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桩基础与深基础
第9章桩基础与深基础
内容提要:
当浅部地基土层软弱或建筑物荷载很大,浅部岩土层难以满足建筑物对基础持力层的要求时,浅基础方案不能实现,此时就必需采用深基础方案。
常用的深基础类型主要有:
桩基础、大直径墩基础、沉井基础、沉箱基础、地下连
续墙等。
其中桩基础是应用最广泛的深基础。
因此,本章重点介绍桩基础理论与实践的基本知识,对其他形式的部分深基础类型只作简单介绍。
第一节概述
桩的作用是将上部结构荷载传递到深部较坚硬、压缩性小的土层或岩层上。
由于桩基具有承载力高、稳定性好、沉降及差异变形小、沉降稳定快、抗震能力强,以及能适应各种复杂地质条件等优点而得到广泛使用。
桩基除了主要用于承受竖向抗压荷载外,还用于承受侧向风力、波浪力、土压力、地震力等水平荷载及竖向抗拔荷载。
一、桩的类型
1.根据桩的抗力性能和工作机理分类
(1)竖向抗压桩:
主要承受竖向荷载的桩,应进行竖向承载力计算,必要时还需计算桩基沉降,验算软弱下卧层的承载力以及负摩阻力产生的下拉荷载。
根据其荷载传递特征,又可分为四类:
摩擦桩:
在竖向极限荷载作用下,桩顶荷载全部或绝大部分由桩侧阻力承受,桩端阻力小到可忽略不计的桩;
端承摩擦桩:
在竖向极限荷载作用下,桩端阻力分担荷载的比例较大,但不大于30%的桩;
摩擦端承桩:
在竖向极限荷载作用下,桩顶荷载主要由桩端阻力承受,桩侧阻力分担荷载的比例不超过50%的桩;
端承桩:
在竖向极限荷载作用下,桩顶荷载的全部或绝大部分由端阻力承担,桩侧阻力小到可忽略不计的桩。
(2)竖向抗拔桩:
主要承受竖向上拔荷载的桩,应进行桩身强度和抗裂计算以及抗拔承载力验算;
(3)水平受荷桩:
主要承受水平荷载的桩,应进行桩身强度和抗裂验算以及水平承载力和位移验算;
(4)复合受荷桩:
承受竖向、水平荷载均较大的桩,应按竖向抗压(或抗拔)桩及水平受荷桩的要求进行验算。
2.根据桩身材料分类
根据桩的材料,可分为:
(1)混凝土桩:
混凝土桩是目前使用最广泛的桩,有预制混凝土桩和灌注混
凝土桩两大类。
预制混凝土桩,可在工厂集中生产或在现场预制,有实心或空心桩。
为提高混凝土抗裂性能和节省钢材可做成预应力桩,为减少沉桩的挤土效应可做成敞口预应力桩。
混凝土灌注桩随着成桩工艺的不断发展,使其能适用于各
种地层、灵活调整桩长及桩径,从而成为目前工民建和桥梁中使用的主要桩型。
(2)钢桩:
钢桩可根据承载要求、减少挤土效应而灵活调整截面,并具有抗冲击性能强、接桩方便、施工质量稳定等特点,但造价高。
目前常用的桩型有开口或敞口管桩、H型钢桩或其他异型钢桩;
(3)组合材料桩:
指一根桩由两种或两种以上材料组成的桩,一般可根据地层条件、为充分发挥材料特性而组合成的桩。
3.根据成桩方法分类
根据成桩方法可分为:
(1)打入桩:
通过锤击、振动等方式将预制桩沉人地层至设计要求标高形成的桩;
(2)灌注桩:
通过钻、冲、挖或沉入套管至设计标高后,灌注混凝土形成的桩;
(3)静压桩:
将预制桩采用无噪音的机械压入至设计标高形成的桩。
4.根据成桩对土层的影响分类
不同成桩方法对周围土层的排挤和扰动程度不同,将直接影响到桩的承载能力、成桩质量及周围环境。
根据成桩对土层的影响可分为挤土桩、部分挤土桩、非挤土桩三类。
(1)挤土桩:
在成桩过程中,造成大量挤土,使桩周围土体受到严重扰动,土的工程性质有很大改变的桩。
这类桩主要有打人或静压成桩的实心桩和闭口预制混凝土桩、闭口钢管桩及沉管灌注桩等;挤土桩成桩过程引起的挤土效应主要是地面隆起和土体侧移,导致对周围环境的较大影响;对于灌注桩还可能造成断桩、缩径等质量事故;对于预制桩可能会造成桩的侧移、倾斜、上抬、甚至断桩等质量事故。
(2)部分挤土桩:
在成桩过程中,引起部分挤土效应、桩周围土体受到一
定程度的扰动,这类桩主要有H型钢桩、开口管桩及长螺旋钻孔、冲孔灌注桩;
(3)非挤土桩:
采用钻孔、挖孔将与桩体积相同的土体排出,对周围土体基本没有扰动
而形成的桩。
这类桩主要有钻、挖孔灌注桩、预钻孔植桩、旋挖灌注桩等。
5.根据成桩直径分类
根据成桩直径大小,可将桩分为大直径桩、中等直径桩及小桩三类。
(1)大直桩径:
桩径D≥800mm的桩,在设计中应考虑挤土效应与尺寸效应;
(2)中等直径桩:
桩径250mm (3)小桩: 桩径D≤250mm、长细比L/D较大的桩。 小桩具有施工空间要求小、对原有建筑物基础影响小、施工方便、可在任何土层中成桩、并能穿越原有基础等特点而在地基托换、支护结构、抗浮、多层住宅地基处理等工程中得到广泛应用。 二、桩的选型与使用条件 预制桩、灌注桩及钢桩三大类桩各有优点,也各有其适用条件。 实际选型中应根据地层条件、施工工艺、施工经验、基础型式、上部结构类型、上部荷载大 小及分布、制桩材料供应运输条件、成桩质量保证难易程度、环境条件、工期、造价等因素综合确定适用的桩型与成桩工艺。 三、桩基合理布桩原则 桩基设计合理布桩内容包括桩的截面尺寸、桩长、平面布桩间距及排列的确定。 合理的布桩原则应是在考虑地层条件、上部结构型式、上部荷载大小与分布、施工工艺与经验、基础型式、桩型等因素的前提下,用最经济的用桩量来满足设计的要求。 1.桩径与桩长 (1)考虑荷载类型、大小及分布 (2)考虑地层条件及土的物理力学性质 (3)桩端持力层的选择与进入深度的确定 桩端持力层的选择原则与桩端进入持力层的最小深度的确定,主要是考虑在各类持力层中成桩的可能性与确保获得较高的端承力与单桩承载力、减少桩基沉降。 桩长的确定还应根据地层条件、选择较硬的土层作为桩端持力层。 为确保获得较高的单桩承载力,要求桩端全断面进入持力层一定深度,对于粘性土、粉土进入深度不宜小于2d;砂土不宜小于1.5d;碎石类土不宜小于1d。 当存在软弱下卧层时,桩端距软弱下卧层顶面的距离不宜小于4d。 2.桩基平面的合理布置 (1)桩的中心距 桩的中心距的合理确定,主要应考虑桩型、施工工艺、基础型式、荷载及分 布、周边环境条件等。 各类桩型的最小桩距,见《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)表3.2.3.1,对于大面积群桩、满堂布置群桩,特别是挤土桩,桩距应适当加大。 (2)桩的平面布置原则 1)基桩排列可采用对称式、梅花式、行列式和环状排列,宜使桩群承载力合 力点与长期荷载作用重心重合; 2)对于桩箱基础,宜将桩布置在墙下;桩筏基础宜将桩布置在梁(肋)下;对于大直径桩,尤其是嵌岩桩,宜采用一柱一桩布置; 3)同一结构单元宜避免采用不同的桩型。 四、桩的设计原则 建筑桩基采用以概率理论为基础的极限状态设计法,以可靠性指标度量桩基的可靠度,采用以分项系数表达的极限状态设计表达式进行计算。 根据承载力极限状态和正常使用极限状态,桩基需进行下列计算和验算。 1.桩基承载力极限状态的计算 所有桩基均应进行承载能力极限状态的计算,计算内容包括: 桩基竖向承载力和水平承载力计算、桩身及承台承载力计算、桩端平面以下存在软弱下卧层时应验算软弱下卧层的承载力,坡地、岸边的桩基应验算整体稳定性,抗震设防区应验算抗震承载力。 2.桩基正常使用极限状态的验算 (1)变形验算 桩端持力层为软弱土的一、二级建筑桩基以及桩端持力层为粘性土、粉土、或存在软弱下卧层的一级建筑桩基应验算桩基沉降。 受水平荷载较大或对水平变位要求严格的一级建筑桩基应验算水平变位。 验算桩基沉降应采用荷载的长期效应组合。 (2)桩身和承台抗裂与裂缝宽度验算 验算桩基的水平变位、抗裂、裂缝宽度时,根据使用要求和裂缝控制等级应分别采用作用效应的短期效应组合或短期效应组合考虑长期荷载的影响。 第二节单桩竖向承载力 一、单桩破坏模式 竖向抗压单桩的破坏主要是由地 基土强度破坏及桩身材料强度破 坏两种。 其中地基土强度破坏引 起的单桩破坏较普遍。 单桩破坏 的种种特征往往可由综合表征桩 土荷载传递、侧阻与端阻发挥性 状的荷载一沉降关系(Q—S曲线) 反映出来。 由于一般桩侧阻先于 端阻发挥,因此Q—S曲线前段 基本能反映侧阻的发挥性状,而 后段主要反映端阻的发挥性状。 单桩破坏模式大致有以下4种: 图9-1桩的破坏模式 (a)桩身材料破坏;(b)整体剪切破坏; (c)刺入剪切破坏;(d)沿桩身侧面纯剪切破坏 (1)桩身材料破坏 由于地基土提供的承载力超过桩身材料强度所能承受的荷载,桩先于土发生曲折(嵌入坚实基岩的端承桩等(图9-1(a)),或超长摩擦桩桩顶压屈而破坏(超长薄壁钢 管桩或H型钢桩等)。 其Q-S曲线有明显的转折点,即破坏特征点。 (2)桩端土整体剪切破坏 桩穿越较弱层进入较硬持力层,当桩端压力超过持力层极限荷载时,桩端土中将形成完整的剪切滑动面,土体向上挤出而破坏。 其Q-S曲线有明显的转折点(图9-1(b)),一般为摩擦桩及端承摩擦桩的典型破坏模式。 (3)刺入剪切破坏 在匀质土层中的摩擦型桩,其Q-S曲线没有明显的转折点,桩沿桩侧及桩端发生剪切与刺入破坏(图9-1(c))。 (4)桩侧纯剪切破坏 对于孔底沉淤较厚的钻(冲)孔灌注桩,其桩端几乎不能提供反力,桩沿桩侧面发生纯剪切破坏(图9-1(d))。 二、单桩竖向极限承载力确定方法 目前确定单桩竖向极限承载力的方法主要有静载试验方法,物理指标经验法(规范法)、原位测试成果的经验方法及静力分析计算法等方法。 本节主要介绍规范方法。 1.有关规定 《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)对单桩竖向极限承载力的确定有下列规 定: (1)一级建筑桩基应采用现场静载荷试验,并结合静力触探、标准贯人等原位测试方法综合确定; (2)二级建筑桩基应根据静力触探、标准贯入、经验参数等估算,并参照地质条件相同的试桩资料综合确定。 当缺乏可参照的试桩资料或地质条件复杂时,应由现场静载荷试验确定; (3)对三级建筑桩基,如无原位测试资料时,可利用承载力经验参数估算。 2.物理指标经验法(《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)方法) 单桩极限承载力标准值: Quk=Qsk+Qpk (9-1) L QskUqskdz (9-2) 0 Qpk=Apqpk (9-3) 式中Quk、Qsk、Qpk——分别为单桩极限承载力标准值、总极限侧阻力标准值及总极限端阻力标准值; Ap,U,L——分别为桩端截面积、周长及桩长; qsk,qpk——分别为极限侧阻力及端阻力标准值。 规范经验参数法即根据原位足尺试验结果,在当地使用桩的经验及理论分析公式的基础上,进行统计分析分别给出各类土的qsk值及qpk值,从而计算确定单桩极限承载力。 《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)所列经验参数法的主要特点是: (1)与上部结构荷载效应的设计计算准则相一致,采用概率理沦为基础的概率极限状态设计法,按承载能力极限状态进行设计。 (2)考虑桩型与施工工艺特点,按各种施工工艺的成桩效应归纳为五大类,分别对其单桩静载试验所得的极限承载力与土的物理指标间的关系进行统计分 析,根据其变异特征,采用校准计算分析其可靠指标β,分别给出各类桩的抗力分项系数,其变化幅度为1.60—1.75,根据不同成桩工艺按94《桩规》表5.2.2取值。 基桩竖向承载力的极限状态表达式为: 0N≤R (9-4) R=QSK QUK (9-5) S P QSK U qsikl (9-6) QPK qpkAP (9-7) 式中0 —建筑物桩基重要性系数,按 94《桩规》表3.3.3确定安全等级,对 于一、二、三级分别取γ 0=1.1,1.0,0.9; 对于柱下单桩基础按提高一级考虑; N—作用于基桩桩顶的竖向压力设计值(荷载效应基本组合值); R—单桩,竖向承载力设计值; s,p—分别为侧阻及端阻抗力分项系数,根据不同成桩工艺按表9-1 取值; q,q—分别为桩周第i层极限侧阻力标准值和桩端持力层极限端阻力 skpk 标准值,94《桩规》按不同成桩工艺的经验值列于表5.2.8.1~5.2.8.2与表5.2.9.1 中,供设计时选用。 3.原位测试结果的经验方法 采用原位测试成果确定单桩承载力的常用方法有: 静力触探法、标准贯入试验法和旁压试验三种。 4.大直径灌注桩竖向极限承载力计算方法 大直径灌注桩竖向极限承载力计算与中、小直径灌注桩不同之处是大直径灌注桩计算中,须考虑侧阻力的松弛效应与端阻力的尺寸效应。 大直径灌注桩竖向极限承载力标准值可按下式计算: QUK QSK QPK U qsik li sqpkAp (9-8) 式中 qsik—桩侧第 i层土的极限侧阻力标准值,如无当地经验值时,可按《桩 规》表5.2.8.1取值,对于扩底桩变截面以下不计侧阻力; qpk—桩径为800mm的极限端阻力标准,可采用深层载荷板试验确定;当不能 进行深层载荷板试验时,可采用当地经验值或按《桩规》表5.2.8.2取值,对于干作业(清底干净)可按《桩规》表5.2.9.1取值; 对于混凝土护壁的大直径挖孔桩,计算单桩竖向承载力时,其设计桩径取护壁外直径; ψsi,ψp—大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数,按《桩规》表 5.2.9.2取值。 5.桩身承载力 (桩身强度)验算 桩身承载力验算是桩基设计的一个重要环节, 桩,必须进行桩身承载力验算。 (1)轴心受压条件下的桩身承载力计算 特别是端承型桩及长细比大的 《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)规定,轴心受压条件下桩身承载力计算一 般不考虑压曲的影响,仅根据基桩的施工工艺,由轴心抗压强度设计值乘以 基桩施工工艺系数ψc确定即: R≤ψc fc A (9-9) 对不同的施工工艺有: 混凝土预制桩 ψc=1.0; 干作业非挤土灌注桩 ψc=0.9; 泥浆护壁和套管护壁的非挤土灌注桩、 部分挤土灌注桩、挤土灌注桩 ψc=0.8。 对于桩的自由长度较大的高桩承台、桩周为可液化土或地基极限承载力标 准值小于50KPa的地基土(或不排水抗剪强度小于10kPa)时,应考虑压曲的影响。 其稳定系数可根据桩身计算长度lc和桩的设计直径d确定。 桩身计算长度根据 桩顶的约束情况,桩身露出地面的自由长度,桩的入土长度,桩侧和桩底的地质 条件按《桩规》表5.5.3-2确定。 桩的稳定系数可按《桩规》表5.5.3-1确定。 即: R≤ψc· ·fc·A (9-10) 式中 fc 、A——混凝土轴心抗压强度设计值及桩身截面积。 l0为高承台基桩露出地面的长度,对于低承台桩基, l0=0;当桩侧土为 液化土时,l0乘以(1—ψL),其中ψL为土层液化折减系数,按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)表5.2.12取值。 (2)偏心受压条件下的桩身承载力计算 桩顶受偏心荷载作用时,在其弯矩作用平面内,尽管偏心距因桩身的挠曲而 有所增大,但由于桩挠曲时受到土的侧向抗力约束而使挠曲变形减小;同时,受水平荷载(水平剪力和弯矩)桩的最大允许变形一般均较小(6~10mm),该水平变形对轴向压力偏心距的增幅是很小的,因此一般不考虑在偏心受压条件下,挠曲 对轴向力偏心距的影响,仅对于桩有外露地面较长及桩侧土为特别软弱土层(地基土极限承载力标准值小于50kPa或不排水抗剪强度小于10KPa)、液化土层时才予以考虑。 其考虑方法与混凝土结构相同,即应将轴向力对截面重心以初始偏心矩ei乘以偏心矩增大系数ηo偏心距增大系数η按下式计算: 1 1 (lc)2 12 (9-11) 1400 eih h0 1 0.5fcA (9-12) N 2 1.15 0.01lc (9-13) h 式中ei——荷载初始偏心距; lc——桩的计算长度,可按《桩规》表5.5.3-2取值; h——桩的截面高度,对于环形桩取外直径;对于圆形桩取桩身直径; h0—桩身截面的有效高度,对于环形截面取h0=r2+rs;对于圆形截面取h0=r+rs;其中r2、r为环形、圆形截面外半径,rs为纵向钢筋所在圆周的半径; ξ1——偏心受压桩的截面曲率修正系数,当ξ1>1时,取ξ1=1; ξ2——考虑桩的长细比对截面曲率的影响系数,lc/h<15时,取ξ2=1.0。 当桩的长细比lc/d<8时,可不考虑挠度对偏心距的影响。 确定打入式钢管桩承载力时,应按以下规定验算桩身局部压曲。 当 s 1 1,ds≤600mm,锤击应力小于钢材屈服强度时,可不进行压 1) t/d= 50 80 曲验算。 式中 t,ds——钢管壁厚及外径。 2)当ds>600mm,可按下式验算: 0.388Edts ≤fy (9-14) 式中E、fy——钢材弹性模量与屈服强度设计值。 3)当ds≥900mm,除按(9-14) 式验算外,尚应按下式验算: 14.5E(t/ds)2≤fy (9-15) 第三节群桩竖向承载力 一、竖向荷载作用下的群桩效应及基桩、复合基桩的概念 1.群桩效应 竖向荷载作用下的群桩基础,由于承台、桩与地基土相互作用,使桩侧阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化而明显不同于单桩,表现为群桩承载力往往不等于各单桩承载力之和,群桩沉降不等于平均荷载作用下单桩所对应的沉降,称其 为群桩效应。 群桩效应受土性、桩距桩数、桩的长细比、桩长与承台宽度比、承台刚度、桩端持力层及成桩方法等诸多因素的影响而变化。 2.基桩 在不考虑群桩效应时,群桩基础中的单桩称作基桩。 3.复合基桩 低承台群桩基础中包含承台底土阻力的基桩称作复合基桩。 4.复合桩基 考虑由承台底地基土与桩共同承受荷载的桩基称作复合桩基。 二、桩的竖向承载力计算 1.桩的竖向承载力极限状态计算表达式 (1)荷载效应基本组合 轴心竖向力作用下 γ0N≤R (9-16) 偏心竖向力作用下,除满足式(9-16)外,尚应满足下式: γ0 max≤1.2R (9-17) N (2)地震作用效应组合 轴心竖向力作用下 N≤1.25R (9-18) 偏心竖向力作用下,除满足式(9-18)外,尚应满足下式: max≤1.5R (9-19) N 式中R——桩基中复合基桩或基桩的竖向承载力设计值; γ0——建筑桩基重要性系数,对于一、二、三级建筑分别取γ0=1.1,1.0,0.9;对柱下单桩按提高一级考虑;对柱下单桩的一级建筑桩基取γ0=1.2。 2.基桩或复合基桩竖向承载力设计值 桩基的竖向承载力设计值,桩基中复合基桩或基桩的竖向承载力设计值,应符合下列规定: (1)桩数不超过3根的桩基,基桩的竖向承载力设计值为: QSK QPK (9-20) R s p 当根据静载试验确定单桩竖向极限承载力标准值时,基桩的竖向承载力设计值为: R QUK (9-21) sp (2)对于桩数超过3根的非端承桩桩基,宜考虑桩群、土承台的相互作用效应,其复合基桩的竖向承载力设计值为: R QSK QSP QCK (9-22) s p c s sp c 当根据静载试验确定单桩竖向承载力标准值时,其复合基桩的竖向承载力设计值为: R QUK QCK (9-23) sp c sp c QCK qckAc (9-24) n 当承台底面以下存在可液化土,自重湿陷性黄土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土或可能出现震陷、降水、沉桩过程产生高孔隙水压和土体隆起时,不考虑承台效应,即取ηc=0,ηs、ηp、ηsp取《桩规》表5.2.3-1中Bc/l=0.2一栏的对应值。 式中Qsk,Qpk——分别为单桩总极限侧阻力和总极限端阻力标准值;Qck——相应于任一复合基桩的承台底地基土总极限端阻力标准值;qck——承台底1/2承台宽度范围(≤5m)内地基土极限阻力标准值;Ac——承台底地基土净面积; Quk——单桩竖向极限承载力标准值; ηs,ηp,ηsp,ηc——分别为桩侧阻群桩效应系数,桩端阻群桩效应系数、桩侧阻端阻综合群桩效应系数,承台底土阻力群桩效应系数。 γs,γp,γsp,γc——分别为桩侧阻抗力分项系数,桩端阻抗力分项系数、桩侧阻端阻综合抗力分项系数,承台底土阻抗力分项系数,按《桩规》表5.2.2采用。 (3)所有基桩的竖向承载力没计值尚应满足桩身承载力计算要求 3.群桩效应系数ηs,ηp,ηsp,ηc的确定 (1)桩侧阻群桩效应系数ηs、桩端阻群桩效应系数ηp。 及根据单桩静载试验确定单桩竖向极限承载力时桩侧阻端阻综合群桩效应系数ηsp,一般可按《桩规》表5.2.3-1规定。 (2)承台底土阻力发挥值与桩距、桩长、承 台宽度、桩的排列、承台内外区面积比等有关, 故承台底阻力群桩系数可按下式计算: i Aci eAce (9-25) cc Ac cAc i 式中 Ac,Ace—-承台内区(外围桩边包络区)、外 区的净面积, 图9-2承台底分区图 Aci Ace Ac。 见图9-2。 ie c,c—-承台内外区土阻力群 -2选用。 三、桩基软弱下卧层的验算群桩软弱下卧层的承载力计算 当群桩基础设置在有限厚硬持力层、其下存在软弱下卧层时,为避免桩基因持力层较薄发生冲剪破坏而导致整体失稳,应验算软弱下卧层的承载力。 图9-3软弱下卧层承载力验算 《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)规定: 对于桩距sa≤6d的群桩基础,桩群、桩间土、持力层冲剪体形成如同实体墩基而发生整体剪切破坏。 其软下卧层的承载力验算可按下列公式计算: z zzqukw (9-26) G 0(FG) 2(A0B0)qsikli (9-27) z (A02ttg)(B02ttg) 式中σz—作用于软弱下卧层顶面的附加应力,见图9-3(a);
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