桩基础设计与检测 王雪峰邮箱：,
msn ： 办公：南二楼109# 来函必复，欢迎探讨！1绪论一、 主要内容1．桩基础基本知识（三周）1) 桩基种类2) 桩基特点与常见质量问题3) 桩基础荷载传递规律4) 桩基础静载试验5) 桩基设计2．数学物理方法（5周）1) 傅里叶变换2) 数理方程基础3) 弹性动力学基础4) 振动基本理论5) 应力波基本理论3．动态测试技术（2周）1) 数字信号分析基础2) 动态测试技术基本概念3) 动测设备一般概念4) 高低应变基桩动测技术（含现场实习一次）5) 塑性力学点滴二、 主要参考书:1. 基桩动测技术，王雪峰2. 中华人民共和国国家标准 建筑地基基础设计规范 GB
50007---20023. 中华人民共和国行业标准 建筑桩基技术规范JGJ 94-944. 中华人民共和国行业标准 建筑基桩检测技术规范JGJ 106-20035. 《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)6. 公路工程基桩动测技术规程JTG.TF81-01-20047. 桩基工程手册 ，《桩基工程手册》编写委员会8. 桩基工程检测手册，罗麒先，9. 桩基工程
段新胜 顾湘10. 网站：/，.cn，http://www.geosouth.net/11. 论坛: http://www./bbs/index.asp桩的定义与历史1．定义以前桩一般指用于桥梁、房屋建筑等的基础，将作用于上部结构的荷载传递给作为地基的地层并具有安全支承结构物的功能的构件。在此类结构物中，桩联结于刚性承台，大部分的外荷仅作为桩的轴力传到地基，或把地震力等水平荷载由承台和桩前方的被动土压来承受，而仅按承受纵向荷载的作用来设计桩。这是像木桩，钢筋混凝土桩等只能使用桩材料的抗压性能的时代的设汁法，反过来说，对于桩也只能寄托希望于它的这种机能。因而那时桩基的应用范围也就有限制，一些重要结构物的基础主要采用沉井和沉箱等刚性基础。传统意义上，置于土体中，自身弹模远远大于周围土体弹模，纵向尺寸远远大于横向尺寸的柱状结构的结构称为桩，然而随着大批就地灌注桩被广泛用于工 2业民用建筑之中，人们已很难对桩给予准确定义，传统意义上的桩，桩长应远大于桩径，钻孔灌注桩出现之前，由于打桩机械能力的限制，桩的直径普遍较小，这种界定尚且成立，钻孔灌注桩出现后，桩的直径日益增大，以至于很难对桩(pile)、柱(cylinder)和墩(pier)给出明确界限。2．友情提示桩可分为刚性桩：桩弹模远远大于桩侧土弹模，钢桩、预制桩、c20以上就地灌注桩 半刚性桩：搅拌桩，粉喷桩等柔性桩：桩弹模接近土弹模的，砂桩、石灰桩后二者属于符合地基讨论范畴，不在本课程讨论之列。桩基动测也仅仅是针对一维杆件式的刚性桩（变截面异形桩亦不再分析之列）而言。基桩与桩基的区别：前者对象为单桩，后者对象为整体工程3．历史：木桩和竹桩是最早使用的桩，早在新石器时代，人类通过打入木桩和竹桩在湖泊和沼泽地搭台作为水上住所，我国西南许多少数民族地区至今仍沿用了这种习惯。公元前206竿到公元200年的汉朝，我们的祖先在桥梁建设上就有使用过木桩基础的悠久历史。随着人类活动向空间和海洋的延伸，各种高层建筑层出不穷，人们对桩基础的需要也越来越迫切，传统的木桩和竹桩已满足不了生活需要。1) 预制桩：十九世20年代，已有人开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头，二次大战后，无缝钢管也被作为桩材料用于基础工程，我国20年代建造的钱塘江大桥，就采用过木桩和钢筋混凝土桩基础，上海宝钢曾使用直径90厘米、长约60米的钢管桩作为桩基础；自20世纪初钢筋混凝土预制构件问世以来，又出现了种类繁多的钢筋混凝土预制桩；1949年，美国雷蒙德混凝土桩公司利用离心机生产出中空预应力钢筋混凝土管桩，我国亦于50年代开始生产和使用这种预应力钢筋混凝土桩。目前桩型也多样化，有管桩，方桩、三角桩、锥形桩，上部钢筋混凝土，下部H型钢桩的组合桩；也有整根预制的，有分段预制拼接而成的。为了解决钢管桩用钢量大．易锈蚀和造价高的缺点，在“六五”和“七五”期间，又研制了直径1.2m和直径1.0m的后张法预应力大管桩，后来更有了1.5米的，应用于码头和海洋工程，打桩设备则可用于2.6米的。2) 灌注桩：就地灌注混凝土桩是以混凝土或钢筋混凝土为材料的另一种类型的桩。本世纪20~30年代已出现了沉管灌注混凝土桩，30年代上海修建的一些高层建筑，3就曾采用Franki桩和Vibro桩等沉管灌注桩。1959年河南黄县利用打井锥具钻孔。制作了钻孔灌注桩。后来又根据地质条件和施工工艺，发展了钻、挖、冲孔灌注桩和爆扩桩。随着大型钻孔机械的发展，我国的铁路和公路桥梁大量采用了钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。就地灌注桩大有桩型多样化，直径大型化的发展发展趋势，目前，桥梁和高层建筑已用到直径为3.0m和3.2m的灌注桩，珠海巨人大厦所用桩基更是独具一格。4．应用：1) 在我国，打入桩与灌注桩的应用同时并举，海上或内河港口工程和固定式诲上平台的桩基工程以打入桩为上。2) 陆上桩基工程，特别是民用建筑工程，因社会需要和市场竞争的必然结果，使用过程较有戏剧性：a) 早先打入式预制桩较多；b) 由于噪音、成本以及承载力问题，城区逐步使用钻孔灌注桩和人工挖孔桩，桥梁工程也以大型钻孔灌注桩为主；c) 现在，又由于质量安全意识，环境污染问题，预制桩成本的降低以及预制桩静压施工工艺的出现等因素，静压预制桩的应用越来越广泛。三、 桩基应用场合：1. 当荷载较大，地基上部土层软弱，适宜的地基持力层埋藏较深，采用浅基础或进行地基处理在技术上和经济上都不合理时2. 当水流冲刷力较大，河岸或海岸不稳定，位于基础或结构物下面的土层有可能被侵蚀，冲刷时；3. 当地基计算沉降过大或结构物对不均匀沉降敏感时；4. 软基上的建筑物承受较大的水平荷载，需要减少建筑物的水平位移和倾斜时；5. 当有水浮托力或波浪上托力作用于软基上水工建筑物的底板或面板时；6. 在地震地区，当采用浅基础不能满足抗震要求时；7. 当施工水位或地下水位较高，采用其它深基础施工不便或经济上不合理时。但是，当软土的覆盖层很薄，岩层较高，桩的入土深度不能满足稳定要求时，则不宜采用桩基。很可惜，现在桩基被滥用了，似乎什么建筑都用桩基，这与设计人员的专业素质、保守和偷懒很有关系，也与施工质量和各种腐败行为有关系。 4第一章 桩的类型及选型§1.1
概述承受竖向下压荷载的桩是通过桩侧摩阻力和桩端阻力将上部荷载传递到深部郎土(岩)层，因而桩的竖向承载力同桩所穿过的整个土层和桩底持力层的性质、桩的外形和尺寸密切相关。承受横向荷载的桩是通过桩身将荷载传给侧向土体；其横向承载力同桩侧土的抗力系数．桩身的抗弯刚度与强度密切相关。工程实际中，以承受竖向荷载为主的桩基居多。桩基可由单根桩构成，如一柱一桩的情况，多数情况是由多根桩组成的群桩。荷载通过承台传递给各桩桩顶，当承台与地面接触形成低承台群桩基础时，承台、桩、土将相互影响共同作用，使群桩的承载性状发生较大变化并趋于复杂。 上图为各种桩基础结构，大体上可分为：1. 桩基础：桥墩、桥台、机器基础，房屋基础、油罐基础2. 港口结构：栈桥、靠船码头、大型钢性护堤、防波堤53. 海洋结构：石油钻井平台．管道栈架、多柱基础4. 特殊结构：海上施工平台、开挖基坑护壁(档土墙），有桩基的框架影响桩基承载力的因素甚多，王要有以下几方面：1. 桩身所穿越土层的强度，变形性质和应力历史。桩基的竖向承载力受桩身身所穿越的全部土层的影响，而横向承载力主要受靠近地面的上部土层的影响。桩侧土层若处于欠固结状态，在后期固结过程中所产生的压缩变形可能对桩身产生负摩阻力。2. 桩端持力土层的强度和变形性质。桩端持力上层对竖向承载力的影响程度，随桩的长径比(L/d)的增大而减小，随桩土刚度比(Ep／Es)的增大而提高,随持力土层与桩侧上层的刚度比(Esb／Ess)的增大而增大。3. 桩身与桩底的几何特征。桩身的比表面积(侧表面积与体积之比，Fs/Vp)愈大，桩侧摩阻力所提供的承载力就愈高。因此，为提高桩的竖向承载力，可将桩身截面作成如图1-2所示的三角形、六边形、环形、十字形、H形等异形断面隧．或作成楔形：螺旋形：“糖葫芦”形等变截面桩断，为提高桩端总阻力，常将桩端做成扩大头。桩身的横向刚度愈大，对减小横向荷载下桩的位移和桩身内力的效果就愈明显，因而，受横向荷载方向桩身可做成如图1-3所示的矩形、T形、工字形、8字形(二圆桩相切、十字形等异形桩，或将承台受弯矩较大的上段做成如图1-23中所示的变断面桩。4. 桩体材料强度。当桩端持力层的承载力很高时(如砂卵石、基岩等)，桩体材料的强度可能制约桩的竖向承载力，因而合适的混凝土强度等级和配筋对于充分发挥桩端持力层的承载性能以及提高竖向承载力十分重要。对于承受横向荷载的桩，其承载力在很大程度上受桩体材料强度制约。因此，选择合适的混凝土强度等级和在受弯的桩段配置适量的钢筋，对于提高其横向承载力同样十分重要。5. 群桩的几何参数。桩的排列、桩距、桩的长径比、桩长与承台宽度之比等几何参数对承台、桩、土的相互作用和群桩承载力影响较大，设计时应根据荷载、土质于土层分布、上部结构特点等综合分析，优化确定。6. 成桩方法。成桩方法和工艺对桩侧摩阻力和桩端阻力都有一定影响。非饱和土特别是粉土和沙土中的打入式桩，其侧摩阻力扣端阻力将因沉桩挤土效应而提高。采用泥浆护壁壁成孔的灌注桩，因泥浆稠度过大而形成桩侧表面的“泥膏”会大大降低摩阻力；泥浆在孔底沉淤过厚会导致端阻力明显降低。§1.2
桩的分类桩的种类五花八门，如果考虑用于复合地基的各种柔性桩（如粉喷桩、碎石6桩、CFG桩等）和近年来发展起来的异型桩（如树根桩、支盘桩、后压浆桩等），据北京建研院沈保汉统计，竟有三百多种，但总体来讲，如不考虑尺寸影响，根据不同目的，我们可以按不同的分类法对刚性桩以如下方式进行分类：一、 按桩的功能分类桩在基础工程中，主要承受轴向垂直荷载、横向水平荷载或两种兼而有之，在高塔和水中的高桩承台基础中，桩要承受风和浪所引起的往复拉压荷载。因此，桩按功能可分为抗轴压桩、抗横压桩和抗拔桩。1、抗轴压桩 一般工业民用建筑的桩基，在正常条件下（不考虑地震），主要承受从上部结构传来的垂直荷载。此类桩进一步据荷载传递机理又可划分为：1) 摩擦桩 外部荷载主要通过桩身侧表面与土层的摩阻力传递给周围的土层，桩尖部分承受荷载很小，一般不超过10%，这类桩基的沉降较大。2) 端承桩 通过软弱土层后桩尖嵌入基岩的桩，外部荷载通过桩身直接传给基岩，桩的承载力主要由桩的端部提供。这种桩一般不考虑桩侧摩阻力的作用。但如果长径比很大，由于桩本身的压缩特性，桩侧摩阻力也可能发挥部分作用。3) 端承摩擦桩 在外荷作用下，桩的端阻和侧摩阻同时发挥作用，端阻和侧阻所分担荷载的比例，与桩径、桩长、软土层的厚度，以及持力层的刚度有关。如若进一步划分，这类桩又可为端承摩擦桩（摩阻成份居多）和摩擦端承桩（端阻成份居多）。2、抗横桩，也称抗剪桩 港口码头工程用的板桩、基坑的支护桩等即为抗剪桩，主要承受水平推动荷载，桩身承受弯矩力，其整体稳定则靠桩侧土的被动土压力、或水平支撑和拉锚平衡。3、抗拔桩 主要抵抗作用在桩上的拉拔荷载，如板桩墙后的锚桩。拉拔荷载依靠桩侧摩阻力承受。二、 按成桩方法对土层影响进行分类不同成桩方法对周围土层的扰动程度不同，这种不同将直接影响基桩承载能力发挥和计算参数的选用。一般可分为挤土桩、部分挤土桩和非挤土桩三类：1、 挤土桩，也称排土桩
桩周土体被压密或挤开，土的工程性质出现很大变化，主要有打入或压入式预制木桩、混凝土桩、打入式封口底钢管桩和混凝土管桩、以及就地沉管灌注桩等；2、 部分挤土桩，也称微排土桩桩周土体仅受轻微扰动，土的原状结构和工程性质变化不明显，主要有打入式小截面I型和H型钢桩、钢板桩、开口式钢管桩（管内土挖除）、螺旋桩等；3、 非挤土桩，也称非排土桩
将与桩体体积相同的土挖出，因而桩周土体较少扰动，但有应力松弛现象，主要有各种型式的挖孔或钻孔桩。三、 按桩材分类根据桩的材料，可分为木桩（包括竹桩）、混凝土桩（含钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土桩）、钢桩和组合桩。1、 木桩 天然原木或粗大的竹子作桩材料，也有加工成型的；7 2、 混凝土桩 混凝土桩是目前世界各地最广泛使用的桩，又可分为预制混凝土和就地灌注混凝土桩两大类，前者可在工厂或场地附近集中预制。桩断面尺寸一般为400×400或500×500mm等，也有更大或更短的，单节长10~20米。当要求长桩时，可将单节桩连接成所需长度，为减少钢筋混凝土桩的钢筋用量和桩身裂缝，后来又发展了预应力钢筋混凝土桩，我国现用的预应力钢筋混凝土桩多为圆型管桩，外径为400和500mm等、壁厚100mm、标准节长8～10m、法兰盘接头，也有较大和较小的。就地灌注混凝土桩可根据受力需要，放置不同深度的钢筋笼，其直径可根据设计需要确定。3、 钢桩 早期使用的为铸铁板桩，现在的则主要为型钢和钢管桩，钢管桩由各种直径和壁厚的无缝钢管制成，型钢包括各种形式的板桩，主要用作临时支挡结构或永久性的码头工程，H型和I型钢桩也常用作支承桩。4、 组合桩 用两种材料组成的单根桩即为组合桩。较早采用的水下桩基就是组合桩，泥面以下用木桩，水中部分用混凝土桩，组合桩目前已很少使用。四、 按成桩方法分类新的成桩方法和工艺，随科学技术和施工机械的发展，不断涌现，有的甚至尚未正式命名，这里仅介绍常用方法形成的基桩。1、 打入桩 将预制桩用击打或振动法打入地层至设计标高，打入的机械有自由落锤、蒸汽锤、柴油锤、压缩空气锤和振动锤等。其预制桩包括木桩、混凝土桩和钢桩。2、 就地灌注桩 按成孔的工艺又可分为两大类：a、 沉管灌注桩 将钢管（钢壳）打入土层到设计标高，然后灌注混凝土。灌注时可逐渐将钢管拔出，或将钢管留在土层中，这类桩又可分振动沉管和锤击沉管两种。 8b、 钻孔灌注桩 使用机械成孔，一般没有护壁或泥浆护壁，不扰动周围土层。钻孔的机械有冲击钻、旋转钻（尚可分为正循环、反循环等）长螺旋和短螺旋等等，适用于不同的土层。c、 人工挖孔灌注桩 人工取土成孔，类似如古代的打井方式，一般采用砖护壁或不护壁多用于短粗桩，但也有用于20多米的情形，在黄土地区用洛阳铲取土成孔的桩型也可归入这一类中。d、 夯扩桩、复打桩、支盘桩等 为提高灌注桩的承载力，可用管内锤击法或扩孔器将桩的端部扩大，也可将桩身局部扩大，借以改变受力状况，形成扩底的为夯扩桩，桩中出现树枝“托盘”的为支盘桩，桩底根系较多的为树根桩等等。3、 静压桩 利用无噪音的机械将预制桩压至设计标高。4、 螺旋桩 在木桩或混凝土桩的端部按一段螺旋钻头，藉旋转机械将桩拧入土层至设计标高，这种现已较少使用。5、 喷粉桩或搅拌桩 严格地讲此桩已属复合地基，这种桩将水泥、土混合在一起搅拌施工，细分又有干喷、湿喷等等。除上述五种桩外，近20年已出现利用压浆提高桩承载力的压力灌浆桩等多种多样的桩型，这里不再一一列举。图1.1.1为依据成桩方法整理的部分桩施工类型。五、 其它划分方法：1. 按承台位置划分2. 按桩身形状分类如下图a所示，可分为等截面柱形桩和楔形桩(或称锥形形桩)。前者是常用的型式，后者一般适用于桩尖以上为较密实的土层，而桩尖支持于软弱土层的地基，只能当作受压的摩擦桩使用，于新填土、膨胀土、永冻土及湿陷性黄土。其摩擦面及单位摩阻力均大于竖直的柱形桩，可增加竖向正应力，对减小液化有一定作用，多用于房屋建筑，而在水下的港工建筑则很少采用。3. 按桩的截面分类如图b)所示，桩可分为圆形、多角形(八角形和六角形)，方形、矩形、三角形和H型或工字型。港口工程中常用方形桩。当水平外力的方向一定，且该方向桩的断面需要加强时，可采用矩形。为减少水流、波浪对桩的作用力，宜采用圆形管或多角形断面。圆形的管桩，其管腔可以是空心的．也可以全部灌注混凝土，或上部灌注混凝土，下部灌砂；可以是钢筋混凝土管桩，也可以是钢管桩。方桩是预制钢筋混凝土打入桩中最常用的一种型式。三角形桩也是预制钢筋混凝上打人桩。它与方形桩和圆形桩相比，具有材料省、自重轻，周长及惯性矩均较大的优点．单桩承载力与等长度等周长的方桩相近，而造价却可节省20％以；自1963年以来，这种桩在天津地区的工民建基础中应用广泛。 94. 按桩尖形式分类如图c所示，可分为锥形的、扩大头的和平底的。桩尘为锥形的一般用于打入桩；桩尖为扩头的一般用于人工挖孔桩和钻孔灌注桩。适用于上层土质软弱，下层土质密实的情况，混凝上用量少，抗压抗拔承载力高；平底桩对灌注桩和打入桩均可应用。对于钢管桩，桩尖型式有闭口的、开口的半闭口的三种。闭口的桩沉桩时会产生挤土作用，桩侧摩阻力较开口的有所提高。但沉桩困难；开口的则反之，沉桩容易，能灌入硬土层，虽然必然形成土塞，但挤土作用小，施工方便，桩位易控制但桩侧摩阻力较闭口的有所降低。为了解决上述矛盾，可综合两者的优点，在开口桩桩尘或桩中设置纵向隔板或横向隔板，或作成半封闭式桩尖，这种做法目前较为普遍。附 中华人民共和国行业标准 建筑桩基技术规范（JGJ 94-94）3.2.1 桩可按下列规定分类3.2.1.1 按承载性状分类（1）摩擦型桩：摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩侧阻力承受；端承摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受。（2）端承型桩：端承桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩端阻力承受；摩擦端承桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受。3.2.1.2 按桩的使用功能分类（1）竖向抗压桩（抗压桩）；（2）竖向抗拔桩（抗拔桩）；（3）水平受荷桩（主要承受水平荷载）；（4）复合受荷桩（竖向、水平荷载均较大）。3.2.1.3 按桩身材料分类（1）混凝土桩；灌注桩、预制桩；（2）钢桩；（3）组合材料桩。3.2.1.4 按成桩方法分类（1）非挤土桩：干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法；（2）部分挤土桩：部分挤土灌注桩、预钻孔打入式预制桩、打入式敞口桩；（3）挤土桩：挤土灌注桩、挤土预制桩（打入或静压）。3.2.1.5 按桩径大小分类（1）小桩 d≤250mm；（2）中等直径桩 250mm＜d＜800mm；（3）大直径桩 d≥800mm；d—— 桩身设计直径。§1.3
各类桩的特点与施工条件一、 我国常用桩型1. 钢桩：钢管桩，板桩；港口码头102. 预制方桩：打入，静压、锚杆静压桩；提高承载力、加固、控制沉降；3. 预应力管桩（PHC），打入，静压，普及性强，最大直径超过1.5米、长50~60米。目前已衍生出就地灌注型。4. 钻孔灌注桩：超长、超大直径；正循环、反循环，干作业、水下作业；高层建筑，桥梁，重大工程，水下；衍生种类：支盘桩、后压浆桩、螺旋桩、树根桩等等。5. 冲孔桩：6. 螺旋钻成孔桩：干作业，黄土地区 11
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