2011年一級建筑師建筑結(jié)構(gòu)輔導(dǎo)資料:建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)

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1 .概述
    深基礎(chǔ)是埋深較大,以下部堅實土層或巖層作為持力層的基礎(chǔ),其作用是把所承受的荷載相對集中的傳遞到地基的土層。因此,當(dāng)建筑場地的淺層土質(zhì)不能滿足建筑物對地基承載力和變形的要求,而又不適宜采取地基處理措施時,就要考慮采用深基礎(chǔ)方案了。深基礎(chǔ)主要有樁基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻和沉井等幾種類型,其中樁基礎(chǔ)是一種最為古老且應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)形式。
    樁是設(shè)置于土中的豎直或傾斜的柱型基礎(chǔ)構(gòu)件,其橫截面尺寸比長度小得多,它與連接樁頂和承接上部結(jié)構(gòu)的承臺組成深基礎(chǔ),簡稱樁基。承臺將各樁聯(lián)成一整體,把上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載轉(zhuǎn)換、調(diào)整分配于各樁,由穿過軟弱土層或水的樁傳遞到深部較堅硬的、壓縮性小的土層或巖層。樁所承受的軸向荷載是通過作用于樁周土層的樁側(cè)摩阻力和樁端地層的樁端阻力來支承的;而水平荷載則依靠樁側(cè)土層的側(cè)向阻力來支承。
    一般說來,下列情況可考慮采用樁基礎(chǔ)方案:
    ( 1 )天然地基承載力和變形不能滿足要求的高重建筑物;
    ( 2 )天然地基承載力基本滿足要求,但沉降量過大,需利用樁基減少沉降的建筑物,如軟土地基上的多層住宅建筑,或在使用上、生產(chǎn)上對沉降限制嚴(yán)格的建筑物;
    ( 3 )重型工業(yè)廠房和荷載很大的建筑物,如倉庫、料倉等;
    ( 4 )軟弱地基或某些特殊性土上的各類永久性建筑物;
    ( 5 )作用有較大水平力和力矩的高聳結(jié)構(gòu)物(如煙囪、水塔等)的基礎(chǔ),或需以樁承受水平力或上拔力的其他情況;
    ( 6 )需要減弱其振動影響的動力機器基礎(chǔ),或以樁基作為地震區(qū)建筑物的抗震措施;
    ( 7 )地基土有可能被水流沖刷的橋梁基礎(chǔ);
    ( 8 )需穿越水體和軟弱地層的港灣與海洋構(gòu)筑物基礎(chǔ),如棧橋、碼頭、海上采油平臺及輸油、輸氣管道支架等。
    樁基礎(chǔ)可分為低承臺樁基和高承臺樁基兩種。低承臺樁基的承臺底面位于地面以下,而高承臺樁基的承臺底面則高出地面以上。
    樁基是由樁、土和承臺共同組成的基礎(chǔ),設(shè)計時應(yīng)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗考慮樁、土、承臺的共同作用。大多數(shù)樁基的首要問題是在于控制其沉降量。因此,樁基設(shè)計應(yīng)按變形控制設(shè)計。
    樁基設(shè)計時,上部結(jié)構(gòu)傳至承臺上的荷載效應(yīng)組合與淺基礎(chǔ)相同。
    樁基設(shè)計應(yīng)滿足下列基本條件:
    ( 1 )樁承受的豎向荷載不宜超過單樁豎向承載力特征值;
    ( 2 )基礎(chǔ)的沉降不得超過建筑物的沉降允許值;
    ( 3 )位于坡地岸邊的樁基應(yīng)進(jìn)行樁基穩(wěn)定性驗算。
    此外,對于軟土、濕陷性黃土、膨脹土、季節(jié)性凍土和巖溶等地區(qū)的樁基,應(yīng)按有關(guān)規(guī)范的規(guī)定考慮特殊性土對樁基的影響,并在樁基設(shè)計中采取有效措施。
    對于軟土地基上的多層建筑,如果鄰近地表的地層具有一定厚度的所謂“硬殼層” , 由于采用淺基礎(chǔ)時的地基變形過大,因而需采用樁基來限制沉降量。在這種情況下,樁是作為減少沉降的措施而設(shè)置的,這種當(dāng)天然地基承載力基本滿足建筑物荷載要求而以減少沉降為目的設(shè)置的樁,特稱為“減沉樁”。減沉樁的用柱數(shù)量是根據(jù)沉降控制條件(即允許沉降量)計算確定的。
    2 .樁基礎(chǔ)的類型
    ( 1 )端承型樁和摩擦型樁。
    按樁的性狀和豎向受力情況,可分為端承型樁和摩擦型樁兩大類(圖 9 -5 )。
    1 )端承型樁。端承型樁是指樁頂豎向荷載由樁側(cè)阻力和樁端阻力共同承受,但樁端阻力分擔(dān)荷載較多的樁。
    當(dāng)樁的長徑比較?。ㄒ话?l / d≤10 ) ,樁身穿越軟弱土層,樁端設(shè)置在密實砂類、碎石類土層中或位于中等風(fēng)化、微風(fēng)化及未風(fēng)化硬質(zhì)巖石頂面(即人巖深度 hr≤0.5d ) ,樁頂豎向荷載絕大部分由樁端阻力承受,而樁側(cè)阻力很小可以忽略不計時,稱為端承樁。
    當(dāng)樁頂嵌人完整和較完整的中等風(fēng)化、微風(fēng)化及未風(fēng)化硬質(zhì)巖石一定深度以上(hr>0.5d )時,稱為嵌巖樁。嵌巖樁的樁側(cè)與樁端荷載分擔(dān)比與孔底沉渣及進(jìn)人基巖深度有關(guān),樁的長徑比不是制約荷載分擔(dān)的惟一因素。
    2 )摩擦型樁。摩擦型樁是指樁頂豎向荷載由樁側(cè)阻力和樁端阻力共同承受,但樁側(cè)阻力分擔(dān)荷載較多的樁。一般摩擦型樁的樁端持力層多為較堅實的勃性土、粉土和砂類土,且樁的長徑比不是很大。
    當(dāng)樁頂豎向荷載絕大部分由樁側(cè)阻力承受,而樁端阻力很小可以忽略不計時,稱為摩擦樁。例如: ① 樁的長徑比很大,樁頂荷載只通過樁身壓縮產(chǎn)生的樁側(cè)阻力傳遞給樁周土,因而不管樁端下土層堅實與否,其分擔(dān)的荷載都很小; ② 樁端下無較堅實的持力層; ③ 樁底殘留虛土或殘渣較厚的灌注樁; ④ 打人鄰樁使先前設(shè)置的樁上抬,甚至樁端脫空等情況
    ( 2 )預(yù)制樁和灌注樁。
    根據(jù)施工方法的不同,可分為預(yù)制樁和灌注樁兩大類。
    1 )預(yù)制樁。根據(jù)所用材料的不同,預(yù)制樁可分為混凝土預(yù)制樁、鋼樁和木樁三類。
    預(yù)制樁的沉樁方式主要有:錘擊法、振動法和靜壓法等。
    ① 錘擊法沉樁。錘擊法沉樁是用樁錘(或輔以高壓射水)將樁擊人地基中的施工方法,適用于地基土為松散的碎石土(不含大卵石或漂石)、砂土、粉土以及可塑赫性土的情況。錘擊法沉樁伴有噪聲、振動和地層擾動等問題,在城市建設(shè)中應(yīng)考慮其對環(huán)境的影響。
    ② 振動法沉樁。振動法沉樁是采用振動錘進(jìn)行沉樁的施工方法,適用于可塑狀的勃性土和砂土,對受振動時土的抗剪強度有較大降低的砂土地基和自重不大的鋼樁,沉樁效果更好。
    ③ 靜壓法沉樁。靜壓法沉樁是采用靜力壓樁機將預(yù)制樁壓人地基中的施工方法。靜壓法沉樁具有無噪聲、無振動、無沖擊力、施工應(yīng)力小、樁頂不易損壞和沉樁精度較高等特點。但較長樁分節(jié)壓入時,接頭較多會影響壓樁的效率。
    2 )灌注樁。灌注樁是直接在所設(shè)計樁位處成孔,然后在孔內(nèi)加放鋼筋籠(也有省去鋼筋的)再澆灌混凝土而成。灌注樁的橫截面呈圓形,可以做成大直徑和擴底樁,灌注樁可適用于各種類型的地基土。
    灌注樁可分為沉管灌注樁、鉆(沖、磨)孔灌注樁、挖孔灌注樁和爆擴灌注樁幾大類。同一類樁還可按施工機械和施工方法以及直徑的不同予以細(xì)分。
    3 .單樁豎向承載力的確定
    單樁豎向承載力的確定,取決于兩方面:其一,樁身的材料強度;其二,地層的支承力。設(shè)計時分別按這兩方面確定后取其中的小值。如按樁的載荷試驗確定,則已兼顧到這兩方面。
    按材料強度計算低承臺樁基的單樁承載力時,可把樁視作軸心受壓桿件,而且不考慮縱向壓屈的影響(取縱向彎曲系數(shù)為 1 ) ,這是由于樁周存在土的約束作用之故。對于通過很厚的軟戮土層而支承在巖層上的端承型樁或承臺底面以下存在可液化土層的樁以及高承臺樁基,則應(yīng)考慮壓屈影響。
    單樁豎向極限承載力 Qu由樁側(cè)總極限摩阻力Qsu和樁端總極限阻力Qbu組成,若忽略二者間的相互影響,可表示為:
    通常取安全系數(shù) K=2 。前已提及,由于側(cè)阻與端阻呈異步發(fā)揮,工作荷載(相當(dāng)于容許承載力)下,側(cè)阻可能已發(fā)揮出大部分,而端阻只發(fā)揮了很小一部分。因此,一般情況下 Ks < Kp ,對于短粗的支承于基巖的樁, Ks> Kp 。分項安全系數(shù) Ks 、 Kp的大小同樁型、樁側(cè)與樁端土的性質(zhì)、樁的長徑比、成樁工藝與質(zhì)量等諸多種因素有關(guān)。雖然采用分項安全系數(shù)確定單樁容許承載力要比采用單一安全系數(shù)更符合樁的實際工作性狀,但要付諸應(yīng)用,還有待于積累更多的資料。因此,現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) 《 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范 》 GB 50007-2002 仍采用單一安全系數(shù) K 來確定單樁豎向承載力。
    靜載荷試驗是評價單樁承載力諸法中可靠性較高的一種方法。
    《 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范 》 規(guī)定,單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過單樁豎向靜載荷試驗確定,對地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級的建筑物,可采用靜力觸探及標(biāo)貫試驗方法確定。初步設(shè)計時,單樁豎向承載力特征值可按下式估算:
    式中qpa為樁端巖石承載力特征值,可按國家標(biāo)準(zhǔn) GB50007 附錄 H 用巖基載荷試驗方法確定,或根據(jù)室內(nèi)巖石飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算:
    上述折減系數(shù)值未考慮施工因素及建筑物使用后風(fēng)化作用的繼續(xù),對于黏土質(zhì)巖,在確保施工期及使用期不致遭水浸泡時,也可采用天然濕度的試樣,不進(jìn)行飽和處理。
    四、高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計
    1 .高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計要求
    高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計,應(yīng)考慮下列要求:
    ( 1 )基底壓力不超過地基承載力或樁基承載力;不產(chǎn)生過大變形,更不能產(chǎn)生塑性流動。
    ( 2 )基礎(chǔ)的總沉降量和差異沉降應(yīng)在許可范圍內(nèi)。
    ( 3 )基礎(chǔ)底板,側(cè)墻和沉降縫的構(gòu)造,都應(yīng)滿足地下室防水的要求。
    ( 4 )在鄰近已有建筑物時,進(jìn)行基礎(chǔ)施工時,應(yīng)采取有效措施防止毗鄰房屋產(chǎn)生的影響,防止施工中因土體擾動使已建房屋下沉、傾斜和裂縫。
    ( 5 )基礎(chǔ)選型時要綜合考慮安全可靠技術(shù)先進(jìn),經(jīng)濟(jì)合理,使用要求和施工條件等因素。
    2 .基礎(chǔ)選型和埋置深度
    ( 1 )基礎(chǔ)的選型主要考慮以下因素:
    1 )上部結(jié)構(gòu)的層數(shù)高度和結(jié)構(gòu)類型。
    2 )地基土質(zhì)條件。
    3 )抗震設(shè)計的要求,水平力作用的大小。
    4 )施工條件和場地環(huán)境。
    一般說來,應(yīng)優(yōu)先采用有利于高層建筑整體穩(wěn)定、剛度較大能抵抗差異沉降,底面積較大,有利于分散土壓力的整體式基礎(chǔ),如:箱基和筏基。在層數(shù)較少的情況下或在裙房部分,可采用交叉梁式基礎(chǔ)。
    單獨基礎(chǔ)和條件基礎(chǔ)整體性差,剛度小,難以調(diào)整各部分差異沉降,除非基礎(chǔ)直接支承在微風(fēng)化或未風(fēng)化巖層上,一般不宜在高層建筑中應(yīng)用。在裙房中應(yīng)用時,必須在單獨柱基的兩個方向上加拉梁。
    當(dāng)?shù)叵率铱梢栽O(shè)置較多的鋼筋混凝土墻體時,則宜按箱基進(jìn)行設(shè)計比較有利;當(dāng)?shù)叵率易鳛檐噹臁⑸痰晷枰休^大空間時,則只能按筏形基礎(chǔ)設(shè)計。
    當(dāng)采用樁基時,宜盡量采用大直徑樁,使上部荷載直接由柱、墻傳給樁頂,這樣可使基礎(chǔ)底板受力很小,因此板的厚度較小,可節(jié)省大量鋼筋和水泥。
    ( 2 )基礎(chǔ)的埋置深度:
    1 )保證高層建筑在風(fēng)力和地震力作用下的穩(wěn)定性,防止建筑物產(chǎn)生滑移和傾覆。
    2 )增加埋深可以提高地基承載力,減少建筑物的沉降。
    3 )設(shè)置多層地下室有利于建筑物抗震。
    7~9 度時,天然地基時,基礎(chǔ)埋置深度不宜小于建筑物高度的 1 / 15 ;樁基時,不宜小于 1 / 18 。樁基的埋深指承臺底標(biāo)高,樁長不計在內(nèi)。 6 度還可適當(dāng)減小。基礎(chǔ)放在基巖上時,可不考慮埋深的要求,但要有可靠的錨固措施。