橋梁工程 課件 樁基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)工程主講教師：周繼凱河海大學(xué)土木工程學(xué)院第六章樁基礎(chǔ)6－1概述一、樁基及其作用樁基構(gòu)成：樁+承臺（可為獨立、條形、筏、箱）有高、低兩種，前者用于水中樁之作用：（1）將荷載傳至硬土層（圖4-1a），或分配到較大的深度范圍（圖4-1b），以提高承載力。（2）減小沉降，從而也減小沉降差，故地基強度夠，而變形不合要求時亦用。兩塔過近，會相對傾斜，用樁基解決廠房內(nèi)堆載，使柱下基礎(chǔ)傾斜，導(dǎo)致柱子開裂?？捎脴痘鉀Q。（3）抗拔：用于抗風(fēng)、抗震、抗浮等（圖4-1c）（4）有一定抗水平荷載能力，特別是斜樁（圖4-1b）（5）抗液化：深層土不易液化，淺層土液化后，有樁支撐，有助于上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

所以應(yīng)用廣泛，沿海、內(nèi)陸地區(qū)均用。同基坑支護、地基處理并為土木工程三大熱點。樁基古已應(yīng)用。上海龍華塔，7層，40.4m,相當(dāng)于13層樓高,初建于三國東吳時代(AD220-280),重建于宋代AD977年,用木樁,樁周用灰土防腐，是軟基上建高層的范例。近年來，樁基成為高層建筑的主要基礎(chǔ)形式，為設(shè)計樁基，須了解其類型、機理、承載力及變形驗算等。2、重型工業(yè)廠房、倉庫、料倉；1、高層、重要建筑物；樁基適用范圍：樁基設(shè)計主要內(nèi)容：樁型選擇、單樁承載力確定、群樁承載力和沉降驗算，樁身強度和承臺計算。4、精密或大型設(shè)備基礎(chǔ)；5、表層軟弱土層、需處理土層；6、地震區(qū)。3、較大水平荷載或上拔力的構(gòu)筑物基礎(chǔ)；二、樁的類型按承臺與地面相對位置分低承臺樁基高承臺樁基按樁軸線方向分斜樁豎直樁叉樁1、按材料分：木、鋼、鋼筋混凝土木樁—水位以上耐久性差，強度低，我國森林資源不足，應(yīng)少用鋼樁—本身強度高，易加工，接頭容易，運輸方便，但造價是混凝土的3-4倍，用于海洋平臺及陸上重要工程，如寶鋼高爐、金茂大廈用鋼管樁。鋼砼樁—取材方便，價格便宜，耐久性好，可預(yù)制、現(xiàn)澆，尺寸易調(diào)，適用性強，故應(yīng)用廣泛，是主要研究對象。（一）樁的分類2、按樁的制作方法分預(yù)制樁—質(zhì)量易保證、現(xiàn)場整潔、用時間少，但配筋由運輸、打樁控制，配筋率較大，長度不可過大，現(xiàn)場接樁、截樁難。灌注樁—鉆孔、放鋼筋籠、澆砼。尺寸靈活，還可擴頭，配筋率可以小，但現(xiàn)場臟，質(zhì)量難保證，例斷樁、縮頸、露筋、清底不充分等。3、按設(shè)置效應(yīng)分—是否擠土擠土樁—打入或壓入，預(yù)制樁或沉管灌注樁。擠土使土密實，但打入有噪聲，擠土?xí)l(fā)生漂樁，還會破壞周邊設(shè)施例上海某電話局機務(wù)大樓，打樁使周邊房屋破壞，賠40萬。解決方法：挖地溝、合理安排打樁順序。非擠土樁—鉆、挖孔樁，樁長、樁徑可較大，可穿越硬土層。無擠密效果，但有些土（飽和軟粘土）本不可擠密。部分?jǐn)D土樁—鉆小口徑孔，再打入，或鋼管、砼管樁4、按荷載傳遞方式分樁端土差、樁很長、灌注樁清底差樁端為巖石、大頭樁(一)

摩擦樁(二)

端承樁5、按直徑大小分—一般直徑樁、微樁、大直徑樁微樁（樹根樁）—d<250，多用于地基加固、托換（例安外一工程）大直徑樁—d>800，往往是端承，一柱一樁，人工挖孔一般直徑樁—(250<d<800mm)1、預(yù)制鋼砼樁（RC樁）斷面有方、圓兩種,方樁邊長250-550，長<13.5m;現(xiàn)場預(yù)制樁長<25-30m(樁架高),配筋率>0.8%(運、吊控制，打樁還會產(chǎn)生拉應(yīng)力)截面大則作成管樁,有時加預(yù)應(yīng)力(省鋼)。（二）常用樁2、鉆（挖）孔灌注樁超高層多用大直徑樁，甚至直徑>3m，承載力可達4000t，用一般直徑樁可能擺不開?？蓴U孔，用擴孔器或爆擴（少用）。3、沉管灌注樁（擠土）錘擊或振動沉管，下有鋼砼頭，再灌混凝土，拔管，易發(fā)生斷樁、縮頸（軟土中）。有人建議復(fù)打，造價提高。僅浙江多用。缺點：易產(chǎn)生縮頸、斷樁、局部夾土、混凝土離析等質(zhì)量事故?？s頸常發(fā)生在下列情況：軟、硬土層交界處；鄰樁擠壓。管內(nèi)混凝土少時；克服縮頸、斷樁辦法：復(fù)打4、鋼管樁有開口、閉口，開口時形成土芯后亦有一定擠土，d小則擠土可能性大，是否擠土將影響承載力（規(guī)范5-2-10條）三、樁的兩種極限狀態(tài)（一）樁基承載力極限狀態(tài)1、超過最大承載力2、產(chǎn)生不適于繼續(xù)承載的變形3、樁基發(fā)生整體失穩(wěn)（二）樁基正常使用極限狀態(tài)變形、耐久性，樁、承臺等。6－2單樁承載力的確定一、樁、土體系荷載傳遞機理

Q逐漸增大，影響深度也逐漸增加，qs較qp先發(fā)揮

Q=QS+QP，Qu=Qsu+Qpu

由實測，QS先達極限，對應(yīng)位移僅4-10mm，和土性、樁徑關(guān)系不大；而QP達極限需s=0.1d（打入樁），甚至0.3d（灌注樁）了解這些，有助于分析樁的安全儲備

N-q、s-q關(guān)系：以上是針對摩擦型樁，對端承樁位移傳遞即刻完成，qs很小，而Q接近Qp2、側(cè)摩阻力qs的大小、分布大?。汉屯列?、樁表面性質(zhì)、樁徑、樁長、施工方法有關(guān)（打入樁一般大，卵石層中灌入樁很大）分布：同樣和上述因素有關(guān)。不隨深度線性增大

（拱效應(yīng)）,有一臨界深度(10-20d)時效：粘性土中打入樁，qs開始小后逐漸增大；砂土中打入樁，qs開始大后逐漸減小。試樁應(yīng)在施工后一段時間：砂土10天；粘性土15天；淤泥25天。3、極限端阻qpu計算及其深度效應(yīng)計算qpu的經(jīng)典理論方法：視樁為埋深l的基礎(chǔ)來計算，有整體剪切、局部剪切、刺入三種破壞形式。泰沙基理論按淺基礎(chǔ)整體剪切破壞計算；Myerhof則考慮樁側(cè)土的強度。xc、xg

、xq—斷面形狀系數(shù)因埋深大，一般為后二種。但樁端土硬，上覆土軟，也可為整體剪切破壞。1、概念原因樁周地面有較大的超載；降低地下水位；當(dāng)樁圍土層由于某種原因相對于樁向下位移時，樁側(cè)摩阻力方向向下，稱為負(fù)摩阻力。樁穿過欠固結(jié)(新填)土層；二、樁的負(fù)摩阻力濕陷、凍土融陷。2、負(fù)摩擦發(fā)生的范圍持力層硬，sp

小，則ln大，端承樁ln=l對一般情況可查表6-1ln可隨時間變化3、負(fù)摩擦大小估計影響因素多—樁側(cè)及樁端土性、誘因強弱、土的應(yīng)力歷史、樁型等Bjerrum有效應(yīng)力法公式:zn查表6-2，僅和土類有關(guān)，土硬則大。但s=？，不應(yīng)隨深度線性增大。4、消除負(fù)摩擦的措施負(fù)摩擦?xí)哟蟪两?，使樁或土破壞。一般涂適當(dāng)粘度的瀝青以減小負(fù)摩擦。樁所受下拉力：對于群樁再乘以一個負(fù)摩擦群樁效應(yīng)系數(shù)hn三、單樁破壞模式破壞模式取決于樁周、樁端土；樁的尺寸；樁的類型。1、屈曲破壞2、整體剪切破壞3、刺入破壞小直徑端承樁，細長木樁一般的打入式短樁、鉆擴短樁鉆孔灌注樁R取決于三個方面：(三者同時兼顧，并取最小值)樁本身材料強度；上部結(jié)構(gòu)的容許變形值；土層的支承能力。四、單樁承載力的確定決定于樁和土，一般由土控制，端承、超長樁等除外。一般穩(wěn)定系數(shù)f=1.0，但下述情況下要考慮壓屈：1）高承臺；2）樁周土可液化；3）樁周土很軟（fk

<50kPa）；自由長度lc由端部約束及樁土相對剛度定，再由lc/d查f（見規(guī)范5.5.3)。1、按樁身強度定2、按樁周土支撐能力估計

（1）靜載試驗一級和部分二級建筑必須做，試樁數(shù)>1%且不少于3根。裝置、方法：錨樁橫梁裝置（圖），壓重平臺反力裝置等試樁、錨樁、基準(zhǔn)樁間距>4d，且>2m分級加載，穩(wěn)定后讀數(shù)，詳見規(guī)范。1)Q~S曲線有陡降段，且S總＞40mm;2)S總＝40mm后，續(xù)增兩級Q；仍無陡降段。1、Q~S曲線拐點法取明顯拐點處荷載為Qu；Q~S無陡降段時，Qu取S＝40mm處相應(yīng)荷載。對于d(b)550mm的預(yù)制樁，在Qi+1作用下，其2、S~logt曲線(沉降速率)法特點：3、S~logQ法特點：極限荷載：1）第二轉(zhuǎn)折點或2）沉降達40-60mm變異系數(shù)d0.15時l=1；d0.15時l<1，查表求l對群樁再考慮群樁效應(yīng)（見后）極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：設(shè)計值：分項系數(shù)gsp=1.6（2）靜力觸探法用單橋探頭的比貫入阻力或雙橋探頭的端阻、側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值，估計樁的側(cè)阻、端阻，定Quk規(guī)范僅針對鋼砼預(yù)制樁給出公式，較煩瑣，這里不詳述（3）經(jīng)驗公式法僅限初步設(shè)計階段或不很重要的工程，以下針對不同樁講qsik

查表6-7，和土性及成樁方法有關(guān)，沉管灌注樁小，因質(zhì)量難保證；對預(yù)制樁有深度修正系數(shù)（灌注樁不修正）qpk

查表6-8，和土性及入土深度有關(guān)（a）一般預(yù)制樁、灌注樁qP

—樁端土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，對于鉆、挖、沖孔灌注樁可按地區(qū)經(jīng)驗確定或現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范表格查取，預(yù)制樁可按表8－5選用；AP—樁身的橫載面面積(m2)；l1l2l3qs1qs2qs3qpQqsi

—樁周土的摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，對于鉆、挖、沖孔灌注樁可按地區(qū)經(jīng)驗確定或現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范表格查取，預(yù)制樁可按表6－6選用；li

—按土層劃分的各段樁長(m)。uP

—樁身周長(m)，對于鉆、挖、沖孔灌注樁應(yīng)采用樁直徑，當(dāng)缺乏經(jīng)驗時可按鉆頭直徑或下列數(shù)值：螺旋鉆10～20cm，潛水鉆30～50cm，機動洛陽鏟20～30cm，沖擊鉆40～80cm；（b）大直徑樁d>800qs下降，因一般鉆、挖孔，使土擾動，粗粒土猶甚;qp下降，因同樣大小分布荷載使沉降大。qsik同樣查表6-7；qp

為d=0.8m的端阻標(biāo)準(zhǔn)值（表6-9）Ysi

、Yp

—尺寸效應(yīng)修正系數(shù)（表6-10）（c）嵌巖樁以往按端承設(shè)計，欠妥：樁不很短時側(cè)阻部分發(fā)揮；嵌深段有側(cè)阻，嵌深>5d則端承極小。zsi—側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)。當(dāng)l/d<30，樁端巖石好，無沉渣時，對粗粒土取0.7、細粒土取0.8;其余情況取1.0hr取值不大于5d及實際嵌深；frc—單軸抗壓強度zr、

zp—修正系數(shù)（表6-11），hr/d適中時zr

較大所以嵌深度過大無用（4）動力分析法問題：a難定；樁并非剛體，有變形能；動抗力不等于靜抗力，例飽和土孔壓使R減小。新方法：動測，應(yīng)采用大應(yīng)變打樁時的能量轉(zhuǎn)換oe(貫入度)N(外錘擊力)主要方法有：2、動力參數(shù)法(低應(yīng)變法)3、錘擊貫入法(相似性)4、機械阻抗法5、水電效應(yīng)法1、波動方程法3、樁的抗拔承載力對一級建筑，應(yīng)試驗。對其他工程：li—折減系數(shù)，表6-12，砂土折減多，因s減小，而粘土有粘聚力。l/d小，則li小。四、橫向承載力橫向力：風(fēng)、地震、吊車制動荷載、水中結(jié)構(gòu)受風(fēng)浪荷載、非對稱開挖橫載為主時往往用斜樁，但對一般工業(yè)與民用建筑，水平載不大，可用豎樁抗水平力—本節(jié)主要討論此樁身強度控制的可能性大，因樁本身抗橫向荷載能力低。問題復(fù)雜，和樁土剛度、強度，樁入土深度、樁頂約束有關(guān)。承載力確定方法有兩種：1、橫向荷載試驗用于橫向荷載較大的一級建筑例綜合體育館裝置、方法：二根試樁，循環(huán)加載（每級均卸載到0）或單調(diào)加載（視荷載情況），分級，到破壞或位移達30-40mm。極限荷載：Hu—位移陡增前一級荷載（見圖，注意凹向）承載力設(shè)計值：配筋率較大時（例預(yù)制樁，r0.65%的灌注樁)樁身強度一般夠,此時可用地表水平位移10mm（位移控制嚴(yán)時取6mm）時的荷載為RH省去破壞荷載試驗無條件試驗的小工程，可參照地區(qū)經(jīng)驗(橫軸為時間)2、理論分析方法樁較長時用彈性地基梁理論p—總分布力（兩側(cè)壓力差），沿x正向為正（豎向載與H0、M0不耦合）M以左側(cè)受拉為正（此時才有負(fù)號）M0k取值方法：常數(shù)法、K法、m法、c法實測表明：位移較大時m法較好，以下按m法求解。a

反映土-樁相對剛度用級數(shù)法求解，設(shè)代入定ai得簡化解：Ax、Bx、Am、Bm

為z的函數(shù)，可查表6-13表6-13針對長樁，由表可見az4時各系數(shù)接近0，所以az4為長樁分析a，EI大的情況下，樁長應(yīng)大才會是長樁m

值難測定（本非土性參數(shù)），可反分析，經(jīng)驗值見表6-14。位移大則m小，長期荷載下m乘以0.4。利用上述公式的計算：xmax

：在地表，令az=0查表即可求出M：由查表6-16得CII及Mmax位置az=h（M0=0時，Mmax=0？）注意：表6-16對應(yīng)于al=4，大于4亦可用，但小于4不能用四、單樁承載力設(shè)計值R的確定(樁數(shù)n3根)樁數(shù)n>3根，考慮相互作用。6－3群樁承載力計算群樁概念；群樁~單樁關(guān)系如何？一、群樁的承載力端承群樁(樁基)，簡單；摩擦樁基，見圖由此可見，樁端處：z群＞z單則：S群＞S單若需S群=S單必降低R群。影響R群的因素有：樁數(shù)、樁距、樁徑、土性、樁長、群樁平面形狀等。群樁效率系數(shù)＝群樁的極限承載力群樁中各根單樁極限承載力之和模型及載荷試驗表明：1、樁距增大時，提高；2、樁距相同時，樁數(shù)越多，越低；3、樁距增大至一定值后，增加不顯著；可見，樁距，樁數(shù)及排列是主要因素，規(guī)范歸納為如下原則：端承樁和樁數(shù)n<9根的摩擦樁以及條形基礎(chǔ)下不超過兩排的摩擦樁，其群樁的豎向抗壓承載力為各單樁豎向抗壓承載力的總和。樁距s<6d，樁數(shù)n9根的摩擦樁基，可視作一假想的實體深基礎(chǔ)，進行基礎(chǔ)下地基承載力驗算和沉降計算。二、群樁的地基強度和變形驗算(一)

強度驗算假想實體深基礎(chǔ)如圖(6－10)式中：l0,b0—分別表示矩形承臺下樁群外緣的長度和寬度(m)；0

—為樁長范圍內(nèi)各土層(厚度為hi)內(nèi)摩擦角i的加權(quán)平均值。即在中心荷載下要求樁尖平面處壓應(yīng)力p滿足：(6－11)在偏心荷載下，除滿足式(6－11)外，尚應(yīng)滿足：(6－12)式中：F—上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力設(shè)計值(kN)；G—樁尖平面以上假想基礎(chǔ)內(nèi)樁與樁周土自重設(shè)計值(kN)，G=A(d+h)G，G為樁土平均重度，一般可取G=20kN/m3，地下水位以下取浮重度；Mx，My—作用于樁尖平面處外力對該平面重心的x、y軸的力矩設(shè)計值(kNm)；Wx，Wy—假想實體基礎(chǔ)底面分別對x、y軸的抵抗矩(m3)；f—樁尖平面處地基土的承載力設(shè)計值(kPa)。當(dāng)樁端以下主要受力層范圍內(nèi)存在軟弱下臥層時，還應(yīng)按圖6－21計算圖驗算軟弱下臥層，其驗算方法與淺基礎(chǔ)相似。(二)

群樁的地基變形驗算方法同淺基注：壓縮模量Es按實際應(yīng)力實驗曲線確；淺基經(jīng)驗系數(shù)s不適于樁基，樁基的由地區(qū)經(jīng)驗確定。三、樁基中各樁的受力驗算軸心受壓時，式中：Q—樁基中單樁所受的外力設(shè)計值(kN)；(6－13)G—樁基承臺自重設(shè)計值及承臺上土的自重標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；n—樁數(shù)。當(dāng)偏心受壓時(圖6－17)，式中：xi，yi

—第i根樁分別至通過樁群重心的y軸和x軸的距離(m)；(6－14)Mi，Mi

—作用于樁群上的外力對通過樁群重心的x軸和y軸的力矩設(shè)計值(kNm)；其余符號意義同前。離樁群橫載面形心最遠處(坐標(biāo)為xmax、ymax)的樁所承受的荷載最大，即Qmax。要求其滿足下列條件：(6－15)除要求滿足上式外，還應(yīng)同時滿足式(6－13)要求。6－4樁基礎(chǔ)設(shè)計收集資料(上部結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)、施工方面、當(dāng)?shù)亟?jīng)驗、場地與環(huán)境條件等)。內(nèi)容與步驟：定樁型、樁長和樁的截面尺寸，初選承臺底面標(biāo)高；定單樁承載力R；定群樁承載力及其驗算；樁基中各樁的受力驗算；樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計；承臺設(shè)計；繪制樁基施工圖。定樁數(shù)及樁位布置；一、樁型、樁和截面尺寸的選擇據(jù)結(jié)構(gòu)類型、樓層數(shù)目、荷載性質(zhì)、地基條件和施工能力確定。例：層數(shù)<1020~30預(yù)制樁(mm)400>500灌注樁(mm)5001000~1200地基條件：考慮持力層情況。樁長由樁端持力層定，樁端應(yīng)重入堅實土(巖)層一定深度，規(guī)定：粘性土和砂土：h>(2~3)d(樁徑)碎石土：h>d嵌巖端承樁：hmin>0.5mH>5d(如圖)承臺埋深同淺基，d>0.5m；要滿足結(jié)構(gòu)要求，方便施工。硬層hH二、確定樁數(shù)及布置樁位(一)

樁的根數(shù)n軸心受壓：式中：F—作用在樁基上的豎向力設(shè)計值(kN)；R—單樁豎向承載力設(shè)計值(kN)。G—承臺及承臺上土的重力(kN)；偏心受壓：試算至合適為止。(二)樁的中心距(三)

樁位的布置方形(或矩形)、三角形、梅花形、單排、雙排。原則：盡可能使上部結(jié)構(gòu)的中心與樁群橫截面的形心重合或接近。三、樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計(一)

鋼筋混凝土預(yù)制樁1、構(gòu)造要求方樁：當(dāng)邊長b=200~500mm樁長l=5~30m時：縱向鋼筋4~8根，=12~25mm含鋼率1％左右，最小不低于0.8%。箍筋6~8mm，@<200mm,樁頂、樁尖處加密。

混凝土大于C30。保護層不小于35mm，預(yù)埋鋼筋吊環(huán)。2、樁身截面強度計算主筋通過計算確定。驗算起吊、運輸時樁內(nèi)強度，方法如圖。對于方形樁：MfyAs(b–2as)式中：M—按圖6－23，根據(jù)起吊方式計算的樁身最大彎矩值(kNm)；(6－26)fy—受拉鋼筋強度設(shè)計值(kPa)；As—縱向受拉鋼筋的截面積(m2)；b—方形樁的邊長(m)；as—縱向受拉鋼筋合力作用點荷截面近邊的距離(m)。錘擊法施工時，錘擊壓應(yīng)力按下式估算：式中：自由落錘：=1，e=0.6；(6－27)柴油錘：=2，e=0.8；AH、Ac、Ap

—錘、樁墊、樁的實際截面積(m2)；EH、Ec、Ep—錘、樁墊、樁的縱向彈性模量(kPa)；H、

c、

p—錘、樁墊、樁的重度(kN/m3)；H—錘的落距(m)。

沿樁縱軸向的錘擊拉應(yīng)力，對于鋼管樁可取(0.33~0.5)p；對于混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土樁可取(0.23~0.33)p。

計算表明，普通鋼筋混凝土樁的配筋常由起吊立的強度計算控制。(二)

灌注樁混凝土強度水上不小于C15；骨料不大于40mm，塌落度50~70mm；水下不小于C20；骨料小于1/4(管內(nèi)徑)，塌落度160~200mm.需配筋時軸心受壓、主筋最小配筋大于0.2%;受彎時，主筋最小配筋大于0.4%;抗拔時，通長配置。箍筋采用環(huán)式或螺旋箍筋，不小于6＠200~300mm,保護層厚度一般大于30mm水下大于50mm四、承臺設(shè)計(一)構(gòu)造要求如圖混凝土等級大于C20；保護層厚大于50mm;配筋按計算定(見下)d50~100mm大于300

mm大于600mm(30~40)dgb>500mm(二)

承臺的內(nèi)力計算1、多樁矩形承臺多樁矩形承臺計算截面可取在柱邊和承臺高度變化處(杯口外側(cè)或臺階邊緣)，如圖6－25(a)所示，計算截面的設(shè)計彎矩可按下式確定：(6－28)式中Qi

—第i根樁的樁頂外力設(shè)計值(kN)，可按式(6－13)及式(6－14)計算，但一般宜扣除樁基承臺自重及承臺上的土重；Mx

、My—垂直y軸x軸方向計算截面處的彎矩設(shè)計值(kN·m);xi

、yi—垂直y軸x軸方向自樁軸線到相應(yīng)計算截面的距離(m)。2、等邊三樁承臺等邊三樁承臺最常見及最不利的破壞模式分別如圖