深基础2.docx

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深基础2

第十九讲    深基础

一、深基础的类型

一、深基础的类型

深基础主要有桩基础、沉井和地下连续墙等几种类型。

其中以历史悠久的桩基应用最为广泛。

相对于浅基础，深基础埋入地层较深，结构形式和施工方法较浅基础复杂，在设计计算时需考虑基础侧面土体的影响。

1．桩基础

桩基础是通过承台把若干根桩的顶部联结成整体，共同承受动静荷载的一种深基础。

通常对下列情况，可考虑用桩基础方案：

a.软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物，不允许地基有过大沉降和不均匀沉降时；

b.对于高重建筑物，如高层建筑、重型工业厂房和仓库、料仓等，地基承载力不能满足设计需要时；

c.对桥梁、码头、烟囱、输电塔等结构物,宜采用桩基以承受较大的水平力和上拔力时；

d.对精密或大型的设备基础，需要减小基础振幅、减弱基础振动对结构的影响时；

e.在地震区，以桩基作为地震区结构抗震措施或穿越可液化地基时；

f.水上基础，施工水位较高或河床冲刷较大，采用浅基础施工困难或不能保证基础

安全时。

2．沉井基础

沉井基础是一个用混凝土或钢筋混凝土等制成的井筒形结构物，它可以仅作为建筑物基础使用，也可以同时作为地下结构物使用。

沉井基础施工的施工方法是先就地制作第一节井筒，然后在井筒内挖土，使沉井在自重作用下克服土的阻力而下沉。

随着沉井的下沉，逐步加高井筒，沉到设计标高后，在其下端浇筑混凝土封底。

沉井只作为建筑物基础使用时，常用低强度混凝土或砂石填充井筒，若沉井作为地下结构物使用，则不进行填充而在其上端接筑上部结构。

沉井在下沉过程中，井筒就是施工期间的围护结构。

在各个施工阶段和使用期间，沉井各部分可能受到土压力、水压力、浮力、摩阻力、底面反力以及沉井自重等的作用。

沉井的构造和计算应充分满足各个阶段的要求。

3．地下连续墙

地下连续墙是利用专门的成槽机械在地下成槽，在槽中安放钢筋笼（网）后以导管法浇灌水下混凝土，形成一个单元墙段，再将顺序完成的墙段以特定的方式连接组成的一道完整的现浇地下连续墙体。

地下连续墙具有挡土、防渗兼作主体承重结构等多种功能；能在沉井作业、板桩支护等法难以实施的环境中进行无噪音、无振动施工；能通过各种地层进入基岩，深度可达50m以上而不必采取降低地下水的措施，因此可在密集建筑群中施工。

尤其是用于二层以上地下室的建筑物，可配合“逆筑法”施工而更显出其独特的作用。

二、桩与桩基础的类别

二、桩与桩基础的类别

（一）桩的分类

1．按施工工艺分类

桩按施工工艺可分为预制桩和灌注桩两大类。

1）预制桩

预制桩系指借助于专用机械设备将预先制作好的具有一定形状、刚度与构造的桩杆打入、压入、或振动沉入土中的一类桩。

主要有预制钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩、钢桩（钢管桩和H形桩）等。

预制桩的施工工艺包括制桩与沉桩两部分，沉桩工艺又随沉桩机械而变，主要有三种：

锤击式、静压式和振动式。

2）灌注桩

灌注桩系指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成的桩孔内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的一类桩。

依照成孔方法不同，灌注桩又分为沉管灌注桩、钻孔灌注桩和挖孔灌注桩等几大类。

2．按桩的受力特点分类

根据桩侧阻力与桩端阻力的发挥程度和分担荷载比可将桩分为摩擦型桩和端承型桩两大类型。

1）摩擦型桩

摩擦型桩是指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩侧摩阻力承受。

根据桩侧阻力分担荷载的大小，摩擦型桩又可分为摩擦桩和端承摩擦桩两类。

在深厚的软弱土层当中，无较硬的土层作为桩端持力层，或桩端持力层虽然较坚硬但桩的长径比l／d很大，传递到桩端的轴力很小，以至在极限荷载作用下，桩顶荷载绝大部分由桩侧阻力承受，桩端阻力很小可忽略不计的桩，称其为摩擦桩。

当桩的l／d不很大，桩端持力层为较坚硬的粘性土、粉土和砂类土时，除桩侧阻力外，还有一定的桩端阻力。

桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但大部分由桩侧阻力承受的桩，称其为端承摩擦桩。

这类桩所占比例很大。

2）端承型桩

端承型桩是指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受，桩侧阻力相对桩端阻力而言较小，或可忽略不计的桩。

根据桩端阻力发挥的程度和分担荷载的比例，又可分为摩擦端承桩和端承桩两类。

桩端进入中密以上的砂土、碎石类土或中、微化岩层，桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，而主要由桩端阻力承受，称其为摩擦端承桩。

当桩的l／d较小（一般小于10），桩身穿越软弱土层，桩端设置在密实砂层，碎石类土层中、微风化岩层中，桩顶荷载绝大部分由桩端阻力承受，桩侧阻力很小可忽略不计时，称其为端承桩。

（二）桩基础的类型

桩基础按承台位置可以分为高桩承台基础和低桩承台基础（简称高桩承台和低桩承台）。

低桩承台的承台底面位于地面（或冲刷线）以下；高桩承台的承台底面位于地面（或冲刷线）以上。

三、单桩竖向承载力

三、单桩竖向承载力

（一）单桩的荷载传递特性

桩的荷载传递特性主要包括如下三个方面内容：

1.荷载传递过程

桩身轴力位移在桩顶最大，自上而下逐步减小，因此，桩侧摩阻力发挥程度也总是在桩顶附近最高，然后向下不断减小。

由于发挥桩端阻力所需的极限位移，明显大于桩侧阻力发挥所需的极限位移，一般桩侧摩阻力总是先于端阻力发挥。

2.桩侧、桩端阻力的荷载分担比

桩侧、桩端阻力的荷载分担情况，除了与桩侧、桩端土的性质有关以外，还与桩土相对刚度、长径比l／d有关。

桩土相对刚度越大，长径比l／d越小，桩端传递的荷载就越大。

3.单桩的破坏模式

单桩的破坏模式同桩的荷载—沉降曲线和受力特点有关。

如图17-4-1所示，对于摩擦型桩，ks值很小，2-3直线段近似于竖直线，Q-s曲线陡降，在点2处出现明显拐点，一般属于刺入破坏；对于端承型桩，桩端阻力占承载力的比例较大，ks值较大，在点2处不出现明显拐点，而端阻破坏又需要很大位移，整个Q-s曲线呈缓变型。

对于端承桩和桩身有缺陷的桩，在土阻力尚未充分发挥情况下，出现因桩身材料强度破坏而破坏，Q-s曲线也呈陡降型。

（二）单桩竖向承载力的确定

1．单桩竖向极限承载力

单桩竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形所对应的最大荷载。

确定单桩竖向极限承载力的方法主要有静载荷试验法、经验参数法和静力触探法等。

1）静载荷试验法

根据静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值Quk的方法是先按试桩极限承载力的确定方法确定各根试桩的极限承载力实测值Qui，而后对试桩条件基本相同的桩按有关统计方法确定其单桩竖向极限承载力标准值Quk。

常用的方法是当各试桩极限承载力实测值的极差不超过平均值的30％时取各试桩实测值的平均值为单桩竖向极限承载力标准值，即

这里n为参加统计的试桩数。

2）静力触探法

根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩竖向极限承载力标准值时，一般通过如下经验公式分计算：

式中 

Qsk、Qpk——单桩总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值；

 u、Ap、li——桩身周长、桩端面积和桩侧第i层土的厚度；

qsik——用静力触探比贯入阻力Ps值估算的桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；

ap——桩端阻力修正系数；

Psk——桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值（平均值）。

这里αp、qsik、Psk的取值方法一般按地区经验确定，当无地区经验时，可按《建筑桩基技术规范》（JGJ94—94）5.2.6条确定。

3）经验参数法

通过经验参数法确定的单桩极限承载力标准值也由总桩侧摩阻力和总桩端阻力组成，即

式中qski、qpk分别为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值和桩的极限端阻力标准值，一般按地区经验确定，当无地区经验时，可按《建筑桩基技术规范》（JGJ94—94）表5.2.8-1与表5.2.8-2取值。

2.单桩竖向承载力设计值

单桩竖向承载力设计值尺应根据桩基的设计等级分别采用不同的方法。

对三级建筑桩基可采用经验参数估算法；对二级建筑桩基可采用静力触探与经验参数估算法并参照相邻试桩资料综合确定；对一级建筑桩基应采用现场载荷试验并结合静力触探等原位测试方法综合确定。

1）静载荷试验方法

当根据静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值Quk时，单桩竖向承载力设计值R由下式确定：

式中 γs、γp——分别为桩侧阻抗力分项系数和桩

端阻抗力分项系，可查表17-4-1。

（三）群桩基础的承载力

1．群桩效应

群桩在竖向荷载作用下，由于承台、桩、土之间相互影响和共同作用，群桩的工作性状趋于复杂，桩群中任一根桩的工作性状都不同于孤立的单桩，群桩承载力将不等于各单桩承载力之和，群桩沉降也明显地超过单桩，这种现象就是群桩效应。

群桩效应可用群桩效率系数η，和沉降比ξ表示。

群桩效率系数η是指群桩竖向极限承载力Pu与群桩中所有桩的单桩竖向极限承载力Qu总和之比，即η=Pu／nQu（n为群桩中的桩数）。

沉降比ξ是指在每根桩承担相同荷载条件下，群桩沉降量sn与单桩沉降量s之比，即ξ=sn／s。

群桩效率系数η越小、沉降比ξ越大，则表示群桩效应越强，也就意味着群桩承载力越低、沉降越大。

群桩效率系数η和沉降比ξ主要取决于桩距和桩数，其次与土质和土层构造、桩径、桩的类型及排列方式等因素有关。

由端承桩组成的群桩，通过承台分配到各桩桩顶的荷载，其大部或全部由桩身直接传递到桩端。

因而通过承台土反力、桩侧摩阻力传递到土层中的应力较小，桩群中各桩之间，承台、桩、土之间的相互影响较小，其工作性状与独立单桩相近。

因而端承型群桩的承载力可近似取为各单桩承载力之和，即群桩效率η、沉降比ξ可近似取为1。

由摩擦桩组成的群桩，桩顶荷载主要通过桩侧摩阻力传布到桩周和桩端土层中，在桩端平面处产生应力重叠。

承台土反力也传递到承台以下一定范围内的土层中，从而使桩侧阻力和桩端阻力受到干扰。

就一般情况而言，在常规桩距（3～4d）下，粘性土中的群桩，随着桩数的增加，群桩效率明显下降，且η<1，同时沉降比迅速增大，ξ可以从2增大到10以上；砂土中的挤土桩群，有可能η>1;而沉降比则除了端承桩ξ=1外，均ξ>1。

2．群桩承载力

对于桩数超过3根的非端承桩复合桩基，宜考虑群桩效应对桩基承载力的影响，此时群桩基础中的单桩承载力设计值R/，按下式计算：

静力触探与经验参数估算法

式中 

Qck——复合基桩承台底面地基土总极限阻力标准值；

ηs、ηp、ηsp——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，按《建筑桩基技术规范》（JGJ94—94）表5.2.3-1采用；

ηc——承台底土阻力群桩效应系数：

当nb的计算值小于1时取nb=1，其中Lc、Bc、n分别为矩形承台的长、宽及总桩数。

当布桩不规则时，可取等效距径比如下：

上述计算群桩沉降的方法实际上是一种实体基础法，它不考虑桩基侧面应力扩散作用，将承台视作直接作用在桩端平面，即实体基础的长、宽视作等同于承台底长、宽，且作用在实体基础底面上的附加应力也取为承台底的附加应力。

 （五）桩基设计

1.设计基本资料

1）工程地质勘察资料

包括土层物理力学性质指标，地下水位，试桩资料或邻近类似桩基工程资料，液化土层资料等。

2）建筑物情况

包括建筑物平面布置图，结构类型、安全等级，变形要求和抗震设防烈度等。

3）建筑环境条件与施工条件

包括相邻建筑物情况，地下管线与构筑物分布，施工机械设备条件及周围环境对施工的要求等。

2．桩的类型与成桩工艺选择

桩型与成桩工艺选择应根据建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层的性

质、桩端持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境、施工经验、制桩材料供应条件等，选择经济合理、安全适用的桩型和成桩工艺。

选择时可参考《建筑桩基技术规范》（JGJ94—94）附录A。

3．桩基持力层的选择

一般应选择压缩性低而承载力高的较硬土层作为桩基持力层。

当地基中存在多层可供选择的桩基持力层时，应根据桩基承载力、桩位布置和桩基沉降的要求并结合有关经济指标综合评价确定。

桩端全断面进入持力层的深度，对于粘性、粉土不宜小于2d。

当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于4d。

当持力层较厚且施工条件许可时，桩端全断面进入持力层的深度宜达到桩端阻力的临界深度。

砂与碎石类土的临界深度为（3～10）d，随其密度提高而增大；粉土、粘土的指数的临界深度为（2～6）d，随土的孔隙比和液性指数的减小而增大。

4．桩截面的选择

桩的截面主要根据上部荷载等情况选定，一般情况下可根据上部结构荷载大小、楼层数、现场施工条件及经济指标等初步确定桩径或桩的边长，然后验算其截面的桩压强度（按钢筋混凝土轴心受压构件验算）。

5．桩数的初步确定与桩的平面布置

桩数n可根据荷载情况按下面的公式初步确定：

轴心荷载                n≥（N+G）/R                        （17-4-12a）

偏心荷载             n≥（1.1～1.2）*[（N+G）/R]                  （17—4-12b）

这里 

N——作用于桩基承台顶面的竖向力设计值;

 G——桩基承台和承台上土的自重设计值；地下水位以下取有效重度计算。

桩的平面布置应根据上部结构形式与受力要求，结合承台平面尺寸情况布置成矩形或梅花形等形式并满足有关最小中心距的要求。