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灌注桩基础设计
第一章绪论
1.1桩基础概念
桩基础由基桩和联接于桩顶的承台共同组成。
若桩身全部埋于土中,承台底面与土体接触,则称为低承台桩基;若桩身上部露出地面而承台底位于地面以上,则称为高承台桩基。
建筑桩基通常为低承台桩基础。
高层建筑中,桩基础应用广泛。
1.2桩基分类
1.2.1桩按材料分类
桩按材料分类:
可划分为钢桩、钢筋混凝土方桩、钢筋混凝土或预应力混凝土管桩、钢管混凝土管桩。
1.2.2桩按承台位置分类
按承台位置的不同,桩基础可分为高桩承台基础和低桩承台基础。
高桩承台的承台底面位于地面(或冲刷线)以上,其桩身外露部分称为桩的自由长度。
低桩承台的承台底面位于地面(或冲刷线)以下。
高桩承台可减少墩台的疗工数量,避免或减少水下作业,施工较为方便。
然而由于承台和基桩外露部分无侧边土层来共同承受水平外力,对基桩受力较为不利,稳定性较差。
1.2.3桩按地质条件分类
根据地质条件的不同,桩的传力方式有两种。
柱桩:
将桩尖通过软弱的覆盖层后再嵌入坚实的岩面,荷载由桩尖直接传到基岩中,桩象柱子一样受力。
柱桩承载力较大,安全可靠,基础沉降也小,但若岩层埋置很深,就需采用摩擦桩。
摩擦桩:
当基岩埋藏很深,桩尖不可能达到时,荷载是通过位于覆盖层中的桩的桩壁与土壤间的摩阻力和桩的端部的支承力共同来承受的。
1.3桩基础特点
1、桩支承于坚硬的(基岩、密实的卵砾石层)或较硬的(硬塑粘性土、中密砂等)持力层,具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力,足以承担高层建筑
的全部竖向荷载(包括偏心荷载)。
2、桩基具有很大的竖向单桩刚度(端承桩)或群刚度(摩擦桩),在自重或相邻荷载影响下,不产生过大的不均匀沉降,并确保建筑物的倾斜不超过允许范围。
3、凭借巨大的单桩侧向刚度(大直径桩)或群桩基础的侧向刚度及其整体
抗倾覆能力,抵御由于风和地震引起的水平荷载与力矩荷载,保证高层建筑的抗倾覆稳定性。
4、桩身穿过可液化土层而支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩,在地震造成浅部土层液化与震陷的情况下,桩基凭靠深部稳固土层仍具有足够的抗压与抗拔承载力,从而确保高层建筑的稳定,且不产生过大的沉陷与倾斜。
常用的桩型主要有预制钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩、钻(冲)孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、钢管桩等,其适用条件和要求在《建筑桩基技术规范》中均有规定。
第二章桩基础地质条件概述
2.1地形
拟建筑场地地势平坦,局部堆有建筑垃圾
2.2工程地质条件
第一层土:
素填土,层厚1.5m,稍湿,松散,承载力特征值f=95kPa
第二层土:
淤泥质土,层厚3.3m,流塑,承载力特征值fak=65kPa
第三层土:
粉砂,层厚6.6m,稍密,承载力特征值fak=ll0kPa
第四层土:
粉质黏土,层厚4.2m,湿,可塑,承载力特征值fak=165kPa
第五层土:
粉砂层,钻孔未穿孔,中密-密实,承载力特征值fak=280kPa
2.3岩土设计参数
表2-1地基岩土物理参数
土层
编号
土的名称
含水率W
(%)
液性指数
标注灌入锤击数N(次)
压缩模量
(MPa
孔隙比e
1
素填土
5
2
淤泥质土
62.4
1.08
3.8
1.04
3
粉砂
27.6
14
7.5
0.81
4
粉质粘土
31.2
0.74
9.2
0.79
5
粉砂层
31
16.8
0.58
表2-2桩的极限侧阻力标准值qsk和极限端阻力标准值qpk单位:
kPa
土层编号
土的名称
桩的侧阻力qsk
桩的端阻力qpk
1
素填土
22
2
淤泥质土
28
3
粉砂
45
4
粉质粘土
60
900
5
粉砂层
75
2400
2.4水文地质条件
拟建场区地下水对混凝土结构无腐蚀性地下水位深度:
位于地表下3.5m
2.5场地条件
建筑物所处场地抗震设防烈度为7度,场地内无可液化砂土、粉土
2.6上部结构资料
拟建建筑物为六层钢筋混凝土框架结构,长30m宽9.6m。
室外地坪标高同
自然地面,室内外差450mm柱截面尺寸为400mrK400mm横向承重,柱网布置
如图2-1
图2-1网布置图
2.7上部结构荷载
上部荷载(柱底荷载效应标准组合值和柱底荷载效应基本组合值)如表
2-3、2-4
表2-3柱底荷载效应标准组合值
题
号
Fk(kN)
MK(kNxm)
Vk(kN)
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
4
2040
2280
2460
242
223
221
145
158
148
表2-4柱底荷载效应基本组合值
题
号
F(kN)
M(N*m)
V(kN)
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
4
2650
3650
3120
253
228
244
193
175
188
2.8材料
混凝土材料强度等级为C25-C30,钢筋采用HPB235HRB33教。
第三章灌注桩设计
3.1灌注桩基设计设计方案
室外地坪标高为-0.45m,自然地坪标高同室外地坪标高。
由《建筑桩基设计规范》“场地和地基条件简单、荷载分布均匀的7层或7层以下的一般建筑”之设计等级为丙级可知该建筑桩基应按丙级设计,不再进行沉降计算,拟采用直径为450mm勺混凝土沉管灌注桩。
选用第五层土粉砂层为持力层,由《建筑桩基设计规范》可知,桩尖深入持力层的长度不宜小于1.5(1.5d=0.675m),这里取0.75m,设计桩长15.2m,承台高0.95m,承台底面埋置深度-1.6m,桩顶伸入承台50mm桩顶标高-1.55m,桩底标高为-16.75m,桩长为15.2m。
3.2单桩承载力计算
3.2.1基设计规范》得表3-1:
表3-1土侧(端)阻标准值及其深度
土层
编号
侧(端)阻标准值qsk(kNXm)
入土深度
l(m)
1
22
0.35
2
28
3.3
3
42
6.6
4
68
4.2
5
64\900
0.75
3.2.2单桩竖向极限承载力标准值计算
单桩竖向极限承载力标准值计算:
(3-1)
Quk-QskQpk=UpQsikliApQpk
Qsk=3.14M0.45父(0.35父22+3.3父28+6.6父42+4.2父68+0.75父64)©口=1004.5kN
(3-3)
12
Qpk3.140.452900=143.1kN
p4
Quk=QskQpk=1004.5143.1=1147.6kN
3.2.3基桩竖向荷载承载力设计值计算
承台底部地基土较为松软的填土,压缩性大,因此不需考虑承台土效应,即
"c=0,则
(3-4)
Quk1147.6
R=Ra=uk573.8kN
K2
根据上部荷载初步估计桩数为:
Fkn=
Ra
2280
573.8
=3.97
(3-5)
初步设计桩数为4根。
3.3桩基验算
根据《建筑桩基设计规范》,当按单桩承载力特征值进行计算时,荷载应取效应的标准组合值
由于装机所处场地的抗震设防烈度为7度,且场地内无可液化砂土、粉土问题,因此可不进行地震效应的竖向承载力验算。
根据初步设计桩数采用正方形承台,由《建筑桩基设计规范》桩间距为设计为3d,桩中心距承台边缘为d,则承台初步设计为2250m由2250mm如图3-1
TMu晓_!
_,
图3-1承台平面布置
3.3.1承台初步验算
承台初步设计为2250m由2250mm如图3-1
承台及其上填土的总重为
(3-6)
Gk=2.252.251.620=162kN
计算时取荷载标准组合,则
Nk
FkGk
2280162=610.5kN573.8kN
(3-7)
故而如此设计不合理
3.3.2承台最终验算
增加桩数至5根,继续构造承台,此时设计为2800m由2800mm
承台及其上填土的总重为
(3-8)
Gk-2.82.81.620-250.88kN
计算时取荷载标准组合,则
Nk
FkGk
n
2280250.88
=506.176kN<573.8kN
(3-9)
Mymax2231580.950.95
Nikmax=Nkmax=506.176=506.17698.2
ikmaxk2
“y240.950.95
(3-10)
(3-11)
=604.4kN二1.2R=687.7kN
Mymax2231580.950.95
Nikmin=Nk2-=506.176=506.176—98.2
“y240.950.95
=473.76kN0
满足设计要求,故此次设计是合理的
3.4承台设计
根据以上桩基设计及构造要求,承台尺寸为2.8mX2.8m如图3-2,初步设
计承台厚0.95m,承台混凝土选用C25,ft=1.27N/mn2,fc=11.9N/mn2;承台钢筋选
2
用HRB33瞰,fy=300N/mm
图3-2承台平面布置
3.4.1承台内力计算
承台内力计算荷载采用荷载效应基本组合值,则基桩净反设计值为:
FMyyi
max=2
n'y
35602281750.950.95
540.950.95
=712103.75=815.75kN
(3-12)
N'min
FMyyi35602281750.950.95
一—2二Z_一"
n%y540.950.95
=712-103.75=608.25kN
(3-13)
3560
5
=712kN
(3-14)
3.4.2承台厚度及受冲切承载力验算
承台保护层厚度60mm则h°=950-60=890mm
由于基桩为圆形桩。
计算时应将截面换算成方桩,则换算方桩截面边宽为:
b=0.8d-0.8450-360mmp
1、柱对承台冲切
由《建筑桩基设计规范》承台受桩冲切的承载力应满足:
(3-15)
FlM2「:
0xbca0y「:
0yhc世。
*
柱边至最近桩边水平距离:
a0x=a0y=570mm
冲垮比:
0x
a°x
0y="T"
h。
570
890
=0.64
(3-16)
冲切系数:
〜—0.840.84
(3-17)
0x0y0x0.20.640.2
承台受冲切承载力截面高度影响系数:
-hp-0.9875
则有
2「:
0xbca0y--0yhc-aoxthpftA
=210.40.5710.40.57]0,98712700.89
=4330.7kN(3-18)
F1=F-%Nj=3560-0=3560kN4330.7kN
(3-19)
故厚度为0.95的承台能够满足柱对承台的冲切要求
2、角桩冲切的验算
承台受角桩冲切的承载力应满足:
N1C2+a;y'+Ky匕+a;x,Bhpfth。
(3-20)
「2JI2力
角桩内侧边缘至承台外边缘距离:
cl=c2=630mm
柱边与桩内边缘连线水平距离:
a1x=a1y=570mm
角桩冲垮比:
’1y
0.56
1x0.2
0.56
0.640.2
=0.67
(3-21)
(在0.25-1.0之间)
角桩冲切系数:
:
1x=:
1y
0.56
1x0.2
0.56
0.640.2
=0.67
(3-22)
则有
P1xc2十%Lp〔yG+ax|'phpfth0
-k2J<2力
=0.670.63+057〕+0,67父'0.63+057Tm0.9875M1270M890
[12J22力
(3-23)
1368.53kN
N1=N'max=815.75kN:
:
1368.53kN
故厚度为0.95m的承台能够满足角桩对承台的冲切要求
3.5承台受剪承载力计算
承台剪切破坏发生在柱边与桩边连线所形成的斜截面处
V<'hs:
ftbho
(3-24)
受剪面承载力截面高度影响系数:
计算截面剪跨比:
(3-25)
=一=0.64
570
890
(3-26)
(在0.25-3.0之间)
剪切系数:
1.75
二=——=1.067
小:
11
(3-27)
-hs:
ftbh0
=0.98751.06712702.80.89
=3334.67kN
(3-28)
V=2N'max=2815.75=1631.5kN:
:
3334.67kN
(3-29)
故满足抗剪切要求
3.6承台受弯承载力计算
取基桩净反力最大值:
N'max=815.75kN
Mx—Niyid815.750.75=122362WNm
As1~As2
0.9fyh0
12262510000002
=5092)72nm
0.9300890
(3-30)
由《建筑桩基设计规范》“承台纵向受力钢筋的直径不应小于12mm间距不
应大于200mm柱下独立桩基承台的最小配筋率不应小于0.15%”
承台纵横方向选用直径为18mm勺HRB!
冈筋间距为140mm则钢筋根数为
n=2800/140+1=21,实际钢筋A=21M254.5=5344.5mm
最小配筋率:
一5344.5
2800950
(3-31)
:
min==0.201%0.15%
故配筋满足要求
3.7承台构造设计
混凝土桩桩顶伸入承台长度50mm两承台间设置连系梁,梁顶面标高-0.65m,与承台顶齐平,梁宽250mm梁高400mm承台底做100mnSC10素混凝土垫层,垫层挑出承台边缘100mm3.8桩身结构设计
沉管灌注桩选用C25混凝土,钢筋选用HPB23改
3.8.1桩身轴向承载力验算
根据《建筑桩基技术规范》,桩顶轴向压力应符合下列规定:
max
£cfcAps
计算桩身轴心抗压强度时,一般不考虑压屈影响,故取稳定系:
=1.0
基桩施工工艺系数:
'「0.8
C25混凝土:
fc=11.9N/mm
1
(3-32)
(3-33)
cfcAps=1.00.811.9106—3.140.452=1513.68kNccps
4
一一一一一____2
Aps=3.14X0.452/4=0.159m
35601.2250.882281750.950.95
540.950.95
=772.2103.75=875.95kN<1513.68kN
故桩身轴向承载力满足要求
3.8.2桩身水平承载力验算
由设计资料得柱底传至承台顶面的水平荷载标准值为Vk=149kN
则每根基桩承受水平荷载为
,Hk158〜
Hik=--31.6kN
n5
桩身按构造要求配筋,由于受水平荷载影响,则桩身配8①12纵向钢筋,A-
2
=904mm
桩身配筋率为:
904
3.14
2
450、
I
<41
=0.57%
(3-34)
满足0.2%-0.65%之间的要求
由于0.57%<0.65%,则单桩水平承载力特征值计算公式:
R0.75amftW。
,十二NNk"
Rha—1.25+22PgJ1十二
vMI,mftAnJ
桩身为圆形截面,故
a=2,n=0.5
根据灌注桩桩周主要土层的类别,取桩侧土水平抗力系数的比例系数
m=25MN/m
圆形桩桩身的计算宽度为:
b0=0.91.5d0.5=1.0575m
EI=0.8E/0
I0=W0d/2
(3-35)
-e=Es/Ec
对于C25级混凝土:
___42__2
(3-36)
Ec-2.8104N/mm2-2.8MN/m2c
对于HPB23致钢筋:
(3-37)
Es=2.1104N/mm2=2.1MN/m2
扣除保护层后的桩直径为
d0=0.45-0.07=0.38m
W0=dd22:
e-1:
gd21
32
3.140.45I221
0.4527.5-10.57%0.38J
32,33
(3-38)
9.4110m
(3-39)
(3-40)
A1;丁1:
E一1%
3.14
0.45217.5-10.57%L0.165m2
(3-41)
I0=W0d/2=9.4110-0.45/2=2.1210-m4
EI=0.85EcI0=0.852.81042.1210*=50.5MNm2
.mb0251.0575
二•=550.879m
EI'50.5
桩顶最大弯矩系数vm取值:
由于桩的入土深度h=15.2m,桩与承台为固接,
民h=0.879黑15.2=13.3608m>4m故而民h=4
贝UVm=0.926
N取荷载效应标准组合下桩顶的最小竖向力(用该值计算所得单桩水平承载
Rha
0.751mftW0
力特征值最小),则N=391.3kN
1.2522:
,1-NNk-g.mftAn
1.25220.57%
(3-42)
0.750.87921.2710000009.41/1000
0.926
0A,0.5^407.976^1000
1+I
<2X1.27X1000000X0.165J
=34795.542N=34.8kN31.6kN
故桩身水平承载力满足要求
3.8.3配筋长度计算
由于侧阻力起主要作用,基桩为端承摩擦型桩,配筋长度应不小于桩长的
2/3(即2/3X15.2=10.1m),同时不宜小于4.0/a=4.55m,则配筋长度取10.1m
钢筋锚入承台35倍主筋直径,即35X12=420mm
3.8.4箍筋配置
采用①6@2001旋式箍筋,由于钢筋笼长度超过4m,需要每隔2m设一道①
12焊接加劲箍筋
3.9估算A、C轴线柱下桩数
3.9.1桩数估算
设计A、C轴线下桩基础的方法与B轴线下相同,单桩极限承载力标准值为
1147.6kN,基桩竖向承载力特征值为573.8kN
根据A轴荷载初步估计A轴柱下桩数,即
(3-43)
n=FK/R=^040=3.56
则A轴下设计桩数为4根
根据C轴荷载初步估计C轴柱下桩数,即
=0.57%
(3-44)
904
「450f
3.14父——।
<4J
则C轴下设计桩数为5根
3.9.2承台平面尺寸确定
1、对于A轴线承台平面尺寸
根据初步设计桩数采用正方形承台,由《建筑桩基设计规范》桩间距为设计为3d,桩中心距承台边缘为d,则承台初步设计为2250m由2250mm如图3-3
图3-3承台平面布置
2、对于C轴线承台平面尺寸
根据以上桩基设计及构造要求,承台尺寸为2.8mX2.8m,同B轴线设计,
如图3-4
图3-4承台平面布置
3.10桩平面布置图
第四章灌注桩施工
4.1灌注桩基础施工准备
4.1.1准备场地、测量放线
施工前应进行场地平整,清除杂物,钻机位置处平整夯实,准备场地,同时对施工用水、泥浆池位置,动力供应,砂石料场,拌和机位置,钢筋加工场地,施工便道,做统一的安排。
测量放线,根据设计图纸用经纬仪(或全站仪)现场进行桩位精确放样,在桩中心位置钉以木桩,并设护桩,放线后由主管技术人员进行复核,施工中护桩要妥善看管,不得移位和丢失。
4.1.2埋设护筒
护筒因考虑多次周转,采用3-10mm1冈扳制成,护筒内径,使用旋转钻机时比桩径大10-20cm,使用冲击钻时比桩径大20-30cm,埋置护筒要考虑桩位的地质和水文情况,为保持水头护筒要高出施工水位(或地下水位)1.5m,无水地层
护筒宜高出地面0.3-0.5m,为避免护筒底悬空,造成蹋孔,漏水,漏浆,护筒底应坐在天然的结实的土层上(或夯实的粘土层上),护筒四周应回填粘土并夯实,护筒平面位置的偏差应不超5cm,护筒埋置深度:
在无水地区一般为1-2倍的护筒直径。
在有水地区一般为入土深度与水深的0.8-1.1倍(无冲刷之前)。
4.1.3选择钻孔机械
正循环钻机:
粘性土、砂类土:
砾、卵石粒径小于2cm,钻孔直径80-250cm,孔深30-100m。
反循环钻机:
粘性土、砂类上、卵石粒径小于钻杆内径2/3,钻
孔直径80-250cm,孔深泵吸<40m气举100m正循环潜水钻机:
淤泥、粘性上、砂类土、砾卵石粒径小于10cm,钻孔直径60-150cm,孔深50m全套管冲扳抓和冲击钻机:
适用于各类土层,孔径80-150cm,孔深30-40m。
在钻孔过程中,钻机(架)必须保持平稳,不能发生位移和沉陷。
因此钻机安装就位时,底座应用枕木垫实塞紧,顶端用风纯固定平稳。
4.1.4制备泥浆
制备泥浆应选用塑性指数IP>10的粘性土或膨润土,对不同上层泥浆比重可按下列数据选用:
粘性土和亚粘土可以就地造浆,泥浆比重1.1-1.2间。
粉土和砂土应制备泥浆,泥浆比重1.5-1.25:
砂卵石和流砂层应制备泥浆,泥浆比重1.3-1.5。
4.2钻孔灌注桩施工
1、将钻机调平对准钻孔,把钻头吊起徐徐放人护筒内,对正桩位,启动泥
浆泵和转盘,等泥浆输到孔内一定数量后,方可开始钻孔。
具有导向装置的钻机开钻时,应慢速推进,待导向部位全部钻进土层后,方可全速钻进。
正循环钻机开孔时,应先启动泥浆泵和转盘,待泥浆进入孔内一定数量后,方可开始钻进。
用泵吸式反循环钻进时,钻头应距孔底20-30cm,防止堵塞吸渣口,在接长钻杆时,应注意接头紧密,防止漏气、漏水和钻杆松脱。
用气举式反循环钻开孔时,钻杆必须在钻孔内埋入水中约6m才能扬水排渣。
反循环钻进时,必须注意连续补充泥浆,维持护筒内应有的水头,避免坍塌。
2、钻孔应连续进行,不得间断,视土质及钻进部位调整钻进速度。
开始钻进及护筒刃脚部位或砂层、卵砾石层中时,应低档慢速钻进。
钻进过程中,要确保泥浆水头高度高出孔外水位0.5m以上,泥浆如有损失、漏失,应及时补充,并采取堵漏措施。
钻进过程中,每进2-3m应检查孔径、竖直度,在泥浆池捞取钻渣,以便和设计地质资料核对。
3、钻进时,为减少扩孔、弯孔和斜孔,应采用减压法钻进,使钻杆维持垂直状态,使钻头平稳回转。
4、终孔检查合格后,应迅速清孔,清孔方法有抽浆法(适用于孔壁不易坍塌的柱桩和磨擦桩、换浆法(用于正循环钻机)、淘渣法(适用于冲抓、冲击、成孔,掏渣后的泥浆比重应小于1.3)。
清孔时必须保证孔内水头、提管时避免碰孔壁。
清孔后的泥浆性能指标,沉渣厚度应符合规范要求。
不论采用何种方法清孔排渣,都必须注意保持孔内水头,防止坍孔。
5、清孔后用检孔器测量孔径,检孔器的焊接可在工地进行,监理工程师检验合格后,即可进行钢筋笼的吊装工作。
6、钢筋笼骨架,焊接时注意焊条的使用一定要符合规范要求,骨架一般分段焊接,长度由起吊设备的高度控制,钢筋笼的接长,可采用搭接焊或套管冷挤压连接等方法,钢筋笼安放要牢固,以防在碎浇筑过程中钢筋笼浮起,钢筋笼周边要安放圆的碎保护层垫块。
7、水下碎采用导管法进行灌注,导管内径一般为25-35cm,导管使用前要
进行闭水试验(水密、承压、接头抗拉),合格的导管才能使用,导管应居中稳步沉放,不能接触到钢筋笼,以免导管在提升中将钢筋笼提起,导管可吊挂在钻机顶部滑轮上或用卡具吊在孔口上,导管底部距桩底的距离应符合规范要求,一股0.25-0.4m,导管顶部的贮料斗内碎量,必须满足首次灌注剪球后导管端能埋入碎中0.8-1.2m,施工前要仔细计算贮料斗容积,剪球后向导管内倾倒碎宜徐徐进行防止产生高压气囊。
施工中导管内应始终充满碎。
随着碎的不断浇入,及时测量碎顶面高度和埋管深度,及时提拔拆除导管,使导管埋入碎中的深度保持2-6m问。
碎面检
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- 灌注 桩基础 设计