土力学课件（清华大学）-第八章_桩基础与深基础

第八章桩基础与深基础8.1概述一、桩基础与深基础的适用范围1、地基上部为软弱土层，适宜做持力层的土层埋置较深，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时；2、上部结构物对不均匀沉降敏感时，采用桩基础穿过松软（高压缩性）土层，将荷载传到较坚实（低压缩性）土层，减少结构物沉降并使沉降较均匀；3、高层建筑4、当施工水位或地下水位较高时，采用桩基础可减小施工困难和避免水下施工；5、在地震区的可液化土中，采用桩基础可增强结构物的抗震能力。桩基础穿越可液化土层并伸入下部密实稳定土层，可消除或减轻地震对结构物的危害。 二、深基础的类型常用深基础类型有：桩基础、大直径桩墩基础、沉井基础、地下连续墙、箱桩基础和高层建筑深基坑护坡工程等。三、深基础的特点1、深基础施工方法复杂；2、深基础的地基承载力高；3、深基础施工需要专门设备；4、深基础技术较复杂；5、深基础造价较高。 8.2桩及桩基础的分类一、按承载性状分类按桩在土中的支承性质：端承桩（柱桩）、摩擦桩 桩底支立于坚硬土层（岩层）上，其轴向荷载可认为全由桩底土反力来支承。这种由柱桩（端承桩）组成的桩基则称为柱桩桩基。摩擦端承桩：摩擦桩是指桩底置于压缩性土层内，其轴向荷载由桩侧摩阻力和桩底土反力来支承，而桩侧摩阻力起主要支承作用。这种由摩擦桩组成的桩基称为摩擦桩基。端承摩擦桩：二、按桩的使用功能分为：竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩和复合受荷桩。按桩径分：小桩（桩径＜250cm、中等直径(桩径250~800cm)、大直径（桩径＞800cm） 三、按桩的轴线方向：竖直桩、单向斜桩、多向斜桩、桩架；一般来说，竖直桩能承受的水平力小，当水平外力和弯矩不大，桩不长或桩身直径较大时，可采用竖直桩，相应的桩基称为竖直桩桩基。反之，当水平外力较大且方向不变时，可采用单向斜桩；当水平外力较大且由于活载致使水平外力在两个方向都可能作用时，则可采用多向斜桩桩基；如果水平外力特别大，如拱桥基础，则可用桩架。 按材料分：木桩、混凝土桩、钢筋砼桩，预应力钢筋砼桩、钢桩、组合桩等；（1）钢筋混凝土桩通常有预制桩和灌注桩桩的横截面常用正方形、圆形，预制桩截面边长一般为250~400㎜；灌注桩直径可达1000㎜。预制桩长通常为12m。但可接桩。桩的材料中混凝土强度：预制桩强度不低于C30，预应力混凝土桩不低于C40。受力主筋按计算确定；根据桩的截面大小选用4~8根直径为12~25㎜的钢筋。配筋率通常为1%~3%。 箍筋采用Φ6～8㎜，间距＠200㎜。桩顶（3~5）d范围内箍筋适当加密。灌注桩钢筋笼长度超过4米，应每隔2米左右设一道Φ12～18焊接加劲钢筋。为保证打桩安全，预制桩的桩顶采用3层钢筋网；桩尖钢筋焊成锥形整体，以利沉桩。沉管灌注桩应设C30的混凝土预制桩尖。钢筋混凝土桩的单桩承载力大，预制桩不受地下水位与土质条件限制；但预制桩自重大，需运输，需大型设备，桩过长需要接桩或截桩，造价高。 （2）、钢桩钢桩有钢管桩、H型钢桩、钢轨桩、螺旋钢桩等。钢桩在我国较少采用。钢桩的优点有：（l）桩身不仅抗压强度高而且抗拉和抗弯强度也大，所以适用于桩身自由长度大的高桩码头和海洋钻井平台中；（2）桩的承载力高，直径为150㎝的钢管桩，其承载力可达30000kN；（3）施工方便，施工速度快。钢桩的最大缺点：防锈蚀的问题、价格太高。 四、按桩的施工方法分按照施工方法的不同，桩可分为预制桩和灌注桩。预制桩是在工厂或施工现场制成的各种材料和形式的桩，如钢筋混凝土桩、钢桩、木桩等，然后用沉桩设备将桩打入、压入、振入、高压水冲入或旋入土中。灌注桩是在施工现场的桩位上先成孔，然后在孔内灌注混凝土，或者加入钢筋后再灌注混凝土而形成。根据成孔方法的不同可分为钻、挖、冲孔灌注桩，套管灌注桩和爆扩桩等。 ※预制桩的施工预制桩包括预制钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土管桩与钢桩。预制桩的主要工序有施工前的准备、桩位放样、沉桩设备的架立与就位，将预制桩沉入土中，最后修筑承台。其沉桩方法有锤击沉桩、振动沉桩和静力沉桩、射水沉桩等，其中又以锤击沉桩应用较为普遍。一、预制桩的制作要点1、预制桩的预制流程及要求制作场地整平与处理→制模与立模→绑扎钢筋、安装吊环→浇筑混凝土与养护，起吊、运输、堆放。 桩的制作：钢筋混凝土预制桩一般在预制厂制作，较长的桩在施工现场附近露天预制。桩的长度主要取决于运输条件及桩架高度，一般不超过30m。如桩长超过30m，可将桩分成几段预制，在打桩过程中接桩。混凝土预制方桩的截面边长为25cm～55cm。桩所用混凝土强度等级不宜低于30MPa。混凝土浇筑应由桩顶向桩尖连续进行，严禁中断。桩顶和桩尖处不得有蜂窝、麻面、裂缝和掉角。桩的制作偏差应符合规范的规定。 2、预制桩的起吊与堆放预制桩在起吊与堆放时，较多采用两个吊点。吊点位置一般应按各吊点最大负弯矩与吊点间桩身正弯矩相等的条件来确定。起吊时应平稳提升，使各吊点同时受力。预制桩的混凝土强度应满足设计要求。 预制桩的运输：当运距不大时，可采用滚筒、卷扬机等拖动桩身运输；当运距较大时可采用小平台车运输。运输过程中支点应与吊点位置一致。堆放：桩在施工现场的堆放场地应平整、坚实，并不得产生不均匀沉陷。堆放时应设垫木，垫木的位置与吊点位置相同，各层垫木应上、下对齐，堆放层数不宜超过4层。3、混凝土预制桩的接桩桩的接桩方法有焊接钢板、法兰接及硫磺胶泥锚接桩三种。4、混凝土预制桩的沉桩顺序沉桩顺序一般由一端向另一端连续进行，当桩基平面尺寸较大或桩距较小时，宜由中间向两端或四周进行，有困难时也可分段进行。如桩埋置有深浅，宜先沉深的，后沉浅的。在斜坡地带，应先沉坡顶的，后沉坡脚的。这样作的目的是使桩的挤出现象比较缓和，使各桩的入土深度不致过于悬殊，以免造成不均匀沉降。 二、沉桩设备将桩沉入土中的设备有桩锤、桩架及辅助设备等。(一)打桩机械打桩机具主要包括桩锤、桩架和动力装置三个部分。桩锤是对桩施加冲击力，将桩打入土中的机具；桩架的作用是将桩吊到打桩位置，并在打桩过程中引导桩的方向，保证桩锤能沿要求的方向冲击；动力装置包括驱动桩锤及卷扬机用的动力设备。在选择打桩机具时，应根据地基的性质、工程的大小、桩的种类、施工期限、动力供应条件和现场情况确定。施工中常见的桩锤有落锤、单动汽锤、双动汽锤、柴油汽锤和振动桩锤。桩锤的适用范围及优缺点选择桩锤应根据地质条件、桩的类型、桩身结构强度、桩的长度、桩群密集程度以及施工条件因素来确定，其中尤以地质条件影响最大。土的密实程度不同所需桩锤的冲击能量可能相差很大。实践证明:当桩锤重大于桩重的1.5倍~2倍时,能取得较好的效果。 二)锤击沉桩施工1.打桩前的准备工作打桩前应处理地上、地下障碍物，对场地进行平整压实，放出桩基线并定出桩位，并在不受打桩影响的适当位置设置水准点，以便控制桩的入土标高；接通现场的水、电管线，准备好施工机具；做好对桩的质量检验。正式打桩前，还应进行打桩试验，以便检验设备和工艺是否符合要求。按照规范的规定，试桩不得少于2根。 2.打桩顺序打桩顺序是否合理，直接影响打桩进度和施工质量。在确定打桩顺序时，应考虑桩对土体的挤压位移对施工本身及附近建筑物的影响。一般情况下，桩的中心距小于4倍桩的直径时，就要拟定打桩顺序，桩距大于4倍桩的直径时打桩顺序与土壤挤压情况关系不大。打桩顺序一般分为：逐排打、自中央向边缘打、自边缘向中央打和分段打等四种。逐排打桩，桩架系单向移动，桩的就位与起吊均很方便，故打桩效率较高。但它会使土壤向一个方向挤压，导致土壤挤压不均匀，后面桩的打入深度将逐渐减小，最终会引起建筑物的不均匀沉降。自边缘向中央打，则中间部分土壤挤压较密实，不仅使桩难以打入，而且在打中间桩时，还有可能使外侧各桩被挤压而浮起，因此上述两种打法均适用于桩距较大（≥4倍桩距）即桩不太密集时施工。自中央向边缘打、分段打是比较合理的施工方法，一般情况下均可采用。 3.打桩施工打桩过程包括：桩架移动和定位、吊桩和定桩、打桩、截桩和接桩等。桩机就位时桩架应垂直，导杆中心线与打桩方向一致，校核无误后将其固定。然后，将桩锤和桩帽吊升起来，其高度超过桩顶，再吊起桩身，送至导杆内，对准桩位调整垂直偏差，合格后，将桩帽或桩箍在桩顶固定，并将桩锤缓落到桩顶上，在桩锤的重量作用下，桩沉入土中一定深度达稳定位置，再校正桩位及垂直度，此谓定桩。然后才能进行打桩。打桩开始时，用短落距轻击数锤至桩入土一定深度后，观察桩身与桩架、桩锤是否在同一垂直线上，然后再以全落距施打，这样可以保证桩位准确桩身垂直。桩的施打原则是“重锤低击”，这样可使桩锤对桩头的冲击小，回弹也小，桩头不易损坏，大部分能量都能用于沉桩。 4.打桩过程中常遇到的问题(1)桩顶、桩身被打坏：与桩头钢筋设置不合理、桩顶与桩轴线不垂直、混凝土强度不足、桩尖通过过硬土层、锤的落距过大、桩锤过轻等有关。(2)桩位偏斜：当桩顶不平、桩尖偏心、接桩不正、土中有障碍物时都容易发生桩位偏斜，因此施工时应严格检查桩的质量并按施工规范的要求采取适当措施，保证施工质量。(3)桩打不下：施工时，桩锤严重回弹，贯入度突然变小，则可能与土层中夹有较厚砂层或其他硬土层以及钢渣，孤石等障碍物有关。当桩顶或桩身已被打坏，锤的冲击能不能有效传给桩时，也会发生桩打不下的现象。有时因特殊原因，停歇一段时间后再打，则由于土的固结作用，桩也往往不能顺利地被打入土中。所以打桩施工中，必须在各方面作好准备，保证施打的连续进行。 (4)一桩打下邻桩上升：桩贯入土中，使土体受到急剧挤压和扰动，其靠近地面的部分将在地表隆起和水平移动，当桩较密，打桩顺序又欠合理时，土体被压缩到极限，就会发生一桩打下，周围土体带动邻桩上升的现象三、静力压桩静力压桩是在均匀软弱土中利用压桩架（型钢制作）的自重和配重，通过卷扬机的牵引传到桩顶，将桩逐节压入土中的一种沉桩方法。这种沉桩方法无振动、无噪音、对周围环境影响小，适合在城市中施工。压桩施工时应随时注意使桩保持轴心受压，接桩时也应保证上下接桩的轴线一致，并使接桩时间尽可能的缩短，否则，间歇时间过长会由于压桩阻力过大导致发生压不下去的事故。当桩接近设计标高时，不可过早停压，否则，在补压时也会发生压不下去或压入过少的现象。 压桩过程中，当桩尖碰到夹砂层时，压桩阻力可能突然增大，甚至超过压桩能力而使桩机上抬。这时可以最大的压桩力作用在桩顶，采取停车再开、忽停忽开的办法，使桩有可能缓慢下沉穿过砂层。如果工程中有少量桩确实不能压至设计标高而相差不多时，可以采取截去桩顶的办法。压桩与打桩相比，由于避免了锤击应力，桩的混凝土强度及其配筋只要满足吊装弯矩和使用期受力要求就可以，因而桩的断面和配筋可以减小，同时压桩引起的桩周土体和水平挤动也小的多，因此压桩是软土地区一种较好的沉桩方法。 ※灌注桩：灌注桩按成孔方法可以分为机械成孔和人工挖孔两类。机械成孔灌注桩的主要工序有：施工前的准备，桩位放样，埋设护筒，钻孔清孔，吊放钢筋笼，灌注混凝土，修筑承台等。一、机械成孔灌注桩(一)、机械成孔方法的分类及适用范围灌注桩的机械成孔方法分为泥浆护壁成孔灌注桩、干作业成孔灌注桩、套管成孔灌注桩和爆扩成孔灌注桩等4种。成孔深度的控制按不同桩型采用不同标准控制。对摩擦型桩，以设计桩长控制成孔深度；端承摩擦桩必须保证设计桩长及桩端进入：持力层深度当采用锤击沉管法成孔时，桩管入土深度控制以高程为主，贯入度控制为辅。对端承型桩，当采用钻(冲)、挖掘成孔时，必须保证桩孔进入设计持力层的深度；当采用锤击沉箭法成孔时，沉管深度控制以贯入度为主，设计持力层高程为辅。 (二)、泥浆护壁成孔灌注桩1、泥浆的制备和规定除能自行造浆的土层外，均应制备泥浆。泥浆的作用是：(1)在钻孔内产生较大的悬浮压力，可防止坍孔；(2)泥浆向孔外土层渗漏。在钻进过程中，由于钻头的活动，孔壁表面形成一层胶泥，具有护壁作用，同时将孔内水流切断。能稳定孔内水位；(3)泥浆比重大，具有浮渣作用，利于钻渣的排出。2、护筒的设置在孔口设置的护筒是一项保证质量的重要施工措施。(1)、护筒的作用是固定钻孔位置，保护孔口，提高孔内水位，防止地面水流入，增加孔内静水压力以维护孔壁稳定，并兼作钻进导向。（2）、护筒的埋设：挖埋式和填筑式3、泥浆护壁钻孔法成孔的方法 4、清孔及吊装钢筋骨架清孔目的是除去孔底沉淀的钻渣和泥浆，以保证灌注的钢筋混凝土质量，保证桩的承载力。清孔的方法有抽浆法、换浆法、掏渣法、喷射清孔法以及用砂浆置换钻渣清孔法等。。（三）、沉管灌注桩沉管灌注桩施工步骤见图8.12 （四）、灌注水下混凝土二、人工挖孔灌注桩大直径人工挖孔灌注桩(包括扩底桩)具有承载能力高，造价低廉等优点，；适宜于在地层稳定、不易塌方，无地下水或含水较弱的地区采用。工序有桩孔开挖、提升出土、排水、支撑、立模板、吊装钢筋骨架、灌注混凝土等。挖掘成孔人工挖孔桩成孔过程中，要根据桩身范围内地质情况，采用无支护开挖或有支护开挖。浇注混凝土安全措施不良地质条件下人工挖孔灌注桩的施工 钻、挖孔桩的构造《桥规》钻孔桩的设计桩径（即钻头直径）一般为0.8m、1.0m、1.25m和1.5m，不宜小于0.8m；挖孔灌注桩的直径或边宽不宜小于1.25m按桩身内力要求分段配筋的桩身混凝土强度等级不得低于C30，按计算桩身混凝土不需要配筋的桩身混凝土强度等级可采用C25～C30；主筋直径不宜小于16m，净距不宜小于12㎝，任何情况下不应小于8㎝，主筋净保护层不应小于6㎝。桩身主筋尽量不用束筋，在满足最小间距的情况下，尽可能采用单筋、小直径钢筋，以提高桩的抗裂性；箍筋直径8㎜，其间距为20㎝。 8.3桩的承载力确定桩的承载力的方法有：（1）根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）（2）根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94—94）桩的承载力包括单桩竖向承载力、群桩竖向承载力和桩的水平承载力。一、单桩竖向极限承载力标准值1、对各级建筑物的规定（1）、对于一级建筑桩基，单桩的竖向极限承载力标准值应通过现场静载荷试验确定。在同一条件下的试桩数量不宜少于总桩数的1%,并不少于3根，工程总桩数载50根以内时不应少于2根。（2）、对于二级建筑桩基，也可参照地质条件相同的试验资料，根据具体情况确定。（3）、三级桩基，可利用承载力经验参数估算。 2、按静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值试验装置主要由加荷稳压、提供反力和沉降观测三部分组成。 静载荷试验要点（1）试验加载方式：采用慢速维持荷载法，即逐级加载。每级荷载达到相对稳定后，加下一级荷载，直至试桩破坏。（2）加载分级：每级荷载△p=(1/5~1/8)R或△p=(1/10~1/15)R（3）桩顶沉降观测：每级加荷后间隔5，10，15，15，15，30，30，30，…分钟测记一次沉降。（4）沉降相对稳定标准：每一小时沉降不超过0.1mm，并连续出现两次。 （5）终止加荷条件①当荷载~沉降曲线有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量s大于40mm；②桩顶总沉降量s=40mm后，继续增二级或三级荷载仍无陡降段；③某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍；④某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到稳定；⑤桩底端支承在坚硬岩土层上，桩的沉降量很小时，最大加载量已达到设计荷载的2倍；⑥已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重量。 单桩竖向极限承载力标准值的确定①P—s曲线有明显陡降段，取陡降段起点对应的荷载值；②对桩径或桩宽在550mm以下的预制桩，在某级荷载P作用下，其沉降增量与相应荷载增量的比值大于0.1㎜/kN，取前一级荷载为极限荷载；③当P—s曲线为缓变形时，一般桩取s=40~60㎜对应荷载；大直径桩取s=（0.03~0.06）D（桩端直径）对应荷载；细长桩可取s=60~80mm对应荷载；为极限荷载 测出每根试桩的极限承载力值Qui，可通过统计确定单桩竖向极限承载力的标准值Quk。3、按土的物理指标与承载力参数之间的关系确定单桩竖向极限承载力标准值（1）根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系QUK=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkApQsk—单桩总极限侧阻力标准值Qpk—单桩总极限端阻力标准值对于大直径桩（d≥800㎜）按下式QUK=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp 二、单桩竖向承载力设计值《建筑桩基技术规范》对于桩数≤3根的桩基（1）基桩的竖向承载力设计值（2）根据静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值时，基桩的竖向承载力设计值 三、单桩抗拔承载力1、单桩抗拔承载力标准值（1）一级建筑物应通过现场单桩上拔静荷载试验确定（2）对于二、三级建筑物可用经验或按下式计算2、单桩抗拔承载力设计值（1）经验公式（2）《建筑桩基技术规范》公式 四、单桩水平承载力单桩的水平承载力取决于桩的材料强度、截面刚度、入土深度、桩测土质条件、桩顶水平位移允许值和桩顶嵌固情况等。五、桩身材料验算《规范》规定：桩身混凝土的抗压强度与钢筋的抗压强度分别计算进行叠加；同时考虑桩的长细比与压杆稳定问题。桩身材料强度的验算按下式计算：对于预制桩，还应进行运输、起吊和锤击等过程中的强度验算。 《建筑地基基础设计规范》的桩承载力计算六、单桩竖向承载力特征值的确定1、一般规定：（1）单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静荷载试验确定。在同一条件下的试桩数量不少于总桩数的1%，且不少于3根。（2）地基基础设计等级为丙级建筑物，可采用静力触探及标贯试验参数确定单桩竖向承载力特征值。（3）初步设计师单桩竖线创造力特征值可按土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定。 2、按静荷载试验确定根据单桩竖向静荷载试验的荷载~沉降（P~s）曲线确定桩的竖向极限承载力Pu。单桩竖向承载力特征值Pa=Pu/23、按土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向承载力特征值可按下式计算 七、群桩竖向承载力在实际工程中，除少量大直径桩基础外，一般多是群桩基础。竖向荷载下的群桩基础，各桩的承载力发挥和沉降性状往往与相同情况下的单桩有显著差别。群桩基础由基桩群与承台组成。1、群桩的工作特点对于群桩基础，作用于承台上的荷载实际上是由桩和地基土共同承担，由于承台、桩、地基土的相互作用情况不同，使桩端、桩侧阻力和地基土的阻力因桩基类型而异。 2、端承桩的荷载传递机理端承桩基础通过承台分配到各基桩桩顶荷载，由桩身直接传递到桩底，由桩底岩层支承。桩底压力分布面积较小，各桩的压力叠加作用较小。因此群桩中各基桩工作状态近同于单桩。群桩基础沉降量等于单桩沉降量。 3、摩擦桩的荷载传递机理（1）、间距小于6d的摩擦桩桩基础各单桩的承压面相互重叠，应力图形叠加，需考虑群桩间的相互影响，由于群桩共同作用，加大了承压面上的压力，加大了桩端地基中应力影响深度，故沉降量增大。群桩中每根桩承载力小于单桩承载力。（2）间距大于6d的摩擦桩桩基础因群桩中各桩端的承压面不会重叠，不必进行群桩承载力检算。 群桩效应系数群桩效应：群桩不同于单桩的工作性状所产生的效应。群桩效应系数柱桩：；摩擦桩群状效应系数与桩距、桩数、桩径、桩的入土长度、桩的排列、承台宽度基桩间土的性质等有关。 4、桩承台效应在传统的桩基设计中，考虑承台与地基土脱开，承台只其分配上部荷载至各桩并将桩联合成整体共同承担上部荷载的联系作用，即承台本身无承载能力。实际中桩基在荷载作用下，由桩和承台底地基土共同承担荷载，桩基承载力含有承台底的土阻力。承台底分担荷载的作用随桩群对于地基土乡下的唯一幅度的加大而增强。5、群桩承载力计算《建筑桩基技术规范》中对端承桩或桩数n=1~3的非端承桩不考虑群桩效应和承台效应。对桩数n＞3的非端承桩桩基需考虑群桩效应和承台效应。 八、桩的负摩阻力1、负摩阻力的概念（1）负摩阻力是桩侧土相对于桩作向下位移，而使土对桩产生向下作用的摩阻力。负摩阻力不能成为桩的承载力的一部分，而成为作用于桩上的外荷载。 （2）负摩阻力产生的条件桩穿越较厚的松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层，进入相对较硬土层时；桩周存在软弱土层，邻近桩的地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载、堆土时，使桩周土层发生沉降；由于降低地下水位，使桩周土中的有效应力增大，并产生显著的大面积土层压缩沉降。（3）中性点：桩截面沉降量与桩周土层沉降量相等点，桩与桩周土相对位移为零。负摩阻力与正摩阻力交界点无任何摩阻力。中性点处，桩所受的下拉荷载最大。 确定桩侧负摩阻力的大小，需要确定产生负摩阻力的深度及强度大小。桩身负摩阻力发生在桩周土相对于桩产生下沉的范围，它与桩周土的压缩、固结、桩身压缩及桩底沉降等有关。 桩周土层的固结随时间而变化，故土层的竖向位移和桩身截面位移都是时间的函数。因此在桩顶荷载作用下，中性点位置、摩阻力以及轴力等也都相应发生变化。当桩截面位移在桩顶荷载作用下稳定后，土层固结的程度和速率是影响桩身最大轴力（下拉荷载）大小和分布的主要因素。固结程度高、地面沉降大，中性点往下移；固结速率大，下拉荷载增长快。但下拉荷载的增长需经过一定时间才能达到极限值。在该过程中，桩身在下拉荷载作用下产生压缩，随着下拉荷载的产生和增大，桩端处轴力增加，沉降也相应增大，由此导致桩土相对位移减小，下拉荷载降低，而逐渐达到稳定状态。 2、中性点深度中性点深度应按桩周土层沉降与桩的沉降相等的条件确定，也可参考表8.19确定表8.19中性点深度3、单桩负摩阻力标准值单桩负摩阻力标准值可按下式计算桩侧总的负摩阻力（下拉荷载）为持力层性质黏性土、粉土中密以上砂土砾石、卵石基岩中性点深度比ln/l00.5~0.60.7~0.80.91.0 5、考虑负摩阻力基桩承载力验算（1）摩擦型基桩取桩身计算中性点以上侧阻力为零，按下式计算γ0N≤R（2）端承型基桩考虑下拉荷载时，按下式计算在桩基设计中，应尽量采取措施减小负摩阻力。可以在预制桩表面涂一薄层沥青，或对钢桩加一层厚3㎜的塑料薄膜，对现场灌注桩在桩与土之间灌注斑脱土浆等方法，来消除或降低负摩阻力影响。 8.4桩基础设计桩基础设计的目的是使作为支承上部结构的地基和基础结构必须具有足够的承载能力，其变形不超过上部结构安全和正常使用所允许的范围；作为传递荷载的结构，桩和承台还必须具有足够的强度、刚度和耐久性。*桩基础设计必须具备的资料：为了达到上述目的，桩基础设计时必须具备下列四个方面的基本资料。 1．岩土工程勘察资料1）岩土工程勘察报告和图件；2）岩土物理力学性质指标；3）对不良地质现象（如滑坡、崩塌、泥石流、岩溶和土洞等）有明确的判断、结论和防治方案；4）己有地下水位的测定和预测资料及地下水化学分析结论；5）现场或其他可供参考的试桩资料及附近类似桩基工程经验：6）按地震设防烈度提供的液化地层资料；7）有关地基土冻胀性、湿陷性、膨胀性的资料。 2．建筑场地与环境条件资料1）建筑场地的平面图，包括交通设施、高压架空线、地下管线和地下构筑物的分布；2）相邻建筑物的安全等级、结构特点、基础类型及埋置深度；3）水、电及有关建筑材料的供应条件；4）周围建筑物及市政设施的防振、防噪声要求；5）泥浆排泄及弃土条件。 3．建筑物资料1）建筑物总平面布置图；2）建筑物的结构类型、荷载及建筑物的使用或生产设备对基础竖向或水平位移要求：3）建筑物的重要性与安全等级：4）建筑物的抗震设防烈度及建筑抗震类别。4．施工条件资料桩基设计应充分考虑可能得到的施工条件，需要了解当地施工经验和设备状况：1）施工机械设备条件、制桩条件、动力条件以及对地质条件的适应性；2）施工机械设备的进出场条件及现场运行条件。 桩基础的设计方法概述桩基设计主要包括承载力设计和沉降验算两个方面。桩基承载力设计通过设置合理的桩长、桩径、桩数和桩位以保证桩基具有足够的强度和稳定性，沉降验算则为了防止过大变形引起建筑物的结构损坏或影响建筑物的正常使用。此外，桩身配筋和桩基的承台设计是桩基结构设计的内容，以保证桩基具有足够的结构强度，有时尚需进行桩身和承台的抗裂和裂缝宽度验算。 桩基础的设计过程：根据上部结构、地质、水文及荷载等出发资料，初步拟定承台标高和尺寸；桩的材料、直径、长度、桩数和平面上的布置，桩和承台的连接等。一、桩基础类型的选择1、承台底面高程或埋深的确定承台底面标高应根据桩的受力情况，桩的刚度和地形、地质、水流、施工等条件确定。承台低稳定性较好，但在水中施工难度较大。对于常年有流水、冲刷较深，或水位较高，施工排水困难，在受力条件允许时，应尽可能采用高桩承台。 2、端承型桩和摩擦型桩的考虑端承型桩与摩擦型桩的选择主要根据地质和受力情况确定。端承型桩基础承载力大，沉降量小，较为安全可靠，因此当基岩埋深较浅时应考虑采用。若适宜的岩层埋置较深或受到施工条件的限制不宜采用时，则可采用摩擦型桩，但在同一桩基础中不宜同时采用端承型桩和摩擦型桩，同时也不宜采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩，以避免桩基产生不均匀沉降或丧失稳定性。当采用端承型桩时，除桩底支承在基岩上（即柱承桩）外，还需将桩底端嵌入基岩中一定深度成为嵌岩桩，以增加桩基的稳定性和承载能力。为保证嵌者桩在横向荷载作用下的稳定性，需嵌入基岩的深度与桩嵌固处的内力及桩周岩石强度有关，应分别考虑弯矩和轴向力要求，由较大的来控。 3、选择桩的材料与施工方法根据当地材料供应、施工机具与技术水平、造价、工期及场地环境等具体情况，选择桩的材料与施工方法。二、确定桩的规格与单桩竖向承载力1、确定桩的规格（1）桩长一般应选择较坚实土层作为桩端持力层。桩端全断面进入持力层的深度：黏性土、粉土≥2d；砂土≥1.5d；碎石类土≥1d。桩顶嵌入承台，以此确定桩长。（2）桩的横截面积桩的横截面积根据桩顶荷载与当地施工机具及建筑经验确定。2、确定单桩竖向承载力 三、计算桩的数量进行平面布置1、桩数量估算（1）在《建筑桩基技术规范》（JGJ-94）设计时轴心竖向力作用时偏心竖向力作用时n—桩的数量F—作用于桩基承台顶面竖向力设计值G—承台及其上覆土自重R—单桩竖向承载力设计值U—桩基偏心受压系数，通常为1.1~1.2 （2）按《建筑地基基础设计规范》设计时轴心竖向力作用时偏心竖向力作用时2、桩的平面布置（1）桩的中心距通常桩的中心距宜取（3~4）d（桩径）。中心距过小，桩施工时相互挤土影响桩的质量；桩的中心距过大，则桩的承台尺寸太大，不经济。 （2）桩的平面布置尽量使桩群承载力合力点与长期荷载重心重合；并使桩基受水平力和力矩较大方向即承台的长边，有较大的截面模量。桩离承台边缘的净距应不小于1/2d。同一结构单元，宜采用相同类型桩基。同一基础相邻桩的桩底标高差，对于非嵌岩桩，不宜超过相邻桩的中心距；对于摩擦桩，在相同土层中不宜超过桩长的1/10。 四、桩基础验算1、单桩承载力验算（1）《建筑桩基技术规范》（JGJ-94）法中心荷载作用下要求每根桩实际承受的荷载不大于单桩竖向承载力设计值在偏心荷载作用下，还需满足 （2）《建筑地基基础设计规范》法在轴心竖向力作用下，群桩中单桩承载力要求不大于单桩竖向承载力特征值偏心竖向力作用下，还要满足下式2、桩基沉降当桩端持力层为软弱土的一、二级建筑桩基以及桩端持力层为黏性土、粉土或存在软弱下弱层的一级建筑桩基，应验算沉降。 五、桩承台设计1、桩承台的作用（1）把多根桩联结成整体，共同承受上部荷载；（2）把上部荷载通过承台传递到各桩桩顶；（3）承台为现浇钢筋混凝土结构，相当于一个浅基础。承台本身具有类似于浅基础的承载能力，即桩承台效应。2、承台分类（1）高桩承台：当桩顶位于地面以上相当高度的承台；（2）低桩承台：凡桩顶位于地面以下的桩承台，通常建筑物基础承重的桩承台都属于此类。低桩承台与浅基础一样，要求承台底面埋置于当地冻结深度以下。 3、承台的材料与施工（1）承台应采用钢筋混凝土材料，采用现场浇注施工；（2）承台的混凝土强度等级不低于C15；（3）承台配筋按计算确定。矩形承台不宜少于Φ8＠200，并应双向均匀配置受力钢筋；（4）钢筋保护层厚度不宜小于50mm。4、承台尺寸（1）承台平面尺寸应依据桩的平面布置，承台每边由桩外围外伸不小于d/2，承台的宽度不宜小于500mm；（2）承台厚度要保证桩顶嵌入承台，并防止桩的集中荷载造成承台的冲切破坏。5、承台的内力承台内力可按简化计算方法确定，并按《规范》进行局部受压、受冲切、受剪及受弯的强度计算。 8.5深基础一、沉井基础1、沉井基础的工作原理在深基础工程施工中，为了减少放坡大开挖的大量土方，并保证陡坡开挖边坡的稳定性，可采用沉井基础。沉井施工工序可分为就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及浇筑顶板。 2、沉井的用途（1）重型结构物基础（2）江河上的结构物（3）取水结构物（4）地下工程（5）临近建筑物的深基础。（6）房屋纠倾工作井。 ※沉井基础优点：整体性好、本身刚度大，具有较大的横向抗力，抗震性能可靠。1、上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，桥梁基础需要埋置较深，采用扩大基础开挖工作量大，支撑也困难，且在一定深度下有较好的持力层，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较为合理时。2、在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基础施工时。3、岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难时。南京长江大桥沉井底面尺寸：20.2m24.9m，穿过深度55米的覆盖层。 3、沉井类型沉井可按其平面形状、立面形状、建筑材料和下沉方法等特征进行分类。(一)、按平面形状可分为圆形、矩形、圆端形3种基本类型 (1)、圆形沉井：在斜交桥或水流方向不定的河流中，桥墩多作成圆形，与之相配合的沉井基础亦多取圆形。圆形沉井不仅受水流冲击影响小，而且受力比较有利。当四周作用的土压力和水压力均匀时，井壁仅有轴向压应力作用，不产生弯曲应力和剪应力，能充分利用混凝土抗压强度大的特点。在下沉过程中，便于控制均匀挖土，容易使刃脚均匀地支承在土层上，不易发生倾斜。 (2)、矩形沉井：制造简单、能充分利用地基承载力的特点，多与矩形墩台相配合。矩形沉井在水压力和土压力作用下，井壁将产生弯曲应力。为改善受力条件，可在井内设置隔墙，缩短井壁受弯跨度，减少弯曲应力。在下沉中，若用机械挖土，其四角不易控制，不易使刃脚均匀支承在土层上，因而容易发生倾斜。(3)、圆端形沉井：多与圆端形墩台配合，它兼有圆形和矩形沉井之特点。 套井承台钢筋、模板 第2节沉井抓斗挖土 第4节沉井抓泥下沉 （二）、按立面形状分为：柱形沉井：锥形沉井：为减少沉井下沉施工中外井壁的摩阻力阶梯式沉井：沉井所受土压力与水压力均随深度而增大。为合理利用材料，将沉井井壁随深度分为几段，做成阶梯状。又可减小外井壁摩阻力。（三）、按使用建筑材料分为：砖石沉井、素混凝土沉井、钢筋混凝土沉井和钢沉井；（四）、按下沉方法分为：就地制作沉井和浮运沉井。 4、沉井的结构沉井的结构包括：刃脚、井筒、内隔墙、底梁、封底与顶盖等。（1）刃脚与踏面刃脚作用是在沉井自重作用下易于切土下沉。刃脚底面(踏面)宽度不小于15cm，对软土可适当放宽。下沉深度大，且土质较硬，刃脚底面应以型钢(角钢或槽钢)加强，以防刃脚损坏。刃脚内侧斜面与水平面的夹角通常为40°~60°。 （2）井筒井筒是沉井的主体部分。在下沉过程中起挡土、挡水及利用本身重量克服土与井壁之间的摩阻力。沉井施工完毕后，它就成为基础或基础的一部分而将上部荷载传到地基。根据井壁在施工中的受力情况，在井壁内配置竖向及水平向钢筋，以增加井壁强度。井壁厚度按下沉需要的自重、本身强度以及便于取土和清基等因素而定。井筒内部空间，是挖土排土的工作场所和通道。井筒内径不宜小于0.9m。 （3）内隔墙和底梁沉井长度尺寸较大，应在沉井内设置隔墙，以加强沉井的刚度，使井壁的挠曲应力减小。隔墙底面应高出刃脚底面0.5m以上，避免隔墙下的土顶往沉井而妨碍下沉。内隔墙把整个沉井分成若干井孔，各井孔分别挖土，便于控制沉降和纠倾处理。也有在内隔墙下部设底梁或单独做底梁。（4）封底与沉井底板沉井沉至设计高程进行清基后，便浇筑封底混凝土。以阻止地下水和地基土进入井筒。为使封底混凝土与井筒联结牢固，在刃脚上方井筒内壁预设一圈凹槽。（5）顶盖沉井为空心沉井时，在沉井顶部需做钢筋混凝土顶盖。 5、沉井的施工（1）准备工作平整场地：天然地面土质较好，只需将地面杂物清掉整平地面，就可在其上制造沉井。土质松软，应整平夯实或换土夯实。放线定位：（2）沉井制作承垫木法：在经过平整、放线定位的场地上铺一层砂垫层，厚0.5m左右。在砂垫层上于刃脚部位，对称、成对地安置适当的承垫木。再在垫木之间填实砂土，然后按设计的尺寸立模板、绑扎钢筋、浇注第一节沉井。 无垫木法：在均匀土层上，浇筑一层与沉井井壁等厚的混凝土，代替承垫木和砂垫层。土模法：对均匀的粘性土在定位放线的刃脚部位，按照设计尺寸开挖基槽，用地基粘性土作为天然模板，代替砂垫层、承垫木及人工制作刃脚木模。 浇注沉井混凝土时，应对称和均匀地进行，以防止沉井发生倾斜。混凝土达到设计强度的70％时可拆除模板，强度达设计强度后才能抽撤垫木。抽撤垫木应按一定的顺序进行，以免引起沉井开裂、移动或倾斜。其顺序是：撤除内隔墙下的垫木再撤沉井短边下的垫木，最后撤长边下的垫木。拆长边下的垫木时，以定位垫木(最后抽撤的垫木)为中心，对称地由远到近拆除，最后拆除定位垫木。注意在抽垫木过程中，抽除一根垫；应立即用砂回填进去并捣实。沉井制作的总高度不宜超过沉井短边或直径的尺度，并不应超过12m。 （3）沉井下沉沉井下沉施工可分为排水下沉和不排水下沉。接高沉井：第一节沉井顶面下沉至距地面还剩1～2m时，停止挖土，接筑第二节沉井。接筑前应使第一节沉井位置正直，立模浇筑混凝土。待混凝土强度达设计要求后再拆模继续挖土下沉。筑井顶围堰：如沉井顶面低于地面或水面，应在沉井上接筑围堰，围堰的平面尺寸略小于沉井，其下端与井顶上预埋锚杆相连。围堰是临时性的，待墩台身出水后可拆除。 地基检验和处理：沉井沉至设计高程后，应进行基底检验。检验内容是地基土质是否和设计相符?是否平整?并对地基进行必要的处理。地基为砂土或黏性土，可在其上铺一层砾石或碎石至刃脚底面以上200mm。地基为风化岩石，应将风化岩层凿掉，岩层倾斜时，应凿成阶梯形。若岩层与刃脚间局部有不大的孔洞，清除软层并用水泥砂浆封堵，待砂浆有—定强度后再抽水清基。总之要保证井底地基尽量平整，浮土及软土清除干净，以保证封底混凝土、沉井及地基紧密连接。封底、充填井孔及浇筑顶盖：地基经检验及处理合乎要求后，应立即进行封底。待混凝土达设计强度后，再抽干井孔中的水，填筑井内圬工。井孔中不填料或仅填以砾石，则井顶面应浇筑钢筋混凝土顶盖，以支撑上部建筑物。 沉井在下沉过程中可能会出现各种问题：如遇到大块石、残留基础或大树根等障碍物阻碍下沉；穿过地下水位以下的细、粉砂层时，大量砂土涌入井内，使沉井倾斜；这些都会对施工造成很大困难，甚至工作无法进行。因此对于准备用沉井法施工的场地，必须事先作好地基勘探工作，并对可能发生的问题事先加以预防。当问题发生时，要及时采取措施进行处理。 6、沉井设计（1）沉井高度：沉井底面标高，根据沉井用途、荷载大小，结合地基土层分布、性质和地基承载力确定。沉井顶面一般要求埋入地面以下0.2米，或在地下水位以上0.5米，沉井顶面与底面标高之差即为沉井高度。（2）沉井的平面形状与尺寸沉井平面形状：根据上部结构物的平面形状和使用要求确定。沉井顶面尺寸：应比上部结构底面略大，每边至少留20㎝的富余，以适应沉井下沉过程中可能发生的少量偏差。沉井的井壁厚度：沉井井壁的厚度，根据强度要求和沉井自重要求，经计算确定。一般大中型沉井井壁厚度为0.5~1.0m，小型沉井井壁厚度可采用0.3~0.4m。大型沉井内隔墙厚度常取0.5m。 （3）地基承载力计算沉井作为建筑物的深基础，应验算地基承载力N——沉井顶面上部荷载G——沉井自重f——沉井底部地基承载力设计值A——沉井底部面积up——沉井周长fsi——各土层对井壁的摩擦力hi——沉井高度范围内各土层厚度。 （4）沉井自重验算为保证沉井施工时顺利下沉，必须G>RfG—沉井自重（不排水下沉需扣除浮力）（KN）；Rf—土对井壁的总摩阻力。当不能满足要求时，可选择：加大井壁厚度或调整取土井尺寸；不排水下沉，则下沉到一定深度后可采用排水下沉；增加附加荷载或射水助沉；采用泥浆润滑或空气幕法等措施。 二、地下连续墙1、概述地下连续墙的施工要点是：修筑导墙，用机械在导墙内分段竖直挖槽，采用泥浆护壁，就地吊放钢筋笼，水下浇注混凝土，一段段连成一堵地下钢筋混凝土连续墙，成为永久性深基础工程。地下连续墙的优点：施工期间不需降水，不需挡土护坡，不需立模板与支撑，把施工护坡与永久性工程融为一体。可避免开挖大量土方，可缩短工期，降低造价。在城市密集建筑群中修建深基础时，为防止对邻近建筑物安全稳定的影响，地下连续墙更显示了它的优越性。 2、地下连续墙的设计与施工地下连续墙的成墙深度由使用要求决定，大都在50m以内，墙宽与墙体的深度以及受力情况有关，目前常用600㎜及800㎜两种，特殊情况下也有400㎜及1200㎜的薄型及厚型地下连续墙。地下连续墙的施工工序为：（1）修筑导墙：沿设计轴线两侧开挖导沟，修筑钢筋混凝土（钢、木）导墙，以供成槽机械钻进导向、维护表土和保持泥浆稳定液面。导墙内壁面之间的净空应比地下连续墙设计厚度加宽40~60㎜，埋深一般为1~2m，墙厚0.1~0.2m。 （2）制备泥浆：泥浆以膨胀土或细粒土在现场加水搅拌制成，用以平衡侧向地下水压力和土压力，保护槽壁不致坍塌，并起到携渣、防渗等作用。泥浆液面应保持高出地下水位0.5~1.0m，比重（1.05~1.10）应大于地下水的比重。其浓度、黏度、pH值、含水量、泥皮厚度以及胶体绿等多项指标应严格控制并随时测定、调整，以保证其稳定性。（3）成槽：成槽是地下连续墙施工中最主要的工序，对于不同土质条件和槽壁深度应采用不同的成槽机具开挖槽段。采用多头钻机开槽，每段槽孔长度可取6~8m，采用抓斗或冲击钻机成槽，每段长度可更大。墙体深度可达几十米。 （4）槽段的连接：地下连续墙各单元槽段之间靠接头连接。接头通常要满足受力和防渗要求，并施工简单。目前使用最多的接头形式是用接头管连接的非刚性接头。在单元槽段内土体被挖除后，在槽段的一端先吊放钢筋笼，浇注混凝土，然后逐渐将接头管拔出，形成半圆形接头。