第6章 桩基工程设计与施工

第六章桩基工程设计与施工

6.1桩基设计概述

建筑桩基采用以概率论为基础的极限状态设计法，以可靠度指标来度量桩基的可靠性，并采用以分项系数表达的极限状态设计表达式来进行设计计算。有两种极限状态：（1）承载力极限状态：指桩基达到最大承载能力或整体失稳或发生了不适于继续承载的变形。（2）正常使用极限状态：指桩基达到建筑物正常使用规定的变形值或达到耐久性要求的某项限值。6.1.1承载力极限状态设计表达式1.竖向承载力极限状态设计表达式（1）荷载效应基本组合（无地震作用）轴心竖向力作用下满足：γ0N≤R；偏心竖向力作用下满足：γ0N≤R；γ0Nmax≤1.2R；式中：γ0—建筑桩基重要性系数，安全等级为一、二、三级时，分别取1.1、1.0、0.9；对于桩下单桩按提高一级考虑。N—轴心竖向力作用下，桩基中复合基桩或基桩的竖向力设计值（KN）；Nmax--轴心竖向力作用下，桩基中复合基桩或基桩的最大竖向力设计值（KN）；R--桩基中复合基桩或基桩的竖向承载力设计值（KN）；（2）地震作用效应组合轴心竖向力作用下满足：N≤1.25R；偏心竖向力作用下满足：N≤1.25R；和Nmax≤1.5R；2.作用在桩顶的轴向力设计值（1）假定条件①承台为绝对刚性，受弯矩作用时呈平面转动，不产生挠曲；②桩与承台为铰接相连，只传递轴力和水平力，不传递弯矩；③桩的刚度相等。（2）计算表达式*轴心竖向力作用下：N=（F+G）/n；*偏心竖向力作用下：Ni=（F+G）/n±（Mxyi/∑yi2）±（Myxi/∑xi2）；6.1.2桩基设计基本程序与内容1.选择桩型与材料；2.确定桩端持力层、桩长与桩截面尺寸；3.计算单桩承载力；4.确定桩数与布桩；5.验算桩基沉降与下卧层承载力等；6.承台设计。具体设计计算在“地基与基础”课程中已作了详细介绍，在此不再赘述。6.2预制桩施工先在工厂或现场制作，再运到现场或就地施工的桩。6.2.1主要施工方法与适用条件1.打入法：一般用锤击或振动法下沉，施工噪音大，剂土效应对周边环境影响大，不宜在城市中使用，当持力层中有坚硬夹层时，也不宜使用。2.静力压入法：利用无噪音的机械将预制桩压入到持力层。适用于软弱土层，当存在厚度大于2m的中密以上的砂夹层时，不宜使用。6.2.2工艺要点与质量控制条件1.混凝土预制桩（1）制作①可在工厂或现场预制，预制场地必须平整、坚实，可用木模或钢模，模板必须平整牢靠，尺寸准确。②钢筋骨架的主筋连接宜采用电焊或电弧焊，主筋接头配置在同一截面内的数量，当采用闪光对焊和电弧焊时，对受拉筋，不得超过50%，相邻两主筋接头截面的距离应大于35dg，并不应小于500mm。③预制桩的单节长度应满足桩架的有效高度、制作场地条件、运输与装卸能力，应避免桩尖接近硬持力层或桩尖处于硬持力层中接桩。④锤击预制桩，其粗骨料粒径宜为5~40mm，浇注混凝土时，宜从桩顶开始，并应防止另一端的砂浆积聚过多。锤击预制桩应在强度与龄期均达到要求后，方可锤击。⑤预制桩钢筋骨架的允许偏差以及桩制作的允许偏差应满足规范要求。（2）混凝土预制桩的起吊、运输与堆存混凝土预制桩达到设计强度的70%后方可起吊，达到100%后才能运输。堆放场地必须平整、坚实，垫木与吊点应保持在同一横截面内，且各层垫木应上、下对齐，堆放层数不宜超过4层。（3）预制桩的接桩①方法：主要有焊接、法兰接和硫磺胶泥锚接三种。前两种可用于各类土层；后者适用与软土层，但对一级建筑桩基或承受拔力的桩宜慎用。②接桩材料应符合下列要求：*焊接接桩：钢板宜采用低碳钢，焊条宜用E43；*法兰接桩：钢板和螺栓宜用低碳钢；*硫磺胶泥锚接桩：硫磺胶泥的配合比应通过试验确定，其物理力学性能应符合有关规定。为保证硫磺胶泥锚接桩的质量，应做到：锚筋应刷清并调直；锚筋孔内应有完好罗纹，无积水、杂物和油污；接桩时，接点的平面和锚筋孔内应灌满胶泥；灌注时间不得超过两分钟，灌注后停歇时间应符合有关规定；胶泥试块每班不得少于一组。（4）混凝土预制桩的沉桩①沉桩前应清障、整平、排水畅通，并满足打桩所需要的地面承载力；②应根据具体条件选择合适的桩锤；③打桩时应符合有关规定：桩帽或送桩帽与桩周围的间隙应为5~10mm；锤与桩帽、桩帽与桩之间应加设弹性衬垫；桩锤、桩帽或送桩帽应和桩身在同一中心线上；桩插入时的垂直度偏差不得超过0.5%；④打桩顺序应按下列规定执行：对于密集群桩，自中间向两个方向或四周对称施打；当一侧有毗邻建筑物时，由毗邻建筑物处向另一方向施打；根据基础的设计标高，宜先深后浅；根据桩的规格，宜先大后小，先长后短；

⑤桩停止锤击的控制原则：*桩端位于一般土层时，以控制桩端设计标高为主，贯入度可作为参考；*桩端达到坚硬、硬塑粘性土、中密以上粉土、砂土、碎石类土、风化岩时，以贯入度控制为主，桩端标高可作参考；*贯入度已达到而桩端标高未达到时，应继续锤击3阵，按每阵10击贯入度不大于设计规定的数值确认。必要时，施工控制贯入度应通过试验与有关单位会商确定。⑥当遇到贯入度剧变，桩身突然发生倾斜、位移或有严重回弹，桩顶或桩身出现严重裂缝、破碎等情况时，应暂停打桩，并分析原因，采取相应措施。⑦当采用射水法沉桩时，应符合下列规定：*水冲法打桩适用于砂土和碎石土；*水冲至最后1~2m时，应停止射水，并用锤击沉至规定标高。停锤控制标准与上述相同。⑧为避免或减少沉桩剂土效应对邻近建筑物和地下管线等的影响，施打大面积密集桩群时，可采取下列辅助措施：*预钻孔；*设置袋装砂井或塑料排水板，以消除部分超静孔隙水压力，减小剂土；*设置隔离板桩或地下连续墙；*开挖地面隔震沟；*限制打桩速度；注意对邻近建筑物的观测与监护等。⑨静力压桩适用于软弱土层，当存在厚度大于2m的中密以上砂夹层时，不宜采用。⑩桩位允许偏差不应超过±100~150mm。

⑩按标高控制的桩，桩顶标高的允许偏差为-50~+100mm，斜桩倾斜度的偏差，不得大于倾斜角公切值的15%。2.钢桩----钢管桩、H型桩及其它异型钢桩（1）制作材料应符合设计要求；制作现场应有平整的场地及挡风防雨设施；尺寸允许偏差应符合有关要求；分段（节）原则与混凝土预制桩相同，且不宜大于15m；用于腐蚀环境时，应按设计要求作防腐处理。（2）焊接必须除锈，除油污和保持干燥；下节桩顶经锤击后的变形部分应割除；上下节桩焊接时应校正垂直度，对口的间隙为2~3mm；焊丝或焊条应烘干；焊接应对称进行；焊接应用多层焊，钢管桩各层缝的接头应错开，焊渣应清除；雨雪或低于0ºC的天气，无可靠措施确保焊接质量时，不得焊接；每个接头焊接完毕，应冷却一分钟后，方可锤击。H型钢桩或其它异型薄壁钢桩，接头处应加连接板，其型式如无规定，可按等强度设置。（3）运输和堆存堆场应平整、坚实、排水畅通；桩两端应有适当保护措施，钢管桩应设保护圈；搬运时应防止桩体撞击而造成桩端、桩体损坏或弯曲；钢桩应按规格、材质分别堆放，堆放层数不宜太高。（4）钢桩的沉桩----与混凝土预制桩基本一致。6.3人工挖孔桩施工人工挖孔灌注桩是指在桩位采用人工挖掘方法成孔（或桩端扩大），然后安放钢筋笼、灌注混凝土而成的桩基。主要特点是受力性能可靠，不需要大型的机具设备，施工工艺简单，工期较短，但劳动强度大，施工安全性较差，稍一疏忽，容易发生人身伤亡事故。

1.人工挖孔桩的适用条件及一般做法（1）适用条件：

适用于地下水位以上或地下水较少的人工填土、粘性土、粉土、砂土、碎石土及风化岩地层等。在地下水位较高的软土地区，经采取严格而恰当的施工工艺及措施后也可使用。

（2）一般做法：桩身直径一般为800~2000mm，最大直径在国外已达8000mm，国内已达4200mm；桩端可采取不扩底和扩底两种方法；视桩端土层情况，扩底直径一般为桩身直径的1.3~2.5倍，扩底变径尺寸一般按（D-d）/2:h=1:4的要求进行控制。扩底部分分为平底和弧底两种，后者的矢高h1≥（D-d）/4。挖孔桩的孔深一般不超过25m（但在采取措施后也可以超过，如大连某挖孔桩工程，桩径2.4~4.2m，桩长22~52m；厦门某挖孔桩工程，桩径1.8m，桩长73m；西安黄土中也有桩长超过70m的例子）。

桩长l与桩径d的关系：l≤8m，d≥800mm；l=8~15m，d≥1000mm；l=15~20m，d≥1200mm；l＞20m，d≥1500mm。2.人工挖孔桩的施工工艺为保证施工安全，必须考虑防止孔壁坍塌的支护措施—护壁。护壁方法有现浇混凝土、喷射混凝土、砖砌护壁与及钢板护壁等。（1）采用现浇混凝土分段护壁时的施工程序：放线定位—设置操作平台，提土支护及防雨棚—以0.8~1.0m分段进行土方开挖—测量控制—支护壁模板—灌注护壁混凝土—拆模，继续开挖，直至设计深度—钢筋笼沉放—排除孔底积水，灌注桩身混凝土。（2）采用波纹钢模板支护时的人工挖孔桩的施工程序（略）3.施工注意事项（1）必须采取施工安全措施。（2）必须遵守人工挖孔桩施工规程规范的要求。4.挖孔桩常遇到的施工问题桩孔歪斜；桩径偏小；护壁坍塌；由于物体下落造成孔内工作人员的人身事故；人员坠落；涌砂涌泥；孔内缺氧造成人身事故；孔内有害气体造成人身事故；孔底虚土过厚；桩端持力层周围松动；桩身混凝土离析；邻近建、构筑物产生位移、沉降。6.4钻孔灌注桩施工钻孔灌注桩（简称钻孔桩）是用钻（冲或抓）孔机械在岩土中先钻成桩孔，然后在孔内放入钢筋笼并灌注混凝土而筑成的深基础，用以将结构物的荷载传递到远比结构物使用部分为低的持力层。若桩孔底部还可使之扩大，形成一种所谓“扩底桩”特点：施工设备简单，操作方便，适用于各种砂性土、粘性土，也适用于碎石、卵砾石类土层和基岩层6.4.1施工方法与适用条件主要施工方法有：泥浆护壁钻孔或冲孔灌注桩、干作业成孔灌注桩。适用条件：泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩适用于地下水位以下的各种土体地层和风化岩层以及地质条件复杂、夹层多、风化不均、软硬变化较大的岩层。该法还适用于用来钻透旧基础、大孤石等障碍物。干作业成孔灌注桩主要适用于地下水位以上的粘性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土以及风化岩层等。6.4.2施工工艺要求与质量控制标准1.除能自行造浆的土层外，均应制备泥浆；（采用高塑性粘土或膨润土）2.拌制泥浆应根据施工机械、工艺及穿越的土层进行配合比设计；3.应埋设井口护筒，护筒一般用4~8mm钢板制作，其内径应大于钻头直径100mm，埋设深度在粘性土中不宜小于1.0m，在砂土中不宜小于1.5m；4.施工期间护筒内的泥浆面应高出地下水位1.00m以上，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出最高水位1.5m以上。5.灌注混凝土前，孔底500mm以内的泥浆比重应小于1.25，含砂率≤8%，粘度≤28s；在容易产生泥浆渗漏的地段中，应采取维持孔壁稳定的措施。6.钻孔机具与工艺的选择，应根据桩型、孔深、、土层情况、泥浆排放与处理等综合确定。对孔深大于30m的端承桩，宜采用反循环工艺成孔或清孔。7.为保证钻孔的垂直度，钻机设置的导向装置应符合有关规定。8.冲击成孔灌注桩还应符合有关规定，如防止孔斜、塌孔、掉钻等。9.灌注混凝土之前，孔底沉渣厚度指标应符合下列规定：端承桩≤50mm；摩擦端承桩与端承摩擦桩≤100mm；摩擦桩≤300mm。10.成孔经终孔验收后，进行钢筋笼吊放，经隐蔽工程验收合格后，方可进行水下混凝土灌注。11.水下混凝土灌注应符合下列规定：水下混凝土必须具备良好的和易性，塌落度宜为180~220mm，水泥用量不少于360kg/m3，含砂率宜为40~45%，并宜选用中、粗砂，粗骨料的最大粒径≤40mm。为改善和易性和缓凝，水下混凝土宜掺加外加剂。12.浇筑水下混凝土应遵守下列规定：最初浇注时，导管底部至孔底距离宜为300~500mm；应有足够的混凝土储备量，使导管一次性埋入混凝土面以下大于0.8m；导管埋深宜为2~6m，严禁导管提出混凝土面；水下混凝土必须连续施工，每根桩浇注时间按初盘混凝土的初凝时间控制，对浇注过程中的一切故障均应记录备案；控制最后一次混凝土灌注量，桩顶不得偏低，应凿除的浮浆高度必须保证暴露的桩顶混凝土达到强度设计值。钢护筒1．制作：按钢筋笼的配筋图进行配筋和焊接，具体制作过程比较复杂繁琐2．钢筋笼长度受起吊高度限制时可分段制作。一般是全长超过10m时宜分段。两段连接时主筋接头应互相错开，保证同截面内的接头数目不多于主筋总根数的50%，两个接头的间距应大于50cm3．钢筋笼的保护层垫块厚度水上≥30mm，水下≥50mm，不少于两组，采用混凝土预制块或钢筋“耳朵”方法钢筋笼的制作与吊放钢筋笼的吊放①设2~4个位置恰当的起吊点，若直径较大，长度大于6m，对起吊点给予加强，以保证钢筋笼不致于变形②吊放时应对准孔位轻放、慢放入孔③孔口对接上下主筋对正，保证钢筋笼上下轴线一致④钢筋笼全部入孔后，按设计要求检查，并定位于孔口，防止上窜或自重下落造成错位⑤当灌完的混凝土开始初凝时，即割断挂环混凝土配制与灌注的一般要求1．桩身混凝土在28天龄期后应达到设计要求2．砼的配制应满足下列要求：（1）砼配合比符合设计强度要求（2）砼的坍落度：水下灌注为20±2cm；干作业灌注为8~10cm；沉管成孔灌注为6~8cm（3）砼具有良好的和易性（4）砼具有良好的粘结性和保水性4．灌注充盈系数：1.0~1.35．填写混凝土灌注施工记录，绘制有关图表曲线

混凝土的配制与灌注砼配制材料1．水泥：2．粗骨料：坚硬卵砾石和碎石，粒径为20~40mm，最大粒径不得大于导管内径的1/6~1/8和钢筋最小净距的1/33．细骨料：天然中、粗河沙4．拌合用水5．外掺剂：如速凝剂、缓凝剂、减水剂和早强剂等水下混凝土的灌注机具1．导管：壁厚要求4~5mm，它的直径依具体情况而定2．漏斗和储料斗：储料斗有两个作用，一是灌注混凝土时储放足够数量的混凝土，满足初存量的要求，保证导管一次性埋入砼面以下0.8m以上。二是将搅拌均匀后混凝土送入漏斗3．隔水塞：可采用硬塞、或软塞、球塞或带有导向装置板塞作用：在砼开始灌注时起隔水作用，保证初灌的混凝土质量4．搅拌机导管装导管砼搅拌混凝土的水下灌注混凝土灌注分干孔灌注和水下灌注基本工序：①接导管柱②接漏斗③吊隔水塞④漏斗内倒入砼⑤剪铁丝⑥由储料斗倒砼入漏斗⑦上拔导管柱⑧卸漏斗和一节或若干节导管⑨再接漏斗重复⑥~⑧⑩结束混凝土的水下灌注应特别注意：1．导管下口与孔底（或沉淀层顶面）的间距以能放出隔水塞和混凝土为原则，一般为30~40cm2．砼的水灰比为0.5~0.6，含砂率30~40%，适当掺入一些细砂。灌注开始后，应紧凑地、连续地进行，严禁中途停工3．及时提升导管，并保证提升后的导管埋入混凝土内的深度不小于1.5米（平时一般埋深为2~6m）。提升导管不可过猛4．灌注的桩顶标高应比设计值预加一定的高度（一般不小于0.5米），此范围内的浮浆和混凝土应凿除，以确保桩顶砼的质量6.5沉管灌注桩施工6.5.1施工方法与适用条件

1.施工方法：常用的主要有振动沉管、锤击沉管两种方法。其它的还有振动冲击沉管、静压沉管、振动加压沉管和旋转剂压沉管等方法。其共同特点就是将带有活瓣式桩尖或预制桩尖的无缝钢管沉入土中，然后边灌注混凝土、边振动或边锤击边拔出钢管而形成灌注桩。2.适用条件：锤击沉管灌注桩（指d≤480mm）主要适用于一般粘性土、粉土、淤泥质土、淤泥、松散至中密的砂土以及人工填土等。不宜用于标准贯入击数N大于12的砂土、N大于15的粘性土以及碎石土。（但d≥500mm的大直径锤击沉管灌注桩可贯穿N=35~50的坚硬土层，能以N≥50的强风化岩或残积土作为桩端持力层。振动沉管灌注桩和振动冲击沉管灌注桩的适用范围与锤击沉管灌注桩基本相同，但其贯穿砂土层的能力较强，还适用于稍密的碎石土层。（当地基存在承压含水层时，沉管灌注桩应慎用）。6.5.2施工工艺

1.振动沉管灌注桩施工方法一般有单打法、复打法和反插法等。（1）施工程序为：振动沉管打桩机就位—--振动沉管----灌注混凝土----边拔管、边振动、边灌注混凝土----放钢筋笼或插筋，成桩。（2）施工注意事项：1）振动沉管施工应遵循下列规定：①宜按桩基施工流水顺序，依次向后退打；对于群桩基础，或桩的中心距小于3.5倍桩径时，应跳打，中间桩应待邻桩混凝土达到设计强度等级的50%后，方可施打。②预制桩尖的位置应与设计相符，桩管应垂直套入桩尖，桩管与桩尖的接触处应加垫草绳或麻袋，桩管与桩尖的轴线应重合，桩管内壁应保持干净。③沉管过程中，应经常探测管内有无地下水或泥浆，如发现水或泥浆较多，应拔出桩管检查活瓣桩尖缝隙是否过疏而漏进泥水。如果过疏应加以修理，并用砂回填桩孔后重新沉管；如再发现有小量水时，一般可在沉入前先灌入0.1m3左右的混凝土或砂浆封堵活瓣桩尖缝隙再继续沉入。对于预制桩尖的情况，当发现桩管内水或泥浆较多时，应拔出桩管，采取措施，重新按放桩尖后再沉管。④振动沉管时，可用收紧钢丝绳加压，或加配重，以提高沉管效率。用收紧钢丝绳加压时，应随桩管沉入深度随时调整离合器，防止抬起桩架，发生事故。⑤必须严格控制最后两个2min的贯入速度，其值按设计要求，或根据试桩和当地的长期施工经验确定。测量贯入速度时，应使配重及电源电压保持正常。2）单打法施工时，应遵循下列规定：①桩管内灌满混凝土后，先振动5~10s，再开始拔管。应边振边拔，每拔0.5~1.0m，停拔5~10s，但保持振动，如此反复，直至桩管全部拔出。②拔管速度在一般土层中以1.2~1.5m/min为宜，在软弱土层中应控制在0.6~0.8m/min。拔管速度，当采用活瓣桩尖时宜慢，采用预制桩尖时可适当加快。③在拔管过程中，桩管内应至少保持2m以上高度的混凝土，或不低于地面，可用吊锤量测。桩管内的混凝土高度不足2m时要及时补灌，以防混凝土中断，形成缩颈。④要严格控制拔管速度和高度，必要时可采取短停拔（0.3~0.5m）、长留振（15~20s）的措施，严防缩颈或短桩。⑤当桩管底端接近地面标高2~3m时，拔管应尤其谨慎。3）复打法施工：

是指在单打法施工完成后，再把活瓣桩尖闭合起来，在原桩孔混凝土中第二次沉下桩管，将未凝固的混凝土向四周剂压，然后进行第二次灌注混凝土和拔管。复打法能使桩径增大，提高承载力；此外，还可借助于复打法，从活瓣桩尖处将钢筋笼放进桩管内，然后闭合桩尖活瓣，进行第二次沉管和混凝土的灌注。一次复打后的桩径约为桩管外径的1.4倍。对于预制桩尖的情况，当单打施工完毕，拔出桩管后，及时清除粘附在管壁和散落在地面上的泥土，在原桩位上第二次安放桩尖，以后的施工过程与单打法相同。对于混凝土充盈系数小于1.0的桩，可以采用全复打；对于有断桩和缩颈怀疑的桩，可采用局部复打。全复打桩施工时，应遵循下列规定：①复打施工必须在第一次灌注的混凝土初凝以前全部完成。②第一次灌注的混凝土应达到自然地面，不得少灌。③应随拔管随清除粘在套管壁和活瓣桩尖上以及散落在地面上的泥土。④前后两次沉管的轴线应重合。4）反插法施工：应遵循下列规定①桩管灌满混凝土之后，先振动再开始拔管，每次拔管高度0.5~1.0m，反插深度0.3~0.5m；在拔管过程中应分段添加混凝土，保持管内混凝土面始终不低于地表面或高于地下水位1.0~1.5m以上，拔管速度应小于0.5m/min。②在桩端处约1.5m范围内，宜多次反插，以扩大桩的端部截面。③穿过淤泥夹层时，应适当放慢拔管速度，并减少拔管高度和反插深度。④在流动性淤泥中，不宜采用反插法。⑤桩身配筋段施工时，不宜采用反插法。2.锤击沉管灌注桩施工工艺锤击沉管灌注桩沉桩机理和特点是：利用桩锤将桩管和预制桩尖打入土中，其对土的作用机理与用锤击法沉设闭口钢管桩相似，边拔管、边振动、边灌注混凝土、边成型。在拔管过程中，由于保持对桩管进行连续低锤密击，使钢管不断得到冲击振动，从而振实混凝土。施工方法同样也有单打法和复打法。施工程序：打桩机就位—锤击沉管—开始灌注混凝土—边拔管、边振动、边继续灌注混凝土—放钢筋笼，继续灌注混凝土，成桩。（1）锤击沉管灌注桩施工注意事项锤击沉管施工应遵循下列规定：①宜按桩基施工流水顺序，依次向后退打；对于群桩基