地下建筑结构——土钉墙的设计内容主要包括哪几部分

(Osterberg Cell Load Test，简称为“O-Cell试验”)

一、奥氏法静载荷试验简介

随着大直径、超长桩不断被许多大型工程所采用，这类桩的荷载试验所需的费用和周期都急剧增加。对高承载力(＞10000kN)桩，载荷试验方法，是将千斤顶放置在桩的底部，千斤顶的作用是，在向上顶起桩身的同时，也向下挤压桩端土，使形成的桩的摩阻力和端阻力互为反力，可测得一条与桩顶施加荷载反方向的荷载—位移曲线，通过适当换算后得到相当于桩顶加荷的承载力和位移关系的Q—S曲线，这样就解决了大吨位桩竖向承载力现场试验问题，它既有利于指导设计，还可以解决受场地和设备条件限制无法进行大型、超大型单桩竖向承载力原位试验问题。

这种方法在国外被冠名为Osterberg试桩法，在国内有叫做自平衡试桩。

Osterberg法已成功地应用到钻孔桩、壁板桩、打入式钢管桩及预制混凝土桩等桩型中，最大可提供多达220 MN的试验载荷，测试深度达100m以上，桩径可达3m。

二、Osterberg试桩法的试验装置

试验装置的主要设备是经特别设计的液压千斤顶式的荷载箱(也称为压力单元)。根据测试目的不同，荷载箱既可以安置到桩底，也可安置到桩的中间部位。荷载箱可回收，也可是一次性的。可回收的荷载箱一般放置在空心预制桩离桩底不远的内部，用一对精细加工的卡口，事先浇筑、固定在试验桩内部桩端。试验时，将荷载箱放到卡口的位置，顺时针旋转90°将荷载箱锁住；试验后，再逆时针旋转90°将其卸下供重复使用。

现以钢管打入桩为例，说明Osterberg试桩法的试验装置。

图2-29为荷载箱被焊于钢管桩的底端，荷载箱由活塞、顶盖、箱壁三部分组成。箱壁由较厚的钢板制成，其外径与桩的外径相同，活塞底的承压板外径略大于桩外径。顶盖与活塞均用钢材制成，顶盖呈漏斗状，漏斗口内有螺纹以安装输压竖管；活塞顶面有锥形孔，孔内有螺纹与测位移的芯棒连接。当荷载箱随桩打入设计标高后，将输压竖管与荷载箱顶盖拧紧连接，再在输压竖管中插入芯棒与千斤顶活塞拧紧连接。芯棒的外径小于输压竖管的内径，以便从输压竖管和芯棒的间隙中为千斤顶输油。输压竖管的顶部装有密封圈来定位芯棒和密封油路，密封圈应不影响芯棒上下自由位移。试验时，油压通过液压输入口后经输压竖管与芯棒之间的环状空隙传至荷载箱内，随着压力增大，活塞与顶盖被推开，推动桩体向上移动和通过承压板压缩桩端土；此时，桩侧阻力与桩端阻力随之发挥作用。用输油压力表可控制、监测、换算施加的压力大小。一只千分表支承在基准梁上，与芯棒相连，测量活塞向下的位移；一只千分表与输压竖管相，连测量顶盖向上的位移；另一只千分表与桩顶相连，测量桩顶向上的位移。桩顶向上的位移与桩底向上的位移之差，就是加荷时桩身摩阻力所引起的桩身弹性压缩。

图2-29 Osterberg试验装置示意图

图2-30 灌注桩Osterberg试验示意图

图2-31 Osterberg试验现场(from LOADTEST International Inc)

对于大直径钻孔灌注桩和人工挖孔桩的Osterberg试验法，应首先清孔底、注混凝土浆、找平、使荷载箱能受力均匀；将Osterberg法的荷载箱焊接于钢筋笼底部，做好输压竖管与顶盖、芯棒与活塞之间的连接工作；然后下放至孔底后灌注混凝土，待混凝土强度等级达到设计要求后，进行试桩。

对于预制混凝土打入桩，早期的一般做法是：在桩预制时将输压竖管预埋于桩身中，并将桩底做成平底，预埋一块桩底钢板，然后将桩起吊就位，用4只大螺栓将荷载箱迅速安装于桩底钢板上。近年的做法是：将荷载箱的箱盖直接浇注在桩身底部。Osterberg静载试验现场情况见图2-30、图2-31所示。

三、基本原理

如图2-32所示，常规桩顶加载试验的桩顶荷载P等于桩侧摩阻力F和桩端阻力Q之和，即：P=F+Q(不计试桩前桩身自重W在桩端的反力)。奥氏法通常在桩底端预埋一个荷载箱，试桩时通常采用荷载箱在桩底部产生向上、向下两个方向的荷载P0，向上的荷载P0=W+F，向下的荷载为桩身自重与由加载产生的端部反力增量Q之和，即：P0=W+Q，受力机理和桩顶加载相同。该两种试桩方法的荷载换算如下：

P=F+Q=(P0-W)+(P0-W)；P=2(P0-W) (2-43)

式中：荷载箱加荷量P0=液压表读数×荷载箱标定常数。

四、试验结果分析

确定单桩极限承载力一般应绘制Q—S上，Q—S下曲线和S上—lgt，S下—lgt，S上—lgQ，S下—lgQ等曲线。

根据位移随荷载的变化特征确定极限承载力对于陡降型Q—S曲线，取Q—S曲线发生明显陡降的起始点；对于缓变形Q—S曲线，按位移值确定极限值，即：极限侧阻Qu上取S上=40～60mm 对应的荷载；极限端阻Qu下取S下=40～60mm对应的荷载。当S—lgt尾部有明显弯曲时，取其前一级荷载为极限荷载。

图2-32 Osterberg载荷试验原理

分别求出上、下段桩的极限承载力Qu上和Qu下，然后考虑桩自重影响，求出单桩竖向抗压极限承载力，如式(2-44)所示：

Qu=(Qu上-W)/γ+Qu下 (2-44)

式中：γ为桩端体土的重度(kN/m3)，对于粘性土、粉土取0.8；对于砂土取0.7；W为荷载箱上部桩的自重(kN)。

五、问题探讨

现行的设计规范，均需由桩顶加载试验所确定的极限承载力，因此，需将O-Cell试验资料进行转换，才能获得与现行规范相应的测试指标。转换建立在下列三个假设基础之上：

(1)桩体向上产生的土体剪切力和顶部加载时桩体向下产生的土体剪切力是相等的；

(2)O-Cell试验加载时桩端支承力变化和顶部加载时完全相同；

(3)桩体为刚性，暂不计其压缩量。

显然，这些假设肯定会对试验结果产生影响：

1.首先是桩身自重问题

传统载荷试验方法不计桩自重的作用，Osterberg试桩法在计算土向下侧摩阻力时，将荷载箱向上顶力减去桩自重W；转换到桩顶加载模式时，为了不计自重影响，还应再次减去这段桩自重。这对中、小力型桩不会有显著的误差，但对自重近千吨的大型桩，显然是不适宜的。

2.端承力、侧摩阻的极限值和变形问题

当侧摩阻力进入极限状态时，土体剪切变形产生的位移量较小——粘性土一般在5～10mm左右，而砂性土则略有增加；而端承力极限状态时的沉降，则多为50～100mm。在某一极限沉降量时，桩侧和桩端承载力不可能同时进入极限状态。为了解决此问题，必须找准平衡点位置，使O-Cell向上及向下加载都达到极限或至少相近，但要找准它是极其困难的。因此，将桩侧和桩端极限承载力之和作为桩顶加载试验的极限承载力，需要进一步探讨。

3.桩身压缩问题

桩顶加载时桩顶沉降量包含了桩身压缩。而Osterberg试桩法不计桩身的压缩量，这是一个较大问题。对大量中、小型桩，桩身压缩量大都为1～3mm；误差尚可接受；但对桩直径2m以上、长达百余米的大型桩，其桩身压缩量随荷载增加而增大，实测的桩身压缩量常达20～30mm。因此，桩体为刚性、暂不计压缩量这条假设亟需修正。

国内试桩规范有的取40mm桩顶沉降量作为试桩终止加荷载判据或极限荷载选取标准，这对桩身压缩量达20～30mm的大型桩是不适合的，应以加载曲线出现拐点作为判断标准为宜。若在无明显拐点时，可考虑选用国内现有的规范所建议的3%～5%D(桩径)的沉降标准。

4.载荷试验后对试验桩的补强处理

工程桩在进行承载力自平衡法深层载荷试验后，试验将会使桩端载荷箱部位与持力层之间形成一个小的缝隙，该缝隙对桩的承载能力有一定影响。为了消除这种不良影响，应采取如下两种办法处理，以使试验桩的竖向承载力能达到原设计指标：

(1)利用位移棒护管(图2-32)，直接用M10高强度水泥浆对试桩桩底进行注浆补强处理，使试验产生的缝隙用高强度水泥浆充实，并对载荷箱起到防止渗水锈蚀作用；

(2)试验桩施工时应将试验桩的桩端直径适当放大，以抵消试验部位对桩端阻力的影响。

预压是用特制辊筒初压胶清、雨冲胶或洗桶水胶的凝块，使之部分脱水以增加强度和硬度的过程。

在工程施工中（多指桥梁施工）以贝雷支架、打入式钢管桩作为承重桩，在混凝土浇筑过程中可能会产生沉降，这样会影响支架的整体受力。为了避免浇筑过程中不均匀沉降现象的出现，准确得知支架在荷载作用下的非弹性和弹性变形，检验支架的强度、刚度和稳定性，确定模板底部标高的调整值的工程活动就称为预压。、

热压 是指粉末或压坯在高温下的单轴向压制，从而激活扩散和蠕变现象。另外由于温差引起的室内外或管内外空气柱的重力差。

热压三要素：

1、热压温度

温度的作用，提供胶粘剂固化所需的能量，增加木材可塑性，减小热压压力。

2、时间温度曲线

热压温度指热压板表面温度，而板坯实际的传热过程较为复杂。

3、芯层温度曲线分为5段：

T1段，板坯表层迅速升温，芯层温度无变化；

T2段，芯层温度迅速上升，直至水分开始蒸发；

T3段，芯层温度升至100℃；

T4段，芯层保持100 ℃，水分变为蒸汽，从板边排出；

T5段，芯层温度开始超过100℃，并逐渐升高接近热压板温度。

确定温度的原则：

选择热压温度应考虑胶粘剂类型、人造板品种、设备生产能力、板坯含水率和板材厚度等因素。

常用热压温度：

对于脲醛树脂胶，胶合板的热压温度105～120 ℃，刨花板140～205 ℃，中密度纤维板150～180 ℃。对于酚醛树脂胶，胶合板130～150 ℃，刨花板与中密度纤维板170～195 ℃ 。

卸载预压是对预压在软弱地基的承载力的卸载过程和步骤，有相应的检测规范可以遵循。

在工程施工中（多指桥梁施工）以贝雷支架、打入式钢管桩作为承重桩，在混凝土浇筑过程中可能会产生沉降，这样会影响支架的整体受力。为了避免浇筑过程中不均匀沉降现象的出现，准确得知支架在荷载作用下的非弹性和弹性变形，检验支架的强度、刚度和稳定性，确定模板底部标高的调整值的工程活动就称为预压。

而卸载预压当发现在打地基时，其地基过于软，或者是没有巨大的承受力时，就需要把这种压力给释放出来，这种情况下，就要把预计的压力给释放出来，也就是卸载掉，这种过程实际上，就是对于预压的一个反作用过程，这种情况下，逆向操作就是卸载预压。

1.概述

(1)工作过程

夯扩桩是一种顶端打入式的钢管(沉管)现场灌注混凝土桩，在钢管下端配有可脱开的铸铁管靴，在管中填以可塑性混凝土，使之达到要求标高处，而后抽出沉管，使混凝土流出管外，形成桩身。和振动桩的状况相似，借锤击在管上的作用，振实桩身混凝土，钢管下端部分填以半干硬性混凝土，并在其余部分填以砂及砾石形成待扩大的底座，提动沉管后，在砂及砾石的桩顶上加一个桩靴，并用标准管把桩靴打下去，直到新桩靴打至先前打入的那个桩靴上为止，砂和砾石及在下面的混凝土都被挤压出去，从而形成扩大的底座及桩身，然后管内全部填充混凝土并拔出沉管。

夯扩桩的设计构思来源于美国伯尔肯打桩有限公司的阿尔法专利桩和瑞士帝克提AG特尔塔桩，经过欧洲、亚洲、美国等许多地区和国家桩基础公司的共同实践与不懈探索，最后形成了较为稳定的夯扩桩桩型。

(2)夯扩桩特点

1)经过夯扩工序后既可增大桩端截面1.2～3.6倍，又可改善桩端持力层的密实度。夯扩桩由于充分发挥了它的端承力，使得在同等荷载情况下桩身混凝土量及钢筋用量得以较大程度地减少。工程造价比一般混凝土灌注桩基降低30%～40%。

2)设备简单、操作方便、技术可靠、工艺合理。

3)在浇混凝土拔管的同时，对混凝土加压使桩成型，消除一般灌注桩易出现的缩径、裂缝、混凝土不密实、回淤等弊病，保证工程质量。

(3)夯扩桩类型

1)带钢筋混凝土桩靴的夯扩桩。预制混凝土桩靴主要是起底端封闭，防淤、止水作用。适用于有硬夹层的地层。

2)无桩靴的夯扩桩。近似于法兰克桩，它不需要预制混凝土桩靴，而采用干硬混凝土封底，适用于无硬夹层的地层。这种桩制作方法简单，成本低，此种桩型使用较多。

(4)适用条件

地层:适用于一般粘性土、淤泥、淤泥质土、黄土、硬粘性土，亦可用于有地下水的情况，可在20层以下的高层建筑基础上应用。

桩径和桩长:桩径由一般的325mm、377mm，到450mm桩长由7～12m到19～26m。

预计它将替代桩长在30m内，桩径为600mm，单桩容许承载力为1000kN以内的钻孔灌注桩。夯扩桩具有非常广阔的应用前景。

2.夯扩桩使用的设备机具

沉管机械采用锤击式沉桩机或1.8t导杆式柴油打桩机、静力压桩机，并配有2台2t慢速卷扬机，用于拔管。

图3-21 夯扩桩施工工艺流程

桩管由外管(套管)和内管(夯管)组成(图3-21)，外管直径为325mm(或377mm)无缝钢管内管直径为219mm，壁厚10mm，内管比外管短100mm，内夯管底端可采用闭口平底或闭口锥底。

3.夯扩桩施工

1)夯扩桩的施工工艺程序如图3-21所示:①机架就位，在桩位垫一层150～200mm厚与灌注桩同强度等级的干硬性混凝土，放下桩管，紧压在其上面，以防回淤。②将外桩管和内夯管套叠同步打入设计深度。③拔出内夯管并在外桩管内灌入第一批混凝土，高度为H，混凝土量一般为0.1～0.3m3。④将内夯管放回外桩管中压在混凝土面上，并将外桩管拔起h高度(h

2)端夯扩沉管灌注桩亦可采用以下两种方法形成:①沉管由桩管和内击锤组成，沉管在振动力及机械自重作用下，到达设计位置后，灌入混凝土，用内击锤夯击管内混凝土使其形成扩大头②采用单管，用振动加压将其沉到设计要求的深度，往管内灌入一定高度的扩底混凝土后向上提管，此时桩尖活瓣张开，混凝土进入孔底，再将桩管加压振动复打，迫使扩底混凝土向下部和四周挤压，形成扩大头。

3)有地下水或渗水，沉管时，外管封底可采用干硬性混凝土或无水混凝土，经夯实形成管塞，其高度一般为100mm。

4)桩的长度较大或需配置钢筋笼时，桩身混凝土宜分段浇筑拔管时，内夯管和桩锤应施压于外管中的混凝土顶面，边压边拔。

5)桩端扩大头进入持力层的深度不小于3m当采用2.5t锤施工时，要保证每根桩的夯扩锤击数不少于50锤，当不能满足此锤击数时，须再投料一次，扩大头采用干硬性混凝土，塌落度应在1～3cm左右。

当桩顶设计标高与施工场地标高相近时，桩基工程的验收应待成桩完毕后进行当桩顶设计标高低于施工场地标高时，应待开挖到设计标高后进行验收。

1.桩基础验收应包括的资料

1)工程地质勘察报告、桩基施工图、图纸会审纪要、设计变更单及材料及材料代用通知单等。

2)经审定的施工组织设计、施工方案及执行中的变更情况。

3)桩位测量放线图，包括工程桩位线复核签证单。

4)成桩质量检查报告。

5)单桩承载力检测报告。

6)基坑挖至设计标高的基桩竣工平面图及桩顶标高图。

2.承台工程验收时应包括的资料

1)承台钢筋、混凝土的施工与检查记录。

2)桩头与承台的锚筋、边桩离承台边缘距离、承台钢筋保护层记录。

3)承台厚度、长度记录及外观情况描述等。

小结

1.桩基础是一种常用的深基础形式，它是由承台和支撑着这个承台的桩组成。桩基础按承载性状分为摩擦型桩和端承型桩。

2.施工组织设计是桩基础施工准备阶段的一项非常重要的内容，其任务是实现桩基础施工计划和实际要求为整个工程的施工，选择科学的施工方案和合理的安排，以此作为施工全过程的依据，从而协调各施工单位、各工种之间、资源与时间之间、各资源之间的合理关系。在整个施工过程中，按照客观的经济、技术规律，作出合理、先进、科学的安排，使整个工程在施工中取得相对最优的效果。

3.钻孔灌注施工前的准备工作主要有场地平整，桩位测量放线，布置设备行走轨道和运输道路，设置供电、供水系统，安设冲洗液循环、储备、净化和排水设施，混凝土搅拌站，护筒埋设以及设备、机具、材料的安装和准备。以上各项工作都应按施工组织设计要求进行，并在开工前准备就绪。施工场地的准备，根据场地现场情况分为旱地、陡坡、浅水和深水，采用不同的处理方式。护筒的制造和埋置应按标准进行。

4.桩孔的施工应符合规范，桩孔应符合质量标准的要求并按规范要求的检测方法检测。桩孔的钻进方法可根据施工区域地层情况按第三章的讲述选择。

5.清孔主要针对采用泥浆护壁的桩孔。可采用压风机清孔、换浆清孔和掏渣清孔。钢筋笼的制作及吊放应符合设计和规范的要求。混凝土的配制应符合设计强度要求和灌注的塌落度要求，混凝土的灌注分干孔灌注和水下灌注两种方法。

6.沉管灌注桩是目前采用最为广泛的一种灌注桩。它是采用锤击或振动的方法，将带有预制钢筋混凝土桩尖(也称桩靴)或钢活瓣桩尖的钢管沉入土中成孔，然后放入钢筋笼，灌注混凝土，最后再拔出钢管，即形成混凝土灌注桩。振动沉管灌注桩可根据土质情况和荷载要求，采用单打法、反插法、复打法施工。夯扩桩是一种顶端打入式的钢管(沉管)现场灌注混凝土桩。静压桩施工是通过静力压桩机以压桩机自重及桩架上的配重作反力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。静压桩与沉管灌注桩相比，成桩质量较有保证。

7.桩基础质量通病防治要根据施工中可能出现的质量问题的现象，采取相应的预防措施。对于已经出现的质量问题应采取正确的治理方法。成桩的质量检验有两类基本方法，一类是静载载荷试验法，另一类为动测法。桩基工程的验收应在成桩完毕后进行。

复习思考题

1.什么是钻孔灌注桩?

2.试述钻孔灌注桩施工组织设计的作用。

3.钻孔灌注桩施工场地“三通一平”指的是什么?

4.试述钻孔灌注桩施工中护筒的作用。

5.试述钻孔灌注桩施工中泥浆的作用。

6.钻孔灌注桩桩孔质量检测项目有哪些?有什么质量要求?

7.试述钻孔灌注桩施工中清孔的目的和要求。

8.钻孔灌注桩施工中混凝土的主要配制材料有哪些?

9.钻孔灌注桩常见的质量问题有哪些?检查内容有哪些?

10.沉管桩的桩尖有哪几种?各有什么特点?

一、按承载性状分类

1、摩擦型桩：

（1）、摩擦桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载由桩侧阻力承担，桩端阻力小到可忽略不计。

（2）、端承摩擦桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受。

2、端承型桩：

（1）、端承桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载全部由桩端阻力承担，桩侧阻力小到可忽略不计。

（2）、摩擦端承桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载大部分由桩端阻力承受。

二、按成桩方法分类

1、非挤土桩：在成桩过程中将相应于桩身体积的土挖出来，因而桩周和桩底土有应力松弛现象，常见的非挤土桩有挖孔桩、钻孔桩等。

2、部分挤土桩：成桩过程中，挤土作用轻微，桩周土的工程性质变化不大，常见的桩型有预钻孔打入式预制桩、打入式敞口钢管桩等。

3、挤土桩：在成桩过程中，桩周土被挤开，使土的工程性质与天然状态相比有较大变化，常见的挤土桩有打入或压入的预制混凝土桩、封底钢管桩、混凝土管桩和沉管式灌注桩。

扩展资料

桩是将建筑物的全部或部分荷载传递给地基土并具有一定刚度和抗弯能力的传力构件，其横截面尺寸远小于其长度。而桩基础是由埋设在地基中的多根桩（称为桩群）和把桩群联合起来共同工作的桩台（称为承台）两部分组成。

桩基础的作用是将荷载传至地下较深处承载性能好的土层，以满足承载力和沉降的要求。桩基础的承载能力高，能承受竖直荷载，也能承受水平荷载，能抵抗上拔荷载也能承受振动荷载，是应用最广泛的深基础形式。

参考资料来源：百度百科——桩基础