桩基的发展历史
桩基础是一种承载力高、应用范围广、历史悠久的基础形式。随着生产水平的提高和科学技术的发展,桩基础的类型、工艺、设计理论、计算方法和应用范围都有了很大的发展,并广泛应用于高层建筑、港口、桥梁等工程中。
桩是将建筑物的全部或部分荷载传递给地基土并具有一定刚度和抗弯能力的传力构件,其截面尺寸远小于其长度。桩基由埋设在基础中的多根桩(称为群桩)和将群桩联合起来共同工作的桩台(称为承台)组成。
桩基的作用是将荷载传递到承载力较好的深层土层,以满足承载力和沉降的要求。桩基承载力高,能承受竖向荷载、水平荷载、上拔荷载和振动荷载,是应用最广泛的深基础形式。
应用领域
(1)当上部土层软弱,不能满足承载力和变形要求,而下面又有较好的土层时,用桩穿越软土层,将荷载转移到深层硬土层。
(2)在一定深度范围内没有理想的持力层,荷载通过桩侧摩阻力沿桩杆逐渐传递。
(3)基础需要承受向上的力,桩依靠桩杆周围的负摩擦力来抵抗向上的力,即“抗拔桩”。
(4)当基础需要承受水平分力时,可通过弯曲直桩来承受。
(5)当地基硬度或荷载分布不均匀,天然地基不能满足构筑物不均匀变形的要求时,可采用桩基础。
(6)浅层有较好的土层,但考虑到其他因素,仍采用桩基础,如港口、水利、桥梁工程中结构基础周围的地基土适宜冲刷或侵蚀时,应采用桩基础;例如,当精密仪器和动力机械设备对基础有特殊要求时,往往采用桩基础。
(7)考虑到建筑物受相邻建筑物的影响,地面堆放、施工开挖和打桩等。,当浅基础会产生过大的倾斜或沉降时,将采用桩基础。
(8)建筑物下有不稳定土层,如液化土、湿陷性黄土、季节性冻土、膨胀土等。桩基是用来将荷载传递到深层密实稳定的土层中。
如不属于上述情况,可根据工程实际情况,本着“经济合理、技术可靠”的原则,通过分析比较,确定是否采用桩基础。
形式
桩基可以是单桩(如一柱一桩)、单排桩或多排桩。对于双(多)柱式桥墩的单排桩基,当桩外褥垫层高于地面时,桩与桩之间用横梁连接,以加强桩的横向连接。大多数情况下,桩基是由多根桩组成的群桩基础,基桩可以全部或部分埋入地基土中。群桩基础梁的所有桩的顶部通过承台连接成一个整体,然后在承台上建造桥墩或桥台及上部结构。
分类
桩基有许多不同的类型,可以用不同的方法进行分类。比如根据承台与地面相对位置的不同,分为低承台和高承台。当承台底部低于地面时,称为低承台桩基;当承台底部高于地面时,称为高承台桩基。低桩承台常用于建筑施工,高桩承台常用于港口、码头、海洋工程和桥梁工程。《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)从以下几个方面对桩进行分类。
1.按轴承特征分类
(1)摩擦桩:
1)摩擦桩:在承载力极限状态下,桩顶竖向荷载由桩侧阻力承担,桩端阻力可以忽略不计。
2)端承摩擦桩:在承载力极限状态下,桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承担。
(2)端承桩:
1)端承桩:在承载力极限状态下,桩顶竖向荷载完全由桩端阻力承担,桩侧阻力可以忽略不计。
2)摩擦端承桩:在极限承载力状态下,桩顶大部分竖向荷载由桩端阻力承担。
由于摩擦桩与端承桩在承载力和荷载传递方面存在较大差异,通常摩擦桩的沉降量大于端承桩,会导致墩台不均匀沉降。因此,在同一桩基中不应同时使用摩擦桩和端承桩。
2.堆积法分类
(1)非挤密桩:在成桩过程中,对应于桩身体积的土被挖出,因此桩周土和桩底土存在应力松弛。常见的非挤密桩有挖孔桩和钻孔灌注桩。
(2)部分挤密桩:在成桩过程中,挤密作用轻微,桩周土的工程性质变化不大。常见的桩型有预钻孔预制桩和打入式开口钢管桩。
(3)挤土桩:在成桩过程中,桩周土体被挤出,使土体的工程性质较自然状态发生较大变化。常见的挤压桩有预制混凝土桩、密封钢管桩、混凝土管桩和沉管灌注桩。
3.按桩径分类
(1)小桩:d≤250 mm
(2)中等直径桩:250毫米
(3)大直径桩:d ≥ 800 mm
设计内容
桩基设计的主要内容如下。
1.桩基形式的合理选择
桩基形式的合理与否对高层建筑的安全、功能和造价有很大的影响。桩基形式的选择应考虑以下几个方面:
(1)地质条件;
(2)建筑物的形状和结构特点;
(3)建筑功能利用地下空间的方式。
2.持力层和桩长的合理选择
在选择持力层时,应考虑以下因素:
(1)能提供足够的单桩承载力;
(2)确保建筑物不产生过度沉降和不均匀沉降;
(3)考虑桩基成本;
(4)考虑桩基施工工艺的可能性。
3.桩的合理布置
在桩数相同的情况下,不同的布桩方式下,桩基的承载力与其作用是不同的。
4.桩基水平承载力
高层建筑地下室的水平剪力和倾覆力矩主要由地震和风引起,一般情况下地震作用是控制因素。地震引起的地下室水平剪力一般不超过高层建筑总重量的5%,但仍相当可观。由于高层建筑上部结构的重心远高于基础底部,也会造成很大的倾覆力矩,在地震区必须考虑这些影响。对于高层建筑,地震作用往往成为设计中的控制因素。但在沿海地区,由于海洋风暴的入侵,风的影响可能大于地震。对于超高层建筑,风引起的地下室水平剪力和倾覆力矩可能接近甚至远远超过地震引起的结果,成为设计中的控制因素。因此,高层建筑的桩基必须具有足够的抵抗水平荷载和倾覆力矩的能力。
5.桩基施工和使用对周围环境的影响
必须考虑技术和经济的合理性。