桩基础的应用范围及作用

当地基浅层土质不良，采用浅基础无法满足结构物对地基强度、变形、稳定性的要求时，往往需要采用深基础方案。深基础有桩基础、沉井基础、地下连续墙等几种类型，其中应用最广泛的是桩基础。桩基础具有较长的应用历史，我国很早就成功地使用了桩基础，如南京的石头城、上海的龙华塔及杭州的湾海堤等。随着工业技术和工程建设的发展，桩的类型、成桩的工艺、桩的设计理论及检测技术发展迅速，已广泛地应用于高层建筑、桥梁、港口和水利工程中。

一、桩基础的概念及特点

（一）桩基础和基桩定义

桩基础：通过承台把若干根桩的顶部联结成整体，共同承受动静荷载的深基础。

基桩：设置于土中的竖直或倾斜的基础构件，其作用在于穿越软弱的高压缩性土层或水，将桩所承受的荷载传递到更硬、更密或压缩性更小的地基持力层上，如图6－1所示。

图6－1 桩基组成

（二）桩基础特点

（1）承载力高、稳定性好、沉降量小；

（2）深基础施工需要专门的设备，如打桩机、挖槽机、泥浆搅拌设备等；

（3）深基础的技术较为复杂，必须由专业技术人员负责施工技术和质量检查；

（4）与其他深基础比较，施工造价低。

（三）桩基础的适用范围和设计原则

1．桩基础适用范围

（1）当地基软弱、地下水位高且建筑物荷载大，采用天然地基，地基承载力不足时，需采用桩基础。

（2）当地基承载力满足要求，但采用天然地基时沉降量过大，或当建筑物沉降要求严格、建筑等级较高时，需采用桩基础。

（3）高层或高耸建筑物需采用桩基础，可防止在水平力作用下发生倾覆。

（4）建筑物内、外有大量堆载会造成地基过量变形而产生不均匀沉降，或为防止对邻近建筑物产生相互影响的新建建筑物，需采用桩基础。

（5）设有大吨位的重级工作制吊车的重型单层工业厂房可采用桩基础。

（6）对地基沉降及沉降速率有严格要求的精密设备基础可采用桩基础。

（7）地震区、建筑物场地的地基土中有液化土层时，可采用桩基础。

（8）浅土层中软弱层较厚，或为杂填土或局部有暗滨、溶洞、古河道、古井等不良地质现象时，可采用桩基础。

2．桩基础设计原则

《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）规定：建筑桩基设计与建筑结构设计一样，应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠度指标来度量桩基的可靠度，采用分项系数的表达式进行计算。桩基的极限状态分为两类：

（1）承载能力极限状态：对应于桩基达到最大承载能力导致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：对应于桩基达到建筑正常使用所规定的变形值或达到耐久性要求的某项极限。

根据桩基破坏造成建筑物的破坏后果（危及人的生命、造成经济浪费、产生社会影响）的严重性，桩基设计师应按表6－1确定相应的安全等级。

表6－1 建筑桩基安全等级

（四）桩基础的类型

1．按桩的承台与地面相对位置的高低分类

桩基础可分为低承台桩基和高承台桩基两种。低承台桩基的承台底面位于地面以下（图6－2），高承台桩基的承台底面高出地面以上（图6－3）。在工业与民用建筑中，几乎都使用低承台桩基础，而且大量采用竖直桩，斜桩则较少用。但在桥梁、港湾和海洋构筑物等工程中，常使用高承台桩基础，且多用斜桩，以承受较大的水平荷载。

图6－2 低承台桩基础

图6－3 高承台桩基础

2．按桩的承载性状分类

（1）摩擦桩。(www.xing528.com)

①摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩侧阻力承受，即纯摩擦桩，桩端阻力可忽略不计，如长径比很大，桩顶荷载通过桩侧阻力传递给桩周土，桩端阻力很小；桩端下无较坚实的持力层，如图6－4（a）所示。

②端承摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，桩端阻力占少量比例，如图6－4（b）所示。

（2）端承桩。

①端承桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩端阻力承受。较短的桩，桩端进入微风化或中等风化岩石时，为典型的端承桩，此时桩侧阻力忽略不计。端承桩就是桩顶极限荷载绝大部分由桩端阻力承担，而桩侧阻力可以忽略不计的桩。这种桩其长径比较小（l／d＜10），桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中等风化微风化及新鲜基岩顶面，如图6－4（c）所示。

②摩擦端承桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受，桩侧摩擦力占的比例较小，但不能忽略不计，如图6－4（d）所示。

例如，预制桩截面400mm×400mm，桩长5．0m，桩周土为流塑状态黏性土，桩端土为密实粗砂，则此桩为摩擦端承桩，桩侧摩擦力约占单桩承载力的20％。

图6－4 按桩的承载性能分类

3．按桩的使用功能分类

（1）竖向抗压桩：大多数建筑桩基础为抗压桩。

（2）竖向抗拔桩：如高压输电塔的桩基础，因偏心荷载很大，桩基可能受上拔力，成为抗拔桩。

（3）水平受荷桩：如深基坑护坡桩，承受水平方向土压力作用，为水平受荷桩。

（4）复合受荷桩：桩承受的竖向荷载与水平荷载均较大，如上海宝钢运输矿石的长江栈桥的桩基础。

4．按桩的施工方法分类

（1）预制桩：在施工前预先制作成型，再用各种机械设备把它沉入地基至设计标高的桩，称为预制桩。预制桩可以是木桩、钢桩或钢筋混凝土预制桩等（图6－5）。沉桩方法有气锤打入（图6－6）、振动沉桩、静压桩（图6－7）等。

图6－5 钢筋混凝土预制桩

图6－6 气锤打桩

图6－7 静力压预制桩

（2）灌注桩：在建筑工地现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。依照成孔方法不同，灌注桩成孔顺序可分为钻（冲）孔灌注桩（图6－8）、沉管灌注桩（图6－9）和挖孔灌注桩（图6－10）等几大类。

①钻（冲）孔灌注桩：这种桩的施工如图6－8所示。

图6－8 钻（冲）孔灌注桩施工

②沉管灌注桩：这种桩的施工如图6－9所示。

图6－9 沉管灌注桩施工

③人工挖孔灌注桩：这种桩的施工如图6－10所示。

图6－10

5．按成桩方法和成桩过程的挤土效应分类

（1）非挤土桩：成桩过程对桩周围的土无挤压作用的桩，主要有钻（冲）孔桩、挖孔桩。

（2）部分挤土桩（少量挤土桩）：成桩过程对周围土产生部分挤压作用的桩，主要有“工”字形或“H”形钢桩、钢板桩、开口钢管桩、开口钢筋混凝土管。

（3）挤土桩：成桩过程中，桩孔中的土未取出，全部挤压到桩的四周的桩，主要有木桩、钢筋混凝土桩、闭口的钢管桩或钢筋混凝土管桩以及沉管灌注桩。

6．按桩径大小分类

（1）小桩：d≤250mm。

（2）中等直径桩：250mm＜d＜800mm。

（3）大直径桩：d≥800mm。