地基及桩基设计指南设计师必备最新.docx
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地基及桩基设计指南设计师必备最新
工业建筑结构设计
混凝土结构设计指南及规定
第五册地基及桩基设计指南
(共八册)
中冶京诚工程技术有限公司
工业建筑院
二○○五年九月
1.天然地基的设计……………………………………2
2.换填地基的设计……………………………………8
3.复合地基的设计……………………………………12
4.复合地基静载试验技术委托书的编制……………18
5.桩基的设计…………………………………………20
6.工程桩的检验………………………………………35
7.单桩静载试验的设计………………………………37
8.堆载地坪的地基处理………………………………42
9.褥垫层的设计………………………………………47
10.基坑回填、地坪回填及大面积填方的压实……49
11.强夯地基处理试验技术委托书的编制…………51
编写:
李绪华
审稿:
孙衍法
天然地基的设计
一.适用条件
当地基持力层修正后的地基承载力特征值fa能满足基底压力要求后可考虑采用天然地基,同时满足变形要求(沉降及倾斜)及较适宜的基础底面积。
当持力层下存在软弱下卧层时,尚应满足软弱下卧层承载力要求。
二.设计要求
1.地基承载力修正
fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-db-0.5)
fak-从岩土工程勘察报告中查取
ηb、ηd-从《建筑地基基础设计规范》中查取,应注意大面积压实填土的ηb、ηd,不按《建筑地基处理技术规范》查取。
粉质粘土按粘土查取;粘土按e和IL分成两类,只有两个参数均小于0.85时,其宽度、深度承载力修正系数按0.3、1.6取值;红粘土按含水比查取,含水比为天然含水量与土的液限之比,即αw=ω/ωL
d—基础埋深,自±0.000算起
db—不参与修正的高度,即比±0.000低的高度,属后回填的部分,一般取0.5m
2.基础底面的压力分三项验算
pk≤fa
pkmax≤1.2fa
pkmin一般≥0
当pkmin<0时,pkmax重新计算
值得注意的是,湿陷性黄土地基的地基承载力修正需按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)进行。
fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-db-1.5)
ηb、ηd均按《湿陷性黄土地区建筑规范》查取,基础深度修正中是减1.5,而不是0.5。
当采用湿陷起始压力设计时,保证基底下各土层附加压力与上覆土的饱和自重压力之和<其湿陷起始压力,不进行地基承载力修正。
当自基础底面算起的地基湿陷量Δs≤50mm时,可按一般地基进行设计。
3.沉降及倾斜计算
沉降计算采用《建筑地基基础设计规范》的方法,注意土层的Es取值,不应都采用Es1-2的数据,应采用土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段的Es值,即可能采用Es2-3、Es3-4…。
土的自重压力即从天然地面算起的土自重压力,附加压力是上部结构所传荷载及基础和土自重产生的基底压力减去土的自重压力。
地基比较均匀(各层土的坡度≤10%)时,根据地基承载力特征值及框架结构层数、排架结构跨度、烟囱和水塔的高度,一般可不计算地基变形;当地基不均匀时,应进行沉降量及横向、纵向倾斜计算。
高耸构筑物,如烟囱、水塔、高炉等,对倾斜极为敏感,当采用天然地基且土层分布不均匀时,一定要进行倾斜计算。
水池、地下室等地下箱形结构,一般无需计算地基变形,但当底板下为淤泥或淤泥质土时,应考虑地基变形及回弹再压缩变形。
4.软弱下卧层承载力验算
软弱下卧层顶面地基承载力特征值faz中只进行深度修正;软弱下卧层顶面处土的自重压力pcz指自天然地面起算的自重压力,地下水位以下者尚需取浮重度;基底处的附加压力为上部结构轴压力、基础自重及其上土重产生的基底压力减去基底处土的自重压力值,即p0=pk-pc,pc为自天然地面起算的基底处土的自重压力。
三.地坪堆积荷载
原料跨、成品跨,地坪堆积荷载往往较大,当地基为非软弱土且地基承载力能满足堆载要求时,可不考虑其影响;当为软弱土时,可采取拉梁、桩基、复合地基等措施防止堆载对厂房柱基的不利影响,详见“堆载地坪的地基处理”一节。
四.地下水的影响
地下水位以下土的重度取浮重度,一般按10kN/m3,基础及其上土的自重取10kN/m3。
五.基础埋深
基础埋深的确定应考虑下列因素:
1.持力层埋深;
2.标准冻深z0,从室外地坪算起,一般按≥z0考虑基础埋深;
3.地下水位,尽量在地下水位以上,以免施工降水;
4.软弱下卧层埋深,应考虑基础底面在软弱下卧层顶面以上,且高差尽可能大;
5.相邻基础埋深,尽可能使基础埋深与相邻基础埋深一致,若不一致时按1:
1放坡确定;
6.抗弯矩的需要,当上部结构弯矩较大时,如烟囱基础、支架基础,为防止基础与地基土之间出现脱离现象,有时需加大基础埋深以平衡基础与土之间的负压力;
7.上部结构所传内力大小,有时为提高修正后的地基承载力特征值,需加大埋深;
8.工艺标高,如地下设备基础、水池,有时为满足工艺标高需要,基础埋深较大。
六.基底压力及地基变形计算所用的上部结构内力
上部结构内力采用标准组合值,若为基本组合值则应除以一个综
合荷载分项系数,1.25、1.3,以吊车荷载为主时取1.3。
一般情况下取无地震作用参与的内力组合值,在选取内力时应该注意哪些是地震作用参与组合的内力,应将其去除。
地基变形计算采用准永久组合值,可变荷载、吊车荷载需乘以准永久值系数,风荷载、地震作用不计。
七.主要基础要求的天然地基承载力特征值
根据以往工程经验近似列出,在可研、初步设计或施工图设计阶段,可参考进行方案比选或与建设方的方案讨论。
具体工程中涉及到修正后的地基承载力特征值大小问题,表中数值应降低或提高。
还涉及到土的压缩模量高低问题,即涉及到地基变形问题,在此仅供参考。
基础类别
地基承载力特征值fak
(kN/m2)
基础类别
地基承载力特征值fak
(kN/m2)
高炉、热风炉基础
250~300
烟囱、水塔、空分塔基础
180~250
矿槽柱基
180~250
循环水泵房、主电室柱基、水池
130~180
炼钢、连铸柱基
250~300
空压站、机修间、备件库柱基
120~150
棒线、冷轧、钢管、中宽带、热连轧柱基
170~250
炼钢、连铸、厚板设备基础
200~300
宽厚板、中厚板柱基
200~250
棒线、冷轧、钢管、中宽带、热连轧设备基础
180~250
八.基底下持力层为多种土层的处理
当地基土种类复杂且标高不均匀时,基底持力层往往不是单一的土层,需同时跨越两种或更多的土层,此时按下列原则处理:
地基承载力特征值一般按较低的土层取值。
当不同的土层为同一类别,如同为粘土、粉质粘土、粉土或其之间的组合,同为砂土、碎石土或其之间的组合,同为风化程度不同的岩石,基础可直接落于不同的土层上,若为土岩组合地基、砂岩组合地基或土石组合地基应采用褥垫层对岩石层或碎石层进行处理,以免基础倾斜,详见“褥垫层的设计”一节。
九.设计说明要点
1.基础坐落的土层名称及其地基承载力特征值fak。
2.如有可能超挖,需明确垫层的材料、垫层底面放出宽度及压实要求。
垫层的材料根据岩土层分布情况及超挖深度选用砂夹石、碎石、矿渣、毛石砼等。
岩土层起伏较大时,如部分采用桩基、部分采用天然地基,则天然地基部分的超挖换填应采用毛石砼;如地基持力层为岩石,则基底至岩面的超挖换填采用毛石砼;如超挖深度>3m,则超过3m部分的换填应采用毛石砼。
采用砂石垫层的压实要求可根据基底压力情况,以压实系数或地基承载力特征值控制。
基底压力较小时,以压实系数控制;基底压力较大时,以垫层的地基承载力特征值控制。
垫层沿基础四周的放出宽度根据超挖深度确定,要求垫层顶面、底面分别超出基础底边≥300mm、0.6h(换算为具体数值),采用毛石砼时宽出200mm即可。
采用砂石垫层时,若为大面积垫层,地基承载力按《建筑地基基础设计规范》的深度修正系数进行修正,若为局部垫层,如独立基础,地基承载力按换填地基进行修正;采用毛石砼垫层时,仍按基底标高及垫层下的地基土承载力进行修正。
3.开挖后的基槽检验,基坑开挖后,应检验地基条件是否与勘察报告一致,如有异常情况时应与勘察、设计单位协商解决。
如有可能与勘察报告出入较大时,为避免工程隐患,应强调施工勘察要求。
例如,当参考临近工程的岩土工程勘查报告时,应在基坑开挖前进行必要的补充钻探,或在基坑开挖后利用轻型动力触探、井探等手段对基底下一定深度进行必要的勘探。
又如,当基底下可能存在溶洞时,应要求在开挖后对一定深度范围内进行施工勘察。
4.基坑回填,详见“基坑回填”一节。
5.当存在抗浮问题时,需指明停止降水的完成部位,地下室、水池、地下料坑等存在此类问题。
换填地基的设计
一、适用条件
1.软土地基为防止基础直接落于软土上,采用换填垫层改善地基条件;
2.持力层承载力不足,采用换填法提高地基承载力,通过换填垫层的应力扩散满足下卧层承载力要求;
3.持力层埋深较大,与基础底标高间有一定高差时,可用换填垫层解决;
4.深基坑开挖扰动了周围主体,周围的基础下可将扰动土挖除,以换填垫层自未扰动土层垫至基底;
5.湿陷性黄土,为防止渗水浸泡或满足湿陷起始压力而采用换填垫层;将湿陷性土换除而处理湿陷性地基。
二.换填垫层材料
碎石、卵石、砂夹石、土夹石、粉质粘土、粉煤灰、灰土、高炉重矿渣、石屑、中砂、粗砂等。
三.换填垫层的设计
1.厚度,一般为0.5~3.0m。
2.尽可能选用压力扩散角大的砂夹石、碎石、石屑等,但对于湿陷性黄土采用2:
8或3:
7灰土。
3.平面范围,垫层顶面、底面分别超出基础底边的宽度分别≥300mm、b≥z×tanθ;湿陷性黄土的换填按湿陷性黄土建筑规范。
4.验算软弱下卧层的地基承载力。
天然地面回填地面
下卧层
下卧层承载力应满足下式:
pz+pcz≤faz
pz—垫层底面处的附加压力
A、B—基础底面的宽度、长度
pk—相应于荷载效应标准组合的基底压力,pk=N/(A×B)+20d
pc—基底处土的自重压力,pc=γ×(d-d1),γ为原状土的天然重度
θ—地基压力扩散角,根据换填材料即z/B再《建筑地基处理
技术规范》表4.2.1中查取,注意当z/B<0.25时,除灰
土外其余材料的扩散角均为0,即不扩散。
pcz—下卧层顶面处土的自重压力,pcz=γ×(d-d1+z),γ为
原状土的天然重度
faz—下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值,按《建筑地基基础设计规范》根据土的类别取值
5.垫层的控制参数,可用地基承载力特征fak或压实系数λc控制。
当对承载力要求不高时,可只用压实系数控制,如采用砂夹石,fak≤150kPa时;对承载力要求高时,可用地基承载力特征值控制,如fak≥200kPa时。
有时可根据工程所在地的习惯,以其他参数控制,如最后二遍的压陷差、重型动力触探N63.5、轻型动力触探N10等,但应有这些控制参数对应的地基承载力特征值。
6.施工要求
应要求分层压实,分层厚度200~300mm。
7.检验
垫层的施工质量检验必须分层进行,在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。
取样点位于每层厚度的2/3厚度处。
检验点数量,对大基坑每50~100m2不少于1个检验点;对基槽每10~20m不应少于1个点;每个独立柱基不少于1个点。
采用静载荷试验检验垫层承载力时,每个单体工程不少于3点。
四.换填地基说明要点
1.垫层底面的土层名称;
2.垫层顶面、底面超出基础四周的宽度;
3.垫层的材料及压实要求;
4.检验方式及控制指标;
5.执行标准,建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)、建筑地基基础工程施工质量验收规范(GB50202-2002)。
五.控制参数取值
1.承载力特征值fak
砂夹石(碎石、卵石占全重的30%~50%)200~250kPa
碎石、卵石200~300kPa
中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾、石屑200~250kPa
灰土200~250kPa
土夹石(碎石、卵石占全重的30%~50%)150~200kPa
粉质粘土130~180kPa
2.压实系数λc
砂夹石、碎石、卵石,0.94~0.97,通常取0.96,超过3m部分取0.97
中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾、石屑,0.94~0.97,通常取0.95,超过3m部分取0.97
灰土,0.95~0.97,通常取0.95,超过3m部分取0.97
土夹石(碎石、卵石占全重的30%~50%),0.94~0.97,通常取0.95,超过3m部分取0.96
粉质粘土,0.94~0.97,通常取0.94,超过3m部分取0.95
3.其他控制参数
其他控制参数有干密度ρd、重型动力触探N63.5、轻型动力触探N10,或对应于某种振压设备(如100kN振动压密机、80kN压路机)及垫层材料(如土石屑)、虚铺厚度(如200mm)的振压遍数,需根据地方经验或现场试验并结合规范提出,在此难以列出。
复合地基的设计
一.种类
1.刚性桩复合地基
CFG桩复合地基,树根桩复合地基,预制小方桩复合地基
2.半刚性桩复合地基
水泥土搅拌桩复合地基,石灰桩复合地基,夯实水泥土桩复合地基,高压喷射注浆桩复合地基
3.柔性桩复合地基
碎石桩复合地基,砂桩复合地基,灰土桩复合地基
二.适用条件
根据工程实践经验,复合地基一般用于荷载不大而地基土承载力
特征值又不是过低,还可以大面积实施的情形。
采用复合地基以降低
造价、缩短建设周期为目的,有时为缩短周期,在与桩基造价持平的
情况下也采用复合地基,因其可忽略柱子的具体定位而提前对一定范
围进行地基处理。
复合地基可用于堆载地坪、棒线材(包括类似车间,如钢管)柱
基和高架平台、水处理构筑物、原料场地坪等的地基处理。
炼钢厂房柱基及设备基础、高炉基础,因荷载较大一般不采用复合地基。
地下设备基础,当埋深较大(如轧机区地下室)时,亦不可采用复合地基,因复合地基的桩长度有限,从地面起算一般在20m以内。
当需要的复合地基承载力大时,或对沉降要求严格时,应采用刚性桩复合地基。
一般情况下,主厂房柱基、轧钢设备基础等,当采
用复合地基时,应采用刚性桩复合地基;其他情况,如地坪地基处理
可考虑采用半刚性及柔性桩复合地基。
消除土层液化性一般采用挤密碎石桩,消除土层湿陷性一般采用
灰土挤密桩,高压喷射注浆常用于基坑防渗及已有基础的地基补救。
三.复合地基桩的处理深度、桩径参考值
桩型
适宜处理深度(m)
(自施工地面起算)
桩径(mm)
适用条件
备注
CFG桩
20
≯25
400
粘性土、粉土、砂土、淤泥质粘土
C15
进持力层1m
夯实水泥土桩
≯10
400
500
地下水位以上
粘性土、粉土、填土
水泥与土体积比1:
5、1:
6,90d水泥土抗压强度3.0~5.0MPa
水泥土搅拌桩(湿法)
15
≯20
400
500
粘性土、粉土、淤泥、淤泥质土
水泥掺量为被加固湿土质量的12%~20%,一般为15%,90d水泥土抗压强度0.5~3.0MPa
挤密碎石桩
10
≯15
400
500
砂土、粘性土、粉土、填土,液化土,地坪、堆场地基
碎石、卵石,最大粒径50mm。
施工按充盈系数控制,1.2~1.4,视试验情况确定
灰土挤密桩
10
≯15
400
地下水位以上
湿陷性黄土、填土
消石灰与土的体积比2:
8或3:
7
以平均压实系数
控制桩身质量
注:
CFG桩试块为150mm立方体水泥土桩试块为70.7mm立方体
四.复合地基承载力的确定
1.先进行估算,按《建筑地基处理技术规范》中的方法以单桩承载力、桩间土承载力及置换率等参数估算复合地基承载力,以判断其可行性及为静载荷试验提供参考数据。
值得注意的是,水泥土搅拌桩及夯实水泥土桩,其单桩承载力特征值往往受桩身强度控制。
因此,按岩土参数算得的单桩承载力特征值一定要与按桩身强度计算的单桩承载力特征值相比较,两者取较小值。
2.再进行静载荷试验,正式确定复合地基承载力特征值fspk。
3.前期进行复合地基承载力特征值定性判断时,复合地基承载力比天然地基承载力的提高幅度可大致按下列考虑:
CFG桩复合地基150%
夯实水泥土桩复合地基80%
灰土挤密桩复合地基80%(≯250kPa)
水泥土搅拌桩复合地基50%
碎石桩复合地基30%
五.复合地基承载力的修正
修正后的地基承载力特征值
fspa=fspk+1.0γm(d-db-0.5)
γm-基础底面以上土的加权平均重度,
地下水位以下取浮重度
d-基础埋置深度
db—不参与修正的高度,一般取0.5m
fspk-复合地基承载力特征值
六.复合地基的检测
1.CFG桩复合地基
采用静载试验进行单桩复合地基承载力检测,检测数量为总桩数的0.5%,且不少于3点。
采用低应变检测桩身完整性,抽取数量不少于总桩数的10%。
2.夯实水泥土桩复合地基
采用静载试验进行单桩复合地基承载力检测,试验数量为总桩数的0.5%,且不少于3点;采用轻型动力触探N10检测桩身质量,以N10≥某一数值判断,常采用N10≥30,检测数量不少于总桩数的2%。
3.碎石桩复合地基
采用静载试验进行单桩复合地基承载力检测,试验数量为总桩数的0.5%,且不少于3点;采用重型圆锥动力触探N63.5检测桩身质量,以N63.5≥某一数值判断桩身质量,常采用N63.5≥20,检测数量不少于总桩数的2%。
七.复合地基说明要点
复合地基说明中应体现下列内容:
1.形成复合地基的土层名称;
2.设计要求的复合地基承载力特征值fspk;
3.桩端持力层名称及入持力层深度;
4.CFG桩桩顶超灌高度,一般为500mm;
5.检验方式及要求,对于单桩复合地基静载试验应注明压板面积,压板面积取一根桩分担的处理地基面积。
当桩平面布置为矩形、正三角形、等腰三角形布置时,一根桩分担的处理地基面积分别为:
a×b、、l1×h
a、b-矩形的两个边长
l-正三角形边长
l1-等腰三角形底边长
h-等腰三角形关于底边的高
6.说明褥垫层材料、厚度及夯填度,
注意夯填度为夯实后的厚度与虚铺厚度之比;
9.强调桩顶人工凿除至褥垫层底面标高处;
10.执行标准,建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)、建筑地基基础工程施工质量验收规范(GB50202-2002)。
八.实际工程中复合地基应用简况
1.河北石钢棒材设备基础及平台柱基
钢渣桩复合地基,地基承载力由160kPa提高到220kPa,消除了湿陷性。
2.湖南涟钢棒材设备基础及平台柱基
CFS(水泥、粉煤灰、钢渣)桩复合地基,除提高了地基承载力(由100kPa提高到220kPa)外,还有效地解决了遍布的溶洞问题。
3.河北邢钢高线设备基础及平台柱基
矿渣桩复合地基,地基承载力由160kPa提高到220kPa,还消除了地基土的湿陷性。
4.天津二轧棒材厂房柱基、设备基础及平台柱基
CFG桩复合地基,地基承载力由120kPa提高到280kPa(厂房柱基)、250kPa(设备基础)。
5.河南济钢高线厂房柱基、设备基础及平台柱基
钢渣桩复合地基,地基承载力由160kPa提高220kPa。
6.天津无缝第二套轧管设备基础及平台柱基
CFG桩复合地基,地基承载力由100kPa提高到250kPa,解决了工期的矛盾,因复合地基可先于平台布置实施。
7.河北石钢大棒材厂房柱基、设备基础及平台柱基
厂房柱基采用CFG桩复合地基,地基承载力由140kPa提高到250kPa;设备基础及平台柱基采用夯实水泥土桩复合地基,地基承载力由140kPa提高到220kPa。
8.云南玉溪100万t/a钢铁工程中宽带设备基础
采用挤密碎石桩复合地基,处理粉质粘土和粉砂,充盈系数1.2,承载力由140kPa提高到180kPa。
9.宝钢二炼钢废钢间地坪
采用振动沉管挤密砂桩,解决堆载地坪沉降过大问题,同时砂桩成为排水通道,加速饱和软粘土的固结。
10.山东阳谷200万t/a钢铁工程棒材厂房柱基、设备基础及平台柱基
采用挤密碎石桩及CFG桩组合复合地基,挤密碎石桩充盈系数1.4,具有消除砂层的严重液化性和降低CFG桩置换率的双重功效。
复合地基静载试验技术委托书的编制
复合地基静载试验技术委托书的编制应体现下列内容:
一.桩型、桩径
根据岩土工程勘察报告、上部结构类型及与建设方、施工方的协商意见确定。
二.处理后的地基承载力特征值fspk及变形模量E0
根据计算情况及设计需要初步确定,为试验提供参考值。
三.试验数量
不少于3组,当采用多种布置、多种桩长及不同的承载力特征值时,对应每一种均不少于3组。
四.绘制桩平面布置图
1.复合地基桩可采用矩形、正三角形、等腰三角形布置方式,通常是采用等腰三角形布置方式;
2.用于复合地基试验的桩周围必须布置附属桩,以便使工作状况与工程桩复合地基相符合。
五.施工控制要求
1.针对不同的桩型,提出不同的施工控制参数,如CFG桩的充盈系数、水泥土搅拌桩的水泥掺量,夯实水泥土桩、灰土挤密桩、挤密碎石桩的充盈系数,这些参数可与施工方协商确定。
2.注明桩顶、桩底标高,桩端持力层编号、分类及桩端进入持力层的深度。
桩顶标高分为桩顶设计和施工标高,为方便施工,一般给定桩顶施工标高,即由桩顶设计标高加上超灌、超搅、超夯高度。
CFG桩超灌500mm,搅拌水泥土桩超搅500mm,夯实水泥土桩、灰土挤密桩超夯300mm,挤密碎石桩超夯(振)300mm。
六.试验要求
1.指明复合地基试验的土层编号及分类名称,这将意味着先开挖到该土层才能进行试验;
2.强调需人工去除的桩头高度,即超灌、超搅、超夯的部分;
3.注明桩顶褥垫层的材料及夯实要求,根据不同桩型选择;
4.明确复合地基试验的种类,即单桩、多桩复合地基试验,一般只进行单桩复合地基试验即可。
给定压板面积,详见“复合地基的设计”一节。
七.试验项目
单桩复合地基静载试验,单桩竖向抗压极限承载力(指刚性桩),桩间土地基承载力特征值(指挤密桩),桩间土液化性、湿陷性,桩土应力比,为工程桩验收检测提供的方法(如低应变检测、重型动力触探、轻型动力触探、静力触探)。
根据桩型及土的性质选定,如湿陷性黄土需进行桩间土湿陷性试验,水泥土桩可采用轻型动力触探检测桩身质量。
八.需提供的试验成果
单桩复合地基承载力特征值及取值依据,单桩复合地基静载试验压力—沉降曲线;上述所选试验项目的试验结果及结论。
九.执行标准
建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)或地方标准。
桩基的设计
一.种类
1.预制桩
预制方桩(RC)、预应力高强砼管桩(PHC)
2.灌注桩
钻孔灌注桩、冲孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、长螺旋超流态压灌
桩、沉管灌注桩、挤扩支盘灌注桩、旋挖灌注桩
3.钢管桩、钢管砼桩
二.适用条件
1.根据土质条件、荷载大小及当地施工能力、施工习惯确定;
2.沿海地区多采用PHC桩,以砂层或强风化岩层作持力层;
3.地下水位深的华北黄土地区多采用人工挖孔桩,以砂层、砾石层、
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