土木工程桩基础种类及适用特点分析.docx
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土木工程桩基础种类及适用特点分析
天津大学网络教育学院
专科毕业论文
题目：
土木工程桩基础种类及适用特点分析
完成期限：
2012年3月27日至2012年4月27日
学习中心天津大学年级2010级
专业建筑工程技术指导教师曲海富
姓名王春权学号10170142314
摘要
随着中国改革开放，经济建设快速发展，城市中各类高层建筑物拔地而起。
众所周知，建设一栋高层建筑物造价不菲，而作为高层建筑物的基础部分的造价往往在整个建筑物投资中占据了很大的比例。
高层建筑物的基础形式通常有：
柱下条形基础、片筏基础、箱形基础、桩基础和沉井基础。
其中，高层的基础往往采用桩基础。
因此，如何合理地选择桩基础形式，对于保证建筑物安全，节约投资、降低造价起着举足轻重的作用。
这就要求结构设计人员具有扎实的理论基础、丰富的工程经验，对工程地质勘察报告进行仔细分析，选择最合理的基础方案。
关键词：
发展；基础；结构；方案
土木工程桩基础种类及适用特点分
一、引言
桩基础在工程中有多方面的应用，拿房屋建筑工程来说，桩基应用于上层和下层的软固体的部位。
具体来说，以下是适合采用桩基础的情况：
（1）高层建筑物，天然地基承载力和变形不能满足要求的时候；
（2）基础薄弱，以及使用的地基加固技术是不可行或经济上不合理的时候；（3）地基软硬不均或荷载分布不均，天然地基不能满足结构差异沉降要求的时候；（4）地基土质不稳定，如液化土、湿陷性黄土、季节性冻土、膨胀土等等，需要使用桩基荷载传至深层土壤稳定的土层的时候；（5）建筑物受到邻近建筑物或地面荷载效应的影响，会产生过量沉降或倾斜。
桩基已成为软弱地基上高、重建筑物、桥梁、码头、海洋平台等结构的经常用到的基础形式。
根据在学校学到的知识以及在建筑工地实习的经验，我就以下几方面对最常用的人工挖孔桩基础、预制桩、灌注桩以及预应力混凝土管桩基础等四种桩基础形式谈谈个人认识。
二、桩基的概述
（1）桩基的类型
1、根据持力情况分为端承桩和摩擦桩
穿过软土层而到达深层的坚实土层，其上部荷载主要由桩尖阻力来承受，主要以贯入度为主在施工的时侯，桩尖进入持力层的深度和标高可供参考，这是端承桩；摩擦桩只是打入软弱土层一定的深度将软弱土层挤密，目的是提高土壤的密实度和承载力，桩尖阻力和桩身侧面与土之间的摩擦力共同承受上部结构的荷载，施工时要以控制桩尖的标高为主，其贯入度可做参考。
2、根据施工方法可以分为预制桩和灌注桩
预制桩依据将桩沉入土中的方法不同又分为打入桩、静力压桩、振动沉桩和水冲桩等。
灌入桩首先是在桩位处成孔，然后放入钢筋骨架，最后再浇筑混凝土而成的桩，灌注桩按照成孔方法的不同分为泥浆护壁成孔、干作业成孔、套管成孔及爆破成孔等几种灌注桩。
（2）桩基础类型的选择
在桩型选择的时候，应该根据工程地质的情况、结构的类型以及荷载的大小、施工环境及施工机械等综合因素的确定。
桩基础类型的选择应根据工程的性质、地质的情况、施工的条件、施工对环境的影响以及综合经济效益等因素进行比较后择优采用。
（1）当浅部的地层比较软弱的时侯,地基的承载力或变形不能满足承载力设计的要求时,虽然可以采用浅基础,但是在不经济的时侯可以采用桩基础。
（2）桩端的持力层应该选择比较硬的土层或岩层。
桩端进入持力层的深度,对于粘性土、粉土、砂土、全风化、强风化软质岩等,不应该小于2d,对于卵石、碎石土、强风化硬质岩等,不应该小于1d。
桩端进入中、微风化岩的嵌岩桩,桩全断面嵌入岩层的深度不应该小于0.5m。
嵌入灰岩或其他微风化硬质岩时,嵌岩深度可以合理的减少,但是应该小于0.2m。
（3）当桩周围存在可液化的土层时,基桩应予穿过,进入稳定土层的深度应该由计算来确定。
（4）岩溶地区的桩基不适合采用直接支承于基岩面上的预制桩。
岩溶地区目前采用CM桩三维高强复合地基处理岩溶地基基础。
C桩可采用钻孔灌注桩、沉管桩、长螺旋压灌桩、预应力管桩。
三、桩基础种类及适用特点
（1）人工挖孔桩
1、人工挖孔桩现状
一般情况下，工程地质和水文地质条件比较好并且持力层埋藏比较浅的工程适合使用人工挖孔桩，或者是在没有水或水比较少并且比较密实的粘土或其它比较坚硬的地层。
人工挖孔桩这种桩型有一定的适用范围，并且是在地下水位以上施工，适用于人工填土、粘性土、粉土、砂土、碎石土和风化岩石，以及黄土、膨胀土和冻土地区，不适用于软土、流砂土层及地下水比较丰富和水压较大的区域。
我觉得以下一些情况比较适合采用人工挖孔桩：
1.竖向荷载比较大的高层建筑或高耸构筑物，对限制倾斜和不均匀沉降有特殊要求的建筑物;
2.有大吨位级吊车的重要厂房;
3.建筑物荷载较大，采用天然基础沉降较大，或建筑物比较重要，不允许有过大沉降的情况;
4.有大面积堆载的建筑物，如仓库、港口集装箱堆场等，容易给软弱地层带来严重的变形和不均匀的沉降，对本建筑或者相邻的建筑物将造成危害，这类建筑物适合采用人工挖孔桩来避免严重变形和不均匀的沉降;
5.不宜作为基础持力层的时候，如地表软弱土层比较厚、地表局部有暗流、深坑、有古河道等;
6.可能引起不均匀沉降或滑坡的地方，如山区、坡地的覆土层厚薄程度相差较大、变化梯度较大等；
7.场地的上部有可液化土层，为满足地震设防要求，需要用桩穿过液化层，将荷载传递到深部非液化土层上的时候;
8.因生产工艺对地基沉降与沉降速率有严格要求的厂房或者是有些承受动力荷载的设备基础。
因此，人工挖孔桩有广泛的的用途。
但由于人工挖孔桩是在地下或水下开孔灌注成桩，桩身质量不可能象预制桩那样稳定而可靠，混凝土强度也难保证;桩侧阻力和桩端阻力在较大程度上受施工操作影响。
另一方面，由于其承载力高，进行常规的静载试验常常难以测定其极限荷载，因此对在各种条件下形成的桩的受力、变形和破坏机理至今犹未完全弄清楚，系统的试验研究还不够多，设计计算理论与方法有待进一步完善。
这都是人工挖孔桩迫切需要解决的问题。
2、人工挖孔桩设计
（1）桩型的选择及桩的布置
桩型与工艺选择应根据建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境、施工经验、制桩材料供应条件等，选择经济合理、安全适用的桩型和成桩工艺。
人工挖孔桩一般采用一柱一桩，按《建筑桩基技术规范（JGJ94一94）》扩底端最小中心距为l.5D或D十1m（D为扩大端设计直径）。
（2）选择桩的桩长、截面尺寸及配筋
根据上部结构的荷载传递情况及地基土层分布情况，选择各主体建筑的桩长、截面尺寸及配筋。
确定桩长的关键，在于选择桩端持力层。
按《建筑桩基技术规范（JGJ94一94）》，一般应选择较硬土层作为桩端持力层。
桩端全断面进入持力层的深度，对于粘性土、粉土不宜小于2d，砂土不宜小于1.5d，碎石类土，不宜小于1d。
当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于4d。
当硬持力层较厚且施工条件许可时，桩端全断面进入持力层的深度宜达到桩端阻力的临界深度。
（3）人工挖孔桩的施工要求
根据《建筑桩基技术规范（JGJ94一94）》，人工挖孔桩的施工有如下要求:
1.开孔之前，桩位应该定位放样准确，在桩位外要设置好定位龙门桩，在安装护壁模板时，必须用桩心点校正模板的位置，并且要由专门人员来负责。
2.第一节井圈护壁应该符合以下规定：
a.井圈中心线与设计轴线的偏差不能大于20mm；
b.井圈顶面应该比场地高出150至200mm，壁厚比下面的井壁厚度增加100至150mm；
3.修筑井圈护壁应该遵守以下规定：
a.护壁的厚度、拉结钢筋、配筋、混凝土强度都应该符合设计的要求;
b.上下节护壁的搭接长度不能小于50mm;
c.每节护壁都应该在当天连续施工完毕;
d.护壁的混凝土必须保证密实度，根据土层渗水的情况合理使用速凝剂;
e.护壁模板的拆除应该在24h之后进行;
f.发现护壁有蜂窝、漏水现象的时侯，需要及时采取措施以防造成事故;
4..遇有局部或厚度不大于1.5m的流动性淤泥和可能出现涌土涌砂的时侯，护壁施工应该按照以下方法处理:
a.每节护壁的高度可减小到300至500mm，并随挖、随验、随浇注混凝土;
b.采用钢护筒或有效的降水措施;
5.挖至设计标高时，孔底不能积水，终孔后应清理好护壁上的淤泥和孔底残渣、积水，然后进行隐蔽工程的验收。
验收合格后，应该立即封底和浇注桩身混凝土;
6.在浇注桩身混凝土的时侯，混凝土必须通过溜槽;当高度超过3m的时侯，应使用串筒，串筒末端离孔底高度不应大于2m，混凝土适合采用插入式振捣器振实;
7.当渗水量过大，影响到混凝土浇注质量的时侯，应当采取有效措施保证混凝土的浇注质量。
（2）预制桩
1、预制桩的特点
优点:
桩本身的质量十分容易进行检查和保证,这种桩对于水下施工比较适用,而且其桩身是密度很大的混凝土,所以抗腐蚀的能力很强;工地机械化施工程度高,现场整洁,不会发生钻孔灌注桩工地泥浆满地流的脏污情况,也不会出现人工挖孔桩工地到处抽水和堆土运土的忙乱景象;施工周期短,一是施工前期准备时间短,尤其是PHC桩,从生产到使用的最短时间只需三四天;二是沉桩速度快,一栋2—3万平方米建筑面积的高层建筑,一个月左右便可完成沉桩;三是检测时间短,一般工程二、三个星期便可测试检查完毕;施工中由于压桩引起的应力比较小,并且桩身在施工过程中不会出现拉应力,桩头一般都是完好无损的,复压比较容易;单桩承载力高。
由于挤压作用,管桩承载力要比同样直径的沉管灌注桩或钻孔灌注桩高;对持力层起伏变化大的地质条件适应性强。
因为管桩的桩节长短不一,通常4—16m一节,搭配比较灵活、方便,在施工现场可以随时根据地质条件的变化调整接桩长度,节省用桩量。
缺点:
预制桩很难把比较坚硬的底层穿透,当坚硬的地层下面还有需要穿过去的相对来说软弱一些的土层的时候,就需要借助其他的施工设施和方法;预制桩作为挤土桩,在施工时很容易使周围的地面发生隆起,有的时候还可能使得已经安置好的邻位的桩发生上浮;预制桩的价格比灌注桩要高,因为预制桩是根据搬用、吊装以及压入桩的应力进行设计的,所以比正常的工作的载荷要求要大很多,所用到的钢量也很大,此外,在接装的过程中,还要增加一定的费用;而由于受到起吊成本的能力的制约,单节桩不要选择太长的使用,通常一般的就可以了。
2、预制桩的适用条件
预制桩对于那些持力层的上面覆盖着一层松软的土层,同时中间的夹层不会是很坚硬的等条件下比较适用。
对于大面积打桩的工程,因为这个工作的工序比较简单,工作的效率比较高,所以,如果打桩的个数比较多时,可以把预制具有较高的价格的这个缺点抵消掉,这样就节省了基础建设的投资规模。
3、预制桩静压施工工艺
静压法施工是通过静力压桩机的压桩机构自重和桩架上的配重作反力将预制桩压入土中的一种成桩工艺。
静压预制桩主要应用于软土,一般粘性土地基。
在桩压入过程中,系以桩机本身的重量（包括配重）作为反作用力,以克服压桩过程中的桩侧摩阻力和桩端阻力。
当预制桩在竖向静压力作用下沉入土中时,桩周土体发生急速而激烈的挤压,土中孔隙水压力急剧上升,土的抗剪强度大大降低,从而使桩身很快下沉。
4、预制桩静压施工质量控制要点
（1）严格检查预制桩的质量
仔细检查进场管桩的产品质量保证书、检测报告齐全并符合相关的要求。
对于检测高强预应力混凝土管桩的质量时，重点检测混凝土抗压强度是否满足设计要求。
管桩外观表面是否存在裂纹、桩端桩体表面是否平坦、桩身的弯曲度、壁厚、桩径等指标也应当遵守标准和规范的要求。
（2）合理安排预制桩的运输、堆放和起吊
预应力高强混凝土管桩在运输和堆放时,应考虑自重和支点设置变化可能在桩体内产生影响桩身质量的大小不等的内力。
要求堆放管桩的场地必须平整、坚实,并应有排水措施;底层管桩均应按设计要求设置垫木,并挡以楔形木防止滚动。
管桩堆放的层数应当符合设计的要求,禁止层间垫木上下错位设置。
管桩应该按计划分批进场、分类堆放,并应结合施工总平面图和打桩的顺序,在不影响桩机运行的情况下,尽量靠近打桩区域堆放,以避免二次盘桩等现象。
预应力高强混凝土管桩虽然是预应力构件,但是由于长细比大,壁厚小,自重大,在起吊中可能产生较大的动荷载。
选择正确的起吊点、增大绑扎的接触面积以及在起吊过程中尽量减少桩体晃动或其他碰撞等。
（3）合理安排沉桩顺序
工程实践表明:
挤土隆起多发生在打桩前进的方向。
因此为了保护附近的建筑物等,群桩宜采取由近而远的施打顺序。
然后,控制压桩施工进度。
适当控制压桩施工速度,为超静孔隙水压力消散提供合适时间;实际工程中,这样做可能会延长施工工期,但有时还是需要的。
最后,沿被保护建筑物等外围打设防护桩或者先施工较深基坑周围支围护结构（如钢板桩、地下连续墙等）,利用其约束沉桩带来的挤土影响,此时施工需与设计紧密结合,保证足够的基础承载能力和科学的可施工性。
（3）灌注桩
1、概念
灌注桩是指在建筑工地现场成孔，并在现场灌注混凝土时制成的桩，是用桩机设备在施工现场就地成孔或者是采用人工挖孔，在孔内放置钢筋笼，它的深度和直径应该根据工程的地质报告，由设计单位所决定。
2、特点
（1）适用于不同的土层；
（2）桩长可因地而改变，没有接头。
目前钻孔灌注桩的直径已达2.0米，有的桩长达88米，例如上世纪80年代修建的济南黄河斜拉桥的钻孔灌注桩的直径为1.5米，桩长达82至88米;
（3）在只承受轴向压力的时侯，只需要配置少量的构造钢筋。
需配置钢筋笼的时侯，要按照工作荷载的要求布置，节约了钢材;
（4）单桩承载力较大（采用大直径钻孔和挖孔灌注桩时）；
（5）一般情况下比预制桩经济实用；
（6）桩身质量不好控制，容易出现断桩、缩颈、露筋和夹泥的现象；
（7）桩身直径比较大，孔底沉积物不容易清除干净（除人工挖孔灌注桩外），因而单桩承载力变化比较大；
（8）通常不适用于水下桩基。
但在桥桩（大桥）的施工中，有采用钢围堰（大型桥梁）中进行水钻灌注桩的施工，如南京长江二桥在进行桥桩施工的时侯，采用大直径围堰，然后在围堰中进行水钻灌注桩施工的工艺，保证了桩基施工的质量。
3、灌注桩的适用条件
（1）沉管灌注桩
沉管灌注桩，现在已经广泛用于多层住宅房建当中，有时采用单打，有时采用复打的工艺，主要根据土层的松软程度和单桩的承载力来决定。
适用于持力层层面起伏比较大、且桩身穿越的土层主要为高、中压缩性粘性土；对于桩群密集，并且为高灵敏度软土时则不适用。
由于该桩型的施工质量很不稳定，所以有时会限制使用。
（2）水钻孔灌注桩
此类桩除了在碎石土、自重湿陷性黄土、砾石层中不适合使用，其余土层基本上都适用。
目前，对单桩承载力较大的高层建筑、大跨度的工业厂房、大型桥梁等工程中，基本都使用了水钻孔灌注桩。
（3）螺旋钻孔灌注桩
螺旋钻孔灌注桩适用于基本无地下水，且桩长有一定限制，一般不能穿过卵石砾石层，这种桩形属非挤土型干钻孔桩，不需要泥浆护壁，因此施工工期比水钻孔灌注桩要短，现场无泥浆污染。
（4）冲孔灌注桩
这种桩采用冲击钻头成孔，孔径的大小与冲击的能量有关。
冲孔灌注桩适合于地下水位以上的各类土质。
但是孔径相对较大，克服地基障碍的能力很强，深入岩基较深；一般桥梁桩基、高层建筑大多采用冲孔桩；但是受到施工条件的限制，例如附近有建筑物的时候，冲孔时振动会受到影响，因此附近有建筑物时不适合采用冲孔灌注桩。
4、管桩
（1）发展现状
目前预应力管桩的研究方向主要集中在预应力管桩竖向极限承载力计算上，主要有两种方法：
一是利用桩身结构强度来确定单桩竖向极限承载力及桩身最大允许的轴向压力。
二是按照土体的强度和土体的变形来确定单桩竖向极限的承载力。
确定单桩承载力经常使用的方法如下：
1.静力学计算法：
依据静力学原理，根据预应力管桩单桩竖向承载机理分析桩侧阻力、桩端阻力，并利用岩土的强度参数估算出单桩竖向的承载力。
这种方法只能用于工程初步的设计阶段。
2.原位测试法：
通过对场地内工程桩进行静载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验和旁压试验等，来确定桩侧阻力与桩端阻力等单桩承载力的资料。
3.经验公式法：
根据同一地区大量单桩静载荷试验资料和桩周土层的物理力学参数，对管桩承载力值进行回归分析。
找出侧摩阻力、端阻力与桩周土层物理力学指标间的关系并建立回归公式，估算单桩竖向极限承载力。
4.原型试验法：
是最可靠的极限承载力确定方法，该方法不但能够确定桩的极限承载力，而且可以埋设测试元件，获得竖向荷载传递过程中桩侧阻力、桩端阻力、荷载-沉降关系等诸多资料。
（2）管桩的工艺分类
预应力管桩生产工艺主要采用预应力张拉技术和离心制管技术，其桩身主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍组成，是目前基础设计中不可缺少的桩基材料。
预应力混凝土管桩按照预应力张拉工艺，可分为先张法预应力管桩和后张法预应力管桩。
预应力管桩按混凝土强度又可分为普通预应力管桩和高强度预应力管桩。
（3）管桩适用特点
1.单桩承载力高,严格按照国标GB13476-92标准生产,其混凝土强度等级不低于C80级,具有高强性能,可作为高层、超高层建筑的基础。
2.应用范围广。
桩身耐腐性能好,规格长度容易调整,使设计选用范围广,容易布桩。
3.抗弯性能好。
管桩选用高强度、低松驰的阴螺纹钢筋作为预应力的主筋,使桩身具有较高的预压应力,其抗弯、抗裂性能良好。
4.成桩质量可靠。
由于采用工厂预制的生产方式,能利用先进的工艺和设备,产品质量容易保证,且成桩质量监测方便。
5.桩身抗裂性好,穿透力强。
6.造价低廉。
其单位承载力价格仅为钢桩的1/3-2/3,节省钢材。
7.施工速度快,工期短。
管桩在工厂商品化生产,能按施工要求及时供桩,施工前期准备时间短,一般能缩短工期一~二月。
8.施工现场文明。
施工现场无砂石、水泥、无泥浆污染,对施工现场狭窄的工程特别有利。
四、总结
桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀等优点,能以不同的桩型和施工方法适应不同的地质条件和上部结构特征。
随着科学技术的发展,桩的种类和型式、施工工艺和设备以及桩基理论和设计方法都会有很大的改进,并且桩基础的设计是一项十分繁重而复杂的工作，结构设计人员一定要慎重考虑每一个环节，统筹兼顾，不仅要保证建筑物的结构安全，而且要使设计经济合理。
我们要根据工程中地质的具体资料,从工程的相关特性来进行选择和使用。
尽量达到效益上的最大化,把技术和经济有机地结合起来,真正达到经济上最大的收益。
本文所做的分类包含了目前常用的桩基结构及选择要点,以期能为桩基础施工提供借鉴。
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