4．1．1 桩基础的概念
天然地基上的浅基础一般造价较低,施工简单,应尽量优先采用.但当上部建筑物荷载较大,而适合于作为持力层的土层又埋藏较深,用天然浅基础或仅作简单的地基加固仍不能满足要求时,常采用深基础方案.深基础主要有桩基础、沉井和地下连续墙等几种类型,其中以桩基础的历史最为悠久,应用最为广泛.我国古代早已使用木桩作为桥梁和建筑物的基础,如秦代的渭桥、隋朝的郑州超化寺、南京的石头城和上海的龙华塔等.随着近代科学技术的进步,桩的种类、桩基形式、施工工艺和设备,以及桩基础理论和设计方法都有了极大的发展,桩基础已广泛应用于工业与民用建筑、桥梁、铁路、水利、港口及采油平台等各工程部门.
桩基础由桩和承台两部分组成(图4．1).桩是垂直或微斜埋置于土中的受力杆件,其作用是将上部结构的荷载传递给土层或岩层.承台将桩群在上部联结成一个整体,建筑物的荷载通过承台分配给各桩,桩群再把荷载传给地基.
根据承台与地面的相对位置,一般可分为高承台桩基和低承台桩基.当承台底面位于土中时,称为低承台桩基[图4．1(a)];当承台高于地面时,称为高承台桩基[图4．1 (b)],高承台桩基常用于港口码头海洋工程及桥梁工程中.本章主要讨论低承台桩基设计问题.
桩基础一般承受竖直向下的荷载,但也可以承受一定的水平荷载和上拔力,如高压输电线塔[图4．1(c)]等高耸结构物的基础.
图4．1 桩基础示意图
桩基础具有承载力高、沉降小且均匀的特点,而且便于机械化施工,适应于各种不良土质.但是,桩基础也存在以下缺点:桩基础的造价一般较高,桩基础的施工比一般浅基础复杂(但比深井、沉箱等深基础简单),以打入等方式设桩存在振动及噪声等环境问题,而以成孔灌注方式设桩常对场地环境卫生带来影响.因此,在工程实践中对是否采用桩基础,需根据设计资料,从各方面作综合性的技术经济评价,再作定论.
4．1．2 桩基础的适用性
当建筑场地浅层的土质无法满足建筑物对地基变形和深度方面的要求,而又不宜进行地基处理时,就要利用下部坚实土层或岩层作为持力层,采用深基础方案.深基础主要有桩基础、墩基础、沉井和地下连续墙等几种类型,其中以桩基础应用最广泛.桩基已经成为土质不良地区修造建筑物,特别是高层建筑、重型厂房和各种具有特殊要求的构筑物广泛采用的一种基础形式.
桩基础一般由设置于土中的桩和承接上部结构的承台组成,桩顶埋入承台中.随着承台与地面的相对位置的不同,又有低承台桩基和高承台桩基之分.前者的承台底面位于地面以下,而后者则高出地面或水力冲刷线以上.在工业与民用建筑物中,几乎都使用低承台桩基,而且大量采用的是竖直桩,很少采用斜桩.桥梁和港口工程中常用高承台桩基,且较多采用斜桩,以承受水平荷载.
下列情况,可考虑选择桩基础方案:
(1)高层建筑或重要的和有纪念性的大型建筑,不允许地基有过大的沉降和不均匀沉降.
(2)重型工业厂房,如设有大吨位重级工作制吊车的车间和荷载过大的仓库、料仓等.
(3)高耸结构,如烟囱、输电塔或需要采用桩基来承受水平力的其他建筑.
(4)需要减弱振动影响的大型精密机械设备基础.
(5)以桩基作为抗震措施的地震区建筑.
(6)软弱地基或某些特殊性土上的永久性建筑物.
当地基上部软弱而下部不太深处有坚实地层时,最宜采用桩基.如果软弱土层很厚,桩端达不到良好土层,则应考虑桩基的沉降等问题.通过较好土层而达到软弱土层的桩,把建筑物荷载传到软弱土层,反而可能使基础的沉降增加.在工程实践中,由于设计方面或施工方面的原因,致使桩基础未能达到要求,甚至酿成重大事故者已非罕见.因此,桩基础也可能出现变形超过允许值和承载力破坏问题.
4．1．3 桩基础的设计规定
(1)桩基础应按下列两类极限状态设计:
①承载能力极限状态:桩基达到最大承载能力、整体失稳或发生不适于继续承载的变形.
②正常使用极限状态:桩基达到建筑物正常使用规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值.
(2)根据建筑规模、功能特征、对差异变形的适应性、场地地基和建筑物体形的复杂性以及由于桩基问题可能造成建筑破坏或影响正常使用的程度,应将桩基设计分为表4．1所列的三个设计等级,桩基设计时,应根据表4．1确定设计等级.
表4．1 建筑桩基设计等级
(3)桩基应根据具体条件分别进行下列承载能力计算和稳定性验算:
①应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行桩基的竖向承载力计算和水平承载力计算.
②应对桩身和承台结构承载力进行计算;对于桩侧土不排水,抗剪强度小于10k Pa且长径比大于50的桩,应进行桩身压屈验算;对于混凝土预制桩,应按吊装、运输和锤击作用进行桩身承载力验算;对于钢管桩,应进行局部压屈验算.
③当桩端平面以下存在软弱下卧层时,应进行软弱下卧层承载力验算.
④对位于坡地、岸边的桩基,应进行整体稳定验算.
⑤对于抗浮、抗拔桩基,应进行基桩和群桩的抗拔承载力计算.
⑥对于抗震设防区的桩基,应进行抗震承载力验算.
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