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【摘要】:本文结合工程实践经验, 分析了桩基优化设计是建筑结构设计的一个重要环节。
【关键词】:桩基础优化设计
1前言
近几年来，由于建筑施工能力及技术水平的不断提高,桩基础在建筑结构领域被广泛采用。并且随着时代的发展桩基的类型不断增多,目前本地区流行的桩型为:预应力混凝土静压管桩;超流态(大流动)混凝土灌注桩;长螺旋钻孔混凝土灌注桩;复合载体夯扩桩;电振动沉管混凝土灌注桩;人工挖孔混凝土灌注桩;以及上述各种桩型的改进,如扩底,注浆等。那么,由于岩土性质的差异,针对每个具体工程实际情况其基础形式、桩型及其参数的确定,将对于工程的经济性产生一定的影响。为此对上述各种常用桩型的适用范围的研究及其尺寸参数的优化设计是非常必要的。
2常用桩基础的适用范围
任何一种桩型都不是万能的,都有自己的适用范围,设计者应根据岩土工程的具体情况结合工程的特点,选择适宜的桩型。下面介绍主要桩型的适用范围及其特点。
预应力混凝土静压管桩:该桩具有质量稳定可靠、造价较低、占用工期短、施工工艺简单文明,无噪音,无污染,场地清洁等优点。但是它也存在一定的缺点,如由于设备较重软弱的施工表层容易陷机,并在机器行走的过程中易使已施工完的桩在其侧压力作用下产生断桩。此外该桩遇较硬的土层穿越能力差。不借助其他一些措施6m以上的中密砂层很难穿越。
超流态(大流动)混凝土灌注桩:该桩适用于地下水位较高的水下作业钻孔灌注桩,改善了泥浆护壁水下钻孔灌注桩需要泥浆池等辅助施工环节,而且由于孔壁没有泥皮的形成使得承载力大幅提高。该桩缺点为先注混凝土后下钢筋笼,当混凝土的强度较高其流动性以及和易性较差时钢筋笼很难插到设计深度。
长螺旋钻孔混凝土灌注桩:该桩型操作简单,直观,质量易于保证,但砂土及水下均不能成孔,且桩尖存在虚土承载力较低。
复合载体夯扩桩:该桩是通过夯击能量贯入填充料加固桩端土体,使桩端承载力大幅提高。优点是操作简便,造价低廉。但要求被加固的土体应具有良好的挤密性,足够的厚度。另外该桩施工其间噪音较大,地下水对其复合载体的密度消散作用有待进一步观察研究。
电动沉管灌注混凝土桩:该桩适合地下水位较高的岩土工程状况。由于设备及施工方式等原因,遇较硬土层难于穿越,可用于单桩承载力要求不高的多层建筑。该桩最大的缺点是遇淤泥质软土层易产生径缩等断桩现象。
人工挖孔混凝土灌注桩:该桩不需要任何机械钻孔设备,施工简便,直观性强,易于保证质量。综合造价较低。该桩在有地下水及不易成孔的岩土工程地质时不宜采用。
3桩尺寸参数的优化设计
3.1优化函数的建立
据现行规范单桩竖向承载力特征值通常用下式表达:
（1）
式中:Ra———单桩竖向承载力特征值（kN）;
qpa、qsia———桩端阻力和第i层的桩周侧阻力特征值（kPa）;
Ap———桩底端横截面积（m）;
Up———桩身周边长度（m）;
Li———桩周第i层的厚度（m）。
将(1)式两边分别除以单桩体积,并假设为同一土层,得到下式:
（2）
式中:Rva———单桩竖向承载力体积特征值;
L———桩身长度;
D———桩身直径。
3.2经济分析
桩单位体积特征值的大小反映出工程经济性的一个重要指标,从(2)式中可看出,桩端阻力随着桩长增加其体积特征值相对摩擦阻力而变小,桩侧阻力随着桩径增加其体积特征值相对桩端阻力也变小。桩的截面尺寸及长度是其经济与否主要因素。另一方面,桩端及桩侧阻力随岩土的密实(通常岩土埋藏越深越密实)程度增加而变大。对体积特征值也会产生一定的影响。由于工程设计经济与否是个综合指标,对于基础工程的经济性除桩基以外还应考虑承台的大小,它与桩的直径及单桩承载力密切相关。按规范要求桩间距一般为2.5~3.5倍的桩径。单桩承载力一定时,桩径越小承台相对越经济。现以中砂为例,桩长分别为5、10、15、30。对应的桩端阻力分别为:25、29、33、36kN。对应的桩侧阻力分别为:450、675、825、875kN。承台混凝土强度为C30。计算结果图1和图2:
图1 单桩竖向承载力体积特征值与不同的桩长、桩径关系曲线
图2 考虑群桩及承台在内的单桩竖向承载力体积特征值
图1为桩单位体积特征值与不同的桩长、桩径关系曲线,图2为考虑群桩(4桩)及承台在内的混凝土单位体积特征值。从图1中可看出,当桩长不变时,桩径越小桩的单位体积特征值越大,经济性越好。当桩径不变时,小直径桩单位体积特征值随桩长的增加而增大,大直径桩随桩长增加有下降趋势。从图2中可看出,桩和承台一起考虑时,桩径不变的情况下,桩越长混凝土单位体积特征值越大。并且桩径越小,桩越长经济性越好。
4结语
(1)每个工程应根据其岩土工程资料及工程特点,选择合理的桩型和基础方案。确保技术先进,安全适用,经济合理。
(2)对于摩擦桩及摩擦端承桩,在满足施工技术要求的前提下,尽可能采用小直径长桩,使基础工程造价降到最低。
(3)对于端承桩,尽可能作一柱一桩,以减少承台混凝土,使基础的工程综合造价最小。
參考文献
[1]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S] .
[2]JGJ94-94,建筑桩基技术规范[S].
[3]DB23/902-2005,建筑地基基础设计规范[S].
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】:桩基础优化设计
1前言
近几年来，由于建筑施工能力及技术水平的不断提高,桩基础在建筑结构领域被广泛采用。并且随着时代的发展桩基的类型不断增多,目前本地区流行的桩型为:预应力混凝土静压管桩;超流态(大流动)混凝土灌注桩;长螺旋钻孔混凝土灌注桩;复合载体夯扩桩;电振动沉管混凝土灌注桩;人工挖孔混凝土灌注桩;以及上述各种桩型的改进,如扩底,注浆等。那么,由于岩土性质的差异,针对每个具体工程实际情况其基础形式、桩型及其参数的确定,将对于工程的经济性产生一定的影响。为此对上述各种常用桩型的适用范围的研究及其尺寸参数的优化设计是非常必要的。
2常用桩基础的适用范围
任何一种桩型都不是万能的,都有自己的适用范围,设计者应根据岩土工程的具体情况结合工程的特点,选择适宜的桩型。下面介绍主要桩型的适用范围及其特点。
预应力混凝土静压管桩:该桩具有质量稳定可靠、造价较低、占用工期短、施工工艺简单文明,无噪音,无污染,场地清洁等优点。但是它也存在一定的缺点,如由于设备较重软弱的施工表层容易陷机,并在机器行走的过程中易使已施工完的桩在其侧压力作用下产生断桩。此外该桩遇较硬的土层穿越能力差。不借助其他一些措施6m以上的中密砂层很难穿越。
超流态(大流动)混凝土灌注桩:该桩适用于地下水位较高的水下作业钻孔灌注桩,改善了泥浆护壁水下钻孔灌注桩需要泥浆池等辅助施工环节,而且由于孔壁没有泥皮的形成使得承载力大幅提高。该桩缺点为先注混凝土后下钢筋笼,当混凝土的强度较高其流动性以及和易性较差时钢筋笼很难插到设计深度。
长螺旋钻孔混凝土灌注桩:该桩型操作简单,直观,质量易于保证,但砂土及水下均不能成孔,且桩尖存在虚土承载力较低。
复合载体夯扩桩:该桩是通过夯击能量贯入填充料加固桩端土体,使桩端承载力大幅提高。优点是操作简便,造价低廉。但要求被加固的土体应具有良好的挤密性,足够的厚度。另外该桩施工其间噪音较大,地下水对其复合载体的密度消散作用有待进一步观察研究。
电动沉管灌注混凝土桩:该桩适合地下水位较高的岩土工程状况。由于设备及施工方式等原因,遇较硬土层难于穿越,可用于单桩承载力要求不高的多层建筑。该桩最大的缺点是遇淤泥质软土层易产生径缩等断桩现象。
人工挖孔混凝土灌注桩:该桩不需要任何机械钻孔设备,施工简便,直观性强,易于保证质量。综合造价较低。该桩在有地下水及不易成孔的岩土工程地质时不宜采用。
3桩尺寸参数的优化设计
3.1优化函数的建立
据现行规范单桩竖向承载力特征值通常用下式表达:
（1）
式中:Ra———单桩竖向承载力特征值（kN）;
qpa、qsia———桩端阻力和第i层的桩周侧阻力特征值（kPa）;
Ap———桩底端横截面积（m）;
Up———桩身周边长度（m）;
Li———桩周第i层的厚度（m）。
将(1)式两边分别除以单桩体积,并假设为同一土层,得到下式:
（2）
式中:Rva———单桩竖向承载力体积特征值;
L———桩身长度;
D———桩身直径。
3.2经济分析
桩单位体积特征值的大小反映出工程经济性的一个重要指标,从(2)式中可看出,桩端阻力随着桩长增加其体积特征值相对摩擦阻力而变小,桩侧阻力随着桩径增加其体积特征值相对桩端阻力也变小。桩的截面尺寸及长度是其经济与否主要因素。另一方面,桩端及桩侧阻力随岩土的密实(通常岩土埋藏越深越密实)程度增加而变大。对体积特征值也会产生一定的影响。由于工程设计经济与否是个综合指标,对于基础工程的经济性除桩基以外还应考虑承台的大小,它与桩的直径及单桩承载力密切相关。按规范要求桩间距一般为2.5~3.5倍的桩径。单桩承载力一定时,桩径越小承台相对越经济。现以中砂为例,桩长分别为5、10、15、30。对应的桩端阻力分别为:25、29、33、36kN。对应的桩侧阻力分别为:450、675、825、875kN。承台混凝土强度为C30。计算结果图1和图2:
图1 单桩竖向承载力体积特征值与不同的桩长、桩径关系曲线
图2 考虑群桩及承台在内的单桩竖向承载力体积特征值
图1为桩单位体积特征值与不同的桩长、桩径关系曲线,图2为考虑群桩(4桩)及承台在内的混凝土单位体积特征值。从图1中可看出,当桩长不变时,桩径越小桩的单位体积特征值越大,经济性越好。当桩径不变时,小直径桩单位体积特征值随桩长的增加而增大,大直径桩随桩长增加有下降趋势。从图2中可看出,桩和承台一起考虑时,桩径不变的情况下,桩越长混凝土单位体积特征值越大。并且桩径越小,桩越长经济性越好。
4结语
(1)每个工程应根据其岩土工程资料及工程特点,选择合理的桩型和基础方案。确保技术先进,安全适用,经济合理。
(2)对于摩擦桩及摩擦端承桩,在满足施工技术要求的前提下,尽可能采用小直径长桩,使基础工程造价降到最低。
(3)对于端承桩,尽可能作一柱一桩,以减少承台混凝土,使基础的工程综合造价最小。
參考文献
[1]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S] .
[2]JGJ94-94,建筑桩基技术规范[S].
[3]DB23/902-2005,建筑地基基础设计规范[S].
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。