桩基工程新进展高大钊

'桩基工程新进展同济大学高大钊2007年8月武汉 内容一些桩基工程事故案例若干特殊桩型的承载性状桩基设计的一些新进展有关桩基技术的规范发展对比分析 桩基础是应用比较广泛的一种基础类型，也是最古老的基础之一。桩是将建筑物的荷载（竖向的和水平的）全部或部分传递给地基土（或岩层）的具有一定刚度和抗弯能力的传力构件，桩基础一般由承台将若干根桩的顶部联结成整体，以共同承受荷载的一种深基础。 今天桩基础已成为高层建筑、大型桥梁、深水码头和海洋石油平台等工程最常用的基础形式。在施工技术进步、桩型开发应用和设计理论研究等各方面至今仍然异常活跃，显示出桩基础具有强大的生命力和非常广阔的发展前景。 桩基础分为高桩承台和低桩承台两大类： 在框架结构的柱下,通常在承台下设置若干根桩，构成独立承台的桩基础或一柱一桩基础；当荷载较大时，在框架柱列之间常联以基础梁，沿梁的轴线方向布置排桩，构成梁式的承台桩基础；上部为剪力墙结构，则可在墙下设置排桩，但因桩径一般大于剪力墙厚度，故需要设置构造性的过渡梁； 若在筏板承台下布桩，如果桩数不多，可按柱网轴线布置，使板不承受桩的冲剪作用，只承受水的浮力和有限的土反力；如荷载比较大需要布桩较多时，沿轴线布置桩可能有困难，则可以在筏板下满堂布桩；采用箱形基础时，可满堂布桩，或按柱网轴线布桩。 桩具有多种独特的功能通过桩的侧面和土的接触，将荷载传递给桩周土体；或者将荷载传给深层的岩层、砂层或坚硬的粘土层；从而获得很大的承载能力以支承重型建筑物；对于液化的地基，为了在地震时仍保持建筑物的安全，通过桩穿过液化土层，将荷载传给稳定的不液化土层； 桩基具有很大的竖向刚度，因而采用桩基础的建筑物，沉降比较小，而且比较均匀，可以满足对沉降要求特别高的上部结构的安全需要和使用要求;桩具有很大的侧向刚度和抗拔能力，能抵抗台风和地震引起的巨大水平力、上拔力和倾覆力矩，保持高耸结构物和高层建筑的安全；改变地基基础的动力特性，提高地基基础的自振频率，减小振幅，保证机械设备的正常运转。 但桩并不是万能的，各种桩型都有其适用条件，使用不当，或者没有掌握桩基设计的关键技术，也会产生工程事故。从下面的一些工程案例中，可以得到哪些教训呢？ 一些桩基工程事故案例 某18层采用桩基础的住宅楼，因群桩失稳而爆破拆除的案例采用桩基的高层建筑倾斜超标事故案例某高层建筑群的预制桩大比例浮桩、断桩，采取注浆加固的案例某综合楼管桩基础，因持力层顶面标高变化过大，造成沉桩困难或承载力不满足设计要求的案例 采用桩基的高层建筑整体爆破拆除 某栋新建的18层住宅楼，在结构封顶以后由于建筑物桩基整体失稳，导致该楼发生严重倾斜，其顶端倾斜的水平位移达2884mm。为根除工程质量隐患，在采取工程补救措施无效后，对该楼实施整体定向爆破拆除。成为桩基严重事故的第一例。 建筑物体型为十字形的点式楼，基础底面积约800m2，地上18层，地下1层，总高度56.6m，钢筋混凝土剪力墙结构，基础采用夯扩桩基础，设计桩径480mm，施工桩长16～20m，桩端持力层粉细砂，桩端进入持力层约0.8m。工程于1995年1月进行桩基施工，共完成336根夯扩桩。1995年4月初开始开挖基坑土方，9月中旬完成主体工程结构封顶，11月底完成室外装修和部分室内装修。 地貌属长江一级阶地，地势平坦，表层填土，其下为9.4~14.4m的厚层淤泥及2.2～2.4m的淤泥质粘土，再下为稍密～中密的粉细砂。在这样的地质条件下，能否采用夯扩桩呢？当年，正是夯扩桩风行的年代，这个案例给了最好的说明。 事故概况：1995年12月3日，突然发现建筑物向东北方向明显倾斜。建筑物顶端的水平位移470mm，在东北方向的沉降量55mm，而西南方向仅沉5mm。 采取抢救措施，在沉降量小的一侧加载500吨，在沉降量大的一侧挖土卸载，还进行了粉喷桩和注浆加固，并打了7根锚杆静压桩。建筑物在12月21日突然转向西北方向倾斜，至12月25日，建筑物顶端的水平位移已达2884mm，整栋建筑物的重心偏移了1442mm。决定于12月26日爆破拆除。 事故原因分析：1.桩型用错了，在厚层淤泥中不能采用夯扩桩，把土层的结构都破坏了，将工程桩挤歪了。2.基坑开挖时，桩发生偏移。3.桩的倾斜检测数据错了，小数点错了一位。4.底板的标高抬高，在倾斜的桩上接长，形成偏心的桩轴力。5.形成了不稳定的机动体系。 采用桩基的高层建筑倾斜超标事故 建筑物基本资料两幢24层的办公大楼，共用一个筏板基础，筏板基础平面面积1692m2，筏板厚2m，埋深5m，选用0.45m×0.45m×28m预制钢筋混凝土方桩。桩端持力层为砂质粉土夹粉砂，Es＝11MPa。1#楼平面面积为27m×24m，桩数256根；2#楼平面面积为37m×21m，桩数248根。 1993年12月开始压桩，到1994年6月完成504根桩的压桩，其中141根桩未压到设计标高而截短0.5m～1.5m。其中，1#楼截桩61根，占23.8％；2#楼截桩80根，占32.2％。1995年11月结构封顶，沉降基本保持均匀沉降，平均沉降速率1#楼0.170mm/d，2#楼0.201mm/d；1996年6月，沉降大增，平均沉降速率1#楼0.358mm/d，2#楼0.415mm/d， 倾斜：1#楼1.5‰，2#楼1.9‰，沉降已为结构到顶时的2~3倍；其间，屋顶水箱注水，地下室浇注0.8m厚的混凝土，1#楼从1.5‰发展至1.8‰、2.2‰；2#楼从1.9‰发展至2.3‰、2.9‰。至1999年1月，观测到最大沉降达305.4mm，最大沉降速率为0.177mm/d，最大倾斜为4.20‰。 原因分析1.分别计算沉降，1#楼最终沉降304mm，2#楼最终沉降266mm；2.共用桩筏基础计算沉降，最终沉降480mm；3.截桩的影响。 高层建筑群大比例浮桩事故 软土地区的一个住宅小区，有7幢高层建筑的预制桩产生浮桩，在接桩部位拉断，拉断的比例很高。复打时的下沉量很大。 本项目的断桩具有如下特点：（1）断桩的比例高，而且呈集中成片地出现；（2）每幢建筑物最后一批施工的桩基本上都没有出现断桩现象；（3）边桩在较大的挤压力作用下，向外侧发生较大偏位；（4）3＃、9＃、13＃楼桩基采用同样的施工方法，但为了保护河岸而采取较慢的施工速度，结果未出现断桩问题。 采用注浆补强措施，在已经浇筑的底板上钻了1800个注浆孔。注浆材料采用32.5级普通硅酸盐水泥浆，水灰比0.5，掺入0.2％的木质素磺酸钙，使浆液具有早强性能。注浆压力取0.3Mpa，上部注浆压力取0.2Mpa，流量控制在15L/min左右。注浆时应对边同时以相同的压力，相同的提升速度对称注浆。化了200万处理的费用，工期延长了半年。 用静力触探检测加固效果，要求比贯入阻力提高50％。 原因分析：1.设计方面的问题：采用400400mm的预制桩，桩的截面过大，桩的截面面积之和与基底面积之比大于3.0％，挤土效应严重。2.施工的问题：打桩速度过快，一天沉桩数量大于15套，最多时到20套，接头焊接时间过短。3.桩的质量问题：接头处的连接钢板采用旧钢板，型号不一，与焊条型号无法配合。4.建设方在选择设计单位、工程管理和采购方面的过失。 综合楼桩基工程施工质量事故 综合楼为框架结构，桩基础，主体建筑地上八层，地下一层，建筑面积8000m2。设计桩型为预应力管桩。地下室部位的桩径采用600mm，单桩承载力设计值为1100kN；边跨的桩径采用400mm，单桩承载力设计值为600kN。600mm的桩长分别采用11m、13m和15m。 预制桩用于持力层起伏很大地质条件的问题承载力不满足设计要求桩打不到设计标高 桩布置于独立承台下，承台下的桩数一般为五～七桩。压桩施工过程中由施工单位提出，经设计单位同意，改变了61根桩的长度，其中30根桩增加1m，22根减少2m，9根减少3m。经检测单位检测了3根桩，其中，600mm直径的桩检测了2根，109#符合设计要求；88#桩不符合要求；400mm直径的桩检测了181#桩不符合设计要求。 认为是浮桩，采取复打措施。对复打以后的桩检测了2根，其中70#桩符合设计要求，92#桩不符合要求。复打以后在桩身发现裂缝，对裂缝进行了处理。采用补桩的措施，补了9根冲抓桩。桩基工程自2001年6月27日开始至2002年5月17日最后一次检测结束，历时350天，接近一整年。 引发本案的主要原因是桩基工程的施工时间从一个月左右拖到接近一年的时间，影响了这个建筑物的后续施工和整个工期。 静压法施工中，最终压力与入土深度的关系，不同位置的桩的实际桩顶标高的起伏与持力层顶面标高起伏的密切相关性，说明达不到设计深度的原因是地层的起伏；勘察单位没有加密勘探孔，没有采用静力触探探明持力层顶面标高的起伏；在这样的地层条件下，采用预制桩的方案是错误的，必然造成压桩施工时桩顶标高的失控； 场地下卧基岩面起伏很大，采用了PHC桩，尽管按照勘察报告的剖面采用了几种不同的桩长，但还是发生很多桩打不到设计标高，有的桩承载力达不到要求的数值，耽搁了工期，造成了烂尾的工程和法律诉讼。教训：没有根据地质条件选择合适的桩型，PHC桩用得不是地方。 若干特殊桩型的承载性状 灌注桩的后注浆技术嵌岩桩静力压桩钢管混凝土桩 灌注桩的后注浆技术 后注浆技术是在灌注桩浇注混凝土以后，通过预埋的管子将水泥砂浆注入桩端以下，以挤压桩底的沉渣，压密桩端土层，从而提高端承力，也可以将水泥砂浆注入桩侧土层中以提高桩侧摩阻力的一种技术。 根据注浆的目的，可以分成如下不同的注浆类型：1）桩端注浆2）桩侧注浆3）复式注浆4)压浆修补桩的缺损部位新版《建筑桩基技术规范》将灌注桩后注浆纳入规范，规定了施工的要求和设计参数的取法。 规范关于后注浆工艺的规定后注浆装置的设置浆液水灰比注浆终止压力单桩注浆量注浆顺序终止注浆的条件 后注浆装置的设置：1.后注浆导管应采用钢管，与钢筋笼加劲筋绑扎固定或焊接；2.注浆导管数量，直径小于1200mm的用2根，1200～2500mm的用3根；3.桩长超过15m，且对承载力增幅要求较高时，采用桩端桩侧复式注浆；4.桩侧后注浆管阀的设置应结合地层情况、桩长和承载力增幅要求等因素确定，可在桩端5~15m以上，桩顶8m以下，每隔6~12m设置一道注浆阀。 浆液水灰比根据饱和度和渗透性确定：饱和土：0.45~0.65非饱和土：0.7~0.9松散碎石土、砂砾：0.5~0.6注浆终止压力根据土层性质及注浆点的深度确定：风化岩、非饱和粘性土、粉土：3～10MPa；饱和土层：1.2~4MPa。 单桩注浆量设计时应考虑桩径、桩长、桩端桩侧土层性质、单桩承载力增幅及是否复式注浆等因素确定：－注浆量经验系数n－桩侧注浆断面数注浆量以水泥质量计（t） 注浆顺序：饱和土中，先桩侧后桩端；非饱和土中，先桩端后桩侧；桩侧桩端注浆间隔时间不宜小于2小时。成桩后两天才可以注浆；注浆作业点距其他成孔作业点的距离不宜小于8~10m。 终止注浆的条件：1.注浆总量和注浆压力已达到设计要求；2.注浆总量已达到设计值的75％，且注浆压力超过设计值；检测条件：在注浆后20天进行；掺入早强剂的可在注浆后15天进行检测。 后压浆具有如下的作用：1）胶结孔底沉渣，提高单桩承载力，消除桩的过大沉降；2）增强桩身混凝土与桩侧土的结合，提高侧摩阻力；3）修补桩身缺陷部位，保证设计承载力；减少桩基的不均匀沉降。 根据一些试验的结果，认为后压浆处理后可以达到比较好的效果，对细粒土中的桩，单桩承载力可提高30％～70％；对粗粒土中的桩，增幅可达60％～120％。压浆后的侧摩阻效应表现为侧摩阻力提高和桩侧土的剪切刚度提高；从而使摩阻力充分发挥时的位移值移后，这就意味着桩的韧性增大。 桩端条件对试桩曲线的影响 压浆对侧摩阻力的影响 常规桩的曲线 压浆桩的曲线 1）在事故处理、补强中的应用；单桩承载力不足时的补强；此时只能在桩体外下管注浆。2）设计时承载力不能满足要求，事先在桩体中预设压浆管的加强措施。后压浆技术推广应用中的问题主要是如何控制压浆的均匀性和如何实现注浆的技术要求。压浆后单桩承载力的提高幅度与压浆工艺密切相关，而均匀性和稳定性是在工程中应用的关键； 后压浆技术推广应用中的问题主要是如何控制压浆的均匀性和如何实现注浆的技术要求。压浆后单桩承载力的提高幅度与压浆工艺密切相关，而均匀性和稳定性是在工程中应用的关键；标准化将有助于这一技术的推广应用。 后注浆增强系数 后注浆增强系数系通过数十根不同土层中的后注浆桩与普通桩的静载对比试验求得。其侧阻和端阻增强系数不同，而且变化很大。总的变化规律是：端阻的增幅高于侧阻，粗拉土的增幅高于细粒土，桩端、桩侧复式注浆高于单一注浆。根据北京、上海、天津、河南、山东、西安、武汉、福州等地106份资料验证。 嵌岩桩 嵌岩桩是在端承桩的基础上发展起来的，在基岩埋藏深度不深的地区，常将桩嵌入基岩一定的深度，在计算嵌岩桩承载力时，过去常忽略覆盖层的侧阻力，将嵌岩桩作为直接传递荷载给基岩的受压柱看待，荷载全部由桩端承担。但是，大量实测资料表明，嵌岩桩的端阻力与侧阻力之比并不接近于1.0，如嵌岩桩端超过5倍桩径后，端阻力反而趋近于零，但嵌岩桩又显然不同于摩擦桩。 嵌岩桩可采用机械钻孔或人工挖孔方法成孔，将桩嵌入岩体内一定的深度。嵌岩部分的嵌固力是嵌岩桩的承载力高于端承桩的主要原因，是研究嵌岩桩的核心问题。嵌入基岩部分的桩与基岩的相互作用比较复杂，嵌岩段的嵌固力与底部的端阻力发挥的过程是不同的。实测资料说明，当嵌岩深度为3倍桩径时，桩的嵌固力与端阻力可以得到很好的配合，嵌固力占总承载力的75%以上，可以用最少的工程量获得最佳的承载效果，因此称为最佳嵌岩深度。 在嵌岩桩承载力计算时，如何考虑桩侧摩阻力是一个有争议的问题。一种意见认为嵌岩桩的端阻力很小，构成嵌岩桩承载力的主要是侧摩阻力，认为嵌岩桩是摩擦桩；另一种意见认为桩侧土的摩阻力在总承载力中所占的比例较小，一般不超过10%左右，在大约10m厚的土层中，桩侧土的摩阻力所占的比例更低，因此没有必要计入。 上述分歧的主要原因一是所依据的资料代表性不同，二是对桩侧摩阻力的理解不同，如将嵌岩部分的阻力定义为嵌固力而不是摩阻力，则将摩阻力限制在覆盖层土的作用，则土的摩阻力所占的比例就不一定很高，也不会将嵌岩桩作为摩擦桩来研究，两种意见也就可以统一。 嵌岩桩的端阻力在总承载力中所占的比例不高这是已为大量实测阻力所证明了的，也是得到公认的事实。但分析的角度不同，得到的观点也会有差异。根据国内外150根嵌岩桩的实测资料（其中国内39根，国外111根；无覆盖层20根，有覆盖层130根，长度L=3.0～55.0m，直径d=0.5～8.0m，L/d=1～63.7），给出了嵌岩桩在竖向荷载下端阻分担荷载比与桩的长径比之间的关系。 当L/d从1增加至20时，Qp/Qu自100%随L/d增大而递减至大约30%；当L/d从20增大至63.7时，Qp/Qu一般不会超过30％，其中大部分桩的Qp/Qu在20％以下，不少桩在5％以下。与此相对应，桩的侧阻力（严格地说应包括侧阻力和嵌固力）大约在L/d10～20时开始起主要作用，随L/d增大而增大，Qs/Qu一般保持在70％以上，大部分在以上80%，不少桩在95%以上。 嵌岩桩的长度也越来越长，长径比越来越大，嵌岩桩的性状离端承桩也越来越远；嵌入基岩部分的桩与基岩的相互作用比较复杂，嵌岩段的侧阻力与底部的端阻力发挥的过程是不同的。嵌岩桩的端阻力在总承载力中所占的比例不高这是已为大量实测阻力所证明了的，也是得到公认的事实。 包括嵌固力在内的侧阻力占很大比例的原因有三点:1)较长的桩受荷后桩身的弹性压缩量比较大，桩土之间相对位移也比较大，足以使侧阻得以发挥；2)由于施工工艺的限制，桩底沉渣很难清除干净，桩愈长，沉渣愈难清除，沉渣的压实使桩身位移，提供了侧阻发挥的条件；3)由于岩石与桩的连接是脆性的，在比较小的位移条件下嵌固段的阻力就可以达到峰值，而且先于土的侧阻力得到发挥，嵌固深度愈深，端阻力的比例愈低。 嵌岩桩的承载性状通过对比试验和对桩端阻力所占比例的分析可以得到嵌岩桩不一定是端承桩的概念，从而改变了人们对嵌岩桩承载性状的认识；其实质是认识嵌岩桩的侧阻力的存在和作用的问题，也是研究侧阻力的发挥条件的问题。 嵌岩桩与非嵌岩桩的试验结果A2和A3进入中风化泥岩2.2m，B3和B4进入中风化泥岩0.4m。 桩身轴力随深度变化曲线比较 嵌岩与非嵌岩桩的荷载传递规律惊人地相似增加了桩长，嵌入了岩石，但承载力并没有显著提高；桩身轴力随深度明显地减小；说明侧摩阻力得到了比较充分地发挥；嵌岩与不嵌岩的条件并不影响侧阻力的发挥； 进入新鲜岩石和强风化岩的比较 嵌入新鲜岩石和强风化岩石的桩的荷载传递规律也惊人地相似；嵌入强风化岩5d，d＝0.6m；嵌入风化泥质砂岩3.7m、新鲜泥质砂岩2.0m，d＝1.0m；两者的轴力都随深度递减；其端阻力都比较小； 嵌岩桩荷载传递的特点1.大量资料表明，桩的侧阻力和端阻力之比都超过了60％，大部分在80％以上；2.桩侧阻力的分担比例随长径比（l/d）的增大而增大；3.当桩的长径比较大（l/d35），而覆盖层又不太软弱的情况下，端阻力分担荷载的比例很小（<5％），且桩的破坏常因桩身破坏而引起。 嵌岩桩侧阻力的发挥侧摩阻力在几个毫米时就可以发挥；桩身的压缩量很容易达到毫米级，就足以发挥侧摩阻力；因此，荷载是从桩顶依次向下传递；桩顶的荷载大部分被侧阻力所平衡；传给桩端的荷载就剩下不多了。 嵌岩段的侧阻力嵌岩段的侧阻力是构成嵌岩桩竖向承载力的重要因素；嵌岩段的侧阻力在很小的相对位移时就能被调动起来；嵌岩段的侧阻力与桩－嵌岩段岩石之间的粗糙程度有关。 嵌岩段粗糙程度比较A3桩，直径315mm，砂岩，7.5mm槽；S3桩，直径1170mm，泥岩，粗糙嵌岩段；S12桩，直径335mm，泥岩，3mm蚀坑；C2桩，直径160mm，砂岩，光滑嵌岩段。 嵌岩段粗糙程度对侧阻的影响 嵌岩段侧阻发挥的相对位移条件 嵌岩深度与端阻的关系嵌岩桩的端阻与桩的极限承载力之比随嵌岩深度与桩的半径之比增大而急剧减小；桩嵌岩越深，端阻的贡献越小；与一般的观念正好相反。 嵌岩桩承载力的组成嵌岩桩的承载力由3个部分组成，即土层的侧阻力、端阻力和嵌岩段的侧阻力； 端阻力和嵌岩段的侧阻力都和岩石的饱和单轴抗压强度建立联系，用经验的计算系数表示。 深径比的影响94版《建筑桩基技术规范》侧阻力与深径比的关系不大；随着深径比的增大，端阻力急剧地减小。 新版《建筑桩基技术规范》：按岩石的软硬分别给出系数；侧阻力与深径比的关系不大；随着深径比的增大，端阻力减小；比较两本规范的数值，存在较大的差别。 嵌岩桩突然破坏的原因灌注型的嵌岩桩在静载荷试验时，有时发生突然破坏的现象；其原因主要是由于嵌岩段侧阻的脆性破坏所引起的； 嵌岩桩的设置灌注桩和预制桩都可以嵌岩；但不同的桩型，嵌岩的工艺是不同的；在基岩起伏比较大的场地，用预制桩作嵌岩桩，很难控制桩长；尤其是预应力管桩，截桩会造成预应力的破坏，需要加以处理。 灌注型嵌岩桩 预制型嵌岩桩 静力压桩 静力压桩法是以设备本身自重（包括配重）作反力，液压驱动，用静压力将桩压入地基土中的一种沉桩工艺。这种施工工艺具有无震动、无噪声、无污染、无冲击力和施工应力小等特点。有利于沉桩震动对邻近建筑物和精密设备的影响，避免对桩头的冲击损坏，降低用钢量。在沉桩过程中还可以测定沉桩阻力，为设计和施工提供参数，预估和验证单桩极限承载力，检验桩的工程质量。 近年来，由于大吨位压桩机的出现，提高了静力压桩法施工的适用范围，能将长桩压入砂层，可适用于对单桩极限承载力设计要求超过5000kN的超高层建筑。例如在上海地区，曾使用800t压桩机，将0.50m×0.50m×38.5m的预制方桩压进中密砂层（此层的静力触探比贯入阻力为12.5MPa）2.4m，至设计标高时的压桩阻力为4778kN～5868kN，静载荷试验测定的单桩极限承载力为6750kN。 压桩的优缺点静力压桩的优点是没有噪声、没有震动，不会对环境造成危害；但静力压桩需要大量的配重，对场地的要求比较高，如果场地土非常软弱，无法承受配重的过大压力，就不能采用；静力压桩的挤土作用还是相当大的，孔隙水压力比较高，采用静力压桩的建筑物，其沉降一般偏大。 压桩的适用条件1.土层的性质高压缩性土和砂性较轻的软粘土层2.设备能力桩的极限承载力与压桩阻力之间的关系3.周边的环境条件 静力压桩方案成立的前提能否将桩压到预定的深度？关注压桩阻力与设备的能力；压桩阻力与单桩承载力之间存在什么样的关系？能否用压桩阻力来估计承载力？能否用地层的静力触探数据来估计压桩阻力以选择压桩设备？ 压桩阻力的性质静力压桩施工过程中可以得到每根桩的压桩阻力，对判定桩的承载力和桩身质量是最直接的依据；但是，压桩阻力不等于桩的承载力；压桩阻力所反映的是桩体压入土中所需要克服的动阻力；是桩尖贯穿端部土层时的冲剪力。 压桩阻力与桩端土的类别和性质直接有关；又与桩长、桩距及桩群大小等因素有关；在粘性土中，压桩过程中的阻力最小，经过休息，土的强度逐渐恢复与增长，因此，承载力通常显著地高于压桩阻力；粉砂就相反，压桩时急剧升高的孔隙水压力夸大了桩的阻力，经过休息，孔隙水压力消散，端阻力下降，桩的承载力常会低于压桩阻力。 压桩经验的地方性特别强；各地的经验大致的趋势是相似的；但存在许多差别，与各地的地质条件及技术条件的不同有关；还缺少地方技术标准；更没有全国性的技术标准。 广东的经验利用终止压力估计极限承载力值的范围桩长小于14m，0.60～0.8014m至21m，0.80～1.00大于21m，1.00～1.20 上海的经验根据已有的估计单桩承载力来估计压桩阻力研究压桩阻力与承载力的关系 侧阻力 灵敏度对压桩阻力的影响灵敏度越大的土，压桩阻力越小；这是因为灵敏度越大，土的结构性越强，压桩时土的强度降低得越多；从灵敏度来估计压桩的侧阻力。 侧阻力修正系数研究深度的影响粘性土：＝1.0砂土： 端阻力修正系数 西安的经验利用静力触探估计压桩终止阻力Pe－kNPs－MPa适用于20m以内 利用压桩终止阻力Pe估计单桩极限承载力： 根据沉桩能量估计容许承载力压桩所需的能量为桩的有效长度与每米终压力的平均值乘积 终压力值与容许承载力＝0.511～0.696 管桩压桩阻力的研究1.静力触探贯入过程与压桩贯入过程的比拟研究；2.从土塞的高度研究压桩阻力的有关信息。 管桩的土塞上海宝山钢铁总厂于1978年做过7组钢筋混凝土管桩和3组钢管桩的的静载荷试验，研究了桩径、桩端的闭塞效应、土塞效应对管桩承载机理的影响。 管桩压桩阻力与土塞高度管桩在压桩过程中，内部形成土塞并逐步升高，压桩阻力随之增大；土塞所形成的“闭塞效应”是影响压桩阻力的重要因素；通过对土塞形成机理的研究，了解压桩阻力形成与变化的规律。 PHC桩沉桩时与土体的相互作用开口管桩沉桩时产生土塞，减少了向外的挤土，土塞上升过程中与内壁的摩擦使土塞压缩，最终平衡而终止上升，土塞对挤土作用和最终的承载力有重要的影响。 当最终平衡而土塞停止上升时，土塞对管壁的摩阻力保持不变，土塞下土体进入极限塑性状态，土塞和管桩壁构成一个整体，可以看作实心桩。此时的压桩阻力为： 管桩与实心桩阻力之差从图中可以看到，随着压桩深度增加，管桩与实心桩压桩力差异逐渐减小，且这个差异呈非线性发展，这表明随着压桩过程进行，管桩逐渐趋近于实心桩压桩性状。 将桩压入土体的过程作为土体在外荷载作用下处于极限平衡状态。因此，对桩端压入土体过程进行静力极限平衡分析得到的解可以看作桩端压桩力的下限荷载。可以将根据极限平衡分析得到的解作为桩端的压桩抗力。 土塞最终高度与压桩阻力土塞的高度及其闭塞效果与土性、管径、壁厚、桩入土深度、以及进入持力层深度等诸多因素相关。 PHC桩长61m，外径600mm，内径400mm，壁厚100mm，剔除变异性大的2号桩，考察入土深度为61m的桩，平均土塞高度20.6m。土塞的测量资料见下表。根据施工实测压桩的最终阻力：在40m深度处，约100t，50m处约200t，都比较集中；但压至最后深度时压桩阻力比较分散，压桩阻力400～570t。 土塞高度的实测资料 桩体压到61m深度之前土塞高度就已经稳定，此时可以根据已知的土塞最终高度和静力触探得到的比贯入阻力平均值，反算管桩内壁与土塞之间的平均摩阻力为19.4kPa利用这个内摩阻力值可以预测进一步施工时其他桩需要的压桩力。这种情况下压桩到61m深度时压桩力计算值为P＝4796kN。与上述实测值非常接近。 钢管混凝土桩 钢管混凝土桩的承载特性在软土覆盖层很厚的地区建造超高层建筑，常采用60～70m长的超长桩。但实践表明，超长桩的承载能力常常由桩身强度控制的，地基对桩的承载能力没有充分得到发挥。为了充分发挥超长的钢管桩的承载能力，开发了一种新型的桩—钢管混凝土桩，简称为SCP桩。 钢管混凝土桩的施工步骤是先将钢管桩沉至设计标高，然后用抛灌方法灌注微膨胀的混凝土直至灌满为止。由于钢管混凝土桩具有足够的桩身强度，可以获得较高的承载能力，桩径愈大，提高承载力的比例愈大。 桩基设计的一些新进展 与《建筑桩基技术规范》94年的版本比较，新版的桩基规范中吸收了十年来桩基设计的新进展和变化。桩的设计参数表的完善群桩效应设计方法退出规范设计原则退回到安全系数设计方法承台效应的有条件应用变刚度调平设计桩基结构的耐久性 桩的设计参数表的完善94规范的试桩资料229根；本次修订增加资料416根；桩的极限端阻力增加了全风化、强风化等土类；桩的侧摩阻力增加了角砾和碎石的侧阻力。 群桩效应设计方法退出规范群桩效应及其工程意义《建筑桩基技术规范》考虑群桩效应的设计方法的定量依据是群桩试验的结果。规范方法过于复杂，与桩基设计的误差水平不一致。具体计算方法退出规范不等于群桩效应不存在。 群桩效应的工程意义1.桩的平面布置对于单桩承载力发挥的作用，桩的中心距的影响；2.载荷试验的沉降在什么条件下才具有工程意义？3.有没有变形控制的单桩承载力？ 群桩在竖向荷载作用下，由于承台、桩、土之间相互影响和共同作用，群桩的工作性状趋于复杂，桩群中任一根桩即基桩的工作性状都不同于孤立的单桩，群桩承载力将不等于各单桩承载力之和，群桩沉降也明显地大于单桩，这种现象就是群桩效应。群桩效应可用群桩效率系数η和沉降比表示。 群桩效率η和沉降比 由端承桩组成的群桩，通过承台分配到各桩桩顶的荷载，其大部或全部由桩身直接传递到桩端。因而通过承台土反力、桩侧摩阻力传递到土层中的应力较小，桩群中各桩之间以及承台、桩、土之间的相互影响较小，其工作性状与独立单桩相近。因而端承型群桩的承载力可近似取为各单桩承载力之和，即群桩效率η和沉降比可近似取为1。 由摩擦桩组成的群桩，桩顶荷载主要通过桩侧摩阻力传递到桩周和桩端土层中，在桩端平面处产生应力重叠。承台土反力也传递到承台以下一定范围内的土层中，从而使桩侧阻力和桩端阻力受到干扰。就一般情况而言，在常规桩距（3~4d）下，粘性土中的群桩，随着桩数的增加，群桩效率明显下降，且η<1，同时沉降比迅速增大，可以从2增大到10以上；砂土中的挤土桩群，有可能η>1；而沉降比则除了端承桩=1外，均为>1；同时承台下土反力分担上部荷载可使群桩承载力增加。 群桩应力的重叠作用 设计原则桩基设计是按极限状态设计单桩极限承载力除以安全系数得单桩容许承载力－单桩承载力特征值我国对桩基设计的安全系数取2对应的荷载采用标准值94规范采用的是分项系数描述的设计表达式，荷载用设计值 1.确定桩数和布桩时，应采用传至承台底面的荷载效应标准组合；相应的抗力应采用基桩或复合基桩承载力特征值；2.计算荷载作用下的桩基沉降和水平位移时，应采用荷载效应准永久组合；计算水平地震作用，风荷载作用下的桩基水平位移时，应采用水平地震作用、风载效应标准组合； 3.在计算桩基结构承载力、确定尺寸和配筋时，应采用传至承台顶面的荷载效应基本组合；当进行承台和桩身裂缝控制验算时，应分别采用荷载效应标准组合和荷载效应准永久组合；4.验算坡地、岸边建筑桩基的整体稳定性时，应采用荷载效应的标准组合；抗震设防区应采用地震作用效应和荷载效应标准组合。 94规范这个设计表达式有3个特点：1.用分项系数描述的设计表达式；2.用群桩效应系数反应群桩效应的作用；3.将承台底面土的反力分配给每根桩上。 新版规范有4个变化：群桩效应－退出承台效应－有条件地保留荷载设计值－标准值分项系数－改为安全系数 承台效应1.桩距越大，承台下土反力越大；桩周土受桩侧剪应力作用而产生的竖向位移为：位移随桩侧剪应力及桩径的增大而增大，随桩中心距增大而呈自然对数关系减小。当中心距达到nd时，位移为零。 2.承台分担荷载比随承台宽度与桩长之比增大而增大。 3.承台分担荷载比随桩数增加而降低； 4.承台分担荷载比随荷载的变化，一种是趋于稳定，另一种是持续增大。 考虑承台效应的四种情况1.上部结构整体刚度较好、体型简单的建（构）筑物；2.对差异沉降适应性较强的排架结构和柔性构筑物；3.按变刚度调平原则设计的桩基刚度相对弱化区；4.软土地基的减沉复合疏桩基础。 变刚度调平设计传统桩基设计的原则，同一建筑物下采用相同截面、相同长度的桩，一般等距离布桩，桩基的刚度是等刚度的。 基本概念：等刚度的桩基，按等桩长、等桩径、等间距的布桩，其结果是：沉降是中间大，四周小，形成碟形沉降盆；桩的反力是中间小，四周大，形成马鞍形反力分布。 变桩距、变桩径或变桩长都可以达到变刚度的目的 变刚度调平概念设计变刚度调平概念设计的目的为了减小差异变形、降低承台内力和上部结构次应力，以节约资源，提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能。 对于主群楼连体建筑，当高层主体采用桩基时，裙房（含纯地下室）的地基或桩基的刚度宜相对弱化，可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础； 对于框架－核心筒结构高层建筑桩基，应加强核心筒区域桩基刚度（如适当增加桩长、桩径、桩数、采用后注浆等措施），适当弱化核心筒外围桩基刚度； 对于框架－核心筒结构高层建筑天然地基满足要求的情况下，宜于核心筒区域设置增强刚度、减小沉降的摩擦型桩； 对于大体量筒仓、储罐的摩擦型桩基，宜按内强外弱原则布桩； 软土地基减沉复合疏桩基础软土地基上多层建筑，地基承载力基本满足要求时，以减小沉降为目的，可设置穿越软土层进入相对较好的疏布摩擦桩型，由桩和桩间土共同分担荷载，称为减沉复合疏桩基础。 减沉复合疏桩基础设计原则一是桩和桩间土在受荷变形过程中始终确保两者共同分担荷载；桩端的变形条件二是桩距大于5～6倍桩径。 确定承台底面积和桩数－承台面积控制系数，取大于等于0.60 沉降计算：s0－承台底附加应力产生中点的沉降；ssp－桩土相互作用产生的中点沉降；qsu－厚度加权平均的桩侧摩阻力：p－刺入变形影响系数，砂土1.0，粉土1.15，粘土1.3 桩侧阻力引起桩周土的沉降，按桩侧剪切位移法计算；桩周碟形位移体积：再除以环形面积后得沉降公式 s0ssp 疏桩基础的沉降由两部分构成；桩端下土层，由承台底面的压力产生的压缩变形，按实体基础假定计算s0；桩身部分，桩身压缩加刺入变形与桩土相互作用产生的土体压缩变形应当是相等的；由于刺入变形难以计算，故规范计算桩土相互作用产生的土体压缩变形ssp。 桩基结构的耐久性 结构的耐久性在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在规定的期限内保持其适用性和安全性的能力。设计使用年限在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，作为结构耐久性设计依据并具有一定保证率的目标使用年限。 环境类别 影响混凝土耐久性的机理分析二类环境：主要指碳化引起的钢筋锈蚀环境，不存在冻融和盐、酸等化学物质的作用，主要考虑的环境因素是湿度、温度和CO2与O2的供给程度。如果相对湿度较高，混凝土始终处于湿润的饱水状态，则空气中的CO2难以扩散到混凝土体内，碳化就不能进行或非常缓慢地进行。 如果相对湿度很低，混凝土比较干燥，虽然CO2能够比较顺利地通过孔隙向混凝土内部迁移，但混凝土因缺水而缺少氢氧化钙，这是发生碳化反应的必要物质，故碳化很难进行。钢筋锈蚀是一种电化学过程，要求混凝土有一定的电导率。当混凝土内部的相对湿度低于70％时，碳化引起的钢筋锈蚀就会因混凝土的电导率太低而很难进行。 钢筋锈蚀的电化学过程需要有水和O2的参与。当混凝土处于水下或接近饱和时，O2难以扩散到钢筋的表面，锈蚀因缺氧而难以发生。所以，最易发生钢筋碳化锈蚀的环境是干湿交替，在这种环境条件下，我国现行混凝土设计规范所规定的保护层最小厚度和最大水胶比，都难以满足设计使用年限50年的适用性要求。 低水胶比的混凝土保护层甚为密实，水、CO2与O2都不易从混凝土表面渗透或扩散到内部，内部的混凝土也处于比较干燥的状态，相应的电导率比较低，所以能有效地保护钢筋免受锈蚀。 设计使用年限50年的桩基结构混凝土耐久性要求 桩身裂缝控制 有关桩基技术规范发展的对比分析 比较两本主要的地基基础规范：《建筑地基基础设计规范》《建筑桩基技术规范》 桩基础的承载力单桩承载力的确定是桩基设计的重要内容，而要正确地确定单桩承载力又必须了解桩－土体系的荷载传递，包括桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状与破坏机理。单桩承载力同时还需满足桩身强度的要求。 单桩竖向承载力确定单桩竖向承载力是桩基勘察的最主要的内容，单桩竖向承载力是桩基设计的重要设计参数。单桩竖向承载力是指单桩所具有的承受竖向荷载的能力，其最大的承载能力称为单桩极限承载力，可由单桩竖向静载荷试验测定，也可用其它的方法（如规范经验参数法、静力触探法等）估算。 《建筑地基基础设计规范》规定，初步设计时单桩竖向承载力特征值可按下式估算：式中Ra－单桩竖向承载力特征值；qpa、qsia－桩端阻力、桩侧阻力特征值，由当地静载荷试验结果统计分析算得；Ap－桩底端横截面面积；up－桩身周边长度；li－第i层岩土厚度。 《建筑桩基技术规范》规定，单桩竖向承载力特征值应由下式确定：式中Quk－单桩极限承载力标准值；K－安全系数，取K＝2； 比较的结论1）单桩承载力的特征值，就是取安全系数为2的单桩容许承载力；2）按照《建筑桩基技术规范》的术语和符号规定，对单桩的端阻力和侧阻力，只定义力单桩极限端阻力标准值和单桩极限侧阻力标准值，不定义桩端阻力和桩侧阻力的特征值； 3）《建筑地基基础设计规范》在其术语和符号的规定中没有定义桩端阻力和桩侧阻力的特征值的条文，但规定了桩端阻力和桩侧阻力特征值是由静载荷试验结果统计分析得到的；5）根据《建筑地基基础设计规范》附录Q中的规定：“将单桩极限侧阻力除以安全系数2，为单桩竖向承载力特征值Ra”； 6）由此可见，《建筑地基基础设计规范》实际上规定了桩端阻力特征值、桩侧阻力的特征值与桩的极限端阻力标准值及桩的极限侧阻力标准值之间存在下列的关系：?? 7)《建筑地基基础设计规范》的桩基设计方法是建立在桩端阻力和桩侧阻力同步发挥假定的基础上，而这个假定已为桩的荷载传递机理的研究所否定。 单桩竖向静载荷试验是确定单桩竖向承载力的最基本的一种方法。试验时对桩逐级施加竖向荷载，测定桩在各级荷载作用下不同时刻的桩顶位移，求得桩的荷载-位移-时间关系，用以分析确定单桩的极限承载力。单桩竖向静载荷试验不仅可以测定单桩在荷载作用下的桩顶变形性状曲线，还可以测定桩的轴向力随深度的变化，根据试验结果能进行单桩荷载传递的分析、单桩破坏机理的分析和单桩承载力的分析。 桩的荷载传递机理地基土对桩的支承作用不同荷载下轴力沿深度的变化单桩荷载传递的基本规律超长桩的试验 地基土对桩的支承作用地基土对桩的支承由两部分组成：桩端阻力和桩侧摩阻力。如果认为两者是同步增大的，那么对任何的荷载阶段，这个表达式都是正确的： 而实际上，桩侧摩阻力和桩端阻力不是同步发挥的。竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部首先受到压缩而发生相对于土的向下位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程。 不同荷载下轴力沿深度的变化 单桩荷载传递的基本规律基础的功能在于把荷载传递给地基土。作为桩基主要传力构件的桩是一种细长的杆件，它与土的界面主要为侧表面，底面只占桩与土的接触总面积的很小部分（一般低于1%），这就意味着桩侧界面是桩向土传递荷载的重要的，甚至是主要的途径。 竖向荷载施加于桩顶时，桩身的上部首先受到压缩而发生相对于土的向下位移，于是桩周土在桩侧界面上产生向上的摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服这种摩阻力并通过它向土中扩散的过程。设桩身轴力为Q，桩身轴力是桩顶荷载N与深度Z的函数，Q＝f（N、Z） 桩身轴力沿深度分布的实测资料 桩身轴力Q沿着深度而逐渐减小；在桩端处Q则与桩底土反力Qp相平衡，同时桩端持力层土在桩底土反力Qp作用下产生压缩，使桩身下沉，桩与桩间土的相对位移又使摩阻力进一步发挥。随着桩顶荷载N的逐级增加，对于每级荷载，上述过程周而复始地进行，直至变形稳定为止，于是荷载传递过程结束。 由于桩身压缩量的累积，上部桩身的位移总是大于下部，因此上部的摩阻力总是先于下部发挥出来；桩侧摩阻力达到极限之后就保持不变；随着荷载的增加，下部桩侧摩阻力被逐渐调动出来，直至整个桩身的摩阻力全部达到极限，继续增加的荷载就完全由桩端持力层土承受；当桩底荷载达到桩端持力层土的极限承载力时，桩便发生急剧的、不停滞的下沉而破坏。 桩的长径比L/d是影响荷载传递的主要因素之一，随着长径比L/d增大，桩端土的性质对承载力的影响减小，当长径比L/d接近100时，桩端土性质的影响几乎等于零。发现这一现象的重要意义在于纠正了“桩越长，承载力越高”的片面认识。希望通过加大桩长，将桩端支承在很深的硬土层上以获得高的端阻力的方法是很不经济的，增加了工程造价但并不能提高很多的承载力。 桩越长，端阻力所占的比例越低 超长桩的试验90年代末，陕西省建筑科学研究院等单位在陕西信息大厦进行了超长桩的试验研究，陕西信息大厦地上51层，总高度191m，地下3层，深17.6m，基础采用桩－筏基础，桩为泥浆护壁钻孔灌注桩，直径1.0m。 场地内第四系土层厚度700～800m，勘探深度150m，在地面下30m范围内为黄土和古土壤，在30m至54m范围内为可塑状态的粉质粘土，在54m以下为含钙质结核的硬塑粉质粘土层。试桩直径1.0m，桩长82.2m，进行了单桩竖向承载力及桩身荷载传递机理的测试与研究，还作了压浆前后的承载性状的对比试验研究。 研究成果不仅对黄土地区的桩基础设计有指导的意义，而且对其他地区的桩也有参考作用。实测荷载传递资料表明，黄土地区的超长桩没有测到桩端阻力，在桩长60~70m处桩身轴力已经趋于零，说明在这个深度以下的桩侧阻力也得不到发挥；在压浆以后，由于提高了浅层土的侧摩阻力，轴力为零的深度明显减小。 桩基础的沉降计算 桩基沉降计算时，一般将群桩所包围的土体作为实体深基础计算。对于实体深基础，国内外提出了各种不同的经验处理的方法，其目的是使计算结果接近于实际。我国采用经验修正系数的方法使计算结果接近于实际，但修正系数应和经验处理的假定相匹配。 附加应力计算的假定1.压力分布面积按/4扩散的假定2.压力分布面积不扩散的假定3.压力分布面积不扩散但扣除侧面的摩阻力4.按Boussinesq理论计算应力5.按Mindlin理论计算应力 压力分布面积扩散不扩散 地基规范的假定 沉降计算结果的修正1.按压缩模量的大小修正2.按桩长修正3.按不同应力计算假定的等效修正 不同计算方法修正结果的比较 建筑桩基规范的方法将附加压力作用面的位置放在桩端标高处，附加压力的分布不扩散，即直接按群桩外围面积分布附加压力。采用按Boussinesq理论计算应力 －按压缩模量取用的修正系数，取用方法改变了，94版规范是根据桩长取用的。e－桩基等效修正系数，与94版规范一样，没有变化。 按压缩模量取用修正系数时，分别考虑不同桩型的影响。采用后注浆工艺，将修正系数再乘以0.8的折减系数；软土中的挤土桩，乘以1.3～1.8的挤土效应系数。 建筑地基基础设计规范的方法1.基底压力分布同时采用两种假定，分别采用扩散压力和扣除侧摩阻力； 2.附加应力计算也同时采用两种假定，分别按Boussinesq理论和按Mindlin理论； 3.对计算结果按照压缩模量进行修正；其实，修正系数的取用与计算假定密切相关。 关于Mindlin课题应用《建筑桩基技术规范》采用Geddes解 明德林─盖得斯法假定承台是柔性的；桩群中各桩承受的荷载相等；桩端平面以下土中的附加应力按明德林─盖得斯解分布；各层土的压缩量按分层总和法计算。单桩顶上的总荷载Q可以分解为桩端阻力Qp和桩侧摩阻力Qs之和，即Q=Qp+Qs。 假设桩端阻力占总荷载的比例为，则Qp=Q；桩侧摩阻力Qs分解为均匀分布的摩阻力Qw=Q，和随深度线性增长的摩阻力Qv=(1)Q，为均布摩阻力占总荷载之比。盖得斯对图示的Qp、Qw和Qv三种荷载分别进行积分，给出了单桩荷载下土中任一点竖向应力的显式。 zp由桩端阻力Qp引起的竖向应力：zw由均匀分布摩阻力Qw引起的竖向应力：zv由三角形分布摩阻力Qv引起的竖向应力： 单桩、单排桩的沉降1.单桩和单排桩的沉降用群桩基础的沉降计算方法不合适，得到的结果偏大；2.新版《建筑桩基技术规范》提出了一种计算沉降的方法；3.根据产生沉降的不同原因，采用不同的应力计算方法，桩产生的附加应力用考虑桩径影响的Mindlin解，承台底压力引起的附加应力用Boussinesq解，将两者叠加。 1.沉降由两部分组成，一部分是土层的压缩，一部分是桩身压缩；2.从公式的相加，可以判断，所谓土层的压缩，都是指桩端以下的土层；3.桩端以下土层的压缩是由两种附加应力引起的，一种是桩的作用结果，另一种是承台作用的结果。 1.考虑桩径与不考虑桩径的区别在哪里？2.桩端集中力假定与桩端分布压力；3.Geddes解假定集中力，使桩端平面以下应力集中现象明显；4.在桩端下l/10处，两者接近，越近桩端，差异越大； 因此，新版《建筑桩基技术规范》对单桩、单排桩和疏桩复合桩基采用计入考虑桩径影响的Mindlin解。 摩擦型桩的桩身压缩量：端承型桩的桩身压缩量： 桩身承载力验算两本规范都规定了桩身承载力的验算，验算的公式类似，但经验系数取值存在一定的差别。 《建筑桩基技术规范》的规定受压桩在一定的条件下，可以考虑钢筋的承载力：不考虑钢筋的承载力： c－基桩成桩工艺系数混凝土预制桩、预应力混凝土空心桩c＝0.85干作业非挤土灌注桩，c＝0.9泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩、挤土灌注桩，c＝0.7~0.8软土地区挤土灌注桩c=0.6 抗拔桩的正截面受拉承载力： 《建筑地基基础设计规范》的规定桩轴心受压时：c－工作条件系数预制桩，c＝0.75灌注桩，c＝0.6～0.7 如何处理不同规范的规定1.技术标准都是经验型的，没有绝对的真理；2.计算的方法应由工程师选择，不同的工程师可以有不同的处理方法；3.理解各种规范制订技术规定的依据，根据工程条件选用。 讲座结束谢谢再见'