李镜培 建筑桩基新规范设计技术要点

建筑桩基新规范设计技术要点李镜培同济大学土木工程学院术语说明1.单桩承载力特征值characteristicvalueofsinglepilebearingcapacity单桩极限承载力除以安全系数后的承载力值。2.混合型基础compoundfoundation同一建筑物根据其荷载分布特征与结构型式，采用天然地基与局部桩基的混合型基础。3.变刚度调平设计adjustedfoundationrigiditydesignforreducingdifferentsettlement考虑结构荷载、地层分布和相互作用效应，通过调整桩径、桩长、桩距等改变桩土刚度分布，以使建筑物沉降趋于均匀的设计方法称为变刚度调平设计。4.群桩效应groupeffect群桩基础，在竖向荷载作用下，由于承台、桩、土的相互作用导致桩基承载力、沉降等性状发生不同于单桩的变化；在水平荷载下，桩基的水平承载力、位移等性状发生不同于单桩的变化，称此种效应为群桩效应。5.承台效应系数pilecapeffectefficiency竖向荷载下，群桩承台底地基土产生一定抗力分担荷载，称此为承台效应。以地基承载力的发挥率度量该效应称为承台效应系数。一、基本设计规定一般规定桩基础应按下列两类极限状态设计1承载能力极限状态：桩基达到最大承载能力或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：桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。桩基设计等级根据建筑物规模和功能特征以及由于桩基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度区分。设计等级建筑类型甲级（1）重要的工业与民用建筑（2）30层以上或高度超过100m的高层建筑（3）体型复杂,层数相差超过10层的高低层连体建筑物（4）对桩基变形有特殊要求的建筑物（5）场地和地基条件复杂的一般建筑物（6）对相邻既有工程影响较大的建筑物乙级除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物丙级场地和地基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下的民用建筑及一般工业建筑物桩基承载能力计算和验算要求1应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行桩基的竖向承载力计算和水平承载力计算；2应对桩身和承台承载力进行计算；对于桩身露出地面或桩侧为可液化土、土的不排水剪切强度小于10kPa土层中的细长桩应进行桩身曲屈验算；对于混凝土预制桩应按施工阶段吊装、运输和锤击作用进行强度验算；对于钢管桩应进行局部曲屈验算；3当桩端平面以下存在软弱下卧层时应进行软弱下卧层承载力验算；4对位于坡地、岸边的桩基应进行整体稳定性验算；5对于抗浮桩基，应进行基桩和群桩的抗拔承载力计算；6对于抗震设防区的桩基应按现行《建筑抗震设计规范》的规定进行抗震承载力验算。桩基变形验算要求根据建筑桩基的设计等级及长期荷载作用下桩基变形对上部结构的影响程度、桩基裂缝对耐久性的影响程度决定。应进行沉降验算的桩基：1）设计等级为甲级的建筑物桩基；2）体形复杂、荷载分布不均匀或桩端以下存在软弱土层的设计等级为乙级的建筑物桩基。可不进行沉降验算的桩基：1)嵌岩桩和支承于其他坚硬持力层的桩基；2)设计等级为丙级的建筑物桩基；3)对沉降无特殊要求的单排桩条形承台桩基；4)有可靠经验时，对地质条件简单、荷载均匀、且对沉降无特殊要求的桩基。水平位移验算：对受水平荷载作用的建筑物和构筑物桩基，且对水平位移有严格限制时，应验算其水平位移。抗裂度验算:对于使用上需限制裂缝宽度的桩基应进行裂缝宽度验算，对使用条件要求混凝土不得出现裂缝的桩基应进行抗裂度验算。基于差异沉降的桩筏基础的优化Poulos也指出当表层附近的土层由相对较硬土体或密实砂土组成时，地基土可以提供全部或大部分承载力，此时基础设计的重点是控制差异沉降和整体沉降。大量计算分析和工程实践表明，差异沉降越大，筏板的弯矩越大，上部结构的次生应力也越大。因此，差异沉降控制是桩基设计，特别是以变形控制为基础的桩基设计的关键。1.差异沉降控制与变刚度调平设计概念控制差异沉降和整体沉降，除了前述选择合适的筏板厚度外，对桩基刚度的调节也是一个主要手段。考虑结构荷载、地层分布和相互作用效应，通过调整桩径、桩长、桩距等改变桩土刚度分布,以使建筑物沉降趋于均匀的设计方法称为变刚度调平设计。变刚度调平设计原则:宜以上部结构-承台-桩-土的共同作用分析为基础,按变刚度调平设计原则设计的桩基:l.对于主裙楼连体建筑,当高层主体采用桩基时,裙房的地基或桩基刚度宜相对弱化,可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础。2.对于框筒、框剪结构高层建筑桩基,应加强核心筒和内部剪力墙区域桩基刚度(视条件适当增加桩长、桩径、桩数、采用后注浆等措施),相对弱化核心筒外围桩基刚度,并对后者按复合桩基设计。3.对于框筒、框剪结构高层建筑天然地基,承载力和沉降量满足要求的条件下,宜于核心筒区域设置增强刚度、减小沉降的桩。形成局部复合桩基(非地震区和七度及其以下地震烈度设防区)或刚性桩复合地基。4.对于大体量筒仓、储罐桩基,宜按内强外弱原则布桩。天然地基和均匀布桩的初始竖向刚度是均匀分布的。设置于其上的有限刚度的基础(承台)受均布荷载作用时,由于地基土、桩土的相互作用导致地基或桩群的竖向刚度分布发生内弱外强变化,沉降变形出现内大外小的碟形分布,基底反力出现内小外大的马鞍形分布。当上部结构为荷载与刚度内大外小的框筒结构时,碟形沉降会更趋明显。为避免上述负面效应,突破传统设计理念,通过调整地基或基桩的刚度分布,促使差异沉降减到最小,基础或承台内力显著降低。这就是变刚度调平概念设计。(1)局部增强在采用天然地基时,突破纯天然地基的传统观念,对荷载集度高的区域如核心筒等实施局部增强处理,包括采用局部桩基或局部刚性桩复合地基。(2)桩基变刚度当整体采用桩基时,对于框筒、框剪结构,采用变桩距、变桩径、变桩长(多层持力层)布桩。对于荷载集度高的内部桩群,除考虑荷载因素外,尚应考虑相互作用影响予以增强;对于外围区应适当弱化,按复合桩基设计。(3)主裙连体变刚度对于主群连体建筑,基础应按增强主体(采用桩基)、弱化裙房(采用天然地基、疏短桩基、复合地基)的原则设计。(4)上部结构-基础-地基(桩土)协同工作分析在概念设计的基础上,进行上部结构-基础-地基协同工作分析计算,进一步优化布桩,并确定承台内力与配筋。基于差异沉降的设计方法：通过调节桩长、桩位布置和桩径以及板厚，可达到桩筏基础变刚度调平设计的目的。变刚度调平设计方法：由共同作用分析得到沉降等值线分布及影响其分布形态的上部结构、基础、桩土的刚度分布(刚度矩阵)后，调整刚度矩阵，使差异沉降达到最小的一种变形控制原则的优化设计方法。刚度分布的变化将导致沉降等值线分布的变化，因此设计中通过调整上部结构、基础、桩土的刚度分布，从而优化沉降等值线分布，使差异沉降值及其变化梯度减至最小。这就是变刚度调平设计的理论依据。大致可以分为以下几个步骤：①按资料选定初步方案，进行初始布桩，并确定基础板厚；②进行共同作用分析绘制沉降等值线；③对沉降等值线进行分析，根据具体条件，进行刚度调节处理，并生成新的刚度矩阵；④进行共同工作迭代计算，直至差异沉降最小，并进行方案的最后修正。这种设计理念已应用于一些大型工程，例如坐落在北京三元桥的南银大厦，高110m，地上31层，地下2层，采用片筏基础与预制混凝土管桩。自1997年竣工后，对其进行了观测研究，实测与计算的基础沉降见图1.5，实测的沉降与计算的结果非常相近，可以说是变刚度调平设计优势的充分体现。南银大厦沉降等值线计算与实测比较福建吉祥大厦的设计（王界辉等2002）该大楼主楼共有23层，中间尚有二层塔楼,框筒结构。平面为一切角正三角形(见图1.6)。裙房四层,框架结构。原设计均为一层地下室。主楼筒体由14堵剪力墙构成，框体由12根柱子构成。主楼恒载重34800kN，其中筒体重255433kN，占总荷载的58.7%，而框架柱重12293～17622kN，各柱荷载仅占总荷载的2.83%～4.05%，可见上部荷载分布极不均匀,给基础的沉降造成极不利的影响。大厦位于福州盆地中部偏南的残丘(称吉祥山)上，有8个岩土层，在残积土中无规律地存在大量大小不一、新鲜坚硬、难钻除的孤石，局部地段呈串珠式叠垒,且各岩土层的厚度变化很大，顶板起伏悬殊。此外场地西部地表下8～10m处尚有一条宽118m，高210m折线形分布的防空洞，转折处接一个8×8m2衬砌牢固的大洞室，整个防空洞积满了水。针对上述复杂的地基条件和荷载分布极不均匀的上部结构，经过全面仔细分析各种复杂因素后，王界辉等大胆打破常规，趋利避害,充分发挥天然地基的潜力，补充少量的桩，增强局部地段的地基刚度，调平不均匀沉降的基本思路去解决。具体设计施工方法:①将主楼地下室由一层改为二层，把施工中的两大阻碍——孤石和防空洞，用明挖的方法铲除掉；②采用补偿性基础的原理验算天然地基的强度和变形是否满足地基规范的要求；③当强度能满足要求，但变形满足不了要求时，在采用天然地基的情况下，用少量的桩来调平其超限的不均匀沉降；④据上部结构荷载的不同及地基土层变形模量的差异，打破常规在同一建筑物中选择可产生不同刺入变形的桩基持力层；○5桩基强度设计中打破常规，采用极限承载力作为设计荷载；○6进行天然地基、单桩及带台单桩的荷载试验，以取得可靠的参数，优化基础设计；○7根据地层剖面图及各岩土层顶板等高线图,逐根慎重确定桩长,以达到预期的刺入变形和调沉的目的。该工程建成后，一直进行沉降观测，历时三年半的精密沉降观测数据表明,经过调沉桩处理后,整个建筑的沉降已比较均匀，取得了预期的效果。主楼平面及基桩布置图法兰克福展览会大楼该大楼为筒中筒结构，共56层，高达256m，90年代在欧洲是除埃非尔铁塔以外的最高建筑。建筑物总重1880MN，水浮力180MN,有效总荷载Q＝1700MN。该大楼采用桩筏基础，桩基支承于第3纪粘土上，属摩擦桩。为减少沉降，运用了补偿原理，厚筏（中部6m，周边3m）埋深达14m，三层地下室。设计中大胆地按筏底地基土承担67％荷载考虑，余下的33％的荷载由桩基承担。64根直径Φ1300的钻孔桩长度不等，大体按环形布置。四角设28根桩，长26.9m；边桩20根，长30.9m;内环设16根桩，长34.9m。其意图是加大内环桩的支承反力，减少边、角桩的支承反力，从而减少筏基底板的弯矩。大楼施工到一半高度时，中心沉降4.0cm，差异沉降1.5cm，挠曲率2.55×10-4，基础倾斜约为1.53×10-4，均非常小。按筏底分担67％荷载，桩承担33％荷载，预计的沉降值s＝15cm，为纯筏基时的50％，即64根桩能使沉降减少一半。实测结果列于表1-3，表明筏底土分担比例比预计结果要小，而单桩平均荷载已按近其极限荷载。因此，该工程在基础设计上是非常先进的，值得借鉴。桩基设计的荷载与抗力桩基设计时，所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应符合下列规定：1按基桩承载力确定桩数时，传至承台底面的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用基桩承载力特征值。2计算桩基变形时，传至承台底面的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用，相应的限值为建筑物地基变形允许值。由于静荷载长期作用在地基基础上，它是引起基础沉降的主要因素。可变荷载中普通可变荷载经常出现且作用时间较长，变形计算中应予考虑。偶然荷载通常发生的机会不多，发生时作用的时间一般很短，产生的固结变形非常小，通常的沉降计算中不予考虑。3在确定承台高度、桩身截面、计算承台内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的桩顶反力，应按承载能力极限状态下的荷载效应基本组合，并采用相应的分项系数（各组合荷载采用标准值乘相应的分项系数，即荷载采用设计值）。当需要验算承台或桩身的抗裂度和裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。4桩基础设计安全等级、结构设计使用年限和结构重要性系数应按有关规范的规定采用。标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况。正常使用极限状