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岩土研究院

桩基础结构设计

333 2022-07-19 17:01:17

与浅基础一样,桩基的设计也应做到安全、合理和经济。桩和承台应有足够的强度、刚度和耐久性,地基(主要是桩端持力层)应有足够的承载力,且不产生过量的变形。考虑到通常桩基相应于地基破坏的竖向极限承载力甚高,因此大多数桩基设计的首要问题在于控制沉降量。


设计之前必须具备一些基本资料,其中包括上部结构的情况(结构形式、平面布置、荷载大小以及构造和使用上的要求)、工程地质勘察资料以及施工设备和技术条件。在提出工程地质勘察任务时,必须说明拟议中的桩基方案。勘察任务书和勘察报告应符合勘察规范的一般规定和桩基工程的专门勘察要求。采用桩数较少而单桩承载力高的嵌岩桩时,对工程地质勘察的要求较高,最好能比较准确地确定强风化、中风化和微风化岩层的埋深,层面的倾斜、起伏情况,而对于石灰岩地区,要注意岩溶现象(如洞穴的分布和溶洞顶板的厚度等)。总的来说,选择桩的类型时,对桩端持力层情况和荷载大小必须了解清楚,其次是考虑当地的桩基施工能力。


设计的内容和步骤

桩基设计可按下列步骤进行∶


1)确定桩的类型和几何尺寸,初步选择承台底面标高;

2)确定单桩承载力;

3)确定桩的数量及其在平面上的布置;

4)确定群桩的承载力,必要时验算群桩地基的承载力和沉降;

5)验算桩基中各桩的作用荷载;

6)桩基结构设计

7)承台设计

8)绘制桩基施工图。


下面将分别讨论步骤1)、3)、5)、6)及7),且只限于讨论轴向(竖向)受压的桩基。


3.2桩的类型和几何尺寸

桩基设计的第一步,就是根据结构类型、楼层数量、荷载情况、地层条件和施工能力选择预制桩或灌注桩的类别、桩的截面尺寸和长度、桩端持力层,确定单桩的计算图的形式(端承桩或摩擦桩)。


从楼层多少和荷载大小来看(如为工业厂房可将荷载折算为相应的楼层数),10层以下的可考虑采用直径500mm左右的灌注桩和边长为400mm的预制桩;10~20层的可采用直径800~1000mm的灌注桩和边长450mm、500mm的预制桩;20~30层的可用直径1000~1 200mm的钻(冲、挖)孔灌注桩和边长不小于500mm的预制桩;30~40层的可用直径大于1 200mm的钻(冲、挖)孔灌注桩和外径500~550mm的预应力混凝土管桩和大直径钢管桩等。楼层更多的可用直径更大的灌注桩。目前,国内采用的人工挖孔桩直径最大在5m以上。


当土中存在大孤石、废金属残渣以及花岗岩残积层中未风化的石英岩脉时,如采用预制桩,将会遇到难以克服的困难。当土层分布很不均匀时,如果采用预制钢筋混凝土,则桩的预制长度难以掌握。如前所述,由于预制桩的质量较易保证,在场地土层分布比较均匀又能降低造价的条件下,高强预应力混凝土管桩必将受到重视。


确定桩长的关键,在于选择桩端持力层。坚实土层和岩层最适宜作为桩端持力层。对于10 层以下的房屋,在施工条件允许的深度内没有坚实土层存在时,可选择中等强度的土层作为持力层。


对桩端进入坚实土层的深度和桩端下坚实土层的厚度应该有所要求。一般可以这样考虑∶对于粘性土、粉土和砂土,进入的深度不宜小于2倍桩径;对于碎石土,不宜小于1倍桩径。桩端以下坚实土层的厚度,一般不宜小于5倍桩径。嵌岩桩桩端进入中等风化(或微风化)基岩体的最小深度(指桩周入岩最浅处)不宜小于0.5m,以确保桩端嵌入岩体。同时,嵌岩桩桩底下3倍桩径范围内应无软弱夹层、断裂带、洞穴和空隙分布。岩层表面往往起伏不平,且常有隐伏的沟槽存在。特别是碳酸盐类岩石(如石灰岩)地区,常有溶槽石芽密布,此时桩端可能坐落在岩面隆起或倾斜处而招致滑动。为确保桩端和岩体的稳定,在桩端应力扩散范围(2~3倍桩径)内,应无岩体(例如沟、槽、洞穴的侧面或倾斜、陡立的岩面)存在。这些要求,对于荷载甚大的桩下单桩更为重要。实践证明,将详细勘察阶段所得到的数据作为施工图设计依据,其工作精度往往满足不了这类桩设计施工的要求,因此,当基础方案选定之后,还应根据桩位和要求,进行专门的桩基勘察,或在该桩施工时,于桩孔下方钻取岩芯(“超前钻”),以便了解该桩的持力层厚度。在高重建筑中,采用大直径桩是有利的。但在碳酸岩类岩石地基,当岩溶很发育而洞穴顶板厚度不大时,则宜采用直径较小的桩,这样较易满足桩端下有3倍桩径的持力层厚度要求,也有利于荷载的扩散,并且,最好采用具有一定架越能力的梁式或筏板式承台。


在确定桩长之后,施工时桩的设置深度必须满足设计要求。如果土层比较均匀,层面比较平整,那么桩的实际长度常与设计桩长比较接近;当场地土层复杂,或者桩端持力层层面起伏不平时,桩的实际长度常与设计桩长不一致。为了避免浪费和便于施工,在勘察工作中,应尽可能仔细探明可作为持力层的地层层面深度。打入桩的入土深度应从所设计的桩端标高和最后贯人度(先进行试打确定)两方面控制。最后贯入度是指打桩结束以前每次锤击的沉入量,通常以最后每阵的平均贯人度表示。锤击沉桩者,可用10次锤击作一阵,要求最后两三阵的贯入度为10~30mm·(10击)'(锤击、桩长者取大值,质量为7t以上的单动蒸汽锤、柴油锤可增至30~50mm·(10击)-);振动沉桩者,可用1 min作为一阵,采用100kN振动力的边长为400 mm的桩,要求最后两阵的贯入度(即沉入速度)为20~60mm·min'。打进可塑或硬可塑粘性土中的桩,其承载力主要由桩侧摩阻力提供,沉桩时宜按桩端设计标高控制所应达到的深度,同时以最后贯入度作参考,并尽可能使同一承台或同一地段内各桩的桩端实际标高大致相同。打到基岩层(或坚实土层)的端承桩,主要按最后贯入度控制,要求各桩的贯入度比较接近。大直径的钻(冲、挖)孔桩则以取出的岩屑(可分辨出风化程度)和钻进难度(速度)来确定施工桩长。


在确定桩的类型和几何尺寸后,应初步确定承台底面标高,以便计算单桩承载力。一般情况下,承台埋深主要从结构要求和方便施工两方面来选择。季节性冻土上的承台埋深,应根据地基土的冻胀性考虑,并应考虑是否需要采取相应的防冻害措施。膨胀土上的承台,其埋深选择与此类似。


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