基础工程 桩基础 (史上最全面)

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4.3 桩的竖向承载力
4.3.1 单桩轴向荷载的传递机理 1、桩身轴力与截面位移 1）桩竖向荷载的承担及传递过程
Q Qs Qb Qu QsuQbu
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当桩身摩阻力全部发挥出来达到 极限后，若继续增加荷载，荷载 增量将全部由桩端阻力承担。由 于桩端持力层的大量压缩和塑性 变形，位移增加速度显著增大， 直至桩端阻力达极限，位移迅速 增大至破坏。此时，桩达到其极 限承载力。
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1）粘土中挤土桩成桩效应 饱和土沉桩时，桩侧土受到挤压、重塑、 扰动。扰动程度分三个区：重塑区Ⅰ，部 分扰动区Ⅱ和非扰动区Ⅲ（Ⅰ区、Ⅱ区为 塑性区，半径一般为2.5-5倍桩径，Ⅲ区为 弹性区）。重塑区因受沉桩过程的竖向向 挤压作用而充分扰动重塑。
沉桩引起的超孔隙水压力在桩土界面附近 最大，但当瞬时超孔隙水压力超过竖向或 侧向有效应力时便会产生水力劈裂而散， 因此成桩过程的超孔隙水压力一般稳定在 土的有效自重压力范围内。
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6、按桩成桩方式:
1)挤土桩:打入时将桩位大量土排挤开,因土层 震动,土结构遭破坏，土性质有变化。 粘性土,由于重塑作用降低了抗剪强度,非密 实无粘性土由于振动挤密使抗剪强度提高,
2) 部分挤土桩:土原状结构和工程性质变化不 大,开口钢管 H型钢
3)非挤土桩. 钻孔桩将桩体积相同土挖出,土没有排挤,应 力松弛 侧阻力减少。
段,吊装.运输,锤击作用进行强度验算；
3）、柱端平面以下存在的软下卧层时应验算软弱下卧 车层承载力；
4 )、对位于坡地、岸边的桩基应进行桩基稳定性验算；
5）、按现行抗震设计规范规定进行抗震验算。
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2、 下列桩基应进行变形验算：
1)、桩端持力层为软弱土的一,二级桩基以及 桩端持力层为粘土,粉土或存在软弱下卧层 一级建筑桩基,应验算沉降并考虑上部结构 与基础共同作用.沉降不超过建筑沉降允许 值；
2）端承型桩：荷载由侧阻力和端阻力共同承 担，端阻力大，持力层以中砂土、碎石土、 风化岩。
L/d<10 入岩深hr≤0.5d为端承桩。 hr>0.5d嵌岩桩
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3、根据施工方法的不同，可分为预制桩和灌注桩 两大类。
根据所用材料的不同，预制桩可分为混凝土预制 桩、钢桩和木桩三类。
预制桩 混凝土预制桩
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选桩原则
1) 因荷载制宜”即上部结构传递给基础的荷 载大小是控制单桩承载力要求的主要因素。
2) 因土层制宜”，即根据建筑物场地的工程 地质条件、地下水位状况和桩端持力层深 度等，通过比较各种不同方案桩 结构的 承载力和技术经济指标，选择桩的类型。
3) 因机械制宜”，即考虑本地区桩基施工单 位现有的桩工机械设备；如确实需要从其 他 地区引进桩工机械时，则需要考虑其经 济合理性。
截面方形或圆形，桩径300—500mm， 预制地点：现场为25-30m工厂12m，大于12m现 场连接，可焊接接桩、法兰连接桩、硫磺胶泥 接桩。 配筋受起吊、吊立、沉桩等应力控制，用钢量大， 可采用预应力。 钢桩 H型钢桩和钢管桩
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预制桩起吊和吊立弯矩图
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法兰
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桩制作
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编钢筋龙
桩制作
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方桩
3）重型工业厂房和荷载很大的建筑物； 4）软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑； 5）作用有较大水平力和力矩的高耸结构物的基础或
需以桩承受水平力或上拔力的其他情况； 6）需要减弱其振动影响的动力机器基础，或以桩基
作为地震区建筑物的抗震措施； 7）地基土有可能被水冲刷的桥梁基础； 8）需穿越水体和软弱土层的港湾与海洋建筑物基础。
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4）因环境制宜”，即考虑设桩过程中对环境 的影响，例如打入式预制桩和打入式灌注 桩的场合，就要考虑振动、噪声以及油污 对周围环境的影响；泥浆护壁钻孔桩和埋 入式桩就要考虑泥水、泥土的处理，否则 会造成对环境的不利影响。
5）因造价制宜”，即采用的桩型，其造价应 比较低廉。
6）因工期制宜”，当工期紧迫而环境又允许， 可采用打入式预制桩，因其施工速度快； 再如施工条件合适，也可采用人工挖孔桩， 因该桩型施工作业面可增多，施工进程也 较快。
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3）饱和粘性土中挤土摩擦型桩承载 力的时间效应，增长幅度与桩径、 桩长有关，桩径越大、桩越长，增 长幅度越大。群桩增长时间长、增 长幅度大，且群桩中桩愈多，时效 引起的承载力增量愈大。
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2．非挤土桩的成桩效应 在成孔过程中，随着孔壁侧向应力 的解除，桩周土将出现侧向松弛变 形而产生松弛效应，导致桩周土体 强度削弱，桩侧阻力随着降低。桩 侧阻力的降低幅度与土性、有无护 壁、孔径大小等因素有关.
2、桩基：桩与连接桩顶和承接上部结构的承 台组成的深基础，简称桩基。
3、基桩：群桩中的单桩。 4、承台：将各桩联成一整体，把上部结构传
来的荷载转换、调整分配于各桩，由桩传 到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。
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桩受竖直力由桩周土层桩侧摩阻力和桩媏 力来承受； 桩水平力由桩侧土层侧向阻力来支承。
5、单桩基础：采用一根桩，以承受上部结构 (柱)荷载的基础。
钢筋龙，浇混凝土 常用桩径600—650 mm，桩长10—30m采用 泥浆护壁大直径1500—3000m,下钢套管 护壁.多种功能:钻进,冲击,磨岩 扩大桩底功 能，施工速度快可进入岩层.
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钻孔灌注桩
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2）沉管灌注桩 锤击沉管打桩机和振动 沉管打桩机将带有桩尖及活瓣桩尖钢 管沉入土中成孔,浇灌混凝土，拔出钢 管安放钢筋笼。
6 、群桩基础：由2根以上桩组成的基础。 7、复合桩基：由桩和承台底地基共同承担荷
载的桩基。 桩基应用：以有百年历史，承载力高、稳 定性好，沉降均匀的特点，在不良土上修 建建筑，普遍应用的基础形式。
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8、下列情况易采用桩基础
1）天然地基承载力和变形不能满足要求的高重建筑 物；
2）承载力基本满足要求、但沉降量过大，需利用桩 基础减少沉降的建筑物；
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由于沉桩引起的挤压应力、超孔隙水压力在桩土界面最大， 因此在不断产生相对位移、粘聚力较小的桩土界面上将形 成一水膜，降低了沉桩贯入阻力。
在桩表面形成了排水通道，使靠近桩土界面的土层快速固 结、并随静置和固结时间的延长强度快速增长，逐步形成 一紧贴于桩表面的硬壳层。
当桩受竖向荷载产生竖向位移时，其剪切面将发生在Ⅰ、 Ⅱ区的交界面，因而桩侧阻力取决于Ⅱ区土的强度。
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4.1.4 桩基设计内容
桩基设计包括下列基本内容： 1、桩的类型及几何尺寸的选择； 2、单桩竖向（和水平向）承载力的
确定； 3、确定桩的数量、间距和平面布置； 4、桩基承载力和沉降验算； 5、桩身结构设计； 6、承台设计； 7、绘制桩基施工图。
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4.2 桩的类型
4.2.1 桩基的分类 1、按承台与地面相对位置分：
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2）桩身轴力与截面位移
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单桩轴向荷载传递的基本微分方程
z
ApEp d2 z up dz2
桩身轴力
z
Nz Q0uz zdz
桩身截面位移
z
S 1
ApEp
z
0 Nzdz
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2、影响荷载传递的因素
1）桩端土与桩周土的刚度比Eb/Es
Eb/Es愈小，桩身轴力沿深度衰减愈快，即传递到 桩端荷载愈小。 对于中长柱，当Eb/Es=1 （即均匀土层）时，桩 侧摩阻力接近于均匀分布、几乎承担了全部荷载， 桩端阻力仅占荷载的5%左右，即属于摩擦桩； 当Eb/Es增大到100时，桩身轴力上段随深度减小， 下段近乎沿深度不变，即桩侧摩阻力上段可得到 发挥，下段则因桩土相对位移很小而无法发挥出 来，桩端阻力分担了60%以上荷载，即属于端承 型桩； Eb/Es再继续增大，对桩端阻力分担荷载比的影响 不大。
第四章 桩基础
本章教学目标： 1 了解桩基础的使用，熟悉桩基础的设计内容、
设计原则、分类及成桩效应； 2 了解桩基础单桩传递机理，熟悉掌握桩基础
竖向承载力的确定，熟悉群桩效应； 3 了解单桩沉降计算，熟悉群桩沉降计算及减
小桩负摩阻力的措施。 4 掌握桩基础承台设计，熟悉桩基础设计步骤
及施工图绘制。
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4.1概述
深基础：埋深较大，以下部坚实土层或 岩层作为持力层的基础。
作用：把所承受的荷载相对集中地传到 深部土层。
适用：当浅层土质不满足承载力和变形 要求，不适宜采取地基处理方法。
深基类型：桩基础，地下连续墙，沉井。
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沉井基础
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4.1.1 桩基础的使用
1、桩：是设置于土中的竖直或倾斜的柱型基 础构件。
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4.1.3 桩基设计原则
桩基是由桩、土和承台共同组成的基础， 设计时应考虑三者共同作用。各部作用起 多大，取决于桩变形。
桩基按极限状态设计法设计，应满足承载 能力极限状态和正常使用极限状态的要求。
建筑桩基分三个安全等级。 桩基设计应进行下列计算和验算：
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1、所有桩基础都应进行承载能力计算,计算内容包括：
低承台桩基：承台底面位于地面以下。 用于工业与民用建筑 高承台桩基：承台底面高出地面。用 于桥梁、水利。
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2、按桩性状分
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1）摩擦型桩：是指桩顶竖向荷载由桩侧阻力 与桩端阻力共同承受，但侧阻力分担荷载 较多的桩。一般摩擦型桩的桩端持力层多 为较坚实的粘性土、粉土和砂类土，
且桩的长径比很大。
例 桩长径比很大，桩端土软弱，桩端有残 留虚土，打桩时桩上抬。为摩擦桩。
由于Ⅱ区土强度也因固结、触变作用而最终超过天然状态， 因此，粘土中的挤土效应将使桩侧阻力增加。
虽然挤土塑性区半径与桩径成正比增大，但桩土界面的最 大挤土压力仅与土强度、模量和泊松比有关。因此，挤土 量达某一临界值后增强效应不再变化。
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2）砂土中挤土桩的成桩效应
非密实砂土中的挤土桩，桩周土因侧 向挤压使部分颗粒被压碎及土颗粒重 新排列而趋于密实。在松散至中密的 砂土中设置挤土桩，桩侧可达3-5.5倍 桩径，桩端下可达2.5-4.5倍桩径。因此， 非密实砂土中挤土桩的承载力增加是 由打桩引起的相对密实增加所造成的。