高层建筑桩箱(筏)基础结构设计理论与实际研究(案例分析、附图).ppt

高层建筑桩箱（筏）基础设计理论与实践研究,第一章绪 论第二章高层建筑超长桩箱基础与地基的共同作 用测试研究第三章桩土共同作用及沉降分析第四章 高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易 理论法第五章高层建筑桩箱(筏)基础沉降机理分析第六章带裙房高层建筑基础整体设计的研究第七章高层建筑桩箱(筏)基础的变形控制设计 理论第八章结论与展望,高层建筑桩箱(筏)基础设计：通常是通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担建筑物的荷载;很少考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规定的范围内。高层建筑桩箱(筏)基础设计理论与实践研究目的是：最终能使设计人员可利用高层建筑与桩箱(筏)基础共同作 用的设计理论进行优化设计。2.提出方法解决考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规定的范围内的问题。,第一章 绪 论,高层建筑桩箱(筏)基础 高层建筑桩基础大部分为桩箱基础和桩筏基础。通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担建筑物的荷载的设计方法称为强度设计方法。1.强度设计方法认为建筑物的荷载全部由桩承担，桩间土的承载力是不考虑的。2.共同作用设计方法认为高层建筑物的荷载是由桩和桩间土的承载力共同承担。,强度设计方法群桩中单桩竖向承载力校核1.轴心竖向力作用下：2.偏心竖向力作用下：，强度设计方法设计的高层建筑桩基础，国内最高建筑物为上海88层金茂大厦，主楼高420.5m，地下3 层,埋深19.2m，主楼底板尺寸64 m64 m，厚4m，裙房底板面积14950 m2，厚 0.5m。主楼采用914.420的钢管桩，桩长65m，入土深度83m，共429根。裙房采用609.614的钢管桩，桩长33m，入土深度47m，共632根。,正在建造的国内最高建筑物在上海，为121层上海中心大厦。主楼结构高580m，塔冠最高点达632 m，主楼底板为直径121 m，厚6m的圆形钢筋混凝土板，埋深31.4 m，局部埋深34.4m。采用直径为1 m的钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长55.6 m，入土深度87m，共955根。也是用强度设计方法设计的高层建筑桩基础。,1.进行高层建筑带桩基础与地基共同作用现场实测研究的目的：1）为实际的工程设计提供依据;2）它是理论分析正确性的判断和检验标准。,第二章 高层建筑超长桩箱基础与 地基的共同作用测试研究,图2-1 建筑透视图,图2-3 公寓平面及量测元件布置,2.地基反力及 荷载分担,图2-2 建筑剖面示意图,图2-4 I-I剖面地基反力的分布及随层数增加的变化,图2-6 桩与箱基的荷载分担,说明：常规设计的超长桩箱基础的桩间土从施工一开始就 分担上部荷载，这是高层建筑群桩基础的工作机理。,1）桩间土在箱形基础混凝土一浇灌，就存在地基反力了。现场实测并未观察到群桩基础先承担上部荷载，而桩间土一点荷载也未承担的情况，这是桩箱（筏）基础的工作机理。这是和带承台单桩的试验结果不同的，带承台单桩的试验结果认为：上部荷载先由单桩承担，承台下的土体的地基反力为零，当单桩荷载达到单桩极限承载力时，单桩承担荷载保持不变，承台下的土体才开始承担上部荷载。高层建筑变形控制设计理论应以群桩基础的工作机理来探讨。2）本例箱基底板分担11.1%的上部荷载。,（a)底板上排钢筋应力,（b)底板下排钢筋应力图2-8 钢筋应力与时间的变化图,3.箱基底板钢筋 应力1)实测箱基底板钢筋应力远小于钢筋的允许应力。底板上排钢筋应1处最大钢筋拉应力29.35MPa，底板下排钢筋（应5）处测得最大钢筋拉应力为11.44MPa。桩对准剪力墙布置的设计使箱基底板厚度减薄至60cm是合理安全可靠的。这种设计方法与同类的满堂式桩设计方法比较，每幢公寓可节省约15万元投资。2)箱基底板钢筋应力随温度变化的规律。钢筋应力并未按荷载的增加而增加，而呈现正弦形规律的变化，最大底板钢筋拉应力往往在1-3月份出现，最小底板钢筋拉应力往往在7-9月份出现。,图2-10 大气温度、下排钢筋处温度以及它们之间的温差随时间的变化图,图2-11 上排钢筋处温度随时间的变化图,图2-12 钢筋应力计的频率与温度的关系,3)底板钢筋应力呈现出正弦形规律的变化，这是建筑物整体结构温差应力的结果。,4.桩箱基础底板钢筋应力 的机理分析1)桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算；2）桩箱基础底板钢筋应力的机理分析：计算桩箱基础底板钢筋应力，计算单元是变化,实测表明，计算单元变化的结论是正确的。3）群桩刚度对箱形基础的底板钢筋应力分布是有 影 响的。,图2-13 应1，应5及应9处的上下排钢筋应力随时间的变化,(a)(b)(c)(d)图2-14 高层建筑桩箱基础的箱基底板计算单元变化图,图2-15 箱基底板上下排钢筋应力沿-剖面的分布图,5.超长桩箱基础 的变形 1）沉降很小（29.3mm,实测推算 的最终沉降为36.8mm。）；2）超长桩箱基础的整体横向倾 斜和纵向弯曲。整体横向倾斜：0.25(视作 均匀下 沉)；纵向弯曲：-0.386-0.29（与纯箱基差不多）。,图2-17 平均沉降随时间变化的理论值与实测值的比较,图2-16 沉降随时间（层数）变化的关系,第二章 小结1桩对准剪力墙的轴线布置的设计方法是合理可行的。2常规设计的超长桩箱基础的桩间土从施工一开始就分担上部荷载，这是高层建筑群桩基础的工作机理。3.在进行高层建筑桩箱基础底板设计中，桩箱基础整体弯矩可以不计，桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算。4.高层建筑群桩基础对箱形基础的刚度是有影响的。超长桩箱基础可视为绝对刚性的。5由于高层建筑物的温差引起的箱基底板钢筋应力的变化不容忽视。,第三章 桩土共同作用及沉降分析1.弹性理论法。这是以明特林（Mindlin）解为基础的一种桩基础沉降计算方法。在具体应用中分为两类:位移解；应力解：盖特斯（Geddes）。弹性理论法计算参数不易确定。2.简易理论法。该法是由笔者在1989年提出的桩箱（筏）基础最终沉降计算方法。土中应力用布西奈斯克解或明特林（Mindlin）解。简易理论法简单，能够手算，计算参数易确定，计算结果不需用沉降计算经验系数修正。3.实体深基础法。这个方法是国内在1989年前规范推荐的方法，该法简单，方便，能够手算，计算结果需用沉降计算经验系数修正。沉降计算经验系数改变后，这个方法仍在上海市地基基础设计规范（DGJ08-11-1999）中存在。此法不能计算沉降与桩数的关系。土中应力用布西奈斯克解。4.剪切位移法。这个方法国内很少用于实际。,高层建筑桩箱（筏）基础的共同作用的理论分析结果:,1、适当减少桩数，建筑物的沉降增加很少（图b），底板弯矩平缓增加（图c），且桩间土分担上部荷载的比例增加（图d）。2、常规设计的桩箱（筏）基础的角桩，边桩，内部桩反力之比为3.59:2.71:1;极限设计（群桩的平均荷载等于单桩的极限承载力）的桩箱（筏）基础的角桩，边桩，内部桩反力之比为1.39:1.20:1。3、常规设计的桩箱（筏）基础底板的钢筋应力均很小，在30MPa以内（图2-8）,（表b）。,4、桩越长，建筑物的沉降就越小，但当长细比达到某值时，减小沉降的作用就不明显了（图f）。5、合理布置桩位，高层建筑桩箱基础采用轴线桩及高层建筑桩筏基础采用柱对桩方案可大大减薄底板厚度；桩布置外密内疏是为了充分利用内部桩的承载力，桩布置外疏内密是为了减小底板的弯矩。,图b 桩间距与沉降的关系,图c 筏中最大弯矩与桩间距的关系,图d 桩分担系数 与桩间距s 的关系,表b 实测的底板钢筋应力,图f 桩长L与沉降S的关系,高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用的理论和实践研究表明：加大桩间距，减少桩数，充分利用桩间土的承载力是可行的。由此建立共同作用设计方法。该设计方法的核心是认为高层建筑桩箱（筏）基础能否正常安全工作，主要是：(1)让建筑物的实际沉降小于允许沉降；(2)让桩的承载力与桩间土的承载力之和控制在一定的范围内；(3)要求桩群中的基桩平均荷载不超过单桩的极限承载力。,下面例子说明桩间土的承载力是客观存在的：上海属软土地基，其地基承载力也有80kPa。高层建筑一般均有较大的埋深，实践证明：当地下室埋深在5.5m左右，不采用桩基础仍可造12层高层建筑，沉降量仍在20cm以内。当建筑物的荷载等于挖去土重时，即处于所谓的自重应力阶段，建筑物仅有2mm以内的绝对沉降量（图g）。,图g 卸载（深基坑开挖）与变形的关系,另外，上海兰生大酒店，26层高层建筑，地下室埋深7.6m，总压力为360 kPa，而筏基持力层承载力358kPa之多，但是这幢建筑物却设置了230根桩长为53m的609.6mm12mm的超长钢管桩。此例可见，常规设计的高层建筑桩箱（筏）基础把这么大的筏基持力层承载力全部忽略了。常规设计没有考虑桩间土承载力这个宝贵的自然资源。,高层建筑桩箱（筏）基础的共同作用设计方法是在高层建筑桩箱（筏）基础常规设计方法和高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用时桩间土从施工一开始就分担上部荷载的事实而发展起来的。如何充分利用桩间土的承载力，减少桩数，合适布置桩距和长短是高层建筑桩箱（筏）基础共同作用设计方法的主要内容。,第四章 高层建筑桩箱(筏)基础 沉降计算的简易理论法,4-1.概述4-2.基本原理:通过对桩箱(筏)基础受力环境的比较，分析它们的变形机理，给出两种桩箱(筏)基础沉降计算的分析模式：1）P T 的分析模式；2）P T 的分析模式；P 总荷载；T 总抗剪力。,P T:,图4-4 P T 情况,P T:,图4-6 P T 情况,T 的计算：,4-3.简易理论法的单桩分析,1）短桩,2）长桩,3）超长桩,通过单桩的各种桩长的简易理论法分析与实测比较，可得如下结论：沉降计算的简易理论法可以计算单桩的各种桩长的沉降。单桩的简易理论法可以给出理论的单桩刚度：kp=Q/S(4-18)10m以内的短桩，单桩的简易理论法计算沉降，在计算桩长范围内土层的压缩量时采用沿桩长压力分布为矩形分布的假定，桩长范围内土层的压缩量可以忽略；对于20-30m的长桩，实测的Q-S 曲线均在沿桩长压力分布为三角形分布和沿桩长压力分布为矩形分布理论Q-S 曲线之间，说明20-30m的长桩的沉降量，桩的压缩量开始占到一定的比例，因此，不能忽略桩间土的压缩量。而45m以上的超长桩，在计算桩长范围内土层的压缩量时宜采用沿桩长压力分布为三角形分布的假定，且超长桩的沉降量主要是桩的压缩量。单桩的简易理论法给出荷载与沉降（Q-S）的非线性关系，短桩和长桩还给出理论的单桩极限承载力值。,4-4.简易理论法的群桩分析1）在上海,表4-18 温州地区12幢高层建筑沉降计算值与实测值的比较,注：简易理论法预估最终沉降；实测沉降位竣工时的沉降。,2）在外地,4-5.不同应力计算方法对桩箱(筏)基础沉降计算的比较,附加应力用布西奈斯克解计算，计算沉降最大；用明特林解计算时，泊松比大，计算沉降大。,第四章 小结1高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易理论法可以计算各种桩长（7.5m-60m）的最终沉降；此法简单、方便，且可以手算；计算参数容易确定；计算结果均不需使用桩基沉降修正系数；考虑了桩间土分层的影响；能反映建筑物荷载与沉降的非线性关系；计算沉降量与实测推算值相当接近，并在外地获得成功。2用简易理论法的基本原理可以进行单桩分析，能获得单桩的理论的单桩刚度；给出荷载与沉降（Q-S）的非线性关系；短桩和长桩还给出理论的单桩极限承载力值。3高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易理论法不管桩的长度为多少，用布西奈斯克解计算的沉降大，用明特林解计算的沉降较小；超长桩情况，明特林解计算的沉降值更接近于实测推算值，对于短桩和中长桩情况，布西奈斯克解计算的沉降更接近于实测推算值,且明特林解计算的沉降误差较大；高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算用布西奈斯克解是可行的。,第五章 高层建筑桩箱(筏)基础沉降机理分析,(5-1),1.前言桩数变化必须满足下式：,式中：Pu 桩的极限承载力；Pb 桩材料的强度极限荷载：np 设计最少桩数。,2.桩箱（筏）基础的沉降机理分析和优化设计,1）高层建筑桩箱（筏）基础的荷载沉降曲线2）高层建筑桩箱（筏）基础的桩数与沉降的关系3）高层建筑桩箱（筏）基础桩长与建筑物沉降的关系 4）下卧层压缩模量的影响 5）箱（筏）基础宽度B对建筑物沉降的影响6）箱（筏）基础面积变化对建筑物沉降的影响7）桩径变化对建筑物沉降的影响,图5-1 8m短桩的p-S 曲线,图5-3 桩数与建筑物沉降的理论关系,图5-2 54.6 m超长桩的p-S曲线,图5-7 建筑物基础的平面面积变化对沉降的影响,图5-5 例4-2情况的下卧层模量变化与沉降 的关系,图5-4 例4-2情况桩长与沉降的关系,（a）桩径变化对单桩承载力的影响,(b)桩径变化对建筑物沉降的影响（A）8m短方桩情况（B）52.3m超长圆桩情况 图5-8 建筑物桩基础的桩径变化对单桩承载力和建筑物沉降的影响,例5-1 某地某两幢办公大楼均为25层高层建筑，上部结构采用框架剪力墙结构。1#楼平面面积为：27m24m，2#楼平面面积为：37m21m。两幢大楼共用同一个筏板基础，筏板基础平面面积为1692m2。采用桩筏基础，筏板厚2m，埋深5m。桩选用0.45m0.45m28.0m预制钢筋混凝土方桩。1#楼桩数256根，2#楼桩数248根。场地的地质资料见表5-3。桩基持力层为7-1层。,图5-9 两幢办公大楼的共用桩筏基础平面图及各测点实测沉降值,3.实例分析,这两幢办公大楼1995年底结构封顶，至1999年1月5日沉降观测的最大沉降达305.4mm，最大沉降速率为0.177mm/天,最大倾斜为4.20。在软土地区，高层建筑桩筏基础一般来说沉降是小的，差异沉降也较小，通常系均匀下沉，一般不会有较大的倾斜，但是，当绝对沉降很大时，则差异沉降也将增加。因此在实际设计中，合理的沉降计算方法和合理的计算模式及计算参数的选用是至关重要的，它可以得到高层建筑的安全建造，否则建造的高层建筑将会出现不符合规范的结果，并形成长期不能完工和使用，造成很大的经济损失。为此有必要对这两幢办公大楼进行沉降分析，以了解可能的不合理的原因。,1)沉降计算 沉降计算时，合适的桩筏基础平面面积选择的重要性；沉降计算时，合适的压缩模量选择的重要性。2）实测研究3）桩基础施工情况4）设计建议,表5-4 桩端持力层下各土层的压缩模量的选择,表5-5 桩筏基础平面面积变化对建筑物沉降的影响,图5-10 桩筏基础平面面积与计算沉降的关系,1)沉降计算,表5-6 两种计算方法及两种模量取值的最终沉降计算值,图5-11 1#楼的沉降与时间的关系,2）实测研究,图5-12 2#楼的沉降与时间的关系,3）桩基础施工情况 本工程的桩采用预制钢筋混凝土方桩，桩断面为桩选用0.45m0.45m，桩长为28.0m，系两节桩，采用焊接连接。设计桩尖进入7-1土层。用压桩法进行施工。压桩从1993年12月开始，到1994年6月完成504根的压桩任务，其中有141根桩未压到设计标高而截短0.5m-1.5m。1#楼截桩61根，占总桩数的23.8%；2#楼截桩80根，占总桩数的32.2%。截桩数的比例是够大的。从前面分析可知：桩长对建筑物的沉降是有较大影响的，这么多的截桩将使建筑物的沉降增大。,4）设计建议 这两幢建筑物由于合用一个整体基础，建筑物的沉降将大增，但若事先能知道基础面积增大会使建筑物的沉降增大，那就会采取合理的措施使建筑物的沉降控制在规范规定的允许沉降以内，下面探讨这两幢建筑物使其的沉降控制在规范规定的允许沉降以内的办法。,图5-13 例5-1建筑物的桩长与沉降的关系曲线,5-3 本章小结1.高层建筑桩箱（筏）基础沉降计算简易理论法可以分析高层建筑箱（筏）基础的总压力p和沉降S的关系，桩数与沉降的关系；桩长变化与建筑物沉降的关系；下卧层压缩模量对沉降的影响；箱（筏）基础宽度B对建筑物沉降的影响；建筑物平面面积对沉降的影响以及桩截面变化对沉降的影响。2.通过对这些影响因素的分析研究，对高层建筑桩箱（筏）基础的工作机理有了深入的了解，可以自由地进行最优设计，使高层建筑桩箱（筏）基础的基础设计做到既合理安全又经济，达到优化设计的目的。3.通过一实例分析可知，两幢建筑物合用一整体基础，应以整体基础的平面面积计算沉降，桩端下土层的压缩模量应采用自重应力至自重应力加附加应力对应的压缩模量。同时指出，太大的沉降量会使建筑物容易倾斜。桩的长度对建筑物的沉降量影响明显，桩的压入应以桩尖标高为准，不能用桩压不下去为理由不压到桩尖标高。,第六章 带裙房高层建筑基础 整体设计的研究,6-1.带裙房高层建筑与地基基础的共同作用分析6-2.带裙房高层建筑桩箱（筏）基础的整体设计6-3.带裙房高层建筑整体设计的实测研究,图6-1 带裙房高层建筑子结构的划分 图6-2 主楼子结构向裙房子结构的凝聚,KBKFKSU=Q+SB(6-1),式中:KB 等效边界刚度矩阵；KF 基础的刚度矩阵；KS 地基刚度矩阵；U 基础位移向量；Q 荷载向量；SB 等效边界荷载向量；,6-1.带裙房高层建筑与地基基础的共同作用分析,图6-3 计算实例高层建筑平面图,表6-1 II-II剖面的理论计算与部分高层建筑的几何尺寸和变形的实测结果,图66 L1h与相对弯曲r 的关系,6-2 带裙房高层建筑桩箱（筏）基础的 整体设计共同作用方程式,（Kb+KR+KSp）Ub=Sb+PR（6-2）式中 Kb整个上部结构（包括裙房）关于 基础顶面的等效边界刚度矩阵；KR 筏板基础的整体刚度矩阵；KSp 桩土结点的刚度矩阵；Sb 整个上部结构关于基础顶面的等效荷载列向量；Ub 相应的边界结点位移列向量；PR 筏板基础本身所受的结点力列向量。,图6-7 带裙房高层建筑子结构的划分 图6-8 带裙房高层建筑基础平面图,计算实例：高层建筑主楼均为20层，裙房为2层，主楼与裙房均为剪力墙结构，墙厚0.22m。主楼 EFGH平面尺寸为 48m32m，左右两侧各带16m宽的裙房（见图6-8），AEHD，FBCG平面为裙房平面，主楼和裙房的筏厚相同，均为2.3m。主楼布桩93根，裙房下布桩分别取80根、28根、0根三种情况。桩长均为 30m，桩径为 0.5m 0.5m，均系钢筋混凝土方桩，桩的弹性模量为 2.6 104MPa。筏板弹性模量 ER 3 104MPa，泊桑比R=0.17。地基采用弹性半无限体地基模型，模量 ES 20MPa，S 0.35。,表6-2 带裙房高层建筑桩筏基础与地基的共同作用的计算,6-3 带裙房高层建筑整体设计的实测研究 高层建筑主楼与裙房同置于一个整体基础上的以下几种形式的设计是有效的：（l）悬挑式；（2）主楼桩数多，裙房桩数少的布桩形式；（3）主楼底板厚，裙房底板薄；（4）主楼桩长些，裙房桩短些。这些设计的目的是为了减少整体基础的差异沉降.,表6-3 4幢高层建筑不同基础形式的L1/h实测值及部分建筑物的相对弯曲值,注：括号内的数字为裙房底板厚度。序号4:主楼采用 2.3m厚的片筏基础再加200根,而两旁二层地下室采用1m厚的片筏基础 加 30根同样尺寸、同样入土深度的钢管桩。筏厚2.3m处的桩基础，每根桩承担6.25m2的上部荷载。筏厚lm处的桩基础，每根桩承担25m2的上部裙房荷载。从该建筑物基础的纵向弯曲和筏内钢筋应力的实测结果来说明此类桩基布置的合理性。,图6-11 钢筋应力计布置及钢筋应力变化,主楼筏板厚2.3m;裙楼筏板厚1.0m.,4）带裙房高层建筑桩箱（筏）基础整体设计的计算参数的确定,表6-5 上海桩基基床系数建议值86,5)应用实例,世界金融大厦总建筑面积 84413m2（地上建筑面积66779m2，地下建筑面积17634 m2），主楼 43层，总高度 168.7m。上部结构为钢筋混凝土核心筒加劲性组合柱，压型钢板作为楼层的框筒结构。3层地下室呈五边形，开挖深度为天然地面下15m。裙房4层，高19.8m,与主楼单面相接，呈贝壳扇形。结构的剖面图和平面图分别见图6-16和图6-17。,图6-16 世界金融大厦剖面图,图6-17 世界金融大厦平面图,在高低建筑物之间设置后浇带与不设置后浇带的工作机理是有区别的.高低建筑物之间不设置后浇带后，高低建筑物处于同一个整体基础，主楼荷载向整体基础裙房下的部分扩散，使得基础面积增大，基底总压力减小，裙房基础下面的桩的功能不是抗拔，而是抗压，裙房基础是下沉的。且裙房和主楼在整体基础的交界处的变形是连续的，它的受力状态与主楼和裙房间设沉降缝为两个基础的受力状态是不同的，使得整体基础的差异沉降和相对弯曲均有所改善。理论计算结果表明，带桩主楼和裙房处于一个整体基础对高低建筑物的差异沉降是有好处的。在对配钢筋和桩的布置与数量进行调整后，对世界金融大厦决定考虑不设置沉降缝的方案，并在施工过程中取消后浇带。,2000年6月精装修结束，在正式投入使用前夕，主楼的最大实测沉降为48.9mm，平均实测沉降为44.62mm;裙房的最大实测沉降为46.84mm，平均实测沉降为33.29mm。其倾斜和相对弯曲均在0.10 以内，筏板整体基础在裙房和主楼的交界处未发现裂缝。应用带裙房的高层建筑与地基基础共同作用的理论在该工程的设计实践中获得成功。因此，不设置后浇带的方案，不仅施工方便和缩短工期，并且节省钢筋等材料，获得较大经济效益，与原设计方案相比，仅仅材料费一项就节约人民币120万元。,6-4 本章小结1对带裙房的高层建筑箱（筏）基础的整体设计作了理论和实测研究，指出裙房建在箱（筏）底板的悬挑段是可行的，提出悬臂长度与底板厚度之合适比值；2提出带裙房高层建筑桩箱（筏）基础整体设计的理论和建议，指出带裙房高层建筑桩箱（筏）基础整体设计采用裙房桩疏些，桩长度短些，底板厚度薄些的设计方案可有效地减小整体基础的差异沉降和相对弯曲。提出主楼和裙房整体基础的相对弯曲的允许值应控制在0.85以内；3笔者提出的上海地区各种典型桩持力层的建筑竣工时和长期使用时的桩基基床系数建议值，可供设计使用，并可粗略估算建筑物的沉降值；4笔者提出的带裙房高层建筑桩箱（筏）基础整体设计研究成果在世界金融大厦决定考虑不设置沉降缝的方案并在施工过程中取消后浇带的实践中，获得成功。与原设计方案相比，仅仅材料费一项就节约人民币达120万元。,第七章 高层建筑桩箱(筏)基础 的变形控制设计理论,7-1、概述7-2、高层建筑桩箱（筏）基础的变形控制设计理论7-3、计算实例7-4、应用实例,7-2、高层建筑桩箱（筏）基础 的变形控制设计理论,1.PT情况（P和T的意义同第四章前）这种情况的高层建筑通常为超高层，桩通常为超长桩。常规设计建筑物的沉降通常在50mm左右，使用变形控制设计理论，建筑物的允许沉降不宜太大。建议允许沉降S为150mm，则建筑物的沉降 S：S S=150mm(7-1)具体应用时，对常规设计有下列几种优化设计：在桩数、桩径和桩长不变的条件下，建筑物加层的优化。要求加层后增加的压力由桩间土承担，需满足下式：（7-2）式中：变形控制设计的总压力；常规设计的总压力；k 由于桩的设置引起的箱（筏）基础底土的面积及土的扰动系数，k=0.8-0.9；,在建筑物层数、桩径和桩长不变的条件下，桩数的优化。高层建筑桩箱（筏）基础常规设计是认为仅由桩来承受外荷载P的，即：(7-3)式中np1，np2，np常 为桩数；Pu 和Ap 分别为桩的极限荷载和桩横截面积；R为桩材料用边长为20cm的混凝土立方体试块的极限抗压强度。,式中：f 为箱(筏)基础底土的承载力设计值，P，Pu，PB，Ap，A意义同前。式（7-6）表明减少桩数后，减少的桩承载力的总和应小于等于桩间土可以承担的荷载。,(7-5),(7-6),(7-4),图7-2 30层高层住宅的np-S曲线,在建筑物层数、桩径和桩数不变的条件下，桩长的优化。对于桩长的优化，根据地质条件，首先用常规设计方法确定桩基持力层、桩径和桩数。在PT条件下:打入桩的桩径不宜小于500（方桩边长不宜小于450mm）；钻孔灌注桩桩径不宜小于700，并使桩的长细比小于100。,2PT情况（P和T的意义同前）这种荷载条件的高层建筑桩基础通常为短桩或长桩。层数相对要少些，使用变形设计控制理论，建筑物的允许沉降可以大一点，建议允许沉降为25cm，即建筑物的沉降为：S25cm(7-6)在这种条件下同样可以进行建筑物加层的优化，减少桩数和缩短桩长的优化。建筑物基础优化设计完成后，仍要进行桩与桩间土的整体承载力的校核。,7-4 应用实例,1应用实例1,图7-5 罗山六小区高层建筑基础平面图示意（单位：m）,图7-7 罗山六小区高层建筑的的桩长与沉降的关系,1995年5月17日结构封顶，历时8个月，建筑物平均沉降22.2mm，最大沉降27mm，最小沉降19mm。小于预估的最终沉降83.2mm，实测结果证明，两幢高层桩长缩短2m是成功的。两幢高层可节约约10万元。,2应用实例2 上海控江路北块旧区改造九州花园南北两幢高层原系24层高层住宅，采用5050cm2预制钢筋混凝土方桩，桩的有效长度为34m，总桩数184根，箱基埋深4.2m,总压力375.5kPa（包括箱基荷载），受甲方委托，对南、北两幢高层建筑加层的可能性进行评估。甲方委托时北楼已造至两层，南楼基坑尚未开挖。,图7-8 九州花园高层建筑基础平面示意图(单位:m),图7-9 九州花园南北楼的p-S曲线,表7-4 九州花园南、北楼高层住宅关于加层的计算最终沉降量,现在，南、北高层住宅仅加一层，成为25层高层住宅。至1996年10月4日已经基本建筑竣工（外墙装饰已至底层），北楼历时两年又两个月，南楼历时两年，两幢大楼的实测沉降分别为86mm和82mm，均在预估的最终沉降量166mm和215mm以内。实测证明，这两幢大楼通过高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论的预估，实现了加层，并获得成功。两幢大楼加一层可得到超过1500m2的建筑面积，使业主可多创利约180万元。,图7-10 北楼沉降-时间-沉降速率曲线图,3 应用实例3 上海四联大厦地上23层，地下一层，建筑物总高度85m，总建筑物面积19422m2,上部结构为高层建筑剪力墙结构，基础采用桩箱基础，箱基面积733m2，箱基埋深4.4m，桩群均布置在剪力墙下，为轴线桩布置，箱基底板厚60cm，剪力墙下设置高1.2m，宽1.1m的基础梁至上部结构。桩采用钻孔灌注桩，共95根。地下水埋置深度为0.5m。钻孔灌注桩原设计为桩长57.4m，桩直径为0.85m。经过计算分析，与设计院商量，改成桩长52.4m，桩直径0.80m，仅桩基础一项的变化和修改，就为甲方节省投资60余万元。下面介绍修改的依据。,图7-11 四联大厦箱基平面和桩位布置,图7-12 四联大厦桩长与沉降的关系 图7-13 四联大厦桩径与沉降的关系,3实施情况 该大楼1996年7月16日基础施工结束，1997年1月29日结构封顶，1997年5月5日建筑竣工，实测沉降12mm，过两年半后，1999年12月27日，居民全部入住，实测沉降17.1mm，沉降速率为0.0053mm/天，已小于上海规范沉降稳定0.011mm/天的标准。用双曲线法外推实测的最终沉降为20.9mm。7-5.本章小结1 本章提出高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论，这理论可以解决需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在允许范围内的问题，高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论同时考虑了桩间土的承载力。2 利用高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论，对30层公寓作了算例分析，指出此理论必须变形和承载力双满足。3 利用高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论作了工程实践，进行了数幢高层建筑桩箱(筏)基础的优化设计，并获得了成功，使甲方获得数百万的经济效益。,图1 实体深基础的底面积,第二个问题是不能应用沉降计算结果与实测结果相差太大的沉降计算方法，这样会造成直接经济损失或浪费基础的投资。第三个问题是不能用文克勒模型的计算结果来考虑建筑物的差异沉降的估算。,第四个问题是高层建筑桩箱（筏）基础的工作状态为:在常规设计条件角桩和边桩与内部桩反力之比值很大，达到2倍以上，随着外荷载的增加，这个比值逐渐减小，当达到极限设计时，角桩，边桩，内部桩反力趋于均匀，即角桩和边桩反力增加很少或不增加，但内部桩反力增加很多。这种情况类似于高层建筑箱形基础在软土地基地基反力的分布，因箱形基础底板角，边部分下的土体的应力进入塑性状态，应力重分布使得地基反力趋于平缓。即：建筑物的外荷载增加，可以充分利用内部桩的承载力。,第八章 结论与展望（略）8-1、结论通过高层建筑地基基础设计理论与实践的研究，特别是高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用的研究和实践，已完成下面几方面工作：1独立完成国内外罕见的高层建筑超长桩箱基础与地基共同作用的现场实测研究。实测研究证明：桩对准剪力墙的轴线布置的设计方法是合理可行的。这幢30层建筑物的荷载为500kPa，箱基底板厚度采用60cm，实测最大底板钢筋拉应力发生在底板的上排钢筋处，其值小于30MPa，可见轴线桩的设计可以大大减薄箱基底板的厚度。提出在高层建筑桩箱基础底板设计中，桩箱基础整体弯矩可以不计，桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算。指出高层建筑群桩基础对箱形基础的刚度是有影响的。并指出高层建筑物的温差引起的箱基底板钢筋应力的变化不容忽视。群桩基础的试验表明：桩间土从施工一开始就分担上部荷载了，这是高层建筑群桩基础的工作机理。欲解决需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在允许范围内的问题，必须建立在高层建筑群桩基础的工作机理上。2介绍了国内外常用的单桩和群桩沉降分析的计算方法,指出它们的利弊,本文主要介绍高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易理论法。3提出新的高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算方法-简易理论法。高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易理论法可以计算各种桩长（7.5m-60m）的高层建筑桩箱(筏)基础的最终沉降；此法简单、方便，且可以手算；计算参数容易确定；计算结果均不需使用桩基沉降修正系数；考虑了桩间土分层的影响；能反映建筑物荷载与沉降的非线性关系；计算沉降量与实测推算值相当接近，并在外地获得成功。用简易理论法的基本原理可以进行单桩分析，能获得单桩的理论的单桩刚度；给出荷载与沉降（Q-S）的非线性关系；短桩和长桩还给出理论的单桩极限承载力值。高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易理论法不管桩的长度为多少，用布西奈斯克解计算的沉降量大，用明特林解计算的沉降量较小；超长桩情况，明特林解计算的沉降量更接近于实测推算值，而对于短桩和中长桩情况，布西奈斯克解计算的沉降量更接近于实测推算值,且明特林解计算的沉降量误差较大；高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算用布西奈斯克解是可行的。,4高层建筑桩箱（筏）基础沉降计算简易理论法可以分析高层建筑箱（筏）基础的总压力p和沉降S的关系，桩数与沉降的关系；桩长变化与建筑物沉降的关系；下卧层压缩模量对沉降的影响；箱（筏）基础宽度B对建筑物沉降的影响；建筑物平面面积对沉降的影响以及桩截面变化对沉降的影响。通过对这些影响因素的分析研究，对高层建筑桩箱（筏）基础的工作机理有了深入的了解，可以自由地进行最优设计，使高层建筑桩箱（筏）基础的基础设计做到既合理安全又经济，达到优化设计的目的。通过一实例分析可知，两幢建筑物合用一整体基础，应以整体基础的平面面积计算沉降，桩端下土层的压缩模量应采用自重应力至自重应力加附加应力对应的压缩模量。太大的沉降量会使建筑物容易倾斜。桩的长度对建筑物的沉降量影响明显，桩的压入应以桩尖标高为准，不能用桩压不下去为理由不压到桩尖标高。5对带裙房的高层建筑箱（筏）基础的整体设计作了理论和实测研究，指出裙房建在箱（筏）底板的悬挑段是可行的，提出悬臂长度与底板厚度之合适比值；提出带裙房高层建筑桩箱（筏）基础整体设计的理论和建议，指出带裙房高层建筑桩箱（筏）基础整体设计采用裙房桩疏些，桩长度短些，底板厚度薄些的设计方案可有效地减小整体基础的差异沉降和相对弯曲。提出主楼和裙房整体基础的相对弯曲的允许值应控制在0.85以内；提出的上海地区各种典型桩持力层的建筑竣工时和长期使用时的桩基基床系数建议值，可供设计使用，并可粗略估算建筑物的沉降值；笔者提出的带裙房高层建筑桩箱（筏）基础整体设计研究成果在世界金融大厦决定考虑不设置沉降缝的方案并在施工过程中取消后浇带的实践中，获得成功。与原设计方案相比，仅仅材料费一项就节约人民币达120万元。6提出高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论，这理论可以解决需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在允许范围内的问题，高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论同时考虑了桩间土的承载力。利用高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论，对30层公寓作了算例分析，指出此理论必须变形和承载力双满足。利用高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计理论作了工程实践，进行了数幢高层建筑桩箱(筏)基础的优化设计，并获得了成功，使甲方获得数百万的经济效益。通过上述高层建筑地基基础设计理论与实践的研究，可以获得优化的高层建筑地基基础设计，使高层建筑桩箱（筏）基础的设计理论有进一步的发展。,8-2、展望1优化设计高层建筑桩箱（筏）基础的优化设计主要是获得合理的桩数和合理的箱（筏）基础底板厚度，并能保证该高层建筑安全可靠。上述高层建筑地基基础设计理论与实践的研究，特别是群桩的正确工作机理及高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计的理论与方法，进一步深化，将使高层建筑桩箱（筏）基础的优化设计的全面完成提供条件。2实践是检验理论的唯一标准高层建筑群桩基础沉降计算是变形控制设计研究的基础，上述各种沉降计算方法的优劣，应以实践为标准，故高层建筑群桩基础沉降的现场实测资料应测试到建筑竣工后2年，才能有完整的可以推算到该建筑物最终沉降的资料，有利于合适沉降计算方法的鉴别。这个工作的完成将给高层建筑桩箱（筏）基础设计带来更大的经济效益。3争取进入世界前沿高层建筑桩箱（筏）基础变形控制设计的系列软件开发和群桩工作机理的深入研究，积极与设计院的配合使用，推动高层建筑地基基础设计理论与实践进一步发展，争取使我国在该方面的理论和设计水平进入世界前沿。4期望上述提出的结论，希望得到有关部门的关怀和支持，加以推广应用，以期不断积累经验，不断改进方法，不断完善理论，最后形成完整的设计工法。,