建筑桩基础设计分析
【摘要】桩基础在建筑设计与施工中已经达到广泛的应用。桩基础在设计中需要关注的问题很多,比较突出的有单桩竖向承载力的确定;桩基的静载荷试验;桩长细比的合理确定以及 桩偏差的控制和处理。 【关键词】桩基础单桩承载力静载荷试验桩长细比 1、桩的类型及桩基础的形式 1.1 桩的类型 (1)按传力及作用性质分,可分为端承桩和摩擦桩。 (2)按桩的功能分,有受压桩、横向受荷桩、抗拔桩、锚桩、护坡桩等。 (3)按桩的制作和施工方法,可以分为预制桩和灌注桩。常用的预制桩有钢筋混凝土桩,木桩,钢桩等。常用的灌注桩有沉管式灌注桩和钻孔灌注桩等。 (4)按成桩时桩对基础的扰动影响可分为非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩。 1.2 建筑桩基础的形式 (1)桩�柱基础 桩�柱基础即柱下独立基础,可采用一柱一桩或一柱数桩基础。为了加强基础结构的整体性,特别是提高其抵御水平荷载的能力,在各个桩�柱基础之间通常设置拉梁相互连接,或将地下室底板适当加强。桩�柱基础是框架结构或含有部分框架结构(例如框剪结构、框筒结构等)高层建筑的一种造价较低的基础型式,有较严格的适用条件。单桩的柱基一般只适应于端承桩,群桩的柱基多用于摩擦桩的情况。 (2)桩�梁基础 桩�梁基础是指框架柱荷载通过基础粱(或称承台梁)传递给桩这种形式的桩基础。沿网轴线布置一排或多排桩,桩顶用刚度很大的基础梁相连,以便将柱网荷载较均匀地分配给每根桩,它比仅靠拉梁相连的桩�柱基础具有较高的整体刚度和稳定性,在一定程度上具有调整不均匀沉降的能力。一般说来,桩�梁基础主要适用于端承桩的情况。 (3)桩�墙基础 桩�墙基础是指剪力墙或实腹筒壁下的单排或多排桩基础。剪力墙可看作特殊的深度,以其巨大的刚度足以把荷载较均匀地传给各支承桩,无须再设置基础梁。 (4)桩�筏基础 当受地质或施工条件限制,单桩的承载力不高,而不得不满堂布桩或局部满堂布桩才足以支承建筑荷载时,常通过整块钢筋混凝土板把柱、墙(筒)集中荷载分配给桩。沿袭浅基础的分类习惯将此板称为筏,故这类基础为桩�筏基础。筏可做成梁板式或平板式。桩�筏基础主要用于软土地基上的简体结构、框剪结构,以便借助高层结构的巨大刚度来弥补基础刚度的不足。不过,若为端承桩基,则可用于框架结构。 (5)桩�箱基础 桩�箱基础系由底板、顶板、外墙和若干纵墙内隔墙构成的空箱结构把上部荷载分配给桩,由于其刚度很大,具有调整各桩受力和沉降的良好性能,因此在软弱地基土上建造高层建筑时较多采用基础型式。它适用于包括框架结构在内的任何结构型式。采用桩�箱基础的框剪结构高层建筑可达百米以上的高度。 一般认为,桩�箱基础是一种可以在任何适合于桩基的地质条件下建造任何结构型式的高层建筑的“万能式桩基”。不过这并不是说它在任何情况下都合适,这里关键是造价。桩�箱基础是各种桩基中造价最高的,因此必须在全面的技术经济分析基础上再做出选择。 2、桩基础设计若干问题分析 2.1单桩竖向承载力的确定 桩基础设计在确定桩的类型后,应根据建筑桩基的安全等级、荷载效应及地质条件确定单桩的竖向承载力。单桩的竖向极限承载力是指单桩在竖向荷载的作用下达到破坏前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载,它取决于桩身材料强度和地基土对桩的承载力,一般由地基土对桩的承载力控制,但对于超长桩、端承桩和桩身质量有缺陷的桩可能由桩身材料强度控制。 单桩竖向承载力依据《枣筑桩基技术规范JGJ94―94》规定,应按下列原则确定:一级建筑桩基应采用现场静载荷试验并结合静力触探、标准贯入等原位测试方法综合确定;二级建筑桩基应根据静力触探、标准贯入、经验参数等估算并参考地质条件相同的试桩资料综合确定,当缺乏可参照的试桩资料或地质条件复杂时,应由现场静载荷试验确定;三级建筑桩基如无原位测试资料时,可利用承载力经验参数估算。 2.2桩基的静载荷试验 目前的桩基础设计过程,往往受到时间的约束首先根据地质报告提供的参数确定单桩承载力设计值,根据这个估算的单桩承载力直接进行桩基础设计并施工,等工程桩施工结束后再挑选试桩进行静载荷试验。这个过程具有相当的不科学性,如结果符合估算要求,则皆大欢喜,否则因工程已施工完毕补桩也会很困难。且有时因地质报告有出入会给施工中带来相当的不便。这里主要有两个问题,下面举例来说明。一是根据地质报告提供的桩周土摩擦力标准值及桩端土承载力标准值由规范JGJ94―94计算的场区单桩承载力标准值,这是一个经验数值,不宜直接采用。近几年来通过各类桩基础中试桩及工程桩的检测,发现绝大多数桩的实际承载力均大于计算值,有些相差幅度较大,因此按试桩获得的实际承载力将会比按勘察报告估算的承载力来布置基础将产生巨大的经济效益。其二是当场地不均匀或地质报告数值有偏差的情况下,不进行试桩而直接按地质报告进行工程桩施工将给施工带来巨大的困难且造成不必要的浪费。桩基础设计过程中静载荷试验是一个十分重要的环节。因为此项工作质量直接影响到桩基形式、桩规格和桩人土深度的确定,同时也对施工难易有密切影响。通过科学试验,取得准确数据,能使设计方案更加合理、可行和经济,远远超过缩短工期所获得的效益。 2.3桩长细比的合理确定 桩基础设计中对桩型及桩长的合理选择均会对基础设计产生重大的影响,合理的桩型、桩长选择将产生巨大的经济效益。一些设计者在工程设计中仍以长细比来控制桩长或桩径,造成工程桩的不必要的浪费。长细比限值主要是为了保证桩身不产生压屈失稳,以及考虑施工条件的要求,对于端承桩因有一较坚硬的不变形的持力层,在桩顶竖向荷载的作用下,桩身若过于细长,可能会像压杆一样出现失稳破坏。而对于摩擦型桩,桩身应力向下衰减,且桩会随着荷载加大而产生沉降,不会产生压屈失稳,所以不需考虑长细比的限制。随着高层建筑的发展,超长桩及长桩应用广泛,而长细比限值制约了长桩的使用。根据我国的实际情况,迄今为止尚未发现质量正常的低承台桩在使用过程中出现压屈失稳的例子,所以规范不再提长细比的要求了。但具体应用中如遇到桩周土软弱或可液化,或8度以上地震区的情况,当桩身强度控制设计时,仍应慎重对待,可按相关规范验算桩身压屈。 2.4 桩偏差的控制和处理 桩基施工中对桩的偏差必须严格控制,特别是对于承台桩及条形桩,桩位的偏差都将产生很大的附加内力,而使基础设计处于不安全状态。对于桩位偏差主要控制两个方面,其一是竖向偏差,根据JGJ94―94第7.4.12条我们控制桩顶标高的允许偏差为-50~+100mm,但实际施工中偏差这么大将引起繁重的施工任务及损失。当桩顶标高高于设计标高,则需要劈桩,特别对于预应力管桩等空心桩来说,桩顶有桩帽劈桩既困难又不经济,而当桩顶标高低于设计标高时,又需要补桩头,这既影响工期又浪费金钱。这就要求施工单位在施工过程中必须严格控制桩顶标高,尽可能地使工程桩标高同设计一致,特别是施工过程中必须考虑到桩在卸载后的回降量,否则不加考虑则每根桩都将高于设计标高。而我们设计人员在设计过程中对施工误差亦应有所考虑,设计中可以考虑2mm左右的偏差容许,这样就可以免除大量小偏差桩的劈桩,这在实践工程中具有相当的可操作性,避免了大量不必要的工作。其二则是桩位的水平偏差。根据JGJ94―94第7.4.11条控制各桩位偏差,施工过程中发现桩位偏差较大则应及时补桩处理。这里针对4~16根承台的桩基,JGJ94―94规范第7.4.11条中规定允许偏差为1/3桩径或1/3边长,而根据GB50202―2002第5.1.3条则规定允许偏差为1/2桩径或边长。这显然是矛盾的。在实际过程中很容易与施工验收方产生不同的理解,因此在设计过程中可以明确桩位偏差允许值所执行的标准。当然桩位偏差满足规范或设计要求仅仅代表桩基本身验收合格,而对于由此引起的承台整体偏心或基础高度损失,必须另行处理。对于桩偏心可以采取增加承台刚度或加大拉梁刚度、配筋来解决,这在实际工程中需针对具体情况相应处理。 参考文献: [1] 张小松.探讨桩基础设计中值得注意的问题.科技信息,2009年第3期。 [2] 吴盛有.浅谈桩基施工技术设计与施工控制.中国高新技术企业,2009第年1 第。