桩基础结构设计毕业论文
第5章 桩 基 础
5.1 概 述
5.1.1 桩基础及其应用
桩基础简称桩基，是一种常用的深基础结构。由于具有承载力高、稳定性好、沉降稳定快和沉降变形小、抗震能力强，以及能适应各种复杂地质条件的显著优点，所以桩基础在工程中的应用十分广泛。
桩基础除主要用于承受竖向压力荷载外，还在桥梁工程、港口工程、近海采油平台、高耸和高重建筑物、支档结构、抗震工程结构和某些特殊环境中，用于承受水平荷载和竖向上拔荷载等。近几十年来，随着生产水平的提高和科学技术的进步，桩的种类和型式、施工机具、施工工艺以及桩基的设计理论和计算方法等都在快速发展。目前我国桩基的最大入土深度已超过百米，桩径已超过5m。
在工程建设中，当遇到下述情况时可以考虑使用桩基础：
（1）地表附近的土层软弱，下卧硬土层较深，挖除软土层不经济或不现实时；
（2）当建筑物荷载较大，采用浅基础的沉降量过大，或者建筑物较为重要，不允许有过大的沉降时；
（3）基础范围内的地基土压缩性相差悬殊，沉降差可能超过上部建筑物的允许值时； （4）高耸建筑物或构筑物对限制倾斜有特殊的要求时； （5）动力机器、精密设备等对地基变形有严格的限制时。
5.1.2 桩和桩基的分类
当确定采用桩基础后，合理地选择桩和桩基础的类型是桩基设计中很重要的环节。分类的目的是为了掌握其不同的特点，以供设计时根据现场的具体条件选择适当的型式。以下主要介绍《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－2008）（以后简称《桩基规范》）推荐的分类方法。
1．桩基的分类
桩基础一般由桩和承台两部分组成（图5-1）。以单根桩的形式承受和传递上部结构荷载的独立基础称单桩基础。但绝大多数桩基础的桩数不止一根而是由2根或多根桩组成桩群，由承台将桩群在上部联结成一个整体，建筑物的荷载通过承台分配给各根桩，桩群再把荷载传给地基，这种由2根或更多桩组成的桩基础称群桩基础。群桩基础中的单桩称基桩。
根据承台与地面的相对位置，桩基础可分为低承台桩基和高承台桩基。当承台底面位于地面或局部冲刷线以下时称为低承台桩基；否则称为高承台桩基。在一般房屋建筑和水工建筑物中最
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常用的是低承台桩基；高承台桩基则常用于桥梁工程、港口码头及海洋工程中。
2．桩的分类
根据桩的承载性状、施工方法、桩身材料及桩的设置效应等可把桩划分为各种类型。
上部结构QQ承台软弱土层软弱土层软弱土层桩中密土层岩层坚实土层
图5-1 低承台桩基示意图 图5-2 摩擦型桩和端承型桩
（a）摩擦型桩；（b）端承型桩
（1）按承载性状分类
桩的承载方式与浅基础的承载方式不同。浅基础主要通过基础底面的地基承受和传递上部结构传来的荷载；而桩承受的桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受。由于桩的尺寸、施工方法、桩侧和桩端地基土的物理力学性质等因素的不同，桩侧和桩端各自分担荷载的比例是不同的，根据此比例可以将桩分为摩擦型桩和端承型桩（图5-2）。
1）摩擦型桩
在竖向极限荷载作用下，如果桩顶的竖向荷载全部或主要由桩侧阻力承担，这种桩称摩擦型桩。根据桩侧阻力分担荷载的比例，摩擦型桩又分为摩擦桩和端承摩擦桩两类。
①摩擦桩：桩顶极限荷载的绝大部分由桩侧阻力承担，桩端阻力可忽略不计。工程中的下列桩可按摩擦桩考虑：桩的长径比很大，桩顶荷载主要通过桩身压缩产生的桩侧阻力传递给桩周土，桩端土层分担的荷载很小；桩端下无较坚实的持力层；桩底残留虚土或沉渣较厚的灌注桩；桩端出现脱空的打入桩等。
②端承摩擦桩：桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但桩侧阻力分担的荷载较大。这类桩的长径比适中，桩端持力层土性一般，所以除桩侧阻力外，还有一定的桩端阻力。工程中这类桩的数量占有很大比例。
2）端承型桩
在竖向极限荷载作用下，如果桩顶的竖向荷载全部或主要由桩端阻力承担，这种桩称端承型桩。根据桩端阻力分担荷载的比例，端承型桩又分为端承桩和摩擦端承桩两类。
①端承桩：桩顶极限荷载绝大部分由桩端阻力承担，桩侧阻力可忽略不计。桩的长径比比较小，桩端设置在密实的砂类、碎石类土层中或位于中、微风化及新鲜基岩中的桩可认为是端承桩。
②摩擦端承桩：桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但桩端阻力分担荷载较大。桩的侧阻力虽属次要，但不可忽略。这类桩的桩端通常进入中密以上的砂类、碎石类土层中或位于中、微风化及新鲜基岩顶面。
此外，当桩端嵌入岩层一定深度（要求桩的周边嵌入微风化或中等风化岩体的最小深度不小于0.5m）时，称为嵌岩桩。对于嵌岩桩，桩侧与桩端的荷载分担比例与孔底沉渣及进入基岩的深
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度有关，桩的长径比不是制约荷载分担的唯一因素。
（2）按施工方法分类
根据桩的施工方法不同，主要可分为预制桩和灌注桩两大类。 1）预制桩
预制桩的桩体可以在施工现场预制，也可以在工厂制作，然后运至施工现场。预制桩可以采用木材、钢材或钢筋混凝土等材料制作。预制桩可以经锤击、震动、静压或旋入等方式设置就位。
①混凝土预制桩：混凝土预制桩的横截面有方、圆等多种形状。一般普通实心方桩的截面边长为300～500mm，工厂预制时分节长度≤12m，沉桩过程中在现场连接到所需桩长。桩的分节接头应保证质量以满足桩身承受轴力、弯矩和剪力的要求，通常可用钢板、角钢焊接，并涂以沥青防腐蚀。也可采用钢板垂直插头加水平销连接，其施工快捷，不影响桩的强度和承载力。
大截面实心桩的自重大，用钢量也大，其配筋主要受起吊、运输、吊立和沉桩等各阶段的应力控制。如采用预应力混凝土桩，则可减轻自重、节约钢材、提高桩的承载力和抗裂性。
预应力混凝土管桩（图5-3）采用先张法预应力工艺和离心成型法制作。经高压蒸汽养护生产的为PHC管桩，桩身混凝土强度等级≥C80；未经高压蒸汽养护生产的为PC管桩（强度等级为C60～C80）。建筑工程中常用管桩的外径为300～600mm，每节长5～13m。桩的下端设置开口的钢桩尖或封口十字刃钢桩尖（图5-4）。沉桩时桩节处通过焊接端头板接长。
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图5-3 预应力混凝土管桩 图5-4 预应力混凝土管桩的
1. 预应力钢筋；2. 螺旋箍筋；3. 端头板；4. 钢套箍 封口十字刃钢桩尖
预制桩的截面形状、尺寸和桩长可在一定范围内选择，桩尖可达坚硬粘性土或强风化基岩，具有承载能力高、耐久性好、且质量较易保证等优点。但其自重较大，需大能量的沉桩设备，并且由于桩端持力层起伏不平而导致桩长不一，施工中往往需要接长或截短，工艺比较复杂。
②钢桩：常用的钢桩有下端开口或闭口的钢管桩和Ｈ型钢桩等。一般钢管桩的直径为250～1200mm。钢桩的穿透能力强，自重轻、锤击沉桩效果好，承载能力高，无论起吊、运输或是沉桩、接桩都很方便。其缺点是耗钢量大，成本高，易锈蚀，我国只在少数重点工程中使用，如上海宝钢工程就采用了直径914.4mm，壁厚16mm，长61m等几种规格的钢管桩。
③木桩：常用松木、杉木或橡木等做成，一般桩径为160～260mm，桩长4～6m，桩顶锯平并加铁箍，桩尖削成棱锥形。木桩制作和运输方便、打桩设备简单，在我国使用历史悠久，但目前已很少使用，只在某些加固工程或能就地取材的临时工程中采用。木桩在淡水中耐久性好，但在海水及干湿交替的环境中极易腐烂，因此一般应打入地下水位以下不少于0.5m。
沉桩深度一般应根据地质资料及结构设计要求估算。施工时以最后贯入度和桩尖设计标高两方面控制。最后贯入度系指沉至某标高时，每次锤击的沉入量，通常以最后每阵的平均贯入量表示。锤击法常以10次锤击为一阵，振动沉桩以1min为一阵。最后贯入度则根据计算或地区经验确定，一般可控制最后两阵的平均贯入度为10～50mm/阵。
2）灌注桩
灌注桩是直接在设计桩位处成孔，然后在孔内下放钢筋笼（也有直接插筋或省去钢筋的）再
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浇灌混凝土而成。其横截面通常为圆形，可以做成大直径桩和扩底桩。保证灌注桩承载力的关键在于成孔和混凝土的灌注质量。灌注桩通常可根据施工方式分为：
(a)(b)(c)(d)(e)(f)
图5-5 沉管灌注桩的施工程序示意
（a）打桩机就位；（b）沉管；（c）浇灌混凝土；（d）边拔管，边振动；
（e）安放钢筋笼，继续浇灌混凝土；（f）成型
①沉管灌注桩：利用锤击或振动等方法沉管成孔，然后浇灌混凝土并拔出套管，其施工程序如图5-5所示。一般可分为单打、复打（浇灌混凝土并拔管后，立即在原位再次沉管及浇灌混凝土）和反插法（灌满混凝土后，先振动再拔管，一般上拔0.5～1.0m，再反插0.3～0.5m）三种。复打后的桩身横截面面积增大，承载力提高，但其造价也相应增加。
锤击沉管灌注桩的常用桩径（预制桩尖的直径）为300～500mm，桩长常在20m以内，可打至硬塑粘土层或中、粗砂层。其优点是设备简单、打桩进度快、成本低。但在软、硬土层交界处或软弱土层中易发生缩径（桩身截面局部缩小）现象，此时应放慢拔管速度。灌注混凝土的充盈系数（混凝土实际用量与计算的桩身体积之比）一般应达1.10～1.15。此外，施工中也可能由于邻桩挤压或振动作用等引起断桩；或出现局部夹土、混凝土离析及强度不足等质量事故。
振动沉管灌注桩的钢管底端带有活瓣桩尖（沉管时桩尖闭合，拔管时活瓣张开以便浇灌混凝土），或套上预制混凝土桩尖。桩的横截面尺寸一般为400～500mm，常用振动锤的振动力为70、100和160kN。在粘性土中，其沉管穿透能力比锤击沉管灌注桩稍差，承载力也比锤击沉管灌注桩要低。
内击式沉管灌注桩（亦称弗朗基桩，Franki Pile）的优点是混凝土密实且与土层紧密接触，同时桩头扩大，承载力较高，效果较好，但穿越厚砂层的能力较低，打入深度难以掌握。施工时，先在竖起的钢套筒内放进约1m高的混凝土或碎石，用吊锤在套筒内锤打，形成“塞头”。以后锤击时，塞头带动套筒下沉。至设计标高后，吊住套筒，浇灌混凝土并继续锤击，使塞头脱出筒口，形成扩大的桩端，其直径可达桩身直径的2～3倍，当桩端不再扩大而使套筒上升时，开始浇注桩身混凝土（若需配筋时先吊放钢筋笼），同时边拔套筒边锤击，直达所需高度为止。
②钻（冲）孔灌注桩：钻（冲）孔灌注桩用钻机钻土成孔，然后清除孔底残渣，安放钢筋笼，浇灌混凝土。有的钻机成孔后，可撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切土扩大桩孔，浇灌混凝土后在底部形成扩大桩端，但扩底直径不宜大于3倍桩身直径。根据不同土质，可采用不同的钻、挖工具，常用的有正、反循环钻机、螺旋钻机、冲击钻机、冲抓钻机和旋挖钻机等
目前国内钻（冲）孔灌注桩多用泥浆护壁，泥浆应选用膨润土或高塑性粘土在现场加水搅拌制成，一般要求其比重为1.1～1.15，粘度为10～25s，含砂率＜6％，胶体率＞95％。施工时的泥浆面应高出地下水位1m以上，清孔后在水下浇灌混凝土，其施工程序如图5-6所示。钻（冲）
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孔灌注桩的常用桩径为800、1000、1200mm等。其最大优点是入土深，能进入岩层，刚度大，承载力高，桩身变形小，并可方便地进行水下施工。
（a）泥浆泵或高压水泵钻机（b）（c）（d）护筒钻杆泥浆钢筋笼导管泥浆钻头混凝土
图5-6 钻孔灌注桩施工程序
（a）成孔； （b）下导管和钢筋笼； （c）浇灌水下混凝土； （d）成桩
③挖孔桩：挖孔桩可采用人工或机械挖掘成孔，逐段边开挖边支护，达到所需深度后再扩孔、安装钢筋笼及浇灌混凝土。
挖孔桩的内径一般应不小于800mm，开挖直径≥1000mm，桩身长度宜限制在40m以内。护壁厚度宜≥100mm，分节支护，每节高500～1000mm，可用混凝土浇筑或砖砌筑。图5-7为某人工挖孔桩示例。
挖孔桩可直接观察地层情况，孔底易清除干净，设备简单，噪音小，场区内各桩可同时施工，且桩径大、适应性强，比较经济。但由于挖孔时可能存在塌方、缺氧、有害气体、触电等危险，易造成安全事故，因此应严格执行有关安全操作的规定。此外难以克制流砂现象。
表5-1给出了我国常用灌注桩的适用范围和桩径、桩长的参考值。另外，对各类灌注桩，都可以在孔底预先放置适量的炸药，在灌注混凝土后引爆，使桩底扩大呈球形，以增加桩底支承面积而提高桩的承载力，这种爆炸扩底的桩称爆扩桩（图5-8）。
柱插筋插筋箍筋引线主筋14001600加劲筋护壁600600炸药包爆破桩头20002600
3. 按桩的设置效应分类
图5-7 人工挖孔桩示例 图5-8 爆扩桩
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