桩基础设计与施工教学课件(图文丰富、PPT格式、252页).ppt.ppt

制作：郭亚宇,土力学与基础工程电子教案,项目五,桩基础设计与施工,项目五 桩基础设计与施工,情境5.1： 桩基础概述 情境5.2： 桩单极限桩承载力 情境5.3： 基桩内力与位移计算 情境5.4： 群桩基础验算 情境5.5： 桩基础设计简介 情境5.6: 桩基础的施工,情境5.1： 桩基础概述,桩基础的历史回顾 桩基础是最古老的基础型式之一。有关文献资料表明，在人类有历史记载以前，就已经在地基条件不良的河谷及洪积地区采用桩基础来建造房屋；在许多不同文化时期的初期，都可以找到桩基础的房屋。1982年在智利发掘的文化遗址所见到的桩，距今大约有1200014000年。我国最早的桩基础距今大约有7000多年，是在浙江宁波附近的河姆渡，作为古代干阑式木结构建筑的基础是有圆木桩、方木桩和板桩组成的桩基础。圆木桩直径在68cm之间，板桩厚2.44.0cm，宽1050cm，木桩均系下部削尖，入土深度最深达115 cm。这是最早的桩的雏形。,桩基础用于桥梁，历史也极为悠久。据水经注记载，公元前532年在今山西汾水上建成的三十墩柱木柱梁桥，即为桩柱式桥墩。我国秦代的渭桥、隋朝的郑州超化寺、五代的杭州湾大海堤、南京的石头城和上海的龙华塔等，都是我国古代桩基础的典范。,情境5.1： 桩基础概述,桩基础特点： 具有承载力高 稳定性好 沉降量小而均匀 便于机械化施工 适应性强等 是较简便的深基础形式,一、桩基础组成与特点,墩身,承台,基桩,松软土层,持力层,桩基础组成（如图由基桩和承台组成）,桩基础最适宜于下列条件 荷载较大，地基上部土层软弱，地基持力层位置较深，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时； 河床冲刷较深，河道不稳定或冲刷深度不易准确计算，如采用浅基础施工困难或不能保证基础安全时； 当地基计算沉降过大或结构物对不均匀沉降敏感时，采用桩基础穿过松软(高压缩性)土层，将荷载传到较坚实(低压缩性)土层，减少结构物沉降并使沉降较均匀； 当地下水位较高时采用撞击出可以减少施工困难； 在可液化地基中，采用桩基础穿越可液化土层可以消除或减轻地震对结构物的危害。,一般认为：桩基础通常作为荷载较大的结构（建筑）物的基础，对下述情况，一般可考虑选用桩基础方案： 1. 地基上层土的土质太差而下层土的土质较好；或地基土软硬不均；或荷载不均，不能满足上部结构对不均匀变形限制的要求。 2. 地基软弱或地基土性特殊，如存在较深厚的软土、可液化土层、自重湿陷性黄土、膨胀土及季节性冻土等，采用地基改良和加固措施不合适。 3. 除承受较大竖向荷载外，尚有较大的偏心荷载、水平荷载、动力或周期性荷载作用。,4. 上部结构对基础的不均匀沉降相当敏感；或建筑物受到大面积地面超载的影响 5. 地下水位很高，采用其它基础型式施工困难；或位于水中的构筑物基础，如桥梁、码头、采油平台等。 6. 需要长期保存、具有重要历史意义的建筑物。 通常，当软弱土层很厚，桩端达不到良好地层时，桩基设计时应考虑基础沉降问题。目前，桩基设计思想正在由过去单纯的承载力控制向承载力和变形双控制过渡，按地基容许沉降量大小设计桩基的思想正在逐步得到推广。,二、 桩和桩基础的类型,1. 按承台桩与地面的位置分,高承台桩,低承台桩,高承台桩，承台在地面以上； 水平受力条件和稳定性较差，但在桥梁工程中应用较多,低承台桩，承台在地面以下，基桩全部入土,低承台 桩,高承台桩,2. 按桩土相互作用特点分类,p,软土层,中等土层,桩身,软土层,基岩 或坚硬土层,桩身,端承桩,摩擦桩,（1） 柱桩(或端承桩),竖向受荷桩,（2） 摩擦桩,（1）主动桩：桩顶受横向荷载，桩身轴线偏离初始位置，桩身所受土压力因桩主动变位而产生。 （风力、制动力等） （2）被动桩：沿桩身一定范围承受侧向压力，桩身轴线因承受压力而偏离初始位置。 （深基坑支护）,横向受荷桩,（3） 竖直桩与斜桩,多向斜桩为复合受荷桩，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,p,软土层,较坚硬土层,端承桩墩,摩擦桩墩,桩墩,p,p,基岩,软土层,钢核,（1）钢筋混凝土预制桩（沉桩） 锤击沉桩 振动沉桩 静力压桩 （2）灌注桩 a. 钻（挖）孔灌注桩 b. 沉管灌注桩 c. 管柱基础 d. 钻埋大直径空心桩,3. 按施工方法分类,4. 按设置效应分类,挤土桩,部分挤土桩,非挤土桩（非位移桩）,位移桩,1.就地关注钢筋混凝土桩的构造 混凝土标号不低于c20，对仅承受竖直力的桩基础可用c15(但水下混凝土仍不应低于c20)。 钻孔桩设计直径一般为0.80m1.50m，挖孔桩的直径或最小边宽度不宜小于1.2m。 桩内钢筋应按照内力和抗裂性的要求布设,三、桩身和承台构造,（一）桩身的构造,1-钻孔 2-主筋 3-箍筋 4-护筒,2.钢筋混凝土预制桩构造 实心桩 （圆桩、方桩） 空心桩 （圆桩、方桩）,桩端,d,d,桩基础内基桩的布置应根据荷载、地基土质、基桩承载力等决定 采用大直径钻孔灌注桩的中小桥梁常用单排式， 在大型桥梁或水平力较大时，则采用行列式或梅花式 钻(挖)孔桩的摩擦桩中心距不得小于2.5倍成孔直径，支撑或嵌固在岩层上的柱桩不得小于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56倍桩径。 边桩外侧到承台边缘的距离，对桩径小于或等于lm的桩不应小于0.5倍桩径且不小于250mm；对于桩径大于1m的桩不应小于0.3倍桩径并不小于500mm。,（二）桩的布置,单排桩,行列式布桩,梅花式布桩,承台的平面尺寸和形状应根据上部结构(墩台身)底部尺寸和形状以及基桩的平面布置而定，一般采用矩形和圆端形。 承台厚度应保证承台有足够的强度和刚度，公路桥梁墩台多采用钢筋混凝土或混凝土刚性承台，其厚度不宜小于1.5m。 混凝土标号不宜低于c15。 对于盖梁式承台和柱式墩台、空心墩台的承台应验算承台强度并设置必要的钢筋，承台厚度可不受上述限制。,（三）承台构造、承台与桩的连接,承台构造 为了使承台受力较为均匀并防止承台因桩顶荷载作用发生破裂和断裂，应在承台底部桩顶平面上设置一层钢筋网。钢筋网也可根据基桩和墩台的布置，按带状布设。低桩承台有时也可不设钢筋网。 钢筋网在越过桩顶钢筋处不应截断，并应与桩顶主筋连结。,满铺钢筋网,带状布置钢筋,桩和承台的连结 钻、挖孔灌注桩现都采取桩顶主筋伸入承台，此时桩身伸入承台长度一般为150200mm。 伸入承台的桩顶主筋可做成喇叭形，约与竖直线倾斜15；若受构造限制，主筋也可不做成喇叭形。 伸入承台的钢筋应符合结构规范的锚固长度，一般应不小于600mm，并设箍筋。 对于不受轴向拉力的打入桩可不设桩头，将桩直接埋入承台内。桩顶直接埋入承台的长度，对于普通钢筋混凝土桩及预应力混凝土桩，当桩径(或边长)小于0.6m时不应小于2倍桩径或边长；当桩径在0.61.2m时，不应小于1.2m；当桩径大于1.2m时，埋入长度不应小于桩径。,桩基施工完毕后，要进行破桩头，通过将桩头上的钢筋深入承台或基础中保证桩和它上部结构的结合。,苏通大桥6墩封底砼桩头清理,情境5.2： 单桩极限承载力,一、单桩轴向力传递机理 二、按土的支撑确定单桩轴向容许承载力 三、按桩身材料强度确定单桩承载力 四、单桩横向容许承载力的确定 五、桩的负摩阻力,情境5.2： 单桩极限承载力,单桩极限承载力是指单桩在荷载作用下达到破坏状态或出现不适于承载的变形时所对应的最大荷载。它取决于土对桩的支承阻力和桩身材料强度，一般有土对桩的支承阻力控制，对于端承桩、超长桩和桩身材料有缺陷的桩，可能由桩身强度控制。,一、单桩轴向力传递机理,1.桩的荷载传递 在轴向荷载作用下，桩身将发生弹性压缩，同时桩顶部分荷载通过桩身传递到桩底，致使桩底土层发生压缩变形，这两者之和构成桩顶轴向位移。桩与桩周土体紧密接触，当桩相对于土向下位移时，土对桩产生向上作用的桩侧摩阻力。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阻力，故桩身截面轴向力随深度逐渐减小。桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体。或者说土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。,2.桩侧摩阻力和桩端阻力 桩侧摩阻力是桩对桩周土相对位移的函数， 当达到所需的桩土相对滑移极限值u后，基本只与土的类别有关 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 很长的桩实际上总是摩擦桩，用扩大桩端直径来提高承载力是徒劳的,侧阻qsu 端阻qpu,3.单桩的破坏模式 (1)桩身材料破坏 (2)整体剪切破坏 (3)刺入破坏,二、按土的支撑确定单桩轴向容许承载力,（一）用静载试验确定单桩容许承载力 静载试验一般利用基础中已筑好的基桩做试桩进行试验，试桩数目应不少于基桩总数的2，且不应少于2根。根据试验测得资料所作成的试桩曲线来分析确定试桩的破坏荷载。可以在静载试验绘制的p-s曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的作用荷载作为极限荷载，当p-s曲线的转折点不明显时，需借助其它方法辅助判定极限荷载，例如绘制各级荷载下的沉降一时间(s-t)曲线或用对数坐标绘制lgp-lgs曲线，可使转折点显得明确些。,1. 静载试验装置：,锚桩反力装置,压重平台反力装置,获得单桩承载力最可靠的方法,锚桩反力梁,静载试验装置：,静载试验装置：,静载试验装置：,锚桩 桁架法,2400吨,静载试验装置：,桩顶试验中,静载试验装置：,2. 测试方法,分级加荷 （每级荷载为预估破坏荷载的1/101/15） 或开始荷载为1/2.51/5,终了荷载为1/101/15 测读时间 第一小时内2、5、15、30、45、60分 以后每间隔30分钟读一次数,2. 测试方法,每级荷载沉降稳定标准（稳定后加下一级荷载） 砂性土：30分钟内沉降不超过0.1mm 粘性土：1小时内不超过0.1mm 试验终止标准 桩沉降量突然增大（总沉降量大于40，本级沉降超过上级沉降的5倍） 本级荷载沉降大于上级2倍，且24小时不能稳定,3.轴向容许承载力的确定,破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，单桩轴向受压容许承载力等于极限荷载除安全系数（规范规定为2），如因结构上对桩的沉降有特殊要求时，则按下沉量确定容许承载力。 对于大块碎石类、密实砂类土及硬粘性土，总沉降量值小于40mm，但荷载已大于或等于设计荷载与设计规定的安全系数乘积时，可取终止加载时的总荷载为极限荷载。,1摩擦桩,(1)钻(挖)孔灌注桩,（二）按经验公式(规范法)确定单桩轴向容许承载力,2柱桩(支承桩),p=(c1a+c2uhr)ra,(2)预制沉桩容许承载力公式：,各符号见教材，数据可以查表,（三）静力触探成果确定承载力,静力触探试验,qc,fsi,quk =uliifsi +qcap,预制单桩极限承载力标准值：,fsi 桩侧摩阻力平均值；,qc桩端阻力平均值；,桩端阻力修正系数；,i 第i层土摩阻力修正系数；,u 桩身周长；,li第i层土内桩身长度。,1. 动测试桩法 动测法 是指给桩顶施加一动荷载(用冲击、振动等方式施加)，量测桩土系统的响应信号，然后分析计算桩的性能和承载力。,低应变动测法,高应变动测法,锤击贯入法 波动方程法,检测质量,（四）其他,动测法是指给桩顶施加一动荷载(用冲击、振动等方式施加)，量测桩土系统的响应信号，然后分析计算桩的性能和承载力，可分为高应变动测法与低应变动测法两种。 低应变动测法由于施加于桩顶的荷载远小于桩的使用荷载，不足使桩土间发生相对位移，而只通过应力波沿桩身的传播和反射的原理作分析，可用来检验桩身质量，不宜作桩承载力测定。 高应变动测法一般是以重锤敲击桩顶，使桩贯入，桩土间产生相对位移，从而可以分析对桩的外来抗力和测定桩的承载力，也可检验桩体质量。主要有锤击纳贯入法和波动方程法。,动测试桩法确定单桩轴向承载力,原理 桩在锤击下入土的难易，在一定程度上反映土对桩的抵抗力。因此，桩的贯入度(桩在一次锤击下的入土深度)与土对桩的支承能力间存在有一定的关系，即贯入度大表现为承载力低，贯入度小表现为承载力高；且当桩周土达到极限状态后而破坏，则贯入度将有较大增大。 锤贯法根据这一原理，通过不同落距的锤击试验来分析确定单桩的承载力。 测试方法 桩锤落距由低到高(即动荷载由小到大，相当于静载试验中的分级荷载)，锤击812击，量测每锤的动荷载 (可通过动态电阻应变仪和光线示波器测定)和相应的贯入度(可采用大量程百分表或位移传感器或位移遥测仪量测)；,锤击贯入法(简称锤贯法),测试方法 绘制动荷载和累计贯入度曲线，即pdsed曲线或logpd sed曲线，便可用类似静载试验的分析方法(如明显拐点法)确定单桩轴向受压极限承载力或容许承载力。 试验桩的质量不宜小于预估的试验桩极限承载力值，故本法适用于中、小型桩，即桩长在1520 m、桩径在0.40.5 之内的桩，不宜用于桥梁桩基。,锤击贯入法(简称锤贯法),波动方程法,将打桩锤击看成是杆件的撞击波传递问题，运用波动议程的方法分析打桩的整个力学过程。,静力分析法是根据土的极限平衡理论和土的强度理论，计算桩底极限阻力和桩侧极限摩阻力，也即利用土的强度指标计算桩的极限承载力，然后将其除以安全系数从而确定单桩容许承载力。 （1）桩底极限阻力的确定 （2）桩侧极限摩阻力的确定 （3）单桩轴向容许承载力的确定,2. 静力分析法,三、按桩身材料强度确定单桩承载力,验算桩身截面强度 。 进行桩身压屈稳定的验算 。,（一）轴向受压 1.桩配有普通箍筋,钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数,l0为构件计算长度；b为矩形截面的短边尺寸；r为圆形截面的半径；i为截面最小回转半径； 构件计算长度l0 ，当构件两端固定时取0.5l；当一端固定一端为不移动的铰时取0.7l；当两端均为不移动的铰时取l；当一端固定一端自由时取2l。l为构件支点间长度。,2.螺旋式或焊接环式间接钢筋 且间接钢筋的换算截面面积aso不小于全部纵向钢筋截面面积的25%；间距不大于80mm或dcor/5，构件长细比lo/i48时，其正截面抗压承载力计算应符合下列规定：,（二）偏心受压 1.强度验算 轴心 偏心 2.最大裂缝宽度验算,四、单桩横轴向容许承载力确定,系指桩在与桩轴线垂直方向受力时的承载力。 应从保证桩身材料、地基强度与稳定、桩顶水平位移的使用要求方面来确定。,（一）破坏机理 第一种情况：桩的相对刚度较大 受横向力作用桩身挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一点而转动，如果不断增大横向荷载，则可能由于桩侧土强度不够而失稳，使桩丧失承载力或破坏。 基桩的横向容许承载力可能由桩侧土的强度决定。,第二种情况：桩的相对刚度较小 由于桩侧土有足够大的抗力，桩身发生挠曲变形，其侧向位移随着入土深度增大而逐渐减小，以至达到一定深度后几乎不受荷载影响。形成一端嵌固的地基梁，桩的变形呈波状曲线。,如果不断增大横向荷载，可使桩身在较大弯矩处发生断裂或使桩发生过大的侧向位移超过了桩或结构物的容许变形值。 基桩的横向容许承载力将由桩身材料的抗弯强度或侧向变形条件决定。,1.水平静载试验法 获得单桩承载力最可靠的方法 （1）试验装置 （2）试验方法 单向多循环加卸载法 慢速连续加载法,（二）单桩横向容许承载力的确定方法,单向多循环加卸载法 可模拟基础承受反复水平荷载。 试验方法 横向临界荷载与极限荷载的确定,慢速连续加载法 试验方法 横向临界荷载与极限荷载的确定,情境5.3： 基桩内力和位移计算,一、土的弹性抗力及其分布规律 问题：桩基础在和在作用下产生位移 （竖向、水平、转角） 后果：竖向位移引起桩侧土体摩阻力和桩底土体抗 力水平位移与转角挤压土体，引起横向抗力,1. 土的弹性抗力 概念：当桩受到水平外力作用后，桩土协调变形，桩的水平位移及转角引起土体对桩产生横向抗力，它起到抵抗外力和稳定桩基础的作用，土的这种作用力成为土的弹性抗力。,土的弹性抗力的分布规律 当桩受到水平外力作用后，桩土协调变形，任一深度z处桩侧土所产生的水平抗力与该点水平位移z成正比。 横向土抗力(knm2)； c 地基系数(knm3)，表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需加的力； 深度z处桩的横向位移(m),2. 地基系数c的分布规律,“m”法,m法,k法,c法,c法,公桥基规中推荐 法,m,4,3.关于“m” 值的说明,表4-1中数值由于结构在地表处的位移最大值6mm，位移较大时应当降低 “m”值的换算（两层以上时换算） 原则：换算前后地基系数图形面积相等,两层土体 三层土体,存在问题：,换算时忽落了桩身位移的影响因素 换算土层厚度仅与桩径有关，而与地基土类别、桩身材料等因素无关，显然过于简单,桩底面地基土竖向地基系数c0,c0=m0h m0桩底面地基土竖向地基系数的比例 系数 h桩的入土深度，h10m时， 取h =10m,（一）单桩、单排桩、多排桩,单桩,单排桩,多排桩,单根(排)桩：在与水平外力q相平行的平面上只有一根桩，而在与水平外力q作用面相垂直的平面上，由单根或多根桩组成的桩基础 多排桩：q轴线垂直有2排以上。,二、桩顶荷载计算,（二）桩顶的荷载pi、q i、和m i值的计算,1.单桩和单排桩 对桥墩作纵向验算时，若作用于承台底面中心的荷载为n、q 、和m ，当在承台横桥向无偏心时，则可以假定各荷载是平均分配在各桩上。,2.多排桩 当外力作用于承台对称平面内，由于各桩与荷载的相对位置不尽相同，桩顶在外荷载(n、q、m)作用下其变位就会不同，外荷载分配到桩顶上的pi、q i、和m i也就各异，因此，pi、qi、和mi的值就不能用简单的计算方法进行计算，一般可用位移法求解各桩桩顶的受力,（三）桩的计算宽度,公桥基规推荐计算宽度的换算方法可用下式表示： b1=kfk0kb（或d） b(或d)与外力q作用方向相垂直的平面上桩的宽度(或直径)； kf形状换算系数。值见表4-3； k0受力换算系数。其值见表4-3；,k桩间的相互影响系数。当桩基有承台连接，在外力作用平面内有数根桩时，各桩间的受力将相互产生影响，其影响与桩间的净距l1的大小有关，图4-6所示， 当l10.6h1时,k=1.0； 当l10.6h1时，。 l1桩间净距；,h1桩在地面或最大冲刷线下的计算深度，可按h1=3（d+1)，但不得大于h；关于d值，对于钻孔桩为设计直径，对于矩形桩可采用受力面桩的边宽； b与外力作用平面相互平行所验算的一排桩数n有关的系数；当n=1时，b=1.0；当n=2时，b=0.6；当n=3时，b=0.5；当n4时，b=0.45。,表9-12 计算换算表,（四）刚性桩与弹性桩,当桩的入土深度h 时按刚性桩计算 当桩的入土深度h 时按弹性桩计算 其中称为桩的变形系数,沉井,大直径管柱,桥梁桩基础,1. 桩的挠曲微分方程及其解 桩的挠曲微分方程为： 整理得到： 对于h2.5的摩擦桩和h3.5柱承桩解答相同，h2.5的嵌岩桩与其它情况的解答不同。,三、“m”法弹性单排桩内力和位移计算,三、“m”法弹性单排桩内力和位移计算,桩身在地面以下任一深度处内力及位移计算公式 对于h4的桩，桩底边界条件对桩的受力变形影响很小，各种类型的桩，摩擦桩、端承桩可统一用以下公式计算桩身在地面以下任一深度处内力及位移：,桩的变形系数,当桩顶露出地面或局部冲刷线的长度为l0时，可进一步导出桩顶的水平位移1和转角1： a1、a1=b1、b1均为无量纲系数，a1和b1可按h和z查表9-13，a1、b1可按h和l0查表9-13,要检验桩的截面强度和进行配筋计算，桩身最大弯矩截面为控制截面。因此，必须找出最大弯矩截面所在位置zmax及相应的最大弯矩mmax值。一般有以下两种方法： （1）将各深度z处的m值求出后绘制z-mz图，直接从图中得出； （2）根据桩身最大弯矩截面其剪力为零，即qz=0，则qz=q0aq+m0bq=0，得出：,2.计算步骤 （1）求出每根桩桩顶受力、和及地面或局部冲刷线处横向荷载。,对于单桩来说，上部荷载全由它承担。,对于单排桩，各荷载是平均分配在各桩上,对于多排桩，一般可用位移法求解各桩桩顶的受力。,单排桩,式9-13,（2）如桩的断面尺寸已定，需要选定桩的入土深度，则可根据桩的轴向受力等于单桩轴向容许承载力的原则，算出桩所需要的入土深度。 （3）验算单桩的轴向承载力，要求单桩轴向力不超过允许承载力，允许承载力估算： 式9-3（打入桩、管桩等） 9-1（钻孔灌注桩） 9-5（静力触探法） （4）确定桩的计算宽度 （ b1=kfk0kb ） （5）计算桩-土变形系数,当桩顶露出地面或局部冲刷线的长度为l0时 ，桩顶的水平位移和转角 为：,（6）计算地面处桩截面的作用力，验算地面或最大冲刷线处的横向位移x0（要求6mm） 其中：q0、m0是桩在地面处或最大冲刷线处的横向荷载，根据桩顶荷载换算,地面处的转角与位移x0、0按下式计算,（7）计算桩身最大弯矩及其位置 zmmax求解 求出cq ， 由cq和h查表9-14得z： zmmax =z 查9-14 得km,8.配筋计算（按照结构设计原理计算） 也可以初选配筋，验算强度 9.计算墩台顶水平位移 = x1-1l1+0 桩顶处的水平位移x1； 桩顶处的转角 1所引起的墩顶的水平位移 1l1； 桩顶到墩顶的高度l1； 墩柱部分自身的弹性变形引起的桩顶水平位移,弹性多排桩基桩内力与位移计算 多排桩基桩属于超静定结构，一般将外力作用平面内的桩作为一平面框架，用结构位移法解出各桩顶上的作用力、和后，即可应用单桩的计算方法来进行桩的承载力与强度验算。,四、弹性多排桩基桩内力与位移,桩顶的作用力 单桩桩顶的刚度系数,情境5.4： 群桩基础验算,一、群桩基础的工作原理,柱桩群桩基础的承载力等于各单桩承载力之和，其沉降量等于单桩沉降量,1.柱桩群桩基础,摩擦群桩基础的承载力常小于各种单桩承载力之和，但有时也可能会大于或等于各种单桩承载力之和。群桩的沉降也明显大于单桩，这种现象就是群桩效应。,2.摩擦桩群桩基础,二、群桩基础竖向承载力验算,群桩的特点,(a)单桩受力,(b)群桩受力,当桩距较小时，桩间 摩擦力叠加，承载作 用相互削减； 桩端应力叠加，地基 受力大； 结论：群桩承载力不大于单桩承载力之和。,n,h,l,a,l0,b,b0,1.桩底持力层承载力验算,把群桩连同周围土体作为一实体深基础来分析。,f,d,e,摩擦桩群桩基础当桩间中心距小于6倍桩径时，将桩基础视为相当于cdef范围内的实体基础，桩侧外力认为以/4角向下扩散，可按下式验算桩底平面处土层的承载力,n,l,a,b,b0,0,f,e,d,c,2. 群桩地基软弱下卧层验算,当桩端持力层下存在软弱下卧层时，必须验算其强度是否满足要求。计算方法同浅基础。,三、 群桩地基沉降计算与变形验算,超静定结构桥梁或建于软土、湿陷性黄土地基或沉降较大的其它土层的静定结构桥梁墩台的群桩基础应计算沉降量并进行验算。 当柱桩或桩的中心距大于6倍桩径的摩擦桩群桩基础，可以认为其沉降量等于在同样土层中静载试验的单桩沉降量。 当桩的中心距小于6倍桩径的摩擦桩群桩基础，则作为实体基础考虑，可采用分层总和法计算沉降量。公桥基规规定墩台基础的沉降应满足下列要求：,情境5.5： 桩基础设计简介,桩基础的设计方法与步骤一般先根据收集的必要设计资料，拟定出设计方案(包括选择桩基类型、桩长、桩径、桩数、桩的布置、承台位置与尺寸等)，然后进行基桩和承台以及桩基础整体的强度、稳定、变形检验，经过计算、比较、修改直至符合技术、经济和安全、使用等各项要求，最后确定较佳的设计方案。,一、桩基础类型的选择,考虑因素：,1.荷载大小及性质； 2.工程地质条件； 3.施工条件。,选择要求：,1.桩型； 2.施工工艺； 3.工期要求； 4.桩型特点的利用。,经济合理； 安全适用。,1.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，用于冲刷小的河流或岸滩上 冻胀土层中时，承台底面应位于冻结线以下不少于o.25m 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，尽可能采用高桩承台 承台底面应位于最低冰层底面以下不少于o.25m 有漂流物或通航的河道，承台底面也应适当放低,2.柱桩桩基和摩擦桩桩基的考虑,主要根据地质和受力情况确定 当基岩埋深较浅时应考虑采用柱桩桩基 岩层较深或施工条件不宜采用柱桩时，可用摩擦桩,3.单排桩基础与多排桩基础的考虑,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 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 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,4.施工方式的选择,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、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。,二、桩径、桩长的拟定,1.混凝土灌注桩,断面形式：圆形,沉管灌注桩直径：300500mm； 钻孔灌注桩直径：5001200mm； 扩底钻孔灌注桩：扩底直径12d.,扩底钻孔灌注桩,2.混凝土预制桩,断面形式：方形、圆形、三角形等,断面尺寸：550mm,3.桩长的选择,考虑因素：主要桩端持力层选择，同时考虑 桩的材料及施工工艺。,桩端持力层选择：较硬土层,桩端全截面进入持力层深度： 粘性土、粉土：2d； 砂土：1.5d； 碎石土：1d。,有软弱下卧层时桩基下持力层厚度：4d,嵌岩桩嵌入岩层深度： 0.5m,端承桩,摩擦桩,考虑因素：承载力与沉降量,注意：,（1）同一种建筑物尽量采用同一种桩； （2）除落在岩面上的桩，桩端间高差d； （3）摩擦型桩，桩端间高差l/10； （4）高层及荷载大的建筑物宜用大桩径(挖孔)。,三、基桩数确定及平面布置,单桩容许承载力确定以后，可按下式估算所需桩数：n 式中 n作用于承台底面的竖向荷载，kn p单桩轴向容许承载力，kn； k容许承载力提高系数，对于荷载组合 取k=1，其他荷载组合取k=1.25； 考虑由偏心荷载时各桩受力不等的提高系 数，按经验可取1.11.3。,1.基桩数确定,2.桩的平面布置,（1）墙下桩基,a. 桩的最小中心距：3d（一般34d)； b. 尽量使群桩形心与荷载重心重合； c. 纵横墙交接处宜布置桩。,墙下桩的平面布置,单排布置,双排布置,交叉布置,墙角布置,（2）独立桩基,a.桩的最小中 心距：3d （一般34d) ； b.边桩距承台 边缘：d。,柱下独立承台桩的平面布置,二桩布置,三桩布置,四桩布置,六桩布置,四、桩基础设计方案检验,（一）单根基桩的检验 1单桩轴向承载力检验 2单桩水平承载力检验 3单桩水平位移检验 =0.5 (cm),（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 承台按极限状态设计，验算包括：桩顶处局部压应力、承台抗弯、抗剪强度及桩对承台的冲剪等内容，,情境5.6： 桩基础施工,一、预制沉桩施工,1. 沉桩前准备 桩可在预制厂预制，当预制厂距离较远而运桩不经济时，宜在现场选择合适的场地进行预制，但应注意：场地布置要紧凑，尽量靠近打桩地点，要考虑到防止被洪水所淹；地基要平整密实，并应铺设混凝土地坪或专设桩台；制桩材料的进场路线与成桩运往打桩地点的路线，不应互受干扰,预制桩的混凝土必须连续一次浇制完成，宜用机械搅拌和振捣，以确保桩的质量。桩上应标明编号，制作日期，并填写制桩记录。桩的混凝土强度大于设计强度70方可吊运；达到设计标号时方可使用。核验沉桩的尺寸和质量，并在每根桩的一侧用油漆划上长度标记,桩位定线时，应将所有的纵横向位置固定牢固，如桩的轴线位置于水中，应在岸上设置控制桩。 打钢筋混凝土桩时，应采用与桩的断面尺寸相适应的桩帽，桩就位后如发现桩顶不平应以麻袋等垫平。桩锤压住桩顶后，检查锤与桩的中心线是否一致，桩位、桩帽有无移动，桩的垂直度或倾斜度是否符合规定,2. 锤击沉桩法,锤击沉桩法是靠桩锤的冲击能量将桩打入土中 重锤低击，低提重打 一般适用于松散、中密砂土、粘性土 锤击沉桩常用的设备是桩锤和桩架。射水装置、桩帽和送桩等辅助设备,（1） 桩锤（常用桩锤） 坠锤、单动汽锤、双动汽锤、柴油机锤及液压汽垫锤等 坠锤是由铸铁或其他材料做成的锥形或柱形重块，重220kn，由人力或卷扬机沿桩架导杆提升 l2m，然后使锤自由落下锤击桩顶 单动汽锤、双动汽锤是利用蒸汽或压缩空气将桩锤在桩架内顶起下落锤击基桩 柴油锤工作原理同柴油机，利用柴油在汽缸内压缩发热点燃而爆炸将汽缸沿导向杆顶起，下落时锤击桩顶,单动汽锤的原理,（2）桩架 桩架的作用是装吊桩锤、插桩、打桩、控制桩锤的上下方向，由导杆、起吊设备(滑轮、绞车、动力设备等)、撑架(支撑导杆)及底盘(承托以上设备)等组成,管桩起吊,管桩定位,管桩打桩,动载实验贴应变片,（3）射水装置 在锤击沉桩过程中，如下沉遇到困难，可用射水方法助沉，因为利用高压水流通过射水管冲刷桩尖或桩侧的土，可减小桩的下沉阻力，从而提高桩的下沉效率。 （4）桩帽与送桩 桩帽的作用是直接承受锤击、保护桩顶，并保证锤击力作用于桩的断面中心。 当桩顶位于水下或地面以下，或打桩机位置较高时，可用一定长度的送桩套联在桩顶上，就可使桩顶沉到设计标高,管桩测试 动载实验贴应变片,5）锤击沉桩施工要点及注意事项 桩帽与桩周围应有5-10mm间隙； 打桩机的导向杆件应固定，以便施打时稳定桩身 桩在导向杆件上不应钳制过死，使桩身产生超过许可的拉力或扭矩 导向杆件的设置应使桩锤上、下活动自由 在有条件的情况下，导向杆件宜有足够的长度 应有适合桩帽大小的桩垫，桩垫因承受高压力而炭化或破碎时，应及时更换 采用适当的桩帽，将锤的冲击力均匀分布到整个顶面上,（6）沉桩施工常遇问题及防止与处理措施,3. 振动沉桩法,原理是由振动打桩机使桩产生上下方向的振动，在清除桩与周围土层间摩擦力的同时使桩尖地基松动，从而使桩贯入或拔出 一般适用于砂土，硬塑及软塑的粘性土和中密及较软的碎石土 在砂性土中最有效，硬地基中难以打进 随地基的硬度加大，桩锤的重量也应增大 桩的断面大和桩身长者，桩锤重量应大,振动沉桩 预制桩113m,4. 射水沉桩法,射水法是利用小孔喷嘴以300500kpa的压力喷射水，使桩尖和桩周围土松动的同时，桩受自重作用而下沉的方法 对粘性土、砂性土都可适用，在细砂土层中特别有效。 施工时噪音和振动极小,5. 静力压桩 原理示意图,二、钻孔灌注桩施工,钻孔、清孔、吊放钢筋笼架、灌注水下混凝土 (一)准备工作 1.准备场地 施工前应将场地平整好，以便安装钻架进行钻孔。当墩台位于无水岸滩时钻架位置处应整平夯实，清除杂物，挖换软土；场地有浅水时，宜采用土或草袋围堰筑岛，当场地为深水或陡坡时，可用木桩或钢筋混凝土桩搭设支架，安装施工平台支承钻机(架)。深水中在水流较平稳时，也可将施工平台架设在浮船上，就位锚固稳定后在水上钻孔。水中支架的结构强度、刚度和般只的浮力、稳定都应事前进行验算。,旋转钻,冲击钻,冲抓钻,钻具,2.埋置护筒 作用： 固定钻孔位置； 开始钻孔时对钻头起导向作用； 保护孔口防止孔口土层坍塌； 隔离孔内孔外表层水，并保持钻孔内水位高出施工水位以产生足够的静水压力稳固孔壁。,要求 坚固、耐用 不易变形 不漏水 装卸方便 能重复使用 埋设稳固、位置准确,材料 木材 钢板 钢筋混凝土,埋设方法 下埋式（旱地埋设） 上埋式（旱地或埋浅水筑岛埋设） 下沉埋设（深水埋设）,下埋式,上埋式,上埋式,下 沉 埋 设,埋设要点及注意事项： (1)护筒平面位置应埋设正确，偏差不宜大于50mm (2)护筒顶标高应高出地下水位和施工最高水位1.5-2.om。无水地层钻孔因护壁顶部设有溢浆口，筒顶也应高出地面0.2-0.3m； (3)护筒底应低于施工最低水位(一般低于o.10.3m即可)。深水下沉埋设的护筒应沿导向架借自重、射水、振动或锤击等方法将护筒下沉至稳定深度，入土深度粘性土应达到0.51m，砂性土则为34m；,埋设要点： (4)下埋式及上埋式护筒挖坑不宜太大(一般比护筒直径大0.10.6m)，护筒四周应夯填密实的粘土，护筒应埋置在稳固的粘土层中，否则应换填粘土并密实，其厚度一般为0.50m。 （5）护筒内径应比桩径大200400mm。,3制备泥浆 泥浆的作用 在孔内产生较大的静水压力，可防止坍孔； 泥浆向孔外土层渗漏，在钻进过程中，由于钻头的活动，孔壁表面形成一层胶泥，具有护壁作用；同时将孔内外水流切断，能稳定孔内水位； 泥浆比重大，具有挟带钻渣作用，利于钻渣排出,配制及指标 一般由水、粘土（或膨润土）和添加剂接适当配合比配制而成，其性能指标主要包括：相对密度、粘度、含砂率、胶体率、失水率、泥皮厚度、静切力、ph值等。 直径大于2.5m的大直径钻孔灌注桩对泥浆的要求高，泥浆的选择应根据具体工作条件确定，地质复杂，覆盖层较厚，护筒下沉不到岩层情况下，宜使用丙烯酰胺即php泥浆,php泥浆的配制 php泥浆的主要成分：膨润土、碳酸钠、聚丙烯酰胺的水解物、锯木屑、稻草、水泥或有机纤维复合物 php泥浆配比应通过试验确定，参考配比如下 a.膨润土为水质量的68； b.碳酸钠为膨润土质量的0.3 0.5； c.羧甲基纤维素(cmc)为膨润土质量的0.50.1 d.聚丙烯酰胺(php)为泥浆量的0.003； e.孔内有渗漏时，加锯木屑为水质量的1 2，稻草末或水泥填加量为每立方米泥浆17kg；孔内有承压水或地下水位高，渗漏严重时，加重晶粉、珍珠岩粉及方铝矿粉，填加量为每立方米泥浆17kg。,环境保护 (1)采用正反循环回转法钻孔或其他方法钻孔时，均应设置泥浆回收循环净化使用系统。 一般应备有泥浆池、沉淀池或搅拌池、循环槽等，有条件时可采用机械净化法。在水域钻孔施工时，其泥浆循环净化系统可设于浮船上，或仍置于岸边，泥浆净化后泵人钻孔中。 (2)应防止净化后的废浆钻渣污染环境，宜采取下列措施： 采用泥水分离设备将其含水量降低为50以下的湿土，运往低洼处； 采用絮凝剂进行絮凝沉淀，将其中固相物运走； 上述二法联合处理，先使泥、水分离再絮凝； 设置数个沉淀池，利用重力使固相物沉淀，然后将其运走。,在钻孔桩平台上插入护筒(下端砼上端钢护筒),钻孔桩施工平台和钢护筒施工全景,栈桥上泥浆管道与钻孔平台上8个泥浆桶(3mx4m)贯通,输出带渣孔液通过泥浆桶沉淀后进入泥浆槽减速沉淀细颗粒,php泥浆比重低(1.04)、粘度大(25秒)、泥皮薄(1mm) 触变性强,能大幅提高钻速，确保孔避安全,不分散、低固相、油田php泥浆,泥浆净化设备,4安装钻机或钻架 钻架是钻孔、吊放钢筋笼、灌注混凝土的支架。 在钻孔过程中，成孔中心必须对准桩位中心，钻机(架)必须保持平稳，不发生位移、倾斜和沉陷。 钻机(架)安装就位时，应详细测量，底座应用枕木垫实塞紧，顶端应用缆风绳固定平稳，并在钻进过程中经常检查。,1.钻孔方法与钻具 （1） 旋转钻进成孔 普通旋转钻机成孔法 利用钻具的旋转切削体钻进，并在钻进的同时采用循环泥浆的方法护壁排渣，继续钻进成孔。 旋转钻机成孔按泥浆循环的程序有正、反循环回转之分。,（二）钻孔,正循环笼式钻头,正循环笼式钻头,笼式钻头,导管,导管,三翼空心单尖钻头,反循环 三翼空心单尖钻头,反循环 三翼空心单尖钻头,反循环牙轮钻头,全叶式螺旋钻成孔法 钻孔时利用电动机带动钻杆转动，使钻头螺旋叶片旋转削土，土块随叶片上升排出孔外成孔。,螺旋钻,螺旋钻,螺旋钻,潜水钻机钻孔法 利用密封电机、变速机构带动钻头在水中旋转削土，并在端部喷出高速水流冲刷土体，以水力排渣。 由于旋转钻进成孔的施工方法受到机具和动力的限制，适用于较细、软的土层，如各种塑性状态的粘性土、砂土、夹少量粒径小于l00200mm的砂卵石土层，在软岩中也可使用。,潜水钻,潜水钻,钻扩桩,挤扩桩（支盘桩）,（2）冲击钻进成孔 利用钻锥(重为10-35kn)不断地提锥、落锥反复冲击孔底土层，把土层中泥砂、石块挤向四壁或打成碎渣，钻渣悬浮于泥浆中，利用掏渣筒取出，重复上述过程冲击钻进成孔。 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。成孔深度一般不宜大于50m。,(3)冲抓钻进成孔 利用冲抓锥张开的锥瓣向下冲击切入土石中，收紧锥瓣将土石抓入锥中，提升出孔外卸去土石，然后再向孔内冲击抓土，如此循环钻进的成孔方法。 适用于较松或紧密粘性土、砂性土及夹有碎卵石的砂砾土层，成孔深度一般小于30m。,冲抓钻进成孔,2钻孔注意事项 在钻孔过程中应防止坍孔、孔形扭歪或孔斜，钻孔漏水、钻杆折断，甚至把钻头埋住或掉进孔内等事故.,注意事项 (1)在钻孔过程中，始终要保持孔内外既定的水位差和泥浆浓度，以起到护壁固壁作用，防止坍孔 (2)在钻孔过程中，应根据土质等情况控制钻进速度、调整泥浆稠度，以防止坍孔及钻孔偏斜、卡钻和旋转钻机负荷超载等情况发生。 (3)钻孔宜一气呵成，不宜中途停钻以避免坍孔，若坍孔严重应回填重钻。 (4)钻孔过程中应加强对桩位、成孔情况的检查工作。终孔时应对桩位、孔径、形状、深度、倾斜度及孔底土质等情况进行检验，合格后立即清孔、吊放钢筋笼，灌注混凝土。,3钻孔中常见的施工事故及预防与处理措施,3钻孔中常见的施工事故及预防与处理措施,清孔目的 除去孔底沉淀的钻渣和泥浆，以保证灌注的钢筋混凝土质量，保证桩的承载力。 清孔方法 1抽浆清孔 用空气吸泥机吸出含钻渣的泥浆而达到清孔。 适用于孔壁不易坍塌的各种钻孔方法的柱桩和摩擦桩，一般用反循环钻机、空气吸泥机、水力吸泥机或真空吸泥泵等进行。,(三)清孔及吊装钢筋笼骨架,空气吸泥机清孔,真空吸泥泵清孔,清孔方法 2）掏渣清孔 3）换浆清孔 4）喷射清孔法 5）砂浆置换清孔法 清孔时应注意的事项 不论采用何种清孔方法，在清孔排渣时，必须注意保持孔内水头，防止坍孔。 无论采用何种方法清孔，清孔后应从孔底提出泥浆试样，进行性能指标试验，试验结果应符合规定。灌注水下混凝土前，孔底沉淀土厚度应符合规定。 不得用加深钻孔深度的方式代替清孔。,钻、挖孔成孔质量标准,注：清孔后的泥浆指标，是从桩孔的顶、中、底部分别取样检验的平均值。本项指标的测定，限指大直径桩或有特定要求的钻孔桩。,钢筋吊放安装 钻孔桩的钢筋应按设计要求预先焊成钢筋骨架，长桩骨架宜分段制作，分段长度应根据吊装条件确定，应确保不变形，接头应错开。整体或分段就位，骨架顶端应设置吊环,吊入钻孔。 吊放时应避免骨架碰撞孔壁，并保证骨架外混凝土保护层厚度，应随时校正骨架位置。在骨架外侧设置控制保护层厚度的垫块，其间距竖向为2m，横向圆周不得少于4处。 钢筋骨架达到设计标高后，即将骨架牢固定位于孔口，立即灌注混凝土。,钢筋笼绑扎,钢筋笼安放,（四）钻孔质量标准,1灌注方法及有关器具 灌注方法 设备 导管 隔水栓 漏斗与储料槽,(五)灌注水下混凝土,储料槽,导管,2对混凝土材料的要求 混凝土的配合比按设计强度的混凝土标号提高20进行设计； 混凝土应有必要的流动性，宜在180220mm范围内 每m3混凝土用量不少于350kg，水灰比宜用0.50.6，并可适当提高含砂率(宜采用4050)使混凝土有较好的和易性； 为防卡管，石料尽可能用卵石，适宜粒径为530mm，最大粒径不应超过40mm。,3.混凝土浇筑,为了随时掌握钻孔内混凝土顶面的实际高度，可用测绳和测深锤直接测定。测深锤一般用锥形锤，锤底直径15cm左右，高20cm，质量为5kg，外壳可用钢板焊制，内装铁砂配重后密封。为保证灌注桩成桩后的质量，现在可用超声波法等进行无损检测。,4.灌注水下混凝土注意事项 灌注水下混凝土的搅拌机能力，应能满足桩孔在规定时间内灌注完毕。灌注时间不得长于首批混凝土初凝时间。若估计灌注时间长于首批混凝土初凝时间，则应掺入缓凝剂。 混凝土拌和物应有良好的和易性，在运输和灌注过程中应无显著离析、泌水现象。混凝土拌和物运至灌注地点时，应检查其均匀性和坍落度等，如不符合要求，应进行第二次拌和，二次拌和后仍不符合要求时，不得使用。,首批灌注混凝土的数量应能满足导管首次埋置深度(1.0m)和填充导管底部的需要 。 首批混凝土拌和物下落后，混凝土应连续灌注。 在灌注过程中，导管的埋置深度宜控制在26m。在灌注过程中，应经常测探井孔内混凝土面的位置，及时地调整导管埋深。,为防止钢筋骨架上浮，当灌注的混凝土顶面距钢筋骨架底部1m左右时，应降低混凝土的灌注速度。当混凝土拌和物上升到骨架底口4m以上时，提升导管，使其底口高于骨架底部2m以上，即可恢复正常灌注速度。 灌注的桩顶标高应比设计高出一定高度，一般为0.51.0m，以保证混凝土强度，多余部分接桩前必须凿除，残余桩头应无松散层。 在灌注将近结束时，应核对混凝土的灌人数量，以确定所测混凝土的灌注高度是否正确。,5.灌注中发生的故障及处理方法 (1)初灌导管进水 首批混凝土拌和物下落后，导管进水，应将已灌注的拌和物用吸泥机(可用导管作吸泥管)全部吸出，再针对进水的原因，改正操作工艺或增加首批拌和物储量，重新灌注。,(2)中期导管进水 多在提升导管且底口超出已灌混凝土拌和物表面时发生。遇到该种故障时，可依次将导管拔出，用吸泥机或潜水泥浆泵将原灌混凝土拌和物表面的沉淀土全部吸出，将装有底塞的导管压重插入原混凝土拌和物表面下2.5m深处，然后在无水导管中继续灌注，将导管提升