5m以上,泥浆如有损失、漏失,应及时补充,并采取堵漏措施。
钻进过程中,每进2-3m应检查孔径、竖直度,在泥浆池捞取钻渣,以便和设计地质资料核对。
3、钻进时,为减少扩孔、弯孔和斜孔,应采用减压法钻进,使钻杆维持垂直状态,使钻头平稳回转。
4、终孔检查合格后,应迅速清孔,清孔方法有抽浆法(适用于孔壁不易坍塌的柱桩和磨擦桩、换浆法(用于正循环钻机)、淘渣法(适用于冲抓、冲击、成孔,掏渣后的泥浆比重应小于1.3)。
清孔时必须保证孔内水头、提管时避免碰孔壁。
清孔后的泥浆性能指标,沉渣厚度应符合规范要求。
不论采用何种方法清孔排渣,都必须注意保持孔内水头,防止坍孔。
5、清孔后用检孔器测量孔径,检孔器的焊接可在工地进行,监理工程师检验合格后,即可进行钢筋笼的吊装工作。
6、钢筋笼骨架,焊接时注意焊条的使用一定要符合规范要求,骨架一般分段焊接,长度由起吊设备的高度控制,钢筋笼的接长,可采用搭接焊或套管冷挤压连接等方法,钢筋笼安放要牢固,以防在砼浇筑过程中钢筋笼浮起,钢筋笼周边要安放圆的砼保护层垫块。
7、水下砼采用导管法进行灌注,导管内径一般为25-35cm,导管使用前要进行闭水试验(水密、承压、接头抗拉),合格的导管才能使用,导管应居中稳步沉放,不能接触到钢筋笼,以免导管在提升中将钢筋笼提起,导管可吊挂在钻机顶部滑轮上或用卡具吊在孔口上,导管底部距桩底的距离应符合规范要求,一般0.25-0.4m,导管顶部的贮料斗内砼量,必须满足首次灌注剪球后导管端能埋入砼中0.8-1.2m,施工前要仔细计算贮料斗容积,剪球后向导管内倾倒砼宜徐徐进行防止产生高压气囊。
施工中导管内应始终充满砼。
随着砼的不断浇入,及时测量砼顶面高度和埋管深度,及时提拔拆除导管,使导管埋入砼中的深度保持2-6m间。
砼面检测锤随孔深而定,一般不小于4Kg。
8、每根导管的水下砼浇筑工作,应在该导管首批砼初凝前完成,否则应掺人缓凝剂,推迟初凝时间。
9、砼的坍落度应满足设计要求,砼浇筑应连续进行,为保证桩的质量,应留比桩顶标高高出0.5-1.0m左右的桩头,处于干处的桩头,可在砼初凝后,终凝前清除。
10、技术人员应对钻孔灌注桩各项原始记录及时进行整理签认。
4.3环保措施
为保护施工范围内的环境卫生、农田,钻孔桩废弃的泥浆应在施工完成后,用汽车或罐车将泥浆池(槽)中的泥浆清运到指定的排放地点。
4.4施工技术要求
1、为保证桩孔的垂直精度,开始沉管时应控制速度,并随时注意观察桩管是偏斜,发生偏斜应及时纠正。
2、使用活瓣桩尖,开始沉管前要将活瓣收拢并包扎好,在沉管过程中,不可在桩管处于悬空情况下振动,否则,桩尖活瓣易张开并插入地层,致使桩尖损坏。
使用混凝土桩尖时,应将桩尖与桩管自然对正。
3、在地层条件许可时,应首先考虑静压沉管,以减小动力消耗,降低工地噪音。
当静压沉管能力不足时,再启动振动器,进行边振动边加压沉管。
一般粘性土类的自振频率600-750次/min,砂性土为900-1200次/min。
4、在地下水位较高的地区施工,桩管内容易进水,除注意提高桩管与桩头连接处的密封性外,还可采用二次振动沉管,即复打法施工。
5、桩管到达设计深度,灌注混凝土时,应启动振动器,将混凝土振实。
开始拔管要控制速度,桩管被拔起0.2m时,应停振5-10s,并观察管内混凝土的变化情况,确认桩尖活瓣打开或混凝土桩尖脱离后,再以0.8-1.2m/min的速度上拔。
桩管每拔起1m,即应停拔并振动10-15s,以保证混凝土的密实度。
需要多次灌注时,每次灌注拔管后,应保持管内至少有1.5m高度的混凝土。
参考文献
[1]陈小川,周俐俐.《土木工程专业-土力学与基础课程设计指南》.中国水利水电出版社,2009年.
[2]建筑桩基技术规范(JGJ94——2008).北京:
中国建筑工业出版社,2008年.
[3]张忠苗.《桩基工程》.北京:
中国建筑工业出版社,2007年.
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